CN109716472B - 用于电气开关的开关驱动器的电动机装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电气开关的开关驱动器(3)的电动机装置(1)。电动机装置(1)包括无刷三相电动机(5)和用于控制三相电动机(5)的电子控制装置(7)。控制装置(7)具有整流器单元(23)，其用于当供电电压(U1，U2)是交流电压时对电动机装置(1)的供电电压(U1，U2)进行整流，并且当供电电压(U1，U2)是直流电压时进行反极性保护。此外，控制装置(7)具有用于采集整流器单元(23)的整流器输出电压的电压测量单元(25)；用于根据整流器输出电压产生用于三相电动机(5)的脉冲宽度调制的驱动交流电压的开关单元(27)；以及用于依据整流器输出电压控制开关单元(27)的控制单元(33)。

Description

用于电气开关的开关驱动器的电动机装置
技术领域
本发明涉及一种用于电气开关的开关驱动器的电动机装置以及其运行方法。
背景技术
用于接通或断开中高电压和电流的电流通路的电气开关需要大的机械能来使开关的开关触点运动。
例如，为了使断路器的开关触点运动，通常使用储存机械能的开关驱动器，例如弹簧储能驱动机构。在弹簧储能驱动机构中，诸如螺旋弹簧的弹簧通常利用电动机通过传动机构张紧。弹簧被锁止以防止自主松弛，使得能量保持存储在弹簧中。通过触发装置，可以通过解除弹簧的锁止来释放所储存的能量，从而使弹簧松弛。因此，通过可用的所存储的能量可以实施开关动作。
不同于断路器，隔离开关通过直接地(例如由电动机)驱动开关触点导致定义的几乎无负载的电气电路的中断。在此省去对于能量的储存，因为可以较慢地进行对开关触点的无负载的(无功率的)隔离。
用于电气开关的开关驱动器的电动机的供电电压由于标准规范和应用要求是多种多样的，并且所述供电电压的区别除了电压高度之外还在于电压形式，电压形式例如可以是单相或三相的交流电压或者直流电压。因此，对于电气开关的开关驱动器会使用不同的电动机类型和电动机实施方案。电动机的控制、保护、锁止和监视功能通过大量的构件和布线变形方案实现。构件和布线改变增加了安装电动机的开销和故障率。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于电气开关的开关驱动器的电动机装置，该电动机装置对于不同的电动机供电电压是可用的。
上述技术问题根据本发明通过权利要求1的特征来解决。
本发明的有利的实施是从属权利要求的对象。
根据本发明的用于电气开关的开关驱动器的电动机装置包含无刷三相电动机和用于控制三相电动机的电子控制装置。控制装置具有整流器单元，其用于当供电电压是交流电压时对电动机装置的供电电压进行整流，并且当供电电压是直流电压时进行反极性保护(Verpolungsschutz)。此外，控制装置具有用于采集整流器单元的整流器输出电压的电压测量单元，用于根据整流器输出电压产生用于三相电动机的脉冲宽度调制的驱动交流电压的开关单元，以及用于依据整流器输出电压控制开关单元的控制单元。
电动机装置可以有利地以不同的供电电压运行，其中供电电压关于其幅值和/或电压形式可以不同。整流器单元通过对交流供电电压进行整流以及针对直流供电电压提供反极性保护，可以实现以单相或多相的交流供电电压以及以任意极性的直流供电电压的可选的运行。依据整流器输出电压，由整流器输出电压产生用于三相电动机的脉冲宽度调制的驱动交流电压，可以实现用于三相电动机的驱动交流电压匹配于相应的供电电压并且匹配于要驱动的构件的要求。由此实现了电动机装置与供电电压的幅值和形式以及与要驱动的构件之间的高度独立性，从而电动机装置可以用于不同电气开关的开关驱动器，例如用于张紧断路器的弹簧储能驱动机构的弹簧或者用于直接驱动隔离开关的开关触点。特别地，可以有利地减少用于不同开关的电动机变形的数量。代替不同的电动机，针对不同的开关使用无刷三相电动机。相对于其它电动机类型，使用无刷三相电动机具有如下优点：无刷三相电动机是特别低磨损的，因为不必电气接触其转子。此外，本发明还有利地减少了事后调整供电电压时的改装开销。在制造技术上，有利地消除了用于监视和控制发动机的不同电气部件的安装和布线。通过与此伴随的标准化还降低了在该制造过程期间的故障概率。
本发明的设计方案规定，控制装置具有用于采集在开关单元与三相电动机之间流动的电动机电流的电流测量单元。本发明的该设计方案有利地可以实现对电动机电流的监视，从而识别三相电动机的过载和功能失效。
本发明的另一个设计方案规定，控制装置具有用于将三相电动机与控制装置电流隔离的电流隔离单元。例如，电流隔离单元具有用于将三相电动机与控制装置电流隔离的继电器或接触器。本发明的该设计方案有利地使得可以在识别到过载或功能失效的情况下可靠地断开三相电动机。
本发明的另一个设计方案规定，控制单元具有输入组件，经由该输入组件可以向控制单元馈送至少一个外部设备的输入信号。特别地，经由输入组件向控制单元馈送用于采集开关驱动器的终点位置的终端开关的输入信号。本发明的此设计方案有利地可以实现，利用控制单元处理对于相应开关的运行重要的输入信号。例如，控制装置由此可以对诸如用于锁止开关驱动器的锁止要求的输入信号做出反应，并且，如果需要的话，断开三相电动机。用于采集开关驱动器的终点位置的终端开关的输入信号馈送到开关单元，特别是可以实现利用控制单元来监视开关驱动器的终点位置。
本发明的另一个设计方案规定，控制单元具有输出组件，经由该输出组件将输出信号从控制单元输出到至少一个外部设备。本发明的该设计方案有利地可以实现利用输出信号输出三相电机和/或控制装置的状态，并且在其它组件中，例如在传统的电气控制构件中进一步处理该输出信号。
本发明的另一个设计方案规定，针对三相电动机的每一相，开关单元具有可由控制单元脉冲宽度调制地控制的电子开关组件。本发明的该设计方案可以实现，通过控制电子开关组件针对三相电动机每一相产生用于三相电动机的脉冲宽度调制的驱动交流电压。
在根据本发明的用于运行根据本发明的电动机装置的方法中，当供电电压是交流电压时，利用整流器单元对电动机装置的供电电压进行整流，并且当供电电压是直流电压时，利用整流器单元提供反极性保护。此外，利用电压测量单元采集整流器输出电压。利用开关单元，根据整流器输出电压产生用于三相电动机的脉冲宽度调制的驱动交流电压，其中利用控制单元依据整流器输出电压来控制开关单元。根据本发明的方法的优点对应于上面已经提到的根据本发明的电动机装置的优点。
本方法的设计方案规定，利用控制单元针对三相电动机的每一相产生脉冲宽度调制信号，该脉冲宽度调制信号的调制度与整流器输出电压的幅值成反比。调制度被理解为时钟周期中的脉冲持续时间与脉冲宽度调制的时钟周期的周期持续时间T的商。脉冲宽度调制的调制度与电动机装置的供电电压的幅值的反比有利地补偿了不同供电电压的幅值差异，从而可以针对不同的供电电压分别产生相同的三相电动机的功率。
本方法的另一个设计方案规定，利用控制单元针对三相电动机的每一相产生脉冲宽度调制信号，该脉冲宽度调制信号的调制度匹配于三相电动机的功率的额定值。由此，同样地通过脉冲宽度调制的调制度可以有利地将三相电动机的功率设定为功率的额定值。
本方法的另一个设计方案规定，采集在开关单元和三相电动机之间流动的电动机电流的幅值，并且当所采集的电动机电流的幅值超过幅值阈值时断开三相电动机。由此可以有利地防止流过过高的电动机电流。
本方法的另一个设计方案规定，预先给定时间阈值，采集电动机电流在开关单元和三相电动机之间流动的持续时间，并且当所采集的持续时间超过时间阈值时断开三相电动机。由此可以有利地防止电动机电流流动的持续时间过长。
附图说明
本发明的上述特性、特征和优点以及实现它们的方式结合以下对实施例的描述变得更清楚和更易理解，这些实施例结合附图被更详细地阐述。附图中：
图1示出了电动机装置和电气开关的开关驱动器的框图，
图2示出了电动机装置的示意性电路图，
图3示出了电动机装置的两个供电电压的电压-时间线图和相应的电动机装置的三相电动机的脉冲宽度调制的相电压，以及
图4示出了用于运行电动机装置的方法的流程图。
彼此相应的部件在附图中以相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1示出了电气开关的开关驱动器3的框图和用于开关驱动器3的电动机装置1的框图。电动机装置1具有无刷三相电动机5和用于控制三相电动机5的电子控制装置7。开关驱动器3是弹簧储能驱动机构，并且具有弹簧9、张紧轮11、将弹簧9与张紧轮11连接的耦合元件13、锁止单元15和触发单元16。
三相电动机5通过传动机构17与张紧轮11耦合，从而使张紧轮11围绕旋转轴线19在第一旋转方向上从第一终点位置旋转到第二终点位置。耦合元件13被实施为联接杆，其在一端与张紧轮11连接并且在另一端与弹簧9连接，使得弹簧9通过张紧轮11围绕旋转轴线19在第一旋转方向上旋转而张紧。由此，弹簧9可以通过三相电动机5张紧。通过锁止单元15可以将张紧轮11锁止，使得张紧轮11在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上的旋转被阻止，以防止弹簧9松弛。例如，锁止单元15为此具有锁止锚，其将张紧轮11和/或耦合元件13锁定在弹簧9张紧的第二终点位置。通过触发单元16可撤除张紧轮11的锁止，从而释放弹簧9的松弛。通过松弛弹簧9，张紧轮11从第二终点位置旋转到第一终点位置，并且开关的(未示出的)开关触点运动，以中断电流通路。通过终端开关21来采集张紧轮11的终点位置。
控制装置7具有整流器单元23、电压测量单元25、开关单元27、电流测量单元29、电流隔离单元31和控制单元33。控制单元33具有脉冲宽度调制单元35、断开单元37、时间和电流监视单元39、输入组件41和输出组件43。
整流器单元23与供电电压源45连接，从该供电电压源为电动机装置1提供供电电压U1、U2。供电电压源45是单相或多相的交流电压源或直流电压源。
利用整流器单元23，当供电电压U1、U2是交流电压时，供电电压U1、U2被整流，并且当供电电压U1、U2是直流电压时，提供反极性保护，从而从整流器单元23输出整流器输出电压，该整流器输出电压是具有预先给定的极性的直流电压。供电电压U1、U2(其是直流电压)的或者供电电压U1、U2(其是交流电压)的一部分的、与预先给定的极性不同的极性，由整流器单元23转换成预先给定的极性。
利用电压测量单元25来采集整流器输出电压的幅值。电压测量单元25是用于确定整流器输出电压的幅值的电气或电子电路，并且具有例如分压器。
利用开关单元27根据整流器输出电压产生用于三相电动机的三相脉冲宽度调制的驱动交流电压。为此，利用控制单元33依据利用电压测量单元25采集的整流器输出电压的幅值来控制开关单元27。
利用电流测量单元29采集开关单元27与三相电动机5之间流动的电动机电流。电流测量单元29具有例如转换器线圈或分流电阻器。
利用电流隔离单元31可以将三相电动机5与控制装置7电流隔离。隔离单元31例如针对三相电动机5的每一相具有用于将相的相导线与控制装置7电流隔离的继电器或接触器。
利用控制单元33的脉冲宽度调制单元35依据整流器输出电压针对三相电动机5的每一相产生脉冲宽度调制信号，利用该脉冲宽度调制信号控制开关单元27。
利用控制单元33的时间和电流监视单元39来分析由电流测量单元29采集的电动机电流。在此，确定电动机电流的幅值和电动机电流流动的持续时间。
当电动机电流的幅值超过预先给定的幅值阈值时，或者当电动机电流流动的持续时间超过预先给定的时间阈值时，利用控制单元33的断开单元37通过开关单元27断开电动机电流。
经由控制单元33的输入组件41将来自至少一个外部设备的输入信号46供送给控制单元33。特别地，经由输入组件41将来自终端开关21的输入信号46馈送给控制单元33。依据输入信号，由输入组件41激活隔离单元31，以使三相电动机5与控制装置7电流隔离。
经由输出组件43，从控制单元33将输出信号47输出给至少一个外部设备。利用输出信号47传输例如三相电动机5的状态和/或控制装置7的状态和/或开关驱动器3的状态。
图2示出了电动机装置1的实施例的电路图。在该实施例中，电压测量单元25和电流测量单元29至少部分地集成到控制单元33中。针对三相电动机5的每一相，开关单元27具有可由控制单元33控制的电子开关组件48。每个开关组件48被设计为具有可由控制单元33控制的两个电子开关元件49的半桥。
图3示例性地示出了电动机装置1的两个不同供电电压U1、U2关于时间t的电压-时间线图，以及电动机装置1的三相电动机5中一相的两个脉冲宽度调制的相电压P1、P2关于时间的电压-时间线图。两个供电电压U1、U2都是单相正弦交流电压。第一供电电压U1的幅值为第二供电电压U2的幅值的一半。
第一脉冲宽度调制的相电压P1由开关单元27根据整流后的第一供电电压U1产生。第二脉冲宽度调制的相电压P2由开关单元27根据整流后的第二供电电压U2产生。
脉冲宽度调制的相电压P1、P2的区别在于矩形脉冲的脉冲高度和脉冲宽度调制的各个时钟周期中的调制度。时钟周期中的调制度被理解为时钟周期中的脉冲持续时间与时钟周期的周期持续时间T的商。依据时间t正弦地调制调制度，以产生用于三相电动机5的正弦形状的驱动电压。调制度的这种调制的频率通常不同于相应的供电电压U1、U2的频率，并且由针对三相电动机5要产生的正弦形状的驱动电压的频率的额定值规定(然而在图3所示的示例中，供电电压U1、U2和针对三相电动机5要产生的正弦形状的驱动电压具有相同的频率)。
矩形脉冲的脉冲高度必然与供电电压U1、U2的幅值成比例。因此，第一脉冲宽度调制的相电压P1的矩形脉冲的脉冲高度是第二脉冲宽度调制的相电压P2的矩形脉冲的脉冲高度的一半。
各个时钟周期中的调制度与供电电压U1、U2的幅值成反比，使得第一脉冲宽度调制的相电压P1的时钟周期中的调制度分别是第二脉冲宽度调制的相电压P2的对应的时钟周期中的调制度的两倍。针对各个供电电压U1、U2的调制度由控制单元33的脉冲宽度调制单元35依据整流器单元23的整流器输出电压确定，并且将其处理为用于控制开关单元27的脉冲宽度调制信号。
脉冲宽度调制的调制度与电动机装置1的供电电压U1、U2的幅值的反比补偿了不同供电电压U1、U2的幅值差，从而针对不同的供电电压U1、U2分别产生相同的三相电动机5的功率。此外，脉冲宽度调制的调制度还匹配于三相电动机5的功率的额定值。
图4示出了用于运行电动机装置1的方法的流程图。在第一方法步骤S1中，将供电电压U1、U2施加到控制装置7的输入端。在第二方法步骤S2中，当供电电压U1、U2是交流电压时，利用整流器单元23整流供电电压U1、U2，或者当供电电压U是反极性的直流电压时，反转供电电压U1、U2的极性。在第三方法步骤S3中，利用电压测量单元25采集整流器输出电压的幅值。在第四方法步骤S4中，利用控制单元33的脉冲宽度调制单元35，依据所采集的整流器输出电压，将脉冲宽度调制的调制度和周期持续时间T参数化，并且将其转换为用于控制开关单元27的脉冲宽度调制信号。在第五方法步骤S5中，利用脉冲宽度调制信号来控制开关单元27，并且利用开关单元27根据整流器输出电压来产生针对三相电动机5的三相脉冲宽度调制的驱动交流电压，利用该三相脉冲宽度调制的驱动交流电压驱动三相电动机5。
虽然通过优选的实施例进一步详细说明和描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，并且本领域技术人员可以从其中导出其它变形，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种用于电气开关的开关驱动器(3)的电动机装置(1)，所述电动机装置(1)包括
-无刷三相电动机(5)，
-和电子控制装置(7)，用于控制所述三相电动机(5)，
-所述控制装置(7)具有：
-整流器单元(23)，用于当供电电压(U1，U2)是交流电压时对电动机装置(1)的供电电压(U1，U2)进行整流，并且当供电电压(U1，U2)是直流电压时进行反极性保护，
-电压测量单元(25)，用于采集整流器单元(23)的整流器输出电压，
-开关单元(27)，用于根据所述整流器输出电压产生用于三相电动机(5)的脉冲宽度调制的驱动交流电压，
-和控制单元(33)，用于依据所述整流器输出电压控制所述开关单元(27)。
2.根据权利要求1所述的电动机装置(1)，其特征在于，所述控制装置(7)具有用于采集在开关单元(27)和三相电动机(5)之间流动的电动机电流的电流测量单元(29)。
3.根据权利要求1所述的电动机装置(1)，其特征在于，所述控制装置(7)具有用于将三相电动机(5)与控制装置(7)电流隔离的电流隔离单元(31)。
4.根据权利要求3所述的电动机装置(1)，其特征在于，所述电流隔离单元(31)具有用于将三相电动机(5)与控制装置(7)电流隔离的继电器或接触器。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电动机装置(1)，其特征在于，所述控制单元(33)具有输入组件(41)，经由所述输入组件向控制单元(33)馈送至少一个外部设备的输入信号(46)。
6.根据权利要求5所述的电动机装置(1)，其特征在于，经由所述输入组件(41)向控制单元(33)馈送用于采集开关驱动器(3)的终点位置的终端开关(21)的输入信号(46)。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的电动机装置(1)，其特征在于，所述控制单元(33)具有输出组件(43)，经由所述输出组件将输出信号(47)从控制单元(33)输出到至少一个外部设备。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的电动机装置(1)，其特征在于，针对三相电动机(5)的每一相，开关单元(27)具有可由控制单元(33)脉冲宽度调制地控制的电子开关组件(48)。
9.一种用于运行根据上述权利要求中任一项设计的电动机装置(1)的方法，其中
-当供电电压(U1，U2)是交流电压时，利用整流器单元(23)对电动机装置(1)的供电电压(U1，U2)进行整流，并且当供电电压(U1，U2)是直流电压时，利用整流器单元(23)提供反极性保护，
-利用电压测量单元(25)采集整流器输出电压
-以及利用开关单元(27)根据所述整流器输出电压产生用于三相电动机(5)的脉冲宽度调制的驱动交流电压，
-其中利用控制单元(33)依据所述整流器输出电压来控制所述开关单元(27)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，利用控制单元(33)产生针对三相电动机(5)的每一相的脉冲宽度调制信号，所述脉冲宽度调制信号的调制度与整流器输出电压的幅值成反比。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，利用控制单元(33)产生针对三相电动机(5)的每一相的脉冲宽度调制信号，所述脉冲宽度调制信号的调制度匹配于三相电动机(5)的功率的额定值。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，预先给定幅值阈值，采集在开关单元(27)和三相电动机(5)之间流动的电动机电流的幅值，并且当所采集的电动机电流的幅值超过幅值阈值时断开三相电动机(5)。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，预先给定时间阈值，采集电动机电流在开关单元(27)和三相电动机(5)之间流动的持续时间，并且当所采集的持续时间超过时间阈值时断开三相电动机(5)。
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