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Title:
DIRECT CURRENT MAGNET SYSTEM FOR AN ELECTROMAGNETIC SWITCHING DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1999/045553
Kind Code:
A1
Abstract:
High arc currents provoking strong contact erosion in the switching element (3) occur in existing direct current magnet systems when switching from starting excitation to non-drop-out excitation. In order to avoid said inconvenient, a capacitor (5) is parallel connected to the switching element (3). The excitation current in the trip coil (1) is commutated during a short but sufficiently long period so that the break distance of the switching element (3) is sufficiently opened without causing the emergence of a light arc.

Inventors:
MITLMEIER NORBERT (DE)
Application Number:
PCT/DE1999/000473
Publication Date:
September 10, 1999
Filing Date:
February 19, 1999
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
MITLMEIER NORBERT (DE)
International Classes:
H01H9/54; H01H47/08; H01H47/10; H02H9/04; (IPC1-7): H01H9/54; H01H47/08
Domestic Patent References:
WO1991015865A11991-10-17
Foreign References:
DE3037951A11982-05-13
FR2173924A11973-10-12
GB1199660A1970-07-22
DE3008868A11980-09-11
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, DE)
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Gleichstrommagnetsystem für ein elektromagnetisches Schaltgerät, mit einer Reihenschaltung aus einer Spule (1,11) und einem Schaltelement (3,13), das zur Reduzierung der Erregerleistung in der Spule (1,11) dient, dadurch ge kennzeichnet, daß zum Schaltelement (3,13) ein Kondensator (5,14) parallel geschaltet ist.
2. Gleichstrommagnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schaltelement (3,13) eine Reihenschaltung aus dem Kondensator (5,14) und einem ohmschen Widerstand (4) parallel geschaltet ist.
3. Gleichstrommagnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spule (1,11) eine antiserielle Reihenschaltung aus einer Sperrdiode (8) und einer Suppressordiode (7) parallel geschaltet ist.
4. Gleichstrommagnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichstrommagnetsystem eine weitere Spule (2) aufweist, die die Kontakte des Schaltgeräts im erregten Zustand dauerhaft in der EINStellung hält und zu der eine Zenerdiode (10) in Reihe geschaltet ist.
Description:
Beschreibung Gleichstrommagnetsystem für ein elektromagnetisches Schalt- gerät Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleichstrommagnetsystem für ein elektromagnetisches Schaltgerät, mit einer Reihen- schaltung aus einer Spule und einem Schaltelement, das zur Reduzierung der Erregerleistung in der Spule dient.

Gattungsgemäße Gleichstrommagnetsysteme sind für gleichstrom- betätigte Schütze z. B. in der Siemens-Druckschrift (Best.-Nr.

E 20001-P285-A342) offenbart. Die bevorzugte Ansteuerung der Schütze mit Gleichstrom liegt in ihren umfangreichen Einsatz- möglichkeiten begründet. Grundsätzlich werden die beiden An- triebsvarianten Gleichstrommagnetsysteme und Wechselstrom- magnetsysteme in Sparschaltung unterschieden.

Bei den Gleichstromantrieben ist die Gleichstromerregung unabhängig vom Magnetweg, was zu verhältnismäßig langen Schaltzeiten führt. Um die Schaltzeiten zu verkürzen, wird daher für die Anzugserregung eine verhältnismäßig große An- zugsleistung verwendet. Nach dem Anzug wird die Erregung auf die Halteerregung mit geringer Spulenleistung im geschlosse- nen Eisenkreis reduziert. Zur Reduzierung der Erregung von der Anzugserregung auf die Halteerregung im Dauerbetrieb sind die beiden folgenden Lösungen bekannt. Es wird ein Spulen- system, meist eine Doppelwickelspule, mit einer Anzugs-und einer Haltespule verwendet, die parallel geschaltet sind.

Nach Beendigung der Anzugsphase wird der Strom durch die An- zugsspule durch ein in Reihe liegendes Schaltelement unter- brochen. Bei der zweiten Lösung wird für den Anzug und den Dauerbetrieb nur eine einzige Spulenwicklung benutzt. Die Reduzierung der Erregung auf die Halteerregung erfolgt durch Hinzuschaltung eines ohmschen Widerstands. Auch hier wird ein zur Spule in Reihe und zum Widerstand parallel liegendes Schaltelement geöffnet.

Bei der Abschaltung der hohen Anzugserregung ergibt sich durch den Lichtbogen ein starker Abbrand an den Kontakten des Schaltelements. Die hohen Lichtbogenleistungen wurden bisher durch Anwendung folgender Lösungen bewältigt. Es wurden Schaltelemente mit hohem Gleichstrom-Schaltvermögen und gro- ßem Silbervolumen verwendet, um eine hohe elektrische Lebens- dauer zu erreichen. Mehrere Kontakte eines Hilfsschützes oder eines kleinen Motorschützes wurden in Reihe geschaltet. Durch Beschaltung der Spulen mit Freilaufdioden wurden die Lichtbo- genlöschzeiten verringert, was allerdings zu längeren Aus- schaltverzugszeiten des Schützes führt. Schließlich kann das Problem auch durch Einsatz von aufwendiger und kostenspieli- ger Elektronik gelöst werden. Diese liefert für das Schütz in der jeweiligen Stellung des Magnetantriebs die notwendige Spulenerregung. Allerdings ist diese Lösung mit dem Nachteil verhältnismäßig hoher Kosten und großen Platzbedarfs verbun- den.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleichstrom- magnetsystem der obengenannten Art dadurch zu verbessern, daß das Problem der Belastung des Schaltelements kostengünstig gelöst wird.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zum Schaltelement ein Kondensator parallel geschaltet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 2 bis 4 zu entnehmen.

Bei der Lösungsvariante nach Anspruch 2 ist eine Reihenschal- tung aus dem Kondensator und einem ohmschen Widerstand zum Schaltelement parallel geschaltet. Durch entsprechende Bemes- sung des ohmschen Widerstands kann die Aufladung des Konden- sators zeitlich beeinflußt werden. Dadurch ist es möglich, den Verlauf des Spannungsanstiegs am Schaltelement in der ge- wünschten Weise zu realisieren.

Ist zur Spule eine antiserielle Reihenschaltung aus einer Sperrdiode und einer Supressordiode parallel geschaltet, so werden hierdurch Überspannungen reduziert.

Weist das Gleichstrommagnetsystem eine weitere Spule auf, die die Kontakte des Schaltgeräts im erregten Zustand dauerhaft in der EIN-Stellung hält und zu der eine Zenerdiode in Reihe geschaltet ist, so werden bei entsprechender Dimensionierung Ausschaltverzugszeiten mit gewünscht kleinen Werten erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an- hand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen : FIG 1 eine Schaltung eines Gleichstrommagnetsystems mit einer Anzugsspulenwicklung und einer Haltespulenwick- lung, FIG 2 eine Schaltung eines Gleichstrommagnetsystems mit einer einzigen Einfachwicklungsspule für die Anzugs- phase und den Haltebetrieb und FIG 3 ein Diagramm mit zeitlichem Strom-und Spannungsver- lauf bei der Umschaltung von Anzugs-auf Halteerre- gung.

FIG 1 zeigt eine für AC/DC-Anschluß geeignete Schaltung eines Gleichstrommagnetsystems für ein elektromagnetisches Schalt- gerät, insbesondere ein Schütz mit einer Anzugsspule 1 und einer parallel geschalteten Haltespule 2, die an eine Gleich- richterbrücke aus den Ventilen V1, V2, V3 und V4 zur Versor- gung mit Gleichstrom angeschlossen sind. In Reihe zur Anzugs- spule 1 liegt ein Schaltelement 3 mit einer Trennstrecke.

Letzterem ist eine Reihenschaltung aus einem ohmschen Wider- stand 4 und einem Kondensator 5 parallel geschaltet. Auf den ohmschen Widerstand 5 kann verzichtet werden. Parallel zur Anzugsspule 1 ist eine antiserielle Schaltung aus einer Sperrdiode 6 und einer Suppressordiode 7 geschaltet. Anstelle der Suppressordiode 7 kann ein Varistor 8 eingesetzt werden.

Zur Haltespule 2 liegt eine Zenerdiode 9 in Reihe. Im folgen- den wird die Funktion der Schaltung erläutert.

Die Anzugsspule 1 und die Haltespule 2 werden zur Einschal- tung der Kontakte des Schaltgeräts in einer Anzugsphase mit Gleichstrom versorgt, d. h. das Schaltelement 3 befindet sich hier im geschlossenen Zustand. Nach Abschluß der Anzugsphase, in der durch die Anzugsspule 1 die zur Erreichung kurzer Schaltzeiten erforderliche, relativ hohe Erregerleistung ge- liefert wird, öffnet das Schaltelement. Gemäß dem Diagramm in FIG 3 wird daraufhin der Spulenstrom I sprungartig auf den Kondensator 5 kommutiert, an dem zunächst eine geringe Span- nung anliegt und anschließend ein linearer Spannungsanstieg folgt. Der Spannungsanstieg ist um so steiler, je kleiner die Kapazität des Kondensators 5 gewählt wird. Der Spannungsan- stieg am Kondensator 5 muß an die während der Öffnung variab- le Trennungsstrecke des Schaltelements 3 angepaßt werden, um einen Durchschlag der Trennstrecke zu vermeiden.

Durch den parallel zum Schaltelement 3 liegenden Kondensator 5 wird die Spannung U am Schaltelement 3 für eine ausreichend lange Zeit so klein gehalten, daß die Trennstrecke zwischen den Kontakten des Schaltelements 3 eine entsprechend ausrei- chende Isolationsfestigkeit aufweist und die Lichtbogenbil- dung am Schaltelement 3 vermieden wird. Entscheidend für die- sen Ablauf ist, daß der Erregerstrom in der Anzugsspule 1 für eine ausreichend lange Zeit über den Kondensator 5 kommutiert wird, so daß sich währenddessen eine genügend große Schalt- strecke ohne Auftreten eines Lichtbogens bilden kann.

Die Diodenkombination aus der Suppressordiode 7 und der Sperrdiode 8 dient zur Begrenzung von Überspannungen an der Anzugsspule 1. Durch entsprechende Dimensionierung der Sup- pressordiode 7 lassen sich die Ausschaltverzugszeiten auf ge- wünschte, kleine Werte reduzieren. Die Suppressordiode 7

kann, wie in FIG 1 angedeutet, durch den Varistor 8 ersetzt werden. Durch die in Sperrichtung zur Haltewicklung 2 ge- schaltete Zenerdiode 9 läßt sich eine zusätzliche Reduzierung der Ausschaltverzugszeit erreichen.

In FIG 2 ist eine alternative Lösungsvariante eines Gleich- strommagnetsystems dargestellt. Dieses weist anstelle der Doppelwicklungsspule mit der Anzugs-und Haltespule eine Ein- fachwicklungsspule 11 auf, die im geschlossenen Zustand des Magnetantriebs mit einem Vorwiderstand 12 in Reihe geschaltet ist. Parallel zum Vorwiderstand 12 und damit ebenfalls in Reihe zur Einfachwicklungsspule 10 liegt ein Schaltelement 13. In der Anzugsphase ist der Vorwiderstand 12 durch das Schaltelement 13 kurzgeschlossen, und es fließt ein hoher Er- regungsstrom durch die Einfachwicklungsspule 11. Zum Übergang in die Haltephase, d. h. nach Erreichen der EIN-Stellung des Schaltgeräts, wird durch Öffnen des Schaltelements 13 der Vorwiderstand 12 hinzugeschaltet und dadurch die Erregerlei- stung reduziert. Auch bei dieser Lösung sind das Schaltele- ment 13 sowie die Einfachwicklungsspule 11 zur Vermeidung der Lichtbogenbildung und von Überspannungen in entsprechender Weise, wie beim Ausführungsbeispiel nach FIG 1, beschaltet, d. h. auch hier ist ein Leitungszweig mit einem Kondensator 14 sowie ein Leitungszweig mit zwei antiseriellen Dioden 15 und 16 vorgesehen.