DE19849684A1

DE19849684A1 - Verfahren und Einrichtung zur Steuerung eines elektromechanischen Relais

Info

Publication number: DE19849684A1
Application number: DE19849684A
Authority: DE
Inventors: Christian Heite
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2000-05-04
Also published as: EP0997921B1; DE59900531D1; EP0997921A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung eines an einem Wechselspannungsnetz betriebenen und einen Laststrom schaltenden elektromechanischen Relais (3). Zur Vermeidung eines hohen Anlaufstroms, insbesondere bei kapazitiver oder Glühlampenlast, wird mittels einer Erfassung des jeweiligen Nulldurchgangs (6) der Netzwechselspannung, des nach dem Einschalten einer Last (1) auftretenden Anlaufstromimpulses (dI) mittels eines Detektors (7) und einer Meßeinrichtung (8), sowie mittels einer elektronischen Ansteuereinheit (5) nach Zuführung eines Schaltbefehls dieser um eine solche Verzögerungsdauer (T) verzögert zur Relaisspule (4) geführt, daß der Relaiskontakt (2) zum Zeitpunkt eines Nulldurchgangs (t¶0¶) schließt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines an einem Wech selspannungsnetz betriebenen und einen Laststrom schaltenden elektromechani schen Relais, sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Relais werden häufig verwendet, wenn ein großer Laststrom mittels eines kleinen Steuerstroms geschaltet werden soll, z. B. beim Einsatz als Installationsschalter. Vorteile mechanischer Relais liegen in hoher Robustheit und geringem Bauvolumen bei relativ geringem Preis. Vor hohen Anforderungen stehen jedoch elektromechani sche Bauelemente, wenn große Anlaufströme, wie sie z. B. bei kapazitiven oder Glühlampenlasten auftreten, geschaltet werden müssen. Glühlampenlasten sind ge kennzeichnet durch einen Faktor von etwa 10 im Verhältnis von Anlaufstrom zu dem Strom im stationären Endwert. Kapazitive Lasten treten beim Einsatz als Installati onsschalter, z. B. beim Schalten von elektronischen Transformatoren, Energiespar lampen oder elektronischen Vorschaltgeräten für Leuchtstofflampen auf.

Es ist bekannt, beim Einsatz elektromechanischer Relais Anforderungen an das Schaltvermögen, z. B. der Verschweißfestigkeit der Kontakte, durch geeignete Wahl des Kontaktmaterials, z. B. AGCdO oder AGSnO, zu entsprechen. Das Erzielen er höhter Verschweißfestigkeit der Kontakte über entsprechende Werkstoffe hat aber technologische Grenzen. Zudem geht die Optimierung des Parameters "Verschweiß festigkeit" zu Lasten anderer Parameter, wie Bauform oder Kontaktwiderstand. Ge setzliche Auflagen zur Verarbeitung des Schwermetalls Cadmium sind streng.

Bekannt sind auch Verfahren, bei denen ein Laststrom mit hohem Einschaltstroman teil nach dem Einschalten mittels eines ersten Relais zunächst über einen entspre chenden Shunt geführt und der Shunt verzögert mit Hilfe eines Kontaktes eines zweiten Relais überbrückt wird. Die Einschaltstrombegrenzung über einen Shunt hat den Nachteil, daß der Vorwiderstand für unterschiedliche Lasten oder Betriebsspan nungen grundsätzlich neu dimensioniert werden muß. Die Impulsbelastbarkeit des Shunts muß hoch sein, das Bauteil wird entsprechend groß. Zwei Schaltrelais im Laststromkreis bedeutet neben den Kosten eine Verdopplung des Einschaltwider standes mit dem Problem der anfallenden Verlustleistung über den Relaiskontakten.

Auf dem Gebiet der Anwendung sogenannter Halbleiterrelais ist es bekannt, einen Einschaltstromstoß durch Einschalten im Nullpunkt der Wechselspannung des Laststromkreises zu begrenzen. Diese bei elektronischen Schaltern anwendbare Technik läßt sich bei elektromechanischen Relais nicht ohne weiteres anwenden, weil eine nicht konstante Verzögerungszeit zwischen Anlegen einer Erregerspan nung und Schließen des Relaiskontaktes auftritt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für einen Betrieb ei nes elektromechanischen Relais an einem Wechselspannungsnetz anzugeben, mit dem eine besonders geringe Belastung der Relaiskontakte durch Anlaufströme beim Einschalten einer Last erreicht wird. Außerdem soll eine Einrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung eines elektromechanischen Relais mit den im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensmerkmalen gelöst. Vorteilhaf te Ausgestaltungen und eine Einrichtung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Mit der Erfindung wird das aus der Technik der elektronischen Schalter bekannte Verfahren des Schaltens im Nulldurchgang der Wechselspannung aufgegriffen und für elektromechanische Relais anwendbar gemacht. Ein Schalten quasi im Nullpunkt der Wechselspannung wird dabei durch eine verzögerte Weitergabe eines Ein schaltbefehls an die Relaisspule erreicht, wobei die Einschaltverzögerung so ge wählt ist, daß sie zusammen mit der Relaisreaktionszeit ein Schließen des Relais kontaktes zum Zeitpunkt eines Nulldurchgangs, bzw. zumindest in der Nähe eines Nulldurchgangs der Wechselspannung bewirkt. Mittels einer Regelschleife wird die Einschaltverzögerung optimiert, so daß zumindest nach wenigen Schaltzyklen eine vorher festlegbare Maximalabweichung vom Zeitpunkt des Nulldurchgangs erreicht wird.

Das Verfahren erfordert zwar eine Erfassung des Wechselspannung-Nulldurch gangs, dazu erforderliche Mittel sind jedoch beispielsweise bei modernen Installati onssystemen mit Informationsübertragung über das Wechselspannungsnetz aus anderen Gründen ohnehin vorhanden. Ebenso Mikrocontroller zur Realisierung ei ner zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen elektronischen Ansteuereinheit. Der Mehraufwand gegenüber einem einfachen elektromechanischen Relais be schränkt sich somit auf einen verfahrensgemäß notwendigen Stromimpulsdetektor und eine Softwareroutine.

Besonders vorteilhaft ist, daß nur ein einziges, äußerst kleindimensionierbares Re lais benötigt wird. Dies ist wiederum besonders für Installationssysteme, beispiels weise das Powernet-System der Fa. Busch-Jaeger Elektro GmbH, Lüdenscheid, von großer Bedeutung, weil damit Schaltfaktoren mit ausreichendem Schaltvermögen in üblichen Unterputzdosen untergebracht werden können.

Eine weitere Erläuterung des Verfahrens einschließlich der Mittel zur Durchführung des Verfahrens erfolgt nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.

Fig. 1 zeigt ein Blockschema einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Eine Last 1 ist mittels eines Relaiskontaktes 2 eines elektromechanischen Relais 3 mit einer Wechselspannung über Leiter N, L verbindbar. Die zum Relais 3 gehören de Relaisspule 4 wird durch eine elektronische Ansteuereinheit 5 angesteuert, die mittels eines Mikrocontrollers realisiert sein kann. Der Ansteuereinheit 5 ist über ei nen Eingang E ein Schaltbefehl zuführbar. An die Wechselspannung führenden Leiter N, L ist ein Netzspannung-Nulldurchgangs-Detektor 6 angeschlossen, der ein Nulldurchgangssignal bildet und der Ansteuereinheit 5 zuführt. Ein Stromimpuls- Detektor 7 in Verbindung mit einer Meßeinrichtung 8 liefert einen Stromimpuls- Meßwert nach dem jeweiligen Schließen des Relaiskontakts 2 an die Ansteuerein heit 5.

Der Ansteuereinheit 5 ist zur Initialisierung ein Verzögersdauer-Schätzwert T₀, bei spielsweise T₀ = 4 ms, vorgebbar. Der Schätzwert wird abhängig von der konstruktiven Auslegung des Relais 3 gewählt.

Außerdem ist der Ansteuereinheit 5 ein Anpassungswert dT als Konstante K, bei spielsweise K = 100 µs, vorgebbar.

Eine mögliche Arbeitsweise der Ansteuereinheit 5 wird nachstehend beschrieben.

Wenn der Ansteuereinheit 5 ein Schaltbefehl am Eingang E zugeführt wird, steuert sie nach einer Verzögerungsdauer T die Relaisspule 5 an. In einem Initialisierungs zyklus ist die Verzögerungsdauer T der vorgegebene Schätzwert T = T₀. Der nach Schließen des Relaiskontaktes 2 im Laststromkreis auftretende Anlaufstromimpuls dI wird mit den Mitteln 7, 8 als Meßwert erfaßt und der Ansteuereinheit 5 zugeführt. In Abhängigkeit vom Vorzeichen des Stromimpulses wird die Verzögerungsdauer T für den folgenden Einschaltvorgang um den Anpassungswert dT inkrementiert oder de krementiert, der als Konstante K vorgegeben sein kann, so daß zumindest nach ei nigen Einschaltvorgängen eine Abweichung des Kontaktschließzeitpunktes vom Zeitpunkt t₀ des Wechselspannungs-Nulldurchgangs von ± dT erreicht ist.

Zur Stabilisierung des Regelkreises für die Verzögerungsdauer-Anpassung kann außer dem Vorzeichen des Stromimpulses auch der Betrag des Strommeßwertes herangezogen und mit einem Schwellenwert C verglichen werden, wobei eine An passung der Verzögerungsdauer unterbleibt, wenn der vorgegebene Schwellenwert C vom gemessenen Stromimpuls nicht erreicht wird.

Der Betrag des gemessenen Strompulses kann auch dazu verwendet werden, eine davon abhängige Schrittweite des Anpassungswertes dT zu bilden. In diesem Fall wird also nicht die Konstante K, sondern ein variabler Wert zur Bildung des Anpas sungswerts dT herangezogen. Damit kann mit einer kleineren Zahl von Schaltzyklen das angestrebte Optimum für den Ansteuerungszeitpunkt erzielt werden und außer dem ein praktisch mit dem Nulldurchgang t₀ übereinstimmender Einschaltzeitpunkt erreicht werden.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung eines an einem Wechselspannungsnetz betrie benen und einen Laststrom schaltenden elektromagnetischen Relais (3), das eine Relaisspule (4) und wenigstens einen Relaiskontakt (2) aufweist, wobei

1. eine Ansteuerung der Relaisspule (4) mittels einer elektronischen Ansteu ereinheit (5) erfolgt,
2. eine Erfassung des jeweiligen Nulldurchgangs der Wechselspannung er folgt,
3. eine Erfassung eines jeweils beim Einschalten der Last im Lastkreis auftre tenden Stromimpulses (dI) erfolgt,
4. nach Eingabe eines Schaltbefehls in die Ansteuereinheit (5), eine Ansteue rung der Relaisspule (4) jeweils nach einer Verzögerungsdauer (T) nach dem Zeitpunkt des letzten Wechselspannung-Nulldurchgangs (t₀) liegenden Ansteuerungszeitpunkt erfolgt,
5. zur Initialisierung ein Verzögerungsdauer-Schätzwert (T = T₀) vorgegeben wird, und
6. in weiteren Schaltzyklen die Verzögerungsdauer (T) abhängig vom Vorzei chen des Stromimpulses (dI) um einen Anpassungswert (dT) inkrementiert oder dekrementiert wird, um ein Schalten der Last nahe am Zeitpunkt des Wechselspannung-Nulldurchgangs (t₀) zu erreichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzöge rungsdauer (T) nur dann um einen Anpassungswert (dT) inkrementiert oder dekre mentiert wird, wenn der Betrag des Stromimpulses (dI) über dem Wert eines vorge gebenen Schwellenwerts (C) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als An passungswert (dT) eine Konstante (K), beispielsweise 100 µs gewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der An passungswert (dT) abhängig vom Betrag des Stromimpulses (dI) gebildet und ver wendet wird.

5. Elektromechanisches Relais (3), dessen Relaisspule (4) mittels einer elektronischen Ansteuereinheit (5) angesteuert ist, der ein Schaltbefehl, ein erfaßter Laststromimpuls (dI), und ein Wechselspannungs-Nulldurchgangs-Signal zuführbar sind, und die dafür eingerichtet ist, ein Ansteuersignal an die Relaisspule (4) auszu geben, das gegenüber dem letzten vorausgegangenen Zeitpunkt des Wechselspan nung-Nulldurchgangs (t₀) um eine Verzögerungsdauer (T) verzögert ist, die zur In itialisierung als Verzögerungsdauer-Schätzwert (T = T₀) vorgebbar ist, und die ab hängig vom erfaßten Laststromimpuls (dI) mittels der Ansteuereinheit (5) anpaßbar ist.