JP7184523B2 - 少なくとも１つの継電器を作動させるための回路構成 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの継電器を作動させるための回路構成に関し、該回路構成は、前記少なくとも１つの継電器に、作動電圧を供給することが可能である電力供給装置を含み、この場合、作動電圧とグランドとの間には、電子スイッチと、少なくとも１つの継電器の継電器コイルと、シャント抵抗とが、電気的に直列に接続され、さらにまた、前記回路構成は、電子スイッチが、特に、パルス幅変調で制御することが可能であり、継電器コイルを流れる制御電流を制御することが可能であるように構成されてなる電流制御装置を含む。

継電器は電磁スイッチとして知られている。このような継電器は、種々の実施形態において従来技術から知られているが、様々な技術的用途に適しており、たとえば安全切換え装置での利用が可能である。継電器は、強磁性コアと継電器コイルとを含み、該継電器コアは、回路構成に接続され、そこから制御電流を供給することができる。さらにまた、継電器は、可動の強磁性のアンカと、アンカに結合された１つまたは複数の継電器接点とを含む。作動中、電流が継電器コイルを流れ、該電流の方は、強磁性コアを通過する磁束を発生させる。これによって、アンカは引き付けられ、そこに結合された継電器接点がオンスイッチとなる。アンカは、リターンスプリングと結合されており、該リターンスプリングは、継電器コイルに制御電流が流れなくなったとき、ばね力によってアンカを出口位置に移動させるように構成されている。実際の適用では、いわゆる閉回路継電器とシャント継電器とは区別される。閉回路継電器は、閉成状態で、継電器コイルを電流が流れ、アンカが引き付けられる。閉回路継電器によって、たとえば、停電または電線の破断を監視することが可能である。それに対して、シャント継電器は、閉成状態では、電流が流れない。

安全切換え装置は、今日、ＩＥＣ１１３１規格に従って、２４Ｖ＋１０％（いわゆるサージ電圧）から２４Ｖ－１５％（いわゆる不足電圧）までの差動電圧に決められている。したがって、不足電圧の場合、作動電圧は、２４Ｖ－１５％＝２０．４Ｖとなる。安全切換え装置の電気的スイッチでは、通常の継電器が利用されており、１８Ｖから２０Ｖの継電器電圧で作動する通常の継電器が利用されている。

継電器の基本的な欠点は、継電器が衝撃、振動および他の揺れに対して比較的敏感であることである。不足電圧の場合、少なくとも１つの中継安全継電器が設けられた安全切換え装置は、起こり得るすべての衝撃、揺れ、振動を考慮して、継電器接点が開くことができないように、スイッチング技術が装備されていることが必要である。この目的のためには、高い電気的保持力が必要であり、それによって、十分に大きな力を準備しておくことが可能となり、したがって、継電器接点のアンカは、揺れがあった場合にも、閉成位置にとどまることができる。

２４Ｖの典型的な作動電圧の場合、このより高い電圧によって、より多くの電流が継電器コイルを流れるので、電気的保持力が高くなる。２４Ｖ＋１０％＝２６．４Ｖの過電圧の場合、継電器コイルを幾分より高い電流がまた流れ、したがって、電力損失が生じるので大きな熱が発生する。

通常、長い給電線を備えた大規模な技術装置の場合、より高い電圧が設定され、それによって、その技術装置の最終末端でつなげられた電気使用者でも、不足電圧になることはない。このスイッチキャビネットでは、再調整されない限り、より高い電流によって引き起されるかなりの熱損失になる、軽い過剰電圧になっている。この目的のために、電流制御装置を有意に用いることが可能である。この場合、継電器の保持電流は、作動電圧には依存せず、必要な励磁電流に調整される。それによって、継電器の制御電力を適切に低下させることが可能である。

特許文献１から、少なくとも継電器、センサおよび制御装置を有するインテリジェント継電器システムが知られている。この継電器システムでは、そのインテリジェントリレーシステムが対応して反応することがあり得る外部振動を検出することができるようにされている。

米国特許出願公開第２００６／０００７６２７号明細書

本発明の課題は、継電器の電力損失を一層低下させ、それによって損失熱を減少させることを可能にする、冒頭で述べたタイプの少なくとも１つの継電器を作動させるための回路構成を提供することである。

この課題の解決策は、請求項１の特徴部の特徴を有する回路構成を提供する。従属請求項は、本発明の有利なさらなる形態に関する。

発明に従った、回路構成は、少なくとも１つのセンサ手段であって、継電器に作用する振動、衝撃、または振動を検出するように構成されてなるセンサ手段と、センサ手段によって検出されたセンサデータの評価のための評価ユニットとを含み、かかる評価ユニットにおいて、電流制御装置が、評価ユニットによって評価されたセンサデータに基づいて、制御電流を調整するように構成されてなる。継電器は、好ましいことに、安全スイッチギア装置において利用することが可能であるように、安全接点を備えた安全リレーとすることが可能である。本発明は、適切なセンサ手段を利用することによって、起こり得る揺れ、衝撃、振動、または、継電器に外部から作用を及ぼすその他の撹乱に関する情報を得て、継電器コイルを流れる制御電流を必要に応じて調整するという思想から出発している。継電器が、揺れ、衝撃、振動、またはその他類似の外部撹乱の影響にさらされなければ、振動によって誘発されて継電器接点が損傷する危険性は比較的低く、したがって継電器を小さい制御電流で作動させることが可能であり、電力損失を減少させることが可能となる。継電器が、揺れ、衝撃、振動などにさらされると、継電器接点の振動に誘発された損傷の危険性が大きくなり、したがって、継電器コイルは、より高い制御電流で作動させるのが好ましいことになる。継電器コイルの制御電流の動的な、必要に応じた調整は、継電器の電力損失を低下させるために、かなりの利点をもたらす。継電器に影響を及ぼす、揺れ、振動、または類似の撹乱が、永続的に検出され、制御電流をそれに対応して事後調整する場合、製造者仕様の５０％までの制御電流の低下が可能であることが、試験によって示された。電流制御装置は、制御偏差の合計が、制御偏差が最終的にはゼロになるように導かれる、Ｐ（比例）Ｉ（積分）制御装置を構成することが好ましい。それによって、ＰＩ制御装置には、好ましいことに、持続的に制御偏差がない。

好ましくは、センサ手段と評価ユニットとは、継電器内に組込むことが可能である。その点に、特に構成上の利点がある。さらにまた、センサ手段と評価ユニットとを、外部に構築する必要がない。

好ましい実施形態において、センサ手段は、加速度センサ手段として構成され、該センサ手段は、少なくとも１つの継電器に作用する加速度を、少なくとも１つの空間方向において検出するように構成されてなる。このような一軸の加速度センサ手段は、多くの場合、十分なものである。この（１つの）空間方向は、特に継電器アンカの軸と相互に関連付けることが可能である。この方向に作用する加速度は特に重要だからである。好ましくは、加速度センサ手段は、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）とすることがありえる。特定の用途のためには、たとえば、２つの継電器を互いに直角に配設せねばならない。このような事情を考慮して、特に好ましい実施形態においては、加速度センサ手段は、少なくとも１つの継電器に作用する加速度を、少なくとも２つの空間方向において、好ましくは、３つの空間方向において検出するように構成されてなることが可能である。加速度センサ手段は、特に、回路構成の導電プレート上（好ましくは、継電器に空間的に近接して）に配設することが可能である。

さらなる実施形態では、たとえば、加速度センサ手段は、９軸センサとして実施され、ジャイロスコープおよび磁力計を含んでもよい。この実施形態によって、少なくとも１つの継電器に作用する加速度を特に正確に決定することが可能となる。

特に好ましい実施形態では、加速度センサ手段は、少なくとも１ｋＨｚ、好ましくは、少なくとも３ｋＨｚ、特に、少なくとも５ｋＨｚに達するサンプリングレートを有する。高いサンプリングレートおよびデータ速度によって、可能性のある揺れ、衝撃、振動、またはその他の撹乱に関する、少なくとも１つの継電器の実際運転状態を速やかに評価することが可能になる。この意味において、加速度センサ手段のサンプリングレートが５ｋＨｚであることが特に好ましいことがわかる。電流制御装置に加えて、この回路構成おいては、継電器コイルを介して制御電流の変更が必要になる、制御介入が必要であろうがなかろうが、５ｋＨｚのサンプリングレートで、したがって２００μｓで評価を行うことが可能である、ハードウエアおよびソフトウエアが組み込まれる。

好ましくは、電子スイッチはバイポーラトランジスタであってもよい。この実施形態は、特に、電子スイッチの堅固な設計を可能にする。

好ましい実施形態においては、評価ユニットは、測定された加速度値の時間微分によって、継電器の領域内に広がるジャークを決定することが可能であるように構成されてなる。このジャークは、少なくとも１つの継電器への、衝撃、揺れ、振動の影響を検出するのに適した動力学値であることが分かった。

好ましいことに、電流制御装置は、ｊ≧ｊ_ｋｒｉｔ（ｊ_ｋｒｉｔはジャークの臨界閾値）の場合、継電器コイルを流れる制御電流は高くなるように構成されてなる。好ましいことに、種々の継電器タイプによって異なり得るジャークの臨界閾値は、読み取り専用メモリに検索可能に格納可能である。

好ましい実施形態では、電流制御装置は、ｊ＜ｊ_ｋｒｉｔの場合、継電器コイルを流れる制御電流は減衰して低下するように構成されてなる。このような減衰低下は、継電器のタイプに依存する最小制御電流Ｉ_Ｍｉｎに到達するまで行われる。この最小制御電流Ｉ_Ｍｉｎは、継電器製作者によって指定された保持電流の約５０％の範囲にあるものとすることが可能である。

特に好ましい実施形態において、継電器コイルは、電力供給装置によって供給される作動電圧の半分未満のコイル電圧であるように構成可能である。たとえば、９Ｖの中継電圧を有する継電器を使用することが可能である。２４Ｖの作動電圧の場合、パルス幅変調のデューティ比（いわゆる「デューティサイクル」）は、約３０％である。９Ｖから２４Ｖの大きな電位差によって、制御偏差が高いコイル電流をもたらし、したがって、制御電流の新たな設定値にすばやく到達することが可能である。よって、継電器の保持力を有利な方法でさらに低下させることが可能である。９Ｖの中継電圧を有する継電器は、それ以上のさらに有意な利点を有している：停電または１６Ｖ以下の作動電圧の低下は、これまでは、継電器が備えられた安全スイッチング装置に損傷をもたらしていた。しかしながら、この安全スイッチング装置を、１０．５Ｖまで適切に作動させることが可能になった。９Ｖのコイル電圧を有する継電器コイルは、そのワイヤの厚さはより大きく、巻き線行程において、破断することは非常にまれであり、したがって製造する場合の利点となる。また巻き取り時間は明らかに短くなり、したがって、継電器の製造コストは低下する。コイルワイヤの厚さがより大きいものは、非常に細く作られたコイルワイヤよりも明らかに安価である。

さらに詳しくは、本発明は、少なくとも１つの継電器（２）を作動させるための回路構成（１）であって、
少なくとも１つの継電器（２）に、作動電圧（３）を供給することが可能である電力供給装置であって、作動電圧（３）とグランド（ＧＮＤ）との間には、電気スイッチ（４）と、少なくとも１つの継電器の継電器コイル（２０）と、シャント抵抗（５）とが、電気的に直列に接続される、電力供給装置と、
電気スイッチ（４）が、特に、パルス幅変調で制御することが可能であり、継電器コイル（２０）を流れる制御電流を制御することが可能であるように構成されてなる電流制御装置（６０）とを含み、
回路構成（１）は、少なくとも１つのセンサ手段であって、継電器（２）に作用する振動、衝撃、または振動を検出するように構成されてなるセンサ手段と、センサ手段（８）によって検出されたセンサデータの評価のための評価ユニット（６２）とを含み、かかる評価ユニットにおいて、電流制御装置（６０）が、評価ユニット（６２）によって評価されたセンサデータに基づいて制御電流を調整するように構成されてなることを特徴とする回路構成（１）である。

本発明において、センサ手段は、加速度センサ手段（８）として構成され、該センサ手段は、少なくとも１つの継電器（２）に作用する加速度を、少なくとも１つの空間方向において検出するように構成されてなることを特徴とする。

本発明において、加速度センサ手段（８）は、少なくとも１つの継電器（２）に作用する加速度を、少なくとも２つの空間方向において、好ましくは、３つの空間方向において検出するように構成されてなることを特徴とする。

本発明において、加速度センサ手段（８）は、９軸センサとして実施され、ジャイロスコープおよび磁力計を含むことを特徴とする。

本発明において、加速度センサ手段（８）は、少なくとも１ｋＨｚ、好ましくは少なくとも３ｋＨｚ、特に、少なくとも５ｋＨｚに達するサンプリングレートを有することを特徴とする。

本発明において、電子スイッチ（４）は、バイポーラトランジスタであることを特徴とする。

本発明において、評価ユニット（６２）は、測定された加速度値の時間微分によって、継電器（２）の領域内に広がるジャーク（ｊ）を決定することが可能であるように構成されてなることを特徴とする。

本発明において、電流制御装置（６０）は、ｊ≧ｊ_ｋｒｉｔ（ｊ_ｋｒｉｔはジャークの臨界閾値）の場合、継電器コイル（２０）を流れる制御電流は高くなるように構成されてなることを特徴とする。

本発明において、電流制御装置（６０）は、ｊ＜ｊ_ｋｒｉｔの場合、継電器コイルを流れる制御電流は減衰して低下するように構成されてなることを特徴とする。

本発明において、継電器コイル（２０）は、で電力供給装置によって供給される作動電圧（３）の半分未満のコイル電圧であることを特徴とする。

本発明の好ましい実施形態に従って構成されてなる、継電器２の制御のための回路構成１の概略図である。

本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図１を参照して、以下の好適な実施形態の説明から明らかになるであろう。添付の図１は、本発明の好ましい実施形態に従って構成されてなる、継電器２の制御のための回路構成１の概略図を示している。

継電器２は、特に、安全スイッチング装置の安全継電器であってもよく、知られた方法で、強磁性コアを有する継電器コイル２０と、移動可能な強磁性アンカと、アンカと結合される１または複数の継電器接点とを含む。回路構成１は、作動電圧３を提供することが可能である電圧供給装置（図示せず）を備える。この実施例では、電圧供給装置は、２４Ｖ（ＤＣ）の作動電圧３を供給する。作動電圧３と接地ＧＮＤとの間は、電子スイッチ４と、継電器２の継電器コイル２０と、シャント抵抗５とが、電気的に直列に接続されている。この場合継電器コイル２０は、電子スイッチ４とシャント抵抗５との間に配設されている。

電子スイッチ４は、好ましくは半導体技術で実施される。この場合、電子スイッチ４はバイポーラｐｎｐトランジスタが利用される。電子スイッチ４は、別の実施形態においては、たとえば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として実施可能である。回路構成１は、さらに、制御および評価装置６を有し、該制御および評価装置は、電子スイッチ４に接続されている。制御および評価装置６は、マイクロコントローラとして実施される。あるいは、制御および評価装置６は、たとえば、周辺装置と共にマイクロプロセッサによって構成されてもよい。

制御および評価装置６には、電流制御装置６０が組み込まれている。この電流制御装置６０は、電子スイッチ４をパルス幅変調（ＰＷＭ）で制御できるように構成されてなり、したがって、継電器コイル２０を流れる制御電流は、所定の電流値に調整することが可能である。継電器コイル２０とシャント抵抗５との間には、制御および評価装置６のＡ／Ｄ変換器６１に接続されたタップ７が設けられている。制御および評価装置６、特にそこに組み込まれた電流制御装置６０は、タップ７を介してシャント抵抗器５の両端の電圧を測定することができるように、そして継電器コイル２０を流れる制御電流を決定できるように構成されてなる。

上述した電流制御装置６０によって、原理的には、たとえば、継電器コイル２０を通る制御電流を、作動電圧３から継電器２の継電器接点のための保持電流の公称値まで独立して制御することが可能である。したがって、継電器２の電気的保持力は、有利な方法であらかじめ低下させることが可能である。しかしながら、このような関係においては、継電器２の電気的保持力をもっと低下可能であることが望ましい。いずれにせよ、制御電流と、そしてそれと共に電気的保持力とが、非常にわずかな値に調整される場合、継電器２の継電器接点が、振動、衝撃、揺れ、またはその他の外部撹乱の影響によって、消耗し得るということが問題である。この問題を解決するために、ここに記載された回路構成１は、さらにまた、制御および評価装置６に接続されている、少なくとも１つの加速度センサ手段８を有している。制御および評価装置６には、加速度センサ手段８によって提供される加速度情報を評価するための評価ユニット６２が組み込まれている。目標は、継電器接点の消耗につながり得る、継電器２に瞬間的に作用する揺れを、すばやく、精密に検出することである。好ましくは、加速度センサ手段８は、回路構成１に作用する、そしてそれによって継電器２にも作用する加速度を、５ｋＨｚのサンプリングレートで測定可能であるように構成される。評価ユニット６２は、各２００μｓの時間間隔で、加速度センサ手段８から加速度測定値を得る。

加速度センサ手段８は、少なくとも１つの空間方向における加速度を測定できるように構成されている。この空間方向は、特に、継電器アンカの軸と相関させることが可能である。なぜなら、この方向に作用する加速度は、特に重要であるからである。３つの互いに直交する空間方向において加速度を測定可能な３軸加速度センサ手段８が特に有利であることが明らかにされている。好ましいことに、加速度センサ手段８は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）であってもよい。さらに有利な発展形態に従えば、加速度センサ手段８は、９軸で実施してもよく、ジャイロスコープおよび磁力計を備えてもよい。それによって、特に正確な加速度測定値が得られる。

評価ユニット６２は、測定された加速度値の時間微分によって、継電器２の範囲内に瞬間的に支配しているジャークｊを決定することが可能であるように構成されてなる。評価ユニット６２に、この目的のために、適切な評価アルゴリズムが組み込まれ、この評価アルゴリズムが、加速度の第１の時間導関数を形成することによって、ジャークｊを決定することができる。制御および評価装置６は、読み取り可能な読み取り専用メモリ６３を含み、この読み取り専用メモリに、重要な、継電器特有のジャーク閾値ｊ_ｋｒｉｔが、検索可能に格納される。

ｊ≧ｊ_ｋｒｉｔの場合、継電器コイル２０に流れる制御電流を、電流制御装置６０によって増加させるので、電気的保持力は大きくなる。これによって、衝撃、揺れ、または振動の作用による継電器接点の消耗を効果的に防止することが可能である。それに対して、ｊ＜ｊ_ｋｒｉｔの場合は、継電器コイル２０に流れる制御電流を、電流制御装置６０によって減少させるので、保持力が低下する。制御電流の減少は、最大で、継電器固有の最小許容保持電流Ｉ_Ｍｉｎに達するまで、起こる。該最小許容保持電流を下回ることは許容されない。ジャークｊが、臨界ジャーク閾値ｊ_ｋｒｉｔに達した場合、またはそれを超えた場合、継電器コイル２０を流れる電流は、再び上昇する。このような関係においては、継電器コイル２０は、自己誘導効果による電流変化に抵抗していることに留意すべきである。継電器コイル２０の時定数τ＝Ｒ／Ｌ（Ｒは電気抵抗、Ｌはインダクタンス）は線形ではなく、継電器コイル２０を流れる電流の大きさにも依存する。この場合、電流制御装置６０はＰＩ制御装置を構成しており、このＰＩ制御装置の場合、制御偏差を加算すると、制御偏差が最終的にゼロになるという結果になる。したがって、有利なことに、ＰＩ制御装置は、持続的に制御偏差を有さない。

作動電圧３（この場合２４Ｖ）の半分よりも明らかに小さい継電器電圧で作動される、継電器コイル２０を有する継電器２を用いることは有利であることが明らかとなった。たとえば、継電器２は、９Ｖの継電器電圧で用いることが可能である。作動電圧が２４Ｖの場合、パルス幅変調のデューティ比（いわゆる「デューティサイクル」）は、約３０％である。ｊ≧ｊ_ｋｒｉｔのジャークｊを検出する場合、パルス幅変調は１００％に設定されているので、２４Ｖの電気的作動電圧および９Ｖの継電器電圧で大きな電流変化を引き起こすことが可能である。ジャークｊがｊ≧ｊ_ｋｒｉｔの場合には、パルス幅変調を１００％に設定するか、完全にオンにすることによって、継電器コイル２０を流れる電流を適時に増加させる。したがって、このようなジャークは、制御偏差につながり、電流制御装置６０は直ちにこれを補正する。衝撃、揺れ、または振動の場合に、継電器２の継電器接点の消耗を引き起こさない電流設定値に達すると、電流が再調整され、パルス幅変調がより小さい値になる。

このような回路構成１によって、継電器コイル２０を流れる制御電流を、動作安定性を損なうことなく、製造者の仕様よりも大幅に低下させることが可能となる。その結果、電力損失、ひいてはそれと関連した継電器２の廃熱も、揺れ、衝撃または振動に関係した損傷に関連することなく、大幅に低減することができる。研究の結果、制御電流を、製造者によって定められた保持電流値の約５０％である値に低下させることが可能となり、したがって、継電器２の自己発熱をかなり低下させることが可能となる。

１ 回路構成
２ 継電器
３ 作動電圧
４ 電子スイッチ
５ シャント抵抗
６ 制御および評価装置
７ タップ
８ 加速度センサ手段
２０ 継電器コイル
６０ 電流制御装置
６１ Ａ／Ｄ変換器
６２ 評価ユニット
６３ 読み取り専用メモリ

Claims (7)

1. 少なくとも１つの継電器（２）を作動させるための回路構成（１）であって、
   少なくとも１つの継電器（２）に、作動電圧（３）を供給することが可能である電力供給装置であって、作動電圧（３）とグランド（ＧＮＤ）との間には、電気スイッチ（４）と、少なくとも１つの継電器の継電器コイル（２０）と、シャント抵抗（５）とが、電気的に直列に接続される、電力供給装置と、
   電気スイッチ（４）が、特に、パルス幅変調で制御することが可能であり、継電器コイル（２０）を流れる制御電流を制御することが可能であるように構成されてなる電流制御装置（６０）とを含み、
   回路構成（１）は、少なくとも１つのセンサ手段であって、継電器（２）に作用する振動、衝撃、または振動を検出するように構成されてなるセンサ手段と、センサ手段（８）によって検出されたセンサデータの評価のための評価ユニット（６２）とを含み、
   センサ手段は、加速度センサ手段（８）として構成され、該加速度センサ手段（８）は、少なくとも１つの継電器（２）に作用する加速度を、少なくとも１つの空間方向において検出するように構成されてなり、
   評価ユニット（６２）は、測定された加速度値の時間微分によって、継電器（２）の領域内に広がるジャーク（ｊ）を決定することが可能であるように構成されてなり、
   電流制御装置（６０）が、評価ユニット（６２）によって決定されたジャーク（ｊ）に基づいて制御電流を調整するように構成されてなり、
   電流制御装置（６０）は、ｊ≧ｊ _ｋｒｉｔ （ｊ _ｋｒｉｔ はジャークの臨界閾値）の場合、継電器コイル（２０）を流れる制御電流は高くなるように構成されてなることを特徴とする回路構成（１）。
2. 加速度センサ手段（８）は、少なくとも１つの継電器（２）に作用する加速度を、少なくとも２つの空間方向において、好ましくは、３つの空間方向において検出するように構成されてなることを特徴とする、請求項１に記載の回路構成（１）。
3. 加速度センサ手段（８）は、９軸センサとして実施され、ジャイロスコープおよび磁力計を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の回路構成（１）。
4. 加速度センサ手段（８）は、少なくとも１ｋＨｚ、好ましくは少なくとも３ｋＨｚ、特に、少なくとも５ｋＨｚに達するサンプリングレートを有することを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の回路構成（１）。
5. 電子スイッチ（４）は、バイポーラトランジスタであることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の回路構成（１）。
6. 電流制御装置（６０）は、ｊ＜ｊ_ｋｒｉｔの場合、継電器コイルを流れる制御電流は減衰して低下するように構成されてなることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の回路構成（１）。
7. 継電器コイル（２０）は、電力供給装置によって供給される作動電圧（３）の半分未満のコイル電圧であることを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の回路構成（１）。

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