ANSTEUERGERÄT FÜR SCHALTGERÄTE

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Ansteuergerät für Schaltgeräte, insbesondere für Schütze oder Relais, mit einem Magnetsystem, das eine Spule aus Anker und Joch umfaßt, sowie mit einer Regeleinrichtung zur Regelung des magnetischen Flusses im Magnetsystem, das Anker und Joch mit einer Spule umfaßt, sowie mit einer Regeleinrichtung zur Regelung des magnetischen Flusses im Magnetsystem, mit dem der magnetische Fluß im Magnetsystem auf einen vorgegebenen Bereich geregelt wird. Ein solches Ansteuergerät ist aus der GB 21 12 213 A vorbekannt.

[0002] Die Antriebe von Schaltgeräten arbeiten üblicherweise mit Magnetsystemen, welche bisher jeweils auf die Spannungsebene des Schaltgerätes und/oder der Art des Antriebes angepaßt werden müssen. Dadurch ist insbesondere eine große Anzahl von Spulenvarianten notwendig.

[0003] Speziell bei gleichstromgetriebenen Schützen ist bekanntermaßen während der Anzugsphase des Magnetsystems ein hoher Strom erforderlich, um die Federkräfte zu überwinden. Bei geschlossenem Magnetsystem reicht dagegen bereits ein erheblich kleinerer Strom zum sicheren Halten aus. Um die Halteleistung bei gleichstromgetriebenen Schützen zu reduzieren, werden bereits unterschiedliche Techniken verwendet: Bekannt ist beispielsweise die Verwendung von zwei Spulen für die Anzugphase einerseits und die Haltephase andererseits, wobei die Spulen durch einen Hilfsschalter umgeschaltet werden. Weiterhin ist auch bereits eine getaktete Spulenspannung während der Haltephase vorgeschlagen worden. Das Taktverhältnis bestimmt den effektiven Spulenstrom. Die Umschaltung erfolgt nach einer festen Zeit, wenn das Schütz sicher geschlossen ist.

[0004] Aus der DE 30 47 488 A1 ist eine elektronische Schaltungsanordnung für ein elektromagnetisches Schaltgerät bekannt, bei der mit einem Zweipunktregler der Strom durch eine Haltespule im geschlossenen Zustand des Haltemagnetes geregelt wird. Um die Halteleistung zu reduzieren, erfolgt eine Umschaltung von Schwellwerten für die Stromregelung nach einer vorgegebenen Zeit. Als Meßgröße zur Stromregelung wird dabei die Flußmessung über eine Hallsonde zu Hilfe genommen. Weiterhin ist aus der DE 41 29 265 A1 ein elektromagnetisches Schaltgerät mit einem Klappankersystem bekannt, bei dem mit einem Hallsensor der Streufluß erfaßt wird und bei dem die der Spule zugeführte Leistung über die ermittelte magnetflußproportionale Größe geregelt wird. Ein Streufluß wird ebenfalls unter Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses zur Erkennung kleinster Luftspalte bei der DE 36 37 133 erfaßt. Schließlich ist aus der DE 32 46 739 ein Schaltschütz mit Flußfühler bekannt, bei der im Joch des Magnetsystems ein Hallsensor vorhanden ist, dessen Signal zur Steuerung der elektrischen Erregung des Schaltschützes auf einen vorbestimmten Flußwert dient.

[0005] Daneben werden im Tagungsband "Kontaktverhalten und Schalten" des 13. Kontaktseminars - Universität Karlsruhe, 4. bis 6.10.1995, Seiten 101 ff. unterschiedliche Prinzipien geregelter Schützantriebe untersucht. Insbesondere ist dort auch eine Einrichtung zur Regelung des magnetischen Flusses im Magnetsystem beschrieben, bei der der magnetische Fluß durch die Integration der Induktionsspannung in einer um einen Schenkel des Magneten gewickelten Spule ermittelt und mittels eines exakten Magnetmodells eine Sollvorgabe für den magnetischen Fluß mit der Methode der inversen Simulation berechnet wird. Damit wird speziell eine zeitabhängige Sollkurve für den magnetischen Fluß vorgegeben. Der magnetische Fluß erzeugt die antreibende Kraft und ist für somit ursächlich mit der mechanischen Bewegung gekoppelt.

[0006] Aus der eingangs bereits erwähnten GB 21 12 213 A ist ein Schaltgerät mit elektromagnetischem Antrieb bekannt, der einen Flußsensor im Magnetsystem mit einer analogen Regelschaltung für den Magnetfluß aufweist. Damit wird eine hohe Verlustleistung im für die Analogregelung notwendigen Steuerelement umgesetzt, was eine Erwärmung verursacht und damit Kühlkörper notwendig macht. Weiterhin ist aus der US 3 579 052 A ein Ansteuergerät für Schaltgeräte bekannt, bei dem die Anzugskraft zeitabhängig geregelt ist.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Ansteuergerät für Schaltgeräte der eingangs genannten Art zu vereinfachen. Angestrebt wird dabei eine reduzierte Halteleistung des Magnetsystems einerseits und eine Erhöhung der mechanischen und elektrischen Lebensdauer andererseits. Weiterhin soll das Ansteuergerät bei unterschiedlichen Schaltgeräten verwendbar sein, so daß weniger Spulenvarianten notwendig sind und sollen die Magnetsysteme selbst kleiner als bisher aufgebaut werden können.

[0008] Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Ansteuergerät der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur zeit- und wegunabhängigen Steuerung mit der Regeleinrichtung der magnetische Fluß in der Spule geregelt wird, wobei eine obere und untere Schwelle des Bereiches definiert ist und die Breite des Bereiches für den geregelten Spulenfluß in Abhängigkeit von der gewünschten Schaltfrequenz wählbar ist.

[0009] Mit der Erfindung ist in einfacher Weise ein sanftes Schließen der Kontakte von Schaltgeräten erreichbar. Insbesondere durch die damit bewirkte Reduzierung des Kontaktprellens wird eine längere Lebensdauer der Kontakte und damit des gesamten Schaltgerätes erreicht.Vorteilhaft ist weiterhin, daß nur ein Flußbereich für Anziehen und Halten notwendig ist, der als schmaler Bereich ausgeregelt werden kann.

[0010] Die Breite des Bereiches für den ausgeregelten Spulenfluß liegt üblicherweise zwischen 0,01 und 10 %, vorzugsweise zwischen 0,05 und 5 %, des Magnetflusses und wird durch die Schaltfrequenz bestimmt.

[0011] Der Erfindung lag die nichttriviale Erkenntnis zugrunde, daß der Sollwert des magnetischen Flusses in der Spule vorteilhafterweise zustands- und positionsunabhängig gewählt werden kann. Messungen an einem konkreten Schütz haben nämlich ergeben, daß zum Erreichen der Anzugskraft im offenen Zustand und zum Erreichen der Haltekraft bei geschlossenem Magnetsystem annähernd der gleiche Wert für den magnetischen Spulenfluß erforderlich ist. Im geschlossenen Zustand baut bereits ein erheblich kleinerer Strom diesen Fluß auf, da eine größere Induktivität bzw. ein kleinerer magnetischer Widerstand vorliegt. Der Wert für den magnetischen Fluß ist in ein gegebenes Magnetsystem durch Anpassen der Spulenwindungszahlen unabhängig von der Spannungsebene.

[0012] Damit ergibt sich ein entscheidender Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, bei dem bei Vereinfachung des Aufbaus des Magnetsystems der magnetische Fluß zeitabhängig vorgewählt werden muß. Vorteilhaft ist weiterhin, daß die an einem konkreten Schütz ermittelten Verhältnisse auch auf andere Schützgrößen übertragbar sind. Insbesondere sind entsprechend angepaßte Verhältnisse auch durch Änderung des Zwangsluftspaltes im Joch des Magnetsystems erreichbar.

[0013] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen. Es zeigen

Figur 1

den prinzipiellen Aufbau eines Ansteuergerätes für ein Magnetsystem,

Figur 2

ein Diagramm mit auf einen engen Bereich geregelten Magnetfluß- und Stromkurven,

Figur 3

das Prinzip der Erfassung des Spulenflusses im Magnetsystem durch eine Hilfsspule,

Figur 4

die Erfassung des Spulenflusses durch eine Magnetfeldsonde und

Figur 5

den Aufbau eines Magnetsystems aus Joch und Anker, bei dem insbesondere die Bedeutung des Zwangsluftspaltes ersichtlich ist.

[0014] Gleiche bzw. gleichwirkende Einheiten der einzelnen Figuren haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.

[0015] In den Figuren stellt jeweils 1 eine Spule dar, die Teil eines Magensystems für ein Schaltgerät ist. Speziell in Figur 1 ist die Spule 1 als elektrische Induktivität angedeutet und über eine Gleichrichterbrücke 5 an die Anschlußklemmen eines Wechselstromnetzes angeschlossen. Der Spule 1 ist ein Sensor 2 zur Flußerfassung zugeordnet.

[0016] In Figur 1 bedeutet 10 die eigentliche Einrichtung zur Regelung des magnetischen Flusses. Sie beinhaltet eine Einheit 11 zur Schwellenerkennung und eine Einheit 12 zur Spannungsüberwachung und weiterhin ein steuerbares Schaltelement 13. Über das steuerbare Schaltelement 13, das beispielsweise ein Transistor sein kann, ist die Spule 1 an die gleichgerichtete Klemmenspannung angeschlossen.

[0017] Die Spannungsüberwachung in der Einheit 12 sorgt dafür, daß der Einschaltvorgang erst beim Überschreiten einer definierten Einschaltschwelle, beispielsweise bei 70 % Nennspannung, freigegeben wird. Dadurch kann verhindert werden, daß das Schütz an den Hauptkontakten hängen bleibt und verschweißt.

[0018] Nach der Freigabe wird der magnetische Fluß durch die Spule 1, d.h. der Spulenfluß, nicht aber der magnetische Fluß im Arbeitsspalt des Magnetsystems beim Einschaltvorgang erfaßt und zur Regelung verwendet. Für den Spulenfluß wird eine obere und untere Schwelle festgelegt. Das Schaltelement 13 bleibt geschlossen, solange der Spulenfluß unterhalb der oberen Schwelle bleibt. Beim Überschreiten der oberen Schwelle wird das Schaltelement 13 geöffnet und der Spulenfluß wird wieder kleiner. Beim Unterschreiten der unteren Schwelle wird das Schaltelement 13 wieder geschlossen.

[0019] Durch diese Regelung wird erreicht, daß der magnetische Fluß durch die Spule 1 innerhalb der vorgegebenen Grenzen bleibt. Insbesondere kann damit der Spulenfluß auf einen solchen Bereich geregelt werden, der zwischen 0,01 und 10 % des Spulenflusses, insbesondere zwischen 0,05 und 5 %, liegt.

[0020] Zur näheren Spezifizierung des Regelbereiches wurden Versuche am Siemens-Schütz 3TF56 durchgeführt, um Grundlagen für Simulationsrechnungen zu erhalten. Diese sind in Figur 2, in der der magnetische Fluß Ø einerseits und der zugehörige Strom I andererseits als Funktion der Zeit dargestellt sind, verdeutlicht. Beispielsweise ergibt sich, daß für einen Spulenfluß von 1,35 bis 1,4 V-s eine Schaltfrequenz von 400 Hz eine Fensterbreite von etwa 3,6 % realisiert. Da nach Möglichkeit eine Frequenz außerhalb des Höhrbereiches, d.h. oberhalb von etwa 20 kHz, erwünscht wäre, ergeben sich damit Fensterbreiten von Werten bis zu 0,01 %. Somit ist ein schmaler Bereich in der Weise definiert, wie er bisher nicht in Betracht gezogen wurde.

[0021] Aus Figur 2 ergibt sich weiterhin, daß der Spulenfluß Ø(t) zeitunabhängig ist. Für die Stromkurve I(t) ergibt sich dagegen, daß der Strom entsprechend dem Kurvenverlauf I nach etwa 50 ms wieder absinkt.

[0022] Zur Regelung des Spulenflusses im vorgegebenen schmalen Bereich ist die Erfassung des Spulenflusses notwendig, die mit bekannten unterschiedlichen Verfahren erfolgen kann.

[0023] In Figur 3 ist das Magnetsystem 20 aus der Spule 21, entsprechend Spule 1 in Figur 1, Joch 22 und Anker 23 gebildet. Am Joch 22 des Magnetsystems 20 ist eine Hilfsspule 24 angebracht, welche die induzierte Spannung erfaßt. Das zeitliche Integral dieser Spannung ist ein Maß für die Änderung des Spulenflusses. Die erreichbare Genauigkeit reicht während der Anzugsphase aus. Da in der Haltephase die induzierte Spannung nicht beherrschbar ist, können bei diesem Meßverfahren Offset-Fehler zu einem Weglaufen des Integrators führen, weshalb geeignete Ausgleichsmaßnahmen ergriffen werden müssen.

[0024] In Figur 4 ist am gleichen Magnetsystem 20 wie in Figur 3 eine Magnetfeldsonde 34 angebracht, die das B- oder H-Feld erfaßt. Dazu muß gegebenenfalls ein Schlitz 25 im Magnetsystem 20 eingebracht werden. Das B- oder H-Feld ist ein Maß für den magnetischen Fluß durch die Spule 21. Besonders vorteilhaft ist, daß in diesem Fall kein Integrator benötigt wird.

[0025] Figur 5 ergibt sich im wesentlichen aus der Kombination von Figur 1 und Figur 4. Im elektrischen Ansteuerbaustein sind die Ansteuerleitungen für die Spule 1 gemäß Figur 1 bzw. 21 gemäß Figur 4 durch eine Diode überbrückt. In der Nut 25 ist eine geeignete Magnetfeldsonde 34 eingebracht.

[0026] Ausgenutzt wird in Figur 5, daß im magnetischen Joch 22 vorteilhafterweise ein Zwangsluftspalt 30 vorhanden ist. Derartige Zwangsluftspalte sind üblicherweise bereits bei der Herstellung der Joch aus laminiertem Eisen vorgesehen und mit einer Folie aus Isolationsmaterial ausgefüllt, so daß eine stabile Verbindung der beiden Jochteile vorliegt.

[0027] Bei der Anordnung gemäß Figur 5 ergibt sich durch die spezifische Geometrie von Schlitz 25 und Zwangsluftspalt 30, daß zwischen Zwangsluftspalt 30 und Blindspalt 25 ein magnetischer Spannungsteiler realisiert wird. Durch Änderung der Geometrie lassen sich dabei die magnetischen Verhältnisse beeinflussen. Ein schmalerer Zwangsluftspalt reduziert den zum Halten benötigten Spulenfluß stark. Er wirkt sich jedoch kaum auf den zum Aufbringen der Anzugskraft im offenen Zustand benötigten magnetischen Spulenfluß aus. Deshalb kann die Variation der Breite b des Zwangsluftspaltes insbesondere dazu verwendet werden, den im geschlossenen Zustand erforderlichen magnetischen Spulenfluß so anzupassen, daß er den gleichen Wert aufweist wie der im offenen Zustand benötigte Spulenfluß.

Ansprüche

1. Ansteuergerät für Schaltgeräte, insbesondere für Schütze oder Relais, mit einem Magnetsystem (20), das eine Spule (1,21) mit Anker und Joch (22) umfaßt, und mit einer Einrichtung (10) zur Regelung des magnetischen Flusses im Magnetsystem mit der der magnetische Fluß auf einen vorgegebenen Bereich geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeit- und wegunabhängigen Regelung mit der Regeleinrichtung (10) der magnetische Fluß in der Spule (1, 21) geregelt wird, wobei für den magnetischen Fluß der Spule (1, 21) eine obere und eine untere Schwelle des Bereiches definiert und die Breite des Bereiches für den geregelten Spulenfluß in Abhängigkeit von der gewünschten Schaltfrequenz wählbar ist.

2. Ansteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Bereiches für den geregelten Spulenfluß zwischen 0,01 und 10 %, vorzugsweise zwischen 0,05 und 5 %, des Magnetflusses liegt.

3. Ansteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Fluß beim Einschalt- und Haltevorvorgang erfaßt und zur Regelung verwendet wird.

4. Ansteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) über ein steuerbares Schaltelement (15) und einen Gleichrichter (5) an die Klemmenspannung angeschlossen ist.

5. Ansteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (10) eine Einheit zur Spannungsüberwachung (12) enthält, mit der der Einschaltvorgang erst beim Überschreiten einer definierten Einschaltschwelle, beispielsweise 70 % Nennspannung, freigegeben wird.

6. Ansteuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des magnetischen Flusses eine Hilfsspule (24) mit Integrator (26) vorhanden ist.

7. Ansteuergerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspule (24) am Joch (22) Magnetsystems (20) angebracht ist.

8. Ansteuergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Spulenflusses eine Magnetfeldsonde (34) vorhanden ist.

9. Ansteuergerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsonde (34) in einem Schlitz (25) im Joch (22) des Magnetsystems (20) angebracht ist.

10. Ansteuergerät nach Anspruch 9, wobei das Joch des Magnetsystems einen Zwangsluftspalt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (25) und der Zwangsluftspalt (30) im Joch (22) einen magnetischen Spannungsteiler bilden.

11. Ansteuergerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwangsluftspalt (30) eine vorgewählte Breite (b) hat.

Claims

1. Switchgear control apparatus, in particular for contactors or relays, having a magnetic system (20) which comprises a coil (1, 21) with armature and yoke (22), and having a device (10) for controlling the magnetic flux in the magnetic system, with which device the magnetic flux is controlled on to a specified region, characterized in that for the time-independent and path-independent control with the control device (10) the magnetic flux is controlled in the coil (1, 21), with an upper and a lower threshold of the region being defined for the magnetic flux of the coil (1, 21), and with the width of the region for the controlled coil flux being selectable in dependence upon the desired,operating frequency.

2. Control apparatus according to claim 1,
characterized in that the width of the region for the controlled coil flux lies between 0.01 and 10 %, preferably between 0.05 and 5 %, of the magnetic flux.

3. Control apparatus according to claim 1,
characterized in that the magnetic flux is detected during the starting operation and holding operation and is used for the control.

4. Control apparatus according to claim 1,
characterized in that the coil (1) is connected to the terminal voltage by way of a controllable switching element (15) and a rectifier (5).

5. Control apparatus according to claim 1,
characterized in that the control device (10) contains a unit for voltage monitoring (12), with which the starting operation is only initiated upon the exceeding of a defined starting threshold, for example 70 % nominal voltage.

6. Control apparatus according to one of the preceding claims, characterized in that an auxiliary coil (24) with integrator (26) is present to detect the magnetic flux.

7. Control apparatus according to claim 6,
characterized in that the auxiliary coil (24) is fitted to the yoke (22) of the magnetic system (20).

8. Control apparatus according to one of claims 1 to 7, characterized in that a magnetic field probe (34) is present to detect the coil flux.

9. Control apparatus according to claim 8,
characterized in that the magnetic field probe (34) is fitted in a slot (25) in the yoke (22) of the magnetic system (20).

10. Control apparatus according to claim 9,
wherein the yoke of the magnetic system has a forced air gap, characterized in that the slot (25) and the forced air gap (30) in the yoke (22) form a magnetic voltage divider.

11. Control apparatus according to claim 10,
characterized in that the forced air gap (30) has a preselected width (b).

Revendications

1. Appareil de commande pour des appareils de commutation, notamment pour des contacteurs ou pour des relais, ayant un système magnétique (20) qui comprend une bobine (1, 21) constituée d'un induit et d'une culasse (22), ainsi qu'un dispositif de régulation (10) qui est destiné à la régulation du flux magnétique dans le système magnétique et par lequel le flux magnétique dans le système magnétique est régulé sur un domaine donné à l'avance, caractérisé par le fait que, pour la régulation indépendante du temps et du trajet par le dispositif de régulation (10), le flux magnétique dans La bobine (1, 21) est régulé, un seuil supérieur et un seuil inférieur du domaine étant définis pour le flux magnétique de la bobine (1, 21) et la largeur du domaine pour le flux de bobine régulé pouvant être choisie en fonction de la fréquence de commutation souhaitée.

2. Appareil de commande selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la largeur du domaine pour le flux de bobine régulé représente entre 0,01 et 10 %, de préférence entre 0,05 et 5 %, du flux magnétique.

3. Appareil de commande selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le flux magnétique est détecté lors de l'opération de branchement et de maintien et est utilisé pour la régulation.

4. Appareil de commande selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la bobine (1) est raccordée à la tension aux bornes par l'intermédiaire d'un élément interrupteur (13) pouvant être commandé et d'un redresseur (5).

5. Appareil de commande selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif de régulation (10) comporte une unité (12) de contrôle de la tension par laquelle l'opération de branchement est déclenchée seulement lors du dépassement d'un seuil de branchement défini, par exemple à 70 % de la tension nominale.

6. Appareil de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une bobine auxiliaire (24) ayant un intégrateur (26) est prévue pour la détection du flux magnétique.

7. Appareil de commande selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la bobine auxiliaire (24) est montée sur la culasse (22) du système magnétique (20).

8. Appareil de commande selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'une sonde de champ magnétique (34) est prévue pour la détection du flux de bobine.

9. Appareil de commande selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la sonde de champ magnétique (34) est montée dans une fente (25) de la culasse (22) du système magnétique (20).

10. Appareil de commande selon la revendication 9, la culasse du système magnétique comportant un entrefer forcé, caractérisé par le fait que la fente (25) et l'entrefer forcé (30) de la culasse (22) forment un diviseur de tension magnétique.

11. Appareil de commande selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'entrefer forcé (30) a une largeur (b) sélectionnée à l'avance.

Zeichnung