用于控制电磁继电器的开关设备和方法

专利名称：用于控制电磁继电器的开关设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制具有继电器线圈和继电器触点的电磁继电器的开关设 备，其中在具有继电器线圈的电流路径中这样设置两个开关装置，使得第一开关装置与继 电器线圈的第一接头相连，并且第二开关装置与继电器线圈的第二接头相连；设置了控制 装置，其被构造为为了产生通过继电器线圈的电流而闭合两个开关装置并且为了中断通过 继电器线圈的电流而断开两个开关装置。本发明还涉及一种用于控制电磁继电器的相应方 法。
背景技术：
在电气设备中为了执行受控的开关操作，通常采用电磁继电器。电磁继电器通常 由一个继电器线圈和至少一对继电器电触点组成。如果电流施加在继电器线圈上，则围绕 该继电器线圈产生磁场，由此(在自断开的继电器的情况下)导致继电器触点的闭合，从而 电流可以通过继电器触点。如果通过继电器线圈流过的电流又被中断，则继电器触点的可 动部分例如借助弹簧装置移动回其原始位置，这导致继电器触点断开并且经过其的电流中 断。在自闭合的继电器的情况下，触点在继电器线圈无电流的状态下闭合并且在有电流流 过的状态下断开。通常在借助控制电路中的相对小的电流要接通或断开在开关电路中的相对更大 的电流的地方采用电磁继电器。在这种情况下电磁继电器形成控制电路和开关电路的电耦
I=I O例如在用于监视供电网的电气保护设备中采用电磁继电器，用于在供电网中的故 障(例如短路)的情况下通过闭合所谓的“控制继电器”的继电器触点来促使电气断路器 的触发并且因此断开故障电流。在这些与安全相关的领域采用电磁继电器的情况下具有较 大的重要性的是，可靠防止不期望的接通或断开，以便一方面保证在故障情况下的大的安 全性并且另一方面避免需要成本的错误触发。为了进行继电器触点的状态监视，首先可以将其实际的状态(即，是断开的或是 闭合的)反馈到继电器线圈的控制装置。在继电器触点的额定状态和实际状态之间的偏差 的情况下可以推断出继电器控制中的错误。然而这样的监视是比较麻烦的，因为在此为了反馈关于继电器触点的状态的信息 必须超出(Uberschritten)由继电器实现的在控制电路和开关电路之间的电气去耦合。此 外，只有当故障已经发生时(即，继电器触点已经具有不期望的状态时)，才能识别故障。前 瞻性的监视是不可能的。由此致力于尽可能故障可靠地断开继电器线圈的控制电路。在开关装置中例如通 过开关触点由于太高的开关功率或太高的温度产生的熔化而形成故障，从而相应的开关装 置持续地短路。在诸如晶体管的半导体开关中一种类似的效应作为所谓的半导体开关的接 头的“熔合(Durchlegieren) ”而公知。同样在机械的开关装置中以及在半导体开关中都会 发生，由于内部故障而持续截止电流。此外还可能在继电器线圈本身中发生故障，其中例如由于导线断裂不再可能有电流通过继电器线圈。为了尽可能故障安全地构造控制电路，不是仅通过可能容易出故障的唯一的开关 装置来控制继电器线圈，而是通过两个位于继电器线圈的电流路径中的开关装置。只有当 两个开关装置同时闭合时才控制继电器线圈。只要一个开关装置断开，则通过继电器线圈 的电流被断开。由此实现了控制的相对于继电器线圈的不期望的动作的相对大的可靠性， 因为仅一个有害的持续短路的开关装置不能造成继电器线圈的不期望的动作。这样的开关 设备例如从德国专利文献DE 4409287 Cl中公知，与两个以晶体管形式的开关装置一起位 于电流路径中的继电器线圈就来源于此。

发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种本文开头提到种类的开关设备和方法，其 允许前瞻性地检查继电器线圈和两个开关装置的出现的故障。所述关于开关设备的技术问题通过本文开头提到种类的开关设备解决，其中控制 装置被构造为用于将检验信号发送到第一和第二开关装置，其中这样实现所述检验信号， 使得其不影响继电器触点的瞬时状态；在继电器线圈的接头和开关装置中的一个之间所量 取的测量电压被施加到转换装置的输入端，其中转换装置被构造为用于将测量电压转换到 二进制的应答信号；并且监视装置与转换装置的输出端相连，该监视装置在检验信号的发 送期间通过控制装置分析二进制的应答信号的变化，并且如果二进制的应答信号与预计的 变化偏离则显示继电器线圈中的或开关装置中的一个的故障。按照本发明的开关设备的特别优点在于，当还没有执行继电器的有故障的开关操 作时，就已经可以比较简单地监视继电器线圈的和两个开关装置的正确功能。以这种方式 可以前瞻性地进行对继电器线圈的和两个开关装置的可能故障的检验。在此“前瞻性的”也 就是意味着，在不会导致继电器触点的开关操作的情况下就能够进行功能性的检验。为此 以比较简单的方式仅量取并监视以测量电压形式的一个唯一的测量信号。通过利用检验信 号施加到两个开关装置上(不过这些检验信号不会影响继电器触点的瞬时状态)，优选地 既可以在继电器线圈闭合的状态下也可以在断开的状态下获知两个开关装置的或继电器 线圈的故障。如果在监视时在开关装置中的一个中或在继电器线圈中发现故障，则可以通知电 磁继电器安装于其中的设备的操作者(例如相应的电气保护设备的操作者)关于与此相关 的故障报警，从而其能够启动带有继电器和其控制电路的组件的更换。按照一种优选实施方式，两个开关装置是半导体开关，特别是晶体管。能够特别快 地并且以小的开关功率接通或断开这些半导体开关。按照本发明的开关设备的另一种优选实施方式，在继电器线圈的电流路径中分别 在继电器线圈的一个接头和一个开关装置之间设置阻尼电容器的接头。通过电容器的阻尼 作用可以在时间上这样延缓(gestreckt)测量电压的变化和由此二进制的应答信号的变 化，使得可以特别简单地分析。按照本发明的开关设备的另一种优选实施方式，转换装置具有平行于继电器线圈 的电流路径设置的分压器，其分压器抽头一方面被施加以测量电压另一方面为了获得二进 制的应答信号而被传输到另一个开关装置的控制输入端。以这种方式可以没有大的电路开销地从测量电压中产生二进制的应答信号。该另一个开关装置例如可以是半导体开关、特别是M0SFET(金属氧化物半导体场 效应晶体管)。场效应晶体管通过电压来控制并且在本情况下由此特别好地适合于测量电 压到二进制的应答信号的转换。关于方法的上述技术问题是通过用于控制具有继电器线圈和继电器触点的电磁 继电器的方法解决的，其中为了产生通过继电器线圈的电流而闭合两个开关装置并且为了 断开通过继电器线圈的电流而断开两个开关装置，其中在具有继电器线圈的电流路径中这 样设置开关装置，使得第一开关装置与继电器线圈的第一接头相连，并且第二开关装置与 继电器线圈的第二接头相连，其中在按照本发明的方法中控制装置向两个开关装置输出不 影响继电器触点的瞬时状态的检验信号；在继电器线圈的接头和开关装置中的一个之间量 取测量电压；该测量电压被转换为二进制应答信号；并且如果二进制的应答信号的变化与 预计的变化偏离，则显示继电器线圈中的或两个开关装置中的一个中的故障。利用所述方 法可以以优选方式前瞻性地进行电磁继电器的控制电路的检验。作为优选扩展，在继电器触点断开的状态下将时间偏移的检验信号输出到两个开 关装置，这些检验信号比继电器的响应时间短。在此如下的时间被视为继电器的响应时间 在施加于继电器线圈上的电压突然改变的情况下，由继电器线圈产生的磁场需要该时间， 来利用继电器触点的开关状态的改变来响应。例如，如果在完全建立的磁场中断开继电器线圈，则磁场首先按照一定的时间延 迟衰减。只有当磁场强度不再足以使得继电器触点保持在其至此的位置时，继电器触点才 改变其状态。如果又及时地接通继电器线圈，则又建立磁场并且继电器触点保持而不改变 其状态。在相反情况下，在突然施加电压到(事先是无电流的)继电器线圈上时，继电器线 圈的磁场需要一定的持续时间，直到其磁场强度足够以控制继电器触点。如果又及时断开 电流，则继电器触点不会改变其状态。由此检验信号就其持续时间来说必须如此短，使得通过建立的或减弱的磁场的惯 性而不会发生继电器触点的状态改变。利用按照本发明的方法既可以在继电器线圈的无电流的状态下也可以在有电流 的状态下进行两个开关装置的和继电器线圈的可能的故障的检验。具体地，在继电器线圈无电流的状态下并且在继电器线圈的第二接头和第二开关 装置之间量取测量电压的情况下，通过按照以下顺序输出检验信号来进行检验a)将检验信号输出到第二开关装置；b)在信号暂停期间不输出检验信号；c)将检验信号输出到第一开关装置。在量取在继电器线圈的第一接头和第一开关装置之间的测量电压的情况下，相应 地将检验信号反向分布到开关装置。按照一种优选扩展，通过持续地控制第一开关装置，而通过脉动的检验信号控制 第二开关装置，可以在继电器线圈有电流流过的状态下进行检验。例如可以将二进制的应答信号的变化连续地与预计的变化进行比较。然而按照本 发明的方法的特别优选的实施方式是，为了确定，是否在继电器线圈或者开关装置中的一个中出现故障，将二进制应答信号在至少两个特征时刻与预计的变化比较，其中在特征的 时刻之间至少一个检验信号的状态发生了至少一个改变。在该实施方式中对于比较所需的 监视装置的计算性能保持相对小，因为在最简单的情况下仅必须在两个特殊的特征时刻比 较二进制应答信号的变化和预计的变化并且因此不需要连续的比较。因为通常很难实现二 进制应答信号和预计的变化的百分之百的相同，该实施方式的另一个优点在于，在考察时 刻的有效选择中-即，按照与发生检验信号的改变的那些时刻足够的距离-在二进制应答 信号的变化和预计的变化之间的不重要的偏差不会导致故障报警。
为了能够持续监视两个开关装置的和继电器线圈的可能的故障，应该按照定期的 时间间隔重复按照本发明的方法。 优选地，视继电器触点的状态不同由控制装置输出不同的检验信号。


以下借助实施例详细解释本发明。其中，图1示出了一种用于控制电磁继电器的开关设备的一般实施方式的示意性框图，图2示出了用于控制电磁继电器的开关设备的可能的实施方式的电路图，图3示出了多个图，用于解释在继电器线圈的无电流状态下的检验的情况下的示 例性的检验信号和由此产生的测量电压和二进制应答信号，图4示出了用于解释对继电器线圈的无电流状态下的检验的实施例的方法流程 图，图5示出了用于对继电器线圈的无电流状态下的监视的检验信号顺序，图6示出了多个图，用于解释在继电器线圈的有电流状态下的检验的情况下的示 例性的检验信号和由此产生的测量电压和二进制应答信号，以及图7示出了用于解释对继电器线圈的有电流状态下的检验的实施例的方法流程 图。
具体实施例方式图1示出了一种用于控制电磁继电器的开关设备的实施方式的示意性框图。电磁 继电器的控制电路在电流路径10中包括与第一开关装置12a以及第二开关装置12b串联 的继电器线圈11的串联电路，其中在图1中仅示例性通过机械开关装置来表示开关装置 12a和12b。开关装置12a和12b可以通过机械的开关或者诸如晶体管的半导体开关来形 成。利用“V+”和“V-”表示高电压水平和低电压水平。例如高电压水平可以位于10V， 而低电压水平可以位于0V。第一开关装置12a与继电器线圈11的第一接头1 Ia在高电压水 平V+ —侧相连，而第二开关装置12b与继电器线圈11的第二接头lib在低电压水平V-— 侧相连。第一和第二开关装置12a和12b利用其控制输入端与控制装置13相连。通过控 制装置13可以接通或断开开关装置12a和12b。控制装置13被构造为用于向第一和第二 开关装置12a和12b的控制输入端输出检验信号，如后面详细解释的。在继电器线圈11的第二接头lib与第二开关装置12b的连接中通过支路14量取测量电压Umess并且传输到转换装置15。转换装置15用于将测量电压UmessR换为二进制的 应答信号BS并且将该应答信号输出到其输出端。二进制的应答信号BS被传输到监视装置 16，该监视装置可以与控制装置13交换信息。如在图1中所示，监视装置16或者可以形成 单独的单元，或者(与图1中所示不同)被集成到控制装置13中。控制装置13以及监视 装置16都可以具有控制其工作模式的微处理器或者其它逻辑组件(例如ASIC)。与图1中所示不同，测量电压Umess还可以设置在第一开关装置12a和继电器线圈 11的第一接头之间的连接上。在这样的情况下，以下描述的用于监视电流路径10的检验信 号的顺序相应地反向地分布到两个开关装置12a和12b上，同样相应地调整在下面描述的 故障情况。然而，在以下的例子中从按照图1(即，在第二开关装置12b和继电器线圈11的 第二接头之间)的测量电压Umess的量取出发。在一种可能的具体实施方式
中例如如图2中所示地构造用于控制电磁继电器的 开关设备。对于图1相应的组件在图2中使用相同的附图标记。图2示出了继电器线圈11，其在高电压水平V+ —侧利用其第一接头1 Ia与第一开 关装置12a相连，而继电器线圈11的第二接头lib在低电压水平V- —侧与第二开关装置 12b相连。在图2中示例性地作为以晶体管形式的半导体开关示出了开关装置12a和12b。借助虚线示出的边框说明开关元件的组，其相应于按照图1的转换装置。转换装 置15的核心部件在按照图2的实施方式中形成分压器22，其示例性地由两个欧姆电阻22a 和22b组成。分压器抽头2位于3两个欧姆电阻22a和22b之间，该分压器抽头一方面与 用于测量电压的支路14相连另一方面与另一个开关装置24的控制输入端相连。与继电器线圈11和开关装置12a并联设置的、由欧姆电阻25a和二极管25b组成 的串联电路25用于捕捉在通过继电器线圈11的电流断开的情况下可能产生的过电压。另 一个欧姆电阻26用于调整二进制应答信号BS的电压水平。第一阻尼电容器27a的一个接头连接在第一开关装置12a与继电器线圈11的第 一接头Ila的连接上，该第一阻尼电容器以其另一个接头位于低电压水平V-。相应地第二 阻尼电容器27b以其一个接头连接在第二开关装置12b和继电器线圈11的第二接头lib 之间的连接上，该第二阻尼电容器的第二接头同样位于低电压水平V-。以下详细解释在图2中示出的开关设备的工作原理、特别是关于对两个开关装置 12a和12b的和继电器线圈11的可能的误差的检验。为此除了参考图2之外还参考图3至 图7。控制装置13首先用于，通过同时断开或闭合开关装置12a和12b来产生或中断通 过继电器线圈11的电流。通过同时闭合两个开关装置12a和12b产生通过继电器线圈11 的电流，由此在继电器线圈11中产生相应的磁场并且从一个一定的磁场强度起，导致电磁 继电器的(未示出的)继电器触点状态改变。为了中断在继电器线圈中的电流，控制装置 13断开两个开关装置12a和12b，从而由继电器线圈11产生的磁场又减弱。如果由磁场产 生的场强不足以使得继电器触点保持在其位置，则继电器触点例如通过弹力作用转换到其 正常位置。对于在两个开关装置12a和12b中的一个中或继电器线圈11中出现故障的情况， 继电器线圈11的和由此在继电器触点上设置的开关电路的规定的控制不再得到保证。对于电磁继电器是用于控制电气断路器的控制继电器的示例性情况，通过这样的故障例如会 引起断路器的不期望的错误触发或者阻碍断路器的期望的触发。因此对由两个开关装置 12a和12b和继电器线圈组成的电流路径10进行检验。根据继电器线圈11是处于无电流 的状态还是有电流的状态，在控制装置13方面向控制装置12a和12b输出不同的检验信号 P_A、P_B，这些检验信号导致支路14上的电压水平的改变。在该支路14上施加的测量电压Umess还被传输到转换装置15，在那里测量电压被 转换为二进制应答信号BS。监视装置16将二进制应答信号BS的变化与预计的变化比较， 并且当预计的变化和二进制应答信号BS的实际的变化互相偏离时，识别在电流路径10中 的故障。为了能够将预计的变化和二进制应答信号BS的实际的变化互相比较，监视装置16 能够与控制装置13交换信息，以便例如得知关于检验信号P_A、P_B向两个开关装置12a和 12b的发送的开始。当监视装置16识别电流路径10中的故障时，可以输出相应的故障报警，该故障报 警通知电磁继电器安装于其中的设备的操作者关于该故障。相应设备的操作者于是还在电 磁继电器发生实际的故障之前就可以更换相应的有故障的组件。电流路径10的可能故障的检验既可以在继电器线圈的无电流的状态，也可以在 有电流流过的状态下，并且相应地在继电器触点断开或闭合的情况下进行，而不会影响继 电器触点的状态。以下首先结合图2、3和4解释，如何能够进行在(期望的)无电流的继电器线圈 的情况下对电流路径10的检验。在图3中为此在上面两个图中示出检验信号？_々、P_B的变化，而在以下十个图 中在左边分别对于无故障的情况以及对于不同的故障情况示出施加于支路14上的测量电 压，而在右边分别对于无故障的情况以及对于不同的故障情况示出从各个测量电压产生的
二进制应答信号。如从图3可以获悉的，在检验过程的开始时首先将检验信号P_B传输到第二开关 装置12b。该检验信号P_B将第二开关装置12b带入其闭合状态。在此，如下实现检验信号P_B的持续时间，使得对于第一开关装置12a由于故障而 应该持续短路的情况，通过然后由继电器线圈11产生的电流的持续时间对继电器触点的 状态没有影响。检验信号P_B的持续时间由此必须小于前面已经解释的继电器的响应时 间。为此通常可以将检验信号的持续时间选择得在下限和上限之间，其中下限给出为了在 转换装置15中产生正确的二进制应答信号所需的那个时间，并且上限应该位于与继电器 的响应时间足够安全的间隔。例如对于检验信号的持续时间的可能范围可以位于大约40 和大约200 μ s之间。如从图3可以获悉的，在这样选择的短的持续时间之后又结束检验信号Ρ_Β向第 二开关装置12b的输出，并且紧跟着一个信号暂停，在该信号暂停期间没有检验信号向开 关装置12a或12b输出。在该开关暂停之后另一个检验信号P_A被输出到第一开关装置 12a,该检验信号导致开关装置12a闭合。同样也必须这样短地完成检验信号P_A的持续时 间，使得即使当第二开关装置12b发生故障时应该处于持续短路状态时，继电器触点的状 态不会受到影响。因此检验信号P_A的持续时间也必须低于继电器的响应时间。在结束该检验信号顺序之后，结束检验过程；在任意暂停之后可以继续开始检验过程。因此例如可以每250 μ s开始一个新的检验过程。在图3的第二行的图中示出了对于开关装置12a和12b以及继电器线圈11位于 正确的、即没有故障的状态的情况下，测量电压t/二=的变化(k0rr = k0rrekt，正确的)。现 在要参考图2解释测量电压t/=丨的变化。为此假定，两个开关装置12a和12b没有问题地 工作并且首先二者都处于截止的状态。首先，测量电压丨位于通过分压器22预先给出的中间的电压水平。二进制应 答信号BSkmM立于高电平，因为测量电压t/二足以导通(durchzusteuern)另一个开关装置 24。通过检验信号P_B向第二开关装置12b的输出，开关装置12b被闭合并且在支路14上 的测量电压t/==被带到低电压水平V-，因为第二开关装置12b跨接了分压器22的下电阻 22b。由此只要检验信号P_B闭合开关装置12b的话，从图3中的测量电压t/=:的变化可以 获悉突然的下降。相应地二进制应答信号BSktmT降到低电平，因为另一个开关装置由于施 加的低的测量电压[/=而截止。在检验信号P_B结束之后第二开关装置12b又转换到截止 状态，并且事先放电的阻尼电容器27a和27b通过分压器22的上电阻22a充电。在阻尼电 容器27a和27b和分压器的欧姆电阻22a的尺寸足够大时，然而该充电过程进行得这样缓
慢，使得在信号暂停期间测量电压U=的增加几乎不能被察觉。测量电压f/==的增加至少 不足以将转换装置15的另一个开关装置24转换到其有电流流过的状态，从而二进制应答 信号BSktm在信号暂停期间进一步保持到低电平。当在信号暂停之后检验信号P_A作用于 第一开关装置12a并且将该第一开关装置带入其有电流流过的状态时，阻尼电容器27a和 27b比较快地被充电，因为分压器22的上电阻22a被跨接并且高的电压水平V+直接施加在 阻尼电容器27a和27b上。在测量电压的变化(该变化在第二测量信号P_A的输出期 间陡峭上升)上也可以看出该快速的充电过程。最后测量电压位于高的电压水平V+。 只要测量电压f/=:达到允许导通第二开关装置24的电平，则二进制应答信号BSktm突然地 上升到其高电平。如果第一检验信号P_A的输出在相应的持续时间流逝之后结束，则在阻 尼电容器27a和27b放电之后通过分压器22的下电阻22b在支路14上又调整到相应地由 分压器22预先确定的中间电压水平。如已经结合图2解释的那样，二进制应答信号被传输到监视装置16，其将二进制 应答信号的变化与预计的变化比较。这样的比较可以或者连续地在整个检验过程期间进行 或者可以不连续地仅在特定的特征时刻进行，以便一方面节省监视装置的计算容量，另一 方面对于二进制应答信号与预计的变化的不重要的偏差不敏感，该偏差不会预示在电流路 径10中的故障。在图3中为此示出了两个监视时刻、和t2，其在二进制的应答信号的变化中分别 用圆圈表示。因此对于二进制的应答信号的正确变化，必须在测量时刻、设置低信号电平 并且在测量时刻t2设置高信号电平。如果监视装置16根据在该时刻测量的信号电平识别 正确的变化，则推导出无故障的电流路径10，并且不进行任何其它处理，直到开始下一个检 验过程。以下对于两个开关装置12a或12b中的一个持续短路或者持续截止或者在继电器线圈11中出现导线断裂的故障情况讨论各个测量电压的和从中产生的二进制应答信号的变化。首先要考察第二开关装置12b由于故障而持续截止的故障情况F1。在该情况下， 检验信号P_B向第二开关装置12b的输出没有任何效应，因为持续截止的开关装置12b由 此不能被带入有电流流过的状态。因此相应的测量电压CZ^L保持在通过分压器22设置的 中间电压水平并且如按照虚线表示的正确的测量电压 /==的变化所预计地，不会下降到低 的电压水平V-。相应地，二进制应答信号BSfi保持在其高电平。在信号暂停期间没有检验 信号向开关装置12a或12b输出，从而[Ζ=,.和产生的二进制应答信号BSfi相应地不改变。 通过检验信号P_A向第一开关装置12a的输出，该第一开关装置_因为其正确地工作_被 带入其有电流流过的状态，由此在支路14上施加的测量电压在阻尼电容器27a和27b充电 之后上升到高的电压水平V+。然而测量电压高的电压水平V+的该上升对于二进制 应答信号BSfi的变化没有任何影响，因为二进制应答信号BSfi已经位于其高电平。在检验 信号P_A结束之后，第一开关装置12a又截止并且阻尼电容器27a和27b放电到通过分压 器22预先确定的中间电压水平。因此在检验过程期间监视装置16采集二进制应答信号 BSF1，该应答信号持续地位于高电平。在时刻、和t2离散考察的情况下，监视装置16在时 刻、识别二进制应答信号BSfi与预计的变化(用虚线表明的)的偏差，因为二进制应答信 号BSfi位于高电平而不是如预计的那样位于低电平。由此监视装置16推断出在电流路径 10中的故障并且输出故障信号，以便警告包含电磁继电器的电气设备的操作者。接下来考察第二开关装置12b持续短路、从而一直有经过开关装置12b的电流的 故障情况F2。对于该情况在支路14上施加的测量电压CZ1^在检验过程开始之前就已经由 于短路的开关装置12b而位于低的电压水平V-。检验信号P_B的接通对此没有影响，因为 开关装置本来就位于断开的状态。产生的二进制应答信号BSf2因此在检验过程开始之前以 及在输出检验信号P_B期间持续的位于其低电平。在信号暂停期间测量电压C/^的以及二 进制应答信号BSf2的状态不改变，因为短路的开关装置12b将支路14持续保持在低电压水 平V-。此处检验信号P_A到第一开关装置12a的输出也可以不改变；支路14在闭合的开 关装置12a的情况下也通过短路的开关装置12b持续地保持在低的电压水平V-。从该故 障情况F2中可以认识到检验信号的持续时间的意义，因为在持续电路的开关装置12b中在 太长的检验信号P_A的情况下超过继电器的响应时间，并且由此不期望地改变继电器触点 的状态。只有通过检验信号P_A的相应短的输出才能实现，虽然一方面可以采集二进制信 号BSF2，但是另一方面不会超过继电器的响应时间，使得继电器触点的状态不会改变。在该 故障情况F2下将持续地位于低电平的二进制应答信号BSf2传输到监视装置16。在时刻、 和t2离散考察二进制应答信号BSf2的情况下，在时刻t2识别偏差，在那里二进制应答信号 BSf2不是位于预计的高电平而是位于低电平。由此监视装置16输出一个故障信号，用于显 示在电流路径10中的故障。下一个故障情况F3包括两种故障，即，开关装置12a持续截止或者在继电器线圈
11中出现导线断裂(或者二者)，从而没有电流通过继电器线圈11。在这种情况下测量电
压开始于通过分压器22预先确定的中间电压电势并且在检验信号P_B的输出的情况
下由于然后短路的第二开关装置12b而下降到低的电压水平。二进制应答信号BSf3相应地下降到其低电平。在信号暂停期间(在继电器线圈11中的导线断裂的情况下)阻尼电容 器27b或者(在第一开关装置12a持续截止的情况下)两个阻尼电容器27a和27b通过分 压器22的上电阻22a充电，其中如已经提到的，该充电过程这样缓慢地进行，使得没有发生 另一个开关装置24的状态改变。因此二进制应答信号BSf3继续位于低电平。因为在此处 考察的故障情况F3下，或者第一开关装置12a或者继电器线圈11 (或者二者)持续截止， 所以向第一开关装置12a输出检验信号P_A不会产生通过开关装置12a和继电器线圈11 的电流，从而阻尼电容器27a和27b通过电阻22a的充电过程相应缓慢地继续，使得在检验 信号P_A的输出期间在支路14上施加的测量电压C/二,不足以导通(durchzusteuern)另一 个开关装置24。因此二进制应答信号BSf3保持在低电平。在时刻、和t2分别将二进制应 答信号BSf3的一个低电平传输到监视装置16，从而其在时刻t2确定与预计的变化的偏差并 且输出一个故障信号。最后考察第一开关装置12a持续短路的故障情况F4。因为在这种情况下分压器22 的上电阻22a持续被跨接，所以在这种情况下C/!在检验过程的开始之前就已经开始于高 的电压水平V+。相应地，二进制应答信号BSf4位于高电平。检验信号P_B的输出闭合第二 开关装置12b并且由此在支路14上的电压水平下降到低的电压水平V-。相应地在测量电
BUfJss的变化上并且也在从中产生的二进制应答信号BSf4上识别该跳变。在检验信号P_B 结束之后第二开关装置12b又截止，从而电容器27a和27b非常快地通过持续短路的开关 装置12a充电到高的电压水平V+。因此二进制应答信号BSf4在该信号暂停中又跳变到高 电平。因此向第一开关装置12a输出检验信号P_A不再对测量电压t^l和从中产生的二进 制应答信号BSf4产生任何影响，因为第一开关装置12a本来就是持续短路的并且支路14已 经位于高的电压水平V+。因此在这种情况下将在图3中示出的二进制应答信号BSf4的变 化传输到监视装置16。同样仅在时刻、和t2离散考察的情况下，监视装置16在时刻、识 别二进制应答信号BSf4与预计的变化的偏差，并且输出一个故障信号。在图4中再次借助方法流程图概括地示出在时刻、和t2离散检验的情况下检验 过程在时间上的过程。在检验过程开始(“测试开始”)之后，首先按照步骤40由控制装置 13将检验信号P_B，输出到第二开关装置12b。按照步骤41等待一个确定的持续时间、例 如40 μ s，然后在步骤42中又断开第二检验信号？_8。在步骤43中在信号暂停期间又等待 一个预先给出的持续时间、例如又是40μ s，在该持续时间期间不输出检验信号。在该持续 时间流逝之后，在步骤44中检验，二进制应答信号是否位于预计的低电平(在图4中作为 “0”表示)。如果不是，则输出一个故障报警。然而如果在步骤44中该检验得到，二进制应 答信号位于预计的低电平，则按照步骤45接通检验信号Ρ_Α，以便接通开关装置12a。在步 骤46中对于预先给出的持续时间、例如又是40μ s，保持检验信号P_A，然后在步骤47中利 用监视装置16检验，是否二进制应答信号位于预计的高电平(该高电平在图4中示例性地 用“1”表示)。如果确定二进制应答信号的偏差，则又输出一个故障报警。如果识别正确 的二进制应答信号，则在下一步骤48中断开检验信号P_A并且成功结束测试过程(“测试 0K，，)。在预先确定的持续时间流逝之后可以通过激活顺序“测试开始”重新引入检验过 程，以便保证持续检验电流路径10。
现在要借助图5至7示出对于(不期望的)有电流流过的继电器线圈11的情况 对电流路径10的监视。在这种情况下同样有如下要求该检验不允许对继电器触点的状态 有任何影响。在图5中首先示出电磁继电器的接通和保持过程。公知地，为了控制继电器触点、 例如在继电器触点接通期间，继电器线圈需要比将继电器触点保持在其受控的状态更高的 能量供应。因此在时刻、首先为了继电器触点的运动同时接通两个开关装置12a和12b。 通过同时控制两个开关装置12a和12b保证通过继电器线圈11的持续高的电流，从而能够 快速将触点带入其激活的位置。按照图5，继电器触点的该激活阶段从开始时刻、起持续 到继电器触点被带入其激活状态的时刻t*。然后通过第二开关装置12b的脉动的控制，可以驱动通过继电器线圈11的所谓的 脉宽调制的保持电流，该保持电流在时间上中间地产生小的功率(和由此在继电器线圈中 的也是小的损耗功率)，并且是足以将继电器触点保持在其激活的状态。此处同样又利用电 磁继电器的惯性，因为在继电器线圈11中的磁场(如前面已经描述的那样)只有在一定的 响应时间之后在减弱到使得继电器触点又被转换到其禁止的状态，从而在相应短的脉动的 情况下总是低于该响应时间并且继电器触点持续地保持在其激活状态。通过继电器线圈11中的脉宽调制的电流为电磁继电器提供总体上较小的保持电 流的该工作原理本身是公知的。为了监视电流路径10，此时优选将第二开关装置12b的本来脉动的控制作为用于 监视在支路14上的相应测量电压Umess的脉动的检验信号P_B —起利用。为了解释，为此在 图6中在上面的两个图中分别示出在检验信号P_B的一个脉动期间、如在图5中通过圆圈 强调的、检验信号P_A和P_B的变化。在此连续输出检验信号P_A，而脉动地输出检验信号 P_B。由此产生的测量电压t/二='的正确的变化以及从中产生的二进制应答信号BSton"* 的正确的变化在图6中的第二行的两个图中示出。参考图2解释测量电压 /=的和二进制 应答信号BSkerr*的变化。对于两个开关装置12a和12b以及继电器线圈11都无故障的情况，在检验顺序的 开始开关装置12a位于其闭合状态，而开关装置12b由于缺失的检验信号P_B而被截止。因 此在支路14上具有高的电压水平V+，其导致另一个开关装置24的导通并且二进制应答信 号BS1cot'因此保持高电平。在输出检验信号P_B的情况下该然后闭合的开关装置12b将支 路14上的测量电压带入低的电压水平V-，因为此处分压器22的下电阻22b被跨接。相 应地，测量电压以及产生的二进制应答信号二者都跳变地下降。只要输出检验 信号P_B，则测量电压保持在低的电压水平V-并且二进制应答信号BSkerr*保持在低电平。 在结束检验信号P_B之后第二开关装置12b又截止。在继电器线圈11中通过电流的突然 中断和由此减弱的磁场感应一个过电压，该过电压通过流经电阻25a和二极管25b的电流 而缓慢减弱。相应地，在支路14上量取的测量电压C/=^首先上升到超过高的电压水平V+， 并且然后又逐渐下降到该高的电压水平V+。在电流下降到低于保持电流的值，并且由此磁 场强度不再足以将继电器触点保持在其激活位置之前，必须又接通检验信号P_B，以便又闭 合电流路径10。
因此从在图6中示出的测量电压t/=:'，产生二进制应答信号BSkDrr",该应答信号 在结束检验信号P_B的输出之后由于然后上升的测量电压而又跳变到其高电平。二进制应答信号BS的变化被传输到监视装置16。如在继电器线圈的无电流的状 态中那样，可以连续地或离散地进行二进制应答信号的正确变化的检验。在图6中对于离 散考察，选取两个特征时刻t3和t4，在这些时刻监视装置16检验二进制应答信号的变化。 在相应于二进制应答信号的BSkwr*中因此在时刻t3必须识别一个低电平并且在时刻t4必 须识别一个高电平。以下解释可能的可识别的故障情况，即，持续短路的或持续截止的开关装置12b、 持续截止的开关装置12a或在继电器线圈11中的导线断裂。因为开关装置12a本来是持续地通过输出连续的检验信号P_A而被保持在其闭合 状态，所以在继电器线圈11中有电流流过的情况下借助检验顺序不能识别第一开关装置 12a的由于故障而持续短路的状态。然而因为其首先不会导致电磁继电器的故障(第一开 关装置12a应该本来持续短路)这样的故障的不可识别性不是检验过程的缺点。这样的故 障在前面已经描述的、在继电器线圈的无电流状态中的检验中能够被容易地识别。首先要处理第二开关装置12b位于持续截止状态的故障情况F5。在该情况下，支 路14通过期望的短路的开关装置12a持续地保持在高的电压水平V+。因为检验信号P_B 的输出由于有故障的持续截止的第二开关装置12b而对该第二开关装置12b的开关状态没 有影响，所以在支路14上的测量电压《7=不取决于检验信号P_B的状态而保持在高的电压 水平V+。因此从中产生的二进制应答信号BSf5保持在高电平，从而监视装置16确定二进 制应答信号BSf5的变化与预计的变化的偏差。在时刻t3和t4离散考察的情况下，监视装置 16在时刻t3确定不是位于低电平而是位于高电平的二进制应答信号BSf5的偏差，并且可以 产生故障信号。然后要处理第二开关装置12b持续短路的故障情况F6。在这种情况下在支路14 上的测量电压C/!.通过持续短路的开关装置12b连续地位于低的电压水平V-，从而得到测 量电压的变化，如在图6中所示。在此测量电压t/=不取决于检验信号P_B而位于低 的电压水平V-，从而产生的二进制应答信号BSf6也持续地保持在低电平。因此监视装置16 既可以在连续地也可以在离散地监视二进制应答信号的变化的情况下确定与预计的变化 的偏差；在离散考察的情况下监视装置16在时刻t4识别二进制应答信号BSf6的低电平而 不是预计的高电平，从而能够输出一个故障信号。最后要考察或者是继电器线圈11具有导线断裂或者是第一开关装置12a持续截 止的故障情况F7。在这种情况下在支路14上的测量电压首先开始于通过分压器22设 置的中间电压水平，因为第二开关装置12b也截止电流。因此二进制应答信号BSf7开始于 高电平。在接通检验信号P_B并且由此使得第二开关装置12b闭合之后，在支路14上的测 量电压CZmf^被带入低的电压水平V-。由此也导致二进制应答信号BSf7下降到低电平。只 要检验信号P_B将第二开关装置12b保持在闭合状态，则测量电压t/!保持在低的电压水 平V-。在检验信号P_B结束之后，阻尼电容器27b (在继电器线圈11中导线断裂的情况下) 或者两个阻尼电容器(在第一开关装置12a持续截止的情况下)通过分压器22的上电阻22a又充电到中间电压水平。然而这又是缓慢发生的，从而二进制应答信号BSf7首先保持在低电平。由此监视 装置16识别二进制应答信号BSf7与预计的变化的偏差。在离散考察的情况下，监视装置16 在时刻t4识别二进制应答信号的低电平而不是预计的高电平并且能够输出一个故障信号。最后在图7中示出对于在时刻、和、离散地监视二进制应答信号的情况，在继电 器线圈11中有电流流过的情况下的检验过程的流程。在开始检验过程(“测试开始”)之 后，在第一步骤71中接通检验信号P_B。在步骤72中等待一个短的持续时间之后，在步骤 73中进行检验，是否二进制应答信号BS具有低电平(“0”)。这样确定在步骤72中要求的持续时间的长度，使得二进制应答信号BS对通过检 验信号P_B接通的第二开关装置12b的反应能够被正确地采集。如果在步骤73中在时刻t3确定了二进制应答信号BS与预计的低电平的偏差，则 输出一个故障报警。然而如果在步骤73中二进制应答信号BS相应于预计的变化，则在步 骤74中在对于产生所需的保持电流来说足够的持续时间的流逝之后，在步骤75中又断开 检验信号？_8，并且在步骤76中又等待一个短的持续时间，这样确定该持续时间的长度，使 得可以采集二进制应答信号的反应。在步骤77中检验，是否二进制应答信号BS位于预计 的高电平。如果不是，则又输出故障。然而，如果二进制应答信号位于预计的高电平，则成 功地结束测试过程并且在预定的持续时间流逝之后可以重新开始该测量过程。通过在控制装置13和监视装置16之间允许的信息交换，对于监视装置16来说可 以将与继电器线圈11 (或者无电流或者有电流流过)的各个额定状态匹配的、二进制应答 信号的预计的变化包括在其检验中。最后还要指出，在分别在两个特征的测量时刻离散地检验的情况下，精确区分出 现的故障的故障种类并非总是可能的，因为通常多个故障类型在特征的时刻显示与二进制 应答信号的期望的变化互相相应的偏差。然而，精确区分故障类型通常也是不必要的，因为 对于电磁继电器被安装于其中的电气设备的操作者来说感兴趣的仅仅是，继电器控制是正 常的还是有故障的。如果发生可能的故障，则不管故障的种类，操作者断开具有继电器控制 和电磁继电器的相应的开关组，以保证电气设备的正确工作。尽管如此，如果还是期望精确的故障区分，则要么必须借助监视装置连续进行二 进制应答信号的监视，要么测量时刻的数量必须增加其它特征的时刻，因为据此能够说明 二进制应答信号的其它有效力的偏差。在这种情况下，监视装置与其故障报警一起同时也 输出故障种类。然而，在所述仅利用两个测量时刻离散考察的情况下可以考虑，至少相应地限制 可能的故障种类的选择。例如在继电器线圈11接通状态中的检验的情况下，按照步骤 77(参考图7)检验电平时在确定的偏差的情况下，可以输出特定的故障报警，该故障报警 说明，或者第二开关装置12b持续短路或者第一开关装置12a持续截止或者在继电器线圈 11中导线断开。在按照图7的步骤73中检验二进制应答信号的电平时，就可以限制到持续 截止的第二开关装置12b。这样的故障报警例如在修理故障的继电器组件的情况下或者在 查找系统的故障原因的情况下是有帮助的。
权利要求
一种用于控制具有继电器线圈(11)和继电器触点的电磁继电器的开关设备，其中，-在具有继电器线圈的电流路径(10)中这样设置两个开关装置(12a，12b)，使得第一开关装置(12a)与继电器线圈(11)的第一接头相连，并且第二开关装置(12b)与继电器线圈(11)的第二接头相连；并且-设置了控制装置(13)，其被构造为，闭合所述两个开关装置(12a，12b)，以产生通过所述继电器线圈(11)的电流，并且断开所述两个开关装置(12a，12b)，以中断通过所述继电器线圈(11)的电流；其特征在于，-所述控制装置(13)被构造为用于将检验信号(P_A，P_B)发送到所述第一开关装置(12a)和第二开关装置(12b)，其中，这样实现所述检验信号(P_A，P_B)，使得其不影响继电器触点的瞬时状态；-在继电器线圈(11)的接头和开关装置(12a，12b)中的一个之间所量取的测量电压(Umess)被施加到转换装置(15)的输入端，其中，所述转换装置(15)被构造为用于将测量电压(Umess)转换到二进制的应答信号(BS)；并且，-监视装置(16)与所述转换装置的输出端相连，该监视装置在检验信号(P_A，P_B)的发送期间通过所述控制装置(13)分析二进制的应答信号(BS)的变化，并且如果二进制的应答信号(BS)与预计的变化偏离，则显示继电器线圈(11)中的或开关装置中(12a，12b)的一个的故障。
2.根据权利要求1所述的开关设备，其特征在于，-所述两个开关装置(12a，12b)是半导体开关，特别是晶体管。
3.根据权利要求1或2所述的开关设备，其特征在于，-在继电器线圈(11)的电流路径(10)中分别在继电器线圈(11)和一个开关装置(12a 或12b)的接头之间设置阻尼电容器(27a，27b)的接头。
4.根据上述权利要求中任一项所述的开关设备，其特征在于，_所述转换装置(15)具有平行于继电器线圈(11)的电流路径(10)设置的分压器 (22)，其分压器抽头一方面被施加以测量电压(Umess)另一方面被传输到另一个开关装置 (24)的控制输入端，以获得二进制的应答信号(BS)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，_所述另一个开关装置(24)是半导体开关、特别是MOSFET。
6.一种用于控制具有继电器线圈(11)和继电器触点的电磁继电器的方法，在该方法 中，闭合两个开关装置(12a，12b)，以产生通过继电器线圈(11)的电流，并且断开两个开关 装置(12a，12b)，以断开通过继电器线圈(11)的电流，其中，在具有继电器线圈(11)的电流 路径中这样设置所述开关装置(12a，12b)，使得第一开关装置(12a)与继电器线圈(11)的 第一接头相连，并且第二开关装置(12b)与继电器线圈(11)的第二接头相连；其特征在于，-控制装置(13)向两个开关装置(12a，12b)输出不影响继电器触点的瞬时状态的检验 信号(P_A，P_B)；-在继电器线圈(11)的和开关装置(12a，12b)中的一个的接头之间量取测量电压 (U ) ·-该测量电压(Um_)被转换为二进制应答信号(BS)；并且-如果二进制的应答信号(BS)的变化与预计的变化偏离，则显示继电器线圈(11)中的 或两个开关装置(12a，12b)中的一个中的故障。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，-在继电器线圈(11)中无电流的状态下将时间偏移的检验信号(P_A，P_B)输出到两 个开关装置(12a，12b)，这些检验信号比继电器的响应时间短。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，-在继电器线圈(11)的第二接头和第二开关装置(12b)之间量取测量电压(Umess)的 情况下，按照以下顺序输出检验信号(P_A，P_B)a)将检验信号(P_B)输出到第二开关装置(12b)；b)在信号暂停期间不输出检验信号；c)将检验信号(P_A)输出到第一开关装置(12a)。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，_在量取在继电器线圈(11)的第一接头和第一开关装置(12a)之间的测量电压(Umess) 的情况下，将检验信号(P_A，P_B)按照以下顺序输出a)将检验信号(P_A)输出到第一开关装置(12a)；b)在信号暂停期间不输出检验信号；c)将检验信号(P_B)输出到第二开关装置(12b)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，-在所述继电器线圈(11)的有电流流过的状态下持续地控制所述第一开关装置 (12a)，而通过脉动的检验信号(P_B)控制所述第二开关装置(12b)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，-将二进制应答信号(BS)在至少两个特征时刻(例如tl和t2)与预计的变化比较，其 中在特征的时刻(例如tl和t2)之间至少一个检验信号(P_A，P_B)的状态发生了至少一 个改变，以便确定是否在所述继电器线圈(11)或者所述开关装置中(12a，12b)的一个中出 现故障。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，-按照定期的时间间隔重复所述方法。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，视继电器触点的状态不同，由所述控制装置(13)输出不同的检验信号(P_A，P_B)。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制具有继电器线圈(11)和继电器触点的电磁继电器的开关设备，其中，在具有继电器线圈的电流路径(10)中设置两个开关装置(12a，12b)。设置了控制装置(13)，其被构造为，闭合所述两个开关装置(12a，12b)，以产生通过所述继电器线圈(11)的电流，并且断开所述两个开关装置(12a，12b)，以中断通过所述继电器线圈(11)的电流。本发明要解决的技术问题是，提供一种本文开头提到种类的开关设备和方法。为了构造能够前瞻性地检验继电器线圈(11)中的和两个开关装置((12a，12b))中的故障的这样的开关设备，本发明提出，所述控制装置(13)被构造为用于将检验信号(P_A，P_B)发送到所述第一开关装置(12a)和第二开关装置(12b)。利用测量电压(Umess)施加到转换装置(15)，该测量电压被转换到二进制的应答信号(BS)。如果二进制的应答信号(BS)与预计的变化偏离，则显示继电器线圈(11)中的或开关装置中(12a，12b)的一个的故障。本发明还涉及一种用于控制电磁继电器的相应方法。
文档编号H01H47/00GK101889323SQ200780101582
公开日2010年11月17日 申请日期2007年11月15日 优先权日2007年11月15日
发明者哈拉尔德·卡普, 哈拉尔德·斯特罗迈尔 申请人:西门子公司