专利名称：用于用电设备的紧凑型开关设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于用电设备(特别是电动机)的紧凑型开关设备。这种开关 设备主要实施为电磁开关设备，包括一电源组件和一驱动装置，所述驱动装置包含有开 关元件，特别是电磁开关元件，例如接触器或诸如此类的开关元件。所述电源组件可以 已知方式连接到外部电源电压上，所述驱动装置或其开关元件上同样可以已知方式连接 外部用电设备，例如电动机。借助所述驱动装置或其开关元件，可将所述开关设备的电 源组件所产生的工作电压，通过一条从所述电源组件出发的工作电压线传输给所述用电 设备。因此当所述开关元件受到控制或处于受控状态时，相关用电设备就会通电，即被 启动。
背景技术：
这类开关设备是现有技术中已经存在的，例如电动机启动器。本申请人生产的 “SIRIUS紧凑型启动器”是一种又被称为通用电动机启动器的开关设备，它符合IEC/
EN 60947-6-2标准的相关规定，将断路器、电子过载继电器和接触器等开关元件整合在 一个外壳内并将其功能集于一身，可应用于任何一个需要直接启动32A(约15kW/400V) 以下三相标准型电动机的地方。这种紧凑型启动器作为直接启动器或可逆启动器在市场 上销售。实施为可逆启动器的紧凑型启动器的特点在于下列组件可逆启动器、两个可 拆卸的主线接线盒、两个可拆卸的六端子辅线接线盒和控制线接线盒、“过载”和“短 路/故障”信号开关、内部辅助开关和两个可选的外部辅助开关部件(两个常开触点、两 个常闭触点或者一个常开触点和一个常闭触点)。为了闭锁旋转方向，可逆启动器的接触 器相对而言处于闭锁状态。借助这一防护措施可避免负责不同旋转方向的接触器同时接 通，从而引发短路。对接触器采取的这种闭锁措施既可在机械上对抗冲击负荷，又可在 电气上防止误操作的发生。为了使接触器达到机械闭锁状态，需要通过换向齿轮来机械 闭锁旋转方向。当第一旋转方向的主触点闭合时，该换向齿轮可防止其他旋转方向的主 触点与之同时闭合，反之亦然。为了实现接触器的电气闭锁，可逆启动器内为每个旋转 方向都设置了一个实施为常闭触点的辅助触点。这些辅助触点会将另一旋转方向的控制 电流接入一个回路。也就是说，当第一旋转方向的主触点闭合时，辅助触点会断开，从 而切断另一旋转方向的控制电路，反之亦然。借此确保当其中一个旋转方向存在控制电 压时，另一旋转方向的主触点不会闭合。
发明内容
本发明的目的是在开篇所述类型的已知开关设备上实现最大程度的功能整合， 亦即，将以往在开关设备外部实现的功能尽可能多地集中到该开关设备中，同时尝试减 小或者至少保持这样一种开关设备的占用空间。根据本发明，这个目的通过权利要求1的特征而达成。为此，本发明提出一种开关设备，该开关设备包括整合在一共用外壳内的一电源组件及至少两个驱动装置， 其中，所述电源组件可供以一外部电源电压，所述两个驱动装置上可连接一外部用电设 备。这种开关设备由于包括两个驱动装置而可实现可逆启动器的功能，具体实现方式 为，其中一个驱动装置用于一第一旋转方向，与之互补的驱动装置则用于与第一旋转方 向相反的旋转方向。这两个驱动装置与所述开关设备的其他功能一起布置在一共用外壳 内，从而整体上产生一个有助于改善安装条件的紧凑型开关设备。以往的可逆启动器是借助两个外部标准型接触器、一过载继电器和一断路器而 实现的，其中，所述标准型接触器包括有防止相间短路的闭锁装置。本发明建议将两个 各负责一个运动方向(例如左旋或右旋)的驱动装置连同电流路径一起安装在一紧凑型外 壳内。该外壳内优选还可装入共用的过载识别装置和共用的断路器功能。实现这种紧凑 结构的方法是为所述两个驱动装置设置共用的电子线圈控制装置，如果所采用的实施方 式需要设置共用的电子过载继电器，那么实现紧凑结构的方法就是为所述两个驱动装置 共同使用一个电子过载继电器。全部组件均布置在一印制电路板上，这样不但可以实现 极紧凑的结构，还能尽量减小功率损失。除此以外，按本发明或本发明优选实施方式构 建的开关设备还从电气和机械上实现了两个驱动方向的闭锁，包括直接转换时避免相间 短路所需要的延迟时间。本发明的有利设计方案由各从属权利要求给出。从属权利要求中所使用的回溯 引用指向通过相应从属权利要求的特征对主权利要求的主题所进行的进一步构建；其并 非是对被回溯引用的从属权利要求的特征组合获得独立具体保护的放弃。此外在权利要 求的设计方面，在下一项权利要求中对某个特征进行进一步具体化时的出发点是，之前 的各项权利要求中并不存在这种限制。下文将借助附图对本发明的实施例进行详细说明。相同的主题或要素在各附图 中均用相同的参考符号表示。本发明并不仅限于实施例。更确切地说，在本公开案范围 内可以进行大量修改和改进，特别是专业人士在寻求达成上述目的的解决方案时通过对 说明书概述或详述部分、权利要求书和/或附图中所包含的特征、要素或处理步骤进行 组合或改进所能获得的以及通过特征组合可以产生新主题或产生新处理步骤或处理工序 的那些变体和组合，也可在本公开案范围内实现。
图1为本发明的紧凑型开关设备；图2为一开关设备的简化原理图，包含了可整合到图1所示紧凑型开关设备中的 功能；图3为另一开关设备的简化原理图，包含了另一项可整合到图1所示紧凑型开关 设备中的功能；图4至图6为可在图3所示开关设备的输入支路中测量到的电压的信号特性图。
具体实施例方式图1以简化框图的形式展示了本发明整体上用参考符号10表示的开关设备。开 关设备10包括一电子设备单元12，该电子设备单元包括复数个用于连接电源电压的触点14、电源组件16和控制电路18，例如实施为控制器、专用集成电路(ASIC)、FPGA等 等。触点14和电源组件16之间还设有闭锁装置20，借助该闭锁装置可从电网(即电源 电压)上断开电子设备单元12。电源组件16用外部电源电压产生例如分别为5V和12V 的第一工作电压及第二工作电压22、24。这个第一或第二工作电压22、24将被传输给电 子设备单元12其他位置上的组件，但本图没有用实线形式的电流路径对此予以标示。在 此可以参考图中用相同参考符号加以标示的位置。此外，电源组件16还为开关设备10 所包含的两个驱动装置30、32产生第一和第二驱动电压26、28，这两个驱动装置整合在 一个驱动单元34中。与第一和第二工作电压22、24—样，图1同样也没有用实线形式 的电流路径标示第一和第二驱动电压26、28，在此仍可以参考图中用相同参考符号加以 标示的位置。第一驱动电压26提供给第一驱动装置30，第二驱动电压28提供给第二驱 动装置32。除这两个驱动装置30、32外，开关设备10还包括两个整合在REL驱动单元 40中的REL驱动装置36、38。第一 REL驱动装置36与第一驱动装置30 —样被供以第 一驱动电压26，第二 REL驱动装置38则相应被供以第二驱动电压28。为了进行过载识别，为可以连接到驱动装置30、32上的用电设备(例如电动 机，未作图示)分配了一个电流互感器42，这个电流互感器用于为三相电流驱动的用电 设备测量三个相电流。主电流分析单元44对电流互感器42所提供的测量值进行分析并 在测量值超过预定阈值的情况下产生一个出错信号46，这个出错信号可用控制电路18加 以分析。借助出错信号46还可对分配给两个驱动装置30、32的过载信号继电器48进行 控制。控制电路18的输出端产生一个特定而言经脉宽调制的驱动控制信号50。这个驱 动控制信号经电压转换后被传输给每个驱动装置30、32的功率级52、54。其中，第一驱 动装置30的功率级52被加载第一驱动电压26，第二驱动装置32的功率级54被加载第二 驱动电压28。这两个功率级52分配有一续流电路56，该续流电路通过光断装置加以保 护，且该续流电路对一续流电路控制信号58产生反应。两个功率级52、54向控制电路 18回输一个驱动电流信号60。REL驱动单元40的结构与驱动单元34的结构大体相似， 这一点可参阅相关说明。REL驱动单元40同样包括两个可以接收脉宽调制REL控制信 号66的功率级62、64。为了实现相对闭锁，设有一个可由控制电路18输出的闭锁信号 68。每个驱动装置30、32和每个REL驱动装置36、38均包含有一驱动主单元70、 72、74、76。当控制电路18通过内部处理检测到故障或者当输入信号(如出错信号46 或驱动电流信号60)表明存在故障时，则触发指示单元78。可为驱动装置30、32和/或 REL驱动装置36、38分配一个共用断路器(未作图示)，该断路器会在过电流或其他故 障情况下脱扣。这种断路器被同时分配给需要加以监测的相关主电流路径，并且在其中 一条主电流路径存在过电流的情况下脱扣。作为优选实施方式，开关设备10可扩充如图2所示的功能，但这仅适用于一个
驱动装置。图2以简图形式展示一个用于对与之相连的用电设备112(例如电动机M)进行 控制的电开关设备100。开关设备100包括输入端114、输出端116、电源组件118、控 制电路120和开关元件122。开关设备100工作时，可通过输入端114向电源组件118 输送一个外部电源电压。借助连接在电源组件118后面的控制电路120可以激活开关元件122。借助开关元件122可以通过电源电压线124为连接在输出端116上的用电设备 112输送电源电压。开关元件122可以是机电开关元件(例如接触器或诸如此类的开关 元件)，也可以是电子开关元件(例如晶体管、晶闸管或类似开关元件)。至少一条电源 电压线114分配有一转换器126，该转换器用于在开关设备100工作期间为连接在控制电 路122后面的缓冲电容器128充电。在本图所示的实施方式中，每条电源电压线124都 正好配有一个转换器126。控制电路120连接在电源组件118的两个输出端之间。缓冲电容器128与控制 电路120并联。在此情况下，缓冲电容器128—方面可对电源组件118所产生的工作电 压起到稳定作用，另一方面，对于会对该工作电压产生反应的控制电路120而言，经滤 波或稳定处理的工作电压产生了连续化的边界条件。借助控制电路120可将开关130接通，该开关工作时在接通状态下可以引起开关 元件122的接通。由于缓冲电容器128同时还与这个开关130并联，因此缓冲电容器128 也能对流经接通状态下的开关130的电流起到稳定作用。在附图中显示为晶体管(即可 电子激活开关)的开关130与开关元件122串联，开关元件122还与起激活作用的电感串 联。缓冲电容器128也与这个由开关130和电感132构成的串联电路并联。电感132与 一续流二极管134并联，这个续流二极管可以已知方式防止电感132断开时产生过电压。 串联电阻器与开关130以及一个包括电感132和续流二极管134的并联电路串联。电开 关设备100的电路此外还包括输入电阻器138和去耦二极管140。在一个转换器126和缓冲电容器128之间，或者各转换器126和缓冲电容器128 之间布置有转换处理装置142。转换处理装置142对接收自一或多个转换器126的电流或 电压进行转换处理，使得缓冲电容器128只充电不放电。举例而言，如果只存在一个转 换器126，那么所述转换处理装置的这种处理就是对接收到的电压或电流进行整流。如 果如图所示存在三条用于连接三相负载(例如作为用电设备112的电动机M)的供电线 124，转换处理装置142的作用就是在工作期间用转换器126所提供的相移电压产生一个 只用来为缓冲电容器128充电的电流。在整合图2为开关设备100所展示的功能(具体而言就是用图2所示的一个或每 个转换器126为缓冲电容器128充电)时，需要为控制电路18(图1)分配一缓冲电容器， 此处可参考图2中分配给控制电路20的缓冲电容器128。所述一个或每个转换器126分 配给作为用电设备连接在两个驱动装置30、32上的电动机，通过所述一个或每个转换器 126为缓冲电容器128充电，这一点则借助一个相当于转换处理装置142 (图2)的功能单 元而实现。也就是说，将图2所示开关设备100的功能整合到图1所示的开关设备10中之 后，会产生这样一个开关设备，其缓冲电容器128的充电是借助一或多个在此被称为电 源电压线124的主电流路径而实现的。为了对缓冲电容器128进行明确且可控的充电， 需要设置转换处理装置142。在具有这种电路配置的开关设备10; 100中，缓冲电容器 128在供电端不产生任何充电电流峰值。因此，供电网络不会受到负荷，由此简化了电磁 兼容性方面的电路配置。通过这种缓冲处理，(例如)开关电源组件所包含的同步线圈在 电磁兼容性方面不会产生临界性影响。也就是说，缓冲电容器128既吸收充电电流也吸 收脉冲电流。通过使缓冲电容器128内不断流入电流，还能减少需要由电源组件118施加的电能。图3展示的是一个包含有驱动装置的开关设备210的实施方式，其中，为了将可 以连接到该开关设备上的用电设备216 (例如电动机M)断开，由电能存储器220为该用 电设备短时通电。通过短时接通用电设备216，可使一个为了改善电磁兼容性而设置且被 分配给电源组件212的储能器220放电，从而避免用电设备断开时储能器220可能发生的 充电现象而使电压分析受到不利影响。由转换器222和/或控制电路224对外部电源电压进行分析。为了实现这种电 压分析，须在一段明确的时间内采集有关可以连接到端子Al、A2上的外部电源电压的数 据并计算平均值。此外还需判断，所述外部电源电压是交流电压还是直流电压。众所周 知，交流电压的峰值高于直流电压的峰值。如果所述外部电源电压是交流电压，就如图 4所示，由转换器222对这个交流电压进行整流。当所述外部电源电压被切断时，储能器220(在所示实施例中即电容器C)会放 电，电压分析会得出如图5所示的信号波形。这种信号波形下的平均值计算会出错，从 而导致电压分析识别到过高的电压。过零点的缺失也会导致系统在电压类型的判断上出 错，举例而言，在本实施例中就是错将交流电压判断成直流电压。这些错误分析会导致 用电设备216被意外地再次接通。为了避免这种情况，本发明提出的解决方案是，在用电设备216被断开(即外部 电源电压被切断)时，通过激活开关元件214在短时间内用存储在电能存储器220中的能 量来可控地为所述用电设备通电。由此实现储能器220的可控明确放电，从而使电压分 析得出如图6所示的信号。也就是说，储能器220的放电速度比图5所示情形下的放电 速度快得多。借此可有效避免电压分析出错或者至少减轻电压分析出错所带来的影响。为了实现储能器220的可控明确放电，须在一预定或可预定的放电时间期间， 用储能器220中的剩余电能为相关用电设备216进行短时通电。这个放电时间特别与储 能器220的存储容量和用电设备216的惯性相配，从而使储能器220充分放电，用电设备 216仅发生不明显的启动(如果有的话)。在所述用电设备216是一电动机M且通电时 间足够短(即用于进行这一通电的放电时间足够短)的情况下，因相关可动组件具有质量 惯性而无需担心会发生非期望的运动。切断外部电源电压并经过一段预定或可预定的等 待时间后，再为相关用电设备216进行短时通电。为此，所述控制电路224包含有用于 实施上述方法的硬件构件和/或软件构件。特定而言，为此须在控制电路224中为所述 等待时间和放电时间编码。通过切断外部电源电压来将用电设备216断开后，借助控制 电路224等候所述等待时间过去，这段等待时间过去后，以所述放电时间的长度为用电 设备216通电，从而使储能器220放电或者至少充分放电。图3所示分配给电源组件212的储能器220可整合在图1所示开关设备10的电源 组件16中。图3所示控制电路224的功能可整合在图1所示的控制电路18中，图3所 示可由控制电路224产生的信号直接作用于第一或第二驱动装置30、32，具体而言是直 接作用于该第一或第二驱动装置所包含的如图3所示开关元件214样式的开关元件。通 过将驱动装置30、32中的其中一个短时激活，可以可靠地达到使分配给电源组件16的缓 冲电容器128(参见图3:参考符号220)放电这一目的。此外还可避免外部电源电压分 析受到缓冲电容器128中可能存在的剩余电荷的影响。最后，使用缓冲电容器128或者可以对缓冲电容器128加以使用，这一点还能改善开关设备10(图1)的电磁兼容性。因此，本发明可简要概括为本发明提供一种电开关设备100，其缓冲电容器 128的充电是借助一或多个在此被称为电源电压线124的主电流路径而实现的。为了对缓 冲电容器128进行明确且可控的充电，需要设置转换处理装置142。在具有这种电路配置 的开关设备100中，缓冲电容器128在供电端不产生任何充电电流峰值。因此，供电网 络不会受到负荷，由此简化了电磁兼容性方面的电路配置。通过这种缓冲处理，(例如) 开关电源组件所包含的同步线圈在电磁兼容性方面不会产生临界性影响。也就是说，缓 冲电容器128既吸收充电电流也吸收脉冲电流。通过使缓冲电容器128内不断流入电流， 还能减少需要由电源组件118施加的电能。借助上述类型的开关设备210 (特别是低压开关设备)可对供电设备和用电设备 216之间的电流路径(例如如上所述的一或多条工作电压线218)进行通断操作，进而对 这些电流路径所输送的工作电流进行通断操作。也就是说，通过用开关设备210 (特别是 包含在该开关设备中的开关元件214)来断开电流路径，可安全接通或断开与之相连的用 电设备216。低压电开关元件214(例如接触器、断路器、紧凑型启动器等)具有一或多 个用于通断所述电流路径的主触点，这些主触点可由一或多个控制磁体通过一专门设置 的控制电路224进行控制。为了在获得令人满意的电磁兼容性的同时避免电源组件212 范围内的电压分析出错，须对一个出于电磁兼容性考虑而设置的电能存储器220(特别是 电容器)进行可控放电，具体方式为相关用电设备216被断开时，通过对所述开关元件 214进行可控激活来用所述储能器220中仍存有的能量为所述用电设备短时通电。将图3所示开关设备200的功能整合到图1所示的开关设备10中之后，会产生 这样一个开关设备，借助该开关设备可对供电设备和用电设备216之间的电流路径(例如 如上所述的一或多条工作电压线218)进行通断操作，进而对这些电流路径所输送的工作 电流进行通断操作。也就是说，通过用开关设备10; 200 (特别是包含在该开关设备中的 开关元件14)来断开电流路径，可有效接通或断开与之相连的用电设备216。低压电开关 元件14(例如接触器、断路器、紧凑型启动器等)具有一或多个用于通断所述电流路径的 主触点，这些主触点可由一或多个控制磁体通过一专门设置的控制电路18; 224进行控 制。为了在获得令人满意的电磁兼容性的同时避免电源组件16; 212范围内的电压分析 出错，须对一个出于电磁兼容性考虑而设置的电能存储器220(特别是电容器)进行可控 放电，具体方式为相关用电设备216被断开时，通过对所述开关元件14进行可控激活 来用所述储能器20中仍存有的能量为所述用电设备短时通电。综上所述，本发明可简要概括为一种开关设备10，包括整合在一共用外壳内 的一电源组件16及至少两个驱动装置30、32，其中，所述电源组件16可供以一外部电源 电压，所述两个驱动装置30、32上可连接一外部用电设备，其中，所述开关设备10特定 而言包含有布置在同一外壳内的一用于所述两个驱动装置30、32的整合式过载识别装置 42，和/或一用于所述两个驱动装置30、32的整合式断路器功能，和/或一用于对所述 两个驱动装置30、32进行共同控制的整合式控制电路18，其中，所述开关设备10可视情 况借助一转换器126来扩充目的明确地使缓冲电容器128充电这一功能，以及/或者借助 一储能器220来扩充通过为相连用电设备216短时通电以目的明确地使该储能器放电这一 功能。
权利要求
1.一种开关设备(10)，包括整合在一共用外壳内的一电源组件(16)及至少两个驱 动装置(30，32)，其中，所述电源组件(16)可供以一外部电源电压，所述两个驱动装置 (30，32)上可连接一外部用电设备。
2.根据权利要求1所述的开关设备，包括一用于所述两个驱动装置(30，32)且同样 整合在所述外壳内的过载识别装置(42)。
3.根据权利要求1或2所述的开关设备，包括一用于所述两个驱动装置(30，32)且 同样整合在所述外壳内的断路器功能。
4.根据权利要求1、2或3所述的开关设备，包括一用于对所述两个驱动装置(30， 32)进行共同控制且同样整合在所述外壳内的控制电路(18)。
5.—种用于对根据上述权利要求中任一项权利要求所述的开关设备进行操作的方 法，其中，为所述电源组件(16 ； 212)提供一外部电源电压，所述两个驱动装置(30，32)上连 接有一外部用电设备(216)，所述电源组件(16; 212)包括至少一个电能存储器(220)，所述电能存储器接在一工 作电压线(218)与一基准电位之间，以及所述用电设备(216)被断开时，通过激活所述驱动装置(30，32)中的其中一个来用 存储在所述电能存储器(220)中的能量为所述用电设备短时通电。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述短时通电在一预定或可预定的放电时间期 间进行。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述放电时间的长度一方面与所述储能器 (220)的存储容量相配，另一方面与所述用电设备(216)的惯性相配，以及/或者，断开 所述用电设备(216)并经过一段预定或可预定的等待时间后，再进行所述短时通电。
8.一种用于实施根据权利要求5至7中任一项权利要求所述的方法的开关设备(10)， 所述开关设备包括一用作所述电能存储器(220)的电容器和一用于实施根据权利要求5至 7中任一项权利要求所述的方法的控制电路(18 ； 224)。
9.根据权利要求8所述用于实施根据权利要求7所述的方法的开关设备，其中，所述 等待时间和所述放电时间以编码形式存在于所述控制电路(18; 224)中，所述用电设备 (216)被断开后，可借助所述控制电路(18; 224)确定所述等待时间是否已过去，所述等 待时间过去后，可借助所述控制电路(18; 224)以所述放电时间的长度为所述用电设备 (216)通电。
10.根据上述设备权利要求中任一项权利要求所述的开关设备(10)，其中，借助布置 在所述电源组件(16 ； 118)后面的所述控制电路(18 ； 120)可将所述驱动装置(30，32) 中的其中一个激活，其实现方式是借助复数条电源电压线(124)可在工作期间为一用电 设备(112)输送一电源电压，其中，所述电源电压线(124)中至少一条电源电压线分配有 一转换器(126)或者每条所述电源电压线(124)均分配有一转换器(126)，所述转换器用 于在工作期间为一布置在所述控制电路(18 ； 120)后面的缓冲电容器(128)充电。
11.根据权利要求10所述的开关设备，包括一布置在所述一个或每个转换器(126)和所 述缓冲电容器(128)之间的转换处理装置(142)，所述转换处理装置在工作期间用所述一个 或每个转换器(126)所提供的一电压产生一用于为所述缓冲电容器(128)充电的电流。
全文摘要
一种开关设备(10)，包括整合在一共用外壳内的一电源组件(16)及至少两个驱动装置(30，32)，其中，所述电源组件(16)可供以一外部电源电压，所述两个驱动装置(30，32)上可连接一外部用电设备，其中，所述开关设备(10)特定而言包含有布置在同一外壳内的一用于所述两个驱动装置(30，32)的整合式过载识别装置(42)和/或一用于所述两个驱动装置(30，32)的整合式断路器功能和/或一用于对所述两个驱动装置(30，32)进行共同控制的整合式控制电路(18)，其中，所述开关设备(10)可视情况借助一转换器(126)来扩充目的明确地使一缓冲电容器(128)充电这一功能，以及/或者借助一储能器(220)来扩充通过为一相连用电设备(216)短时通电以目的明确地使所述储能器放电这一功能。
文档编号H02P1/02GK102017389SQ200980109351
公开日2011年4月13日 申请日期2009年2月25日 优先权日2008年3月31日
发明者伯恩哈德·施特赖希, 约瑟夫·格拉夫, 诺贝特·米特迈尔, 路德维希·尼贝勒 申请人:西门子公司