Schaltanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Schaltan-

Ordnung

Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.

Aus der Betriebsanleitung „3TM Vakuum-Schütz 7,2 kV - 15 kV, 3-polig, 4,15 kV - 6,9 kV, 1-polig", Bestell-Nr. : 9229 0106 100 0, Siemens AG 2020, ist ein Schaltgerät für Mittelspannung bekannt, das eine Vakuumschalteinrichtung mit einem elektro-magnetischen Antrieb aufweist. Der Magnetantrieb kann dabei eine Magnetkraft auf eine sogenannte Ankerplatte ausüben und diese anziehen. Die Bewegung der Ankerplatte wird mechanisch in eine Bewegung zum Anpressen des beweglichen Kontakts an den Festkontakt innerhalb der Vakuumschalteinrichtung übersetzt. Bei diesem Gerät werden wie bei Magnetantrieben von Schaltern und Schützen häufig zwei Magnetspulen verwendet, die abhängig von der Höhe der Eingangsspannung entweder parallel (z. B. für AC/DC in Ländern mit 115 V Netzspannung) oder seriell (z. B. für AC/DC in Ländern mit 230 V Netzspannung) verschaltet werden müssen. In einer weiteren Ausführung ist das Schütz für den Betrieb z. B. an einer Batterie mit einer Eingangsspannung von DC: 24 V oder DC: 48 V ausgelegt. Auch hierbei werden gleiche Spulen verwendet, die bei einer Eingangsspannung von DC: 24 V parallel und bei DC:

48 V seriell verschaltet werden.

Im eingeschalteten Zustand bildet die Ankerplatte zusammen mit dem bzw. den Eisenkern ( en) der Magnetspule (n) einen magnetischen Kreis. Da die Magnetspule (n) üblicherweise mit Gleichstrom betrieben werden, ändert sich der Magnetfluss im Anker während der Einschaltzeit nicht. Das führt zu einer Magnetisierung der Ankerplatte bzw. des gesamten Eisenkreises. Eine magnetisierte Ankerplatte verzögert das Abschalten des Schalters oder Schützes, da die Magnetkraft durch die Remanenz des verwendeten Eisenmaterials auch nach dem Abschalten des Stromes durch die Magnetspule (n) bestehen bleibt . Die Rückhol federn müssen diese Restmagnetkraft erst überwinden, bevor sich die Ankerplatte von den Spulenkernen löst . Je nach mechanischer Konstruktion des Schalters bzw . Schützes und dem Grad der Magnetisierung können dadurch Ausschaltverzögerungen in einer Größenordnung auftreten, die den Toleranzbereich des Schalters bzw . Schützes überschreiten .

Der Schalter bzw . das Schütz arbeitet dann nicht mehr innerhalb seiner Spezi fikation bzw . den zugesicherten Eigenschaften .

Eine passive Lösung wäre es , ein Ankermaterial mit einer besseren ( geringeren) Remanenz einzusetzen . Ein solches Material ist aber erheblich teurer als das konventionell verwendete , sehr kostengünstige Eisen .

Ausgehend von dem bekannten Schütz stellt sich an die Erfindung die Aufgabe , eine Schaltanordnung anzugeben, die besonders schnelle Ausschaltzeiten ermöglicht .

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Schaltanordnung gemäß Anspruch 1 .

Ein Magnetantrieb ist eine bei z . B . Mittelspannungsanlagen übliche Bauweise für Schalteinrichtungen, bei der durch eine oder mehrere Spulen unter Spannung ein Magnetfeld erzeugt wird, das ein anderes ferromagnetisches Metallstück, eine z . B . Ankerplatte genannte Metallplatte , anzieht . Diese Anziehung bewirkt eine Bewegung, die auf einen beweglichen Kontakt in der Schalteinrichtung übertragen wird und diesen auf den Festkontakt presst . Typischerweise werden zwei Spulen eingesetzt , die parallel oder seriell schaltbar sind . Dies hat den Vorteil , dass die Magnetkraft annäherungsweise gleich gehalten werden kann, selbst wenn die Eingangsspannung wie eingangs erwähnt durch unterschiedliche Nennspannungen der Stromversorgung in unterschiedlichen Ländern oder bei unterschiedlichen Anwendungs fällen für die Spulen unterschiedlich ausfällt. Die beiden Spulen des Magnetantriebs üben im eingeschalteten Zustand eine anziehende Kraft auf den Magnetanker aus. Die Übertragungsmechanik übersetzt die Bewegung des Magnetankers in eine Bewegung des beweglichen Kontakts zum Festkontakt hin und weist hierfür z.B. einen Kniehebel auf. Der Magnetantrieb weist steuerbare Schalteinrichtungen für die Spulen auf.

Eine Vakuumschalteinrichtung im Sinne der Erfindung weist z.B. ein fluiddichtes Gehäuse auf, in dessen Inneren ein Vakuum herrscht (bzw. ein extrem niedriger Gasdruck unter 0,1 % Atmosphärendruck) . Wird ein beweglicher Kontakt von einem Festkontakt z.B. mittels einer Federkraft schnell weggezogen, so wird ein entstehender Lichtbogen rasch gelöscht, u.A. weil kaum ionisierbares Medium für einen Stromfluss vorliegt. Vakuumschalteinrichtungen sind besonders gut zum Schalten von Wechselstrom geeignet, weil beim Nulldurchgang der Spannung ein Lichtbogen stets abreißt.

Bisher gibt es keine Lösung, die aktiv dem Problem der Magnetisierung der Ankerplatte oder sogar des gesamten Eisenkreises, also z.B. auch des Eisenjochs der Spule (n) , entgegensteuert. Die auf tretenden Verzögerungen beim Abschalten werden entweder herstellerseitig akzeptiert oder bereits vorab in den Toleranzen der Spezifikation berücksichtigt. Letzteres hat den Nachteil, dass ein vergleichsweise großer Bereich der Ausschaltverzögerung im Datenblatt bzw. der Spezifikation angegeben werden muss, was für zeitkritische Anwendungen der Kunden teilweise inakzeptabel ist.

Die Erfindung beruht auf dem Ansatz, den Spulenstrom entweder bei jeder Schalthandlung oder zyklisch (je nach verwendeter Ansteuerelektronik) umzukehren bzw. umzupolen. Die „Nord- Süd"-Orientierung des Magnetfeldes im Eisenkreis (Magentanker und Eisenjoch der Spule (n) ) wird dann entsprechend umgepolt, so dass keine Magnetisierung stattfindet. Wenn die Ankerplatte nicht oder nur sehr gering magnetisiert ist, besteht beim Abschalten des Spulenstroms keine Magnetkraft mehr, die das Ausschalten verzögert.

In einer bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung weist die Umpolungseinrichtung steuerbare Schalteinrichtungen für die mindestens eine Spule auf.

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung weisen die steuerbaren Schalteinrichtungen (16-19) mindestens eine der folgenden Schalteinrichtungen auf: MOSFET, IGBT, Relais. Ein MOSFET ist ein Metall- Oxid-Halbleiter-Feldef f ekttransistor und ein IGBT ist ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode. Ein Relais ist ein durch elektrischen Strom betriebener, fernbetätigter Schalter mit in der Regel zwei Schaltstellungen . Das Relais wird über einen Steuerstromkreis aktiviert und kann weitere Stromkreise schalten.

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist eine erste Ansteuerungseinrichtung ausgebildet, die steuerbaren Schalteinrichtungen bei jedem Einschalten der mindestens einen Spule derart anzusteuern, dass der Stromfluss umgepolt wird. In diesem Fall werden die Magnetspulen entweder durch einen elektronischen oder mechanischen Schalter (z. B. ein Relais) angesteuert. Eine entsprechend konstruierte elektronische Schaltung oder andere Hilfseinrichtung (z. B. bistabiles Relais) sorgt dafür, dass die Polarität des Spulenstroms bei jeder Ansteuerung wechselt.

Eine Ansteuerungseinrichtung weist z.B. eine elektronische Schaltung oder einen Datenprozessor auf. Es kann beispielsweise ein Mikrocontroller verwendet werden.

Es wird bei dieser Ausführungsform, die sich auf den Einschaltvorgang der Schaltanordnung fokussiert, typischerweise davon ausgegangen, dass die Phasen, in denen das Schütz eingeschaltet ist, für jede Polarität (d.h. für jede Stromrich- tung in der Spule ) im statistischen Mittel ungefähr gleich lang sind .

Es wird außerdem davon ausgegangen, dass j ede einzelne Einschaltphase kurz genug ist , um keine nennenswerte Magnetisierung der Ankerplatte zu ermöglichen . Der Begri f f Einschaltphase stellt im Rahmen der Erfindung nicht auf die Zeitspanne , die das Schütz für den Zustandswechsel von AUS nach EIN benötigt , sondern vielmehr auf die gesamte Zeit , in der sich das Schütz im Zustand EIN befindet . Bei 1000 Schaltzyklen über die Betriebsdauer der Schaltanordnung 1 würden sich so in etwa 1000 Umpolungen ergeben .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung weist die erste Ansteuerungseinrichtung ein bistabiles Relais auf . Ein bistabiles Relais ist beispielsweise von der Website „Relais-Tipp - Ein- und Zwei- spulen-Varianten von bistabilen Relais

Ansteuern" von Dr . Dietmar Tschierse et al . ( Link : https : / / www . elektronikpraxis . vogel . de/ e in-und- zwei spul en- varianten-von-bistabilen-relais-ansteuern-a-44 6696/ ) , bekannt .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung sind die steuerbaren Schalteinrichtungen in der Umpolungseinrichtung nach Art einer H-Brücke relativ zu der mindestens einen Spule angeordnet . Eine H- Brücke , auch Brückenschaltung genannt , ist z . B . gebräuchlich, um einen Elektromotor einer Maschine oder eines Fahrzeugs in seiner Drehrichtung umzuschalten . Dies wird beispielsweise auf der Website „H-Brücke - Die Andersherum-Schaltung" ( Link : http : / / dieelektroniker seite . de/Lections/H-Bruecke%20- %20Die%2 OAndersherum-Schaltung . htm ) erläutert .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist eine zweite Ansteuerungseinrichtung ausgebildet , die steuerbaren Schalteinrichtungen der mindestens einen Spule derart anzusteuern, dass der Strom- fluss mehrfach umgepolt wird . Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die Entmagnetisierung unabhängig von der Länge der Einschaltphase bzw . einer erneuten Schalthandlung durchgeführt werden kann .

Die Entmagnetisierung findet dabei während der Einschaltphase statt . Dazu wird der Spulenstrom in schneller Folge umgepolt .

Dieser Ansatz einer mehrfachen Umpolung während des Haltebetriebs , d . h . bei geschlossenen Kontakten und durch die Spulen angezogenem Magnetanker benötigt beispielsweise eine zwischenzeitliche ( z . B . mechanische ) Arretierung des Anpressdrucks der Kontakte , da ansonsten beim Nulldurchgang der Magnetisierung das Schütz ungewollt öf fnet und das dahinterliegende Energienetz stromlos geschaltet wird . In der Praxis ist das Schütz z . B . während der gesamten Dauer des eingeschalteten Zustandes arretiert .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist die zweite Ansteuerungseinrichtung ausgebildet , für j eden Umpolungsvorgang mittels Pulsweitenmodulation einen Strompuls bereitzustellen, um ein zeitlich abklingendes Magnetfeld in der mindestens einen Spule zu erzeugen . Dies ist ein Vorteil , weil mittels des abklingenden Magnetfelds j eweils eine Entmagnetisierung des Magnetankers erreicht werden kann .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist die zweite Ansteuerungseinrichtung ausgebildet , eine Stromstärke und eine zeitliche Dauer der Strompulse derart einzustellen, dass die anziehende Kraft auf den Magnetanker ausreicht , um den beweglichen Kontakt auf den Festkontakt anzupressen . Dies ist ein Vorteil , weil die Schaltanordnung bzw . der Schütz auch während der regelmäßigen Entmagnetisierung sicher geschlossen bleibt .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist die zweite Ansteuerungseinrich- tung ausgebildet , eine Umpolung der mindestens einen Spule regelmäßig durchzuführen .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist die zweite Ansteuerungseinrichtung ausgebildet , eine Umpolung der mindestens einen Spule mindestens einmal pro Tag durchzuführen . Dieses Verfahren kann beliebig oft bzw . bei Bedarf wiederholt werden . Bevorzugt wird die Umpolung mindestens einmal im Monat , noch mehr bevorzugt mindestens einmal im Jahr durchgeführt . Auch eine Abhängigkeit von der Anzahl der durchgeführten Schalthandlungen der Schaltanordnung ist sinnvoll . Beispielsweise kann die Umpolung alle 10 , bevorzugt alle 100 , Schalthandlungen durchgeführt werden .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist eine dritte Ansteuerungseinrichtung ausgebildet , anhand eines magnetischen Modells zu ermitteln, ob eine Magnetisierung eines Eisenkreises einen vorher festgelegten Magnetisierungs-grenzwert überschreitet , und in dem Fall einer Überschreitung des Magnetisierungsgrenzwerts den Stromfluss umzupolen . Ein magnetisches Modell berücksichtigt beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Aspekte : Stromstärke , Polarität des Stromes , zeitliche Dauer der Bestromung, magnetische Eigenschaften des verwendeten Eisenkreises , geometrische Ausgestaltung des Eisenkreises . Durch das Modell kann dann der Zeitpunkt automatisch gewählt werden, ab dem bei Überschreiten des Magnetisierungsgrenzwerts der nächste Schaltvorgang des Schützes mit geänderter Polarität durchgeführt wird . Der Begri f f Eisenkreis bezeichnet dabei im Sinne der Erfindung zumindest den Magnetanker und ein Eisenj och der Spule (n) , kann j edoch auch noch weitere magnetisierbare Bauteile umfassen .

Ausgehend von dem bekannten Schütz stellt sich an die Erfindung die Aufgabe , ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltanordnung anzugeben, das besonders schnelle Ausschaltzeiten ermöglicht . Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 . Bevorzugte Aus führungs formen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 13 bis 15 erläutert . Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die erfindungsgemäße Schaltanordnung erläutert .

Zur besseren Erläuterung der Erfindung zeigt die Figur in schematischer Darstellung ein Aus führungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung 1 .

Die Schaltanordnung 1 weist eine Vakuumschalteinrichtung 8- 14 mit einem Gehäuse 14 auf , das fluiddicht und evakuiert 13 ist . Im Inneren des Gehäuses 14 wird ein beweglicher Kontakt 11 an eine Festkontakt 12 angepresst . Dargestellt ist damit der geschlossene Zustand des Schalters mit eingeschaltetem Magnetantrieb 2 , 4 . Ein Schaltstab 8 ist durch das Gehäuse 14 mit dem beweglichen Kontakt 11 verbunden, wobei z . B . ein nicht dargestellter Faltenbalg die Beweglichkeit sicherstellt . Für ein mechanisches Trennen der Kontakte 11 , 12 ist eine Federeinrichtung 10 vorgesehen, die an einer Stützplatte 9 abstützt und im dargestellten geschlossenen Zustand vorgespannt ist .

Der Schaltstab 8 ist mit einem Kniehebel 5-7 verbunden, wobei der erste Schenkel 6 und der zweite Schenkel 5 winkelstei f verbunden, aber um das Gelenk 7 drehbar gelagert sind . Der zweite Schenkel 5 ist mit einer Ankerplatte 4 aus Metall , z . B . Eisen, verbunden . Diese Übertragungsmechanik 5-7 übersetzt eine Bewegung des Magnetankers 4 in eine Bewegung des beweglichen Kontakts 11 zum Festkontakt 12 hin .

Der Magnetantrieb 2 , 4 weist mindestens eine Spule 2 auf , die mittels Anschlussleitungen 20 , 21 an eine Umpolungseinrichtung 15 angeschlossen sind . Die Umpolungseinrichtung 15 weist vier steuerbare Schalteinrichtungen 31-34 , z . B . IGBTs , für die mindestens eine Spule 2 auf . Die Schalteinrichtungen 31-34 sind als H-Brücke verschaltet , d . h . eine Anschlussleitung 20 ist zwischen zwei Schalteinrichtungen 31 , 32 in einem ersten Zweig 17 angeschlossen, während die anderen Anschlussleitung 21 zwischen zwei Schalteinrichtungen 33 , 32 in einem zweiten Zweig 23 der Schaltung angeschlossen ist . Beide Zweige 17 , 23 sind durch Leitungen 19 verbunden . Mit Leitungen 18 ist eine Gleichstromquelle 16 verbunden .

Im dargestellten eingeschalteten Zustand sind zwei Schalteinrichtungen 31 , 34 geschlossen . Es wird durch die Spule 2 eine anziehende Kraft F auf den Magnetanker 4 ausgeübt und dieser zu der Spule 2 hinbewegt . Werden die zwei Schalteinrichtungen 31 , 34 geöf fnet und die anderen beiden Schalteinrichtungen 32 , 33 geschlossen, so wird die Spule umgepolt .

Die Umpolungseinrichtung 15 ist ausgebildet , einen Stromfluss durch die mindestens eine Spule mindestens einmal pro Tag umzupolen .

Eine zweite Ansteuerungseinrichtung 35 ist mit der Umpolungseinrichtung 15 verbunden, um die steuerbaren Schalteinrichtungen 31-34 der mindestens einen Spule 2 derart anzusteuern, dass der Stromfluss mehrfach umgepolt wird .

Dabei wird für j eden Umpolungsvorgang mittels Pulsweitenmodulation ein Strompuls bereitgestellt , um ein zeitlich abklingendes Magnetfeld in der mindestens einen Spule zu erzeugen . Es können viele dutzend oder hunderte Male Umpolungen durchgeführt werden, um den Magnetanker weitestgehend zu entmagnetisieren . Auf diese Weise wird sichergestellt , dass die Ausschaltzeiten nicht durch eine Magnetisierung des Ankers unnötig verlängert werden . Bevorzugt ist es , die Stromstärke und die zeitliche Dauer der Strompulse derart einzustellen, dass die anziehende Kraft F auf den Magnetanker 4 ausreicht , um den beweglichen Kontakt 11 auf den Festkontakt 12 anzupressen . Dadurch wird die Schaltanordnung 1 auch bei regelmäßigen Umpolungen der Stromzufuhr der Spule im geschlossenen Zustand sicher gehalten .