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Die
Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Schaltgerät gemäß dem Patentanspruch
1.
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Um
solche Schaltgeräte
optimal an ihre Schaltaufgabe unter Berücksichtigung unterschiedlicher
Betriebsbedingungen und spezifischer Geräteeigenschaften anzupassen,
wurden Prinzipien geregelter Schaltantriebe entwickelt, die die
Typenvielfalt der Spulen, die auf Grund unterschiedlicher Erregerspannung
bisher notwendig waren, reduziert. Sie sind sowohl für Wechsel-
als auch Gleichstrom einsetzbar und führen durch Verringerung des
Kontaktbrennens zu einer Reduzierung des Abbrandes der Kontaktstellen
und damit zu einer Erhöhung
der Kontaktlebensdauer. Gleichzeitig wird die Leistungsaufnahme
des Erregerkreises während
der Haltephase reduziert.
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Die
DE 44 30 867 A1 beschreibt
die Regelung eines Schaltgeräteantriebs,
der die Einhaltung optimaler Kontaktgeschwindigkeiten und die Begrenzung
der Ankerkernstoßgeschwindigkeit über die
gesamte Lebensdauer unter Berücksichtigung
der Störgrößen wie
Abbrand und Toleranzen gewährleistet.
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Aus
der
EP 0 376 493 A1 ist
eine Steuerschaltung bekannt, die bei elektromagnetischen Ventilen
für den
Schließvorgang
des Schützes
einen hohen Strom zulässt,
der nach dem Schließvorgang
auf einen relativ kleinen Haltestrom reduziert wird.
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Die
DE 30 47 488 A1 beschreibt
neben einer Spulenstromregelung eine Induktionsregelung mit einer
im Joch angeordneten Hallsonde. Diese Regelprinzipien stellen einen
erhöhten
Spulenstrom für den
Schließvorgang
bereit, der nach dem Schließvorgang
auf einen Wert reduziert wird, der gerade noch die zum Halten des
angezognen Ankers notwendige Kraft erzeugt.
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Bisher
wurde der Schließzeitpunkt
eines Ankers in einem Magnetsystem eines elektronisch angesteuerten
oder geregelten Antriebs über
ein Zeitglied, beispielsweise ein RC-Glied oder über eine interne Zeitbasis
eines Mikrocontrollers ermittelt. Aus Erfahrungswerten, der physikalischen
Auslegung und dem Kraft-Weg-Diagramm, konnte auf die Dauer des Schließvorgangs
des elektronischen Antriebs rückgeschlossen
werden. Dieser Schließzeitpunkt unterliegt
jedoch unterschiedlichen Einflüssen,
wie zum Beispiel einer ungünstigen
Toleranzlage der einzelnen Komponenten des Antriebs, Reibung, Wärme, die
den Spulenwiderstand verringert sowie Anbauteilen, wie zum Beispiel
Hilfsschaltern.
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Die
DE 199 47 105 A1 beschreibt
eine Anordnung zum Ein- und Ausschalten eines elektrischen Lastkreises,
die einen Schütz
aufweist, das üblicherweise
einen Magnetantrieb enthält,
der aus einem Magnetjoch und einer Magnetspule und einem Magnetanker,
an dem Brückenkontakte
als bewegliche Kontakte des Schützes über eine
Kontakthalterung angekoppelt sind, besteht, wobei Mittel zum Verschweißschutz
der Brückenkontakte
vorgesehen sind.
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Aus
der
EP 1 234 316 B1 geht
eine Antriebsschaltung für
ein elektromagnetisches Schaltgerät, insbesondere ein Schütz, hervor,
mit einer Spule, die in Reihe zu einem Schaltelement liegt und in
einem Elektromagnetsystem mit einem Anker zum Auslösen eines
Kontaktsytems dient. Zudem weist die Antriebsschaltung eine Verarbeitungseinheit
auf, die zur Ansteuerung des Schaltelements mit diesem in Verbindung
steht, wobei die Verarbeitungseinheit mit einem Magnetfeldsensor
in Verbindung steht, von dem das Weg-Zeit-Verhalten des Ankers erfassbar
ist, wobei die Verarbeitungseinheit derart ausgestaltet ist, dass
von ihr das Weg-Zeit-Verhalten des Ankers anhand einer hinterlegten
gerätespezifischen
Kennlinie regelbar ist.
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Die
DE 10 2007 002 176
A1 beschreibt eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen des
Schaltzustands eines elektromagneti schen Schaltgeräts, das ein
Gehäuse
aufweist, in dem ein Stößel beweglich gelagert
ist. Der Stößel ist
zwischen zwei mechanischen Endstellungen bewegbar, wobei die Endstellung
des Stößels mit
dem Schaltzustand des elektromagnetischen Schaltgeräts korrespondieren.
Im Gehäuse
ist eine Sensoreinrichtung angeordnet, von der erfassbar ist, in
welcher der Endstellung sich der Stößel befindet, und von der ein
hiermit korrespondierendes elektrisches Signal abgebbar ist. Die
Sensoreinrichtung ist derart ausgebildet, dass die Stellung des
Stößels von
ihr erfassbar ist, ohne den Stößel zu berühren.
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In
der
DE 196 05 974
A1 wird eine elektronische Schaltmagnetansteuerung zum
Einschalten und Halten eines Schützes
beschrieben, wobei das Schütz
einen Wegsensor hat, mit dem die Position des Ankers bestimmbar
ist, und die Schaltmagnetansteuerung einen Messaufnehmer, der den
Ist-Strom in der Ankerspule des Schützes ermittelt, und ein Strom-Sollwertgeber,
der in Abhängigkeit
der Position des Ankers einen Soll-Strom vorgibt und einen Spannungsregler
hat, der die an der Ankerspule anliegende Spannung in Abhängigkeit
von der Stromabweichung zwischen Ist-Strom und Soll-Strom vorgibt,
wobei der Wegsensor eine Anzahl Sensoren insbesondere mechanische
Schalter, Lichtschranken, Halldetektoren oder Induktionsschalter
hat, die entlang der vom Anker zurückzulegenden Hubstrecke angeordnet
sind, und mittels derer die Position des Ankers diskret bestimmbar
ist, und wobei jedem Sensor des Wegsensors ein Soll-Stromwert zugeordnet
ist.
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In
der
US 2008/0
192 402 A1 wird ein elektromagnetisches Schaltgerät mit einer
Anzahl von festen Kontaktstücken,
mit einem Magnetantrieb und mit einem vom Magnetantrieb gegen Rückstellmittel bewegbaren
Kontaktträger,
auf dem eine Anzahl von beweglichen Kontaktstücken angeordnet ist, sowie mit
einem Ausanschlag für
den Kontaktträger
beschrieben, wobei ein Sensor zur Erfassung der Position des Kontaktträgers und
eine mit dem Sensor verbundene Kontrolleinheit vorgesehen sind,
und wobei die Kontrolleinheit dem Magnetantrieb während eines Ausschaltvorgangs
zum Abbremsen des Kontaktträgers
vor dem Anschlag auf den Ausanschlag regelt und/oder steuert.
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Aus
der
DE 10 2005
045 095 A1 geht hervor, dass zum Bestimmen des Abbrandes
von Kontakten eines elektromagnetischen Schaltgeräts während des
Einschaltens eine den zeitlichen Verlauf der von einem Aktuator
verursachten Relativbewegung zwischen den Kontakten charakterisierende
mechanische Größe gemessen
wird. Durch Auswertung des zeitlichen Verlaufes der Relativbewegung
wird der Zeitpunkt ermittelt, in dem die Kontakte schließen, und
es wird die bis zu diesem Zeitpunkt von dem oder den Kontakten oder
die ab diesem Zeitpunkt vom Aktuator bis zu dessen Endposition zurückgelegte
Wegstrecke zumindest mittelbar erfasst und mit einem gespeicherten
Referenzwert verglichen.
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Die
DE 103 32 595 A1 beschreibt
ein elektromagnetisches Schaltgerät, bei dem die Bewegung des
Ankers beim Einschaltvorgang optimiert werden soll. Hierzu wird
vorgeschlagen, dass die Beschleunigung des Ankers geregelt wird,
damit die Kontakte beziehungsweise Magnetkomponenten des Schaltgerätes mit
einer wohl definierten Geschwindigkeit aufeinander treffen. Dazu
wird die Endregung der Spule durch eine Gegenspannung beschleunigt,
womit die Zeitkonstante der Regelung reduziert wird.
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Die
DE 36 37 133 A1 beschreibt
eine magnetische Sensoreinrichtung zur Überwachung des Magnetfeldes
im Luftspeicher zwischen einem Statorkern und einem damit beweglich
zusammenwirkenden Anker aus einer magnetischen Überbrückung in Form eines Weicheisenstückes, welches
in einem Abstand von Statorkern und Anker angeordnet ist und bei
geöffnetem
Anker einen magnetischen Parallelschluss über den Sensor bewirkt, der
entsprechend der Feldstärke
im Parallelschluss ein Steuersignal liefert, mit dem die Erregung
der Spule gesteuert ist.
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Aus
der
DE 195 44 207
A1 geht ein elektromagnetisches Schaltgerät mit einem
Magnetsystem mit betätigbaren
Kontaktsystemen hervor, das einen Sensor zum Messen des magnetischen
Flusses aufweist, um den Abstand zwischen Anker und Joch zu ermitteln.
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Die
DE 195 35 211 A1 beschreibt
eine Schaltungsanordnung zur Regelung eines Erregerwicklung, Stator
und Aktor aufweisenden elektromagnetischen Antriebes in einem Schaltgerät, wobei
mittels eines Sensors der Ist-Wert des Magnetflusses im Eisenkreis
detektiert, mit Sollwertfolgen aus einem Sollwertgeber verglichen
und bei positiver Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert die Steuerspannung
an die Erregerwicklung gelegt wird.
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Aus
der
DE 195 26 038
A1 geht hervor, dass eine durch Vollweggleichrichtung eines
Wechselstroms erzeugte Spannung oder eine Gleichspannung in ein
elektromagnetisches Schaltschütz
geladen wird. Die Vorrichtung sieht die Steuerung für eine Schließoperation
mit einer großen
Impulsbreite nach einer Einstellfrequenz und die Steuerung zum Aufrechterhalten
des geschlossenen Zustands des elektromagnetischen Schaltschützes mit
einer kleinen Impulsbreite zur Durchführung der Ein-/Aus-Steuerung vor. Die
Vorrichtung weist einen Detektor zum Erfassen eines Spitzenspannungswerts
sowie eines Mittelwerts oder Wirkwerts der der Vollweggleichrichtung
unterzogenen Spannung sowie einen Regler zum Stabilisieren des Eingangs
auf einem konstanten Pegel auf, indem die Impulsbreite einer Frequenz gesteuert
wird, die auf der Grundlage eines von dem Detektor erfassten Spannungswerts
eingestellt ist.
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Aus
der
US 2004/0
223 283 A1 geht eine Messeinrichtung für ein elektromagnetisches Bauteil hervor,
bei der ein Sensor auf der dem Anker gegenüber liegenden Seite des Joches
angeordnet ist, um eine Kraft zu messen, die als Regelgröße zum Regeln
des Abstandes zwischen Anker und Joch fungiert.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein elektronisch
angesteuertes Schaltgerät
mit einem Magnetsystem zu schaffen, das dazu ausgelegt ist, den
Schließzeitpunkt
eines Ankers im Magnetsystem zu ermitteln.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Schaltgerät
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen,
welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind
der Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Schaltgerät,
insbesondere ein Relais und/oder ein Schütz mit einem Magnetsystem gelöst, das
Anker (9) und Joch (10), eine Spule (6)
und eine Auswerte- und Ansteuereinheit (1) aufweist. Erfindungswesentlich
ist dabei, dass unterhalb vom Joch ein Sensor angeordnet ist, der
zur Detektion des Auftreffmomentes des Ankers auf das Joch ausgebildet
ist. Insbesondere durch Anbringen eines Kraftsensors unter dem Joch
des Magnetsystems lässt
sich der Auftreffvorgang des Ankers sehr genau detektieren. Anhand
dieses Signals kann eine elektronische Ansteuereinheit dazu veranlasst
werden, dem Magneten deutlich weniger Energie zuzuführen, da
der Magnet nun geschlossen ist und dadurch weniger Energie benötigt. Vorteilhaft
ist dabei, dass den elektronisch gesteuerten oder geregelten Antrieben
immer nur die Energie zugeführt
wird, die zum aktuellen Zeitpunkt benötigt wird. Das heißt unabhängig von äußeren Einflüssen erhält die elektronische
Ansteuereinheit über
den Sensor immer genau den Zeitpunkt des Schließens eines Magnetsystems und kann
mit einer Energiereduzierung auf die Halteenergie reagieren. Vorteilhaft
am erfindungsgemäßen Schaltgerät sind demnach
die Energiereduzierung, die Verringerung der Verlustleistung in
der Spule sowie die geringere Belastung der elektronischen Schaltelemente,
da diese deutlich kürzer
mit der hohen Energie beaufschlagt werden.
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Es
ist bevorzugt, wenn über
einen Kraftsensor das Auftreffmoment des Ankers detektiert wird. Mit
einem Kraftsensor bzw. einem Kraftaufnehmer wird die Kraft gemessen,
die auf den Sensor wirkt. Mit Kraftaufnehmern können meist sowohl Druck- als auch Zugkräfte gemessen
werden. Die meisten Kraftaufnehmer arbeiten mit einem Federkörper, dessen
elastische Verformung gemessen wird. Auf Grund der Krafteinwirkung
wird der Federkörper
des Aufnehmers elastisch verformt. Die Kraftaufnahme muss in der
vorgeschriebenen Richtung erfolgen. Die Verformung des Federkörpers wird über Dehnungsmessstreifen,
deren elektrischer Widerstand sich mit der Dehnung ändert, in
die Änderung
einer elektrischen Spannung umgewandelt. Über einen Messverstärker werden
die elektrische Spannung und damit die Dehnungsänderung registriert. Die Dehnungsänderung
kann auf Grund der elastischen Eigenschaften des Federkörpers in
einen Kraftmesswert umgerechnet werden, indem der Aufnehmer kalibriert
wird.
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Vorzugsweise
wird durch das Auftreffmoment des Ankers ein Signal generiert, das
an die elektronische Ansteuereinheit übertragen wird, wodurch die
dem Magnetsystem zugeführte
Energie nach Übertragung
des Signals ”Magnet
geschlossen” gedrosselt
wird.
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Weitere
Vorteile und Ausführungen
der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnung erläutert.
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Dabei
zeigt schematisch:
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1 ein
Schaltbild eines Schaltgerätes
mit einem Magnetsystem aus Anker und Joch.
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1 zeigt
ein Schaltbild eines Schaltgerätes,
insbesondere eines Schützen
mit einem Magnetsystem aus Anker und Joch, das elektronisch angesteuert
wird. Das elektronisch angesteuerte Schaltgerät weist eine Auswerte- und
Ansteuereinheit 1 auf, die mit einer Spannungsquelle 2 verbunden
ist. Die Spannungsquelle 2 ist mit einer Steuerspannung 3 kontaktiert.
Die Auswerte- und Ansteuereinheit 1 ist zudem über einen
Shunt 4 (Nebenschlusswiderstand) und über einen Schalter 5 mit
einer Spule 6 verbunden, wobei optional auch eine Freilaufdiode 7 zwischen
Schalter 5 und Spule 6 geschaltet sein kann. Die
Spule 6 befindet sich in einem Magnetsystem 8,
das einen Anker 9 und einen vorzugsweise U-förmig ausgebildetes
Joch aufweist, wobei die Spule an Schenkeln 11, 12 des
U-förmigen
Jochs 10 umwickelt ist. Unterhalb des Jochs 10 ist
ein Sensor 13, insbesondere ein Kraftsensor angeordnet,
der wiederum mit der Auswerte- und Ansteuereinheit 1 kontaktiert
ist. Das Schaltbild sieht vor, dass bei Spannungszunahme der Strom
ebenfalls zunimmt und sich bei Erreichen eines bestimmten Levels
die Kontakte 14 schließen,
so dass sich der Anker 9 auf das Joch 10 senkt.
Dieses Auftreffmoment wird vom Sensor 13 registriert und
an die Auswerte- und Ansteuereinheit 1 übertragen, die daraufhin die
zugeführte
Energie im Magnetsystem 8 absenkt.
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Das
erfindungsgemäße elektronisch
angesteuerte Schaltgerät
mit Magnetsystem ermittelt den Schließzeitpunkt eines Ankers im
Magnetsystem und trägt
so in vorteilhafter Weise dazu bei, dass der Schaltungsanordnung
nur die Energiemenge zugeführt
wird, die zum aktuellen Zeitpunkt benötigt wird. Zudem wird durch
das erfindungsgemäße Schaltgerät sowohl
die Verlustleistung an der Spule, als auch die Belastung der elektronischen
Schaltelemente in vorteilhafter Weise verringert.