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Dokumentenidentifikation DE10255012A1 03.06.2004
Titel Schaltung zur Begrenzung der beim Schalten von kapazitiven/induktiven Lastkomponenten auftretenden Stromspitzen
Anmelder Siemens Building Technologies AG, Zürich, CH
Erfinder Bott, Klaus, 76448 Durmersheim, DE
Vertreter Berg, P., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 80339 München
DE-Anmeldedatum 25.11.2002
DE-Aktenzeichen 10255012
Offenlegungstag 03.06.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.06.2004
IPC-Hauptklasse H02H 9/02
Zusammenfassung Schaltung zur Begrenzung der beim Schalten von kapazitiven/induktiven Lastkomponenten auftretenden Stromspitzen mit einem Strombegrenzer (2), der in Reihe mit wenigstens einer Last (5.1-5.3) geschaltet ist und einem zur Überbrückung des Strombegrenzers vorgesehenen Schalter (3), der parallel zum Strombegrenzer (2) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer (2) mittels des Schalters (3) im Zeitpunkt des Ein- und Ausschaltens der Last aktiviert und nach dem Ein- bzw. Ausschalten der Last wieder deaktiviert wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Begrenzung der beim Schalten von kapazitiven/induktiven Lastkomponenten auftretenden Stromspitzen gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Schaltung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 3630604 A1 bekannt. Diese offenbart eine Anlaufsteuerschaltung für zwei Elektromotoren, wobei der Anlaufstrom der Elektromotoren mittels einer einzigen Widerstandsgruppe begrenzt wird. Die Widerstandsgruppe begrenzt dabei zunächst den Anlaufstrom des zuerst eingeschalteten Motors und anschliessend den Anlaufstrom des später eingeschalteten Motors. Dies erfolgt dadurch, dass die Widerstandsgruppe über ein erstes Schaltschütz in Reihe zum ersten Motor und die Widerstandsgruppe über ein zweites Schaltschütz in Reihe zum zweiten Motor geschaltet ist. Der Reihenschaltung aus der Widerstandsgruppe und dem ersten Schaltschütz ist ein drittes Schaltschütz und der Reihenschaltung aus der Widerstandsgruppe und dem zweiten Schaltschütz ist ein viertes Schaltschütz parallel geschaltet. Beim Einschalten des ersten Motors wird das erste Schaltschütz geschlossen und nach der Anlaufzeit des ersten Motors wird das dritte Schaltschütz geschlossen. Vor dem Einschalten des zweiten Motors wird das erste Schaltschütz geöffnet und zum Einschalten des zweiten Motors wird das zweite Schaltschütz geschlossen, wobei nach der Anlaufzeit des zweiten Motors das vierte Schaltschütz schliesst.

Bei der bekannten Schaltung dürfen das erste und das zweite Schaltschütz nicht gleichzeitig geschlossen sein, da andernfalls ein Kurzschluss auftreten könnte. Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, beispielsweise in Verbindung mit einem Feuerungsautomaten könnte die Sicherheit jedoch dadurch beeinträchtigt werden. Feuerungsautomaten müssen strengen Sicherheitsanforderungen genügen, wie sie beispielsweise in der Norm DIN EN 298 definiert sind. Die Lasten einer Feuerungsanlage, beispielsweise Gebläsemotoren, Zündbausteine oder Brennstoffventile können aufgrund ihres kapazitiven bzw. induktiven Anteils auch bei einer Niederspannungsversorgung hohe Einschalt- bzw. Ausschaltströme, welche zwischen dem Faktor 10–100 über den jeweiligen Nennströmen liegen können, verursachen. Bezüglich Definition und Höhe von Einschaltströmen wird ergänzend auch auf die beiden Normen EN 60947-1 und VDE 0660 verwiesen. Die beim Ein- bzw. Ausschalten der kapazitiven/induktiven Lastkomponenten auftretenden hohen Stromspitzen erfordern im allgemeinen spezielle, teure Schalt- bzw. Lastrelais, um die in der Praxis erforderlichen und normativ geforderten Schaltspiele erfüllen zu können. Da die in Verbindung mit den relevanten Sicherheitsvorschriften geforderten Schaltspiele in den Datenblättern der Relaishersteller im allgemeinen nicht näher spezifiziert sind, muss bei Sicherheitsanwendungen die Qualität der Relais durch zusätzliche aufwändige Tests überprüft werden. Dies ist jedoch teuer.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die unter Vermeidung der genannten Nachteile des Standes der Technik, die infolge der beim Schalten von kapazitiven/induktiven Lastkomponenten dabei auftretenden Stromspitzen mit geringem schaltungstechnischen Aufwand wirksam begrenzt.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit anderen Worten, zeichnet sich die erfindungsgemässe Lösung dadurch aus, dass ein für mehrere Lasten gemeinsamer Strombegrenzer, der vorzugsweise am Eingang der Spannungsversorgung liegt und in Serie zu den Lasten geschaltet ist, sowohl zur Begrenzung der Stromspitzen beim Einschalten als auch zur Begrenzung der Stromspitzen beim Ausschalten der Lasten aktiviert wird, wobei die Strombegrenzung vorzugsweise unmittelbar nach dem Abklingen des Ein- bzw. Ausschaltstromes wieder deaktiviert wird. Die Dauer der Strombegrenzung ist dabei beim Einschalten vom kapazitiven Anteil der Last und beim Ausschalten vom induktiven Anteil der Last abhängig. Vorzugsweise wird zur Steuerung der Aktivierung bzw. Deaktivierung der Strombegrenzung eine Steuereinrichtung, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, verwendet. Die Steuereinrichtung ermöglicht darüberhinaus bei einer stark induktiven Last, wie z.B. einem Zündtrafo, die beim Ein- bzw. Ausschalten der Last auftretenden Stromspitzen durch ein entsprechend phasenselektives Schalten der Last weiterhin zu begrenzen. Eine induktive Last speichert z. B. in ihrem Eisenkreis den zum Zeitpunkt des Ausschaltvorganges vorhandenen Restmagnetismus. Wird nun beim nächsten Einschaltvorgang genau in der um 180° verschobenen Phasenlage wieder eingeschaltet, so sorgt die Induktivität durch den ungesättigten Eisenkreis für eine zusätzliche Begrenzung des Stromes.

Wird der Automat nur für kurze Zeit ausgeschaltet (Netzunterbruch) kann ein erneutes Einschalten in der gleichen Phasenlage bei kapazitiven Lasten eine zusätzliche Entlastung des Kontaktes bringen.

Ein Vorteil der erfindungsgemässen Strombegrenzung besteht darin, dass neben einer einfachen Einschaltstrombegrenzung vor allem auch eine wirksame Ausschaltstrombegrenzung durch die gleiche Schaltung erhalten wird. Dies bietet Kostenvorteile, da zur Verringerung von Flickerstörungen bzw. Netzrückwirkungen, die im allgemeinen dafür vorgesehenen zusätzlichen Entstörmittel (EMV-Module), die zur Einhaltung der normativ festgelegten Elektro-Magnetischen-Verträglichkeit (EMV) notwendig sind, reduziert werden können.

Da die Dimensionierung der Lastrelais für Lasten mit einem cos phi < 1 in der Regel anhand der max. zu erwartenden Ein – bzw. Ausschaltströme erfolgt, können diese Ströme durch die erfindungsgemässe Strombegrenzung reduziert bzw. begrenzt werden, wodurch der Einsatz einfacher Standard-Relais bei gleicher Lebensdauererwartung möglich wird.

Auch können durch die erfindungsgemässe Strombegrenzung preiswertere Printrelais eingesetzt werden, die nicht die speziellen Anforderungen für eine erhöhte Lebensdauer wie sie in speziellen Liefervorschriften definiert sind erfüllen müssen. Die erfindungsgemässe Strombegrenzung verringert auch den Ausschaltlichtbogen über den Relaiskontakten, wodurch der Kontaktabbrand und somit die Lebensdauer der Relais erhöht wird. Die erfindungsgemässe Strombegrenzung ermöglicht, dass mit einfachen Standard-Printrelais auch kapazitive/induktive Lastkomponenten geschaltet werden können, ohne dass hierfür spezielle Schaltschütze oder zusätzliche Kontaktschutzbeschaltungen benötigt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung und sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche

1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Strombegrenzung.

2 zeigt eine Darstellung des Anlaufstromes mit bzw. ohne Strombegrenzung.

Am Eingang der Spannungsversorgung 1, z. B. ein Niederspannungsnetz ist ein Strombegrenzer 2, z. B. in Form eines ohmschen Widerstandes vorgesehen. Der Strombegrenzer liegt in Reihe mit den Lasten 5.15.3. Die Lasten können beispielsweise Gebläsemotoren, Zündtrafos oder Brennstoffventile sein, die kapazitive/induktive Lastkomponenten aufweisen. Parallel zu dem Strombegrenzer 2 ist ein Schalter 3, z. B. ein Halbleiterschalter geschaltet. Die Betätigung des Schalters 3 wird beispielsweise von einer Steuereinrichtung, z. B. einem Mikroprozessor 6 gesteuert. Der Mikroprozessor 6 kann z. B. in einem hier nicht dargestellten Feuerungsautomaten enthalten sein. Den Lasten 5.15.3 sind entsprechende Lastrelais 4.14.3 zugeordnet, mittels derer unter Steuerung des Mikroprozessors 6 die jeweiligen Lasten selektiv zugeschaltet werden können. Das Ein- bzw. Ausschalten der Lasten 5.15.3 erfolgt hierbei zeitlich versetzt zueinander. Der die beim Ein- /Ausschalten einer Last auftretende Stromspitze begrenzende Strombegrenzer 2 wird vom Mikroprozessor 6 so gesteuert, dass der Strombegrenzer nur zum Zeitpunkt des Ein-/Ausschaltens einer Last 5.15.3 mittels des Schalters 3 aktiviert wird. Die Zeitdauer der Strombegrenzung wird vorzugsweise so kurz wie möglich gewählt, d.h. dass nach Abklingen des Ein- bzw. Ausschaltstromes, der Strombegrenzer 2 vom Mikroprozessor 6 mittels des Schalters 3 wieder deaktiviert wird. Die Dauer der Strombegrenzung ist in der Regel beim Einschalten vorwiegend vom kapazitiven Anteil der Last und beim Ausschalten im wesentlichen vom induktiven Anteil der Last abhängig.

Hinsichtlich der Dimensionierung des Strombegrenzers 2 und des zum Strombegrenzer parallel geschalteten Schalters 3 muss folgendes beachtet werden. Der Strombegrenzer sollte vorzugsweise so hochohmig bemessen sein, dass der zulässige Spitzenstrom bei den in Reihe mit den Lasten geschalteten Lastrelais nicht überschritten wird. Andererseits sollte der Strombegrenzer vorzugsweise so niederohmig gewählt werden, dass bei Aktivierung der Strombegrenzung, der durch die Last bereits fliessende Laststrom durch den Strombegrenzer nicht wesentlich reduziert wird. Die Auswahl des Strombegrenzers sollte auch unter Beachtung der maximalen Leistungsaufnahme des Strombegrenzers, die abhängig von der maximalen Schalthäufigkeit der Lasten und der Zeitdauer der Strombegrenzung ist und der Spannungsfestigkeit des Strombegrenzers erfolgen. Die Spannungsfestigkeit sollte vorzugsweise der EMK der ausgeschalteten induktiven Lastkomponente entsprechen, erfahrungsgemäss z. B. 2 KV.

Der Strombegrenzer kann auch als PTC-Widerstand oder einer Kombination aus PTC-Widerstand und ohmschen Widerstand, die z. B. parallel geschaltet sind, ausgeführt sein. Mit einem PTC-Widerstand ist beispielsweise eine Leistungsbegrenzung des Begrenzungswiderstandes bei häufigen Schaltfolgen realisierbar. Es ist jedoch zu beachten, dass bei hohen Taktzyklen ein PTC-Widerstand im Vergleich zum ohmschen Widerstand einen höheren Serienwiderstand und somit auch einen höheren Spannungsabfall bewirkt. Dieser zusätzliche Spannungsabfall kann bei bereits eingeschalteten Lasten ungünstig sein. Dieser Nachteil kann wirkungsvoll durch eine Parallelschaltung aus PCT- und ohmschen Widerstand vermieden werden.

Die Auswahl des Schalters zum Überbrücken des Strombegrenzers sollte unter Beachtung der Höhe des maximalen Ein-/Ausschaltstromes, der Schaltspannung und der maximalen Schalthäufigkeit erfolgen.

Zur Veranschaulichung erfolgt nachfolgend beispielhaft eine Berechnung des maximalen Einschaltstromes mit und ohne einer rein ohmschen Strombegrenzung sowie eine Berechnung der Verlustleistung für den Strombegrenzer. Der Widerstandswert des Strombegrenzers beträgt beispielsweise 10 Ohm und der ohmsche Anteil der Last beträgt z. B. 5 Ohm. Für die Berechnung wird beispielsweise eine Netzspannung von 230 V angenommen. Der maximale Einschaltstrom ohne Strombegrenzung erhält man gemäss der Beziehung Imax = (UNetz·√2)/RLast = 65A.

Den maximalen Einschaltstrom mit Strombegrenzung erhält man gemäss der Beziehung Imax = (UNetz·√2)/(RStrombegrenzer + RLast) = 21,7 A.

Dies zeigt, dass der maximale Einschaltstrom insbesondere bei niederohmigen Lasten durch den Strombegrenzer erheblich reduziert werden kann. Dadurch kann z.B. der Kontaktabbrand, welcher annähernd im Quadrat mit dem Strom während des Schaltvorgangs ansteigt, mehr als halbiert werden, wodurch die Lebensdauer der Relais um ein Vielfaches erhöht werden kann.

Für die Berechnung der Verlustleistung des ohmschen Strombegrenzers wird z. B. eine Impulsdauer tp des offenen Schaltkontaktes von 100 Millisekunden und ein mittlerer Strom Im über die Impulsdauer tp von z. B. 10 A angenommen. Bei einem zyklischen Lastwechsel von z. B. tIw = 60 Sekunden erhält man die Dauerverlustleistung gemäss der Beziehung Pdauer = Im 2·RStrombegrenzer /(tI w / tp) = 1,6 Watt.

In 2 ist beispielsweise der Verlauf des Anlaufstromes IAnlauf mit Strombegrenzung 7 und ohne Strombegrenzung 8 in Abhängigkeit von dem Anlaufwiderstand RAnlauf einer kapazitiven Last dargestellt.


Anspruch[de]
  1. Schaltung zur Begrenzung der beim Schalten von kapazitiven/induktiven Lastkomponenten auftretenden Stromspitzen mit einem Strombegrenzer (2), der in Reihe mit wenigstens einer Last (5.15.3) geschaltet ist und einem zur Überbrückung des Strombegrenzers vorgesehenen Schalter (3), der parallel zum Strombegrenzer (2) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer (2) mittels des Schalters (3) im Zeitpunkt des Ein- und Ausschaltens der Last aktiviert und nach dem Ein- bzw. Ausschalten der Last wieder deaktiviert wird.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung bzw. Deaktivierung des Strombegrenzers (2) und somit die Zeitdauer der Strombegrenzung von einem Mikroprozessor (6) gesteuert wird.
  3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ein- bzw. Ausschalten der Lasten (5.15.3) mit Hilfe von Printrelais (4.14.3) unter Steuerung des Mikroprozessors (6) erfolgt.
  4. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer (2) ein PTC-Widerstand oder eine Kombination aus PTC- und ohmschen Widerstand ist.
  5. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (3) ein Halbleiterschalter ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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