CN1287702A - 将具有特别高电感的电负载与直流电压源安全切断开来的装置 - Google Patents

Abstract

一种将具有特别高电感的电负载与直流电压源安全切断开来的装置,第一和第二导线(L1、L2)将输入直流电压(Ue)引至负载。一保险丝(S)串联连接在第一导线中。第一继电器(K1)的开关接点(K11)串联连接在第一导线中,并在切断过程中被断开、第二继电器(K2)的开关接点(K21)在第一继电器之后并联连接在第一导线和第二导线之间,并在切断过程中,在第一继电器断开后随即闭合。该装置尽管采用了商业上常用的继电器,其容错性却很大。

Description

将具有特别高电感的电负载 与直流电压源安全切断开来的装置

本发明涉及一种将电负载与电源、例如供电电池安全切断开来的装置。电负载可以是用电器，例如是具有高电感的电动机。安全切断装置例如在出现故障时需要用来强制停止电负载。例如用来保护人员免受例如电动机类负载所造成的不期望的未加控制的、有时甚至是危险的伤害。由于安全切断通常要借助继电器来执行，因此必须确保继电器的工作性能。

为安全切断电负载，迄今为止一直采用特殊的安全继电器，它具有许多并列的、能强制机械运动的接点组。当其中一接点组用于继续传输或切断原负载电流时，另一接点组可接受一检验电流。通过分析该检验电流可测出强制移动接点组是否处于一个期望的或不期望的开关工作状态，亦即安全继电器是否工作正常或有缺陷。但这种借助冗余接点机械式检查继电器的方法十分费力。

本发明的目的在于提供一种切断装置，它无需采用特殊的安全继电器。

本发明的目的可通过权利要求1所述的切断装置来实现。本发明的其他有利实施形式由从属权利要求给出。

本发明的切断装置是基于借助分级的传统继电器“受检冗余”来保证切断的安全性。本发明切断装置的结构的特别优点在于按照受检冗余和分散性的原理可实现安全切断。由此可放弃采用特殊的安全继电器。继电器K1、K2、K3因而可采用简单的例如通过KFZ领域的大型流水线生产制成的继电器。这样的继电器仅仅具有一组开关接点。

本发明的优点在于通过采用廉价的继电器就可构成安全的切断装置，而这些廉价的继电器迄今为止还不能用在传统的安全切断装置中。

下面借助附图所示实施例对本发明予以详细说明。

图1是按照本发明构造的切断装置的示例性原理电路图。切断装置接在一电源和一电负载之间。电负载例如是电动机类负载并且是一设备的组成部件。在图的左侧由未详细示出的电源提供一输入直流电压Ue，而在图的右侧由未详细示出的电负载接收一连接电压Ua。在切断装置未受干扰正常工作时，输入直流电压Ue通过导线L1、L2无变化地一直传输到电负载的连接点。此时电负载的连接电压Ua与输入直流电压Ue完全相等。在图示实施例中，导线L1将输入直流电压Ue的电位引至连接电压Ua的连接点，而导线L2却具有基准电位，例如地电位。

本发明的切断装置在电源一侧具有一第一继电器K1。其接点K11接通输入直流电压Ue地连接在导线L1中，在正常工作状态下该接点闭合。另外，在输入直流电压Ue的输入点和开关接点K11之间有一保险丝S接在导线L1中。在第一继电器K1之后朝向所连接电负载的方向接有第二继电器K2。它的开关接点K21接在导线L1和L2之间，并在正常工作时为断开状态。

按照本发明的另一个已由图1示出的设计结构，在第二继电器K2之后还可连接一第三继电器K3。它的开关接点K31与开关接点K11串联地同样连接在导线L1中，并在正常工作时闭合。在开关接点K31的输出侧最终是用于电负载的连接电压的电位。

继电器L1、L2，有时还有L3分别具有一个励磁绕组K12、K22及K32。由一释放信号线FS提供的控制电压Uf施加在这些励磁绕组上，使得继电器被激活，它们的开关接点K11、K21以及还有K31处于上述开关位置。继电器K1、K3因而可以被称为“常闭接点”，继电器K2可被称为“常开接点”。在正常工作状态下，输入直流电压Ue不受切断装置影响地进而不受限制地作为连接电压Ua提供给电负载。

电负载的切断过程，亦即将负载的连接电压Ua与电源的输入直流电压Ue断开，在图示实施例中通过在释放信号线FS上的控制电压降Uf来触发。例如在包含电负载的一设备内所产生的、要求强制切断电负载的故障由此可被信号化。识别故障的发生和随后断开控制电压Uf例如可通过相应设置在含有电负载的电气设备内的开关器件或探测器来执行。为了附图所示实施例更清晰起见，这些元件在图中并未示出。通过取消控制电压Uf，继电器K1、K2以及K3的励磁绕组K12、K22以及K32上的励磁电压也分别降落，使得这些继电器在切断过程结束时处于与图示原理电路图互补的开关状态。

本发明切断装置的工作方式一方面基于继电器K1、K2，有时还有附加的继电器K3在切断过程中逐渐地过渡到互补的开关状态。在图示实施例中，继电器K1首先断开开关接点K11。随后继电器K2闭合开关接点K21。如果还有附加的继电器K3存在，则它最后还要断开接点K31。

为了实现顺序激发，根据图示电路原理图，在继电器K1、K2以及K3前面连接有延迟元件K13、K23以及K33，它们分别具有逐步增加的延迟时间。在图示实施例中，继电器K1的延迟元件K13具有延迟时间t0，继电器K2的延迟元件K23具有延迟时间t0+t1，而有时附加的继电器K3的延迟元件K33具有延迟时间t0+t1+t3。借助这样分档的延迟时间可以使继电器顺序释放。

实践已证明，即便没有分立的延迟元件K1、K23，也完全足以实现所期望的从继电器K1开始，随后到K2直至K3的渐进释放。其缘由在于，一“常闭接点”，亦即继电器K1作为组成构件所特有的固有开关延迟比一“常开接点”，亦即继电器K2的固有开关延迟要小一些。通过适当选择组成构件K1、K2，继电器K2可以不用任何附加措施就能在时间上后于继电器K1开关动作。只有在有时附加设有第三继电器K3时，才设置一分立的附加的延迟元件。该元件例如是一个在阻碍控制电压Uf的方向上，与励磁绕组K32并联的空转二极管。

比较有利的是，继电器K1、K2、K3的切断延迟以简单方式被动(无源)执行。释放信号线FS的控制电压Uf通过耐高压的二极管来传输。其中的一个二极管沿断开方向失效导致切断电负载，沿短路方向失效则取消了延迟效果，但不会影响切断电负载。每个继电器K1、K2、K3与自身的一空转二极管连接。比较有利的还可将一电阻与空转二极管串联。若电阻较小，则线圈电流由于残余磁场的存在还要继续流动一定时间。若电阻较大，则电流迅速降低，继电器也迅速释放。在选择电阻时，还要考虑继电器的触发机构的不同速度。延迟切断时刻的另一可能性是采用电容。

下面详细说明借助本发明的切断装置来实施的切断过程。

在控制电压Uf下降后，继电器K1在延迟时间t0过后第一个反应。常闭接点K11断开并在输入直流电压Ue侧切断对有待断开负载的供电。继电器K2在延迟时间t0+t1过后第二个反应。常开触点K21闭合，进而将输入直流电压Ue短路。如果继电器K1没有先正确地断开，保险丝S就会熔断并切断输入直流电压Ue。当为了进一步提高切断安全性设有第三继电器K3时，该继电器在延迟时间t0+t1+t2过后反应。它的常闭接点K31断开并在有待断开负载侧将电流切断。

按照本发明的另一实施形式，切断装置可具有一附加检测电路TS。控制电压Uf通过释放信号线FS传输给该检测电路。切断状态的释放可以借助由检测电路TS分析释放信号线FS来确定。随后断开附加的设置在励磁绕组K12、K22、K32和导线L2的地电位之间的连接导线K14、K24、K34中的接点S1、S2、S3。由此避免了继电器K1、K2以及K3无意中的重新接通。

本发明的电路特别适合于安全切断具有高电感的电负载。作为电负载例如可以是一个由电池，例如一24V额定电压的铅蓄电池供电的直流电动机。在强制切断这种负载时所存在的问题是，在某些故障情形下，由电负载会产生短时间内非常高的电流，这必须由切断装置安全切断。这样例如由于功率末级(Leistungsendstufe)烧断，直流电动机会接收特别高的电流。电动机由此获得的最大加速度代表一个特别危险的运行状态。通过切断装置在任何情形下的安全响应，电动机必须在此情形下强制停车。即便电动机机械阻塞，由于功率末级的过载也会产生特别高的电流。最后例如在直流电动机的功率末级的全桥(Vollbruecken)之内的短路会引起需要强制切断的大电流。

在切断开始时，通过继电器K1首先执行正常的切断过程，此时必须切断整个负载电流。如果在此时刻负载电流产生特别高的峰值，则会导致继电器K1的损坏。但实践已证明，继电器K1尽管受损一般仍能到达断开状态。

只有在很少的例外情形下，继电器K1由于受损“粘着”，亦即保持闭合，从而没有执行所期望的切断过程。继电器K1的机械卡锁也不能完全排除。在继电器K1失效的情形下，通过另一继电器K2来安全切断。该继电器K2将输入直流电压Ue暂时闭合，进而将保险丝S熔断。由于这一过程只有在继电器K1失效后才会出现，保险丝S的熔断使K1的功能故障得以信号化，以便更换保险丝S和继电器K1来完成修复。通过借助继电器K2来将输入直流电压短接，明显提高了切断装置的切断安全性。其缘由在于，因在接通过程中不会产生电弧，借助具有廉价接点的继电器K2也可接通很高的电流。因而可接通比用同类接点来断开的电流大许多倍的电流。另外，在激活继电器K2时，一般都已存已有较高的负载电流流过的情形。通过闭合作为短路继电器的继电器K2，也只会使一更小的附加电流流过继电器K2，以便将保险丝S熔断。

本发明的切断装置具有高的容错性，亦即其本身具有抵抗失效的很高安全性，因为除了在正常情形下承担大部分有待切断的负载电流的继电器K1外，出于冗余备用原因还设有另一继电器K2。它仅仅在发生故障时才需要，亦即在继电器K1失效时才需要，而且如上所述，它在断开过程中不会承受很强的负荷。

按照本发明的另一设计，切断装置的可用性，亦即其切断安全性通过在待切断负载侧串联连接的第三继电器K3进一步明显提高。继电器K3仅仅在继电器K1、K2同时失效时才执行切断过程。实际上并不能排除继电器K2机械卡锁或保险丝S例如由于电池提供的输入直流电压下降而不会熔断。在这样的情形下，由一附加继电器K3承担切断任务。由于在正常情形下，继电器K1或K2承担大部分有待切断的负载电流，第三继电器K3的接点K31一般不会承受负载并且不必通过断开来切断电流。继电器K3必然比继电器K1或K2接通明显更少的负荷，使得其接点损耗，进而其失效概率明显更低。因此，借助第三继电器K3可实现十分安全的切断。

本发明的切断装置通过有利地增加一第三继电器K3，出色地具有三重切断冗余。即便在两个负载继电器K1和K2失效时，通过受很少负荷的第三继电器也几乎总是能保证切断。由于用三个继电器K1、K2和K3可设计出不同的切断机构，因而还可提高防止设计错误的安全性。

若本发明的切断装置还具有一检测电路TS，则在重新接通切断装置前还可检测所有继电器的功能。

导入接通过程的前提是：在连接导线K14、K24、K34中的接点S1、S2和S3打开。此外，在第二继电器K2和第三继电器K3之间的导线L1上的电位必须是0V低电位，这可通过一根检测导线Ps1来探测。最后在释放信号线上必须有要求接通的有源控制电压Uf。

下面详细描述接通过程。

首先闭合检测电路TS的接点S2。这会激活继电器K2并使其开关接点K21打开。检测电路TS尝试着通过检测导线Ps1来确定，在第二继电器K2和第三继电器K3之间的导线L1上的电位不再是0V低电位，而是高电位。若这一状态在一定时间后没有产生，就中断接通过程并显示故障。若检测点1处于24V电位上，那继电器K1就有缺陷，同样中断接通过程。

若在第二继电器K2和第三继电器K3之间的导线L1上的电位为高电位，就闭合检测电路TS的接点S1。这会激活继电器K1，并使其接点K11闭合。当检测电路TS通过检测导线Ps1在短时间后探测到输入直流电压Ue的电位，上述接通过程就成功结束。否则中断接通过程，因为不是继电器K1，就是继电器K2有缺陷。

当检测电路TS通过另一检测导线Ps2监控到在用于电负载的连接电压Ua的连接点上有电压存在，就对有时存在的附加继电器K3也进行检验。若在检测导线Ps2上同样存在输入直流电压的电位，那继电器K3就有缺陷，进而中断接通过程。

在下一步骤中，重新打开接点S1。该步骤用于通过继电器K1，而不是继电器K3来执行原有的接通过程。从而确保继电器K3的接点具有理想的比继电器K1的接点更长的寿命。

现在闭合开关接点S3，进而接通继电器K3，亦即闭合其开关接点K31。最后闭合开关接点S1，由此闭合继电器K1的开关接点K11并向负载供电。

在上述任一状态下，中断接通过程会导致在检测电路TS的释放信号线FS上的控制信号Uf被中断。由此重新引入上面已详细描述过的常规切断过程。

比较有利的是将检测电路TS设计成能使上述切断和接通过程试验性地按有规律的时间间隔进行。以此方式可以定期检测所有继电器K1、K2、K3的工作性能。

Claims (3)

1．一种高容错性地将电负载与直流电压源的输入直流电压(Ue)断开的装置，其包括：

a)一引入电位的第一导线(L1)和一引入基准电位、尤其是地电位的第二导线(L2)，它们将输入直流电压(Ue)引至用于电负载的连接电压(Ua)的连接点，

b)一保险丝(S)，它在引入输入直流电压(Ue)的区域内串联连接在第一导线(L1)中，

c)一第一继电器(K1)，其开关接点(K11)在保险丝(S)背向输入直流电压(Ue)的一侧串联连接在第一导线(L1)中，并在正常工作状态下闭合，它在触发切断过程时被断开以切断第一导线(L1)，

d)一第二继电器(K2)，其开关接点(K21)在第一继电器(K1)的开关接点(K11)背向输入直流电压(Ue)的一侧并联连接在第一和第二导线(L1，L2)之间，并且在正常工作状态下断开，它在触发切断过程时在第一继电器(K1)的开关接点(K11)断开后随即闭合，以便使第一导线(L1)和第二导线(L2)短接。

2．如权利要求1所述的装置，它具有一第三继电器(K3)，其开关接点(K31)在第二继电器(K2)的开关接点(K21)背向输入直流电压(Ue)的一侧串联连接在第一导线(L1)中，并且在正常工作状态下闭合，它在触发切断过程时在第二继电器(K2)的开关接点(K21)闭合后随即断开，以便切断第一导线(L1)。

3．如权利要求1或2所述的装置，其中所述第一、第二或第三继电器(K1、K2、K3)可采用具有简单接点组的商用继电器。

Images