CN112740351B - 用于电气开关的开关驱动机构的电动机设备及其运行方法 - 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机构(10)的电动机设备(12)，该电动机设备具有电动机(14)和用于控制电动机(14)的控制设备(16)，该控制设备(16)具有：整流器单元(34)，如果供电电压(U0)是交流电压，则用于对电动机设备(12)的供电电压(U0)进行整流，并且如果供电电压(U0)是直流电压，则用于极性反接保护；电压测量单元(36)，用于采集供电电压(U0)或整流器单元(34)的整流器输出电压；开关单元(38，62)，用于从供电电压(U0)或从整流器输出电压产生用于电动机(14)的驱动电压(Uou)；以及控制单元(44)，用于依据所采集的供电电压或整流器输出电压(U0，Ui)来控制开关单元(38，62)。规定：电动机(14)是能够以直流电流来运行的电动机(14)，并且开关单元(38，62)是用于为该能够以直流电流来运行的电动机(14)产生直流驱动电压(Uou)的开关单元(38，62)。本发明还涉及一种对应的方法。

Description

用于电气开关的开关驱动机构的电动机设备及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种用于电气开关的开关驱动机构的电动机设备以及一种用于运行这种电动机设备的方法。
背景技术
用于闭合或断开中、高电压和电流的电流路径的电气开关需要大量的机械能来移动开关的开关触头。
例如，通常使用存储机械能的开关驱动机构、例如弹簧储能驱动机构来移动断路器的开关触头。在弹簧储能驱动机构中，通常利用电动机经由传动装置张紧弹簧、例如螺旋弹簧。弹簧锁止以防止自主松弛，使得能量保持存储在弹簧中。通过触发设备，可以通过释放弹簧的锁止来释放所存储的能量，使得弹簧松弛。由此，可以利用可用的所存储的能量来实施开关操作。
与断路器不同，隔离开关通过(例如，由电动机)直接驱动开关触头来引起所定义的对近似无负载的电气电路的中断。在此，由于可以更缓慢地进行开关触头的无负载(无功率)的隔离，因此省去了对能量的存储。
用于电气开关的开关驱动机构的电动机的供电电压由于规范和应用要求而多种多样，并且除了电压水平之外，在电压类型方面也不同，电压类型例如可以是单相或三相交流电压或者是直流电压。因此，针对电气开关的开关驱动机构使用不同的电动机类型和电动机实施方案。对电动机的控制功能、保护功能、锁止功能和监视功能是通过多个构件变形和接线变形来实现。构件差异和接线差异提高了安装电动机的成本和错误率。
出版物DE 10 2016 218 334 A1示出了一种用于先前所描述的电气开关的开关驱动机构的电动机设备。该电动机设备包括无刷电动机和用于控制电动机的电子控制设备，该控制设备本身包括：(i)整流器单元，如果供电电压是交流电压，则用于对电动机设备的供电电压进行整流，并且如果供电电压是直流电压，则用于极性反接保护；(ii)电压测量单元，用于采集整流器单元的整流器输出电压；(iii)开关单元，用于直接从供电电压或整流器单元的整流器输出电压产生用于电动机的脉冲宽度调制的交流驱动电压，以及(iv)控制单元，用于依据所采集的供电电压或整流器输出电压来控制开关单元。
发明内容
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机构的电动机设备和一种对应的运行方法，其中，电动机设备可以以不同的供电电压水平和电动机电压水平来运行并且可以简单地且低成本地制造。
根据本发明，上述技术问题通过权利要求1和10的特征来解决。
本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的用于电气开关的开关驱动机构的电动机设备包括电动机和用于控制电动机的控制设备，其中，该控制设备本身具有以下组件：(i)整流器单元，如果供电电压是交流电压，则用于对电动机设备的供电电压进行整流，并且如果供电电压是直流电压，则用于极性反接保护；(ii)电压测量单元，用于采集供电电压或整流器单元的整流器输出电压；(iii)开关单元，用于从供电电压或从整流器单元的整流器输出电压产生用于电动机的驱动电压，以及(iv)控制单元，用于依据所采集的供电电压或整流器输出电压来控制开关单元。规定：电动机是能够以直流电流来运行的电动机，并且开关单元是用于为该能够以直流电流来运行的电动机产生直流驱动电压的开关单元。直流驱动电压可以被构建为连续的直流电压或调制后的直流电压。通过使用能够以直流电流来运行的电动机或者使用对应的直流驱动电压作为驱动电压，在相同的功能性下，用于产生驱动电压的开关单元至少可以被显著地更简单地构建，并且由此还可以比从现有技术中已知的开关单元价格更加低廉。
这种电动机设备可以有利地以不同的供电电压来运行，其中，供电电压可以在其幅度和/或电压类型方面不同。整流器单元通过其对交流供电电压进行整流并且对直流供电电压提供极性反接保护，能够以单相或多相交流供电电压以及任何极性的直流供电电压进行选择性运行。从预先给定的供电电压产生用于电动机的直流驱动电压，使得可以将用于电动机的直流驱动电压与相应的供电电压以及与待驱动的构件的要求相匹配。由此，实现了电动机设备与供电电压的幅度和类型以及与待驱动的构件的最大程度上的独立性，使得电动机设备可以用于不同电气开关的开关驱动机构，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头。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，将能够以直流电流来运行的电动机用于不同的开关。在随后匹配供电电压时，本发明还有利地减少了修改开销。在生产技术方面，尤其取消了对用于监视和控制电动机的不同电气组件的安装和接线。通过与此相伴的标准化还降低了这些生产过程期间的错误概率。
根据本发明的优选的实施方式，能够以直流电流来运行的电动机是仅仅能够以直流电流来运行的直流电动机或串励电动机。串励电动机也被称为通用电动机，并且可以不仅以直流电流而且还以交流电流来运行。
根据本发明的另外优选的实施方式，开关单元被构建为简化的降压转换器，或者包括简化的降压转换器。降压转换器(也称为降压斩波器、降压调节器，英语：step-downConverter或buck Converter)是开关式直流转换器的一种相对简单的形式。降压转换器的输出电压始终低于降压转换器的输入电压的绝对值。
根据本发明的另外优选的实施方式，开关单元连接在整流器单元的下游，或者整流器单元具有开关单元。在第一种情况下，整流器单元和开关单元是分开的，并且在两个单元之间存在一种中间电路。在该情况下，电压测量单元采集整流器单元的整流器输出电压。在第二种情况下，整流功能和开关功能在一个单元、即整流器单元中实施。对应地，在该情况下，电压测量单元采集供电电压。
本发明的一种设计方案规定，控制设备具有电流测量单元，该电流测量单元用于采集开关单元与能够以直流电流来运行的电动机之间流动的电动机电流。本发明的这种设计方案有利地使得可以实现监视电动机电流，以便识别电动机的过载和故障。
本发明的另外的设计方案规定，控制设备具有电流隔离单元，该电流隔离单元用于将能够以直流电流来运行的电动机与控制设备电流隔离。例如，电流隔离单元具有继电器或接触器，以用于将电动机与控制设备进行电流隔离。本发明的这种设计方案有利地使得能够在识别到过载或故障的情况下安全地关断电动机。
本发明的另外的设计方案规定，控制单元具有输入部件，经由该输入部件，可以将至少一个外部设备的输入信号馈送到控制单元，或将至少一个外部设备的输入信号馈送到控制单元。特别地，经由输入部件将限位开关的输入信号馈送到控制单元，该限位开关用于采集开关驱动机构的终端位置。本发明的这种设计方案有利地使得能够利用控制单元来处理对于相应开关的运行相关的输入信号。例如，控制设备由此可以对输入信号(诸如对于锁止开关驱动机构的锁定要求)作出反应，并且在必要时可以关断电动机。用于采集开关驱动机构相对于开关单元的终端位置的限位开关的输入信号尤其能够实现利用控制单元监视开关驱动机构的终端位置。
本发明的另外的设计方案规定，控制单元具有输出部件，经由该输出部件，由控制单元将输出信号输出到至少一个外部设备上。本发明的这种设计方案有利地使得能够利用输出信号输出电动机和/或控制设备的状态，并且可以在另外的部件中、例如在传统的电气控制构件中对其进行进一步处理。
在根据本发明的用于运行先前所提及的电动机设备的方法中规定：
-借助整流器单元，如果供电电压是交流电压，则对电动机设备的供电电压进行整流，并且如果供电电压是直流电压，则提供极性反接保护，
-借助电压测量单元采集电动机设备的供电电压(U0)或者整流器单元的输出电压，以及
-借助开关单元产生用于能够以直流电流来运行的电动机的驱动电压，其中，借助控制单元依据借助电压测量单元所采集的供电电压或整流器输出电压来控制开关单元。与上面已经提及的根据本发明的电动机设备的优点相对应，得到根据本发明的方法的优点。
该方法的一种设计方案规定，借助控制单元产生用于能够以直流电流来运行的电动机的、经脉冲宽度调制的直流驱动电压。
该方法的另外的设计方案规定，采集开关单元与能够以直流电流来运行的电动机之间流动的电动机电流的幅度；预先给定幅度阈值；并且如果采集到的电动机电流的幅度超过幅度阈值，则关断能够以直流电流来运行的电动机。由此可以有利地防止过高的电动机电流的流动。
该方法的另外的设计方案规定，采集持续时间，在该持续时间期间电动机电流在开关单元与能够以直流电流来运行的电动机之间流动；预先给定时间阈值；并且如果采集到的持续时间超过时间阈值，则关断能够以直流电流来运行的电动机。由此，可以有利地防止电动机电流在过长的持续时间期间流动。
附图说明
结合以下对结合附图更详细地阐述的实施例的描述，上面所描述的本发明的特性、特征和优点以及如何实现其的方式将变得更加清楚并且更显著地容易理解。在此附图中：
图1示出了根据本发明的第一实施方式的电气开关和电动机设备的开关驱动机构的框图；
图2示出了根据本发明的第二实施方式的电气开关和电动机设备的开关驱动机构的框图；
图3示出了两个线图，其具有在电动机设备中出现的电压；
图4示出了图1的电动机设备中发生的运行过程；
图5示出了图2的电动机设备中发生的运行过程；以及
图6示出了图1中所示的电动机设备的示意性电路图。
具体实施方式
图1示出了电气开关的开关驱动机构10和用于该开关驱动机构10的电动机设备12的框图。电动机设备12具有能够以直流电流来运行的电动机14和用于控制该电动机14的电子控制设备16。在所示的示例中，开关驱动机构10是弹簧储能驱动机构，并且具有弹簧18、张紧轮20、将弹簧18与张紧轮20连接的耦合元件22、锁止单元24和触发单元26。能够以直流电流来运行的电动机14可以是通用直流电动机、串励直流电动机、并励直流电动机或永久励磁的直流电动机。为了简单起见，以下将其简称为电动机14。
电动机14通过传动装置28耦合到张紧轮20，以便使张紧轮20围绕旋转轴30在第一旋转方向上从第一终端位置旋转到第二终端位置。耦合元件22被实施为耦合杆，该耦合杆在一端与张紧轮20连接，并且在另一端与弹簧18连接，使得通过围绕旋转轴30在第一旋转方向上旋转张紧轮20来张紧弹簧18。
由此，可以通过电动机14来张紧弹簧18。通过锁止单元24可以锁止张紧轮20，使得张紧轮20的旋转被阻止，以防止弹簧18松弛。例如，锁止单元24为此具有锁止衔铁，该锁止衔铁将张紧轮20和/或耦合元件22锁定在第二终端位置，在该第二终端位置下弹簧18被张紧。
通过触发单元26可以释放对张紧轮20的锁止，以便开启弹簧18的松弛。由于弹簧18的松弛，张紧轮20从第二终端位置旋转到第一终端位置，并且开关的开关触头(未示出)被移动以中断电流路径。通过限位开关32采集张紧轮20的终端位置。
控制设备16具有整流器单元34、电压测量单元36、开关单元38、电流测量单元40、电流隔离单元42和控制单元44。整流器单元34包括整流器电路46和电容器48，该电容器连接在整流器电路46下游，该电容器可以被理解为中间电路电容器，并且形成对应的中间电路的输入端，在该中间电路中连接了电压测量单元36。控制单元44具有脉冲宽度调制单元50、关断单元52、时间和电流监视单元54、输入部件56和输出部件58。微控制器优选形成控制单元44。
整流器单元34与供电电压源60连接，从该供电电压源向电动机设备12供应供电电压U0。供电电压源60是单相或多相的交流电压源或直流电压源。
借助整流器单元34，如果供电电压U0是交流电压，则对供电电压U0进行整流，并且如果供电电压U0是直流电压，则提供极性反接保护，使得由整流器单元34输出整流器输出电压Ui，该整流器输出电压是具有预先给定的极性的直流电压。由整流器单元34将供电电压U0(其是直流电压)的或者供电电压U0(其是交流电压)的一部分的、与预先给定的极性有偏差的极性转换为预先给定的极性。
借助电压测量单元36采集整流器输出电压Ui的幅度。电压测量单元36是用于确定电压的电气或电子电路，并且例如具有分压器。在该实施例中，其被连接为使得其确定整流器输出电压(中间电路电压)Ui的幅度。
借助开关单元38从整流器输出电压Ui产生用于电动机14的经脉冲宽度调制的驱动电压Uou。为此，依据利用电压测量单元36所采集的整流器输出电压Ui的幅度，借助控制单元44控制开关单元38。
借助电流测量单元40采集在开关单元38与电动机14之间流动的电动机电流。电流测量单元40例如具有转换器线圈或分流电阻。
借助电流隔离单元42，可以将电动机14与控制设备16电流隔离。隔离单元42例如具有用于将电动机14与控制设备16进行电流隔离的继电器或接触器。
借助控制单元44的脉冲宽度调制单元50，依据整流器输出电压Ui生成脉冲宽度调制信号，利用这些脉冲宽度调制信号控制开关单元38。
借助控制单元44的时间和电流监视单元54，分析由电流测量单元40所采集的电动机电流。在此，确定电动机电流的幅度和持续时间，在该持续时间期间电动机电流流动。
如果电动机电流的幅度超过预先给定的幅度阈值或者如果在其期间电动机电流流动的持续时间超过预先给定的时间阈值，则借助控制单元44的关断单元52关断经由开关单元38的电动机电流。
经由控制单元44的输入部件56，可以将来自至少一个外部设备(相对于控制设备)的输入信号馈送到控制单元44。特别地，来自限位开关32的输入信号可以经由输入部件56馈送到控制单元44。依据输入信号，由输入部件56激活隔离单元42，以使电动机14与控制设备14电流隔离。
经由输出部件58，可以由控制单元44将输出信号输出到至少一个外部设备。利用输出信号，例如传输电动机14的状态和/或控制设备16的状态和/或开关驱动机构10的状态。
图2示出了用于电气开关的开关驱动机构10和用于开关驱动机构10的电动机设备12的框图，该电动机设备具有替换地设计的控制设备16。换言之，因此仅控制设备16被设计为与图1的示例中不同。然而，由于控制设备16的(图1和图2中的)两种设计具有非常多的共同特征，因此在此应当仅讨论不同之处。
最明显的区别是整流器单元34与开关单元38、62的关系。在图1中所示的控制设备16中，开关单元38连接在整流器单元34的下游，而图2的整流器单元34具有开关单元62。换言之，在图2的示例中，整流功能和开关功能在一个单元、即整流器单元34中实施，该整流器单元除了开关单元62之外还包括电容器48。电容器48用作平滑电容器。
由于电压测量单元36应当测量与供电电压U0成比例的电压，但是整流器单元34与开关单元62之间没有“中间电路”，因此电压测量单元36现在被连接为使得其本身可以测量或测量供电电压U0。
现在，借助控制单元44的脉冲宽度调制单元50，依据供电电压U0生成脉冲宽度调制信号，利用这些脉冲宽度调制信号控制开关单元62。
借助电流测量单元40再次采集在开关单元62与电动机14之间流动的电动机电流。由于在整流器单元34中电容器48连接在开关单元62的输出端，因此借助电流测量单元40在整流器单元34之后、即电容器48之后进行电流测量。
电子控制设备16的任务之一在于，产生直流电压，该直流电压设置电动机16的所期望的工作点。该直流电压是直流驱动电压Uou。
为此，通过受控地接通和关断开关单元38、62来调制具有正确极性并且必要时被整流的供电电压U0，从而产生脉冲式的方波电压，该方波电压的相对脉冲宽度与所需的直流电压平均值成比例。
通过控制单元44控制及时地接通和关断开关单元38、62的元件。在此，尤其经由该控制单元44的脉冲宽度调制单元50来进行控制。电子控制设备的另一任务在于，使电压脉冲的相对宽度与中间电路电压Ui匹配。在中间电路电压Ui上升的情况下，减小电压脉冲的相对宽度。在中间电路电压Ui减小的情况下，增大电压脉冲的相对宽度。以该方式，引入到电动机14中的电功率适合于所需功率并且被限制在最大允许功率。
在图3的左侧，与经脉冲宽度调制的输出电压一起示出了中间电路电压Ui，在右侧示出了明显更大的电压及其相关联的、具有较小占空比的经脉冲宽度调制的输出电压。从两个输出电压中得到了相同的输出电压平均值。因此以该方式，对于不同的供电电压U0或者对于变化的供电电压U0，可以为电动机14产生等效的驱动电压Uou。
结合电子控制设备和电动机14，得到了图4中简化地示出的、在图1的电动机设备12中发生的过程。
所定义的允许范围和几乎任何电压类型的供电电压U0馈送到电子控制设备16的输入端。电压U0在步骤S1中被整流并且在测量步骤SM中被测量。根据测量结果对脉冲宽度进行参数化，并将其转换为控制信号。控制信号控制降压转换，该降压转换将整流后的中间电路电压Ui转换为具有与电动机14的工作点相对应的直流电压平均值的、经脉冲宽度调制的直流电压(步骤S2)。然后，该经脉冲宽度调制的直流电压为电动机14供电。
替换地，得到了图5中简化地示出的、在图2的电动机设备12中发生的过程。在此，在步骤S1中所执行的整流之前，在上游的测量步骤SM中测量供电电压U0的大小和类型。在该情况下，对交流电压进行受控整流或者对直流电压进行时钟控制的接通。由此，中间电路的电压大小与电动机14的功率要求相匹配(步骤S2)，并且借助电容器48进行平滑。
图6示出了图1中所示的电动机设备12的实施例的电路图，其中，现在再一次详尽地示出结合图1提及的设计方案中的一些。因此，开关单元38被示为降压转换器，并且电流隔离单元42被示为继电器。在降压转换器与电流隔离单元42之间中间连接了LC低通滤波器。此外，现在还说明了可以利用直流电流来运行的电动机14(直流电动机)的具体电气连接和极性，并且可识别到电流测量单元40的转换器线圈。供电电压U0在此是三相供电电压U0。整流器单元34对应地是三相整流器单元。
附图标记列表
10 开关驱动机构
12 电动机设备
14 电动机
16 控制设备
18 弹簧
20 张紧轮
22 耦合元件
24 锁止单元
26 触发单元
28 传动装置
30 旋转轴
32 限位开关
34 整流器单元
36 电压测量单元
38 开关单元
40 电流测量单位
42 电流隔离单元
44 控制单元
46 整流电路
48 电容器
50 脉冲宽度调制单元
52 关断单元
54 时间和电流监视单元
56 输入部件
58 输出部件
60 供电电压源
62 开关单元
U0 供电电压
Ui 整流器输出电压
Uou 驱动电压
S1 整流步骤
S2 电压转换步骤
SM 测量步骤

Claims (11)

1.一种用于电气开关的开关驱动机构(10)的电动机设备(12)，所述电动机设备具有电动机(14)和用于控制电动机(14)的控制设备(16)，所述控制设备(16)具有：
-整流器单元(34)，如果供电电压(U0)是交流电压，则所述整流器单元用于对电动机设备(12)的供电电压(U0)进行整流，并且如果供电电压(U0)是直流电压，则所述整流器单元用于极性反接保护，
-电压测量单元(36)，用于采集供电电压(U0)或整流器单元(34)的整流器输出电压，
-开关单元(38，62)，用于从供电电压(U0)或从整流器输出电压(Ui)产生用于电动机(14)的驱动电压(Uou)，以及
-控制单元(44)，用于依据所采集的供电电压或整流器输出电压(U0，Ui)来控制所述开关单元(38，62)，
其中，所述电动机(14)是能够以直流电流来运行的电动机(14)，以及
-所述开关单元(38，62)是用于为所述能够以直流电流来运行的电动机(14)产生直流驱动电压(Uou)的开关单元(38，62)，
其特征在于，所述开关单元(38，62)被构建为降压转换器，或者包括降压转换器。
2.根据权利要求1所述的电动机设备，
其特征在于，
所述能够以直流电流来运行的电动机(14)是直流电动机或串励电动机。
3.根据权利要求1所述的电动机设备，
其特征在于，
所述开关单元(38)连接在所述整流器单元(34)的下游，或者所述整流器单元(34)具有所述开关单元(62)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电动机设备，
其特征在于，
所述控制设备(16)具有电流测量单元(40)，所述电流测量单元用于采集所述开关单元(38，62)与所述能够以直流电流来运行的电动机(14)之间流动的电动机电流。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电动机设备，
其特征在于，
所述控制设备(16)具有电流隔离单元(42)，所述电流隔离单元用于将所述能够以直流电流来运行的电动机(14)与所述控制设备(16)电流隔离。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的电动机设备，
其特征在于，
所述控制单元(44)具有输入部件(56)，经由所述输入部件，能够将至少一个外部设备的输入信号馈送到所述控制单元(44)，或者将至少一个外部设备的输入信号馈送到控制单元。
7.根据权利要求6所述的电动机设备，
其特征在于，
经由所述输入部件(56)将限位开关(32)的输入信号馈送到所述控制单元(44)，所述限位开关用于采集开关驱动机构(10)的终端位置。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的电动机设备，
其特征在于，
所述控制单元(44)具有输出部件(58)，经由所述输出部件，由所述控制单元(44)将输出信号输出到至少一个外部设备上。
9.一种用于运行根据权利要求1至8中任一项所构建的电动机设备(12)的方法，其中
-(S1)借助整流器单元(34)，如果供电电压(U0)是交流电压，则对电动机设备(12)的供电电压(U0)进行整流，并且如果供电电压(U0)是直流电压，则提供极性反接保护，
-(SM)借助电压测量单元(36)采集电动机设备(12)的供电电压(U0)或者整流器单元(34)的输出电压，以及
-(S2)借助开关单元(38，62)产生用于能够以直流电流来运行的电动机(14)的驱动电压(Uou)，其中，借助控制单元(44)依据借助电压测量单元(36)所采集的供电电压或整流器输出电压(U0，Ui)来控制所述开关单元(38，62)。
10.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于，
采集所述开关单元(38，62)与所述能够以直流电流来运行的电动机(14)之间流动的电动机电流的幅度；预先给定幅度阈值；并且如果采集到的电动机电流的幅度超过所述幅度阈值，则关断所述能够以直流电流来运行的电动机(14)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，
其特征在于，
采集持续时间，在所述持续时间期间电动机电流在所述开关单元(38，62)与所述能够以直流电流来运行的电动机(14)之间流动；预先给定时间阈值；并且如果采集到的持续时间超过所述时间阈值，则关断所述能够以直流电流来运行的电动机(14)。
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