JP3831611B2 - 高いインダクタンスを有する電気的負荷を直流電圧源から遮断するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、電気的負荷を直流電圧源の電気エネルギー源、例えば蓄電池から安全に遮断するための装置に関する。負荷は、例えば高いインダクタンスを有する電動機のような電気消費機器であってよい。確実な遮断は、例えば障害の発生時に電気的負荷を強制停止するために必要となる。これは、例えば電気的負荷、例えば電動機負荷の望ましくない、コントロールされていない、かつ場合によっては危険でさえある動作から人を保護する役割をする。確実な遮断は通常リレーを用いて行われるので、その機能能力が保証されなければならない。
【０００２】
電気的負荷を安全に遮断するため、従来は特別な安全リレーを使用していた。これらは、機械的に強制駆動される多くの並列接点群を有する。接点群の１つは本来の負荷電流を伝達または遮断するための役割をするが、他方の接点群は検査電流を与えられる。この検査電流の評価により、強制駆動される接点群が望ましい開閉状態を示すか望ましくない開閉状態を示すか、即ち安全リレーが正常に機能しているか故障しているかが把握される。しかし冗長接点を用いた、リレーのこの形式の検査は費用がかかる。
【０００３】
本発明の課題は、特殊な安全リレーを使用せずにすむ遮断装置を提供することである。
【０００４】
この課題は請求項１にあげた遮断装置により解決される。本発明の有利な他の実施の形態は従属請求項にあげられている。
【０００５】
本発明による回路は、遮断の安全性を段階付けされた従来通常のリレーの“検査される冗長性”を用いて達成することを基礎としている。本発明による遮断装置の構成は、安全な遮断が、検査される冗長性および多様性の原理により達成されるという特別な利点を有する。それによって、特別な安全リレーの使用を省略することが可能である。その代わりにリレーＫ１、Ｋ２、Ｋ３に対して簡単な、例えば自動車用の大量生産により生産される、それぞれ一群の開閉接点しか有していないリレーが使用できる。本発明は、安全な遮断装置を、これまでは従来通常の安全回路に使用できなかった経済的なリレーの使用のもとに構成できるという利点を有する。
【０００６】
以下、図面に示す実施例により本発明をさらに説明する。
【０００７】
図面には例として、本発明に従って構成された、電気エネルギー供給源と電気的負荷との間に接続された遮断装置の原理回路図を示す。電気的負荷は、例えば電動機であり、かつ装置の構成部分であってよい。ここで図面の左側に、詳細には示さない電気エネルギー供給源から入力直流電圧Ｕｅが与えられ、他方において図面の右側から、詳細には示さない負荷に供給電圧Ｕａが与えられる。遮断装置が故障していない正規作動中、入力直流電圧Ｕｅが導線Ｌ１、Ｌ２を経て変化なしに電気的負荷の接続点まで伝達される。その場合、電気的負荷の供給電圧Ｕａは入力直流電圧Ｕｅと同一である。図面の例では、こうして導線Ｌ１が入力直流電圧Ｕｅを供給電圧Ｕａの接続点まで導き、他方において、導線Ｌ２が基準電位、例えば接地電位を導く。
【０００８】
本発明による遮断装置は、電気エネルギー供給源側に第１リレーＫ１を含む。その開閉接点Ｋ１１は入力直流電圧Ｕｅの供給点に続いて導線Ｌ１中に接続されており、かつ正常作動中は閉じている。さらに入力直流電圧Ｕｅの供給点と開閉接点Ｋ１１との間で、ヒューズＳが導線Ｌ１内に接続されている。接続された電気的負荷の方向に、第１リレーＫ１に第２リレーＫ２が続いている。Ｋ２の開閉接点Ｋ２１は導線Ｌ１とＬ２との間に接続され、正規作動中は開いている。
【０００９】
図示の本発明の別の実施例によれば、第２リレーＫ２に続いて第３リレーＫ３を配置する。その場合開閉接点Ｋ３１は、開閉接点Ｋ１１と直列に同じく導線Ｌ１中に接続され、かつ正常作動中は閉じている。開閉接点Ｋ３１の出力側に、最後に電気的負荷の供給電圧Ｕａに対する電圧が与えられる。
【００１０】
リレーＫ１、Ｋ２および場合によりさらにＫ３は、各々励磁巻線Ｋ１２、Ｋ２２および場合によりＫ３３を有する。ここでレリーズ信号線ＦＳから与えられる制御電圧Ｕｆが降下すると、これらのリレーが能動化され、かつ各開閉接点Ｋ１１、Ｋ２１そして場合によってはＫ３１が、上述の開閉位置を占める。従ってリレーＫ１、Ｋ３は“常時閉路リレー”と呼ばれ、リレーＫ２は“常時開路リレー”と呼ばれる。この正規作動中、入力直流電圧Ｕｅは、遮断装置による影響なしに制限されずに電気的負荷に対する供給電圧Ｕａとして利用される。
【００１１】
電気的負荷の遮断過程、即ち電気エネルギー供給源の入力直流電圧Ｕｅからの負荷への供給電圧Ｕａの切り離しは、図示の例ではレリーズ信号線ＦＳにおける制御電圧Ｕｆの降下により始まる。これにより、例えば電気的負荷を含む装置内部の、電気的負荷の強制遮断を必要とする障害の生起が報知される。障害発生の発見およびそれに続く制御電圧Ｕｆの遮断は、例えば電気的な負荷装置の内部に設けた適宜の開閉手段または検出器により行われる。このような要素は、図面を見易くするため図面には示していない。制御電圧Ｕｆの消滅によって、リレーＫ１、Ｋ２そして場合によってはＫ３の励磁巻線Ｋ１２、Ｋ２２および場合によってはＫ３２における励磁電圧も喪失するので、リレーは遮断過程の終了時に図面の原理回路図中の、図示したのとは反対の開閉状態となる。
【００１２】
本発明による遮断装置の動作方法は、一方ではリレーＫ１、Ｋ２および場合によっては追加的に存在するリレーＫ３が遮断過程の間、順にそれぞれ反対の開閉状態に移行することに基礎をおく。図面の例では、こうしてリレーＫ１が先ず開閉接点Ｋ１１を開く。それに続いてリレーＫ２の開閉接点Ｋ２１が閉じる。追加的にリレーＫ３が存在する場合には、最後に開閉接点Ｋ３１が開く。
【００１３】
能動化のこの順序を達成するため、リレーＫ１、Ｋ２および場合によってはＫ３の前に、原理図中の図示に相応して遅れ要素Ｋ１３、Ｋ２３および場合によってはＫ３３が接続されている。これらはそれぞれ順に大きな遅れ時間を持つ。図面の例では、リレーＫ１の遅れ要素Ｋ１３は遅れ時間ｔ０を持ち、リレーＫ２の遅れ要素Ｋ２３は遅れ時間ｔ０＋ｔ１を持ち、場合により追加的に存在するリレーＫ３の遅れ要素Ｋ３３は遅れ時間ｔ０＋ｔ１＋ｔ３を持つ。これらの段階的な遅れ時間により、リレーはＫ１、Ｋ２、Ｋ３の順序で動作する。
【００１４】
実際には、個々の遅れ要素Ｋ１３、Ｋ２３なしですまし、それにもかかわらずリレーの所望の順次の動作がＫ１で始まり、Ｋ２に続き、Ｋ３に続くようにできる。このことは、その原因が、“常時開路リレー”、即ちリレーＫ１の構成部品特有の固有開閉遅れが、“常時閉路リレー”、即ちリレーＫ２の固有開閉遅れよりも小さくてよいことにある。Ｋ１、Ｋ２の構成要素を適当に選定することで、こうしてリレーＫ２が追加的な措置なしに時間的にリレーＫ１の後に開閉する。場合によっては、追加的に設けた第３のリレーＫ３にのみ、個々の遅れ要素を追加すればよい。これは、例えば制御電圧Ｕｆに対して阻止方向に、励磁巻線Ｋ３２に対し並列接続したフリーホィーリングダイオードの形態で構成できる。
【００１５】
リレーＫ１、Ｋ２、Ｋ３のスイッチオフ遅れは、簡単な方法で受動的に実現できる利点がある。レリーズ信号線ＦＳ上の制御電圧Ｕｆの伝導は、高耐圧のダイオードを介して行われる。阻止方向における１つのダイオードの故障は電気的負荷の遮断に通じ、短絡方向における１つのダイオードの故障は遅れ作用をなくすが、電気的負荷を遮断する恐れはない。各リレーＫ１、Ｋ２、Ｋ３には、適当なフリーホィーリングダイオードが接続される。追加的に、抵抗をフリーホィーリングダイオードに対し直列に接続すると有利である。この抵抗が低い場合、コイル電流は残留磁界に基づいてなおある時間にわたり流れ続ける。この抵抗が高いとき、この電流の流れはより速く崩壊し、かつリレーはより速くレリーズする。抵抗の選定にあたっては、リレーのリレー機構のさまざまな速度も考慮に入れる。遮断時間を遅らす他の方法はコンデンサの使用である。
【００１６】
本発明による遮断装置を用いた遮断過程の進行を、以下に詳細に説明する。
【００１７】
制御電圧Ｕｆの降下後、リレーＫ１が遅れ時間ｔ０の経過時点で最初に反応する。常時閉路接点Ｋ１１が開き、入力直流電圧Ｕｅの側で遮断すべき負荷への電流供給を断つ。二番目にリレーＫ２が遅れ時間ｔ０＋ｔ１の経過後に反応する。常時開路接点Ｋ２１が閉じ、入力直流電圧Ｕｅを短絡する。リレーＫ１が前以て正しく切り離されていないと、ヒューズＳが溶断し、入力直流電圧Ｕｅを断つ。遮断の安全性を一層高めるために第３のリレーＫ３が存在している場合、この第３のリレーＫ３は遅れ時間ｔ０＋ｔ１＋ｔ２の経過後に反応する。その常時閉路接点Ｋ３１が開き、遮断すべき負荷の側で電流を断つ。
【００１８】
別の実施例によれば、本発明による遮断装置は追加的な検査回路ＴＳを持つ。そのため制御電圧Ｕｆがレリーズ信号線ＦＳを経て供給される。遮断状態のレリーズは検査回路ＴＳによりレリーズ信号導線ＦＳの評価によって確認される。これはそれに基づいて、励磁巻線Ｋ１２、Ｋ２２、Ｋ３２と導線Ｌ２上の接地電位との間の、接続導線Ｋ１４、Ｋ２４、Ｋ３４中に配置されている追加的な接点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を開く。それによってリレーＫ１、Ｋ２および場合によってはＫ３の誤った再スイッチオンが阻止される。
【００１９】
本発明による回路は、高いインダクタンスを持つ電気的負荷を安全に遮断するのに特に適している。一例として、例えば蓄電池、例えば２４Ｖの定格電圧を持つ鉛蓄電池から給電される直流電動機が挙げられる。このような負荷の強制遮断時の問題点は、特定の障害状況の際に短時間非常に大きい電流が電気的負荷により発生することにあり、これらの大電流が遮断装置により安全に遮断されなければならない。例えば焼損した出力終段に基づき直流電動機に非常に大きい電流が流れる。その際生ずる電動機の最大加速度は、特に危険な作動状態を惹起する。遮断装置のあらゆる場合に、安全な応答によって電動機を強制的に停止しなければならない。電動機の機械的な停止の際にも、出力終段の過負荷により非常に大きい電流が生じる。最後に、例えば直流電動機の出力終段の全ブリッジ中で短絡が生じたときも、強制的に遮断すべき大きい電流が発生する。
【００２０】
遮断開始時にリレーＫ１により先ず正規の切り離し過程を実行し、その際に全ての負荷電流を遮断しなければならない。この瞬間に負荷電流の極端なピーク値が生じたとすると、リレーＫ１の損傷が起こる。しかし実際上、リレーＫ１は、損傷にもかかわらず通常切り離し状態になる。
【００２１】
稀な例外的な場合にのみ、リレーＫ１が “固着” 障害に基づいて閉じた状態にとどまり、所望の切り離し過程を失敗することがある。リレーＫ１の機械的なジャミングも完全には排除できない。リレーＫ１が不作動の場合、安全な遮断が別のリレーＫ２により行われる。このリレーＫ２は入力直流電圧Ｕｅを短絡し、それに伴いヒューズＳが溶断する。この過程はリレーＫ１が不作動の際にしか生じないので、ヒューズＳの溶断はリレーＫ１の誤機能を報知し、従って修復のためヒューズＳもリレーＫ１も交換しなければならない。リレーＫ２による、入力直流電圧の短絡に基づくこの遮断は、遮断装置の安全性を顕著に高める。その理由は、コスト的に望ましいリレー接点を持つリレーＫ２を用いても、スイッチオン過程の際にアークが生じないので、非常に大きい電流がスイッチオン可能であることにある。従って、比較可能な接点により切り離し得る電流よりも何倍も大きい電流をスイッチオンできる。さらにリレーＫ２の能動化の際、一般には高い負荷電流が流れる状況が既に存在している。短絡リレーとしての役割を果たすリレーＫ２の閉路によりヒューズＳを作動させるために、リレーＫ２を通る僅かな追加的な電流の流れしか惹起されない。
【００２２】
本発明による遮断装置はフォールトトレラントである、即ち自ら故障に対して高い安全性を有する。なぜならば、正規の場合に遮断すべき電流の大部分を引き受けるリレーＫ１と並んで、追加的なリレーＫ２が冗長性のために存在しているからである。これは緊急事態でしか、即ちリレーＫ１が不作動のときしか必要とされず、かつ上述のように遮断過程の間も強く負荷されることがない。
【００２３】
本発明の別の実施例によれば、遮断装置のフォールトトレラント性、即ちその遮断の安全性が、遮断すべき負荷の側に直列に接続されている第３のリレーＫ３により一層顕著に高められる。リレーＫ３は、リレーＫ１およびＫ２が同時に不作動になったときのみ遮断過程をひき起こす。実際には、リレーＫ２も機械的に動かなくなっていること、またはヒューズＳが、例えば蓄電池により供給される入力直流電圧の降下に基づいて溶断しないことがあり得なくはない。この場合には、追加的なリレーＫ３が遮断を引き受ける。正規の場合、リレーＫ１またはＫ２が遮断すべき電流の大部分を引き受けるので、第３のリレーＫ３の開閉接点Ｋ３１は負荷されず、かつスイッチオフせず、その際に電流の流れを断たなくてよい。即ちリレーＫ３は、リレーＫ１またはＫ２よりもはるかに僅かな負荷をスイッチングすればよいので、その接点の損耗、従ってまたその故障確率は著しく僅かである。こうして第３のリレーＫ３により、非常に安全な遮断が行われる。
【００２４】
第３リレーＫ３を追加した本発明による遮断装置は、こうして三重の遮断冗長性により優れている。２つの負荷リレーＫ１およびＫ２が故障したときでさえ、僅かな負荷しか担わない第３のリレーによる遮断が、ほぼ常に保証される。リレーＫ１、Ｋ２およびＫ３により種々の遮断メカニズムが実行されることから、設計エラーに対する安全性も高まる。
【００２５】
本発明による遮断装置が追加的に検査回路ＴＳを有するならば、これによって遮断装置の再スイッチオンの前に全てのリレーの機能が検査される。
【００２６】
スイッチオン過程の開始の前提条件は、接続導線Ｋ１４、Ｋ２４、Ｋ３４内の開閉接点Ｓ１、Ｓ２およびＳ３が開いていることである。さらに第２リレーＫ２と第３リレーＫ３との間の導線Ｌ１上の電位が、低抵抗で０Ｖに接続されていなければならない。このことは検査導線Ｐｓ１を介して捕捉される。最後にスイッチオンのための要求が、能動的な制御電圧Ｕｆの形態でレリーズ信号導線の上に存在していなければならない。
【００２７】
スイッチオン過程の進行を、以下に一層詳細に説明する。
【００２８】
先ず検査回路ＴＳの開閉接点Ｓ２が閉じられる。それに伴ってリレーＫ２が能動化され、その開閉接点Ｋ２１が開く。検査回路が検査導線Ｐｓ１を介し、第２のリレーＫ２と第３のリレーＫ３との間の導線Ｌ１上の電位がもはや低抵抗で０Ｖに接続されておらず、高抵抗であるか否かを確認しようと試みる。この状態が特定の時間の後に生じないならば、スイッチオン過程が中断され、かつ障害が指示される。検査点１が２４Ｖに接続されているならば、リレーＫ１は故障しており、かつスイッチオン過程は同じく中断される。
【００２９】
第２のリレーＫ２と第３のリレーＫ３との間の導線Ｌ１上の電位が高ければ、開閉接点Ｓ１が検査回路ＴＳにより閉じられる。それに伴いリレーＫ１が能動化され、かつその開閉接点Ｋ１１が閉じられる。この過程は、検査回路が検査導線Ｐｓ１を介して短時間の後に入力直流電圧Ｕｅの電位を捕捉するならば、成功裡に終了する。他の場合にはスイッチオン過程は中断される。なぜならば、その場合にはリレーＫ１もしくはリレーＫ２が故障しているからである。
【００３０】
検査回路ＴＳにより別の検査導線Ｐｓ２を介して電気的負荷の供給電圧Ｕａに対する供給点の電圧が監視されるなら、場合により追加的に存在しているリレーＫ３も検査される。検査導線Ｐｓ２上に、同じく入力直流電圧の電位が生じているときは、リレーＫ３は故障しており、かつスイッチオン過程は中断される。
【００３１】
後続のステップで開閉接点Ｓ１が再び開かれる。このステップは、本来のステップ過程をリレーＫ１を介し、かつリレーＫ３を介さずに実行する役割をする。それにより、リレーＫ３の接点がリレーＫ１の接点よりも長い所望の寿命を有することが保証される。
【００３２】
いまや開閉接点Ｓ３が閉じ、それによりリレーＫ３がスイッチオンする、即ちその開閉接点Ｋ３１が閉じる。最後に開閉接点Ｓ１が閉じ、それによってリレーＫ１の開閉接点Ｋ１１が閉じ、負荷に電流を供給する。
【００３３】
上に説明した状態でのスイッチオン過程の打ち切りは、レリーズ信号線ＦＳ上の制御信号Ｕｆが検査回路ＴＳから断たれるという結果を伴う。それにより、既に詳述したスイッチオフに相当する正規のスイッチオフ過程が再度始まる。
【００３４】
検査回路ＴＳを、定期的な時間間隔で上記のスイッチオフおよびスイッチオン過程が試みに実行されるよう構成すると有利である。この方法で、全てのリレーＫ１、Ｋ２、Ｋ３の機能能力を定期的に検査できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による遮断装置の原理回路図。
【符号の説明】
Ｌ１、Ｌ２ 導線
Ｓ ヒューズ
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３ リレー
ＴＳ 検査回路

Claims (3)

1. 電気的負荷を直流電圧源の入力直流電圧（Ｕｅ）から遮断するための装置において、
   ａ）入力直流電圧（Ｕｅ）を、電気的負荷に電圧（Ｕａ）を供給する端子に導くための導線であって、ある電位を導く第１の導線（Ｌ１）と、基準電位、特に接地電位を導く第２の導線（Ｌ２）と、
   ｂ）第１の導線（Ｌ１）中に直列に、入力直流電圧（Ｕｅ）の供給のための範囲内に接続されているヒューズ（Ｓ）と、
   ｃ）開閉接点（Ｋ１１）が第１の導線（Ｌ１）内に直列に入力直流電圧（Ｕｅ）と反対側のヒューズ（Ｓ）の側に接続され、正常作動中に閉じており、かつ遮断過程のレリーズの際に第１の導線（Ｌ１）を遮断するために開く第１のリレー（Ｋ１）と、
   ｄ）開閉接点（Ｋ２１）が第１の導線（Ｌ１）と第２の導線（Ｌ２）との間に並列に入力直流電圧（Ｕｅ）と反対側の第１のリレー（Ｋ１）の開閉接点（Ｋ１１）の側に接続さ、かつ正常作動中に開いており、かつ遮断過程のレリーズの際に第１のリレー（Ｋ１）の開閉接点（Ｋ１１）の開路に続いて第１の導線（Ｌ１）を第２の導線（Ｌ２）と短絡するために閉じられる第２のリレー（Ｋ２）と
   を有することを特徴とする装置。
2. 開閉接点（Ｋ３１）が第１の導線（Ｌ１）中に直列に、入力直流電圧（Ｕｅ）と反対側のヒューズ（Ｓ）の側に接続されており、かつ正常作動中に閉じており、さらに遮断過程のレリーズの際に第２のリレー（Ｋ２）の開閉接点（Ｋ２１）の閉路に続いて第１の導線（Ｌ１）を遮断するために開く第３のリレー（Ｋ３）を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 第１、第２および第３のリレー（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）が、単一の接点群を有する市販品のリレーであることを特徴とする請求項１または２記載の装置。

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