Steuergerät, System und Verfahren zur Steuerung einer elektro-mechanischen Schalteranordnung

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Steuerung einer elektro-mechanischen Schal teranordnung, insbesondere eines Hybridschützes, wobei die elektro-mechanische Schal teranordnung eine elektrische Schal teranordnung mit mindestens einem elektrischen Steuerschalter und einer Energieversorgung aufweist und zur Anbindung an eine Last aufweist, insbesondere zur Anbindung an einen Elektromotor aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes System zur Steuerung einer elektro-mechanischen Schalteranordnung mit einer Energieversorgung und dem Steuergerät sowie ein Verfahren zum Steuern einer elektro-mechanischen Schalteranordnung.

Ein Steuergerät zur Steuerung einer elektro-mechanischen Schalteranordnung, insbesondere eines Hybridschützes, zur Anbindung an eine Last, insbesondere an einen Elektromotor ist insofern bekannt, dass ein an sich bekanntes Hybridschütz einen mechanischen Schalter und mindestens einen Halbleiterschalter aufweist. Der mechanische Schalter weist einen Basiskontakt und zwei Umschaltkontakte auf. Der Halbleiterschalter ist zum Bereitstellen einer Überbrückungsenergie beim Umschalten ausgebildet ist. EI an sich bekanntes System zur Bereitstellung einer Überbrückungsenergie weist einen Halbleiterschalter und eine Energieversorgung auf.

Ein solches eingangs genanntes System ist grundsätzlich bekannt aus DE 102 01467 Al, in welcher das System ein Hybrid-Schütz mittels eines Steuergerätes dahingehend steuert, dass ein Wechselstrommotor wahlweise im Direktanlaufmodus oder im Sanftanlaufmodus anlaufen kann; das System steuert also das Hybrid-Schütz im Hinblick auf eine Auswahlschaltvorrichtung betreffend den Modus der Anwendung, d.h. hier des Motors. Das Hybrid-Schütz ist durch die Steuerung in der Lage, einen Stoßstrom zu absorbieren und die Lichtbogenerzeugung im Anfangsstadium des Anlaufs im Direktanlaufmodus zu begrenzen. Eine Lichtbogenerzeugung kann jedoch auch dadurch nicht vollständig vermieden werden. Wünschenswert ist es, allgemein für ein Hybrid-Schütz, Stromstöße und Lichtbogenerzeugung in nochmals verbesserter Weise zu vermeiden.

An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine im Hinblick auf bekannte Steuerungssysteme für Hybrid-Schütze verbesserte Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, insbesondere ein System zur Erzeugung einer Überbrückungsenergie und ein Steuergerät bereitzustellen - darin sollte eine Lichtbogenerzeugung praktisch nicht stattfinden können

Die Aufgabe wird betreffend die Vorrichtung gelöst durch ein Steuergerät gemäß Anspruch 1.

Die Erfindung sieht bei einem Steuergerät zur einer elektro-mechani sehen Schal teranordnung, insbesondere eines Hybridschützes, aufweisend eine elektrische Schal teranordnung mit mindestens einem elektrischen Steuerschalter und einer Energieversorgung und einen mechanischen Schalter zur Anbindung an eine Last, insbesondere an einen Elektromotor, der eingangs genannten Art ein Steuergerät vor, das mit dem mechanischen Schalter und mit dem elektrischen Steuerschalter und der Energieversorgung verbindbar ist. Alternativ kann die Last ein Kompressor oder eine elektrische Maschine an einem Versorgungsnetz sein.

Der mechanische Schalter weist hierbei einen Basiskontakt und zwei Umschaltkontakte auf, wobei abhängig vom Umschaltzustand einer der Umschaltkontakte als ein Start- Schaltkontakt dient und ein anderer der Umschaltkontakte als ein Ziel-Schaltkontakt dient. Hierbei ist der Start- Schaltkontakt als derjenige Umschaltkontakt zu verstehen, der vom mechanischen Schalter kontaktiert ist und der Ziel -Schaltkontakt als deijenige Umschaltkontakt zu verstehen, nicht vom mechanischen Schalter kontaktiert ist. Der elektrische Steuerschalter, insbesondere einen Halbleiterschalter, und die Energieversorgung der elektrischen Schalteranordnung sind zum Bereitstellen einer Überbrückungsenergie beim Umschalten des mechanischen Schalters ausgebildet. Beispielsweise ist der Halbleiterschalter ein MOSFET. Alternativ kann der Halbleiterschalter auch ein Bipolar-Transistor sein.

Das Steuergerät kann beispielsweise eine programmierbare Logik-Gatter-Anordnung (engl. Field Programmable Gate Array FPGA) sein. Mit einem solchen Steuergerät kann - anders als bei her- kömmlichen Steuerungen, Computern oder Micro-Kontrollern - die gewünschte Schaltungsstruktur programmiert werden, die vorgibt wie die Elemente des Steuergeräts verschaltet werden sollen. Vorteilhafterweise kann ein FPGA im Feld, d.h. vor Ort beim Anwender, programmiert werden.

Über den Basiskontakt des mechanischen Schalters ist die Last kontaktiert. Die Umschaltkontakte kontaktieren unterschiedliche Energieversorgungssysteme, so dass die Last über unterschiedliche Systeme mit Energie versorgt werden kann.

Erfindungsgemäß ist das Steuergerät vorgesehen eine Signallage des Ziel -Schaltkontakts zu empfangen und eine Erzeugung der Überbrückungsenergie abhängig von der Signallage an dem Ziel -Schaltkontakt zu steuern.

Mit der vorliegenden Erfindung ist somit eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben, mit dem, unter sachgerechter Steuerung, eine Überbrückungsenergie in verbesserter Weise bereitstellbar ist. Es kann eine elektro-mechanische Schalteranordnung, insbesondere ein Hybrid- Schütz, so gesteuert werden, dass die Überbrückungsenergie vergleichsweise schnell auf einen Signalverlauf einer Signallage am Ziel -Schaltkontakt gesteuert wird, insbesondere unter verbesserter Vermeidung von Lichtbögen beim Schalten. Die Erfindung geht dazu von der Überlegung aus, dass die Formung der Überbrückungsenergie in Bezug auf die angeschlossene Last noch verbesserbar ist.

Die Erfindung hat erkannt, dass eine Last von unterschiedlichen Energieversorger-Systemen mit Energie versorgt werden kann. Wird die Energieversorgung der Last von einem Versorgungssystem, beispielsweise einem Windenergieanlagen-Versorgungssystem, auf ein anderes System, beispielsweise einem Photovoltaik-Versorgungssystem, umgeschaltet, soll durch die Formung einer geeigneten Überbrückungsenergie eine Lichtbogenerzeugung vermieden werden.

Weiter ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Steuergerät ausgebildet ist, die Signallage des Ziel-Schaltkontakts zu empfangen und die Überbrückungsenergie abhängig von der Signallage an dem Ziel-Schaltkontakt zu steuern, insbesondere dafür bereitzustellen und so zu steuern. Mit einem solchen Steuergerät kann in verbesserter Weise, insbesondere individuell an die Anforderungen der Anwendung angepasst, die Überbrückungsenergie erzeugt und bereitgestellt werden.

Die Erfindung führt auch auf ein System nach Anspruch 11 mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät. Das System zur Steuerung einer elektro-mechanischen Schalteranordnung, insbesondere eines Hybridschützes weist auf:

- eine Energieversorgung, insbesondere mit einem Inverter und/oder einem Energiespeicher und/oder einer Gleichspannungsversorgung, zur Erzeugung einer Überbrückungsenergie, und

- das erfindungsgemäße Steuergerät zum gesteuerten Erzeugen der Überbrückungsenergie.

Die Aufgabe wird betreffend das Verfahren gelöst durch ein Verfahren zum Steuern einer elektro-mechanischen Schalteranordnung nach Anspruch 13.

Das Verfahren zum Steuern einer elektro-mechanischen Schalteranordnung weist die Schritte auf:

- Detektieren einer Signallage an einem Start- Schaltkontakt und/oder einer Signallage an einem Ziel -Schaltkontakt eines mechanischen Schalters der Schalteranordnung,

- Erzeugen einer Überbrückungsenergie;

- Öffnen des mechanischen Schalters und Ansteuern, insbesondere Schließen, eines elektrischen Steuerschalters, wobei durch das Ansteuern des elektrischen Steuerschalters die Überbrückungsenergie bereitgestellt wird,

- Schließen des mechanischen Schalters, wobei durch Berühren des Ziel-Schaltkontakts ein elektrisches Signal erzeugt und an ein Steuergerät ausgegeben wird,

- weiteres Ansteuem, insbesondere Öffnen, des elektrischen Steuerschalters durch Empfangen des elektrischen Signals vom Steuergerät. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Erzeugen der Überbrückungsenergie abhängig von der Signallage an dem Ziel -Schaltkontakt, insbesondere der Signallage an dem Start- Schaltkontakt und der Signallage an dem Ziel- Schaltkontakt, durch das Steuergerät gesteuert wird.

Die Erzeugung der Überbrückungsenergie kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Steuerungskonzepts, d.h. mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät, dem System und dem Verfahren, flexibler und genauer bei sich ändernden Anforderungen -und damit auch ändernden Signallagen am Ziel -Schaltkontakt- angepasst werden; insbesondere können, als Folge von sich ändernden Signallagen am Ziel-Schaltkontakt, Lichtbögen beim Umschalten vermieden werden. Insbesondere kann aufgrund der Kenntnis der Signallage des Ziel-Schaltkontaktes eine geeignete Überbrückungsenergie bereitgestellt und eingebracht werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.

Bevorzugt ist das Steuergerät ausgebildet, auch eine Signallage des Start- Schaltkontakts zu empfangen und die Erzeugung der Überbrückungsenergie -insofern vorteilhaft zusätzlich zur Abhängigkeit von der Signallage am Ziel-Schaltkontakt— in Abhängigkeit von der Signallage an dem Start- Schaltkontakt zu steuern. Dadurch kann die Überbrückungsenergie noch genauer geformt werden. Vorteilhaft ist unter Signallage vor allem Höhe und Phase des Signals zu verstehen. Vorzugsweise ist die Signallage des Basiskontakts, die Signallage des Start- Schaltkontakts und/oder Signallage des Ziel-Schaltkontakts also Phasenverlauf bei Wechsel Spannung oder ein Spannungspegel.

Vorteilhafterweise ist das Steuergerät ausgebildet, für die Überbrückungsenergie einen geeigneten Übergang von der Signallage an dem Start- Schaltkontakt zu der Signallage an dem Ziel-Schalt- kontakt zu berechnen. Der Übergang ist insofern geeignet als dass anhand dieser Berechnung das Steuergerät ein Steuersignal erzeugt und dieses Steuersignal an den elektrischen Steuerschalter abgibt und die Energieversorgung abgibt, um die Überbrückungsenergie zu formen. Die Energieversorgung kann beispielsweise als ein Inverter und/oder ein Energiespeicher und/oder eine Gleichspannungsversorgung gebildet sein oder einen Inverter und/oder ein Energiespeicher und/oder eine Gleichspannungsversorgung umfassen.

In einer Weiterbildung sind die Kontakte des mechanischen Schalters, d.h. Basiskontakt, Start- Schaltkontakt und Ziel -Schaltkontakt, mit Detektiereinrichtungen verbunden. Die Detektierein- richtungen sind ausgebildet die Signallage an einem der Kontakte bzw. einer Auswahl der jeweiligen Kontakte zu messen. Eine Detektiereinrichtung kann beispielsweise als ein Sensor gebildet sein, welcher die Signallage, insbesondere einen Phasen- und/oder Spannungspegel, an einem Kontakt messen kann; insbesondere können mehrere Sensoren vorgesehen sein für eine derartige Messung einer Signallage an dem Basiskontakt, dem Start- Schaltkontakt und/oder dem Ziel- Schaltkontakt. Durch die Messung der Signallagen an den unterschiedlichen Kontakten kann die Signallage des Basiskontakts, an den die Last angeschlossen ist, vergleichsweise schneller und genauer als bisher an die Signallage des jeweiligen Umschaltkontakts angepasst werden.

Dadurch wird vermieden, dass bei einem Umschalten von einem Energieversorgungssystem auf ein anderes Energieversorgungssystem Lichtbögen erzeugt werden.

Vorteilhafterweise weist die Detektiereinrichtung einen Signalspeicher auf zum Speichern der Signallage an dem Basiskontakt, der Signallage an dem Ziel -Schaltkontakt und der Signallage an dem Start-Schaltkontakt.

In einer Weiterbildung ist das Steuergerät ausgebildet, die Erzeugung der Überbrückungsenergie mittels einer Pulsweitenmodulation zu steuern, insbesondere ist das Steuergerät ausgebildet, ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal an einen Inverter auszugeben. Die Verwendung von Pulsweitenmodulation führt zu einem effizienten Betrieb, da der Stromversorgung nicht mehr Leistung als nötig entzogen wird. Zudem kann mit der Pulsweitenmodulation eine hohe Reaktionsfähigkeit und Regelgenauigkeit erreicht werden.

In einer Weiterbildung ist das Steuergerät ausgebildet, das Steuersignal zu erzeugen, wobei das Steuersignal an dem elektrischen Steuerschalter und/oder an der Energieversorgung zu dem Zeitpunkt vorliegt, bei dem sich der mechanische Schalter vom Start- Schaltkontakt löst. Dadurch kann die Überbrückungsenergie zu dem jeweiligen Zeitpunkt, bei dem sich der mechanische Schalter vom Start- Schaltkontakt löst, bereitgestellt werden. Dies führt dazu, dass die angeschlossene Last nicht von der Energieversorgung getrennt wird.

Vorteilhafterweise erfolgt ein Bereitstellen der Überbrückungsenergie zum Erreichen der Signallage an dem Ziel-Schaltkontakt innerhalb einer Schaltzeit des mechanischen Schalters. Damit wird erreicht, dass durch die Überbrückungsenergie die Signallage, die zuvor über den Start- Schaltkontakt an dem Basiskontakt anlag, an die Signallage des Ziel-Schaltkontaktes angeglichen wird.

In einer Weiterbildung ist der elektrische Steuerschalter zum Bereitstellen einer Überbrückungsenergie beim Umschalten des mechanischen Schalters als Halbleiterschalter, insbesondere als ein Transistor, ausgebildet. Ein Transistor hat den Vorteil, dass er als On-Off-Schalter betrieben werden kann. Wenn ein Nullsignal an die Basis des Transistors angelegt wird, schaltet er „OFF“ und wirkt damit wie ein offener Schalter. Wenn ein positives Signal an die Basis angelegt wird, schaltet er “ON” und wirkt wie ein geschlossener Schalter. Zudem weisen Transistoren eine geringe Schaltzeit von bis zu unter einer Nanosekunde auf. Eine so geringe Schaltzeit ermöglicht hier das schnelle und flexible Bereitstellen der Überbrückungsenergie.

Gemäß dem oben genannten weiteren Aspekt der Erfindung wird, wie erläutert die oben genannte Aufgabe durch ein System gelöst, das zur Steuerung einer elektro-mechani sehen Schalteranordnung, insbesondere eines Hybridschützes, aufweist: - eine Energieversorgung, insbesondere mit einem Inverter und/oder einem Energiespeicher und/oder einer Gleichspannungsversorgung, zur Erzeugung einer Überbrückungsenergie, und ein erfindungsgemäßes Steuergerät zum gesteuerten Erzeugen der Überbrückungsenergie.

Die Energieversorgung ist weist insbesondere einen Inverter und/oder einen Energiespeicher und/oder eine Gleichspannungsversorgung zum gesteuerten Erzeugen der Überbrückungsenergie auf. Vorzugsweise ist der Inverter dazu ausgebildet, von dem Steuergerät das Steuersignal zu erhalten. Das Steuersignal enthält Informationen zu der Form des Verlaufs der Überbrückungsenergie, anhand denen der Inverter mit der bereitgestellten Energie aus der Energieversorgung die Überbrückungsenergie formt.

In einer Weiterbildung, weist das System einen Kondensator als Energiespeicher und eine Gleichrichterbrücke auf. Die Gleichrichterbrücke ist ausgebildet, Wechselstrom zu empfangen, in Gleichstrom umzuwandeln und an den Kondensator weiterzugeben. Der Kondensator ist ausgebildet, zur Weitergabe der gespeicherten Energie als Gleichstrom.

Der Energiespeicher besteht alternativ aus einer oder mehreren Batterien oder anderen dergleichen Speicherelemente.

Vorteilhafterweise ist bei dem Verfahren zum Steuern einer elektro-mechanischen Schalteranordnung vorgesehen, dass bei dem Erzeugen der Überbrückungsenergie zusätzlich technische Charakteristiken eines Inverters, insbesondere dessen Schaltgeschwindigkeit und dessen Schaltfrequenz, berücksichtigt werden. Das Verfahren weist vorzugsweise den zusätzlichen Schritt auf:

- Empfangen von technischen Charakteristiken eines Inverters, insbesondere dessen Schaltgeschwindigkeit und dessen Schaltfrequenz, wobei das Erzeugen der Überbrückungsenergie zusätzlich abhängig ist von den technischen Charakteristiken des Inverters. In einer Weiterbildung ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass bei dem Erzeugen der Überbrückungsenergie zusätzlich technische Charakteristiken einer an die Schalteranordnung angeschlossenen Last berücksichtigt werden. Das Verfahren weist vorzugsweise den zusätzlichen Schritt auf:

- Empfangen technischen Charakteristiken einer an die Schal teranordnung angeschlossenen Last, wobei eine Erzeugung der Überbrückungsenergie zusätzlich abhängig ist von den technischen Charakteristiken der Last.

Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte Offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:

FIG. 1 A ein Schema einer bevorzugten Ausführungsform eines Systems mit Steuergerät zur Steuerung einer elektro-mechanischen Schal teranordnung gemäß dem Konzept der Erfindung;

FIG. IB schematisch dargestellte Funktionseinheiten des Steuergeräts der Fig. 1A; FIG. 2 ein grundsätzliches Funktionsschema eines mechanischen Schalters gemäß dem Stand der Technik;

FIG. 3 zur Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform ein exemplarischer Verlauf einer Überbrückungsenergie;

FIG. 4 ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zum Steuern einer elektro-mechanischen Schalteranordnung mit einem Steuergerät gemäß dem Konzept der Erfindung;

FIG. 5A ein grundsätzliches Schema eines Systems zur Erzeugung einer Überbrückungsenergie mit einer Übersicht seiner Komponenten gemäß dem Konzept der Erfindung; und

FIG. 5B ein konkretes beispielhaftes Schaltbild eines Systems mit Steuergerät zur Steuerung einer elektro-mechanischen Schal teranordnung und mit einem daran angebundenen gesteuerten Elektromotor als Beispiel einer Last.

FIG. 1A zeigt ein Schema einer bevorzugten Ausführungsform eines Systems 100 mit Steuergerätes 50 zur Steuerung einer elektro-mechanischen Schalteranordnung in Form eines Hybridschützes 10. Der Hybridschütz 10 weist einen mechanischen Schalter 12 und zwei Halbleiterschalter 14.1, 14.2 auf. Der Hybridschütz 10 ist Bestandteil einer elektrischen Schal teranordnung 11, die zusätzlich zu dem Hybridschütz 10 noch einen elektrischen Steuerschalter 14.3 in Form eines weiteren Halbleiterschalters aufweist. Detail Y zeigt exemplarisch als Halbleiterschalter 14.1, 14.2 und 14.3 einen MOSFET als Schaltsymbol TI als auch als Bauelement TI ‘ . Detail Y‘ zeigt exemplarisch als Halbleiterschalter 14.1, 14.2 und 14.3 einen MOSFET als Bauelement T1‘.

Der mechanische Schalter 12 hat einen Basiskontakt 16, und zwei Umschaltkontakte. Die Umschaltkontakte sind abhängig von dem Umschaltzustand des mechanischen Schalters 12 als Start- Schaltkontakt 18 und Ziel-Schaltkontakt 20 bezeichnet. Als Start- Schaltkontakt 18 wird derjenige Umschaltkontakt bezeichnet, an dem der mechanische Schalter 12 anliegt. Der jeweils andere Umschaltkontakt wird als Ziel -Schaltkontakt 20 bezeichnet. Start- und Ziel-Schaltkontakt ändern sich damit nach jedem Umschalten des mechanischen Schalters 12. Über die Umschaltkontakte ist je- weils ein Energieversorgungsnetz PI und P2 angeschlossen. Der Basiskontakt 16 dient als Anschluss für eine Last in Form eines Elektromotors M. Mit dem Basiskontakt 16, dem Start-Schalt- kontakt 18 und dem Ziel -Schaltkontakt 20 sind die Detektiereinrichtungen DET1, DET2 und DET3 verbunden.

Die Detektiereinrichtungen DET1, DET2 und DET3 messen die Signallagen kO, kl und k2 an dem Basiskontakt 16, dem Start- Schaltkontakt 18 und den Ziel-Schaltkontakt 20. Die Signallage kO liegt an dem Basiskontakt 16 an, die Signallage kl liegt an dem Start- Schaltkontakt 18 an und die Signallage k2 liegt an dem Ziel-Schaltkontakt 20 an. Detail X zeigt exemplarisch für die Detek- tiereinrichtung DET1, DET2 und DET3 einen Strom- Spannung Hall-Effekt Sensor 2. Die Detektiereinrichtungen DET1, DET2 und DET3 sind mit einem Steuergerät 50 in Form einer FPGA (engl. Field Programmable Gate Array FPGA) verbunden. Detail Z zeigt exemplarisch eine solche FPGA.

Die FPGA empfängt die gemessenen Signallagen kO, kl und k2 von den Detektiereinrichtungen DET1, DET2 und DET3. Aus den empfangenen Signallagen kO, kl und k2 berechnet die FPGA die notwendige Form einer Überbrückungsenergie, die beim Umschalten des mechanischen Schalters 12 von dem Start- Schaltkontakt 18 auf den Ziel -Schaltkontakt 20 benötigt wird, um von der Signallage kl am Start- Schaltkontakt 18 auf die Signallage k2 am Ziel -Schaltkontakt 20 anzugleichen ohne das Lichtbögen beim Schalten entstehen. Anhand dieser Berechnung erzeugt die FPGA ein Steuersignal zur Abgabe an die Energieversorgung in Form von einem Inverter 22 und einem Energiespeicher 24 und einer Gleichspannungsversorgung 44.

Der elektrische Steuerschalter 14.3 ist außerdem mit einem Inverter 22 verbunden. Der Inverter 22 erhält von der FPGA das Steuersignal. Mit Hilfe des Steuersignals formt der Inverter die Überbrückungsenergie ÜE, die ihm durch einen Energiespeicher 24, ggfs. in Form einer Batterie, bereitgestellt wird.

FIG. 1B zeigt schematisch dargestellte Funktionseinheiten eines Steuergeräts 50 gemäß dem Konzept der Erfindung. Das Steuergerät 50 weist eine Energiekontrolleinheit 50.1, eine Schalterkontrolleinheit 50.2, eine Inverterkontrolleinheit 50.3, eine Zeitkontrolleinheit 50.4, eine BUS-Kon- trolleinheit 50.5 und eine Detektorkontrolleinheit 50.6 auf. Mit der Energiekontrolleinheit 50.1 kann die Überbrückungsenergie ÜE vorgegeben und aus einem Energiespeicher 24 abgerufen werden.

Mit der Schalterkontrolleinheit 50.2 kann das Umschalten des mechanischen Schalters 12 und des elektrischen Steuerschalters veranlasst werden.

Mit der Inverterkontrolleinheit 50.3 kann der Inverter 22 kontrolliert werden. Es kann auch die Signallage und der Verlauf der Signallage kontrolliert werden, indem entsprechende Steuersignale von der FPGA erzeugt werden. Der Inverter 22 erzeugt dann, entsprechend des Steuersignals, die Überbrückungsenergie ÜE.

Mit der Zeitkontrolleinheit 50.4 kann der Umschaltmoment des mechanischen Schalters 12 vorgegeben und ein Signal zum Umschalten des mechanischen Schalters 12 an diesen gesendet werden.

Mit der BUS-Kontrolleinheit 50.5 kann die Signalübertragung von der FPGA zu externen Anschlüssen kontrolliert werden.

Mit der Detektorkontrolleinheit 50.6 kann die Messung der Signallage der Detektoreinheiten empfangen und analysiert werden.

FIG. 2 zeigt ein grundsätzliches Funktionsschema eines mechanischen Schalters 12 gemäß dem Stand der Technik. Ein solcher mechanischer Schalter 12 weist einen Basiskontakt 16 und zwei Umschaltkontakte 18, 20 auf. Der Umschaltkontakt an dem der mechanische Schalter 12 anliegt wird als Start- Schaltkontakt 18 bezeichnet. Der Umschaltkontakt an dem der mechanische Schalter 12 nicht anliegt wird als Ziel -Schaltkontakt 18 bezeichnet. An dem Basiskontakt 16 liegt eine Signallage kO an. An dem Start- Schaltkontakt liegt die Signallage kl an und an dem Ziel-Schalt- kontakt 20 liegt eine Signallage k2 an. Zudem können die Umschaltkontakte 18, 20 mit jeweils einem Energieversorgungsnetz Pl, P2 verbunden sein. Mit einem Detektor 15 kann die Schaltstellung des mechanischen Schalters 12 detektiert werden.

FIG. 3 zeigt zur Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform einen exemplarischen Verlauf einer Überbrückungsenergie ÜE über die Zeit t. Die Signallage kl und die Signallage k2 haben hier den selben Maximalwert jedoch unterschiedliche Phasen. Die Schaltzeit Ts des mechanischen Schalters liegt in dieser Ausführungsform zwischen 2 ms und 15 ms. Die Überbrückungsenergie wird an einem Zeitpunkt ti bereitgestellt. Zu diesem Zeitpunkt ti entspricht die Überbrückungsenergie bevorzugter Weise der Signallage kl zu dem Zeitpunkt ti. Der Zeitpunkt ti entspricht hierbei dem Zeitpunkt an dem der mechanische Schalter sich von dem Start- Schaltkontakt löst und der elektronische Steuerschalter geschlossen wird. Das Steuergerät steuert die Überbrückungsenergie ÜE so, dass bis zu dem Zeitpunkt t2 die Phase des Verlaufs 38 der Überbrückungsenergie an die Phase der Signallage k2 angepasst ist. Der Zeitpunkt t2 entspricht hierbei dem Zeitpunkt an dem der mechanische Schalter den Ziel-Schaltkontakt kontaktiert und der elektronische Steuerschalter geöffnet wird. Das Steuergerät kann hierbei Positionen 36 des Verlaufs 38 der Überbrückungsenergie vorrausschauend berechnen.

FIG. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens 200 zum Steuern einer elektro-mechanischen Schalteranordnung, hier in Form eines Hybridschütz 10, mit einem Steuergerät 50, das hier in bevorzugter Ausführungsform gemäß dem Konzept der Erfindung zuvor erläutert wurde. Das Verfahren 200 weist die Schritte auf:

- Detektieren 210 einer Signallage kl an einem Start- Schaltkontakt 18 und/oder einer Signallage k2 an einem Ziel-Schaltkontakt 20 eines mechanischen Schalters 12 der Schal teranordnung 10,

- Erzeugen 220 einer Überbrückungsenergie ÜE;

- Öffnen 230 des mechanischen Schalters 12 und Schließen 240 eines elektrischen Steuerschalters 14.3, wobei durch das Schließen des elektrischen Steuerschalters 14.3 die Überbrückungsenergie ÜE bereitgestellt wird,

- Schließen 250 des mechanischen Schalters 12, wobei durch Berühren des Ziel-Schaltkontakts 20 ein elektrisches Signal erzeugt und an ein Steuergerät 50 ausgegeben wird,

- Öffnen 260 des elektrischen Steuerschalters 14.3 durch Empfangen des elektrischen Signals vom Steuergerät 50.

Das Erzeugen 220 der Überbrückungsenergie ÜE ist sowohl abhängig von der Signallage an dem Start- Schaltkontakt und der Signallage an dem Ziel -Schaltkontakt durch das Steuergerät gesteuert wird als auch von technischen Charakteristiken eines Inverters und technischen Charakteristiken einer an die Schalteranordnung angeschlossenen Last. Daher umfasst das Verfahren auch die zusätzlichen Schritte Empfangen 212 technischen Charakteristiken eines Inverters und Empfangen 214 technischen Charakteristiken einer an die Schalteranordnung angeschlossenen Last. Das Bereitstellen der Überbrückungsenergie ÜE beginnt mit dem Schritt Öffnen 230 des mechanischen Schalters bzw. Schließen 240 eines Halbleiterschalters, nämlich des elektrischen Steuerschalters, und endet mit dem Schritt Schließen 250 des mechanischen Schalters bzw. Öffnen 260 des Halbleiterschalters. Hierbei finden die Schritte 230 und 240 annähernd gleichzeitig, insbesondere gleichzeitig, statt. Auch die Schritte 250 und 260 finden annähernd gleichzeitig, insbesondere gleichzeitig, statt. Das Schließen 240 des Halbleiterschalters wird durch ein Ansteuem des Halbleiterschalters erreicht. Auch das Öffnen 260 des Halbleiterschalters wird durch ein weiteres Ansteuern des Halbleiterschalters erreicht.

Gemäß dem Konzept der Erfindung ist dazu vorgesehen, dass - wie hier und weiter oben dargestellt - die Signallage des Start- Schaltkontakts auf die Signallage des Ziel-Schaltkontakts steuert. Bevorzugt ist die Signallage des Ziel-Schaltkontaktes innerhalb der Schaltzeit des mechanischen Schalters erreicht.

FIG. 5 A zeigt ein grundsätzliches Schema einer bevorzugten Ausführungsform eines Systems 100 zur Erzeugung einer Überbrückungsenergie mit einer Übersicht seiner Komponenten gemäß dem Konzept der Erfindung. Das System weist eine elektro-mechanische Schalteranordnung 10 auf. Die elektro-mechanische Schal teranordnung 10 weist einen mechanischen Schalter 12, einen Halbleiterschalter 14.3, einen Inverter 22, einen Energiespeicher 24, eine Gleichrichterbrücke 26 mit Dioden Dl, D2, D3 und D4 und einem Steuergerät 50 auf.

Der mechanischen Schalter 12, der Halbleiterschalter 14.3, der Inverter 22, der Energiespeicher 24 und das Steuergerät 50 sind bereits aus der FIG. 1 A bekannt und wurden in dem Zusammenhang mit der FIG. 1 A beschrieben.

Die Gleichrichterbrücke 26 mit den Dioden Dl, D2, D3 und D4 versorgt den Energiespeicher 24 mit Energie aus einem Energieversorgungsnetz. Zudem wandeln die Dioden Dl, D2, D3 und D4 Wechsel Spannung in Gleichspannung um.

FIG. 5B zeigt beispielhaft ein Schaltbild mit einem Steuerungsgerät 50 in einem System 100 zur Erzeugung einer Überbrückungsenergie. Gemäß dem Konzept der Erfindung. Mit dem System 100 wird ein Elektromotor M betrieben. Alternativ zu einem Elektromotor M kann auch ein Kompressor oder eine elektrische Maschine an einem Versorgungsnetz betrieben werden; auch andere als die hier nur beispielhaft genannten Lasten sind möglich. Das System 100 umfasst eine elektro-mechanischen Schalteranordnung in Form eines Hybridschützes 10. Der Hybridschütz 10 weist einen mechanischen Schalter 12 und zwei Halbleiterschalter 14.1, 14.2 auf. Der Hybridschütz 10 ist Bestandteil einer elektrischen Schalteranordnung 11, die zusätzlich zu dem Hybridschütz 10 noch einen elektrischen Steuerschalter 14.3 in Form eines weiteren Halbleiterschalters aufweist. Die Halbleiterschalter 14.1, 14.2 und 14.3 sind jeweils als Transistoren ausgebildet.

Der Hybridschütz 10 umfasst einen mechanischen Schalter 12 und zwei Halbleiterschaltem 14.1, 14.2. Der mechanische Schalter 12 weist einen Basiskontakt 16 und zwei Umschaltkontakte, einen Start- Schaltkontakt 18 und einen Ziel -Schaltkontakt 20, auf. Der Elektromotor M ist über Anschlüsse 34 sowohl mit dem Basiskontakt 16, als auch mit einer Masse N verbunden. Der Elektromotor M wird über den mechanischen Schalter 12 und mit einem der Umschaltkontakte 18, 20 über Netzanschlüsse 42 entweder an das Energieversorgungsnetz PI oder an das Energieversorgungsnetz P2 angeschlossen werden. Weiter weisen der Basiskontakt 16 und die Umschaltkontakte 18, 20 je eine Detektiereinrichtung DET1, DET2 und DET3 auf. Die Detektiereinrichtung DET1, DET2 und DET3 messen jeweils die Signallage kO, kl oder k3, die an dem entsprechenden Kontakt anliegt. In der aktuell dargestellten Stellung des mechanischen Schalters 12 wird der Elektromotor über den Basiskontakt 16, den Umschaltkontakt 18 und das Energieversorgungsnetz PI mit Energie versorgt. Soll der Elektromotor M nun über das Energieversorgungsnetz P2 mit Energie versorgt werden, schaltet der mechanische Schalter 12 auf den Umschaltkontakt 20 um. Damit bei dem Umschalten des mechanischen Schalters 12 keine Lichtbögen erzeugt werden, wird durch ein Steuergerät 50, hier einer FPGA, die Erzeugung und Bereitstellung einer Überbrückungsenergie gesteuert.

Das Steuergerät 50, ist hierfür mit den Detektiereinrichtungen DET1, DET2 und DET3 verbunden und empfängt die gemessenen Signallagen kO, kl und k2 an dem Basiskontakt 16 und den Umschaltkontakten 18 und 20. Die Signallage kO des Basiskontakts 16, die Signallage kl des Start- Schaltkontakts 18 und Signallage k2 des Ziel-Schaltkontakts 20 werden als ein Phasenverlauf (p bei Wechsel Spannung oder ein Spannungspegel a gemessen. Weiter ist das Steuergerät 50 mit dem mechanischen Schalter 12 und den Halbleiterschaltem 14.1, 14.2 und 14.3 verbunden, um diese umzuschalten bzw. anzusteuem. Um die Erzeugung und Bereitstellung der Überbrückungsenergie zu steuern, ist das Steuergerät 50 weitet mit einem Inverter 22, und einem Energiespeicher 24 verbunden. Das Steuergerät 50 ist auch mit einem BUS-System über einen BUS-Anschluss 32 verbunden. Als Teil einer Energieversorgung weist der Energiespeicher 24 zwei Kondensatoren CI und C2 auf. In den Kondensatoren CI und C2 wird die Überbrückungsenergie gespeichert. Für die Energieversorgung können diese Kondensatoren CI und C2 an eine 3 Volt Gleichspannungsversorgung 44 über einen Umrichter 28 angeschlossen werden und so mit einer Spannung verbunden und auf- geladen werden. Außerdem können die Kondensatoren CI und C2 über eine Gleichrichterbrücke 26 mit vier Dioden Dl, D2, D3 und D4 von dem jeweils angeschlossenen Energieversorgungsnetz Pl, P2 geladen werden. Für die Energieversorgung richten die Dioden Dl, D2, D3 und D4 eine Wechsel Spannung der Energieversorgungsnetzes PI oder P2 gleich.

Das Steuergerät 50 ist ausgebildet, im Falle des Umschaltens des mechanischen Schalters 12 die notwendige Überbrückungsenergie zu berechnen und ein entsprechendes Steuersignal zu erzeugen. Die Steuereinheit 50 ist weiter ausgebildet, das vorliegend pulsweitenmodulierte Steuersignal an den Inverter 22 auszugeben. Der Inverter 22 formt entsprechend des Steuersignals die Überbrückungsenergie, welche durch den Energiespeicher 24 vorgespeichert ist. Über eine Ferritspule 30 mit einem Überspannungsschutz 40 und den elektrischen Steuerschalter 14.3 wird die Überbrü- ckungsenergie während des Schaltens des mechanischen Schalters 12 dem Elektromotor M zur

Verfügung gestellt.

BEZUGSZEICHENLISTE

2 Hall-Sensor

10 Hybrid Schütz

12 mechanischer Schalter

14.1, 14.2, 14.3 Halbleiterschalter, elektrischer Steuerschalter

15 Detektor

16 Basiskontakt

18 Start- Schaltkontakt

20 Ziel -Schaltkontakt

22 Inverter

24 Energiespeicher

26 Gleichrichterbrücke

28 Umrichter

30 Ferritkern-Spule

32 BUS-Anschluss

34 Anschlüsse

36 Positionen des Verlaufs der Überbrückungsenergie

38 Verlauf der Überbrückungsenergie

40 Überspannungsschutz-Diode

42 Netzanschlüsse

44 Gleichspannungsversorgung

50 Steuergerät

50.1 Energiekontrolleinheit

50.2 Relaiskontrolleinheit

50.3 Inverterkontrolleinheit

50.4 Zeitkontrolleinheit

50.5 BUS-Kontrolleinheit

50.6 Bedienfeldkontrolleinheit

100 System

200 Verfahren

210 Detektieren der Signallagen

212 Empfangen technischen Charakteristiken eines Inverters

214 Empfangen technischen Charakteristiken einer Last 220 Erzeugen einer Überbrückungsenergie

230 Öffnen eines mechanischen Schalters

240 Schließen eines Halbleiter-schalters

250 Schließen des mechanischen Schalters

260 Öffnen des Halbleiterschalters a Spannungspegel

BUS BUS-System

Cl, C2 Kondensator

Dl, D2, D3, D4 Diode

DET1, DET2, DET3 Detektiereinrichtung kO Signallage am Basiskontakt kl Signallage am Start- Schaltkontakt k2 Signallage am Ziel -Schaltkontakt

M Elektromotor

N, SL Masse

Pl, P2 Energieversorgungsnetz

T Zeit

Ts Schaltzeit

ÜE Überbrückungsenergie

(p Phasenverlauf