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Dokumentenidentifikation DE3323400C2 16.06.1994
Titel Stromversorgungsschaltung für eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung
Anmelder Lucas Industries Ltd., Birmingham, West Midlands, GB
Erfinder Brown, Robert Hulme, Surry, GB;
Comrie, Peter Vincent, Greenford, Middlesex, GB
Vertreter Stellrecht, W., Dipl.-Ing. M.Sc.; Grießbach, D., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Haecker, W., Dipl.-Phys.; Böhme, U., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 70182 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 29.06.1983
DE-Aktenzeichen 3323400
Offenlegungstag 12.01.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.06.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.06.1994
IPC-Hauptklasse H01F 7/18

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung für eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Stromversorgungsschaltung ist aus der DE-OS 20 62 387 bekannt. Diese Druckschrift offenbart eine Schaltungsanordnung zur Schnellerregung von elektromagnetischen Betätigungsvorrichtungen, wie Relais, Schützen und dergleichen. Dabei ist es ein Nachteil der bekannten Schaltungsanordnung, daß in der Erregerwicklung der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtungen beim Arbeiten der bekannten Schaltung ständig ein Haltestrom fließt. Dieser Haltestrom wird erhöht, um eine Betätigung der betreffenden Betätigungsvorrichtung zu erreichen, indem ein Schalter geschlossen wird, wodurch sich ein als Ladungsspeicher dienender Kondensator über die Erregerwicklung entladen kann. Ferner kann der Haltestrom durch Schließen eines weiteren Schalters abgesenkt werden, indem ein weiterer Kondensator entladen wird, um auf diese Weise eine Schnellentregung zu erreichen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungsschaltung anzugeben, bei der kein Haltestrom fließt, wenn keine der Betätigungsvorrichtungen in Betrieb ist, so daß ein geringerer Leistungsverbrauch und eine möglichst geringe Erregerwicklungstemperatur erreicht werden.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Stromversorgungsschaltung gemäß der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Während bei der bekannten Schaltung in der Erregerwicklung der mindestens einen elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung ständig ein Haltestrom fließt, der erhöht wird, um eine Betätigung der Betätigungsvorrichtung zu erreichen und der abgesenkt wird, um im Zuge einer Schnellentregung die Betätigung aufzuheben, beispielsweise einen Anker abfallen zu lassen, besteht ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung darin, daß bei nicht betätigter Betätigungsvorrichtung kein Haltestrom fließt. Hierdurch wird ein geringerer Leistungsverbrauch erreicht und zusätzlich der möglicherweise noch wichtigere Vorteil, daß die Temperatur der mindestens einen Erregerwicklung so niedrig wie möglich gehalten wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der wesentlichen Elemente einer Stromversorgungsschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine gegenüber der Schaltung gemäß Fig. 1 abgewandelte Stromversorgungsschaltung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Stromversorgungs- Schaltung gemäß der Erfindung mit zugehörigen Schaltkreisen.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 der Zeichnung vier elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen, von denen jeweils nur die Wicklungen bzw. die Spulen 10 bis 13 dargestellt sind. Jede der Spulen 10 bis 13 liegt in Serie mit einem zugeordneten Thyristor 16 bis 19 zwischen zwei Speiseleitungen 14 und 15. Da an der Speiseleitung 15 im Gebrauch ein negatives Potential liegt, sind die Kathoden der Thyristoren 16 bis 19 der Speiseleitung 15 zugewandt.

Zwischen den Speiseleitungen 14 und 15 liegt ferner ein erster Kondensator 20, der im Betrieb auf eine vorgegebene Spannung aufgeladen wird. Wenn es erforderlich ist, eine der Betätigungsvorrichtungen zu erregen, wird der betreffende Thyristor durchgesteuert, was dazu führt, daß sich der Kondensator 20 über eine der Spulen 10 bis 13 entlädt, wobei wegen der hohen Spannung, auf die der Kondensator 20 aufgeladen wurde, ein hoher Erregerstrom fließt, so daß eine schnelle Betätigung der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung erreichbar ist.

Der Kondensator 20 wird über einen Chopper bzw. einen Zerhacker aufgeladen, welcher eine Induktivität bzw. Spule 21, eine Diode 22 und einen Transistor 23 umfaßt. Die Anode der Diode 22 ist dabei mit der Speiseleitung 15verbunden, während ihre Kathode mit dem Verbindungspunkt zwischen dem einen Ende der Spule 21 und dem Emitter des Transistors 23 verbunden ist. Das andere Ende der Spule 21 ist mit der Speiseleitung 14 verbunden, während der Kollektor des Transistors 23 mit dem einen Anschluß eines zweiten Kondensators 24 verbunden ist, dessen anderer Anschluß mit der Speiseleitung 15 verbunden ist. Der Kondensator 24 bildet eine Ladungsquelle für den Kondensator 20 und wird über einen Vollwellen-Brückengleichrichter mit zwei Dioden 25 und zwei Thyristoren 26 aus einer Wechselspannungsquelle aufgeladen, die mit zwei Anschlüssen 27, 28 verbunden ist. Die Wechselspannungsquelle ist vorzugsweise eine Netzspannungsquelle mit einer Spannung von 240 V. Da der Kondensator 24 eine hohe Kapazität hat, werden zwei weitere Dioden 29, die über einen Widerstand 30 mit der mit dem Transistor 23 verbundenen Platte des Kondensators 24 verbunden sind, verwendet, um den Kondensator 24 während einer ersten Ladephase aufzuladen, wobei die Thyristoren 26 leitend werden, wenn die Spannung über dem Kondensator 24 einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Unter der Voraussetzung, daß der Kondensator 24 auf die Spitzenspannung der Netzspannung aufgeladen wurde, wird der Transistor 23 aufgrund des vorstehend beschriebenen Aufbaus der Schaltung leitend gesteuert und der Kondensator 20 wird folglich mit einem über die Spule 21 fließenden Ladestrom aufgeladen. Die Höhe des Ladestroms wird überwacht, und der Transistor 23 wird bei Erreichen einer vorgegebenen Höhe des Ladestromes gesperrt. Wenn der Transistor 23 gesperrt wird, bricht der magnetische Fluß in der Spule 21 zusammen, was dazu führt, daß der Kondensator 20 über die Diode 22 noch weiter aufgeladen wird. Dieser Zyklus wiederholt sich bis der Kondensator 20 auf eine vorgegebene Spannung aufgeladen ist, wobei es vorteilhaft ist, die Strompegel, bei denen der Transistor 23 gesperrt wird, zu verändern, während die Kondensatorspannung auf den gewünschten Wert ansteigt. Diese Maßnahme dient dazu, die in der Spule 21 am Ende des Ladevorgangs gespeicherte Energie zu verringern. Wenn die Aufladung abgeschlossen ist, wird der Transistor 23 gesperrt. Außerdem wird zur Entladung des Kondensators 20 über die Spule 10 bis 13 einer anzusteuernden Betätigungsvorrichtung der betreffende Thyristor 16, 17, 18 bzw. 19 leitend gesteuert. Es ist klar, daß die Spannung über dem Kondensator 20 abfällt, während dieser sich über eine der Spulen 10 bis 13 entlädt. Trotzdem ist die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms in der betreffenden Spule so hoch, daß ein schnelles Ansprechen der zugehörigen Betätigungsvorrichtung erreicht wird. Während der Zeit, in der der betreffende Thyristor leitend gesteuert wird, wird der Transistor 23 im nichtleitendem Zustand gehalten. Hierdurch kann sich der Kondensator 24 wieder aufladen, während außerdem eine weitere Aufladung des Kondensators 20 vermieden wird. Weiterhin ermöglicht die Spannung des Transistors 23 das (spätere) Sperren des jeweils gezündeten Thyristors 16 bis 19.

Zur Gewinnung eines Haltestroms dienen die nachstehend noch zu beschreibenden Schaltungsteile.

Die Speisespannungsquelle für den Haltekreis umfaßt einen Transformator 31, dessen Primärwicklung mit den Netzanschlüssen 27, 28 verbunden ist. Die Sekundärwicklung des Transformators 31 dient der Aufladung eines Kondensators 32 über eine übliche Gleichrichterbrücke mit vier Dioden 33. Die Speiseleitung 14 ist mit dem einen Ausgangsanschluß der Brückenschaltung verbunden. Außerdem sind die Anoden eines weiteren Satzes von vier Thyristoren 34 bis 37 mit den Anoden des ersten Satzes von Thyristoren 16 bis 19 verbunden. Die Kathoden der weiteren Thyristoren 34 bis 37 sind über die Kollektor- Emitter-Strecke eines Transistors 38 mit dem negativen Anschluß der Gleichrichterbrücke verbunden. Die Kathode des Transistors 38 ist ferner mit der Anode einer Diode 39 verbunden, deren Kathode mit dem Kondensator 24 bzw. dem Kollektor des Transistors 23 verbunden ist.

Im Betrieb wird beim Zünden eines der Thyristoren 34 bis 37 im wesentlichen gleichzeitig der zugeordnete Thyristor der ersten Gruppe mit den Thyristoren 16 bis 19 gezündet. Außerdem wird zu diesem Zeitpunkt der Transistor 38 leitend gesteuert. Der Kondensator 32 wird auf eine niedrigere Spannung geladen als der Kondensator 20. Wenn sich der Kondensator 20 über eine der Spulen 10 bis 13 entlädt, wird ein Zeitpunkt erreicht, zu dem die Spannung über dem Kondensator 20 im wesentlichen gleich der Spannung über dem Kondensator 32 ist. Wenn dies eintritt, fließt der Strom durch die betreffende Spule 10 bis 13 über den zugeordneten Thyristor der Gruppe mit den Thyristoren 34 bis 37 weiter, während der zuvor gezündete Thyristor der ersten Thyristorengruppe 16 bis 19 gesperrt wird. Auf diese Weise kann der Stromfluß so lange aufrecht erhalten werden, wie ein Strom für die betreffende elektromagnetische Betätigungsvorrichtung erforderlich ist. Wenn diese dann abgeschaltet werden soll, wird der Transistor 38 gesperrt und die in der betreffenden Spule gespeicherte Energie fließt über einen der Thyristoren 34 bis 37 und die in Serie geschalteten Kondensatoren 24 und 20. Über dem Kondensator 24 liegt natürlich eine hohe Spannung; in dem vorstehend erläuterten Entladekreis wirkt jedoch die Spannung über dem Kondensator 20 derjenigen über dem Kondensator 24 entgegen, was in der Praxis die Folge hat, daß die Spannung über dem Kondensator 20 verringert wird, während ein Energietransport zum Kondensator 24 stattfindet. Der Strom durch die zuvor eingeschaltete Spule fällt extrem schnell ab. Während des Stromabfalls wird dann auch der betreffende Thyristor 34 bis 37 wieder nichtleitend. Der vorstehende Zyklus kann dann wiederholt werden, wobei der Kondensator 20 über die Ladestufe wieder aufzuladen ist.

In der betrachteten Schaltung wird nur sehr wenig Energie in Wärme umgesetzt, so daß sie in einem relativ kleinen Gehäuse untergebracht werden kann. Andererseits gewährleistet die Schaltung das Aufladen des Kondensators 20 auf die erforderliche Spannung innerhalb des kurzen Zeitintervalls zwischen dem Abschalten einer der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtungen und dem Einschalten einer anderen Betätigungsvorrichtung.

Die vorstehend beschriebene Schaltung ist gegenüber Netzspannungsschwankungen noch empfindlich. Wenn nämlich die Netzspannung abfällt, dann sinkt auch die Spitzenspannung über dem Kondensator 24, so daß es nicht möglich ist, den Kondensator 20 auf die gewünschte Spannung aufzuladen. Dieses Problem kann dadurch überwunden werden, daß man einen Konstantspannungstransformator einsetzt. Ein solcher Transformator ist jedoch teuer und benötigt viel Platz. Eine andere Möglichkeit bestünde im Einsatz eines getakteten Versorgungsteils. Dies würde jedoch zu Energieverlusten und zu einer entsprechenden Erwärmung führen. Es wird daher vorgeschlagen, einen Spartransformator einzusetzen. Dies bedeutet, daß die Elemente des Zerhackers bei einer höheren Spannung arbeiten müssen. Dieses Problem kann jedoch überwunden werden, indem man eine automatische Änderung des Abgriffs durchführt.

Die Spannung der Versorgungsschaltung für den Haltestrom ist kritischer. Andererseits ist aber auch der Leistungsbedarf geringer, so daß der Transformator 31 durch einen Konstantspannungstransformator ersetzt werden kann.

Es ist jedoch wichtig, daß der Kondensator 24 auf einer im wesentlichen konstanten Spannung gehalten wird, da die Spannung über dem Kondensator 24, wie beschrieben, die Geschwindigkeit des Stromabfalls in der Spule einer Betätigungsvorrichtung beeinflußt, wenn der Transistor 39 nichtleitend gesteuert wird. Dieses Problem wird hinsichtlich des Kondensators 24 in der Schaltung gemäß Fig. 2 durch einen zusätzlichen Kondensator überwunden.

Im einzelnen sind in der Schaltung gemäß Fig. 2 entsprechende Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie in Fig. 1 oder ohne Bezugszeichen dargestellt. Man erkennt, daß der Transformator 31 durch einen Konstantspannungstransformator 40 ersetzt ist. Der oben angesprochene Spartransformator zur Erzeugung einer Speisespannung für den Kondensator 24 ist nicht dargestellt. Die wichtigste Änderung in der Schaltung gemäß Fig. 2 gegenüber derjenigen gemäß Fig. 1 besteht darin, daß ein zusätzlicher Kondensator 41 vorgesehen ist, dessen einer Anschluß mit der Speiseleitung 15 verbunden ist, und dessen anderer Anschluß mit der Kathode der Diode 39 verbunden ist. Außerdem ist eine weitere Diode 42 vorgesehen, deren Anode mit der Speiseleitung 14 verbunden ist und deren Kathode mit dem Kondensator 41 verbunden ist. Zusätzlich ist außerdem ein Thyristor 43 vorgesehen, dessen Anode mit der Kathode der Diode 39 verbunden ist, während seine Kathode mit dem Emitter des Transistors 23 verbunden ist. Bei der Schaltung gemäß Fig. 2 wird zu Beginn der Aufladung des Kondensators 20 auch der Kondensator 41 über die Diode 42 annähernd auf die obenerwähnte Spannung aufgeladen. Wenn dann einer der Thyristoren gezündet wird, um den Kondensator 20 zu entladen, verhindert die Diode 42 die Entladung des Kondensators 41, und der Arbeitszyklus wird in der vorstehend beschriebenen Weise fortgesetzt. Wenn dann der Transistor 38 gesperrt wird, um die zuvor erregte Betätigungsvorrichtung abzuschalten, fließt der Strom aufgrund des Zusammenbrechens des magnetischen Feldes in der Spule der Betätigungsvorrichtung in einem Kreis, in dem anstelle des Kondensators 24 gemäß Fig. 1 der weitere Kondensator 41 liegt. Dabei wird der Kondensator 41 auf eine vorgegebene Spannung aufgeladen, so daß Schwankungen der Netzspannung keinen Einfluß mehr auf die Geschwindigkeit haben, mit der das magnetische Feld in der Spule der Betätigungsvorrichtung zusammenbricht. Der Thyristor 43 wird vorzugsweise unmittelbar vor dem Aufladen des Kondensators 20 leitend gesteuert, was den Zweck hat, einen Spannungsausgleich der Kondensatoren 41 und 20 herbeizuführen.

Fig. 3 zeigt die vollständige Versorgungsschaltung zur Betätigung der Betätigungsvorrichtung, wobei die Elemente in den einzelnen Blöcken, wo dies möglich war, mit den in Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen bezeichnet sind. Steuerimpulse von einer Regleranordnung werden einer logischen Schaltung 44 zugeführt, welche die Steuerimpulse in Form von Zündimpulsen an die Thyristoren 16 bis 19, an die Thyristoren 34 bis 37 und an den Thyristor 38 legt, der zu der Haltestromschaltung gehört. Dabei ist es wesentlich, daß sichergestellt ist, daß der Zerhacker während der Stromzufuhr zu den Spulen der Betätigungsvorrichtung und während des Zusammenbrechens des magnetischen Feldes derselben abgeschaltet ist. Aus diesem Grunde ist ein Schaltungsblock 45 vorgesehen, der der Steuerung des Transistors 23 dient. Außerdem wird der Transistor 23 von einem Block 46 gesteuert, der die Spannung über dem Kondensator 20 mißt.

Wie oben ausgeführt, wird der Kondensator 24 zunächst über den Widerstand 30 geladen, und die Thyristoren 26 werden über eine Verzögerungsschaltung - Block 47 - gesteuert, die auch an die logische Schaltung - Block 44 - ein Signal liefert, um zu verhindern, daß den verschiedenen Thyristoren Steuerimpulse zugeführt werden bevor eine Anfangsverzögerungszeit verstrichen ist. Außerdem ist ein Block 48 vorgesehen, der das Arbeiten der logischen Schaltung verhindert, wenn die Versorgungsspannung bzw. die Netzspannung unter einen vorgegebenen Wert fällt. Schließlich ist eine Schaltung 49 vorgesehen, welche für den Fall, daß aus irgendeinem Grund einer der Transistoren 16 bis 19 am Ende eines Arbeitszyklus im leitenden Zustand verbleibt, ebenfalls ein Arbeiten der logischen Schaltung 44 verhindert. In diesem Fall wird der Kondensator 20 vollständig entladen,. Wenn dann der Transistor 23 leitend gesteuert wird, dann fließt der Strom über den Transistor 23 und die Spule 21 in die Wicklung bzw. Spule der betreffenden Betätigungsvorrichtung. Aus diesem Grunde wird von der Schaltung 46 eine sehr niedrige Spannung ermittelt, die in der Schaltung 49 dahingehend ausgewertet wird, daß ein weiterer Betrieb der logischen Schaltung 44 verhindert wird. Die Rückstellung der Schaltung 49 erfolgt nach einer Verzögerungszeit, so daß erneut der Versuch unternommen werden kann, wieder einen normalen Betrieb aufzunehmen.


Anspruch[de]
  1. 1. Stromversorgungsschaltung für eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung, mit einem auf eine hohe Spannung aufladbaren Kondensator, mit einer ersten Gleichrichterschalteinrichtung, deren Schaltstrecke leitend steuerbar ist, um eine Erregerspule der Betätigungsvorrichtung mit dem Kondensator zu verbinden, um dadurch einen hohen Anfangsstrom in der Erregerspule fließen zu lassen, mit einer Niederspannungsquelle, mit deren Hilfe ein Haltestrom für die Erregerspule der Betätigungsvorrichtung erzeugbar ist und mit Schalteinrichtungen zum Unterbrechen des Haltestroms durch die Erregerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufladen des Kondensators (20) ein Ladekreis vorgesehen ist, welcher eine Spule (21), eine mit ihrer Schaltstrecke in Serie zu der Spule liegende Schalteinrichtung (23), eine Diode (22) in einem eine Serienschaltung der Spule (21) und des Kondensators (20) enthaltenden Schaltkreis und Steuereinrichtungen (46) umfaßt, mit deren Hilfe das Umschalten der Schalteinrichtung (23) in Abhängigkeit von der Spannung über dem Kondensator (20) steuerbar ist.
  2. 2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Kondensator (24) parallel zum Ladekreis (21-23) vorgesehen ist und daß eine Gleichrichtereinrichtung (39) vorgesehen ist, über die die Kondensatoren (20, 24) in Serie aufladbar sind, wenn der Haltestrom in der Erregerwicklung der Betätigungsvorrichtung (10) unterbrochen ist, wobei der weitere Kondensator (24) eine Quelle hoher Spannung bildet, aus der der erste Kondensator (20) über die Schalteinrichtung (23) aufladbar ist.
  3. 3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Kondensator (41) vorgesehen ist, welcher über eine Gleichrichtereinrichtung (42) parallel zu dem ersten Kondensator (20) geschaltet ist und daß eine weitere Gleichrichtereinrichtung (39) vorgesehen ist, über die die Kondensatoren (20, 41) in Serie aufladbar sind, wenn der Haltestrom durch die Erregerwicklung der Betätigungsvorrichtung (10) unterbrochen ist.
  4. 4. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (43) vorgesehen ist, mit deren Hilfe vor dem Aufladen der Kondensatoren (20, 41) ein Spannungsausgleich zwischen diesen Kondensatoren (20, 41) herbeiführbar ist.






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