CN104603899A - 用于控制连接在下游的电机的能量供给的开关设备 - Google Patents

用于控制连接在下游的电机的能量供给的开关设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种开关设备(1)，其包括控制单元(2)、供电接头(7)和第一电流路径(15)，其中，第一电流路径(15)包括机电的第一开关(11)和机电的第二开关(13)与半导体开关(12)的并联电路，该并联电路与第一开关(11)串联。为了提供具有增多的操作循环数量的开关设备(1)而提出，开关设备(1)包括蓄能器(6)和测量装置(8)，其中控制单元(2)能够借助测量装置(8)监控通过供电接头(7)进行的能量供给，其中，控制单元(2)设计为，一旦通过供电接头(7)进行的能量供给落入到临界区域中，则控制单元借助蓄能器(6)的能量控制接通信号的输出，使得：-在第一步骤中导电地连接半导体开关(12)并且接下来断开第二开关(13)，-在第一步骤之后，在第二步骤中不导电地连接半导体开关(12)并且接下来断开第一开关(11)。

Description

用于控制连接在下游的电机的能量供给的开关设备
技术领域
本发明涉及一种开关设备以及用于开关设备的方法。根据本发明的开关设备特别地应用于工业自动化技术的范围内。特别地，该开关设备是电机启动器。
背景技术
借助开关设备能够控制连接在开关设备下游的电机。为此，通过开关设备为连接在开关设备下游的电机实施能量供给，从而使电机与供电网连接。特别地，供电网是工业设施的低压电网(例如三相的、400伏特、50赫兹)。
为了控制连接在下游的电机的能量供给，开关设备包括控制单元和第一电流路径。通过第一电流路径，将供电网的第一相引向连接在下游的电机。该第一电流路径包括机电的第一开关和机电的第二开关与半导体开关的并联电路，该并联电路与第一开关串联。控制单元能够输出用于第一开关、第二开关和半导体开关的接通信号并由此控制开关的所期望的开关状态。特别地，第一和第二开关是常开触头，其在存在控制单元的接通信号时保持闭合的开关状态。如果切断第一或第二开关的接通信号，那么开关基于复位力(例如作用到开关的触点上的弹簧力)而自动地采取断开状态。特别地，此类开关是继电器。在存在控制单元的接通信号时，半导体开关优选地采取导电的状态。
开关设备包括供电接头，通过该供电接头，控制单元能够获得用于接通信号的能量。通常，分散的电源借助导线与开关设备的供电接头连接，从而在开关设备的有效运行时通过供电接头来施加供电电压。开关设备通过供电接头获得对于接通信号来说必需的能量。优选地，开关设备的所有在设备内部的能量供给都通过开关设备的供电接头来获得。
优选地应用开关设备，以接通和断开三相电机和单相交流电机并且防止电机过载。优选地，开关设备同样能够应用在安全应用中。在这种情况中，必须保障安全地断开电机。
在具有紧急断开连接在开关设备下游的电机的功能的开关设备中，可行的断开原理是，借助中间连接在电源和供电接头之间的供电线路中的开关设备(例如紧急停机开关设备)来切断开关设备的供电电压。由功能所决定，由于断开供电电压，开关设备的机电开关自动地进入到断开状态中(即开关是断开的)。以这种方式，在断开供电电压时切断了通过开关设备引向电机的能量输送，从而使得电机安全地断开。通过断开电源并自动地断开开关，在开关处形成开断电弧，其导致了在开关处的强烈磨损，从而使得开关设备中的这种操作循环的数量通常是受限的。
发明内容
本发明的基于以下目的，提供一种开关设备，其特别地在基于切断在供电接头处的供电电压的开关过程方面具有增多的操作循环数量。特别地，该开关设备应该保障安全地断开连接在开关设备下游的电机。
该目的通过根据权利要求1所述的装置来实现，即通过一种开关设备来实现，其具有控制单元、供电接头和第一电流路径，第一电流路径包括机电的第一开关和机电的第二开关与半导体开关的并联电路，该并联电路与第一开关串联，其中，控制单元能够输出用于第一开关、第二开关和半导体开关的接通信号，其中，第一和第二开关在存在接通信号时保持闭合的开关状态，其中，控制单元能够通过供电接头获得用于接通信号的能量，其中，开关设备包括蓄能器和测量装置，其中控制单元能够借助测量装置监控通过供电接头进行的能量供给，其中，控制单元如下地设计成，一旦通过供电接头进行的能量供给落入到临界区域中，则控制单元借助蓄能器的能量如下地控制接通信号的输出，使得在第一步骤中导电地连接半导体开关并且接下来断开第二开关，在第一步骤之后，在第二步骤中不导电地连接半导体开关并且接下来断开第一开关，并且该目的通过根据权利要求7所述的方法，即通过用于开关设备的方法来实现，开关设备包括控制单元、供电接头和第一电流路径，其中，第一电流路径包括机电的第一开关和机电的第二开关与半导体开关的并联电路，该并联电路与第一开关串联，其中，控制单元能够输出用于第一开关、第二开关和半导体开关的接通信号，其中，第一和第二开关在存在接通信号时保持闭合的开关状态，其中，控制单元通过供电接头获得用于接通信号的能量，其中，开关设备包括蓄能器和测量装置，其中控制单元借助测量装置监控通过供电接头进行的能量供给，其中，当通过供电接头进行的能量供给落入到临界区域中，则控制单元借助蓄能器的能量如下地控制接通信号的输出，使得：
-在第一步骤中导电地连接半导体开关并且接下来断开第二开关，
-在第一步骤之后，在第二步骤中不导电地连接半导体开关并且接下来断开第一开关。
本发明的有利的改进方案在从属权利要求2至6以及8中给出。
在连接在开关设备下游的电机的有效运行中，通过第一电流路径实现对电机的能量供给。
在存在接通信号时，第一和第二开关采取闭合的开关状态。如果切断在第一和/或第二开关处的接通信号；即在开关处没有施加接通信号，则相应的开关自动地采取断开的开关状态。在有接通信号时，在开关的控制电流回路上施加有电压，特别是大约12伏特。在没有接通信号时，在开关的控制电流回路上没有施加电压。
特别地，控制单元能够借助测量装置监控通过供电接头进行的用于接通信号的能量供给。
通过借助测量装置监控通过供电接头进行的能量供给，在供电电压下降到优选地存储在控制单元或者测量装置中的临界区域中时，能够实现调节地切断通过电流路径进行的对连接在下游的电机的能量供给。
临界区域优选借助基准值与根据规定的区域分开，在根据规定的区域中存在通过供电接头的根据规定的能量供给。因此，基准值是阈值或者阈值区域。特别地，基准值如下地测定，即一旦超过该基准值，则通过供电接头实现充足的能量供给，从而保障了借助控制单元的根据规定的接通信号输出，并且一旦低于该基准值，则通过供电接头实现以下能量供给，其危害了、特别地不能实现借助控制单元的根据规定的接通信号输出。
特别地，临界区域表征了在供电接头处的电压范围，其处于在供电接头处应接入的最大允许电压的最多约70％、优选地约50％之下。
特别地，测量装置是用于测量施加在供电接头处的供电电压的装置，从而控制单元能够借助测量装置监控施加到供电接头上的供电电压。特别地，借助测量装置的测量在供电接头的连接点和蓄能器之间进行。
控制单元本身能够包括蓄能器。
优选地，通过供电接头仅仅实现开关设备的设备内部的能量供给。
优选地，在按规定地运行开关设备时，在供电接头处大约施加24伏特。
优选地，半导体开关是三端双向可控硅开关元件(Triac)或者两个反并联连接的晶体闸流管。
如果借助测量件探测到临界的能量供给，则借助控制单元如此地进行操控，使得在第一步骤中导电地连接半导体开关并且在闭合半导体开关后断开第二开关。在第一步骤中，第一开关保持闭合。在第二步骤中，首先不导电地连接半导体开关并且接下来断开第一开关。控制单元从蓄能器获得必要的能量，以输出用于第一和第二步骤的必要的控制信号。
利用本发明实现的优点在于，利用在开关设备中的很小的附加硬件耗费就能够实现改善的开关特性。特别是在于供电接头上紧急断开的方面，能够为开关设备实现增多的操作循环数量。通常由于断开在开关处的供电电压而导致的磨损能够通过受控的断开来防止。为此所必需的用于接通信号的能量通过蓄能器来提供。
在本发明的有利的实施方式中，蓄能器能够通过供电接头来充电。优选地，蓄能器包括至少一个电容器，其与供电接头导电地相连。
在本发明的另外的有利的实施方式中，如下地设计蓄能器，使得其保障了用于第一和第二步骤的必要的接通信号的输出。
在本发明的另外的有利的实施方式中，开关设备包括第二电流路径，该第二电流路径包括机电的第一开关和机电的第二开关与半导体开关的并联电路，该并联电路与第一开关串联，其中，控制单元能够输出用于第二电流路径的第一开关、第二开关和半导体开关的接通信号，其中，第二电流路径的第一和第二开关在存在接通信号时保持闭合的开关状态，其中，控制单元如下地设计为，一旦通过供电接头进行的能量供给落入到临界区域中，则控制单元借助蓄能器的能量如下地控制接通信号的输出，使得：
-在第一步骤中导电地连接第二电流路径的半导体开关，并且接下来断开第二电流路径的第二开关，
-在第一步骤之后，在第二步骤中不导电地连接第二电流路径的半导体开关，并且接下来断开第二电流路径的第一开关。
优选地，对第二导电路径的借助控制单元的操控与第一电流路径类似地进行。第二电流路径能够与第一电流路径类似地设计。
此外，开关设备能够包括第三电流路径。在此，第三电流路径能够与第一和第二电流路径类似地设计。对第三电流路径的操控同样能够以类似于第一电流路径的方式来实现。
在本发明的另外的有利的实施方式中，如下地设计控制单元，使得控制单元在第二步骤中使得在电流过零时的、在半导体开关上实现有能量输送时的半导体开关切换到不导电的状态中。
在本发明的另外的有利的实施方式中，用于安全地运行电机的***包括所述的开关设备、电源和另外的开关设备，其中另外的开关设备如下地中间连接在从电源至开关设备的供电接口的供电线路中，使得通过操作另外的开关设备中断通过电源进行的对开关设备的能量供给。
附图说明
下面根据图中示出的实施例详细地说明并阐述本发明和本发明的设计方案。
具体实施方式
附图示出了用于安全地运行电机5的***的示意图。该***包括供电网9，电机5、开关设备1、电源50和紧急停机开关设备40。
开关设备1利用其在输入侧的三个连接点3与供电网9相连，并且利用其在输出侧的三个连接点4与电机5相连。电机5是异步电机。供电网9是工业低压开关装置的三相交流电网。开关设备1是电机启动器1，借助电机启动器能够控制对连接在下游的电机5的能量供给。
供电网9的第一相10借助导线与输入侧的连接点3相连，并且通过电机启动器1的第一电流路径15在设备内部引向输出侧的连接点4，并且接下来借助另外的导线引向电机5。电机启动器1的第一电流路径15在设备内部使得电机启动器1的输入侧的连接点3与电机启动器1的输出侧的连接点4相连。第一电流路径15包括机电的第一开关11、在此是三端双向可控硅开关元件的半导体开关12、和机电的第二开关13。半导体开关12与第二开关13的并联电路和第一开关11串联。接下来，通过第一电流路径15将供电网9的第一相10引向电机5。
供电网9的第二相20借助导线与输入侧的连接点3相连，并且通过电机启动器1的第二电流路径25在设备内部引向输出侧的连接点4，并且接下来借助另外的电线引向电机5。电机启动器1的第二电流路径25在设备内部使得电机启动器1的输入侧的连接点3与电机启动器1的输出侧的连接点4相连。第二电流路径25包括机电的第一开关21、在此是三端双向可控硅开关元件的半导体开关22、和机电的第二开关23。半导体开关22与第二开关23的并联电路和第一开关21串联。接下来，通过第二电流路径25将供电网9的第二相20引向电机5。
供电网9的第三相30借助导线与输入侧的连接点3相连，并且通过电机启动器1的第三电流路径35在设备内部引向输出侧的连接点4，并且接下来借助另外的导线引向电机5。电机启动器1的第三电流路径35在设备内部使得电机启动器1的输入侧的连接点3与电机启动器1的输出侧的连接点4相连。所描述的电机启动器1是2相受控的电机启动器1，从而第三电流路径形成了在输入侧和输出侧的连接点3，4之间的持久的在设备内部的电接触。然而同样能够设想，第三电流路径35同样包括至少一个开关或者与电机启动器1的第一和/或第二电流路径15，25相类似地来设计。
电机启动器1包括控制单元2，借助控制单元来控制机电开关11，13，21，23和半导体开关12，22的开关位置。为此，控制单元2能够将接通信号输出到开关11，12，13，21，22，23处。通过接通信号在开关11，12，13，21，22，23处施加了电压。机电开关11，13，21，23加载有弹簧力，从而为了保持闭合位置必须利用接通信号来操控这些机电开关，因为否则机电开关自动地采取断开的开关状态。也就是说，一旦在机电开关11，13，21，23处去除接通信号，则开关自动地采取断开的开关位置。借助控制单元2能够使相应的半导体开关12，22切换到导电的状态和不导电的状态中(闭塞状态)。在半导体开关12，22的不导电状态中，停止了在半导体开关12，22上的能量传输。
机电的第一开关13，23是第一继电器的常开触点。机电的第二开关11，21是第二继电器的常开触点。然而同样能够设想，各个开关或者仅仅第一或第二开关11，13，21，23借助单独的继电器来操控。
电机启动器1通过其供电接头7来获取设备内部的能量供给。为此，供电接头7借助第二导体与电源50相连，电源提供了例如大约24伏特。因此，在存在通向电源7的导电连接时，在供电接头7处施加了大约24伏特的供电电压。借助通过供电接头7获得的电能，控制单元2能够将必要的接通信号输出到相应的开关11，12，13，21，22，23处。
在电机启动器的内部，供电接头7与控制单元2相连，从而使控制单元2能够由此获得用于接通信号的电能。电器启动器1还包括蓄能器6，其同样在设备内部与供电接头7相连并且能够为控制单元2提供用于接通信号的能量。蓄能器6是通过供电接头7充电的电容器。
在供电接头7和蓄能器6之间布置有电机启动器1的测量装置8，借助该测量装置能够测定施加在供电接头7处的供电电压。因此，控制单元2能够借助测量单元8监控通过供电接头7进行的对控制单元的能量供给。
在此，借助测量装置8测定的供电电压与存储在测量装置8中的基准值相比较。如果测定的供电电压处于基准值之上，则通过供电接头7实现了充足的能量供给，从而保障了借助控制单元2的根据规定的接通信号输出。然而，如果低于基准值，则通过供电接头7实现了以下能量供给，其危害了借助控制单元2的根据规定的接通信号输出。因此，通过供电接头7进行的能量供给处于临界区域中。
通过基准值形成的、与所监控的供电电压相关的阈值是在供电接头7处应接入的最大允许电压的50％。如果借助测量装置8的对供电电压的监控得出，在供电接头7处施加了低于在供电接头处应接入的最大允许电压的50％的供电电压，那么能量供给就处于临界区域中。如果存在这种状态，那么测量装置8将警报信号输出到控制单元2处。
在电源50和电机启动器1之间如下地布置紧急停机开关设备40，使得其能够中断通过两个导体实现的对电机启动器1的能量供给。紧急停机开关设备40为此相应地包括两个开关件，其分别能够中断传导。
只要在供电接头7处施加了按规定的供电电压，电机启动器1能够为连接在下游的电机5建立能量供给。因此，借助测量装置8测定的供给电压不处于临界区域中。
如果运行的电机5处于标准工作状态中，那么第一开关11，21在电机启动器1的内部是闭合的，半导体开关12，22不导电地连接并且第二开关13，23闭合。
连接在电机启动器1下游的电机5的可行的断开原理是，电机启动器1的供电电压借助中间连接在电源50和供电接头7之间的供电线路中的紧急停机开关设备40来切断。为此，操作紧急停机开关设备40，以断开其开关件中的至少一个。
如果对紧急停机开关设备40进行了此类操作，那么在供电接头7上没有施加电压。因此，在供电接头7处的供电电压落入到临界区域中。因为控制单元2借助测量装置8监控了通过供电接头7进行的能量供给，所以识别出与通过供电接头7进行的能量供给相关的此类状态转换。
为此，控制单元2自动地执行了对连接在下游的电机5的受调节的断开。用于输出必要的接通信号的能量在此由蓄能器6获得。
在第一步骤中，通过控制单元2将半导体开关12，22切换到导电状态中。此外，第一开关11，21借助控制单元2的接通信号来操控，从而使其停留在闭合位置中。由功能所决定，通过断开在第一继电器处的接通信号，第二开关13，23自动地进入到断开状态中。因此，电机5的能量供给继续通过电机启动器1来实现。控制单元2从蓄能器6中获得用于在第一步骤期间应输出的接通信号(半导体开关12，22和第一开关11，21)的能量。
在第一步骤之后的第二步骤中，通过控制单元2将在电流过零时的半导体开关12，22切换到不导电的状态中。由此实现了无电弧地中断在第一和第二电流路径15，25上的能量供给。在确保了第二开关13，23是断开的之后，立即实现该切换过程。一旦中断了在半导体开关12，22上的能量供给，则中断了通向连接在下游的电机5的能量供给。在确保了中断在半导体开关12，22上的能量供给之后，第二继电器的且进而第一继电器11，21的接通信号被断开。由功能决定的，通过断开在第二继电器处的接通信号，第一开关11，21自动地进入到断开状态中。因此，第一开关11，21无电流地断开。控制单元2从蓄能器6中获得用于在第二步骤期间要输出的接通信号的能量。
通过在蓄能器6中充足安排地缓存供电电压并且内部监控了施加在供电接头7处的供电电压，在断开供电电压时能够实现对通向连接在下游的电机5的能量供给的所定义的中断，而不会在开关11，13，21，23处产生电弧。
如果通过降低或者断开供电电压使得由检测件8检测到的供电电压下降得低于预设的阈值(基准值)，那么将警报信号输出到控制单元2处。这无延迟地引起了电机5的所定义的断开。所定义的断开优选地相应于以下断开过程，开关设备1在正常的断开过程时(通过控制输入符合技术条件地断开电机5)通过控制单元2执行该断开过程。
蓄能器6的缓冲如下地设计，即提供足够的能量以操控开关11，12，13，21，22，23直至断开过程结束。以这种方式，即使在紧急断开时也能够执行常规的断开过程，而不会使机械开关11，13，21，23附加地加载。因此，在通过断开供应电压来实现的紧急停机时实现了无磨损的断开。通过在无磨损的半导体上的所定义的断开过程和用于持续该断开过程的对供电电压的缓冲，能够实现机械开关11，13，21，23的且进而开关设备1整体的明显提高的寿命。

Claims (8)

1.一种开关设备(1)，具有控制单元(2)、供电接头(7)和第一电流路径(15)，所述第一电流路径包括机电的第一开关(11)和机电的第二开关(13)与半导体开关(12)的并联电路，所述并联电路与所述第一开关(11)串联，其中，所述控制单元(2)能够输出用于所述第一开关(11)、所述第二开关(13)和所述半导体开关(12)的接通信号，其中，所述第一开关和所述第二开关(11，13)在存在接通信号时保持闭合的开关状态，其中，所述控制单元(2)能通过所述供电接头(7)获得用于所述接通信号的能量，其特征在于，所述开关设备(1)包括蓄能器(6)和测量装置(8)，其中所述控制单元(2)能够借助所述测量装置(8)监控通过所述供电接头(7)进行的能量供给，其中，所述控制单元(2)设计为，一旦通过所述供电接头(7)进行的所述能量供给落入到临界区域中，则所述控制单元借助所述蓄能器(6)的所述能量控制所述接通信号的输出，使得：
-在第一步骤中导电地连接所述半导体开关(12)，并且接下来断开所述第二开关(13)，
-在所述第一步骤之后，在第二步骤中不导电地连接所述半导体开关(12)，并且接下来断开所述第一开关(11)。
2.根据权利要求1所述的开关设备，其中，所述蓄能器(6)能够通过所述供电接头充电。
3.根据前述权利要求中任一项所述的开关设备，其中，所述蓄能器(6)设计为，使得所述蓄能器保障了对于所述第一步骤和所述第二步骤而言必要的接通信号的输出。
4.根据前述权利要求中任一项所述的开关设备，其中，所述开关设备包括第二电流路径(25)，所述第二电流路径包括机电的第一开关(21)和机电的第二开关(23)与半导体开关(22)的并联电路，所述并联电路与所述第一开关(21)串联，其中，所述控制单元(2)能够输出用于所述第二电流路径(25)的所述第一开关(21)、所述第二开关(23)和所述半导体开关(22)的接通信号，其中，所述第二电流路径(25)的所述第一开关和所述第二开关(21，23)在存在接通信号时保持闭合的开关状态，其中，所述控制单元(2)设计为，一旦通过所述供电接头(7)进行的所述能量供给落入到所述临界区域中，则所述控制单元借助所述蓄能器(6)的所述能量控制所述接通信号的输出，使得：
-在第一步骤中导电地连接所述第二电流路径(25)的所述半导体开关(22)，并且接下来断开所述第二电流路径(25)的所述第二开关(23)，
-在所述第一步骤之后，在第二步骤中不导电地连接所述第二电流路径(25)的所述半导体开关(22)，并且接下来断开所述第二电流路径(25)的所述第一开关(21)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的开关设备，其中，所述控制单元(2)设计为，使得所述控制单元在所述第二步骤中使得在电流过零时的、在所述半导体开关上实现有能量输送时的所述半导体开关(12，22)切换到不导电的状态中。
6.一种用于安全地运行电机(5)的***，具有根据权利要求1至5中任一项所述的开关设备(1)、电源(50)和其他开关设备(40)，其中所述其他开关设备(40)中间连接在从所述电源(50)至所述开关设备(1)的所述供电接口(7)的供电线路中，使得通过操作所述其他开关设备(40)中断通过所述电源(50)进行的对所述开关设备(1)的能量供给。
7.一种用于开关设备(1)的方法，所述开关设备包括控制单元(2)、供电接头(7)和第一电流路径(15)，其中，所述第一电流路径(15)包括机电的第一开关(11)和机电的第二开关(13)与半导体开关(12)的并联电路，所述并联电路与所述第一开关(11)串联，其中，所述控制单元(2)能够输出用于所述第一开关(11)、所述第二开关(13)和所述半导体开关(12)的接通信号，其中，所述第一开关和所述第二开关(11，13)在存在接通信号时保持闭合的开关状态，其中，所述控制单元(2)通过所述供电接头(7)获得用于所述接通信号的能量，其特征在于，所述开关设备(1)包括蓄能器(6)和测量装置(8)，其中所述控制单元(2)借助所述测量装置(8)监控通过所述供电接头(7)进行的能量供给，其中，当通过所述供电接头(7)进行的所述能量供给落入到临界区域中时，则所述控制单元(2)借助所述蓄能器(6)的所述能量控制所述接通信号的输出，使得：
-在第一步骤中导电地连接所述半导体开关(12)，并且接下来断开所述第二开关(13)，
-在所述第一步骤之后，在第二步骤中不导电地连接所述半导体开关(12)，并且接下来断开所述第一开关(11)。
8.根据权利要求7所述的用于开关设备(1)的方法，其中，所述控制单元(2)在所述第二步骤中使得在电流过零时的、在所述半导体开关上实现有能量输送时的所述半导体开关(12，22)切换到不导电的状态中。
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