EP3363036B1 - Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen antrieb eines schaltgeräts - Google Patents

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EP3363036B1
EP3363036B1 EP16781711.3A EP16781711A EP3363036B1 EP 3363036 B1 EP3363036 B1 EP 3363036B1 EP 16781711 A EP16781711 A EP 16781711A EP 3363036 B1 EP3363036 B1 EP 3363036B1
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EP
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voltage
power supply
drive
direct voltage
supply unit
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Ingo Schaar
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Eaton Intelligent Power Ltd
Original Assignee
Eaton Intelligent Power Ltd
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Publication date
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    • 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
    • H01H47/22—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil
    • H01H47/32—Energising current supplied by semiconductor device
    • H01H47/325—Energising current supplied by semiconductor device by switching regulator
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    • 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
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a control device for an electromagnetic drive of a switching device, in particular a contactor, which is provided for supplying energy to the drive, as well as a switching device with such a control device.
  • electromagnetic drives of switching devices such as contactors are supplied with different voltages depending on the drive mode: in pull-up mode, the coil of an electromagnetic drive is supplied with a pull-in voltage, which generates a corresponding pull-in energy to apply the pull-in forces of the switching device; As soon as the contacts of the switching device are closed, the pull-in voltage can be reduced to a holding voltage in order to switch the drive to holding mode.
  • the holding energy generated by the holding voltage is less than the pull-in energy, since less energy is required for safe "holding closed".
  • the pull-in and hold voltage can be generated by pulse-width modulation (PWM), see for example that from the German patent application DE 195 16 995 A1 known contactor control.
  • PWM pulse-width modulation
  • the German Offenlegungsschrift DE 102 27 278 A1 discloses a relay control which has a control device with a voltage regulator controlled by a computing unit. When it is switched on, the voltage regulator initially generates a minimum switch-on voltage for the relay. After switching on, the voltage regulator reduces the supply voltage of the relay to a minimum holding voltage or increases the supply voltage to a full battery voltage.
  • German Offenlegungsschrift DE 10 2006 005 267 A1 describes a control device for relays which has a switched-mode power supply, controlled by a microcontroller, for supplying voltage to the relay coils.
  • the microcontroller controls the switched-mode power supply in such a way that it generates either a pull-in or a holding voltage.
  • the object of the present invention is now to propose an improved control device for an electromagnetic drive of a switching device, in particular a contactor, and an improved switching device.
  • One idea on which the present invention is based is to equip a control device for an electromagnetic drive of a switching device with a power supply unit that generates a pull-in and a holding DC voltage as a function of a control signal generated by a control unit.
  • the power supply unit can also be designed to supply voltage to the control unit.
  • the use of a power supply unit as opposed to a PWM-based generation of the pull-in and holding voltage has the advantage that fewer problems arise with EMC (electromagnetic compatibility) of a switching device, which are primarily caused by steep edges in PWM-based pull-in and holding voltage generation .
  • Another advantage of the invention can be seen in the fact that the use of a single power supply unit, which generates a pull-in and hold DC voltage for the switchgear drive, enables a relatively compact design of the control electronics of a switchgear to be achieved due to the smaller space requirement which in turn improves the EMC behavior through smaller air and creepage distances between individual components and a reduction in the number of components can be achieved.
  • One embodiment of the invention now relates to a control device for an electromagnetic drive of a switching device having a power supply unit for generating a pull-in and holding DC voltage for the electromagnetic drive of the switching device as a function of a control signal and a control unit for generating the control signal.
  • a control device enables a compact design of the control electronics of a switching device, in particular a contactor, since the energy for the pick-up operation and the power for the holding operation of the switching device are generated by a power supply unit.
  • the control unit is also designed to generate a second control signal for controlling a switch for connecting or disconnecting the drive from the pull-in or holding DC voltage generated by the power supply unit, depending on a measurement voltage derived from an input voltage of the control device.
  • the power supply is a switched-mode power supply that is designed for an input voltage range that is adapted to the operating voltage range of the switching device, the input voltage range being approximately 48 volts to approximately 240 volts, approximately 110 volts to approximately 240 volts or approximately 24 volts to approximately 240 volts .
  • a multi-voltage switching device can be created that is suitable for operation with a wide variety of mains voltages. This ultimately enables a minimization of the variants of switching devices.
  • control unit can be designed to generate the control signal in such a way that the power supply unit generates a DC pull-in voltage for the drive when at least one pull-in condition is met and a DC hold-in voltage for the drive when at least one stop condition is met.
  • the at least one tightening condition can include reaching a minimum input voltage and / or minimum output voltage of the power supply unit, and the at least one Holding condition the expiry of a specified time after the at least one tightening condition has been met.
  • control unit can be designed to generate the second control signal for activating the switch for disconnecting the drive from the pull-in or holding DC voltage generated by the power supply unit when the measurement voltage signals that a predetermined minimum voltage is not reached. This ensures that the power supply unit is safely decoupled from the drive and is no longer loaded by it when the input voltage falls below the specified minimum voltage.
  • a quick de-energization unit can be provided for de-energizing a coil of the drive, which is automatically activated when the coil is disconnected from the pull-in or holding DC voltage generated by the power supply unit.
  • the quick de-excitation can have a diode and a Zener diode, which are connected as a series circuit in parallel to the coil of the drive. The fast de-excitation can thus be implemented with little circuitry effort.
  • Another embodiment of the invention relates to a switching device, in particular a contactor, with a switching drive, which has a coil, and a control device according to the invention and as described herein for controlling the power supply to the coil.
  • the switching device can also have a rectifier for generating a rectified output voltage from an alternating voltage in a predetermined input voltage range, the output voltage being fed to the power supply unit of the control device.
  • the control unit of the control device can have a microprocessor or microcontroller which is configured by a program stored in a memory to generate a control signal for controlling the generation of a pull-in voltage and a holding DC voltage by the power pack in such a way that the power pack when tightening conditions are met a pull-in DC voltage for the drive and, if the holding conditions are met, a holding DC voltage for the drive is generated.
  • Fig. 1 shows a block diagram of a control device or control electronics according to the invention, which in principle is designed for a wide input voltage range and can be implemented in a relatively compact manner on a circuit board.
  • the control device is suitable, for example, for integration in a switching device such as a contactor. It makes it possible to generate the energy for the pick-up and hold operation of an electromagnetic switching device drive from a power supply unit, in particular without the use of PWM (on the drive), which can improve the EMC behavior.
  • the control device comprises a power supply unit 10, a control unit 16, implemented for example by a microcontroller with memory, a quick de-energizing unit 22 and a controllable switch 18.
  • the in Fig. 1 shown rectifier 24 belongs strictly speaking, not to the control device, but can nevertheless be provided on a circuit board of the control device. All voltages and signals of the control device are related to a reference potential (eg ground).
  • the rectifier 24 is fed via a voltage applied to the connections A1 and A2, for example an alternating voltage (within or outside the usual 50 Hz or 60 Hz) or also a direct voltage.
  • the output voltage generated from the voltage by the rectifier 24 feeds the power supply unit 10, which uses it to generate an output voltage for supplying the control unit 16 and a coil 12 of an electromagnetic drive of a switching device (not shown).
  • the rapid de-energizing unit 22 is connected in parallel with the coil 12.
  • the controllable switch 18 is connected between the coil 12 and the ground, for example a switching transistor with a corresponding current carrying capacity and suitability for the voltages that occur.
  • the function of the control device is now based on the in Fig. 2
  • the illustrated time diagram of an exemplary curve of the output voltage generated by the power supply unit 10 for supplying the coil 12 of the drive is explained:
  • the output voltage generated by the rectifier 24 from the applied voltage is fed on the input side to the power supply unit 10, which uses it to generate an output DC voltage that increases over time and its exemplary curve in the time diagram of FIG Fig. 2 is shown.
  • control unit 16 As soon as the output voltage of the power supply unit 10 is sufficient to supply the control unit 16 (time t1 in the timing diagram), the control is started, in particular by a microcontroller implementing the control unit 16 starting the execution of firmware stored in its memory.
  • the control unit 16 When the control unit 16 is working, it measures a measurement voltage 20 derived from the voltage generated by the rectifier 24.
  • the Measurement voltage 20 can be derived from the voltage generated by rectifier 24 via a voltage divider, which, depending on the input voltage, can have very high values that may be too high for direct processing by control unit 16.
  • the control unit 16 controls the connection or disconnection of the coil 12 of the drive from the voltage supply of the power supply unit 10. If the measurement voltage 20 exceeds a predetermined minimum voltage, the control unit can switch the coil 12 via the controllable switch 18 into the supply path of the power supply unit 10 via a corresponding second control signal 15 by closing the connection of the coil 12 to ground. Conversely, the control unit 16 switches off the supply of the coil 12 via the second control signal 15 by opening the switch 18 when the voltage falls below the predetermined minimum.
  • the specified minimum voltage is determined depending on the parameters of the drive.
  • the control unit 16 now continues to monitor the output direct voltage generated by the power supply unit 10 and which continues to rise. As soon as the output DC voltage exceeds a minimum value that is sufficient and specified for the switching device to operate in pick-up mode, a pick-up condition is met (time t2 in the timing diagram), and the control unit 16 generates a control signal 14 such that the power supply unit 10 is activated by the control signal 14 in a mode is switched in which it now generates and outputs the achieved output DC voltage as a pull-in DC voltage for the switching drive of the switching device.
  • control unit 16 now generates the second control signal 15 in such a way that the controllable switch 18 is closed, whereby the coil 12 can be connected to the ground and thus supplied by the DC pull-in voltage of the power supply 10, so that a corresponding pull-in current through the coil 12 flows and the drive of the switching device is moved to close the switching contacts.
  • a timer is started in the control unit 16, which timer runs a predetermined time after the generation of the control signal 14 for generating and outputting the pull-in DC voltage.
  • the specified time depends on the switching drive and the duration in such a way that it takes the time to close the switching contacts of the switching device (typically corresponds to the activation time of the switching drive).
  • the control unit 16 When the timer and thus the time specified by it expires, a hold condition is fulfilled, and the control unit 16 generates the control signal 14 in such a way that the power supply unit 10 is switched by the control signal 14 into a mode in which it is now an output DC voltage Holding DC voltage generated and output for the switching drive of the switching device, which is lower than the pull-in DC voltage (time t3 in the time diagram).
  • the power supply 10 lowers its output DC voltage to the holding DC voltage and now outputs the holding DC voltage as long as a voltage in the specified input voltage range is present at the connections A1 and A2 and the switching contacts of the switching device should remain closed.
  • the control unit 16 switches off the switching drive by generating and outputting the second control signal 15, that the controllable switch 18 is opened. After the switch 18 is opened, the rapid de-energization 22 is automatically activated, via which the energy stored in the coil 12 is discharged.
  • the main advantages of the present invention consist in a simplification of the circuit of the control device and the robustness associated therewith, a possible minimization of the circuit variants, an improvement in the EMC behavior and the possibility of implementing a multi-voltage switching device that is suitable for a large input voltage range suitable is. Further advantages can be seen in the fact that the coil types of the electromagnetic drive of a switching device can be reduced, since a separate coil no longer has to be used for each input voltage range, but one coil can be used for several input voltage variants, the number of components can be reduced, and a more compact structure is made possible, which leads to smaller air and creepage distances and thus an improved EMC behavior and has a lower space requirement.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts, insbesondere ein Schütz, welche zur Energieversorgung des Antriebs vorgesehen ist, sowie ein Schaltgerät mit einer derartigen Steuervorrichtung.
  • Es ist bekannt, dass elektromagnetische Antriebe von Schaltgeräten wie Schützen mit unterschiedlichen Spannungen abhängig vom Antriebsmodus versorgt werden: im Anzugbetrieb wird die Spule eines elektromagnetischen Antriebs mit einer Anzugspannung versorgt, welche eine entsprechende Anzugenergie zum Aufbringen der Anzugkräfte des Schaltgeräts erzeugt; sobald die Kontakte des Schaltgerätes geschlossen sind, kann die Anzugspannung auf eine Haltespannung abgesenkt werden, um den Antrieb in einen Haltebetrieb umzuschalten. Die durch die Haltespannung erzeugte Halteenergie ist geringer als die Anzugenergie, da für das sichere "geschlossen Halten" weniger Energie benötigt wird.
  • Es ist außerdem bekannt, die Anzug- und -Haltespannung durch eine Puls-Weiten-Modulation (PWM) zu erzeugen, siehe beispielsweise die aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 16 995 A1 bekannte Schütz-Ansteuerung.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 22 342 A1 ist es bekannt, eine ungeregelte Versorgungsspannung für eine vorgegebene Einschaltdauer während eines Anzugbetriebs an eine Antriebsspule eines elektromagnetischen Schaltgerät-Antriebs anzulegen, und anschließend während eines Haltebetriebs den Antriebsspulenstrom durch eine Reduzierung der Versorgungsspannung zu regeln. Hierzu wird ein von einem Mikroprozessor steuerbarer Spannungsregler eingesetzt.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 102 27 278 A1 offenbart eine Relaisansteuerung, die ein Steuergerät mit einem von einer Recheneinheit gesteuerten Spannungsregler aufweist. Mit dem Einschalten erzeugt der Spannungsregler zunächt eine Mindesteinschaltspannung für das Relais. Nach dem Einschalten reduziert der Spannungsregler die Versorgungsspannung des Relais auf eine minimale Haltespannung, oder erhöht die Versorgungsspannung auf eine volle Batteriespannung.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2006 005 267 A1 beschreibt eine Steuervorrichtung für Relais, die ein von einem Mikrokontroller gesteuertes Schaltnetzteil zur Spannungsversorgung der Relais-Spulen aufweist. Der Mikrokontroller steuert das Schaltnetzteil derart, dass diese entweder eine Anzug- oder eine Haltespannung erzeugt.
  • Weitere Steuervorrichtungen für elektromagnetische Antrieb insbesondere von Relais sind aus den deutschen Offenlegungsschriften DE 10 2008 023 626 A1 und DE 10 2012 221212 A1 sowie der US-Offenlegungsschrift US2014/0192571 A1 bekannt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine verbesserte Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts, insbesondere ein Schütz, und ein verbessertes Schaltgerät vorzuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegender Gedanke besteht darin, eine Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts mit einem Netzteil auszustatten, das eine Anzug- und eine Halte-Gleichspannung abhängig von einem von einer Steuereinheit erzeugten Steuersignal generiert. Das Netzteil kann zudem zur Spannungsversorgung der Steuereinheit ausgebildet sein. Der Einsatz eines Netzteils im Unterschied zu einer PWM-basierten Erzeugung der Anzug- und Haltespannung besitzt den Vorteil, dass weniger Probleme mit EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) eines Schaltgeräts auftreten, die vor allem durch steile Flanken bei PWM-basierter Anzug- und Haltespannungserzeugung verursacht werden. Ein weiterer Vorteil ist bei der Erfindung auch darin zu sehen, dass durch den Einsatz eines einzelnen Netzteils, welches eine Anzug- und Halte-Gleichspannung für den Schaltgerät-Antrieb erzeugt, durch den geringeren Platzbedarf ein relativ kompakter Aufbau der Steuerelektronik eines Schaltgeräts erreicht werden kann, wodurch wiederum das EMV-Verhalten durch kleinere Luft- und Kriechstrecken zwischen einzelnen Bauelementen verbessert und eine Verringerung der Bauteileanzahl erzielt werden kann.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft nun eine Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts aufweisend ein Netzteil zum Erzeugen einer Anzug- und einer Halte-Gleichspannung für den elektromagnetischen Antrieb des Schaltgeräts abhängig einem Steuersignal und eine Steuereinheit zum Erzeugen des Steuersignals. Eine derartige Steuervorrichtung ermöglicht einen kompakten Aufbau der Steuerelektronik eines Schaltgeräts, insbesondere eines Schütz, da die Energie für den Anzugbetrieb und die Leistung für den Haltebetrieb des Schaltgeräts von einem Netzteil generiert werden. Die Steuereinheit ist zudem ausgebildet, ein zweites Steuersignal zum Ansteuern eines Schalters zum Zuschalten oder Trennen des Antriebs von der vom Netzteil erzeugten Anzug- oder Halte-Gleichspannung abhängig von einer aus einer Eingangsspannung der Steuervorrichtung abgeleiteten Messspannung zu erzeugen. Dadurch kann beispielsweise sichergestellt werden, dass überhaupt erst bei Erreichen einer bestimmten Eingangsspannung der Antrieb durch Erzeugen einer Anzug-Gleichspannung in Betrieb genommen werden kann und das Netzteil nicht schon bei geringen Eingangsspannungen durch den Antrieb belastet wird. Weiterhin ist das Netzteil ein Schaltnetzteil, das für einen Eingangsspannungsbereich ausgelegt ist, der an den Betriebsspannungsbereich des Schaltgeräts angepasst ist, wobei der Eingangsspannungsbereich etwa 48 Volt bis etwa 240 Volt, etwa 110 Volt bis etwa 240 Volt oder etwa 24 Volt bis etwa 240 Volt beträgt. Durch die Verwendung eines Netzteils mit einem entsprechend großen Eingangsspannungsbereich kann eine flexibel einsetzbare Steuerelektronik für Schaltgerät geschaffen werden. Insbesondere bei Einsatz eines Netzteils mit einem Eingangsspannungsbereich von etwa 24 Volt bis etwa 240 Volt kann ein Multispannungs-Schaltgerät geschaffen werden, dass für den Betrieb mit verschiedensten Netzspannungen geeignet ist. Dies ermöglicht letztendlich eine Minimierung der Varianten von Schaltgeräten.
  • Insbesondere kann die Steuereinheit ausgebildet sein, das Steuersignal derart zu erzeugen, dass das Netzteil bei Erfüllen von mindestens einer Anzugbedingung eine Anzug-Gleichspannung für den Antrieb und bei Erfüllen von mindestens einer Haltebedingung eine Halte-Gleichspannung für den Antrieb erzeugt. Die mindestens eine Anzugbedingung kann das Erreichen einer Mindest-Eingangsspannung und/oder Mindest-Ausgangsspannung des Netzteils umfassen, und die mindestens eine Haltebedingung den Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach Erfüllen der mindestens einen Anzugbedingung.
  • Weiterhin kann die Steuereinheit ausgebildet sein, das zweite Steuersignal zum Ansteuern des Schalters zum Trennen des Antriebs von der vom Netzteil erzeugten Anzug- oder Halte-Gleichspannung zu erzeugen, wenn die Messspannung ein Unterschreiten einer vorgegebenen Mindestspannung signalisiert. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass das Netzteil sicher vom Antrieb abgekoppelt und von diesem nicht mehr belastet wird, wenn die Eingangsspannung unter die vorgegebene Mindestspannung absinkt.
  • Weiterhin kann eine Schnellentregungseinheit zum Entregen einer Spule des Antriebs vorgesehen sein, die automatisch beim Trennen der Spule von der vom Netzteil erzeugten Anzug- oder Halte-Gleichspannung aktiviert wird. Insbesondere kann die Schnellentregung eine Diode und eine Zenerdiode aufweisen, die als Reihenschaltung parallel zur Spule des Antriebs geschaltet sind. Die Schnellentregung kann somit mit geringem schaltungstechnischem Aufwand implementiert werden.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Schaltgerät, insbesondere Schütz, mit einem Schaltantrieb, der eine Spule aufweist, und einer Steuervorrichtung nach der Erfindung und wie hierin beschrieben zum Steuern der Stromversorgung der Spule. Das Schaltgerät kann auch einen Gleichrichter zum Erzeugen einer gleichgerichteten Ausgangsspannung aus einer Wechselspannung in einem vorgegebenen Eingangsspannungsbereich aufweisen, wobei die Ausgangsspannung dem Netzteil der Steuervorrichtung zugeführt ist.
  • Die Steuereinheit der Steuervorrichtung kann einen Mikroprozessor oder Mikrokontroller aufweisen, der durch ein in einem Speicher abgelegtes Programm konfiguriert ist, ein Steuersignal zum Steuern der Erzeugung einer Anzug- und einer Halte-Gleichspannung durch das Netzteil derart zu erzeugen, dass das Netzteil bei Erfüllen von Anzugbedingungen eine Anzug-Gleichspannung für den Antrieb und bei Erfüllen von Haltebedingungen eine Halte-Gleichspannung für den Antrieb erzeugt. Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
  • In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
  • Die Zeichnungen zeigen in
    • Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung; und
    • Fig. 2 ein Zeitdiagramm eines beispielhaften Verlaufs der vom Netzteil eines Ausführungsbeispiels einer Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugten Ausgangsspannung zum Versorgen des Antriebs.
  • In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
  • Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung bzw. Steuerelektronik gemäß der Erfindung, die prinzipiell für einen weiten Eingangsspannungsbereich ausgelegt und relativ kompakt auf einer Platine implementiert werden kann. Die Steuervorrichtung ist beispielsweise zur Integration in ein Schaltgerät wie ein Schütz geeignet. Sie ermöglicht es, die Energie für den Anzug- und Haltebetrieb eines elektromagnetischen Schaltgerät-Antriebs aus einem Netzteil zu generieren, insbesondere ohne Einsatz von PWM (am Antrieb), wodurch das EMV-Verhalten verbessert werden kann.
  • Die Steuervorrichtung umfasst ein Netzteil 10, eine Steuereinheit 16, beispielsweise implementiert durch einen Mikrokontroller mit Speicher, eine Schnellentregungseinheit 22 und einen steuerbaren Schalter 18. Der in Fig. 1 dargestellte Gleichrichter 24 gehört streng genommen nicht zur Steuervorrichtung, kann aber dennoch auf einer Platine der Steuervorrichtung vorgesehen sein. Alle Spannungen und Signale der Steuervorrichtung sind auf ein Bezugspotential (z.B. Masse) bezogen.
  • Der Gleichrichter 24 wird über eine an den Anschlüssen A1 und A2 anliegende Spannung gespeist, beispielsweise eine Wechselspannung (innerhalb oder auch außerhalb der üblichen 50Hz bzw. 60Hz) oder auch eine Gleichspannung. Die vom Gleichrichter 24 aus der Spannung erzeugte Ausgangsspannung speist das Netzteil 10, welches daraus eine Ausgangsspannung zum Versorgen der Steuereinheit 16 und einer Spule 12 eines elektromagnetischen Antriebs eines (nicht dargestellten) Schaltgeräts generiert. Parallel zur Spule 12 ist die Schnellentregungseinheit 22 geschaltet. Zwischen die Spule 12 und die Masse ist der steuerbare Schalter 18 geschaltet, beispielsweise ein Schalttransistor mit entsprechender Stromtragfähigkeit und Eignung für die auftretenden Spannungen.
  • Die Funktion der Steuervorrichtung wird nun anhand des in Fig. 2 gezeigten Zeitdiagramms eines beispielhaften Verlaufs der vom Netzteil 10 erzeugten Ausgangsspannung zum Versorgen der Spule 12 des Antriebs erläutert:
    Zum Starten der Steuervorrichtung wird an die Anschlüsse A1 und A2 eine Spannung im spezifizierten Eingangsspannungsbereich angelegt (Zeitpunkt t=t0 im Zeitdiagramm). Die vom Gleichrichter 24 aus der angelegten Spannung erzeugte Ausgangsspannung wird eingangsseitig dem Netzteil 10 zugeführt, das daraus eine Ausgangs-Gleichspannung erzeugt, die mit der Zeit ansteigt und deren beispielhafter Verlauf im Zeitdiagramm von Fig. 2 gezeigt ist.
  • Sobald die Ausgangsspannung des Netzteils 10 zum Versorgen der Steuereinheit 16 ausreicht (Zeitpunkt t1 im Zeitdiagramm), wird die Steuerung gestartet, insbesondere indem ein die Steuereinheit 16 implementierender Mikrokontroller mit der Ausführung einer in seinem Speicher abgelegten Firmware startet.
  • Wenn die Steuereinheit 16 arbeitet, misst sie eine von der vom Gleichrichter 24 erzeugten Spannung abgeleitete Messspannung 20. Beispielsweise kann die Messspannung 20 über einen Spannungsteiler aus der vom Gleichrichter 24 erzeugten Spannung abgeleitet sein, die je nach Eingangsspannung sehr hohe Werte aufweisen kann, die ggf. für eine direkte Verarbeitung durch die Steuereinheit 16 zu hoch sind.
  • Abhängig von der Messspannung 20 wird von der Steuereinheit 16 das Zuschalten oder Trennen der Spule 12 des Antriebs von der Spannungsversorgung des Netzteils 10 gesteuert. Überschreitet die Messspannung 20 eine vorgegebene Mindestspannung, kann die Steuereinheit über ein entsprechendes zweites Steuersignal 15 die Spule 12 über den steuerbaren Schalter 18 in den Versorgungspfad des Netzteils 10 schalten, indem die Verbindung der Spule 12 zur Masse geschlossen wird. Umgekehrt schaltet die Steuereinheit 16 über das zweite Steuersignal 15 die Versorgung der Spule 12 ab, indem sie den Schalter 18 öffnet, wenn die vorgegebene Mindestspannung unterschritten wird. Die vorgegebene Mindestspannung ist hierbei abhängig von Parametern des Antriebs festgelegt.
  • Die Steuereinheit 16 überwacht nun weiter die vom Netzteil 10 erzeugte und weiter ansteigende Ausgangs-Gleichspannung. Sobald die Ausgangs-Gleichspannung einen Mindestwert überschreitet, der für einen Anzugbetrieb des Schaltgeräts ausreicht und vorgegeben ist, ist eine Anzugbedingung erfüllt (Zeitpunkt t2 im Zeitdiagramm), und die Steuereinheit 16 erzeugt ein Steuersignal 14 derart, dass das Netzteil 10 durch das Steuersignal 14 in einen Modus geschaltet wird, in dem es nun die erreichte Ausgangs-Gleichspannung als Anzug-Gleichspannung für den Schaltantrieb des Schaltgeräts erzeugt und ausgibt. Ferner erzeugt die Steuereinheit 16 nun das zweite Steuersignal 15 derart, dass der steuerbare Schalter 18 geschlossen wird, wodurch die Spule 12 mit der Masse verbunden und damit von der Anzug-Gleichspannung des Netzteils 10 versorgt werden kann, so dass ein entsprechender Anzugstrom durch die Spule 12 fließt und der Antrieb des Schaltgeräts zum Schließen der Schaltkontakte bewegt wird.
  • Etwa zum Zeitpunkt t2 wird in der Steuereinheit 16 ein Timer gestartet, der eine vorgegebene Zeit nach dem Erzeugen des Steuersignals 14 für das Erzeugen und Ausgeben der Anzug-Gleichspannung läuft. Die vorgegebene Zeit ist hierbei abhängig vom Schaltantrieb und der Dauer derart bemessen, dass er die Zeit bis zum Schließen der Schaltkontakte des Schaltgeräts umfasst (entspricht typischerweise etwa der Anzugzeit des Schaltantriebs).
  • Wenn der Timer und damit die durch ihn vorgegebene Zeit abläuft, ist eine Haltebedingung erfüllt, und die Steuereinheit 16 erzeugt das Steuersignal 14 derart, dass das Netzteil 10 durch das Steuersignal 14 in einen Modus geschaltet wird, in dem es nun als Ausgangs-Gleichspannung eine Halte-Gleichspannung für den Schaltantrieb des Schaltgeräts erzeugt und ausgibt, die niedriger als die Anzug-Gleichspannung ist (Zeitpunkt t3 im Zeitdiagramm). Praktisch senkt hierbei das Netzteil 10 seine Ausgangs-Gleichspannung auf die Halte-Gleichspannung ab und gibt nun die Halte-Gleichspannung solange aus, solange eine Spannung im spezifizierten Eingangsspannungsbereich an den Anschlüssen A1 und A2 anliegt und die Schaltkontakte des Schaltgeräts geschlossen bleiben sollen.
  • Wird die Spannung an den Anschlüssen A1 und A2 abgeschaltet oder sinkt sie unter die vorgegebene Mindestspannung, was von der Steuereinheit 16 über die Messspannung 20 detektiert werden kann, schaltet die Steuereinheit 16 den Schaltantrieb ab, indem sie das zweite Steuersignal 15 so erzeugt und ausgibt, dass der steuerbare Schalter 18 geöffnet wird. Nach dem Öffnen des Schalters 18 wird automatisch die Schnellentregung 22 aktiv, über welche die in der Spule 12 gespeicherte Energie entladen wird.
  • Die wesentlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen in einer Vereinfachung der Schaltung der Steuervorrichtung und einer damit in der Regel einhergehenden Robustheit, einer möglichen Minimierung der Schaltungsvarianten, einer Verbesserung des EMV-Verhaltens sowie der Möglichkeit der Implementierung eines Multispannungs-Schaltgeräts, das für einen großen Eingangsspannungsbereich geeignet ist. Weitere Vorteile sind darin zu sehen, dass die Spulentypen des elektromagnetischen Antriebs eines Schaltgeräts reduziert werden können, da nicht mehr für jeden Eingangsspannungsbereich eine eigene Spule verwendet muss, sondern eine Spule für mehrere Eingangsspannungsvarianten verwendet werden kann, die Anzahl der Bauteile reduziert werden kann, und ein kompakterer Aufbau ermöglicht wird, der zu kleineren Luft- und Kriechstrecken und damit einem verbesserten EMV-Verhalten führt sowie einen geringeren Platzbedarf aufweist.

Claims (8)

  1. Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts aufweisend
    • ein Netzteil (10) zum Erzeugen einer Anzug- und einer Halte-Gleichspannung für den elektromagnetischen Antrieb (12) des Schaltgeräts abhängig von einem Steuersignal (14) und
    • eine Steuereinheit (16) zum Erzeugen des Steuersignals (14), die ausgebildet ist, ein zweites Steuersignal (15) zum Ansteuern eines Schalters (18) zum Zuschalten oder Trennen des Antriebs (12) von der vom Netzteil (10) erzeugten Anzug- oder Halte-Gleichspannung zu erzeugen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    • das Netzteil (10) ein Schaltnetzteil ist, das für einen Eingangsspannungsbereich ausgelegt ist, der an den Betriebsspannungsbereich des Schaltgeräts angepasst ist, wobei der Eingangsspannungsbereich etwa 48 Volt bis etwa 240 Volt, etwa 110 Volt bis etwa 240 Volt oder etwa 24 Volt bis etwa 240 Volt beträgt, und
    • die Steuereinheit (16) ausgebildet ist, das zweite Steuersignal (15) abhängig von einer aus einer Eingangsspannung der Steuervorrichtung abgeleiteten Messspannung (20) zu erzeugen.
  2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Steuereinheit (16) ausgebildet ist, das Steuersignal (14) derart zu erzeugen, dass das Netzteil (10) bei Erfüllen von mindestens einer Anzugbedingung eine Anzug-Gleichspannung für den Antrieb (12) und bei Erfüllen von mindestens einer Haltebedingung eine Halte-Gleichspannung für den Antrieb (12) erzeugt.
  3. Steuervorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die mindestens eine Anzugbedingung das Erreichen einer Mindest-Eingangsspannung und/oder einer Mindest-Ausgangs-Gleichspannung des Netzteils umfasst, und
    die mindestens eine Haltebedingung den Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach Erfüllen der mindestens einen Anzugbedingung umfasst.
  4. Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Steuereinheit (16) ausgebildet ist, das zweite Steuersignal (15) zum Ansteuern des Schalters (18) zum Trennen des Antriebs (12) von der vom Netzteil (10) erzeugten Anzug- oder Halte-Gleichspannung zu erzeugen, wenn die Messspannung (20) ein Unterschreiten einer vorgegebenen Mindestspannung signalisiert.
  5. Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Schnellentregungseinheit (22) zum Entregen einer Spule (12) des Antriebs vorgesehen ist, die automatisch beim Trennen der Spule von der vom Netzteil (10) erzeugten Anzug- oder Halte-Gleichspannung aktiviert wird.
  6. Steuervorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schnellentregung (22) eine Diode und eine Zenerdiode aufweist, die als Reihenschaltung parallel zur Spule (12) des Antriebs geschaltet sind.
  7. Schaltgerät, insbesondere Schütz, mit
    - einem Schaltantrieb, der eine Spule (12) aufweist, und
    - einer Steuervorrichtung (10, 16, 18, 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Steuern der Stromversorgung der Spule (12).
  8. Schaltgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (16) der Steuervorrichtung einen Mikroprozessor oder Mikrokontroller aufweist, der durch ein in einem Speicher abgelegtes Programm konfiguriert ist, ein Steuersignal (14) zum Steuern der Erzeugung einer Anzug- und einer Halte-Gleichspannung durch das Netzteil (10) derart zu erzeugen, dass das Netzteil (10) bei Erfüllen von Anzugbedingungen eine Anzug-Gleichspannung für den Antrieb (12) und bei Erfüllen von Haltebedingungen eine Halte-Gleichspannung für den Antrieb (12) erzeugt.
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