將具有特別高電感的電負載與直流電壓源安全切斷開來的裝置的製作方法

2023-08-02 05:44:36

專利名稱：將具有特別高電感的電負載與直流電壓源安全切斷開來的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種將電負載與電源、例如供電電池安全切斷開來的裝置。電負載可以是用電器，例如是具有高電感的電動機。安全切斷裝置例如在出現故障時需要用來強制停止電負載。例如用來保護人員免受例如電動機類負載所造成的不期望的未加控制的、有時甚至是危險的傷害。由於安全切斷通常要藉助繼電器來執行，因此必須確保繼電器的工作性能。
為安全切斷電負載，迄今為止一直採用特殊的安全繼電器，它具有許多並列的、能強制機械運動的接點組。當其中一接點組用於繼續傳輸或切斷原負載電流時，另一接點組可接受一檢驗電流。通過分析該檢驗電流可測出強制移動接點組是否處於一個期望的或不期望的開關工作狀態，亦即安全繼電器是否工作正常或有缺陷。但這種藉助冗餘接點機械式檢查繼電器的方法十分費力。
本發明的目的在於提供一種切斷裝置，它無需採用特殊的安全繼電器。
本發明的目的可通過權利要求1所述的切斷裝置來實現。本發明的其他有利實施形式由從屬權利要求給出。
本發明的切斷裝置是基於藉助分級的傳統繼電器「受檢冗餘」來保證切斷的安全性。本發明切斷裝置的結構的特別優點在於按照受檢冗餘和分散性的原理可實現安全切斷。由此可放棄採用特殊的安全繼電器。繼電器K1、K2、K3因而可採用簡單的例如通過KFZ領域的大型流水線生產製成的繼電器。這樣的繼電器僅僅具有一組開關接點。
本發明的優點在於通過採用廉價的繼電器就可構成安全的切斷裝置，而這些廉價的繼電器迄今為止還不能用在傳統的安全切斷裝置中。
下面藉助附圖所示實施例對本發明予以詳細說明。


圖1是按照本發明構造的切斷裝置的示例性原理電路圖。切斷裝置接在一電源和一電負載之間。電負載例如是電動機類負載並且是一設備的組成部件。在圖的左側由未詳細示出的電源提供一輸入直流電壓Ue，而在圖的右側由未詳細示出的電負載接收一連接電壓Ua。在切斷裝置未受幹擾正常工作時，輸入直流電壓Ue通過導線L1、L2無變化地一直傳輸到電負載的連接點。此時電負載的連接電壓Ua與輸入直流電壓Ue完全相等。在圖示實施例中，導線L1將輸入直流電壓Ue的電位引至連接電壓Ua的連接點，而導線L2卻具有基準電位，例如地電位。
本發明的切斷裝置在電源一側具有一第一繼電器K1。其接點K11接通輸入直流電壓Ue地連接在導線L1中，在正常工作狀態下該接點閉合。另外，在輸入直流電壓Ue的輸入點和開關接點K11之間有一保險絲S接在導線L1中。在第一繼電器K1之後朝向所連接電負載的方向接有第二繼電器K2。它的開關接點K21接在導線L1和L2之間，並在正常工作時為斷開狀態。
按照本發明的另一個已由圖1示出的設計結構，在第二繼電器K2之後還可連接一第三繼電器K3。它的開關接點K31與開關接點K11串聯地同樣連接在導線L1中，並在正常工作時閉合。在開關接點K31的輸出側最終是用於電負載的連接電壓的電位。
繼電器L1、L2，有時還有L3分別具有一個勵磁繞組K12、K22及K32。由一釋放信號線FS提供的控制電壓Uf施加在這些勵磁繞組上，使得繼電器被激活，它們的開關接點K11、K21以及還有K31處於上述開關位置。繼電器K1、K3因而可以被稱為「常閉接點」，繼電器K2可被稱為「常開接點」。在正常工作狀態下，輸入直流電壓Ue不受切斷裝置影響地進而不受限制地作為連接電壓Ua提供給電負載。
電負載的切斷過程，亦即將負載的連接電壓Ua與電源的輸入直流電壓Ue斷開，在圖示實施例中通過在釋放信號線FS上的控制電壓降Uf來觸發。例如在包含電負載的一設備內所產生的、要求強制切斷電負載的故障由此可被信號化。識別故障的發生和隨後斷開控制電壓Uf例如可通過相應設置在含有電負載的電氣設備內的開關器件或探測器來執行。為了附圖所示實施例更清晰起見，這些元件在圖中並未示出。通過取消控制電壓Uf，繼電器K1、K2以及K3的勵磁繞組K12、K22以及K32上的勵磁電壓也分別降落，使得這些繼電器在切斷過程結束時處於與圖示原理電路圖互補的開關狀態。
本發明切斷裝置的工作方式一方面基於繼電器K1、K2，有時還有附加的繼電器K3在切斷過程中逐漸地過渡到互補的開關狀態。在圖示實施例中，繼電器K1首先斷開開關接點K11。隨後繼電器K2閉合開關接點K21。如果還有附加的繼電器K3存在，則它最後還要斷開接點K31。
為了實現順序激發，根據圖示電路原理圖，在繼電器K1、K2以及K3前面連接有延遲元件K13、K23以及K33，它們分別具有逐步增加的延遲時間。在圖示實施例中，繼電器K1的延遲元件K13具有延遲時間t0，繼電器K2的延遲元件K23具有延遲時間t0+t1，而有時附加的繼電器K3的延遲元件K33具有延遲時間t0+t1+t3。藉助這樣分檔的延遲時間可以使繼電器順序釋放。
實踐已證明，即便沒有分立的延遲元件K1、K23，也完全足以實現所期望的從繼電器K1開始，隨後到K2直至K3的漸進釋放。其緣由在於，一「常閉接點」，亦即繼電器K1作為組成構件所特有的固有開關延遲比一「常開接點」，亦即繼電器K2的固有開關延遲要小一些。通過適當選擇組成構件K1、K2，繼電器K2可以不用任何附加措施就能在時間上後於繼電器K1開關動作。只有在有時附加設有第三繼電器K3時，才設置一分立的附加的延遲元件。該元件例如是一個在阻礙控制電壓Uf的方向上，與勵磁繞組K32並聯的空轉二極體。
比較有利的是，繼電器K1、K2、K3的切斷延遲以簡單方式被動(無源)執行。釋放信號線FS的控制電壓Uf通過耐高壓的二極體來傳輸。其中的一個二極體沿斷開方向失效導致切斷電負載，沿短路方向失效則取消了延遲效果，但不會影響切斷電負載。每個繼電器K1、K2、K3與自身的一空轉二極體連接。比較有利的還可將一電阻與空轉二極體串聯。若電阻較小，則線圈電流由於殘餘磁場的存在還要繼續流動一定時間。若電阻較大，則電流迅速降低，繼電器也迅速釋放。在選擇電阻時，還要考慮繼電器的觸發機構的不同速度。延遲切斷時刻的另一可能性是採用電容。
下面詳細說明藉助本發明的切斷裝置來實施的切斷過程。
在控制電壓Uf下降後，繼電器K1在延遲時間t0過後第一個反應。常閉接點K11斷開並在輸入直流電壓Ue側切斷對有待斷開負載的供電。繼電器K2在延遲時間t0+t1過後第二個反應。常開觸點K21閉合，進而將輸入直流電壓Ue短路。如果繼電器K1沒有先正確地斷開，保險絲S就會熔斷並切斷輸入直流電壓Ue。當為了進一步提高切斷安全性設有第三繼電器K3時，該繼電器在延遲時間t0+t1+t2過後反應。它的常閉接點K31斷開並在有待斷開負載側將電流切斷。
按照本發明的另一實施形式，切斷裝置可具有一附加檢測電路TS。控制電壓Uf通過釋放信號線FS傳輸給該檢測電路。切斷狀態的釋放可以藉助由檢測電路TS分析釋放信號線FS來確定。隨後斷開附加的設置在勵磁繞組K12、K22、K32和導線L2的地電位之間的連接導線K14、K24、K34中的接點S1、S2、S3。由此避免了繼電器K1、K2以及K3無意中的重新接通。
本發明的電路特別適合於安全切斷具有高電感的電負載。作為電負載例如可以是一個由電池，例如一24V額定電壓的鉛蓄電池供電的直流電動機。在強制切斷這種負載時所存在的問題是，在某些故障情形下，由電負載會產生短時間內非常高的電流，這必須由切斷裝置安全切斷。這樣例如由於功率末級(Leistungsendstufe)燒斷，直流電動機會接收特別高的電流。電動機由此獲得的最大加速度代表一個特別危險的運行狀態。通過切斷裝置在任何情形下的安全響應，電動機必須在此情形下強制停車。即便電動機機械阻塞，由於功率末級的過載也會產生特別高的電流。最後例如在直流電動機的功率末級的全橋(Vollbruecken)之內的短路會引起需要強制切斷的大電流。
在切斷開始時，通過繼電器K1首先執行正常的切斷過程，此時必須切斷整個負載電流。如果在此時刻負載電流產生特別高的峰值，則會導致繼電器K1的損壞。但實踐已證明，繼電器K1儘管受損一般仍能到達斷開狀態。
只有在很少的例外情形下，繼電器K1由於受損「粘著」，亦即保持閉合，從而沒有執行所期望的切斷過程。繼電器K1的機械卡鎖也不能完全排除。在繼電器K1失效的情形下，通過另一繼電器K2來安全切斷。該繼電器K2將輸入直流電壓Ue暫時閉合，進而將保險絲S熔斷。由於這一過程只有在繼電器K1失效後才會出現，保險絲S的熔斷使K1的功能故障得以信號化，以便更換保險絲S和繼電器K1來完成修復。通過藉助繼電器K2來將輸入直流電壓短接，明顯提高了切斷裝置的切斷安全性。其緣由在於，因在接通過程中不會產生電弧，藉助具有廉價接點的繼電器K2也可接通很高的電流。因而可接通比用同類接點來斷開的電流大許多倍的電流。另外，在激活繼電器K2時，一般都已存已有較高的負載電流流過的情形。通過閉合作為短路繼電器的繼電器K2，也只會使一更小的附加電流流過繼電器K2，以便將保險絲S熔斷。
本發明的切斷裝置具有高的容錯性，亦即其本身具有抵抗失效的很高安全性，因為除了在正常情形下承擔大部分有待切斷的負載電流的繼電器K1外，出於冗餘備用原因還設有另一繼電器K2。它僅僅在發生故障時才需要，亦即在繼電器K1失效時才需要，而且如上所述，它在斷開過程中不會承受很強的負荷。
按照本發明的另一設計，切斷裝置的可用性，亦即其切斷安全性通過在待切斷負載側串聯連接的第三繼電器K3進一步明顯提高。繼電器K3僅僅在繼電器K1、K2同時失效時才執行切斷過程。實際上並不能排除繼電器K2機械卡鎖或保險絲S例如由於電池提供的輸入直流電壓下降而不會熔斷。在這樣的情形下，由一附加繼電器K3承擔切斷任務。由於在正常情形下，繼電器K1或K2承擔大部分有待切斷的負載電流，第三繼電器K3的接點K31一般不會承受負載並且不必通過斷開來切斷電流。繼電器K3必然比繼電器K1或K2接通明顯更少的負荷，使得其接點損耗，進而其失效概率明顯更低。因此，藉助第三繼電器K3可實現十分安全的切斷。
本發明的切斷裝置通過有利地增加一第三繼電器K3，出色地具有三重切斷冗餘。即便在兩個負載繼電器K1和K2失效時，通過受很少負荷的第三繼電器也幾乎總是能保證切斷。由於用三個繼電器K1、K2和K3可設計出不同的切斷機構，因而還可提高防止設計錯誤的安全性。
若本發明的切斷裝置還具有一檢測電路TS，則在重新接通切斷裝置前還可檢測所有繼電器的功能。
導入接通過程的前提是在連接導線K14、K24、K34中的接點S1、S2和S3打開。此外，在第二繼電器K2和第三繼電器K3之間的導線L1上的電位必須是0V低電位，這可通過一根檢測導線Ps1來探測。最後在釋放信號線上必須有要求接通的有源控制電壓Uf。
下面詳細描述接通過程。
首先閉合檢測電路TS的接點S2。這會激活繼電器K2並使其開關接點K21打開。檢測電路TS嘗試著通過檢測導線Ps1來確定，在第二繼電器K2和第三繼電器K3之間的導線L1上的電位不再是0V低電位，而是高電位。若這一狀態在一定時間後沒有產生，就中斷接通過程並顯示故障。若檢測點1處於24V電位上，那繼電器K1就有缺陷，同樣中斷接通過程。
若在第二繼電器K2和第三繼電器K3之間的導線L1上的電位為高電位，就閉合檢測電路TS的接點S1。這會激活繼電器K1，並使其接點K11閉合。當檢測電路TS通過檢測導線Ps1在短時間後探測到輸入直流電壓Ue的電位，上述接通過程就成功結束。否則中斷接通過程，因為不是繼電器K1，就是繼電器K2有缺陷。
當檢測電路TS通過另一檢測導線Ps2監控到在用於電負載的連接電壓Ua的連接點上有電壓存在，就對有時存在的附加繼電器K3也進行檢驗。若在檢測導線Ps2上同樣存在輸入直流電壓的電位，那繼電器K3就有缺陷，進而中斷接通過程。
在下一步驟中，重新打開接點S1。該步驟用於通過繼電器K1，而不是繼電器K3來執行原有的接通過程。從而確保繼電器K3的接點具有理想的比繼電器K1的接點更長的壽命。
現在閉合開關接點S3，進而接通繼電器K3，亦即閉合其開關接點K31。最後閉合開關接點S1，由此閉合繼電器K1的開關接點K11並向負載供電。
在上述任一狀態下，中斷接通過程會導致在檢測電路TS的釋放信號線FS上的控制信號Uf被中斷。由此重新引入上面已詳細描述過的常規切斷過程。
比較有利的是將檢測電路TS設計成能使上述切斷和接通過程試驗性地按有規律的時間間隔進行。以此方式可以定期檢測所有繼電器K1、K2、K3的工作性能。
權利要求
1．一種高容錯性地將電負載與直流電壓源的輸入直流電壓(Ue)斷開的裝置，其包括a)一引入電位的第一導線(L1)和一引入基準電位、尤其是地電位的第二導線(L2)，它們將輸入直流電壓(Ue)引至用於電負載的連接電壓(Ua)的連接點，b)一保險絲(S)，它在引入輸入直流電壓(Ue)的區域內串聯連接在第一導線(L1)中，c)一第一繼電器(K1)，其開關接點(K11)在保險絲(S)背向輸入直流電壓(Ue)的一側串聯連接在第一導線(L1)中，並在正常工作狀態下閉合，它在觸發切斷過程時被斷開以切斷第一導線(L1)，d)一第二繼電器(K2)，其開關接點(K21)在第一繼電器(K1)的開關接點(K11)背向輸入直流電壓(Ue)的一側並聯連接在第一和第二導線(L1，L2)之間，並且在正常工作狀態下斷開，它在觸發切斷過程時在第一繼電器(K1)的開關接點(K11)斷開後隨即閉合，以便使第一導線(L1)和第二導線(L2)短接。
2．如權利要求1所述的裝置，它具有一第三繼電器(K3)，其開關接點(K31)在第二繼電器(K2)的開關接點(K21)背向輸入直流電壓(Ue)的一側串聯連接在第一導線(L1)中，並且在正常工作狀態下閉合，它在觸發切斷過程時在第二繼電器(K2)的開關接點(K21)閉合後隨即斷開，以便切斷第一導線(L1)。
3．如權利要求1或2所述的裝置，其中所述第一、第二或第三繼電器(K1、K2、K3)可採用具有簡單接點組的商用繼電器。
全文摘要
一種將具有特別高電感的電負載與直流電壓源安全切斷開來的裝置,第一和第二導線(L1、L2)將輸入直流電壓(Ue)引至負載。一保險絲(S)串聯連接在第一導線中。第一繼電器(K1)的開關接點(K11)串聯連接在第一導線中,並在切斷過程中被斷開、第二繼電器(K2)的開關接點(K21)在第一繼電器之後並聯連接在第一導線和第二導線之間,並在切斷過程中,在第一繼電器斷開後隨即閉合。該裝置儘管採用了商業上常用的繼電器,其容錯性卻很大。
文檔編號H02H7/085GK1287702SQ99801974
公開日2001年3月14日 申請日期1999年5月17日 優先權日1998年5月29日
發明者比約恩·馬格努森 申請人:西門子公司