CN103780062A - 电气机器的安全功能控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于致动具有安全功能（特别是安全扭矩切断（STO）功能）的电气机器（2）的变频器（3）的设备（1）和方法，其中通过一个优选定时的变频器电路（4），一个电隔离输出电压（UA）由一个输入电压（UE）产生，从该输出电压为该变频器（3）产生用于根据多个标准进行其操作并且用于触发该安全功能的一个控制信号（SHS，SLS），以及为周期性地与该输入电压（UE）连接的一个半导体开关（V）产生一个致动信号（ST），并且当所述输出电压超过一个开关阈值（UMax）时，该输出电压（UA）受到限制。

Description

电气机器的安全功能控制
本发明涉及一种用于通过变频器控制电力操作或电力供应的电气机器的安全功能的方法，如权利要求1的前序部分所述。本发明还涉及一种用于实施该方法的设备，其中安全功能理解为具体地意指所谓的安全扭矩切断（STO）功能。这种类型的方法以及相应的设备是从EP2495869A2已知的。
在电气机器特别是同步或异步发动机的驱动技术领域，为了可靠地避免由不希望或意外旋转驱动器所导致的伤害，安全导向的功能是必要的。在此方面，必要的安全功能是驱动器的安全停止（被称作安全扭矩切断（STO）），通过将所述驱动器与为其供电的电源安全地隔离，以便在触发安全功能后减速，并且根据转速和连接的扭矩以便可靠地使其达到停止状态。
在变频器以受控的方式为常规三相电动机馈电的情况下，通过将所述变频器以及因此三相电动机或电气机器与电源隔离，该安全功能或各项安全功能的控制或触发在该变频器发生。通过一个开关（例如继电器）为变频器供应的24V直流输入电压常被用于向变频器供电。如果在进行停止功能的过程中，致动该开关来断开机器，对变频器进行控制所需的输入电压以及因此为其供电的电源被断开。
为此目的，安全扭矩切断连接（STO功能）从US7,868,619B2已知，其中对于控制装置以及对于电源开关的驱动器或变频器的功率半导体开关的24V输入电压，通过双极开关安全地中断（所述驱动器由所述控制装置致动），并且因此电气机器的电源也安全地中断。
从DE102011003922A1和从开始提到的EP2495869A2已知一种控制装置，该控制装置以具有STO功能的变频器的形式用于具有一个第一电流隔离传输装置的电动机，该传输装置仅产生用于致动变频器的功率半导体（IGBT）的输出信号，当电源电压存在时，变频器的功率半导体为电动机提供工作电压。为此目的所提供的装置包括一个谐振电路，其电源电压取决于一个致动器信号，该致动器信号反过来表示可允许的电动机工作状态。通过一个第二传输装置将谐振电路信号传输到放大和去耦电路以及整流器，该整流器为该第一传输装置产生电源电压用于致动这些功率半导体。
本发明所解决的问题是说明一种改进的方法以及一种特别合适的设备用于对电气机器的安全功能进行控制，其中该控制旨在在输入电压高于或等于60V时可靠地发挥功能，同时确保安全功能，特别是同时使电力损耗尽可能小。
针对该方法，根据本发明权利要求1的特征解决了这个问题，并且针对该设备，根据权利要求2的特征解决了这个问题。有利的配置、变体和发展是子权利要求的主题。
为此目的，电隔离直流输出电压是由直流输入电压所产生，并且为变频器从所述电隔离直流输出电压产生了用于其正常操作以及用于触发安全功能的控制信号。此外，为半导体开关产生了一个致动信号，该半导体开关周期性地与输入电压连接，并且当输出电压超出切换阈值或门限值时，输出电压减小或受到限制。
在这种情况下，本发明基于这样的想法，即尽管可以用最简单的方式使用分压器电路，以便控制甚至高于或等于60V的较大输入电压的电压范围，对于电流隔离有或没有下游光耦合器，在此类高输入电压的情况下在分压器的欧姆电阻器处相应地高电力损耗是不利的。即使是使用有或没有下游光耦合器的恒流源，在所需60V的相应地高输入电压处导致不受欢迎的高电力损耗。对于电压限制还可以使用已知电路，以便将故障发生时的电压增加限制到24V输入电压。然而，此类电压限制电路不能确保所需的安全功能以未受影响的方式得到保证，并且不能确保可靠地防止输入电压的不希望的断开。
与此相比，根据本发明的方法以及根据本发明的设备被提供并且被设计成用于允许一个操作案例，该操作案例对于同时具有低电力损耗的变频器用于下游控制电路的数字输入具有例如60V的增加的输入电压，并且以便可靠地确保所需的安全功能，特别是STO功能。
为此目的，该设备提供具有用于电隔离能量传输的变压器的优选定时的变频器电路，向该变压器在主侧上分配一个可致动的半导体开关以及在次级侧上分配一个整流器。该变频器电路就电路而言作为一类定时电压变频器体现在这里，该定时电压变频器例如作为反激式变频器要不就作为正向变频器进行操作，并且将正常情况下是24V的直流输入电压转换成直流输出电压，该直流输出电压提供给一个装置用于为变频器产生控制信号。
就电路和/或编程而言，当装置的输入电压以及因此输出电压超过预定义的最大值时，连接整流器下游的装置还被设计成用于为变频器电路的半导体开关产生定时的致动信号。由于该致动信号，如果输出电压超过最大值，该输出电压通过开环或闭环控制而受到限制。为此目的，该装置在致动侧通过反馈回路被连接至半导体开关上，优选地具有一个电流隔离元件，特别是以光耦合器的形式。反馈回路方便地包括一个基于时钟或装置产生的致动信号用于对半导体开关的工作频率进行调整的脉冲调制器。在这种情况下，脉冲调制器适当地是用于为半导体开关对时钟或致动信号的工作周期进行调整的脉宽调制器（PWM）和/或脉冲间隔调制器（PIM）。
开环和/或闭环控制装置优选地具有一个比较器和阈值开关功能，变频器电路的输出电压被施加到该比较器和阈值开关功能，用于为半导体开关激活该致动信号。此外，开环和/或闭环控制装置适当地包括一个设定点/实际值比较器以及连接所述比较器下游的一个脉冲调制器，用于基于来自一个设定点值的输出电压的偏差对该半导体开关的工作频率进行调整。
在设备的有利配置中，开环和/或闭环控制装置具有连接到下游的或分配的一个施密特触发器作为阈值开关，变频器电路的输出电压施加到该阈值开关用于为变频器产生二进制控制信号。当输出电压超过上限阈值时，控制信号优选地具有用于对变频器进行操作的高电平，并且当输出电压未达到下限阈值时，具有触发安全功能的低电平。
方便地重复体现变频器电路以及开环和/或闭环控制装置。此外，开环和/或闭环控制装置的功能（特别是比较器及其阈值开关功能）被适当地整合到两个冗余微处理器中，针对变频器电路的输出电压，将该冗余微处理器的输入端耦合到对应的其他微处理器上。
特别优选的是在控制侧通过光耦合器形式的电流隔离元件，将半导体开关连接到开环和/或闭环控制装置上。在特别优选的变频器电路的变体中，该或在冗余设计的情况下，各个半导体开关形成具有变压器的初级绕组的串联电路，在该串联电路处存在输入电压。然后，将用于缓冲经常至少轻微地波动的输入电压的电容器与该串联电路适当地进行并联连接。半导体开关的控制输入端（栅极）（优选地体现为MOSFET）则通过电流隔离光耦合器的光电晶体管方便地连接到所述缓冲电容器上。
本发明所实现的优点具体地包括通过使用变频器电路来控制电气机器的安全功能，根据本发明超过60V的比较大或广的输入电压范围以一个安全的和（特别是相对于设备）固有的安全方式和仅有低电力损耗受控。由于变频器电路的冗余设计以及用于触发安全功能（特别是STO功能）的装置、以及其相互监控，根据本发明的设备的安全性和固有安全性进一步得以增强。
将参照附图在下面更详细地解释本发明的示例性实施例，其中：
图1示出了用于控制电气机器的变频器的设备的示意性电路框图，该电气机器的变频器在输入侧上具有用于触发安全功能以及用于限制电压的变频器电路，以及
图2示出了变频器电路的冗余设计，就电路而言，变频器电路具有一个连接到下游的用于触发相互监控的安全功能的装置。
在这两幅图中彼此对应的多个部件具备相同的参考号。
图1示出了用于控制作为电气机器的三相电动机2的安全功能（特别是安全扭矩切断（STO）功能）的设备1，该电气机器由变频器3供电或操作。设备1包括具有变压器T的一个定时的变频器电路4、在主侧上被连接至其上游的一个半导体开关V以及在次级侧上被连接至其下游的一个整流器D。变频器电路4将直流输入电压UE转换成直流输出电压UA，该直流输出电压能够在负载电阻器RL处被分接，该负载电阻器被连接至地面或参考电位。通过电子半导体开关V将电压进行转换或变换，在某一切换或工作频率下致动该电子半导体开关，并且通过变压器T进行电隔离能量传输，并且通过整流器D对直流输出电压UA进行去耦。
这里，变压器T可以作为定时的反激式变频器的能量存储进行操作，其中变频器输入端和变频器输出端之间具有电流隔离，要不然就作为所谓的正向变频器的电流隔离部件。在两个变频器变体中，以定期受控的方式开启半导体开关V，其结果是能够减小变压器T中的磁场。输入电压可以是例如UE=24V至UE=60V。
将输出电压UA传送至阈值开关5，优选地以施密特触发器的形式，从而为变频器5产生二进制控制信号。如果输出电压UA超过上限阈值U1，例如U1=11V，则阈值开关5生产具有高电平的二进制控制信号SHS，其结果是连接至阈值开关5下游的变频器3以正常方式致动三相电动机2。如果输出电压UA未达到下限阈值U2，例如U2=5V，则阈值开关5生产低电平作为二进制控制信号SHS，该二进制控制信号触发安全功能（特别是安全扭矩切断），并且因此三相电动机2的安全停止。
此外，设备1包括一个开环和/或闭环控制装置6，该控制装置将通过变频器电路4产生的输出电压UA传送至用于控制变频器3的阈值开关5，其中输出电压UA通过施密特触发器5转换成二进制或数字控制信号SHS、SLS。根据高电平或低电平，控制信号SHS激活或去激活电桥电路的所谓高压侧（HS），电桥电路的高压侧通常是由变频器3的功率半导体（电源开关或功率半导体开关）特别是IGBT构造，以便表示变频器3的正常操作或触发安全功能。
控制信号SLS是以类似方式产生的并且反过来通过以施密特触发器5形式的阈值开关转换成二进制控制信号SLS，类似地控制（激活或去激活）变频器3的电桥电路的所谓低压侧（LS）。为此目的，设备1包括两个同一地设计的控制模块1a、1b，这些控制模块下面还指定了高压侧或HS控制模块1a或低压侧或LS控制模块1b。
开环和/或闭环控制装置6还包括一个阈值开关7，优选地以比较器的形式，变频器电路4的输出电压UA在输入侧上供应给该阈值开关。比较器7将输出电压UA与最大值UMax进行比较，最大值是例如UMax=60V。如果超过这个最大值UMax，比较器7在输出侧上产生控制或切换信号SK，其结果是例如反过来由半导体开关或类似物所体现的开关8将输出电压UA传送至设定点/实际值比较器9。如果发生来自设定点值Us的输出电压UA的实际值Ui的偏差，例如设定点值对应于输入电压UE=Us=24V，控制器10（优选地PWM控制器）产生用于半导体开关V的改良致动的时钟信号ST。在这种情况下，通过电流隔离元件11致动半导体开关V，优选地以光耦合器的形式。通过控制器10，脉冲调制（例如脉宽调制（PWM）和/或脉冲间隔调制（PIM））的工作周期以此类方式得以调整，从而使得输出电压UA被调整或减小到设定点值Us。
变压器T在主侧上通过半导体开关V周期性地连接到输入电压UE上，并且为此目的只要输出电压UA未达到预定义的最高电压UMax，在某一恒定时钟或工作频率下操作该变压器。只有当超过所述最高电压UMax时，开环和/或闭环控制才通过阈值开关或比较器7执行操作，其结果是，通过改变半导体开关V的时钟或工作频率，减少通过变压器T的能量传输，并且通过闭环或开环控制将输出电压UA调整成预定义的设定点电压Us。因此，甚至在高于或等于60V的比较高的输入电压UE的情况下，通过开环和/或闭环控制装置6以及变频器电路4确保了设备1的安全操作，而不会损害电气机器2所需要的安全功能。
图2示出了变频器电路4的优选设计。此变频器电路的输出端连接到微处理器M1的输入端E11上，其中比较器7和开关8和比较器9以及控制器10的功能使用软件得以实施。与上游变频器电路4一起，微处理器M1形成设备1的第一或HS控制模块1a。
以类似的方式设计第二或LS控制模块1b，并且第二或LS控制模块反过来具有用于实施开环和/或闭环控制装置6的功能的完全相同的冗余变频器电路4以及相应地冗余微处理器M2。将冗余微处理器M1以及M2通过输出端A12、A22连接到对应的施密特触发器5上，所述多个施密特触发器在变频器3处分别地为它们的部分提供二进制控制信号SHS和SLS，同时确保电气机器2的安全功能。施密特触发器5的功能同样地可以被整合到微处理器M1、M2中。
通过电阻器R1和R2，微处理器M1、M2分别被耦合到彼此上。微处理器M1和M2的进一步耦合是通过箭头12指示的，该箭头表示微处理器M1、M2之间的数据或信息交换。为了将微处理器M1、M2进行耦合，其输入端E11、E21（变频器电路的输出电压UA通过输入端得到供应）通过电阻器R1、R2分别在不同情况下连接至微处理器M1和M2的进一步的输入端E12、E22。
在同一地设计的变频器电路4中，变压器T1和T2的对应的初级绕组LP1、LP2的半导体开关V1、V2在下游分别被串联连接。将缓冲电容器C11或C21与串联电路进行并联连接，该串联电路包括对应的初级绕组LP1、LP2以及半导体开关V1、V2，并且该缓冲电容器优选地通过二极管D11、D21连接到输入电压UE上作为反极性保护。对应的变压器T1、T2的二次线圈LS1、LS2具有与其下游串联连接的整流器二极管D12、D22以及与其并联连接的平滑电容器C12、C22，所述平滑电容器反过来分别具有与其并联连接的负载电阻器RL1或RL2。
根据图2的实施例中，通过比较器以及阈值开关功能实施开环和/或闭环控制装置6，通过使用软件将该比较器和阈值开关功能整合到微处理器M1、M2中。优选地体现为MOSFET的半导体开关V1、V2的致动侧（栅极侧）通过光耦合器11连接到对应的微处理器M1或M2的相应的时钟输出端A11、A12上，作为反馈回路内的电流隔离元件。如用符号展示的，产生的时钟信号ST是方形波信号，光耦合器11的光电二极管D13、D23周期性地将该方形波信号施加到电源电压VCC，其结果是使得其交替地变亮或变暗。因此，将对应光耦合器11的光电晶体管F1、F2周期性地开启或关闭，并且因此将缓冲电容器C11、C21的分接头Z1、Z2的电压水平传送到对应的半导体开关V1或V2的控制输入端（栅极）G1、G2。因此，对应的半导体开关V1、V2周期性地将变压器T1或T2的初级线圈LP1、LP2连接到输入电压UE上。根据分别调整的工作频率或通过开环或闭环控制预定义的工作周期，作为输入电压供应给对应的微处理器M1或M2的输出电压UA在整流器D12、D22下游的变压器的次级侧上在电容器C12、C22处以及在负载电阻器RL1、RL2处进行了调整。
当达到或超过输出电压UA或输入电压UE的最大值UMax时，如参照图1的示例性实施例所描述的阈值电路的功能以及用于半导体开关V1、V2的时钟脉冲振荡功能，作为软件或算法被安装在微处理器M1、M2中。
由于两个控制模块1a和1b的冗余，并且由于其耦合和相互监控，即使设备的控制模块1a或1b中之一执行错误功能或彻底地故障，也总是会触发安全功能。因此，总体上确保了设备1的高度固有安全性以及因此设备1的高度安全性。
本发明并不受限于以上所述的这些示例性实施例。相反，在没有偏离本发明的主题时，本领域技术人员还能由此得出本发明的其他变体。具体地，结合示例性实施例阐述的所有单独的特征还可以在不脱离本发明的主题的情况下进而以另一种方式来彼此组合。
参考号列表
1   控制设备
1a  HS控制模块
1b  LS控制模块
2   机器/三相电动机
3   变频器
4   变频器电路
5   阈值开关/施密特触发器
6   开环/闭环控制装置
7   阈值开关/比较器
8   开关
9   设置点/实际值比较器
10  PWM控制器
11  元件/光耦合器
12  数据箭头
A12，A22 输出端
C11，C21 缓冲电容器
C12，C22 平滑电容器
D11，D21 反极性保护二极管
D12，D22 整流器二极管
D13，D23 光电二极管
E11，E21 第一输入端
E12，E22 第二输入端
F1，F2 光电晶体管
G1，G2   控制输入/栅极
LP1，LP2 初级绕组
LS1，LS2 次级绕组
M1，M2   微处理器
R1，R2 电阻器
RL1，RL2 负载电阻器
Sk     控制/切换信号
ST     致动信号
SHS    高压侧控制信号
SLS    低压侧控制信号
T1，T2   变压器
UA     输出电压
UE     输入电压
Ui     实际值
Us     设定点值
UMax   最大值
V1，V2   半导体开关
Z1，Z2   分接头

Claims (10)

1.一种用于致动具有安全功能的电气机器（2）的变频器（3）的方法，该方法中，用于该变频器（3）的正常操作并且用于触发该安全功能的一个电隔离输出电压（UA）是由一个输入电压（UE）产生的，
其中
-该输出电压（UA）是由一个变频器电路（4）产生并且供应给一个阈值开关（5），该阈值开关为该变频器（3）产生一个二进制控制信号（SHS，SLS），其中当该输出电压（UA）超过一个上限阈值（U1）时，该控制信号（SHS，SLS）激活该变频器（3）的操作，并且其中当该输出电压（UA）未达到一个下限阈值（U2）时，用于触发该安全功能的该控制信号（SHS，SLS）去激活该变频器（3）的操作，以及
-由该输出电压（UA）为该变频器电路（4）的一个半导体开关（V）产生一个致动信号（ST），该开关周期性地连接至该输入电压（UE）上，其中当所述输出电压超过一个切换阈值（UMax）时，该输出电压（UA）受到限制。
2.一种用于实施如权利要求1所述的方法的设备（1），
-具有一个变频器电路（4），该变频器电路具有一个变压器（T），该变压器在主侧上具有一个半导体开关（V），用于从一个输入电压（UE）提供一个电隔离输出电压（UA），并且在次级侧上具有一个整流器（D），并且
-具有连接到该整流器（D）下游的一个开环和/或闭环控制装置（6），当该输出电压（UA）超过最大值（UMax）时，所述控制装置为该变频器（3）产生用于触发该安全功能的该控制信号（SHS，SLS），并且为该半导体开关（V）产生该致动信号（ST）。
3.如权利要求2所述的设备（1），
其中
该开环和/或闭环控制装置（6）具有一个比较器和阈值开关功能（7，8），该变频器电路（4）的该输出电压（UA）被施加到该比较器和阈值开关功能，用于为该半导体开关（V）激活该致动信号（ST）。
4.如权利要求2或3所述的设备（1），
其中
该开环和/或闭环控制装置（6）包括一个设定点/实际值比较器（9）以及连接到所述比较器下游的一个脉冲调制器（10），用于基于该变频器电路（4）的该输出电压（UA）与一个设定点电压值（Us）的一个偏差对该半导体开关（V）的工作频率进行调整。
5.如权利要求2至4之一所述的设备（1），
其中
该半导体开关（V）在控制侧通过一个电流隔离元件（11）特别是一个光耦合器与该开环和/或闭环控制装置（6）连接。
6.如权利要求2至5之一所述的设备（1），
其中
向该开环和/或闭环控制装置（6）分配一个施密特触发器作为阈值开关（5），该变频器电路（4）的该输出电压（UA）被供应给该阈值开关，用于为该变频器（3）产生该二进制控制信号（SHS，SLS）。
7.如权利要求2至6之一所述的设备（1），
其中
该半导体开关（V1，V2）与该变压器（T1，T2）的初级绕组（LP1，LP2）一起形成一个串联电路，该输入电压（UE）施加到该串联电路上。
8.如权利要求7所述的设备（1），
其中
一个缓冲电容器（C11，C12）与该串联电路并联连接，该半导体开关（V1，V2）在控制输入侧通过一个光耦合器（11）的光电晶体管（F1，F2）与所述电容器连接。
9.如权利要求2至8之一所述的设备（1），
其中
该开环和/或闭环控制装置（6）的功能特别是其比较器和阈值开关功能（7，8）被整合在一个微处理器（M1，M2）中。
10.如权利要求9所述的设备（1），
其特征为
多个冗余微处理器（M1，M2），针对该变频器电路（4）的该输出电压（UA），这些冗余微处理器的输入端（E11，E21）被耦合到对应的其他微处理器（M1，M2）上。
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