CN108417441B - 用于运行至少一个继电器的电路布置系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行至少一个继电器的电路布置系统，该电路布置系统包括：电压供给装置，该电压供给装置能为所述至少一个继电器提供运行电压，电子开关、继电器的继电器线圈以及分流电阻在运行电压与接地线之间被彼此串联地电连接；以及电流调节器，该电流调节器被构造使得该电流调节器能尤其是利用脉宽调制来驱控电子开关并且能调节流过继电器线圈的控制电流。所述电路布置系统包括至少一个传感器件以及包括分析单元，所述至少一个传感器件设置用于检测作用于继电器的振动、冲击或振荡，所述分析单元用于分析由所述传感器件检测到的传感器数据，所述电流调节器构成用于以经所述分析单元分析的传感器数据为基础调节控制电流。

Description

用于运行至少一个继电器的电路布置系统
技术领域
本发明涉及一种用于运行至少一个继电器的电路布置系统，该电路布置系统：包括电压供给装置，该电压供给装置能为所述至少一个继电器提供运行电压，其中，电子开关、所述至少一个继电器的继电器线圈以及分流电阻在运行电压与接地线之间被彼此串联地电连接；以及还包括电流调节器，该电流调节器构成使得：该电流调节器能尤其是利用脉宽调制来操控电子开关并且能调节流过继电器线圈的控制电流。
背景技术
众所周知，继电器是电磁开关。这样的由现有技术以各种不同的实施方式已经的继电器适合于多种技术应用目的并且例如也可以被用于安全开关设备。继电器具有带铁磁芯的继电器线圈，该继电器线圈被连接到电路布置系统上并且能够由该电路布置系统提供控制电流。此外，继电器包括可运动的铁磁衔铁以及于该衔铁耦合的一个或多个继电器触点。在运行期间电流流过继电器线圈，该电流本身通过铁磁芯产生磁通。由此，所述衔铁吸引并且接通与该衔铁耦合的继电器触点。衔铁本身与回位弹簧耦合，该回位弹簧构成用于在继电器线圈不再被电气控制电流流过时通过弹簧力将衔铁运送到其初始位置中。在实际应用中，在所谓的静态型电流继电器(Ruhestromrelais)与动作型电流继电器(Arbeitsstromrelais)之间进行区分。静态型电流继电器的特征在于：在其静止状态(Ruhezustand)下电流流过继电器线圈并且衔铁被吸引。借助静态型电流继电器例如可以监控断电或断线。与此相对地，动作型电流继电器在其静止状态下是无电流的。
现今，安全开关设备根据标准IEC1131按照在24V+10％(所谓的过电压)至24V-15％(所谓的最低电压)的区间内的电气运行电压来设计。因此，在最低电压的情况下还存在24V-15％＝20.4V的电气运行电压。以18V至20V的继电器电压运行的继电器通常被用于安全开关设备的电路中。
继电器基本的缺点在于：继电器对冲击、振荡以及其它振动的反应相对敏感。在最低电压的情况下，装备有至少一个继电器的安全开关设备必须在电路技术上针对所有可能的冲击、振动和振荡进行设计，以便不可能无意地断开继电器触点。出于该目的，需要高的电气保持功率，以便能够提供足够大的力，从而衔铁即使在振动时也能够将继电器触点保持在接通位置中。
在典型的24V运行电压中，电气保持功率被提高，因为由于较高的电压也有更多电流流过继电器线圈。在24V+10％＝26.4V的过电压中，稍微较高的电流再次流过继电器线圈，从而由于出现损耗功率而产生大量余热。
通常，在供电线长的大型技术设备中常常设定较高的电压，以便确保安装在该技术设备的终端上的电消耗器也不具有最低电压。在此，在配电箱中存在略微的过电压，所述略微的过电压导致显著的由较高电流引起的热损耗，如果所述较高电流不被下调(nachregeln)的话。出于该目的，可以有意义地使用电流调节器。在此，继电器的保持电流与运行电压无关地被调整至所需的电气励磁电流。因此能够相应地减少继电器的驱控功率。
由US 2006/0007627 A1已知一种智能继电器系统，该继电器系统具有至少一个继电器并且具有传感器以及控制装置。在此存在能够检测外部振动的可能性，所述智能继电器系统相应地可能对所述外部振动做出反应。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种开头所述类型的用于运行至少一个继电器的电路布置系统，该电路布置系统能够实现进一步降低继电器的电气损耗功率并且因此减少余热。
所述任务的解决方案提供一种根据本发明的电路布置系统。
按照本发明的电路布置系统的特征在于，所述电路布置系统包括至少一个传感器件以及包括分析单元，该至少一个传感器件设置用于检测作用于继电器的振动、冲击或振荡，所述分析单元用于分析由所述传感器件检测到的传感器数据，其中，所述传感器件构成为加速度传感器件，该加速度传感器件设置用于检测沿至少一个空间方向作用于所述至少一个继电器的加速度，所述分析单元构成使得该分析单元能通过在时间上对测得的加速度值进行微分来确定在继电器的区域中存在的急动度，其中，所述电流调节器构成用于以经所述分析单元分析的传感器数据、例如经所述分析单元确定的急动度为基础调节控制电流。所述继电器优选可以是具有强制导向的继电器触点的安全继电器，该安全继电器可以被用于安全开关设备中。本发明从如下构思出发：通过使用合适的传感器件获得关于从外部作用于继电器的可能的振动、冲击、振荡或其它干扰量的信息并且符合需求地调节流过继电器线圈的控制电流。当继电器没有遭受振动、冲击、振荡或其它类似的外部干扰影响时，继电器触点的由振动引起的脱离危险相对低，因而继电器可以以低的控制电流运行并且因此能够降低损耗功率。当继电器遭受到相应的振动、冲击、振荡等时，电器触点的由振动引起的脱离风险较大，因而有利地以较高的控制电流运行继电器线圈。动态地符合需求地调节继电器线圈的控制电流在整体上提供降低继电器损耗功率的显著优点。试验已经表明，当持续检测作用于继电器的振动、振荡或类似干扰影响并且相应地下调控制电流时，能够实现将控制电流降低直至制造商规格的50％。所述电流调节器优选构成PI调节器，在该PI调节器中调节偏差的累积导致调节偏差最后变为零。因此，PI调节器有利地不具有残余的调节偏差。
优选地，传感器件以及分析单元可以被集成于继电器中。由此尤其是得到结构空间优点。此外，传感器件以及分析单元不必被安装在外部。
在一种优选的实施方式中提出，所述传感器件构成为加速度传感器件，该加速度传感器件设置用于检测沿至少一个空间方向作用于所述至少一个继电器的加速度。这样的单轴加速度传感器件在许多情况下是足够的。所述(一个)空间方向尤其是可以与继电器衔铁的轴线相关联，因为沿所述方向作用的加速度是特别关键的。优选地，所述加速度传感器件可以是微机电系统(MEMS)。针对特定的应用情况，例如两个继电器必须彼此垂直地布置。为了考虑到所述情况，在一种特别优选的实施方式中，所述加速度传感器件可以设置用于检测沿至少两个空间方向、优选沿三个空间方向作用于所述至少一个继电器的加速度。所述加速度传感器件尤其是可以布置在电路布置系统的电路板上(优选在继电器的空间附近)。
在一种进一步的实施方式中例如也存在如下可能性：所述加速度传感器件构造成九轴的并且包括陀螺仪以及磁力计。该实施方式能够实现特别精确地确定作用于所述至少一个继电器的加速度。
在一种特别优选的实施方式中提出，所述加速度传感器件具有如下采样率，该采样率为至少1kHz、优选为至少3kHz、尤其是为至少5kHz。高的采样率和数据率能够实现在可能的振动、冲击、振荡或其它干扰影响方面快速分析所述至少一个继电器的当前运行状态。就此而言已经被证明为特别有利的是，加速度传感器件的采样率为至少5kHz。除电流调节器之外，在电路布置系统中实现如下硬件和软件，所述硬件和软件能够以5kHz的采样率并且因此每隔200μs分析是否需要如下调节干预，该调节干预需要改变通过继电器线圈的控制电流。
优选地，所述电子开关可以是双极晶体管。该实施方式能够实现电子开关的特别鲁棒的构造。
在一种有利的实施方式中提出，所述分析单元构成使得该分析单元能通过在时间上对测得的加速度值进行微分来确定在继电器的区域中存在的急动度。已被证明的是：急动度是合适用于检测冲击、振动或振荡对所述至少一个继电器的作用的运动学参量。
优选地，所述电流调节器可以构成使得该电流调节器在急动度≥所述急动度的临界阈值(即，j≥j临界)时提高流过继电器线圈的控制电流。优选地，所述急动度的临界阈值可以被以可调用的方式存储在只读存储器中，所述临界阈值对于不同继电器类型可以是不同的。
在一种优选的实施方式中存在如下可能性：所述电流调节器构成使得该电流调节在急动度＜所述急动度的临界阈值(即，j＜j临界)时递减地降低流过继电器线圈的控制电流。所述递减的降低可以如此程度地进行，直到达到同样与继电器类型有关的最小控制电流I最小。该最小控制电流I最小可以处于由继电器制造商规定的保持电流的大约50％的范围内。
在一种特别优选的实施方式中可以规定，所述继电器线圈具有如下线圈电压，该线圈电压小于由电压供给装置提供的运行电压的一半。例如可以使用具有9V继电器电压的继电器。在运行电压为24V时，脉宽调制的占空比(所谓的“Duty Cycle”)为大约30％。由于9V至24V的大的电位差，调节差值导致高的线圈电流，并且因此能够迅速达到控制电流的新期望值。由此，能够有利地进一步降低继电器的保持功率。此外，具有9V继电器电压的继电器线圈还具有其它显著的优点：迄今为止，电压中断或运行电压下降至16V之下导致装备有所述继电器的安全开关设备的故障。现在，所述安全开关设备能够按照规定运行直至电压为10.5V为止。此外，具有9V线圈电压的继电器线圈具有较厚的线圈线，该线圈线在绕线过程中极少断裂，从而得到在制造时的优点。绕线时间明显较短，从而继电器的制造成本也降低。此外，所述较厚的线圈线比构造得非常薄的线圈线明显更便宜。
附图说明
本发明的其它特征和优点借助以下参考附图1对一种优选实施例的说明而变得清楚，该附图示出用于驱控继电器2的电路布置系统1的示意性极其简化的示图，该电路布置系统根据本发明的一种优选实施例构造。
具体实施方式
继电器2(该继电器尤其可以是安全开关设备的安全继电器)以本身已知的方式具有带有铁磁芯的继电器线圈20、可运动的铁磁衔铁以及与所述衔铁耦合的一个或多个继电器触点。电路布置系统1还包括在此没有明确示出的电压供给装置，该电压供给装置可以提供运行电压3。在该实施例中，电压供给装置提供大小为24V(DC)的运行电压3。电子开关4、继电器2的继电器线圈20以及分流电阻5在运行电压3与接地线GND之间被彼此串联地电连接。在此，所述继电器线圈20布置在电子开关4与分流电阻5之间。
电子开关4优选利用半导体技术构造。电子开关4当前是双极pnp型晶体管。在一种备选的实施方式中，电子开关4例如也可以构造成场效应晶体管(FET)。电路布置系统1还具有控制和分析装置6，该控制和分析装置被连接到电子开关4上。控制和分析装置6当前构造为微控制器。备选地，控制和分析装置6例如也可以由微处理器连同所属的外围设备构成。
在控制和分析装置6中实现电流调节器60。该电流调节器60这样构成，使得该电流调节器能够利用脉宽调制(PWM)驱控电子开关4，从而流过继电器线圈20的控制电流能够被调节至限定的电流值。在继电器线圈20与分流电阻5之间设有量取分支(Abgriff)7，该量取分支被连接到控制和分析装置6的A/D转换器61上。所述控制和分析装置6——尤其是在该控制和分析装置中实现的电流调节器60——这样构造，使得该控制和分析装置通过量取分支7能够测量在分流电阻5上的电压并且由此能够确定流过继电器线圈20的控制电流。
借助上述电流调节器60例如原则上能够实现将通过继电器线圈20的控制电流与运行电压3无关地调节至用于继电器2的继电器触点的保持电流额定值。由此已经能够以有利的方式降低继电器2的电气保持功率。然而，就此而言值得期望的是，能够更进一步降低继电器2的电气保持功率。然而在此出现如下问题：当电气控制电流以及因此电气保持功率也被调整至过低的值时，继电器2的继电器触点在振荡、冲击、振动的影响或其它外部干扰影响下可能脱离。为了弥补该问题，在此所说明的电路布置系统1此外具有至少一个加速度传感器件8，该至少一个加速度传感器件被连接到控制和分析装置6上。在所述控制和分析装置6中，分析单元62被实现用于分析由加速度传感器件8提供的加速度信息。在此，目标在于足够快地检测当前作用于继电器2的振动，所述振动可能导致继电器触点脱离。优选地，加速度传感器件8这样构成，使得该加速度传感器件能够以5kHz的采样率测量作用于电路布置系统1的以及因此也作用于继电器2的加速度。因此，分析单元62在每200μs的时间间隔中获得加速度传感器件8的加速度测量值。
所述加速度传感器件8这样构造，使得该加速度传感器件能够测量沿至少一个空间方向的加速度。该空间方向尤其是可以与继电器衔铁的轴线相关联，因为沿该方向作用的加速度是特别关键的。三轴加速度传感器件8已经被证明是特别有利的，该三轴加速度传感器件能够求取沿三个彼此正交的空间方向的加速度。优选地，所述加速度传感器件8可以是微机电系统(MEMS)。根据一种有利的进一步方案，所述加速度传感器件8也可以构造成九轴的并且包括陀螺仪以及磁力计。由此获得特别精确的加速度测量值。
分析单元62这样配置，使得该分析单元能够通过在时间上对测得的加速度值进行微分来确定当前在继电器2的区域中存在的急动度j。出于该目的，在分析单元62中实现相应的分析算法，该分析算法能够通过形成加速度的第一时间导数来确定急动度j。所述控制和分析装置6具有可读取的只读存储器63，临界的继电器特定的急动度阈值j临界被以可调用的方式存储在所述只读存储器中。
当j≥j临界时，由电流调节器60提高流过继电器线圈20的控制电流，从而增大电气保持功率。由此，能够有效地防止由于冲击、振动或振荡的影响而导致继电器触点脱离。与此相对地，当j＜j临界时，由电流调节器60递减地降低流过继电器线圈20的控制电流，从而降低电气保持功率。控制电流的降低最多如此程度地进行，直到实现继电器特定的最小允许的保持电流I最小，不应低于该最小允许的保持电流。如果所述急动度j达到或超过临界的急动度阈值j临界，则通过继电器线圈20的电流再次被提高。就此而言应注意，继电器线圈20由于自感应效应而抵抗电流变化。继电器线圈20的时间常数τ＝R/L不是线性的并且也与通过继电器线圈20的电流大小有关，其中，R是电阻并且L是电感。所述电流调节器60当前构成PI调节器，在该PI调节器中调节偏差的累积导致调节偏差最后变成零。因此，PI调节器有利地不具有残余的调节偏差。
使用具有如下继电器线圈20的继电器2已经被证明是有利的，该继电器线圈以明显小于运行电压3(当前是24V)的一半的继电器电压运行。例如可以使用具有9V继电器电压的继电器2。在运行电压为24V时，脉宽调制的占空比(所谓的“Duty Cycle”)为大约30％。在探测到急动度j≥j临界时，脉宽调制被调整至100％，从而在电气的运行电压为24V并且继电器电压为9V时可能引起大的电流变化。因此，在急动度j≥j临界的情况下及时提高通过继电器线圈20的电流，其方式为将脉宽调制设定为100％或完全接通。因此，这种急动度导致调节偏差，电流调节器60立即调整该调节偏差。如果达到电流期望值(该电流期望值在冲击、振动或振荡时不导致继电器2的继电器触点脱离)，则电流再次被下调并且脉宽调制采用较小的值。
借助在此介绍的电路布置系统1能够实现：相对于制造商规格迅速见效地降低流过继电器线圈20的控制电流，但在此不危及运行安全。由此，能够显著降低损耗功率并且与此关联地也降低继电器2的余热，但这不会关联到在振动、冲击或振荡时的可靠性丧失。研究已经得出，控制电流能够被减小至如下值，该值为由继电器制造商规定的保持电流的大致50％，从而能够显著减少继电器2的自加热。

Claims (12)

1.用于运行至少一个继电器(2)的电路布置系统(1)，该电路布置系统包括：
-电压供给装置，该电压供给装置能为所述至少一个继电器(2)提供运行电压(3)，其中，电子开关(4)、所述至少一个继电器(2)的继电器线圈(20)以及分流电阻(5)在运行电压(3)与接地线(GND)之间被彼此串联地电连接；以及
-电流调节器(60)，该电流调节器构成使得：该电流调节器能驱控电子开关(4)并且能调节流过继电器线圈(20)的控制电流；
其特征在于，所述电路布置系统(1)包括至少一个传感器件以及包括分析单元(62)，所述至少一个传感器件设置用于检测作用于继电器(2)的振动、冲击或振荡，所述分析单元用于分析由所述传感器件检测到的传感器数据，其中，所述传感器件构成为加速度传感器件(8)，该加速度传感器件设置用于检测沿至少一个空间方向作用于所述至少一个继电器(2)的加速度，所述分析单元(62)构成使得该分析单元能通过在时间上对测得的加速度值进行微分来确定在继电器(2)的区域中存在的急动度，其中，所述电流调节器(60)构成用于以经所述分析单元(62)确定的急动度为基础调节控制电流。
2.根据权利要求1所述的电路布置系统(1)，其特征在于，所述加速度传感器件(8)设置用于检测沿至少两个空间方向作用于所述至少一个继电器(2)的加速度。
3.根据权利要求1或2所述的电路布置系统(1)，其特征在于，所述加速度传感器件(8)构造成九轴的并且包括陀螺仪和磁力计。
4.根据权利要求1或2所述的电路布置系统(1)，其特征在于，所述加速度传感器件(8)具有如下采样率，该采样率为至少1kHz。
5.根据权利要求1或2所述的电路布置系统(1)，其特征在于，所述电子开关(4)是双极晶体管。
6.根据权利要求4所述的电路布置系统(1)，其特征在于，所述采样率为至少3kHz。
7.根据权利要求4所述的电路布置系统(1)，其特征在于，所述采样率为至少5kHz。
8.根据权利要求1或2所述的电路布置系统(1)，其特征在于，所述电流调节器(60)构成使得该电流调节器在所述急动度≥急动度的临界阈值时提高流过继电器线圈(20)的控制电流。
9.根据权利要求8所述的电路布置系统(1)，其特征在于，所述电流调节器(60)构成使得该电流调节在所述急动度＜急动度的临界阈值时递减地降低流过继电器线圈(20)的控制电流。
10.根据权利要求1或2所述的电路布置系统(1)，其特征在于，所述继电器线圈(20)具有如下线圈电压，该线圈电压小于由电压供给装置提供的运行电压(3)的一半。
11.根据权利要求2所述的电路布置系统(1)，其特征在于，所述加速度传感器件(8)设置用于检测沿三个空间方向作用于所述至少一个继电器(2)的加速度。
12.根据权利要求1或2所述的电路布置系统(1)，其特征在于，所述电流调节器能利用脉宽调制来驱控电子开关(4)。
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