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WO2012038221A1 - Schaltgerät sowie verfahren zur steuerung eines schaltgeräts - Google Patents

Schaltgerät sowie verfahren zur steuerung eines schaltgeräts Download PDF

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WO2012038221A1
WO2012038221A1 PCT/EP2011/065021 EP2011065021W WO2012038221A1 WO 2012038221 A1 WO2012038221 A1 WO 2012038221A1 EP 2011065021 W EP2011065021 W EP 2011065021W WO 2012038221 A1 WO2012038221 A1 WO 2012038221A1
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WO
WIPO (PCT)
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switching device
coil
armature
yoke
switching
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2011/065021
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Streich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO2012038221A1 publication Critical patent/WO2012038221A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/02—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay
    • H01H47/04—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for holding armature in attracted position, e.g. when initial energising circuit is interrupted; for maintaining armature in attracted position, e.g. with reduced energising current
    • H01H2047/046—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for holding armature in attracted position, e.g. when initial energising circuit is interrupted; for maintaining armature in attracted position, e.g. with reduced energising current with measuring of the magnetic field, e.g. of the magnetic flux, for the control of coil current

Definitions

  • the invention relates to a switching device, in particular a contactor, which has a magnet system of armature and yoke and a coil and an evaluation and control unit, and a method for controlling a switching device.
  • a switching device in particular a contactor, which has a magnet system of armature and yoke and a coil and an evaluation and control unit, and a method for controlling a switching device.
  • principles of controlled switching actuators have been developed, which reduces the type qu ⁇ fold of the coils, which were previously necessary due to different excitation voltages so far. They can be used both for alternating and direct current and lead by reducing the contact burning to a reduction in the burn-off of the contact points and thus to an increase in contact life.
  • the power consumption of the exciter circuit is reduced during the holding phase.
  • the electrical coil control is usually realized via a current control or a pulse width modulation in dependence on the input voltage.
  • the influence of temperature is compensated here by energy surplus, that is, at low temperatures, the coil is excited higher, so at high temperatures, the excitation does not turn out too ge ⁇ ring.
  • the disadvantage of the prior art is that the low-voltage switching devices ⁇ directly or in the form of a pre-switch ⁇ th electronic module are turned on and is subject to this control mode ⁇ all influences such as heat, the device tolerance and environmental influences.
  • Today's low-voltage switching devices are designed for these overall changing operating conditions, that is, each device is turned on with too much energy.
  • the object of the present invention is to provide a switching device and a method for controlling a switching device, in which the turn-on energy is reduced to a minimum.
  • This object is achieved by a switching device with the features of patent claim 1 and by a method having the shopping ⁇ paint of claim. 4
  • Advantageous embodiments and developments, which can be used individually or in combination with each other, are the subject of the dependent claims.
  • this object is achieved by a switching device, in particular a contactor, which has a magnet system consisting of armature and yoke as well as a coil and an evaluation and control unit.
  • the invention is characterized in that an additional coil for gently switching on the switching device is arranged in the magnetic circuit.
  • the coil is designed in the form of wire windings around a magnetic core.
  • copper tracks on a circuit board, through which the iron circle passes serve as a coil.
  • this auxiliary coil which also acts as a pick-up coil can be designated, receives an electronic evaluation ⁇ a voltage module as a function of the speed of ⁇ speed of the movable magnetic part.
  • This is in the present case the anchor.
  • the speed of the armature with which it meets the spring system of the low-voltage switchgear can now be regulated. Since ⁇ with only the energy is provided, which is really needed to bring a magnetic system to close.
  • the optimal speed both bouncing, as well as the emergence of additional switching noise is avoided or reduced to a minimum.
  • the mechanical life is significantly increased.
  • the damping system does not have to be oversized.
  • the electrical life ⁇ duration is significantly increased. Magnetic breaks are avoided.
  • the object is also achieved by a method for controlling a switching device, in particular a contactor with a magnet system of armature and yoke and a coil and a Auswer te and control unit.
  • the procedural ⁇ ren according to the invention is characterized in that the speed at which the on ker impinges on the yoke is controlled by an additional coil in the magnetic circuit.
  • the induced voltage in the auxiliary coil receives an electronic evaluation module voltage as a function of the speed of the movable magneti see anchor. After this voltage, the speed of the movable armature, with which this meets the Federsys tem of the low-voltage switchgear can now be controlled. This only provides the energy that is really needed to bring a magnet system to a close. The optimum speed avoids or minimizes the bouncing as well as the generation of switching noises.
  • the mechanical life is significantly increased.
  • the damping system does not have to be dimensioned überdi ⁇ .
  • the electrical life is significantly increased. Magnetic breaks are avoided.
  • the switching device reduces the required switching energy to a minimum. Thereby, a soft switch A ⁇ given of the magnet and an optimal Sch thoroughlygeschwindig ⁇ ness. This is in addition a lower mechanical load for the iron circuit, also be
  • Figure 1 is a perspective view of a magnetic system of a switching device of armature and yoke with an integrated on a printed circuit board additional coil.
  • FIG. 2 is a perspective view of another embodiment of a magnetic system of a switching device of armature and yoke with an additionally wound around an iron core of the magnet coil.
  • Fig. 3 is a perspective view of a magnetic system of a switching device of armature and yoke with an egg ⁇ senkern additionally wound coil with connection to a circuit board.
  • Fig. 1 shows a magnet system of a switching device, comprising an armature 1 as a movable magnetic part and a yoke 2.
  • armature 1 and yoke 2 Between armature 1 and yoke 2 is a solenoid 2a is arranged ⁇ whose magnetic field at a certain control current, the mechanical contacts in the active state. Without power, a spring restores the idle state, ie all contacts return to their original position.
  • the yoke 2 is preferably formed as a U-core, wherein a leg 3 of this U-core is guided by a printed circuit board 4. On the circuit board 4, and around the leg 3 of the yoke 2 to a ⁇ additional coil is applied 5 in the form of copper traces 6 on the circuit board. 4
  • an electronic evaluation module receives a voltage as a function of the speed of the movable magneti ⁇ 's armature 1. After this voltage can now be the speed of the movable armature 1, with this on the Fe ⁇ dersystem of the low-voltage switchgear meets, be regulated. Thus, only the energy is provided that is really needed to bring a magnetic system of armature 1 and yoke 2 to close.
  • the optimum speed avoids bouncing and the occurrence of switching noises and reduces them to a minimum.
  • the mechanical life is ßert magnification ⁇ .
  • the damping system must not oversized ⁇ to.
  • the electrical life is significantly increased, and magnetic breaks are avoided.
  • a further embodiment of a magnetic ⁇ system of armature 1 and yoke 2 is shown with an additionally wound around the iron core coil 7. Also in this embodiment, the invention provides that by integration of the induced voltage in the coils 7, an electrical evaluation module receives a voltage in dependence on the speed of the movable magnetic armature 1. After this tension, the speed of the movable armature, with which this meets the spring system of the low-voltage switchgear.
  • Fig. 3 shows an inventive magnet system of a switching device from armature 1 and yoke 2 with an additional coil 7 which is connected via lines 8 to a circuit board 9.
  • the switching device reduces the required A switching energy to a minimum. Thereby, a soft switch A ⁇ given of the magnet and an optimal Sch thoroughlygeschwindig ⁇ ness. This is in addition a lower mechanical load for the iron circuit, also be

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät, insbesondere ein Schütz, das ein Magnetsystem aus Anker (1) und Joch (2) sowie eine Spule (2a) und eine Auswerte- und Ansteuereinheit aufweist, sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Schaltgeräts. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine zusätzliche Spule (5,7) zum sanften Einschalten des Schaltgeräts im Magnetkreis angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Schaltgerät sowie Verfahren zur Steuerung eines Schaltgeräts Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät, insbesondere ein Schütz, das ein Magnetsystem aus Anker und Joch sowie eine Spule und eine Auswerte- und Ansteuereinheit aufweist, sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Schaltgeräts. Um solche Schaltgeräte optimal an ihre Schaltaufgäbe unter Berücksichtigung unterschiedlicher Betriebsbedingungen und spezifischer Geräteeigenschaften anzupassen, wurden Prinzipien geregelter Schaltantriebe entwickelt, die die Typenviel¬ falt der Spulen, die auf Grund unterschiedlicher Erregerspan- nungen bisher notwendig waren, reduziert. Sie sind sowohl für Wechsel- als auch Gleichstrom einsetzbar und führen durch Verringerung des Kontaktbrennens zu einer Reduzierung des Ab- brandes der Kontaktstellen und damit zu einer Erhöhung der Kontaktlebensdauer. Gleichzeitig wird die Leistungsaufnahme des Erregerkreises während der Haltephase reduziert.
Problematisch ist jedoch, dass solche elektromechanischen Antriebe auf Grund ihrer Ausprägung großen Temperaturschwankungen unterliegen, die durch die Umgebungstemperatur, die Ver- lustleistung sowie durch die Aufheizung der Hauptkontakte durch Schaltströme hervorgerufen werden. Auf Grund der Temperaturschwankungen unterliegt auch die Erregung der Spule Schwankungen, da der ohmsche Widerstand des Wicklungsdrahtes und damit der Erregerstrom stark temperaturabhängig sind.
Bisher wird die elektrische Spulenansteuerung meistens über eine Stromregelung oder eine Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit von der Eingangsspannung realisiert. Der Temperatur- einfluss wird hier durch Energieüberschuss kompensiert, das heißt, bei niedrigen Temperaturen wird die Spule höher erregt, damit bei hohen Temperaturen die Erregung nicht zu ge¬ ring ausfällt. Der Nachteil am Stand der Technik besteht darin, dass Nieder¬ spannungsschaltgeräte direkt oder in Form einer vorgeschalte¬ ten Elektronikbaugruppe eingeschaltet werden und diese An¬ steuerart sämtlichen Einflüssen wie zum Beispiel Wärme, der Gerätetoleranz und Umwelteinflüssen unterliegt. Auf diese insgesamt sich ändernden Betriebsbedingungen sind heutige Niederspannungsschaltgeräte ausgelegt, das heißt, jedes Gerät wird mit zuviel Energie eingeschaltet. Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Schaltgerät sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Schaltgeräts zu schaffen, bei welchem die Einschaltenergie auf ein Minimum reduziert wird. Diese Aufgabe wird durch ein Schaltgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merk¬ malen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhän- gigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Schaltgerät, insbesondere ein Schütz gelöst, das ein Magnetsystem aus Anker und Joch sowie eine Spule und eine Auswerte- und Ansteu- ereinheit aufweist. Die Erfindung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass eine zusätzliche Spule zum sanften Einschalten des Schaltgeräts im Magnetkreis angeordnet ist.
In einer besonders vorteilhaften Aus führungs form ist vorgese- hen, dass die Spule in Form von Drahtwindungen um einen Magnetkern ausgebildet ist.
In einer weiteren Aus führungs form ist vorgesehen, dass Kupferbahnen auf einer Leiterplatte, durch welche der Eisenkreis geht, als Spule dienen. Durch Integration der induzierten Spannungen in diese Hilfsspule, die auch als Pick-Up-Spule bezeichnet werden kann, erhält eine elektronische Auswerte¬ baugruppe eine Spannung in Abhängigkeit von der Geschwindig¬ keit des beweglichen magnetischen Teiles. Dies ist im vorlie genden Fall der Anker. Nach dieser Spannung kann nun die Geschwindigkeit des Ankers, mit der dieser auf das Federsystem des Niederspannungsschaltgeräts trifft, geregelt werden. Da¬ mit wird nur die Energie zur Verfügung gestellt, die auch wirklich benötigt wird, um ein Magnetsystem zum Schließen zu bringen .
Durch die optimale Geschwindigkeit wird sowohl das Prellen, als auch das Aufkommen zusätzlicher Schaltgeräusche vermieden beziehungsweise auf ein Minimum reduziert. Die mechanische Lebensdauer wird deutlich vergrößert. Das Dämpfungssystem muss nicht überdimensioniert werden. Die elektrische Lebens¬ dauer wird deutlich erhöht. Magnetbrüche werden vermieden.
Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zur Steuerung eines Schaltgeräts, insbesondere eines Schütz mit einem Magnet System aus Anker und Joch sowie einer Spule und einer Auswer te- und Ansteuereinheit gelöst. Das erfindungsgemäße Verfah¬ ren zeichnet sich dadurch aus, dass über eine zusätzliche Spule im Magnetkreis die Geschwindigkeit, mit welcher der An ker auf das Joch prallt, geregelt wird.
Durch Integration der induzierten Spannung in die Hilfsspule erhält eine elektronische Auswertebaugruppe eine Spannung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des beweglichen magneti sehen Ankers. Nach dieser Spannung kann nun die Geschwindigkeit des beweglichen Ankers, mit der dieser auf das Federsys tem des Niederspannungsschaltgeräts trifft, geregelt werden. Damit wird nur die Energie zur Verfügung gestellt, die auch wirklich benötigt wird, um ein Magnetsystem zum Schließen zu bringen . Durch die optimale Geschwindigkeit wird sowohl das Prellen, als auch das Aufkommen von Schaltgeräuschen vermieden oder auf ein Minimum reduziert. Die mechanische Lebensdauer wird deutlich vergrößert. Das Dämpfungssystem muss nicht überdi¬ mensioniert werden. Die elektrische Lebensdauer wird deutlich erhöht. Magnetbrüche werden vermieden.
Das erfindungsgemäße Schaltgerät reduziert die benötigte Ein¬ schaltenergie auf ein Minimum. Dadurch sind ein sanftes Ein¬ schalten des Magneten und eine optimale Schließgeschwindig¬ keit gegeben. Damit verbunden ist zusätzlich eine geringere mechanische Belastung für den Eisenkreis, zudem werden
Schaltgeräusche minimiert.
Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung erläutert.
Dabei zeigen schematisch:
Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung ein Magnetsystem eines Schaltgeräts aus Anker und Joch mit einer auf einer Leiterplatte integrierten zusätzlichen Spule;
Fig. 2 in einer perspektivischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Magnetsystems eines Schaltgeräts aus Anker und Joch mit einer zusätzlich um einen Eisenkern des Magneten gewickelten Spule;
Fig. 3 in einer perspektivischen Darstellung ein Magnetsystem eines Schaltgeräts aus Anker und Joch mit einer um einen Ei¬ senkern zusätzlich gewickelten Spule mit Anschluss an eine Leiterplatte .
Fig. 1 zeigt ein Magnetsystem eines Schaltgeräts, aufweisend einen Anker 1 als bewegliches magnetisches Teil und ein Joch 2. Zwischen Anker 1 und Joch 2 ist eine Magnetspule 2a ange¬ ordnet, deren Magnetfeld bei einem bestimmten Steuerstrom die mechanischen Kontakte in den aktiven Zustand versetzt. Ohne Strom stellt eine Feder den Ruhezustand wieder her, d.h., alle Kontakte kehren in die Ausgangslage zurück. Das Joch 2 ist vorzugsweise als U-Kern ausgebildet, wobei ein Schenkel 3 dieses U-Kerns durch eine Leiterplatte 4 geführt ist. Auf der Leiterplatte 4 und um den Schenkel 3 des Jochs 2 ist eine zu¬ sätzliche Spule 5 in Form von Kupferbahnen 6 auf die Leiterplatte 4 aufgebracht.
Durch Integration der induzierten Spannung in diese Spule 5 erhält eine elektronische Auswertebaugruppe eine Spannung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des beweglichen magneti¬ schen Ankers 1. Nach dieser Spannung kann nun die Geschwindigkeit des beweglichen Ankers 1, mit der dieser auf das Fe¬ dersystem des Niederspannungsschaltgeräts trifft, geregelt werden. Damit wird nur die Energie zur Verfügung gestellt, die auch wirklich benötigt wird, um ein Magnetsystem aus Anker 1 und Joch 2 zum Schließen zu bringen.
Durch die optimale Geschwindigkeit wird das Prellen und das Aufkommen von Schaltgeräuschen vermieden und auf ein Minimum reduziert. Ebenso wird die mechanische Lebensdauer vergrö¬ ßert. Das Dämpfungssystem muss nicht überdimensioniert wer¬ den. Die elektrische Lebensdauer wird deutlich erhöht, und Magnetbrüche werden vermieden.
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Magnet¬ systems aus Anker 1 und Joch 2 mit einer zusätzlich um den Eisenkern gewickelten Spule 7 gezeigt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass durch Integration der induzierten Spannung in die Spulen 7 eine elektrische Auswertebaugruppe eine Spannung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des beweglichen magnetischen Ankers 1 erhält. Nach dieser Spannung kann die Geschwindigkeit des be- weglichen Ankers, mit der dieser auf das Federsystem des Niederspannungsschaltgeräts trifft, geregelt werden.
Damit wird nur die Energie zur Verfügung gestellt, die auch wirklich benötigt wird, um ein Magnetsystem aus Anker 1 und Joch 2 zum Schließen zu bringen. Durch die optimale Geschwindigkeit wird das Prellen und das Aufkommen von Schaltgeräu¬ schen vermieden oder auf ein Minimum reduziert. Die mechanische Lebensdauer wird zudem deutlich vergrößert. Das Däm- pfungssystem muss nicht überdimensioniert werden. Die elekt¬ rische Lebensdauer wird deutlich erhöht, und es werden zudem Magnetbrüche vermieden.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Magnetsystem eines Schalt geräts aus Anker 1 und Joch 2 mit einer zusätzlichen Spule 7 die über Leitungen 8 an eine Leiterplatte 9 angeschlossen ist .
Das erfindungsgemäße Schaltgerät reduziert die benötigte Ein schaltenergie auf ein Minimum. Dadurch sind ein sanftes Ein¬ schalten des Magneten und eine optimale Schließgeschwindig¬ keit gegeben. Damit verbunden ist zusätzlich eine geringere mechanische Belastung für den Eisenkreis, zudem werden
Schaltgeräusche minimiert.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltgerät, insbesondere Schütz, das ein Magnetsystem aus Anker (1) und Joch (2) sowie eine Spule (2a) und eine Auswer- te- und Ansteuereinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Spule (5,7) zum sanften Einschalten des Schaltgeräts im Magnetkreis angeordnet ist.
2. Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (7) in Form von Drahtwindungen ausgebildet ist.
3. Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (5) in Form von Kupferbahnen auf einer Leiterplatte (4) ausgebildet ist.
4. Verfahren zur Steuerung eines Schaltgeräts, insbesondere ein Schütz mit einem Magnetsystem aus Anker (1) und Joch (2), sowie einer Spule (2a) und einer Auswerte- und Ansteuerein¬ heit, dadurch gekennzeichnet, dass über eine zusätzliche Spu- le (5,7) im Magnetkreis die Geschwindigkeit, mit welcher der Anker (1) auf das Joch (2) prallt, geregelt wird.
PCT/EP2011/065021 2010-09-22 2011-08-31 Schaltgerät sowie verfahren zur steuerung eines schaltgeräts Ceased WO2012038221A1 (de)

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