CN109313993B - 用于高压功率开关的弹簧储能驱动器和用于运行弹簧储能驱动器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高压功率开关的弹簧储能驱动器以及一种用于运行弹簧储能驱动器的方法，其中弹簧储能驱动器包括至少一个弹簧和至少一个用于至少一个弹簧的张紧电机(1)。弹簧储能驱动器包括至少一个整流器电路(4)，该整流器电路由恰好一个与张紧电机(1)串联连接的二极管(5)构成。

Description

用于高压功率开关的弹簧储能驱动器和用于运行弹簧储能驱 动器的方法

技术领域

本发明涉及一种用于高压功率开关的弹簧储能驱动器和一种用于运行弹簧储能驱动器的方法，其中弹簧储能驱动器包括至少一个弹簧和用于至少一个弹簧的至少一个张紧电机。

背景技术

功率开关接通或者断开高电压和电流的电流路径、特别是在高达若干10000V和高达若干1000A的范围内的电流路径。为此需要大的机械能。为了提供所需的机械能，使用弹簧储能驱动器。在这些驱动器中，机械弹簧利用电机经由传动机构张紧，直至弹簧机械啮合。弹簧被锁止以防止自我松弛，从而能量存储在弹簧中。通过触发装置可以解除锁止，其中弹簧松弛并且释放存储的动能以用于功率开关的开关操作。

用于使弹簧张紧的电机类型关于结构和技术特征彼此区分。串励电机或者通用电机适用于在直流和交流电压下使用。因此，用于特定的直流电压值的电机也可以用于两倍幅值的交流电压。在开关设备中，例如使用该特征，以便将同一个电机用于220Vac的电网运行，或者替换地用于110Vdc的电池运行。

串励电机或者通用电机由于其转速-转矩特性曲线不适用于任何驱动配置。因此，为了使弹簧储能器或者弹簧张紧还使用并励电机，并励电机的转速比串励电机更小地受到转矩影响。然而，并励电机属于直流电机并且因此不提供先前描述的关于供电电压形式的灵活性的优点。

到目前为止，针对不同的电压和电压形状使用直流电机的不同的实施。绕组的结构相应于额定电压而变化。此外，针对交流电压运行，使用具有附加的整流器的电机，这对于直流电压运行不是必须的。

作为整流器可以使用桥式整流器，其特别是集成在用于交流电压运行的电机电路中。以格雷茨电路(Graetz-Schaltung)形式实现的双脉冲桥式整流器通过将交流电压的每个负半波移位到正电压范围中来将交流电压转换为脉冲的直流电压。由此产生对电机进行驱动的直流电压等效。在此需要至少两个电机变形方案。一个变形方案用于直流电源，另一个变形方案用于两倍高的交流电源。如果不区分这些电机变形方案，则在整流后的两倍大的交流电压中运行时，在设计用于直流电压运行的电机中会产生四倍的功率。由此会损坏电机。

发明内容

本发明要解决的技术问题是避免或者减少上述问题。特别地，本发明要解决的技术问题是，提供用于高压功率开关的弹簧储能驱动器和用于运行弹簧储能驱动器的方法，其可以实现在直流电压和交流电压中使用同一个电机、尤其是并励电机来使弹簧储能驱动器的弹簧张紧。特别地，张紧电机可以在不损坏电机的条件下以相比于直流电压两倍大的交流电压和以直流电压运行。不同的弹簧驱动器应该能够通过电机变形方案在直流电压和交流电压中运行，以便能够节约成本以及实现简单的结构。

该技术问题根据本发明通过根据本发明的用于高压功率开关的弹簧储能驱动器和/或根据本发明的，特别是在使用之前描述的弹簧储能驱动器的条件下的，用于运行弹簧储能驱动器的方法来解决。根据本发明的用于高压功率开关的弹簧储能驱动器和/或用于运行弹簧储能驱动器的方法的有利的实施在本发明中给出。在此，本发明的对象可以彼此组合，并且可以与本发明的一个或多个特征彼此组合。

根据本发明的用于高压功率开关的弹簧储能驱动器包括至少一个弹簧和至少一个用于至少一个弹簧的张紧电机。弹簧储能驱动器包括至少一个整流器电路，该整流器电路由恰好一个与张紧电机串联连接的二极管形成。

通过具有恰好一个与张紧电机串联连接的二极管的整流器电路，对于施加在电路上的交流电压仅为张紧电机提供电压的半波。另外的半波被抑制。在例如220Vac的交流电压中，相比于一半大的、110Vdc的直流电压，可以为张紧电机提供两倍的功率。在使用双脉冲桥式整流器时，特别是使用具有四个二极管的格雷茨电路时，相比于根据本发明的仅具有一个与张紧电机串联连接的二极管的电路，相比于一半的直流电压在交流电压中为张紧电机提供了四倍的功率。由此会损坏张紧电机。在交流电压和直流电压中必须使用不同的电机变形方案。

在根据本发明的仅具有一个与张紧电机串联连接的二极管的弹簧储能驱动器中，在交流电压中相比于一半的直流电压仅为张紧电机提供两倍的功率。由此避免对张紧电机的损坏，并且可以在交流电压中以及在直流电压中、特别是在相比于交流电压一半的直流电压中可以使用同一个张紧电机、特别是并励电机。

所需的不同的张紧电机变形方案的减少节约了成本并且简化了用于高压功率开关的弹簧储能驱动器的结构。对于不同的功率开关变形方案和弹簧储能驱动器变形方案可以使用标准化的张紧电机。

弹簧储能驱动器的二极管可以是半导体二极管。半导体二极管是低成本的、有效的并且对于不同的功率要求是容易获得的。

张紧电机可以包括壳体、特别是金属壳体，并且二极管可以与壳体热接触，特别是用于通过壳体来冷却二极管。由此可以实现从二极管到环境的良好的散热。良好的冷却、特别是通过例如由具有良好导热率的金属制成的大的电机壳体的良好的冷却可以防止二极管的损坏。弹簧储能驱动器由此变得更可靠、需要较少的维护，此外这还节约了成本，并且还省去了用于二极管的附加的冷却装置。

二极管可以布置在壳体中、特别是直接热传导地固定在壳体上。二极管可以集成在电机电源的电路中。由此可以以上面描述的优点实现弹簧储能驱动器的节省空间的、紧凑的结构形式。

桥式整流器、特别是根据格雷茨电路形式的桥式整流器可以包括二极管，其中桥式整流器的恰好一个二极管与张紧电机电气串联连接，特别是连接为，使得在交流电压中，交流电压的半波经由二极管在导通方向上施加在张紧电机上，并且张紧电机可以由该半波来驱动，并且其中，特别地，桥式整流器的三个二极管分别彼此串联连接，并联于与张紧电机串联的一个二极管，并且三个二极管彼此连接为，使得没有电流流经所述三个二极管。

由此可以使用具有桥式整流器的标准电机，并且通过另外的接线根据本发明在相比于直流电压的两倍的交流电压中以一半的损耗功率运行。新的接线减少了电机损坏的风险。在此，现有的高压功率开关可以通过简单地改变电路连接来改建。三个二极管并联于与电机串联连接的二极管，并且在两个电流方向上阻止电流流经具有三个二极管的并联支路。电流仅可以经由具有一个二极管的电路支路流到电机，由此以简单的措施实现根据本发明的由之前的桥式整流器电路或者根据本发明的弹簧储能驱动器组成的电路。

该一个二极管可以由子二极管构成，其以相同的导通方向彼此串联和/或并联连接。可以利用产生该一个二极管的特性的一个二极管或者两个二极管或者更多个二极管来实现相同的效果。由此，例如两个依次连接的二极管(在其上分别降落该一个二极管的一半的电压，其具有相同的导通方向)产生该一个二极管或者与该一个二极管相同的电效应。类似地，例如两个并联连接的二极管(经由两个二极管分别流过该一个二极管的一半的电流，其中两个二极管具有朝着电机的相同的导通方向)产生该一个二极管，或者产生与该一个二极管相同的电效应。

弹簧储能驱动器可以包括恰好一个张紧电机、特别是用于直流和交流电压的张紧电机和/或并励电机。由此实现了之前描述的优点，特别是节省了成本。

根据本发明的用于运行弹簧储能驱动器、特别是之前描述的弹簧储能驱动器的方法具有以下步骤。至少一个弹簧由至少一个张紧电机张紧，以用于驱动高压功率开关，其中至少一个张紧电机经由如下的电路提供电压，该电路包括恰好一个以导通方向与张紧电机串联的二极管，其导致在交流电压中在张紧电机上提供用于驱动张紧电机的电压的半波，并且在另外的半波范围中阻止流经张紧电机的电流。

恰好一个张紧电机可以用于张紧至少一个弹簧，该张紧电机以直流电压和交流电压运行，特别是在相比于直流电压两倍大的交流电压的情况下，以相比于直流电压中的功率两倍的功率运行。

根据本发明的用于运行弹簧储能驱动器的方法的优点类似于根据本发明的用于高压功率开关的弹簧储能驱动器的之前描述的优点，反之亦然。

附图说明

下面在图1至图7中示意性地示出并更详细地描述本发明的实施例。

在此附图中：

图1以侧视图示意性地示出了用于高压功率开关的弹簧储能驱动器的弹簧的张紧电机1，和

图2示出了具有根据现有技术以桥式整流电路7连接的四个二极管的张紧电机1，和

图3示出了根据本发明的仅具有一个二极管5的、用于高压功率开关的弹簧储能驱动器的整流器电路4，和

图4示出了在具有半波的交流电压中的图3的整流器电路4的电压曲线，和

图5示出了在张紧电机1的壳体3上的外部连接的二极管5，和

图6示出了在张紧电机1的壳体3的内部连接的二极管5，和

图7示出了根据本发明的二极管5的串联电路4，其利用根据现有技术的张紧电机1实现，该张紧电机具有预设的桥式整流器电路7。

具体实施方式

图1以侧视图示意性地示出了用于高压功率开关的弹簧储能驱动器的弹簧的张紧电机1。出于简单起见，在附图中未示出诸如弹簧储能驱动器的弹簧、传动装置和高压功率开关的运动链的其他元件的元件。所示的张紧电机1包括壳体3和用于将张紧电机1电气连接到电源的电触头2。电源可以提供直流电压或者交流电压来驱动张紧电机。例如，可以在张紧电机1的触头2上施加220Vac的交流电压或者110Vdc直流电压。

在图2中示出了根据现有技术具有以桥式整流器电路7连接的四个二极管的张紧电机1。这些二极管连接为，使得在电机1上始终施加正电压。这是必要的，由此电机1总是以相同的旋转方向运动并且使弹簧张紧。在施加直流电压时，直流电压通过桥式整流器电路7以其形状不变地施加到或者转送到电机1。在交流电压的情况下，交流电压的负半波分别翻转或转变到正向的范围中，使得在电机1上施加交流电压的正半波和翻转到正向的半波。

在电机类型或者电机1用于直流电压和交流电压时，例如用于以来自220Vac电网的交流电压以及在停电的情况下以来自电池或者其他紧急电源的110Vdc来张紧弹簧时，在电机1上始终施加正电压，正电压导致固定的旋转方向以卷绕/张紧一个或多个弹簧。在220Vac的电网运行中，桥式整流器电路7导致电压或者电流的高的剩余波纹度，相比于例如应急电源情况下在电机1上的110Vdc直流电压，在电机1上具有四倍功率。电机1上的高功率能够导致损坏或者使得必须针对高功率设计电机1，这导致高的成本以及使得可能必须在直流电压和交流电压中使用不同的电机。

图3示出了根据本发明的仅具有一个二极管5的、用于高压功率开关的弹簧储能驱动器的整流器电路4。二极管5与张紧电机1串联4连接。作为二极管5可以使用例如半导体二极管、特别是半导体功率二极管。二极管5与张紧电机1的串联电路4导致电压曲线6，如其在图4中所示的那样。交流电压的负半波不允许从二极管通过，只有交流电压的正半波施加到张紧电机1上并用于张紧弹簧。在直流电压中，在电压的极性正确的前提条件下，全部的电压施加到电机1上并且允许电流通过二极管5。全部的直流电压可以由电机1用于张紧弹簧。

二极管5与张紧电机1的串联电路4在220Vac的交流电压中在电机1上导致相比于例如在应急电源情况下在电机1上的110Vdc直流电压的两倍的功率。电机具有比在桥式整流器电路7中的四倍功率更小地负荷并且电压的剩余波纹度也更小。在直流电压和交流电压中，在电机1上始终施加正电压，因为在交流电压中，电压的负半波由二极管5截止或者不允许通过，即被过滤掉了。电机1始终以相同的方向旋转以张紧一个或多个弹簧。由于在交流电压中相比于桥式整流器电路7在电机1上实现较小功率，所以可以在直流电压和交流电压中使用同一个电机1或者电机类型，和/或电机1可以被简单地且低成本地设计。特别地，不同的弹簧储能驱动器可以根据不同的要求以同一个电机类型运行，其中标准化导致成本节约。

图5示出了在图3中示出的仅具有一个二极管5的整流器电路4的可能的实现。二极管5在张紧电机1的壳体3上在外部固定在两个触头2之间。在一个触头2处可以连接电源的一个极，在另一个触头2处可连接或者连接电机1。电源的另一极也与电机1连接。

图6示出了二极管5在壳体3处与电机1经由触头2串联的电气连接，如其类似于图5可使用的那样。不同于图5，二极管在图6中布置在壳体3中。壳体3同时可以表示电机3的外壳并且在图6中以剖视图看到示意性示出的电路连接。

二极管5可以布置在壳体3的外部，例如特别是在电路板上与电源连接。替换地，二极管5可以在壳体3外部或者壳体3内部布置在壳体3的两个触头2之间，特别是与电机1的元件一起。二极管还可以固定在壳体3上，使得壳体用作二极管5的冷却表面。为此，例如二极管5的冷却表面可以热传导地与壳体3连接，例如通过导热粘合剂或者通过诸如螺纹连接、熔焊和/或焊接的金属连接。

在图7中示出了根据本发明的张紧电机1与二极管5的串联电路4，其利用根据现有技术的具有预设或者预安装的桥式整流器电路7的张紧电机1实现。在此，二极管5例如以阴极连接到电机1的一个极，其中电机1的另一极与电压源的一个极连接。电压源的另一极例如与二级管5的阳极电气连接。由此，张紧电机1与一个二极管5连接为串联电路4。桥式整流器电路7的另外三个二极管布置在与该一个二极管5并联的支路中，其中三个二极管的彼此之间的布置阻止电流流经该并联支路。

三个二极管中的两个以其阳极侧彼此电气连接，并且第三二极管与所述两个二极管串联连接，方式是，第三二极管以阳极侧与另外两个二极管之一的阴极侧连接。由此，不取决于电压的极性，并联支路中的三个二极管中的至少一个始终布置在截止方向上，并且电流不能流经该支路。因此，桥式整流器电路7的四个二极管中只有一个二极管5用于弹簧储能驱动器的整流器电路或者电机1。因此，通过在电压源和电机1之间仅将一个二极管5与电机1串联连接，可以将张紧电机1与根据现有技术的桥式整流器电路7一起用于根据本发明的弹簧储能驱动器的整流器电路。如果需要，通过改变在现有技术的桥式整流器电路7与根据本发明的弹簧储能驱动器的整流器电路之间的电路连接可以进行变换，反之亦然。

上面描述的实施例可以彼此结合和/或可以与现有技术结合。因此，例如可以使用不同类型的二极管，诸如半导体二极管、整流二极管和/或齐纳二极管。与电机1串联连接的一个二极管5可以以二极管5的阴极或者阳极与电机1的一个极电气连接。由此，可以确定电机的旋转方向。可以使用不同的电机类型，特别设计用于220Vac和110Vdc的电压范围的电机类型。直流电机变形方案可以用于具有不同要求的不同弹簧储能驱动器，特别是具有用于直流电源和两倍大的交流电压源的相应的电磁设计的直流电机变形方案。由此还实现了张紧电机1的布线中的反极性保护。

附图标记列表

1张紧电机

2触头

3壳体

4串联电路

5二极管

6电压的半波

7桥式整流器电路

8连接了桥式整流器电路的仅一个二极管

Claims (14)

1.一种用于高压功率开关的弹簧储能驱动器，其具有至少一个弹簧和至少一个用于至少一个弹簧的张紧电机(1)，其中包括至少一个整流器电路(4)，所述整流器电路由恰好一个与张紧电机(1)串联连接的二极管(5)构成，

其特征在于，

所述二极管(5)包含在根据格雷茨电路形式的桥式整流器(7)中，其中桥式整流器的恰好一个二极管(5)与张紧电机(1)电气串联连接，使得在交流电压中交流电压的半波经由二极管(5)在导通方向上施加在张紧电机(1)上，并且张紧电机能够由所述半波驱动，并且其中，桥式整流器(7)的三个二极管分别彼此串联连接并且并联于所述与张紧电机串联连接的一个二极管(5)，并且所述三个二极管彼此连接为，使得没有电流流经所述三个二极管。

2.根据权利要求1所述的弹簧储能驱动器，其特征在于，所述二极管(5)是半导体二极管。

3.根据权利要求1所述的弹簧储能驱动器，其特征在于，所述张紧电机(1)包括壳体(3)，并且所述二极管(5)与所述壳体(3)热接触，以便通过壳体(3)来冷却二极管(5)。

4.根据权利要求3所述的弹簧储能驱动器，其特征在于，所述二极管(5)布置在壳体(3)中。

5.根据权利要求3所述的弹簧储能驱动器，其特征在于，所述二极管(5)直接热传导地固定在壳体(3)上。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的弹簧储能驱动器，其特征在于，所述壳体(3)是金属壳体。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的弹簧储能驱动器，其特征在于，所述二极管(5)集成在电机电源的电路中。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的弹簧储能驱动器，其特征在于，所述一个二极管(5)由子二极管构成，所述子二极管以相同的导通方向彼此串联和/或并联连接。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的弹簧储能驱动器，其特征在于，所述弹簧储能驱动器包括恰好一个张紧电机(1)。

10.根据权利要求9所述的弹簧储能驱动器，其特征在于，恰好一个张紧电机(1)是用于直流和交流电压的张紧电机。

11.根据权利要求9所述的弹簧储能驱动器，其特征在于，所述张紧电机(1)是并励电机。

12.一种用于运行根据上述权利要求中任一项所述的弹簧储能驱动器的方法，其特征在于，至少一个弹簧由至少一个张紧电机(1)张紧，以用于驱动高压功率开关，其中至少一个张紧电机(1)经由如下的电路提供电压，所述电路包括恰好一个以导通方向与张紧电机(1)串联的二极管(5)，所述二极管导致在交流电压中在张紧电机(1)上提供电压的半波，以用于驱动张紧电机(1)，并且在另外的半波范围中阻止流经张紧电机(1)的电流。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，恰好一个张紧电机(1)被用于张紧至少一个弹簧，所述张紧电机以直流电压和交流电压运行。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，恰好一个张紧电机(1)被用于张紧至少一个弹簧，在相比于直流电压两倍大的交流电压的情况下，所述张紧电机以相比于直流电压中的功率两倍的功率运行。

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