專利名稱：將具有特別高電感的電負(fù)載與直流電壓源安全切斷開來的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將電負(fù)載與電源、例如供電電池安全切斷開來的裝置。電負(fù)載可以是用電器，例如是具有高電感的電動機(jī)。安全切斷裝置例如在出現(xiàn)故障時(shí)需要用來強(qiáng)制停止電負(fù)載。例如用來保護(hù)人員免受例如電動機(jī)類負(fù)載所造成的不期望的未加控制的、有時(shí)甚至是危險(xiǎn)的傷害。由于安全切斷通常要借助繼電器來執(zhí)行，因此必須確保繼電器的工作性能。
為安全切斷電負(fù)載，迄今為止一直采用特殊的安全繼電器，它具有許多并列的、能強(qiáng)制機(jī)械運(yùn)動的接點(diǎn)組。當(dāng)其中一接點(diǎn)組用于繼續(xù)傳輸或切斷原負(fù)載電流時(shí)，另一接點(diǎn)組可接受一檢驗(yàn)電流。通過分析該檢驗(yàn)電流可測出強(qiáng)制移動接點(diǎn)組是否處于一個(gè)期望的或不期望的開關(guān)工作狀態(tài)，亦即安全繼電器是否工作正常或有缺陷。但這種借助冗余接點(diǎn)機(jī)械式檢查繼電器的方法十分費(fèi)力。
本發(fā)明的目的在于提供一種切斷裝置，它無需采用特殊的安全繼電器。
本發(fā)明的目的可通過權(quán)利要求1所述的切斷裝置來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的其他有利實(shí)施形式由從屬權(quán)利要求給出。
本發(fā)明的切斷裝置是基于借助分級的傳統(tǒng)繼電器“受檢冗余”來保證切斷的安全性。本發(fā)明切斷裝置的結(jié)構(gòu)的特別優(yōu)點(diǎn)在于按照受檢冗余和分散性的原理可實(shí)現(xiàn)安全切斷。由此可放棄采用特殊的安全繼電器。繼電器K1、K2、K3因而可采用簡單的例如通過KFZ領(lǐng)域的大型流水線生產(chǎn)制成的繼電器。這樣的繼電器僅僅具有一組開關(guān)接點(diǎn)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過采用廉價(jià)的繼電器就可構(gòu)成安全的切斷裝置，而這些廉價(jià)的繼電器迄今為止還不能用在傳統(tǒng)的安全切斷裝置中。
下面借助附圖所示實(shí)施例對本發(fā)明予以詳細(xì)說明。


圖1是按照本發(fā)明構(gòu)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(fù)載之間。電負(fù)載例如是電動機(jī)類負(fù)載并且是一設(shè)備的組成部件。在圖的左側(cè)由未詳細(xì)示出的電源提供一輸入直流電壓Ue，而在圖的右側(cè)由未詳細(xì)示出的電負(fù)載接收一連接電壓Ua。在切斷裝置未受干擾正常工作時(shí)，輸入直流電壓Ue通過導(dǎo)線L1、L2無變化地一直傳輸?shù)诫娯?fù)載的連接點(diǎn)。此時(shí)電負(fù)載的連接電壓Ua與輸入直流電壓Ue完全相等。在圖示實(shí)施例中，導(dǎo)線L1將輸入直流電壓Ue的電位引至連接電壓Ua的連接點(diǎn)，而導(dǎo)線L2卻具有基準(zhǔn)電位，例如地電位。
本發(fā)明的切斷裝置在電源一側(cè)具有一第一繼電器K1。其接點(diǎn)K11接通輸入直流電壓Ue地連接在導(dǎo)線L1中，在正常工作狀態(tài)下該接點(diǎn)閉合。另外，在輸入直流電壓Ue的輸入點(diǎn)和開關(guān)接點(diǎn)K11之間有一保險(xiǎn)絲S接在導(dǎo)線L1中。在第一繼電器K1之后朝向所連接電負(fù)載的方向接有第二繼電器K2。它的開關(guān)接點(diǎn)K21接在導(dǎo)線L1和L2之間，并在正常工作時(shí)為斷開狀態(tài)。
按照本發(fā)明的另一個(gè)已由圖1示出的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在第二繼電器K2之后還可連接一第三繼電器K3。它的開關(guān)接點(diǎn)K31與開關(guān)接點(diǎn)K11串聯(lián)地同樣連接在導(dǎo)線L1中，并在正常工作時(shí)閉合。在開關(guān)接點(diǎn)K31的輸出側(cè)最終是用于電負(fù)載的連接電壓的電位。
繼電器L1、L2，有時(shí)還有L3分別具有一個(gè)勵(lì)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(lì)磁繞組上，使得繼電器被激活，它們的開關(guān)接點(diǎn)K11、K21以及還有K31處于上述開關(guān)位置。繼電器K1、K3因而可以被稱為“常閉接點(diǎn)”，繼電器K2可被稱為“常開接點(diǎn)”。在正常工作狀態(tài)下，輸入直流電壓Ue不受切斷裝置影響地進(jìn)而不受限制地作為連接電壓Ua提供給電負(fù)載。
電負(fù)載的切斷過程，亦即將負(fù)載的連接電壓Ua與電源的輸入直流電壓Ue斷開，在圖示實(shí)施例中通過在釋放信號線FS上的控制電壓降Uf來觸發(fā)。例如在包含電負(fù)載的一設(shè)備內(nèi)所產(chǎn)生的、要求強(qiáng)制切斷電負(fù)載的故障由此可被信號化。識別故障的發(fā)生和隨后斷開控制電壓Uf例如可通過相應(yīng)設(shè)置在含有電負(fù)載的電氣設(shè)備內(nèi)的開關(guān)器件或探測器來執(zhí)行。為了附圖所示實(shí)施例更清晰起見，這些元件在圖中并未示出。通過取消控制電壓Uf，繼電器K1、K2以及K3的勵(lì)磁繞組K12、K22以及K32上的勵(lì)磁電壓也分別降落，使得這些繼電器在切斷過程結(jié)束時(shí)處于與圖示原理電路圖互補(bǔ)的開關(guān)狀態(tài)。
本發(fā)明切斷裝置的工作方式一方面基于繼電器K1、K2，有時(shí)還有附加的繼電器K3在切斷過程中逐漸地過渡到互補(bǔ)的開關(guān)狀態(tài)。在圖示實(shí)施例中，繼電器K1首先斷開開關(guān)接點(diǎn)K11。隨后繼電器K2閉合開關(guān)接點(diǎn)K21。如果還有附加的繼電器K3存在，則它最后還要斷開接點(diǎn)K31。
為了實(shí)現(xiàn)順序激發(fā)，根據(jù)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(shí)間。在圖示實(shí)施例中，繼電器K1的延遲元件K13具有延遲時(shí)間t0，繼電器K2的延遲元件K23具有延遲時(shí)間t0+t1，而有時(shí)附加的繼電器K3的延遲元件K33具有延遲時(shí)間t0+t1+t3。借助這樣分檔的延遲時(shí)間可以使繼電器順序釋放。
實(shí)踐已證明，即便沒有分立的延遲元件K1、K23，也完全足以實(shí)現(xiàn)所期望的從繼電器K1開始，隨后到K2直至K3的漸進(jìn)釋放。其緣由在于，一“常閉接點(diǎn)”，亦即繼電器K1作為組成構(gòu)件所特有的固有開關(guān)延遲比一“常開接點(diǎn)”，亦即繼電器K2的固有開關(guān)延遲要小一些。通過適當(dāng)選擇組成構(gòu)件K1、K2，繼電器K2可以不用任何附加措施就能在時(shí)間上后于繼電器K1開關(guān)動作。只有在有時(shí)附加設(shè)有第三繼電器K3時(shí)，才設(shè)置一分立的附加的延遲元件。該元件例如是一個(gè)在阻礙控制電壓Uf的方向上，與勵(lì)磁繞組K32并聯(lián)的空轉(zhuǎn)二極管。
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(zhí)行。釋放信號線FS的控制電壓Uf通過耐高壓的二極管來傳輸。其中的一個(gè)二極管沿?cái)嚅_方向失效導(dǎo)致切斷電負(fù)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(fù)載。每個(gè)繼電器K1、K2、K3與自身的一空轉(zhuǎn)二極管連接。比較有利的還可將一電阻與空轉(zhuǎn)二極管串聯(lián)。若電阻較小，則線圈電流由于殘余磁場的存在還要繼續(xù)流動一定時(shí)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(shí)，還要考慮繼電器的觸發(fā)機(jī)構(gòu)的不同速度。延遲切斷時(shí)刻的另一可能性是采用電容。
下面詳細(xì)說明借助本發(fā)明的切斷裝置來實(shí)施的切斷過程。
在控制電壓Uf下降后，繼電器K1在延遲時(shí)間t0過后第一個(gè)反應(yīng)。常閉接點(diǎn)K11斷開并在輸入直流電壓Ue側(cè)切斷對有待斷開負(fù)載的供電。繼電器K2在延遲時(shí)間t0+t1過后第二個(gè)反應(yīng)。常開觸點(diǎn)K21閉合，進(jìn)而將輸入直流電壓Ue短路。如果繼電器K1沒有先正確地?cái)嚅_，保險(xiǎn)絲S就會熔斷并切斷輸入直流電壓Ue。當(dāng)為了進(jìn)一步提高切斷安全性設(shè)有第三繼電器K3時(shí)，該繼電器在延遲時(shí)間t0+t1+t2過后反應(yīng)。它的常閉接點(diǎn)K31斷開并在有待斷開負(fù)載側(cè)將電流切斷。
按照本發(fā)明的另一實(shí)施形式，切斷裝置可具有一附加檢測電路TS?？刂齐妷篣f通過釋放信號線FS傳輸給該檢測電路。切斷狀態(tài)的釋放可以借助由檢測電路TS分析釋放信號線FS來確定。隨后斷開附加的設(shè)置在勵(lì)磁繞組K12、K22、K32和導(dǎo)線L2的地電位之間的連接導(dǎo)線K14、K24、K34中的接點(diǎn)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(fā)明的電路特別適合于安全切斷具有高電感的電負(fù)載。作為電負(fù)載例如可以是一個(gè)由電池，例如一24V額定電壓的鉛蓄電池供電的直流電動機(jī)。在強(qiáng)制切斷這種負(fù)載時(shí)所存在的問題是，在某些故障情形下，由電負(fù)載會產(chǎn)生短時(shí)間內(nèi)非常高的電流，這必須由切斷裝置安全切斷。這樣例如由于功率末級(Leistungsendstufe)燒斷，直流電動機(jī)會接收特別高的電流。電動機(jī)由此獲得的最大加速度代表一個(gè)特別危險(xiǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。通過切斷裝置在任何情形下的安全響應(yīng)，電動機(jī)必須在此情形下強(qiáng)制停車。即便電動機(jī)機(jī)械阻塞，由于功率末級的過載也會產(chǎn)生特別高的電流。最后例如在直流電動機(jī)的功率末級的全橋(Vollbruecken)之內(nèi)的短路會引起需要強(qiáng)制切斷的大電流。
在切斷開始時(shí)，通過繼電器K1首先執(zhí)行正常的切斷過程，此時(shí)必須切斷整個(gè)負(fù)載電流。如果在此時(shí)刻負(fù)載電流產(chǎn)生特別高的峰值，則會導(dǎo)致繼電器K1的損壞。但實(shí)踐已證明，繼電器K1盡管受損一般仍能到達(dá)斷開狀態(tài)。
只有在很少的例外情形下，繼電器K1由于受損“粘著”，亦即保持閉合，從而沒有執(zhí)行所期望的切斷過程。繼電器K1的機(jī)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(shí)閉合，進(jìn)而將保險(xiǎn)絲S熔斷。由于這一過程只有在繼電器K1失效后才會出現(xiàn)，保險(xiǎn)絲S的熔斷使K1的功能故障得以信號化，以便更換保險(xiǎn)絲S和繼電器K1來完成修復(fù)。通過借助繼電器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。其緣由在于，因在接通過程中不會產(chǎn)生電弧，借助具有廉價(jià)接點(diǎn)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(diǎn)來斷開的電流大許多倍的電流。另外，在激活繼電器K2時(shí)，一般都已存已有較高的負(fù)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(xiǎn)絲S熔斷。
本發(fā)明的切斷裝置具有高的容錯(cuò)性，亦即其本身具有抵抗失效的很高安全性，因?yàn)槌嗽谡Ｇ樾蜗鲁袚?dān)大部分有待切斷的負(fù)載電流的繼電器K1外，出于冗余備用原因還設(shè)有另一繼電器K2。它僅僅在發(fā)生故障時(shí)才需要，亦即在繼電器K1失效時(shí)才需要，而且如上所述，它在斷開過程中不會承受很強(qiáng)的負(fù)荷。
按照本發(fā)明的另一設(shè)計(jì)，切斷裝置的可用性，亦即其切斷安全性通過在待切斷負(fù)載側(cè)串聯(lián)連接的第三繼電器K3進(jìn)一步明顯提高。繼電器K3僅僅在繼電器K1、K2同時(shí)失效時(shí)才執(zhí)行切斷過程。實(shí)際上并不能排除繼電器K2機(jī)械卡鎖或保險(xiǎn)絲S例如由于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(dān)切斷任務(wù)。由于在正常情形下，繼電器K1或K2承擔(dān)大部分有待切斷的負(fù)載電流，第三繼電器K3的接點(diǎn)K31一般不會承受負(fù)載并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(fù)荷，使得其接點(diǎn)損耗，進(jìn)而其失效概率明顯更低。因此，借助第三繼電器K3可實(shí)現(xiàn)十分安全的切斷。
本發(fā)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余。即便在兩個(gè)負(fù)載繼電器K1和K2失效時(shí)，通過受很少負(fù)荷的第三繼電器也幾乎總是能保證切斷。由于用三個(gè)繼電器K1、K2和K3可設(shè)計(jì)出不同的切斷機(jī)構(gòu)，因而還可提高防止設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的安全性。
若本發(fā)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(dǎo)入接通過程的前提是在連接導(dǎo)線K14、K24、K34中的接點(diǎn)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(dǎo)線L1上的電位必須是0V低電位，這可通過一根檢測導(dǎo)線Ps1來探測。最后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(xì)描述接通過程。
首先閉合檢測電路TS的接點(diǎn)S2。這會激活繼電器K2并使其開關(guān)接點(diǎn)K21打開。檢測電路TS嘗試著通過檢測導(dǎo)線Ps1來確定，在第二繼電器K2和第三繼電器K3之間的導(dǎo)線L1上的電位不再是0V低電位，而是高電位。若這一狀態(tài)在一定時(shí)間后沒有產(chǎn)生，就中斷接通過程并顯示故障。若檢測點(diǎn)1處于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(dǎo)線L1上的電位為高電位，就閉合檢測電路TS的接點(diǎn)S1。這會激活繼電器K1，并使其接點(diǎn)K11閉合。當(dāng)檢測電路TS通過檢測導(dǎo)線Ps1在短時(shí)間后探測到輸入直流電壓Ue的電位，上述接通過程就成功結(jié)束。否則中斷接通過程，因?yàn)椴皇抢^電器K1，就是繼電器K2有缺陷。
當(dāng)檢測電路TS通過另一檢測導(dǎo)線Ps2監(jiān)控到在用于電負(fù)載的連接電壓Ua的連接點(diǎn)上有電壓存在，就對有時(shí)存在的附加繼電器K3也進(jìn)行檢驗(yàn)。若在檢測導(dǎo)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(jìn)而中斷接通過程。
在下一步驟中，重新打開接點(diǎn)S1。該步驟用于通過繼電器K1，而不是繼電器K3來執(zhí)行原有的接通過程。從而確保繼電器K3的接點(diǎn)具有理想的比繼電器K1的接點(diǎn)更長的壽命。
現(xiàn)在閉合開關(guān)接點(diǎn)S3，進(jìn)而接通繼電器K3，亦即閉合其開關(guān)接點(diǎn)K31。最后閉合開關(guān)接點(diǎn)S1，由此閉合繼電器K1的開關(guān)接點(diǎn)K11并向負(fù)載供電。
在上述任一狀態(tài)下，中斷接通過程會導(dǎo)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(xì)描述過的常規(guī)切斷過程。
比較有利的是將檢測電路TS設(shè)計(jì)成能使上述切斷和接通過程試驗(yàn)性地按有規(guī)律的時(shí)間間隔進(jìn)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(quán)利要求
1．一種高容錯(cuò)性地將電負(fù)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(dǎo)線(L1)和一引入基準(zhǔn)電位、尤其是地電位的第二導(dǎo)線(L2)，它們將輸入直流電壓(Ue)引至用于電負(fù)載的連接電壓(Ua)的連接點(diǎn)，b)一保險(xiǎn)絲(S)，它在引入輸入直流電壓(Ue)的區(qū)域內(nèi)串聯(lián)連接在第一導(dǎo)線(L1)中，c)一第一繼電器(K1)，其開關(guān)接點(diǎn)(K11)在保險(xiǎn)絲(S)背向輸入直流電壓(Ue)的一側(cè)串聯(lián)連接在第一導(dǎo)線(L1)中，并在正常工作狀態(tài)下閉合，它在觸發(fā)切斷過程時(shí)被斷開以切斷第一導(dǎo)線(L1)，d)一第二繼電器(K2)，其開關(guān)接點(diǎn)(K21)在第一繼電器(K1)的開關(guān)接點(diǎn)(K11)背向輸入直流電壓(Ue)的一側(cè)并聯(lián)連接在第一和第二導(dǎo)線(L1，L2)之間，并且在正常工作狀態(tài)下斷開，它在觸發(fā)切斷過程時(shí)在第一繼電器(K1)的開關(guān)接點(diǎn)(K11)斷開后隨即閉合，以便使第一導(dǎo)線(L1)和第二導(dǎo)線(L2)短接。
2．如權(quán)利要求1所述的裝置，它具有一第三繼電器(K3)，其開關(guān)接點(diǎn)(K31)在第二繼電器(K2)的開關(guān)接點(diǎn)(K21)背向輸入直流電壓(Ue)的一側(cè)串聯(lián)連接在第一導(dǎo)線(L1)中，并且在正常工作狀態(tài)下閉合，它在觸發(fā)切斷過程時(shí)在第二繼電器(K2)的開關(guān)接點(diǎn)(K21)閉合后隨即斷開，以便切斷第一導(dǎo)線(L1)。
3．如權(quán)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)可采用具有簡單接點(diǎn)組的商用繼電器。
全文摘要
一種將具有特別高電感的電負(fù)載與直流電壓源安全切斷開來的裝置,第一和第二導(dǎo)線(L1、L2)將輸入直流電壓(Ue)引至負(fù)載。一保險(xiǎn)絲(S)串聯(lián)連接在第一導(dǎo)線中。第一繼電器(K1)的開關(guān)接點(diǎn)(K11)串聯(lián)連接在第一導(dǎo)線中,并在切斷過程中被斷開、第二繼電器(K2)的開關(guān)接點(diǎn)(K21)在第一繼電器之后并聯(lián)連接在第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線之間,并在切斷過程中,在第一繼電器斷開后隨即閉合。該裝置盡管采用了商業(yè)上常用的繼電器,其容錯(cuò)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(yōu)先權(quán)日1998年5月29日
發(fā)明者比約恩·馬格努森 申請人:西門子公司