CN105190452A - 驱动逆变器的安全的电压连接 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将电机(2)的驱动逆变器(3)的电压端子(U2)与供应电压(U1)连接起来以及安全地分离的设备和方法，该设备带有连接和中断电路(20)以及控制和/或调节装置(6)，该连接和中断电路带有两个接在供应电压(U1)或其端子(19)与驱动逆变器(3)的电压端子(U2)之间的电路分支(21、22)，该控制和/或调节装置在电路技术上和/或程序技术上设立用于：经由电路分支(21、22)将供应电压(U1)接到驱动逆变器(3)的电压端子(U2)上，以及在第一检验模式中，阻断其中一个电路分支(21、22)并且从该电路分支(21、22)中读取传感器信号(SE1、SE2)，而另一电路分支(22、21)是接通的并将供应电压(U1)引导到驱动逆变器(3)的电压端子(U2)上。

Description

驱动逆变器的安全的电压连接
技术领域
本发明涉及用于将电机的驱动逆变器的电压端子连接到供应电压上或用于将它们安全分离的设备和方法。在此，术语“安全”理解为满足安全功能，尤其是安全转矩关断功能(STO)。
背景技术
在带有电机，尤其是带有同步马达或异步马达的驱动技术的范围内，与安全相关的功能是必需的，以便可靠地避免由于驱动装置的不期望或意外的转动所导致的伤害。在此，主要的安全功能是驱动装置的被称为安全转矩关断功能(STO)的安全停机。在此，该驱动装置与其能量供应装置安全分离，以便在触发安全功能后立即停止。
在通常利用逆变器和尤其利用变频器可控地被供电的三相电动机中，在逆变器或变频器上进行一个或各个安全功能的控制或触发，其中，该逆变器或变频器进而三相电动机或电机与能量供应装置分离。24V直流输入端电压通常用于下面被称为驱动逆变器的逆变器或变流器的能量供应，该24V直流输入端电压经由开关，例如继电器向驱动逆变器输送。如果在停止功能期间操作开关用以阻断机器，那么用于控制变频器所需的输入端电压进而其供应被切断。
由US7868619B2公知了安全转矩关断连接(STO功能)，其中，用于控制装置的24V输入端电压以及用于变频器的功率开关或功率半导体开关的由该控制装置驱控的驱动器的24V输入端电压和进而用于电机的电流供应借助双极开关来中断。
发明内容
本发明的任务在于，给出一种用于安全运行电机的特别适当的设备和改进的方法。尤其应确保将电机的逆变器或换流器与供应电压安全分离。此外优选地，即使在输入端电压大于或等于60V的情况下，尤其在损耗功率同时尽可能小的情况下，也应该附加地给出对电机的安全功能的可靠的控制。
根据本发明，该任务在设备方面通过权利要求1的特征来解决，并且在方法方面通过权利要求17的特征来解决。有利的设计方案、变型方案和改进方案是从属权利要求的主题。
根据本发明，为了将电机的驱动逆变器的电压端子与供应电压连接起来或用于将它们安全分离，设置有连接和分离电路以及控制和/或调节装置，该连接和分离电路接在用于供应电压的端子与电压端子之间。该控制和/或调节装置优选在电路技术上和/或程序技术上设置和设立用于尤其是检验连接和分离电路的功能性和/或功能可靠性。
连接和分离电路包括两个接在用于供应电压的端子与驱动逆变器的电压端子之间的电路分支，通过所述电路分支，供应电压借助控制或调节装置接到驱动逆变器的电压端子上。在第一检验模式中，控制或调节装置阻断其中一个电路分支，并且从该电路分支中读取传感器信号，而另一电路分支是接通的，并且将供应电压引导至驱动逆变器的电压端子上。
在进一步的检验周期期间，两个电路分支的功能模式互换，并且为此，另一电路分支被阻断，并且从该电路分支中读取相应的传感器信号，而并联的电路分支是接通的，并且将供应电压引导至驱动逆变器的电压端子上。以这种方式，可以优选周期性地并且以实际任意的时间间隔进行对检验电路的两个电路分支的功能性的检验，而无需改变驱动逆变器的电压端子上的电压电平。这能够以简单以及可靠的方式和方法实现：在驱动逆变器运行期间并且因此在电机工作时，安全地检验两个电路分支的连接功能、中断或分离功能。
在电路分支的有利的设计方案中，这些电路分支基本上分别配设有半导体开关，其联接在用于供应电压的端子与驱动逆变器的电压端子之间，并且在驱控侧接到控制或调节装置上。传感器截取端延伸至控制装置并且在第一检验模式期间向该控制装置提供当前截取的电压电平，该传感器截取端适宜地在相应的半导体开关(尤其是发射极侧或源极侧)与二极管之间延伸。
在相应的电路分支中感测到的电压电平可靠地给予了关于相应的半导体的和进而是相对应的电路分支的功能性的情况。如果相对应的电压电平在阻断的半导体上下降到零(0V)，那么相对应的半导体就被认为有功能性，这是因为众所周知的是，在损坏的或错误工作的半导体开关中，其(在场效应管的源极与漏极之间的，或者在双极型晶体管的集电极与发射极之间的)可控的电流路径原则上是短路的。因此，在有错误的情况下，在传感器截取端上预计有非零的且相应于供应电压的电平。
根据特别适宜的改进方案，连接和分离电路冗余地实施。在该改进方案方面，本发明从如下构思出发，即，驱动逆变器通常在其电压供应方面具有所谓的高压侧和低压侧，该驱动逆变器通常实施为尤其是相应地带有例如六个功率半导体的B6电路形式的全桥电路，这些功率半导体往往经由光耦合器来驱控。为了特别安全地阻断驱动逆变器，因此优选的是，高压侧和低压侧都与供应电压分离。为此，冗余的连接和分离电路优选具有两个检验通道，它们在输出端侧分别与两个端子侧中的一个，也就是驱动逆变器的高压侧和低压侧中的一个连接。
适当地，控制或调节装置在电路技术上和/或程序技术上设立用于中断供应电压与驱动逆变器的电压端子之间的经由连接和分离电路的电路分支所建立起的连接。尤其由于触发或激活安全功能，特别是所谓的安全转矩关断功能来实现中断。
为了在中断供应电压与驱动逆变器的电压端子之间的连接的情况下提高安全性而设置有可驱控的分离电路，借助该分离电路，驱动逆变器的电压端子被引导至供应电压的参考电势，尤其是零电势(地)。为此，分离电路适宜地具有两个串联联接的且可借助控制或调节装置驱控的半导体开关，在这两个半导体开关之间形成了中间截取端，其延伸至控制或调节装置。
分离电路的半导体开关适宜地与电压分压器并联联接，该电压分压器的中间截取端、分压截取端或电平截取端同样延伸至控制或调节装置。优选地，电压分压器的中间截取端与两个半导体开关之间的截取端连接。因此节省了用于控制或调节装置的附加的探测或传感器连接。
在中断供应电压与驱动逆变器的电压端子之间的经由连接和分离电路的电路分支建立起的连接期间，控制或调节装置产生用于分离电路的控制信号，以便将驱动逆变器的电压端子引导至供应电压的参考电势上。
在电压端子与供应电压分离的情况下，控制或调节装置以第二检验模式来检测半导体开关之间的截取端上的电压或电压电平。当分离电路的两个半导体开关中的第一半导体开关被接通而第二半导体开关断开时，或者相反地，当分离电路的两个半导体开关中的第二半导体开关被接通而第一半导体开关断开时，总是进行对该电压电平的评估。如果在这种第二检验模式中，根据分离电路的两个半导体开关的开关状态，半导体开关的截取端上的电压电平假定为驱动逆变器的电压端子上的电平或者接近供应电压的参考电势的电平，那么连接开关就被认为有安全的功能性。当连接电路的两个半导体开关都断开时，通过探测电压分压器的中间截取端上的电压电平来进行进一步检验。
当例如由于触发安全功能而确保了驱动逆变器与供应电压的可靠分离时，第二检验模式中的功能检验用于确保驱动逆变器的电压端子与供应电压的参考电势的可靠连接，以便因此可靠地确保电机停止运转。与在第一检验模式中相同地，在第二检验模式中，也可以测试在驱动逆变器运行时将其安全阻断的功能性。
基于驱动逆变器的端子与供应电压的参考电势之间的连接和中断电路的冗余的实施方案以及分离电路的冗余的实施方案，在其中一个相对应的检验通道诊断出错误时，另一冗余的检验通道仍可以建立对驱动逆变器的安全的阻断和分离。因此，在其中一个冗余的检验通道的错误时，另一冗余的电路，即，另一检验通道可以单独地在无力矩的情况下接通电机并因此接通驱动装置。为此适当地是，两个冗余的电路或检验通道以适当的方式彼此相结合，以便在其中一个电路中诊断出错误时，借助冗余的另一电路执行安全的阻断和端子分离。
因此，根据本发明的设备能够实现的是，无须实验性地阻断而可靠地检验：借助连接和分离电路是否确保了驱动逆变器的电压端子相对于供应电压的可靠的阻断和分离。只要一方面对连接和分离电路的检验以及对逆变器的电压端子与供应电压的参考电势之间的分离电路的检验无错误地运作，就可以认为：当这是所期望的或出于安全性的原因而需要时，驱动逆变器可以与供应电压分离并且因此被安全地阻断。
在设备的另一适宜的改进方案中，该设备具有尤其再次冗余地实施的变换器电路，其包括变压器，该变压器在初级侧带有用于提供来自输入端电压的电势隔离的输出端电压的半导体开关以及在次级侧带有整流器。控制或调节电路后置于整流器，其中，尤其同样冗余地实施的控制或调节装置在电路技术上和/或程序技术上设立用于：当输出端电压超过最大值时，产生用于驱动逆变器的控制信号用以触发安全功能并且产生用于半导体开关的驱控信号。
在此，由输入端直流电压产生电势隔离的输出端直流电压，并且由输出端直流电压产生用于驱动逆变器的控制信号，用以使驱动逆变器按规定地运行并且用以触发安全功能。此外，产生用于周期性地接到输入端电压上的半导体开关的驱控信号，并且当输出端电压超过开关阈值或阈值时，减小或限制输出端电压。
相关地，本发明从如下构思出发，即，为了控制大于或等于60V的输入端电压的相对大的电压范围，虽然可以以最简单的方式和方法使用电压分压器电路，其带有可能后置的用于电隔离的光耦合器。但是在这样高的输入端电压的情况下不利的是，电压分压器的欧姆电阻上的相应很高的损耗功率。使用带有可能后置的光耦合器的恒定电流源也导致在所要求的60V的相应很高的输入端电压的情况下的不期望地高的损耗功率。也可以使用公知的用于限制电压的电路，以便将在错误的情况下出现的电压升高限制到24V输入端电压上。然而，利用这类的电压限制电路无法确保的是，不受影响地确保所要求的安全功能并且可靠地阻止对输入端电压的不期望的阻断。
相反地，根据本发明改进了的设备设置和设立用于在损耗功率同时很小的情况下允许了如下的运行情况，其中，具有例如60V的升高的输入端电压并且也用于下面的用于驱动逆变器的控制电路的数字输入端，并且可靠地确保了所要求的安全功能，尤其是STO功能。
在此，变换器电路在电路技术上根据节拍式的电压变换器的类型地实施，其例如作为反向变换器或正向变换器工作，并且将在正常情况下为24V的输入端直流电压转换为输出端直流电压，并将其提供给用以产生用于变频器的控制信号的装置。
此外，后置于整流器的控制或调节装置在电路技术上和/或程序技术上设立用于：当装置的输入端电压进而输出端电压超过预定的最大值时，产生用于变换器电路的半导体开关的节拍式的驱控信号。由于驱控信号，一旦输出端电压超过最大值，就在控制或调节技术方面对其进行限制。为此，装置经由优选带有尤其呈光耦合器形式的电隔离的元件的反馈回路在驱控侧与半导体开关连接。适宜地，反馈回路包括脉冲调制器，用以借助由装置产生的节拍或驱控信号来调整半导体开关的工作频率。在此适当地，脉冲调制器是脉冲宽度调制器(PWM)和/或脉冲相位调制(PPM)，用以调整用于半导体开关的节拍或驱控信号的占空比。
优选地，控制和/或调节装置具有以变换器电路的输出端电压来加载的比较器和阈值开关功能，用以激活用于半导体开关的驱控信号。此外，控制和/或调节装置适当地包括额定值-实际值-比较器和后置于该额定值-实际值-比较器的脉冲调制器，用以借助输出端电压与额定值的偏差来调整半导体开关的工作频率。
在该设备的适宜的设计方案中，阈值开关配属于控制和/或调节装置，变换器电路的输出端电压向阈值开关输送，用以产生用于驱动逆变器的二进制的控制信号。适当地，阈值开关在软件技术上来实现，例如实现为施密特触发器功能性。当输出端电压超过上阈值时，控制信号优选携有用于运行驱动逆变器的高电平，当输出端电压低于下阈值时，控制信号优选携有触发安全功能的低电平。
适宜地，变换器电路如控制和/或调节装置那样冗余地实施。此外适当的是，控制和/或调节装置的功能性，尤其包括其比较器和阈值开关功能，整合到两个冗余的微处理器中，这两个微处理器的用于变换器电路的输出端电压的输入端分别与另外的微处理器连结。
特别优选地，变换器的半导体开关经由呈光耦合器形式的电隔离的元件在控制侧与控制或调节装置连接。在变换器电路的特别优选的变型方案中，半导体开关或在冗余的实施方案中的每个半导体开关与变压器的初级绕组形成串联电路，输入端电压施加在该串联电路上。适当地，用于缓冲通常至少小幅波动的输入端电压的电容器与串联电路并联联接。适宜地，优选实施为MOSFET的半导体开关的控制输入端(栅极)经由电隔离的光耦合器的光电晶体管联接到缓冲电容器上。
利用这种改进的设备实现的优点尤其在于，在使用用于控制电机的安全功能的变换器电路的情况下，安全地并且在此尤其在根据本发明的设备的固有安全方面以及在仅有很小的损耗功率的情况下控制比较大的输入端电压范围或者大于60V的很宽的输入端电压范围。由于变换器电路的冗余的构造和用于触发安全功能，尤其是触发STO功能的装置的冗余的构造以及它们的相互监控，进一步提升了根据本发明的设备的安全性和固有安全性。
附图说明
下面结合附图详细阐述了本发明的实施例。其中：
图1以方框图示意性地示出电机的驱动控制设施，其带有用于在电压方面将电机的驱动逆变器与供应电压连接起来或用于在电压方面将它们分离开的设备；并且
图2以冗余的实施方案示出设备的连接和分离电路；
图3以方框图示意性地示出驱动控制设施，其带有用于触发安全功能以及用于限制电压的输入侧的变换器电路；并且
图4示出变换器电路的电路技术上的冗余的构造，该变换器电路带有用于利用相互监控来触发安全功能的后置的装置。
彼此相应的部件在所有附图中配设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出作为电机的三相电动机2的驱动控制设施1，电机或三相电动机借助驱动换流器或变频器3运行。在冗余的实施方案中，驱动控制设施1包括带有变压器T的节拍式的变换器电路4，在初级侧，半导体开关V前置于该变压器，并且在次级侧，整流器D后置于该变压器。此外，驱动控制设施1包括再次冗余地实施的控制和调节装置6，其结合连接和中断电路20形成用于连接驱动逆变器3的电压端子U2与供应电压U1或用于将它们分离的设备。连接和中断电路20同样冗余地实施，并且为此具有两个检验通道20a和20b。连接和中断电路20或其两个检验通道20a和20b分别具有输入端SWa1、SWa2、DISa1和DISa2或者SWb1、SWb2、DISb1和DISb2。此外，连接和中断电路20或其两个检验通道20a和20b分别具有输出端SEa1、SEa2和OUTa或者SEb1、SEb2和OUTb。
检验通道20a在输出侧与第一端子侧U2a连接，即，与以具有光耦合器和优选呈B6桥式电路的功率半导体的方式实施的驱动逆变器3的所谓的高压侧连接。类似地，供应和分离电路20的第二检验通道20b在输出侧与第二端子侧U2b连接，即，与驱动逆变器3的低压侧连接。
图2以其优选的电路技术上的实施方案示出两通道式的连接和分离电路20。两个检验通道20a和20b在电路技术上相同地构造，从而下面相应的电路和其功能性通过第一检验通道20a的示例来描述。代替详细描述的第一检验通道20a的电路部分的字母a，相同地构造的第二检验通道20b针对各个电路部分包含附加的字母b。
每个检验通道20a、20b具有两个相同地构造的电路分支21a、22a，它们在一侧共同地联接到供应电压U1或相应的端子19上，并且在另一侧与驱动逆变器3的以U2a、U2b标记的电压端子联接，并且因此联接在供应电压U1与逆变器3的相应的电压端子U2a、U2b之间。电路分支21a和22a分别具有带有半导体开关T1a、T2a和二极管D1a或D2a的串联电路。在相应的半导体电路T1a、T2a与二极管D1a、D2a之间设置有传感器截取端SA1a或SA2a，其延伸至相对应的检验通道20a的相应的输出端SEa1或SEa2。输入端SWa1和SWa2延伸至相应的半导体开关T1a或T2a的控制输入端或控制端子。此外，相应的检验通道20a、20b具有分离电路23a或23b。分离电路23a、23b接在驱动逆变器3的电压端子U2a或U2b与供应电压U1的参考电势(零电势或地)之间。
随后又仅借助第一检验通道20a描述的分离电路23a在第二检验通道20b中相同类型地实施，并且在那里关于电路组成部分地又配设有字母b。
分离电路23a包括由配属有中间截取端24a的两个半导体开关T3a组成的串联电路，该中间截取端延伸至连接和中断电路20的相对应的检验通道20a的输出端OUTa。此外，分离电路23a包括电压分压器25a，其与串联联接的半导体开关T3a、T4a并联联接。电压分压器25a包括带有配属的分压器或电势截取端26a的两个欧姆电阻R3a、R4a。该分压器或电势截取端与中间截取端24a连接，并且因此同样延伸至相对应的检验通道20a的输出端OUTa上。两个半导体开关T3a、T4a在驱控侧与相对应的检验通道20a的输入端DISa1或DISa2连接。
在第一检验模式中，借助控制或调节装置6(优选交替地)控制半导体开关T1a和T2a处于截止状态中，从而相对应的电路分支21a或22a被阻断。在该状态下，控制或调节装置6读取传感器信号S1a、S2a，该传感器信号给出相对应的传感器截取端SA1a或SA2a上的相应的电压电平。如果在受控制地处于截止状态中的晶体管T1a、T2a和因此分别在被阻断的电路分支21a或22a中的情况下检测到或感测到的电压电平等于零，即，尤其是0V，那么相应的检验通道22a的相对应的电路分支21a、22a就被认为有功能性和功能可靠性。
在第一检验模式期间，分别在另外的电路分支22a、21a中，相对应的半导体开关T2a或T1a通过借助驱控或调节装置6的相对应的驱控来导通地联接，也就是相对应的电路分支22a、21a被接通。因此，在第一检验模式中，驱动逆变器3的电压端子U2或相对应的端子侧U2a、U2b(高压侧或低压侧)与供应电压U1连接。
因此，第一检验模式可以在电机2持续运行时进行。此外，第一检验模式可以以实际任意的时间间隔的方式周期性地执行，其中，两个检验通道20a或20b的相应的电路分支21a、22a和21b、22b交替地接通和断开。
在第二检验模式中，连接和中断电路20的功能性和功能可靠性以如下方式检验，即，在中断驱动逆变器3的电压端子U2与供应电压U1之间的连接之后，是否可靠且无缺陷地确保了驱动逆变器3的电压端子U2与供应电压U1的参考电势(零电势或地)的功能可靠的联接或连接。
中断该端子连接U1、U2通过如下来实现，即，借助控制或调节装置6经由连接和分离电路20的相对应的输入端SWa1、SWa2来相对应地驱控两个检验通道20a、20b的半导体开关T1a、T2a。在此，当串联地后置的半导体开关T4a截止并因此断开时，借助控制或调节装置6经由连接和分离电路20的输入端DISa1、DISa2，以在两个检验通道20a、20b中同时或交替的方式，分离电路23a的半导体开关T3a以同样实际任意的周期时间又优选周期性地导通并因此接通。在该状态下，中间截取端24a上的电压电平经由输出端OUTa提取。如果中间截取端24a上的电平假定为电压端子U2的电压电平，那么就被认为有安全的功能性。
紧接着，半导体开关T4a转变至导通状态并因此被接通，而串联地前置的半导体开关T3a转变至截止状态并因此被断开。如果在半导体开关T3a、T4a的该开关状态下，在中间截取端24a上探测到接近供应电压U1的参考电势(零电势或地)的电平，那么分离电路23a就被认为是功能可靠的。
如果在第二检验模式之中的另一测试中，在两个半导体开关T3a、T4a的断开状态下，经由输出端OUTa探测到的信号假定为通过电阻R3a、R4a预定的电平，那么就附加地证实了分离电路23a的可操作性。
图3示出作为电机的三相电动机2(其借助驱动逆变器3运行)的驱动控制设施1，其包括安全功能，尤其是安全转矩关断功能(STO)。还示出带有变压器T和初级侧的半导体开关V以及次级侧的整流器D的节拍式的变换器电路4。变换器电路4将输入端直流电压UE转换为输出端直流电压UA，该输出端直流电压可以在联接到零电势或参考电势的负载电阻RL上截取。借助利用特定的开关或工作频率来驱控的电子半导体开关V以及借助用于电势隔离地传递能量的变压器T并且借助用于解耦(Auskopplung)输出端直流电压UA的整流器D来进行电压转换或转变。
在此，变压器T可以作为带有变换器输入端与变换器输出端之间的电隔离的节拍式的逆向变换器的能量存储器来工作，或者也可以作为所谓的正向变换器的电隔离的构件来工作。在两个变换器变型方案中，半导体开关V以可控的方式定期地打开，从而可以降低变压器T中的磁场。输入端电压例如可以是UE＝3V至UE＝60V。
输出端电压UA被引导至优选呈施密特触发器形式的阈值开关5，其产生用于驱动逆变器3的二进制控制信号。该开关功能或施密特触发器功能性优选以软件技术(或作为算法)来实现，并且整合到下面根据图4阐述的微处理器M1、M2中。如果输出端电压UA超过上阈值U1，例如U1＝11V，那么阈值开关5就提供带有高电平的二进制控制信号SHS，从而后置于阈值开关5的驱动逆变器3按规定地驱控三相电动机2。如果输出端电压UA低于下阈值U2，例如U2＝5V，那么阈值开关5就产生作为二进制控制信号SHS的低电平，其触发安全功能，尤其是安全转矩关断(SafeTorqueOff)，并因此触发三相电动机2的安全的停机。
控制和/或调节装置6将借助变换器电路4产生的输出端电压UA引导至用于控制驱动逆变器3的阈值开关5，其中，输出端电压UA被转换为二进制的或数字的控制信号SHS、SLS。根据高电平或低电平，控制信号SHS激活或停用驱动逆变器3的通常由功率半导体(功率开关或功率半导体开关)，尤其是IGBT构造的桥式电路的高压侧(HS)，以便使其按规定的发出信号或者触发安全功能。
以相同的方式产生的控制信号SLS类似地控制(激活或停用)驱动逆变器3的桥式电路的低压侧(LS)，该控制信号又借助阈值开关5转换成二进制控制信号SLS。为此，设置有两个相同类型地构造的控制模块1a、1b，它们在下面也被称为高压侧控制模块或HS控制模块1a或者低压侧控制模块或LS控制模块1b。
控制或调节装置6可以具有比较器形式的阈值开关7，在输入侧，变换器电路4的输出端电压UA向该阈值开关输送。比较器7比较输出端电压UA与例如为UMax＝60V的最大值UMax。如果超过该最大值UMax，那么比较器7在输出侧产生控制或开关信号SK，因此，例如又通过半导体开关或类似装置实现的开关8将输出端电压UA引导至额定值-实际值-比较器9。该功能性可以通过预定或调整固定的占空比来替换和/或补充。
在输出端电压UA的实际值Ui与例如为输入端电压UE＝US＝24V的额定值US不同的情况下，调节器10，优选PWM调节器产生节拍信号ST，用以修正对半导体开关V的驱控。在此，通过优选光耦合器形式的电隔离的元件11来实现对半导体开关V的驱控。借助调节器10，脉冲调制的占空比，例如脉冲宽度调制(PWM)和/或脉冲相位调制(PPM)的占空比以如下方式调整，即，输出端电压UA调整或减少到额定值US。
只要输出端电压UA低于预定的最大电压UMax，变压器T就在初级侧借助半导体开关V与输入端电压UE周期性地连接，并且为此以特定的、恒定的节拍频率或工作频率运行。只有当超过该最大电压UMax时，才经由阈值开关或比较器7来进行控制或调节，从而通过改变半导体开关V的节拍频率或工作频率来减小经由变压器T的能量传递，并且将输出端电压UA调节或控制到预定的额定电压US上。因此，借助控制或调节装置6和变换器电路4，即使在比较高的、大于或等于60V的输入端电压UE的情况下，在不损害电机2的所要求的安全功能的情况下仍得到安全的运行。
图4示出变换器电路4的优选的构造。其在输出侧延伸至微处理器M1的输入端E11，在该微处理器中，在程序技术上来实现比较器7和开关8的功能性以及比较器9和调节器10的功能性。微处理器M1与前置的变换器电路4一起形成设施1的第一控制模块或HS控制模块1a。
第二控制模块或LS控制模块1b类似地构造，并且仍具有冗余的、相同类型的变换器电路4和相应冗余的用于实现控制或调节装置6的功能性的微处理器M2。经由输出端A12、A22，冗余的微处理器M1和M2被引导到相应的施密特触发器5，它们自身在驱动逆变器3上在确保电机2的安全功能的情况下提供二进制控制信号SHS或SLS。如同已经提及的那样，阈值开关(施密特触发器)5的功能性优选在软件技术上整合到微处理器M1、M2中。
微处理器M1、M2经由电阻R1或R2彼此连结。微处理器M1、M2的其它连结通过箭头12示出，箭头表示微处理器M1、M2之间的数据或信息交换。为了连结微处理器M1、M2，它们的输入端E11、E21(变换器电路4的输出端电压UA经由这些输入端来输送)借助电阻R1、R2分别引导至微处理器M1、M2的另外的输入端E12、E22。
在相同类型地构造的变换器电路4中，半导体开关V1、V2串联地后置于变压器T1或T2的相应的初级绕组LP1、LP2。优选经由作为反极性保护的二极管D11、D21联接至输入端电压UE的由相应的初级绕组LP1、LP2和半导体开关V1、V2组成的串联电路与缓冲电容器C11或C21并联。整流二极管D12、D22串联地后置于相应的变压器T1、T2的次级线圈LS1、LS2，滤波电容器C12、C22与该次级线圈并联并且又与负载电阻RL1或RL2并联。
在根据图4的实施方式中，控制和/或调节装置6通过在程序技术上整合到微处理器M1、M2中的比较器功能性和阈值开关功能性来实现。优选实施为MOSFET的半导体开关V1、V2在驱控侧(栅极侧)经由作为在反馈回路中的电隔离的元件的光耦合器11延伸至相应的微处理器M1或M2的相对应的节拍输出端A11、A22上。如象征性地示出的那样，所产生的节拍信号ST是方波信号，其将光耦合器11的发光二极管(LED)D13、D23周期性地置于供应电压VCC上，从而这些发光二极管交替地发亮或熄灭。因此，相应的光耦合器11的光电晶体管F1、F2周期性地接通或断开，并且因此将缓冲电容器C11、C21的截取端Z1、Z2的电压电平引导至相应的半导体开关V1或V2的控制输入端(栅极)G1、G2。
因此，相应的半导体开关V1、V2将变压器T1或T2的初级线圈LP1、LP2与输入端电压UE周期性地连接。根据分别调整的工作频率或以控制或调节技术所预定的占空比，在变压器T1、T2的次级侧上，在整流器D12、D22的后面且在电容器C12、C22和负载电阻RL1、RL2上调整输出端电压UA，其作为输入端电压向相应的微处理器M1或M2输送。
在达到或超过输出端电压UA或输入端电压UE的最大值UMax的情况下，阈值电路的所描述的功能性以及用于半导体开关V1、V2的节拍产生的功能性作为软件或算法地安装在微处理器M1、M2中。同样，用于执行连接和中断电路20的两个检验模式的功能性优选在程序技术上作为软件或算法地安装到微处理器M1、M2中并因此安装到控制或调节装置6中。
基于两个控制模块1a和1b的冗余以及由于它们的连结和相互的监控，当其中一个控制模块1a或1b实施错误功能或完全失效时，总是会触发安全功能。由此，确保了高度的自身安全性并且进而整体上确保了驱动控制设施1的很高的安全系数。
本发明并不局限于之前描述的实施例。相反地，本领域技术人员也可从中推导出本发明的其它变型方案，而不偏离本发明的主题。此外，所有结合实施例描述的单个特征尤其也可以不同的方式彼此组合，而不偏离本发明的主题。
附图标记列表
1控制设施
1aHS控制模块
1bLS控制模块
2电机/三相电动机
3变频器
4变换器电路
5阈值开关/施密特触发器
6控制/调节装置
7阈值开关/比较器
8开关
9额定值-实际值比较器
10PWM调节器
11元件/光耦合器
12数据箭头
19端子
20连接/中断电路
20a、20b检验通道
21、22电路分支
23分离/接地电路
24中间截取端
25电压分压器
26分压/电势截取端
A12、A22输出端
C11、C21缓冲电容器
C12、C22滤波电容器
D1、D2二极管
D11、D21反极性保护二极管
D12、D22整流二极管
D13、D23发光二极管(LED)
DIS1、DIS2输入端
E11、E21第一输入端
E12、E22第二输入端
F1、F2光电晶体管
G1、G2控制输入端/栅极
LP1、LP2初级绕组
LS1、LS2次级绕组
M1、M2微处理器
OUT输出端
R1、R2电阻
R3、R4电阻
RL1、RL2负载电阻
SA1、SA2传感器截取端
S1、S2传感器信号
SE1、SE2输出端
SW1、SW2输入端
SK控制/开关信号
ST驱控信号
SHS高压侧控制信号
SLS低压侧控制信号
T1、T2变压器
T1、T2半导体开关
T3、T4半导体开关
U1供应电压
U2电压端子
U2a、U2b端子侧
UA输出端电压
UE输入端电压
Ui实际值
US额定值
UMax最大值
V1、V2半导体开关
Z1、Z2截取端

Claims (23)

1.一种用于将电机(2)的驱动逆变器(3)的电压端子(U2)与供应电压(U1)连接起来和安全地分离的设备，所述设备带有
-连接和中断电路(20)，其带有两个联接在所述供应电压(U1)或其端子(19)与所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)之间的电路分支(21、22)，和
-控制和/或调节装置(6)，其在电路技术上和/或程序技术上设立用于：经由所述电路分支(21、22)将所述供应电压(U1)接到所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)上，以及在第一检验模式中，阻断其中一个电路分支(21、22)并且从该电路分支(21、22)中读取传感器信号(SE1、SE2)，而另一电路分支(22、21)是接通的并将所述供应电压(U1)引导到所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)上。
2.根据权利要求1所述的设备，
其特征在于，
所述电路分支(21、22)具有半导体开关(T1、T2)，所述半导体开关接在用于所述供应电压(U1)的所述端子(19)与所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)之间，并且在驱控侧接到所述控制或调节装置(6)上，所述电路分支还具有延伸至所述控制或调节装置(6)的传感器截取端(SA1、SA2)。
3.根据权利要求2所述的设备，
其特征在于，
所述传感器截取端(SA1、SA2)在所述半导体开关(T1、T2)，尤其是发射极侧或源极侧，与二极管(D1、D2)之间延伸。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，
其特征在于
带有两个检验通道(20a、20b)的冗余的连接和中断电路(20)，其中，第一检验通道(20a)在输出侧与所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)的第一端子侧(U2a)，尤其是高压侧连接，而第二检验通道(20b)在输出侧与所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)的第二端子侧(U2b)，尤其是低压侧连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，
其特征在于，
所述控制或调节装置(6)在电路技术上和/或程序技术上设立用于：尤其是由于触发了安全功能而将所述供应电压(U1)与所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)之间的经由所述电路分支(21、22)建立的连接中断。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，
其特征在于，
所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)经由能驱控的分离或接地电路(23)被引导至所述供应电压(U1)的参考电势。
7.根据权利要求6所述的设备，
其特征在于，
所述分离电路(23)包括两个串联联接的且能借助所述控制或调节装置(6)驱控的半导体开关(T3、T4)，所述半导体开关带有延伸至所述控制装置(6)的中间截取端(24)。
8.根据权利要求7所述的设备，
其特征在于，
所述分离电路(23)包括与所述半导体开关(T3、T4)并联联接的电压分压器(25)，所述电压分压器具有延伸至所述控制或调节装置(6)的、尤其是与所述半导体开关(T3、T4)的中间截取端(24)连接的电势或电压截取端(26)。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的设备，
其特征在于，
在中断所述供应电压(U1)与所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)之间的经由所述电路分支(21、22)建立的连接期间，所述控制或调节装置(6)产生用于所述分离电路(23)的控制信号，从而所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)被引导至所述供应电压(U1)的参考电势。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的设备，
其特征在于，
在所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)与所述供应电压(U1)分离的情况下，当所述分离电路(23)的两个半导体开关中的第一半导体开关(T3、T4)接通而第二半导体开关(T3、T4)断开时，和/或当所述分离电路(23)的两个半导体开关中的第二半导体开关(T3、T4)接通而第一半导体开关(T3、T4)断开时，所述控制或调节装置(6)以第二检验模式检测所述半导体开关(T3、T4)的中间截取端(24)上的电压。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的设备，
其特征在于，
在所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)与所述供应电压(U1)分离的情况下，当所述分离电路(23)的两个半导体开关(T3、T4)都断开时，所述控制或调节装置(6)以所述第二检验模式检测所述半导体开关(T3、T4)的中间截取端(24)上的电压或所述电压分压器(25)的电势截取端(26)上的电压。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备，
其特征在于
尤其冗余地实施的变换器电路(4)，所述变换器电路具有变压器(T)，所述变压器在初级侧带有用于提供来自输入端电压(UE)的电势隔离的输出端电压(UA)的半导体开关(V)以及在次级侧具有整流器(D)，所述控制或调节电路(6)后置于所述整流器，其中，尤其冗余地实施的控制或调节装置(6)在电路技术上和/或程序技术上设立用于：当所述输出端电压(UA)超过最大值(UMax)时，产生用于所述驱动逆变器(3)的控制信号(SHS、SLS)用以触发安全功能，并且产生用于所述半导体开关(V)的驱控信号(ST)。
13.根据权利要求12所述的设备，
其特征在于，
所述控制或调节装置(6)具有以所述变换器电路(4)的输出端电压(UA)来加载的比较器和阈值开关功能(7、8)，用以激活用于所述半导体开关(V)的驱控信号(ST)。
14.根据权利要求12或13所述的设备，
其特征在于，
所述控制或调节装置(6)包括额定值-实际值-比较器(9)和后置于所述额定值-实际值-比较器的脉冲调制器(20)，用以根据所述变换器电路(4)的输出端电压(UA)与电压额定值(US)的偏差来调整所述半导体开关(V)的工作频率。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的设备，
其特征在于，
所述半导体开关(V)在控制侧经由电隔离的元件(11)，尤其是光耦合器，与所述控制或调节装置(6)连接。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的设备，
其特征在于，
阈值开关(5)后置于或配属于所述控制或调节装置(6)，所述变换器电路(4)的输出端电压(UA)向所述阈值开关输送，用以产生用于变频器(3)的二进制的控制信号(SHS、SLS)，
-其中，当所述输出端电压(UA)超过上阈值(U1)时，所述控制信号(SHS、SLS)携有用于运行所述变频器(3)的高电平，并且
-其中，当所述输出端电压(UA)低于下阈值(U2)时，所述控制信号(SHS、SLS)携有触发安全功能的低电平。
17.一种用于将电机(2)的驱动逆变器(3)的电压端子(U2)与供应电压(U1)连接起来或安全地分离的方法，其中，所述供应电压(U1)经由带有两个电路分支(20a、20b)的连接和分离电路(20)被引导到所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)上，
-其中，在第一检验模式中，其中一个电路分支(20a、20b)是阻断的并且从该电路分支(20a、20b)中读取传感器信号(S1、S2)，而另一电路分支(20a、20b)是接通的并将所述供应电压(U1)引导到所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)上，并且
-其中，根据所述传感器信号(S1、S2)来检测被相应地阻断的电路分支(20a、20b)是否能够具有如下功能性，即，将所述供应电压(U1)引导到所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)上或者将它们分离。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述驱动逆变器(3)的与所述供应电压(U1)分离的电压端子(U2)经由能控制的分离电路(23)被引导至所述供应电压(U1)的参考电势。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述驱动逆变器(3)的电压端子(U2)与所述供应电压(U1)分离的情况下，在第二检验模式中，首先，第一半导体开关(T3)被接通，并且所述分离电路(23)的与之串联的第二半导体开关(T4)被断开，和/或所述第二半导体开关(T4)被接通，并且所述第一半导体开关(T3)被断开，以及紧接着检测所述分离电路(23)的电压并且评估所述电压，用以检验所述分离电路(23)的功能。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，当所述分离电路(23)的两个半导体开关(T3、T4)断开时，在所述第二检验模式中检测所述分离电路(23)的电压分压器(25)的截取端(26)上的电压并且评估所述电压，用以检验所述分离电路的功能。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，由输入端电压(UE)产生电势隔离的输出端电压(UA)，从所述输出端电压产生用于所述驱动逆变器(3)的控制信号(SHS、SLS)，用以使所述驱动逆变器按规定地运行并用以触发安全功能，以及产生用于周期性地接到所述输入端电压(UE)的半导体开关(V)的驱控信号(ST)，并且当输出端电压(UA)超过开关阈值(UMax)时，对所述输出端电压进行限制。
22.电机(2)的驱动控制设施(1)，所述驱动控制设施具有根据权利要求1至16中任一项所述的设备。
23.电机(2)的按照根据权利要求17至21中任一项所述的方法来工作的驱动控制设施(1)。
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