DE69400172T2 - Operating control device of a contactor - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schütz nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 (vgl. FR - A - 2611 981).The present invention relates to a contactor according to the preamble of claim 1 (cf. FR - A - 2611 981).
Im Stand der Technik sind die Anzugsspule und die Haltespule in der Regel relativ zueinander in Reihe geschaltet, wobei parallel zu den Anschlüssen der Haltespule ein Trennschalter geschaltet ist, der dazu dient, die Haltespule nach der Auslösung während einer ersten Funktionsphase des Schützes kurzzuschließen.In the state of the art, the pull-in coil and the holding coil are usually connected in series relative to each other, with a disconnector connected in parallel to the terminals of the holding coil, which serves to short-circuit the holding coil after tripping during a first functional phase of the contactor.
Somit muß während dieser ersten Funktionsphase ausschließlich die Anzugsspule mit Strom versorgt werden, um so für eine schnelle Betätigung des Ankers zu sorgen.Therefore, during this first functional phase, only the pull-in coil must be supplied with power in order to ensure rapid actuation of the armature.
Befindet sich der Anker in der aktivierten Stellung, wird der die Haltespule kurzschließende Kurzschlußschalter so geöffnet, daß diese in Reihe mit der Anzugsspule geschaltet ist und sich somit der Strom durch die Spulen reduziert.If the armature is in the activated position, the short-circuit switch that shorts the holding coil is opened so that it is connected in series with the pull-in coil, thus reducing the current through the coils.
Diese Struktur weist jedoch eine Anzahl von Nachteilen auf, insbesondere im Hinblick auf die Notwendigkeit, einen Kurzschlußschalter zum Kurzschließen einer der Spulen vorzusehen als auch im Hinblick darauf, diese Spulen entsprechend verschiedener Funktionscharakteristika, insbesondere in Bezug auf die Schaltseiten des Ankers in seine aktivierte Stellung und in seine Ruhestellung, bei begrenzter Aufheizung der Spulen auszulegen.However, this structure has a number of disadvantages, in particular with regard to the need to provide a short-circuit switch for short-circuiting one of the coils, as well as with regard to designing these coils according to different operating characteristics, in particular with regard to the switching sides of the armature in its activated position and in its rest position, with limited heating of the coils.
Im Stand der Technik beschreibt die FR - A - 2 611 981 ein Anlasserrelais für ein Motorfahrzeug, welches eine Vielzahl von parallel geschalteten Spulen aufweist, die nacheinander zur Begrenzung des Anzugsmomentes betätigt werden. Hier werden zunächst eine Spule, dann zwei und drei Spulen betätigt, wobei für den Fall eines Absinkens der Versorgungsspannung lediglich die erste Spule betätigt bleibt, um das Relais geschlossen zu halten. Dieses Dokument lehrt also, daß es bekannt ist, verschiedene Spulen parallel anzusteuern, insbesondere gleichzeitig während der Anzugsphase. Jedoch behandelt dieses Dokument nicht das Problem des Haltens des Relais für den Fall eines Absinkens der Versorgungsspannung.In the prior art, FR - A - 2 611 981 describes a starter relay for a motor vehicle, which has a plurality of coils connected in parallel, which are actuated one after the other to limit the starting torque. Here, first one coil, then two and three coils are actuated, and in the event of a drop in the supply voltage, only the first coil remains actuated to keep the relay closed. This document therefore teaches that it is known to actuate various coils in parallel, in particular simultaneously during the starting phase. However, this document does not address the problem of holding the relay in the event of a drop in the supply voltage.
Das Dokument EP - A - 0 164 014 beschreibt und zeigt ein Blinkerrelais, welches unter Verwendung zweier verschiedener Spannungen, nämlich einer höheren Spannung zwischen 20 und 26,5 Volt und einer niedrigeren Spannung zwischen 10,5 und 13,5 Volt arbeitet. Hier ist ein Widerstand, welcher einen Nebenschluß über einen Trennschalter erfahren kann, in Serie zu dem Relais geschaltet. Das Dokument enthält keinen Hinweis darauf, daß das Relais mehrere Steuerspulen aufweisen könnte. Falls die Spannung, was durch einen Komparator detektiert wird, niedrig ist, ist der Trennschalter geschlossen und das Relais wird direkt versorgt. Falls die Spannung hoch ist, wird der Schaltzustand des Trennschalters durch einen monostabilen Kippschalter bestimmt, wobei die, über eine ODER-Gatter übertragene Dauer der Betätigung des Kippschalters die ist, welche die Funktion des Relais sicherstellt. Schließlich wird das Relais in Reihe mit dem Widerstand versorgt, wobei der Wert des Widerstandes so gewählt ist, daß eine minimale Spannung zum Halten des Relais gewährleistet ist. Dieses Dokument behandelt demzufolge in keinerlei Art und Weise das Problem des Haltens für den Fall eines Absinkens der Versorgungsspannung.The document EP - A - 0 164 014 describes and shows a flasher relay which uses two different voltages, namely a higher voltage between 20 and 26.5 volts and a lower voltage between 10.5 and 13.5 volts. Here, a resistor, which can be shunted by a circuit breaker, is connected in series with the relay. The document contains no indication that the relay may have several control coils. If the voltage is low, which is detected by a comparator, the circuit breaker is closed and the relay is powered directly. If the voltage is high, the switching state of the circuit breaker is determined by a monostable toggle switch, the duration of the toggle switch operation, transmitted via an OR gate, being that which ensures the operation of the relay. Finally, the relay is powered in series with the resistor, the value of the resistor being chosen to ensure a minimum voltage to hold the relay. This document therefore does not deal in any way with the problem of holding in the event of a drop in the supply voltage.
Das Dokument GB - A - 2 156 156 lehrt lediglich die Möglichkeit der Steuerung eines Unterbrecherrelais über parallel geschaltete Spulen, bei welchen die eine separat von der anderen angesteuert werden kann.The document GB - A - 2 156 156 merely teaches the possibility of controlling a circuit breaker relay via coils connected in parallel, where one can be controlled separately from the other.
Keines der genannten Dokumente beschreibt das Problem des Haltens eines Relais für den Fall eines Absenkens der Versorgungsspannung noch wird dieses Problem nahegelegt.None of the documents mentioned describes the problem of holding a relay in the event of a supply voltage drop, nor does this problem suggest.
Das vorliegende Problem ist insbesondere von erheblichem Interesse für Anlasserrelais, denn der von einem Anlasser benötigte Strom ist sehr hoch, was zu einem deutlichen Abfall der Versorgungsspannung fuhrt.The present problem is of particular interest for starter relays, because the current required by a starter is very high, which leads to a significant drop in the supply voltage.
Es ist Aufgabe der Erfindung die vorgenannten Probleme zu lösen.It is an object of the invention to solve the aforementioned problems.
Um diese Aufgabe zu lösen, hat die Erfindung ein Schutz nach dem Patentanspruch 1 zum Gegenstand.In order to achieve this object, the invention provides protection according to patent claim 1.
Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich nun aus der folgenden Beschreibung zur Erläuterung der Erfindung, die sich auf die Zeichnung bezieht, in welcher zeigt:Other characteristics and advantages of the invention will become apparent from the following description explaining the invention, which refers to the drawing, in which:
Fig. 1 ein Übersichtsschema einer Schaltvorrichtung mit der Funktion eines Schützes nach dem Stand der Technik,Fig. 1 is an overview diagram of a switching device with the function of a contactor according to the state of the art,
Fig. 2 ein Übersichtsschema eines Schützes gemäß der Erfindung undFig. 2 is an overview diagram of a contactor according to the invention and
Fig. 3 eine Illustration der Funktion eines erfindungsgemäßen Schützes.Fig. 3 is an illustration of the function of a contactor according to the invention.
Wie man beispielsweise in Fig. 1 erkennen kann, sind aus dem Stand der Technik Schütze bekannt, welche zwei Spulen aufweisen, wobei in dieser Fig. die Anzugsspule mit dem Bezugszeichen 1 und die Haltespule mit dem Bezugszeichen 2 versehen ist.As can be seen in Fig. 1, for example, contactors are known from the prior art which have two coils, whereby in this figure the pull-in coil is provided with the reference number 1 and the holding coil with the reference number 2.
Ein Kurzschlußschalter zum Kurzschließen der Haltespule, hier bezeichnet mit dem Bezugszeichen 3, ist parallel zur Haltespule vorgesehen.A short-circuit switch for short-circuiting the holding coil, here designated by the reference number 3, is provided parallel to the holding coil.
Man erkennt, daß die Anzugsspule und die Haltespule in Reihe mit einer Versorgungsspannungsquelle und dem Kollektor eines Versorgungstransistors, in dieser Fig. bezeichnet mit dem Bezugszeichen 4, dessen Kollektor mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle über einen Widerstand 5 verbunden ist, geschaltet ist. Der Emitter dieses Transistors ist mit Masse verbunden und die Basis des Transistors erhält ein Steuersignal von Steuermitteln, hier versehen mit dem Bezugszeichen 6, welche über Eingänge logische Informationen, hier bezeichnet mit dem Bezugszeichen 7, zur Steuerung erhalten.It can be seen that the pull-in coil and the holding coil are connected in series with a supply voltage source and the collector of a supply transistor, in this figure designated by the reference numeral 4, whose collector is connected to the positive pole of a voltage source via a resistor 5. The emitter of this transistor is connected to ground and the base of the transistor receives a control signal from control means, here provided with the reference numeral 6, which receive logical information, here designated by the reference numeral 7, for control via inputs.
Die Steuermittel besitzen eine klassische Struktur, beispielsweise als Kontrollgerät zur Dekodierung der Informationen.The control means have a classic structure, for example as a control device for decoding the information.
Es ist ersichtlich, daß parallel zu der Anzugsspule und zu der Haltespule eine Schutzeinrichtung vorgesehen ist, die mit dem Bezugszeichen 8 versehen ist.It can be seen that a protective device, which is provided with the reference number 8, is provided parallel to the pull-in coil and the holding coil.
Die Funktionsweise dieser Vorrichtung wird im folgenden beschrieben.The operation of this device is described below.
Im Eingangszustand dieser Vorrichtung ist der Kurzschlußschalter 3 derart geschlossen, daß die Haltespule 2 kurzgeschlossen ist.In the initial state of this device, the short-circuit switch 3 is closed in such a way that the holding coil 2 is short-circuited.
Unter dem Einfluß der Informationen 7 bewirken die Steuermittel 6 die Versorgung der Anzugsspule über den Transistor 4.Under the influence of the information 7, the control means 6 supply the pull-in coil via the transistor 4.
Der Anker des Schützes wird somit in seine aktivierte Stellung gezogen.The armature of the contactor is thus pulled into its activated position.
Am Ende einer vorgegebenen Zeitspanne, welche größer ist als die zur Bewegung des Ankers in die aktivierte Stellung benötigte Zeitspanne, wird der Kurzschlußschalter 3 derart geöffnet, daß die Haltespule 2 in Reihe mit der Anzugsspule 1 geschaltet wird, so daß der durch die Spulen fließende Strom reduziert ist.At the end of a predetermined period of time, which is longer than the period of time required to move the armature into the activated position, the short-circuit switch 3 is opened in such a way that the holding coil 2 is connected in series with the pull-in coil 1, so that the current flowing through the coils is reduced.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Schütz durch eine Gleichspannung, VAlim, versorgt, die eine nominale Spannung von 28 Volt liefert, welche in weiten Bereichen, beispielsweise zwischen 10 und 32 Volt, schwanken kann.In one embodiment, the contactor is powered by a DC voltage, VAlim, which provides a nominal voltage of 28 volts, which can vary within wide ranges, for example between 10 and 32 volts.
Die Anzugsspule wird durch einen Stromstoß von 40 mS bei einer Spannung von 28 V und einer Temperatur von 20º C versorgt. Die erforderliche Präzision für die Zeitdauer des Stromstoßes ist eine Funktion des Wertes der Spannung (von 10 bis 32 V) und der Temperatur, welche zum Beispiel zwischen -55º C und +85º C variieren kann.The pull-in coil is powered by a current pulse of 40 mS at a voltage of 28 V and a temperature of 20º C. The required precision for the duration of the current pulse is a function of the value of the voltage (from 10 to 32 V) and the temperature, which can vary, for example, between -55º C and +85º C.
Der Anzugsstrom beträgt für eine norninale Spannung von 28 Volt und eine Temperatur von 20º C gleichbleibend 1A, während der Haltestrom unter den selben Bedingungen nicht einmal 250 mA beträgt.The starting current is a constant 1A for a normal voltage of 28 volts and a temperature of 20ºC, while the holding current under the same conditions is not even 250 mA.
Die untere Schwellspannung, unterhalb derer die Anzugsspule reaktiviert ist, ist zwischen 12 V und 12,5 V fixiert, während die obere Schwellspannung, oberhalb derer die Anzugsspule nach einer Reaktivierung wiederum deaktiviert wird, zwischen 14 V und 14,5 V fixiert ist.The lower threshold voltage below which the pull-in coil is reactivated is fixed between 12 V and 12.5 V, while the upper threshold voltage above which the pull-in coil is deactivated again after reactivation is fixed between 14 V and 14.5 V.
Die Steuerspannung der Steuermittel, VCde, sollte mindestens 3 V bei einer Versorgungsspannung, VAlim, oberhalb von 18 V betragen. Dieses wird mit Hilfe eines logischen Gatters ET gewährleistet, welches an seinen Eingängen zwei den Wert der Steuerspannung und der Versorgungsspannung repräsentierende Signale erhält und daraus den Stromstoß zur Versorgung der Anzugsspule, wie oben beschrieben, ableitet. Falls die Steuerspannung unter den genannten Wert von 3 V fällt, öffnet die Steuervorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung das Schütz.The control voltage of the control means, VCde, should be at least 3 V at a supply voltage, VAlim, above 18 V. This is done using a logical gate ET, which receives at its inputs two signals representing the value of the control voltage and the supply voltage and derives from them the current impulse for supplying the pull-in coil, as described above. If the control voltage falls below the above-mentioned value of 3 V, the control device opens the contactor in accordance with the invention.
In Fig. 3 der Zeichnung ist die Funktionsweise des Schützes für den Fall eines Absinkens der Versorgungsspannung und den Fall eines anschließenden Ansteigens der Versorgungsspannung dargestellt. Außerdem liefert die folgende Tabelle verschiedene Werte der Einstellungen in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur. - Länge des Stromstoßes zur Steuerung für 18 V ≤ VAlim ≤ 32 V und 3 V ≤ VCde ≤ 28 V - Länge des Stromstoßes zur Steuerung für 3 V ≤ CDe ≤ 28 V bei anliegenden 18 V ≤ VAlim ≤ 32 V - untere Schwellspannung für 3 V ≤ VCde ≤ 28 V - obere Schwellspannung für 3 V ≤ VCde ≤ 28 V - minimale Betriebsspannung für 3 V ≤ VCde ≤ 28 V - minimale Versorgungsspannung zur Erzeugung eines Stromstoßes zur Steuerung für 3 V ≤ VCde ≤ 28 VFig. 3 of the drawing shows the operation of the contactor in the case of a drop in the supply voltage and in the case of a subsequent increase in the supply voltage. In addition, the following table provides various values of the settings depending on the operating temperature. - Length of the control current pulse for 18 V ≤ VAlim ≤ 32 V and 3 V ≤ VCde ≤ 28 V - Length of the control current pulse for 3 V ≤ CDe ≤ 28 V when 18 V ≤ VAlim ≤ 32 V is applied - Lower threshold voltage for 3 V ≤ VCde ≤ 28 V - Upper threshold voltage for 3 V ≤ VCde ≤ 28 V - Minimum operating voltage for 3 V ≤ VCde ≤ 28 V - Minimum supply voltage to generate a control current pulse for 3 V ≤ VCde ≤ 28 V
Folglich weist die aus dem Stand der Technik bekannte, in Fig. 1 dargestellte Struktur, wie bereits eingangs erwähnt, eine Mehrzahl von Nachteilen auf, wie zum Beispiel die Verwendung eines Kurzschlußschalters für die Haltespule und die Notwendigkeit der Überdimensionierung der Spulen, insbesondere der Anzugsspule, um eine schnelle Verlagerung des Ankers in seine aktivierte Stellung zu bewirken, wobei während dieser Arbeitsphase die Haltespule nicht an dieser Verlagerung beteiligt ist.Consequently, the structure known from the prior art, shown in Fig. 1, as already mentioned at the beginning, has a number of disadvantages, such as, for example, the use of a short-circuit switch for the holding coil and the need to over-dimension the coils, in particular the pull-in coil, in order to cause a rapid displacement of the armature to its activated position, during this working phase the holding coil is not involved in this displacement.
Außerdem weist diese bekannte Struktur gleichzeitig Probleme im Hinblick auf die Erhitzung der Spulen und geringe Anpassungsmöglichkeiten an erhebliche Variationen der Versorgungsspannung des Schützes auf.In addition, this known structure simultaneously presents problems with regard to heating of the coils and limited adaptation possibilities to significant variations in the supply voltage of the contactor.
Die Ausgestaltung des Schützes gemäß der Erfindung erlaubt die Lösung dieser Probleme.The design of the contactor according to the invention allows the solution of these problems.
Ein Übersichtsschema dieser Vorrichtung ist in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt, in welcher analoge Bestandteile zu den in Fig. 1 dargestellten die selben Bezugszeichen tragen.An overview diagram of this device is shown in Fig. 2 of the drawing, in which analogous components to those shown in Fig. 1 bear the same reference numerals.
Es sind dies beispielsweise, wie man in Fig. 2 erkennen kann, die Anzugsspule 1, die Haltespule 2, die Steuermittel 6 und die Steuerinformationen 7.These are, for example, as can be seen in Fig. 2, the pull-in coil 1, the holding coil 2, the control means 6 and the control information 7.
Im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, umfassen in dem Schütz gemäß der Erfindung die Steuermittel zur Versorgung der Spulen getrennte Steuermittel zur Versorgung dieser.In contrast to the known devices as shown in Fig. 1, in the contactor according to the invention the control means for supplying the coils comprise separate control means for supplying them.
Dies bedeutet, daß bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung, jeweils einer der Anschlüsse jeder der Spulen 1, 2 mit einer Versorgungsspannung verbunden ist, während der andere Anschluß jeder dieser Spulen mit jeweils einem Kollektor eines zugeordneten Transistors 9, 10 verbunden ist, wobei diese Kollektoren wiederum jeweils über Widerstände 11, 12 mit einem Kontakt einer Versorgungsspannungsquelle verbunden ist.This means that in the device shown in Fig. 2, one of the terminals of each of the coils 1, 2 is connected to a supply voltage, while the other terminal of each of these coils is connected to a collector of an associated transistor 9, 10, these collectors in turn being connected to a contact of a supply voltage source via resistors 11, 12.
Die Emitter dieser Transistoren sind mit Masse und die Basen der Transistoren sind mit den in Abhängigkeit von den logischen Steuerinformationen 7 arbeitenden Steuerausgängen der Steuermittel 6 verbunden.The emitters of these transistors are connected to ground and the bases of the transistors are connected to the control outputs of the control means 6, which operate depending on the logical control information 7.
Parallel zu den Kontakten der Spulen sind Schutzvorrichtungen 13 und 14 angeordnet.Protective devices 13 and 14 are arranged parallel to the contacts of the coils.
Außerdem erhalten die Steuermittel gleichzeitig an ihren Eingängen eine Information über die Versorgungsspannung des Schützes, deren Verarbeitung im weiteren im Detail beschrieben wird.In addition, the control devices simultaneously receive information about the supply voltage of the contactor at their inputs, the processing of which is described in detail below.
Man erkennt im weiteren, daß die getrennten Steuermittel der Spulen eine Verbesserung der Eigenschaften und Funktionsweise des Schützes erlauben.It can also be seen that the separate control means of the coils allow an improvement in the properties and functioning of the contactor.
Zunächst können die getrennten Steuermittel zur Versorgung der Spulen derart angepaßt sein, daß sie gleichzeitig die Anzugsspule und die Haltespule nach dem Auslösen des Schützes ansteuern, um so die Verlagerung des Ankers in seine aktivierte Stellung zu beschleunigen.Firstly, the separate control means for supplying the coils can be adapted in such a way that they simultaneously control the pull-in coil and the hold-in coil after the contactor has been triggered, in order to accelerate the displacement of the armature into its activated position.
Die Versorgung der Anzugsspule 1 wird anschließend nach einer vorgegebenen Zeitspanne, die größer als die Zeitspanne zur Verlagerung des Ankers in seine aktivierte Stellung sein muß, über die Steuerung der Funktion des Transistors 9 unterbrochen.The supply to the pull-in coil 1 is then interrupted after a predetermined period of time, which must be longer than the period of time for the armature to move into its activated position, by controlling the function of the transistor 9.
Demgegenüber kann diese Anzugsspule 1 erneut versorgt werden, falls ein Spannungsabfall in der Versorgungsspannung des Schützes auftritt, welcher die Gefahr einer Verlagerung des Ankers in seine Ruhestellung in sich birgt.On the other hand, this pull-in coil 1 can be re-supplied if a voltage drop in the supply voltage of the contactor occurs, which entails the risk of the armature being displaced into its rest position.
Die Steuermittel 6 kontrollieren permanent die Versorgungsspannung des Schützes und lösen eine Versorgung der Anzugsspule aus, wenn diese Versorgungsspannung unter eine festgelegte Schwelle abfällt, die insbesondere in dem Falle einer starken Belastung des gesamten Stromkreises auftritt.The control means 6 permanently monitor the supply voltage of the contactor and trigger a supply of the pull-in coil when this supply voltage falls below a predetermined threshold, which occurs in particular in the case of a heavy load on the entire circuit.
Man erkennt also, daß die Versorgung der Spulen abhängig von der Entwicklung der Belastung des gesamten Stromkreises gesteuert wird, um so eine verbesserte Funktion des Schützes zu gewährleisten.It can therefore be seen that the supply to the coils is controlled depending on the evolution of the load of the entire circuit in order to ensure improved functioning of the contactor.
Die Versorgung der Anzugsspule für den Fall eines erheblichen Spannungsabfalles in der Versorgungsspannung des Schützes erlaubt eine Reduzierung des Stromes durch die Haltespule in erheblichem Maße und als Folge davon eine Reduzierung des Kupfervolumens der Spulen und gleichfalls des Eisenvolumens des induktiven Teils des Schützes.The supply of the pull-in coil in the event of a significant voltage drop in the supply voltage of the contactor allows a significant reduction in the current through the holding coil and, as a result, a reduction in the copper volume of the coils and also in the iron volume of the inductive part of the contactor.
Die Reduzierung der Anzugs- und Halteströme führt gleichzeitig zu einer Senkung der Aufheizung der Spulen.The reduction of the starting and holding currents simultaneously leads to a reduction in the heating of the coils.
Außerdem ermöglichst die beschriebene Struktur gleichzeitig eine deutlich größere Geschwindigkeit für die Verlagerung des Ankers, zum einen aus seiner Ruhestellung in seine aktivierte Stellung und zum anderen aus seiner aktivierten Stellung in seine Ruhestellung als Konsequenz der geringeren in den Spulen gespeicherten Energien.In addition, the structure described simultaneously allows a significantly higher speed for the displacement of the armature, on the one hand from its rest position to its activated position and on the other hand from its activated position to its rest position as a consequence of the lower energies stored in the coils.
Schließlich bleibt noch zu erwähnen, daß der Kurzschlußschalter zum Kurzschließen der Haltespule überflüssig ist, welcher relativ schwierig anzusteuern war.Finally, it should be mentioned that the short-circuit switch for short-circuiting the holding coil is superfluous, as it was relatively difficult to control.
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