Mechanischer Schalter

Mechanischer Schalter zum steuerbaren Schließen und Trennen einer elektrischen Verbindung .

Generell ist es für einen elektrischen Schalter, insbesondere Niederspannungsschalter interessant , fortlaufend Informationen über seine voraussichtliche Restlebensdauer zur Verfügung zu stellen . Mit einer solchen Information über den Schalter kann beispielsweise eine Predictive Maintenance-Strategie verfolgt werden . Darunter wird ein proaktiver Wartungsvorgang verstanden, der Zustandsinformationen des Schalters verwendet , um den Wartungsbedarf vorherzusagen . Dadurch wird Betriebs-Störungen präemptiv begegnet und die Wartung selbst ef fi zienter .

Dem steht entgegen, dass aus wirtschaftlichen und technischen Gründen solche Schalter üblicherweise sehr kompakt gebaut werden . Für eine dedi zierte Sensorik steht daher wenig Platz zur Verfügung . Außerdem würden die Sensoren zusätzliche Kosten verursachen, was insbesondere bei kostengünstigen Schaltern im Bereich der Niederspannung nicht in wirtschaftlicher Relation zu den Kosten des Schalters selbst liegt .

Es ist bekannt , die Schaltvorgänge eines Niederspannungsschalters zu zählen, um eine Aussage über seine Restlebensdauer tref fen zu können . In Niederspannungsschaltern gibt es weiterhin die Möglichkeit , die beim Öf fnen des Schalters durch den Schaltlichtbogen fließenden Schaltströme zu erfassen, die dann die Gewichtung eines Schaltspieles ermöglichen . Zusätzlich und für eine genauere Gewichtung kann die Schaltenergie berechnet werden . Diese Methoden liefern aber nur Abschätzungen zur Restlebensdauer , aber keine direkten Aussagen über den aktuellen Zustand des Schalters . Es ist Aufgabe der Erfindung, einen mechanischen Schalter anzugeben, bei dem eine verbesserte Aussage über den Zustand ermöglicht ist .

Diese Aufgabe wird durch einen mechanischen Schalter mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst .

Der erfindungsgemäße mechanische Schalter zum steuerbaren Schließen und Trennen einer elektrischen Verbindung umfasst eine Steuereinrichtung, die ausgestaltet ist , einen Verlauf der Spannung über den Schalter oder einen Verlauf des Stroms durch den Schalter auf zunehmen . Die Steuereinrichtung ist weiterhin ausgestaltet , eines oder mehrere Merkmale eines Einschaltprellens aus dem Spannungsverlauf zu ermitteln und aus diesen Merkmalen einen Zustandsindikator für den Schalter zu berechnen .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zustandsbestimmung für einen mechanischen Schalter zum steuerbaren Schließen und Trennen einer elektrischen Verbindung wird während eines Einschaltvorgangs ein Verlauf der Spannung über den Schalter oder ein Verlauf des Stroms durch den Schalter aufgenommen . Weiterhin wird eines oder mehrere Merkmale eines Einschaltprellens aus dem Verlauf ermittelt und schließlich aus diesen Merkmalen einen Zustandsindikator für den Schalter berechnet .

Vorteilhaft wird durch die Ausgestaltung des Schalters oder das Verfahren erreicht , dass eine Zustandsbestimmung für den Schalter erreicht wird, deren Zuverlässigkeit stets gleichbleibt , da sie auf aktuellen Messwerten basiert . Dadurch können kurz fristig auftretende Störungen erkannt und vor einem Schaltversagen gewarnt werden, was beispielsweise mit dem reinen Zählen von Schaltvorgängen nicht möglich ist . Vorteilhaft werden verschiedene Einflüsse auf das Kontaktprellen erfasst , beispielsweise auch eine Alterung des Antriebssystems .

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schalters gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor . Dabei kann die Aus führungs form der unabhängigen Ansprüche mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden . Insbesondere können die Merkmale aus den Unteransprüchen mit j edem der unabhängigen Ansprüche kombiniert sein . Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden :

Die Merkmale für ein Einschaltprellen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen :

- Eine Anzahl von auf Einschaltprellen zurückzuführenden Spannungspulsen . Dies entspricht der Anzahl von Rückprallvorgängen des Kontakts .

- Eine Dauer von auf Einschaltprellen zurückzuführenden Spannungspulsen .

- Eine Amplitude von auf Einschaltprellen zurückzuführenden Spannungspulsen .

Diese Merkmale erlauben es , die " Schwere" des Einschaltprellens zu quanti fi zieren . Die Merkmale sind dabei nicht notwendigerweise direkt voneinander abhängig, so dass mehr Information dadurch gewonnen werden kann, dass mehr als eines der Merkmale berücksichtigt wird .

Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, eine Fourier- Trans formation, insbesondere eine Fast-Fourier-Trans formation des Spannungsverlaufs im Bereich des Einschaltvorgangs zu bestimmen . Dadurch wird der Spannungsverlauf in den Frequenzraum überführt . Vorteilhaft wird durch die Fourier-Trans formation eine Trennung der beiden Frequenzen der Wechselspannung und des Prellvorgangs erreicht . Dadurch kann der Prellvorgang unabhängig von den Spannungsänderungen betrachtet werden, die auf den Verlauf der Wechselspannung zurückzuführen sind . Auch wird dadurch aus den möglicherweise mehreren Prellvorgängen eine im Wesentlichen einheitliche Größe gewonnen, da die Frequenz der Prellvorgänge durch die mechanischen Komponenten gegeben ist und daher im Wesentlichen konstant ist .

Ein Ansteigen der aus der Fourier-Trans formation ermittelten Leistungsamplitude und/oder ein Sinken der aus der Fourier- Trans formation ermittelten Peak-Frequenz kann als Zustandsindikator verwendet werden . Die Peak-Frequenz bezeichnet dabei die Frequenz mit der höchsten Amplitude im Frequenzbereich der Prellvorgänge . Sinkt diese Frequenz ab, werden die Prellvorgänge langsamer, was für eine Alterung des Schalters spricht .

Der Schalter kann ausgestaltet sein, auch einen Stromverlauf im Bereich eines Einschaltvorgangs auf zunehmen . Dadurch kann auch dieser berücksichtigt werden . Beispielsweise ist es bei Kenntnis des Stromverlaufs einfacher, den Beginn des Einschaltvorgangs zu bestimmen .

Bei Kenntnis des Stromverlaufs kann aus dem Spannungsverlauf und dem Stromverlauf eine im Bereich eines Einschaltvorgangs dissipierte Energie ermittelt werden . Dazu wird zweckmäßig das Produkt aus momentaner Spannung U ( t ) und momentanem Strom I ( t ) integriert über den Zeitraum des Einschaltvorgangs .

Ein Quotient aus der Energie und einem Stromwert bei eingeschaltetem Schalter kann als Zustandsindikator verwendet werden . Dabei kann der Stromwert ein RMS-Stromwert sein oder ein Peak-Stromwert . Der Quotient entspricht einem Produkt aus einer mittleren Prellspannung U _Pr eii und der Gesamtdauer des Prellvorgangs .

Ein neuronales Netzwerk kann verwendet werden, um den Zustandsindikator zu ermitteln . Dabei ist es vorteilhaft , wenn das neuronale Netzwerk mit Daten vorgealterter Schalter trainiert wird . Dazu müssen von vorgealterten Schaltern Spannungsverläufe vorliegen und sich daraus ergebende Zustandsindikatoren . Die einem Schalter und einem Spannungsverlauf zugeordneten Zustandsindikatoren können beispielsweise manuell zugeordnet werden . Das neuronale Netzwerk kann dabei als Eingangsdaten beispielsweise durch die Fourier-Trans formation gewonnene Informationen als Eingangsdaten bekommen, beispielsweise die Lage und/oder Amplitude der Prell frequenz .

Der mechanische Schalter kann zum steuerbaren Schließen und Trennen einer Mehrzahl elektrischer Verbindungen ausgestaltet sein .

Neben einer Auswertung des gemessenen Verlaufs im Schalter selbst können Werte , die den Verlauf repräsentieren, auch vom Schalter zu einem Cloud-Service übermittelt werden und die Ermittlung des Merkmals und die Berechnung des Zustandsindikators werden im Cloud-Service durchgeführt .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele näher beschrieben und erläutert . Es zeigen :

Figur 1 eine einfache beispielhafte Schaltung mit einem Schalter,

Figur 2 den Aufbau eines Schützes als Teil des Schalters ,

Figur 3 einen Spannungs- und Stromverlauf bei einem Einschaltvorgang des Schalters ,

Figur 4 eine Darstellung des Spannungsverlaufs im Frequenzraum .

Figur 1 zeigt ein elektrisches Schaltbild für eine Schaltung, in der ein Schütz 10 zwischen eine Spannungsversorgung 11 und eine Last 12 geschaltet ist . Das Schütz 10 umfasst dabei nur einen Kontakt 14 . In realen Anwendungen umfassen Schütze aber häufig eine Mehrzahl von Kontakten .

Fig . 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Schützes 10 . Das Schütz 10 umfasst in einem Gehäuse 101 einen festen magnetischen Kern 102 und einen beweglichen Anker 103 . Der feste magnetische Kern 102 und der beweglich Anker 103 sind beispielsweise ausgestaltet in der Form eines Buchstaben E , wobei die Jochseiten einander abgewandt sind . Über den mittleren Arm der beiden E-Formen ist eine Spule 104 angeordnet , wobei die Spule 104 zusammen mit dem festen magnetische Kern

102 orts fest zum Gehäuse 101 ist . Die Spule 104 ist nach außen mit elektrischen Steuerkontakten verbunden, mit denen die Spule 104 bestromt werden kann .

Der feste magnetische Kern 102 und der bewegliche Anker 103 sind durch Rückstell federn 106 mechanisch verbunden und werden durch diese auseinandergedrückt . Wird die Spule 104 mit Strom versorgt , dann wird der bewegliche Anker 103 zum festen magnetische Kern 102 hingezogen . Wird der Strom durch die Spule 104 abgeschaltet , entfällt die anziehende Kraft und die Rückstell federn 106 drücken den beweglichen Anker 103 wieder vom festen magnetische Kern 102 weg .

Der bewegliche Anker 103 ist über eine mechanische Halterung 107 mit einer Kontaktbrücke 109 verbunden, die bei Bewegung des beweglichen Ankers 103 mitbewegt wird . Entsprechende Schließerkontakte 110 , 111 sind so angeordnet , dass die Kontaktbrücke 109 im angezogenen Zustand des beweglichen Ankers

103 eine elektrische Verbindung herstellt und im Ruhezustand, d . h . wenn die Spule 104 nicht unter Strom steht , so beab- standet ist von den Schließerkontakten 110 , 111 , dass keine elektrische Verbindung vorliegt .

Da das Schließen des Kontakts 14 durch die Bewegung des beweglichen Ankers 103 durch eine beschleunigte mechanische Bewegung erfolgt , kann ein Kontaktprellen erfolgen, bei dem die Kontaktbrücke 109 oder Teile davon von den Schließerkontakten 110 , 111 abprallen oder zurückfedern . Dadurch wird der mechanische Kontakt kurz zeitig einmalig oder mehrfach unterbrochen . Der elektrische Kontakt wird dadurch nicht vollständig unterbrochen, da ein Lichtbogen einen Stromfluss für die kurze Zeit des Prellens aufrechterhält .

Dieser Lichtbogen bewirkt eine Alterung des Kontaktsystems und kann im schlimmsten Fall die Kontakte sogar verschweißen . Daher wird der Kraft-Weg-Verlauf beim Schließen des Kontakts 14 so gestaltet , dass bei einem neuen Schütz 10 praktisch kein Prellen auftritt oder das Prellen auf ein Minimum reduziert ist . Kontaktabbrand führt aber dazu, dass ein Prellen mit zunehmender Alterung des Schalters 20 häufiger auftritt und Prellereignisse intensiver werden .

Das Einschaltprellen lässt sich anhand der Strom- und Spannungswerte über bzw . im Kontakt nachvoll ziehen . Der Schalter 20 ist ausgestaltet , einen Spannungsverlauf und einen Stromverlauf über einen Einschaltvorgang hinweg auf zunehmen . Ein Beispiel für sich ergebende Verläufe ist in Figur 3 dargestellt .

Vor einem Einschaltzeitpunkt tl zeigt die Spannung 31 einen kurvenartigen Verlauf , der einem Ausschnitt einer Sinuswelle entspricht . Da der Kontakt 14 des Schützes 10 zu dieser Zeit geöf fnet ist , entspricht die Spannung über den Kontakt der von der Spannungsversorgung 11 bereitgestellten Wechselspannung . Der Strom 32 vor dem Zeitpunkt tl ist 0 , da kein Strom durch den geöf fneten Kontakt 14 fließen kann .

Beim Zeitpunkt tl wird der Kontakt 14 geschlossen, also eingeschaltet . Um diesen Zeitpunkt herum fällt daher die Spannung über den Kontakt 14 rapide auf 0 V ab . Im selben Zeitraum steigt der Strom 32 an; sofern kein Einschaltprellen auftritt , steigt der Strom 32 dabei auf einen durch die Spannungsversorgung 11 und die Last 12 vorgegebenen Wert oder - im Falle einer AC-Spannung - Verlauf .

In diesem Fall liegt aber ein Einschaltprellen vor, was sich darin äußert , dass zu einem Zeitpunkt t2 die Spannung 31 wieder ansteigt und der Strom 32 etwas abfällt . Da der Kontakt 14 nach dem Zurückprallen schnell wieder geschlossen wird, fällt daraufhin die Spannung schnell wieder ab und der Strom steigt erneut an . Figur 3 zeigt danach ein weiteres Prellen, bis dann zum Zeitpunkt t3 der Kontakt 14 endgültig schließt . Ein einfaches Maß für das Kontaktprellen ist die während des Schaltvorgangs dissipierte Energie . Diese ergibt sich aus dem Integral über dem Produkt aus Strom 32 und Spannung 31 , also

Wobei U ( t ) die momentane Spannung 32 über den Kontakt 14 und I ( t ) der momentane Strom 31 durch den Kontakt 14 ist . Die Integrationsgrenzen tl und t3 können dabei aus Strom und Spannung 31 , 32 bestimmt werden; sie müssen aber nicht sehr genau bestimmt sein, da vor dem Einschalten der Strom 0 A ist und nach dem Einschalten die Spannung nahezu 0 V ist , sodass außerhalb des Schalt Zeitraums kaum Beiträge zum Integral entstehen .

Die Werte der Strom- und Spannungsmessung sollten mit einer Frequenz von wenigstens 1 kHz , besser 10 kHz oder mehr aufgenommen werden, also mit einer Zeitauflösung von 0 , 1 ms oder höher . Sowohl Multiplikation als auch Integration lässt sich sowohl mit elektronischen Mitteln als auch digital oder durch eine Kombination von beidem durchführen .

In einem nahezu prell freien Schalter ist die dissipierte Energie nicht 0 J, sondern hat einen endlichen Wert . Dieser Wert kann für das Schütz 10 bestimmt werden, wenn das Schütz 10 noch neuwertig ist und daher typischerweise wenig Kontaktprellen aufweist . Der so bestimmte Wert kann als Referenzwert dienen, um mit späteren Messungen durch Vergleich mit dem Referenzwert ein absolutes Maß für den Zustand des Schützes 10 zu bekommen .

Neben der Auswertung der Schaltenergie kann das Prellen auch ausgewertet werden, in dem der Verlauf von Spannung oder Strom 31 , 32 näher untersucht wird . Beide Verläufe ergeben sich als Mischung aus dem Verlauf der Spannung im of fenen Zustand, also bei einer Wechselspannung einem Sinusverlauf , dem endlich schnellen Einschaltvorgang, in dem j eweils mit endlicher Geschwindigkeit der Strom 32 ansteigt und die Spannung 31 abfällt und den Schwingungen, die durch das Einschaltprellen bewirkt werden . Ein solcher Verlauf ist in Figur 3 gezeigt . Um eine sichere Trennung der Einflüsse auf das Signal zu bewirken, wird vorteilhaft eine Fourier-Trans formation vorgenommen, insbesondere eine Fast-Fourier-Trans formation ( FFT ) . Ein möglicher sich ergebender Verlauf der Amplitude 41 über der Frequenz ist stark vereinfachend in Figur 4 gezeigt .

Neben einem ersten Peak nahe der Frequenz f = 0 ergibt sich dabei ein zweiter Peak bei einer Frequenz f2 . Die Frequenz f2 ist die Frequenz der Wechselspannung, also beispielsweise 50 Hz . Dieser Anteil des Signals ist für die Auswertung des Kontaktprellens unerheblich und wird durch die Trans formation in den Frequenzraum vorteilhaft vom Kontaktprellen separiert . Das Signal des Kontaktprellens erscheint um eine dritte Frequenz f3 . Dieser Peak ist verwaschen, da das Kontaktprellen deutlich von einer Sinus-Schwingung abweicht . Es ergeben sich dadurch auch erhebliche Frequenzanteile bei Viel fachen der dritten Frequenz f3 , die aber in Figur 4 nicht dargestellt sind . Diese müssen nicht , können aber zusätzlich zum Peak bei der dritten Frequenz f3 ausgewertet werden .

Als Maße für den Zustand des Schützes können beispielsweise die Amplitude bei der dritten Frequenz f3 oder die maximale Amplitude in dem Bereich um die dritte Frequenz f3 und/oder die Größe der Frequenz f3 selbst verwendet werden . Eine Erhöhung der Amplitude und ein Sinken der Frequenz f3 deuten beide auf ein stärker werdendes Kontaktprellen hin . Neben dieser relativen Betrachtung können beide Werte auch als absolute Maße für den Zustand des Schützes 10 gewertet werden, indem ein Vergleich mit denselben Werten für solche Schütze angestellt wird, die bereits im Einsatz waren oder künstlich gealtert sind und für die eine Zustandsbewertung vorliegt . Um für ein konkretes Schaltermodell den Zusammenhang zwischen Prellsignalen und Zustand herzustellen, können auch Kl- Methoden wie Neuronale Netzwerke verwendet werden, die mit künstlich gealterten Schaltern angelernt werden . Um die beschriebenen Auswertungen durchführen zu können, umfasst das Schütz eine Einrichtung zur Messung von Spannung und Strom über bzw . durch den Kontakt 14 . Die beschriebenen Auswertungen können dabei lokal beim Schütz 10 selbst durch- geführt werden, wobei dafür das Schütz 10 einen Mikrocontroller umfasst . In alternativen Ausgestaltungen kann das Schütz oder ein das Schütz 10 umfassender Schalter auch eine Verbindung zu einem Cloud-Service aufweisen und Messwerte für Strom 32 und/oder Spannung 31 zu dem Cloud-Service übertragen, wo- bei dann die Auswertung beim Cloud-Service durchgeführt wird .

Be zugs Zeichen

10 Schütz

11 Spannungsversorgung

12 Last

14 Kontakt

20 Schalter

21 Mikrocontroller

101 Gehäuse

102 fester magnetischen Kern

103 beweglicher Anker

104 Spule

106 Rückstell federn

107 mechanische Halterung

109 Kontaktbrücke

110 , 111 Schließerkontakte tl , t2 , t3 Zeitpunkte f2 , f3 Frequenzen