直流驱动的电源系统及直流驱动的安全相关的断开的方法

直流驱动的电源系统及直流驱动的安全相关的断开的方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及用于直流驱动的电源系统，包括用于至少一个依赖方向的二象限操作模式的功率转换器、至少一个关联的基于脉冲的致动装置、用于功率转换器的输入侧连接和输出侧连接、用于输入侧连接和/或输出侧连接的至少一个机械中断装置，其中该电源系统被提供为在工作期间连续地提供在该输出侧上流动的电流值。本发明还涉及用于在这样的电源系统中的直流驱动的安全相关的断开的方法。
【背景技术】
[0002]众所周知，直流驱动通常通过由AC电压源供电的或来自DC电压源的功率转换器操作。可变的直流电通过通常经由相位门控制操作的功率转换器产生，通过可变的直流电，直流驱动可以根据对应的要求操作。功率转换器的典型示例是填充有晶闸管的B6电桥。工业上的直流驱动具有例如在高达20MVA的电功率下的范围高达1500V的额定电压，其中，根据本申请，还可能发生从那一点的显著偏离的特征变量。
[0003]在直流驱动的安全相关的断开的情况下，应当注意的是，其驱动时刻尽可能快地变为零，以迅速排除可能的危险。为此目的，电枢电缆或励磁电流衰减到零就足够了。这个功能通常称为安全中断转矩(STO)功能。根据本发明，电枢电流的减少，该减少通过功率转换器馈送，是在这个连接中的特别感兴趣的。
[0004]因此电网供电的功率转换器不可能立刻断电，至少在再生式的操作期间(直流机器的制动期间)的高输出电压的情况下，要求对应的其中电流可以减小的时间周期。对应的时间周期为就从给出信号以开始STO功能到将直流驱动的转矩减少到零值中的安全性而言的最大允许值，根据相应的边界条件，该对应的时间周期在从500ms至100ms的范围中。
[0005]根据现有技术，当给定STO信号时，调节电枢电源的输出电压以使得电流尽可能快速地变小并且电枢电流可以在规定的示例性的时间间隔内减小。在所述间隔过去之后，功率转换器从直流驱动去耦和/或功率转换器通过例如接触器的机械中断装置从其馈电去耦。举例来说，专利文献EP2220757B1同样涉及所述问题。
[0006]这里，其证明是不利的，特别是在最初提及的直流驱动的相对尚功率范围内在所述装置必须被交换或至少被维持之前，机械中断装置的开关循环的最大许可值是相对小的。根据操作期间的安全中断转矩(STO)功能的开始的频率，有可能在中断装置上发生过度磨损。
[0007]从这些现有技术出发，本发明解决该问题以提供用于直流驱动的电源系统和用于直流驱动的安全相关断开的对应方法，其避免了所述的缺点。

【发明内容】

[0008]这个问题由用于在最初提及类型的直流驱动的电源系统解决。所述电源系统其特征在于被提供为执行如下步骤:
[0009].接收STO(安全中断转矩)信号，
[0010].如果接收到STO信号，则将功率转换器操作模式立即转变成逆变器限制，
[0011].—旦在接收到STO信号时开始的第一时间间隔已过去，则中断通过致动装置到功率转换器中的致动电力的馈送，以及
[0012].对于正好以下情况，供应中断信号给所述至少一个机械中断装置:其中，一旦第二随后的时间间隔已经过去，所述输出侧上流动的所述电流没有衰减到安全关键的极限值之下。
[0013]本发明的基本概念在于通过适当地调节功率转换器的输出电压在第一时间间隔之内已经将力矩或输出侧上流动的电流带至零或至少在安全关键的极限值以下接近于零。功率转换器的这种致动变化称为逆变器限制。
[0014]根据外界的边界条件，特别是在直流驱动的正常操作期间，预期这将在例如300ms的第一时间间隔内实现。因此，根据本发明，在没有折衷安全相关方案的情况下，在成功减小输出侧电流或在第一时间周期内已经驱动力矩的情况下，机械中断装置的开关被故意地省去，O
[0015]然而，特别是在故障的事件中，例如在具有对应增加短路电流和可能变换器不稳定地连接于此的短路的事件中，不可能假定流动在输出侧上的电流在安全关键的时间间隔内已经衰减到零或至少接近于零，安全关键的时间间隔最终由第一和第二时间间隔之和组成，并且例如是500ms。
[0016]然而，为了符合所有的安全相关要求，只要输出侧电流还没有衰减到安全关键的极限值之下，针对根据本发明的这种情况，另外做出了预防措施以在已经经过第二时间间隔之后通过激活中断装置来将功率转换器从直流驱动和/或供电网络去耦。
[0017]原则上，第二时间间隔可以配置为期望的那样短；然而，应当注意到，操作期间输出侧上流动的电流的可靠值的预防措施同样要求特定的时间周期。为了非常可靠地排除这个值可能的错误辨识，例如计算相应值时的1ms或20ms的特定时间周期之上的电流曲线应当被理想化地考虑。
[0018]举例来说，计算装置可用于这个功能的技术实现，计算装置被提供为接收相应的STO信号以评估持续提供的电流值，并且如果要求的话，以影响该激活装置和/或还启动中断装置的断开。这种计算装置可以被实施为例如在一直用于直流驱动而存在的控制器中的电路板中的附加插件程序，或可选地，实施为使用硬件操作的这样控制器的附加的软件功能，该硬件是已经存在的控制器。
[0019]因此，根据本发明，只要其不与安全有关，中断装置的机械驱动被省略。操作期间发生的开关循环的数值因此有利地下降。
[0020]根据依据本发明的电源系统的另一个配置，用于检测在输出侧上流动的电流的相应的第一特征变量的测量装置被提供在输出侧上。这样的测量装置可以是例如电流测量装置，其测量跨在非电抗性测量电阻上的电压降，要测量的电流通过非电抗性测量电阻流动。输出侧电流的输出侧测量是用于这个的简单测定方法，其经历更小的故障容差。
[0021]依照根据本发明的电源系统的另一个变形，测量装置被提供在输入侧，可能基于所述测量装置的测量值确定在输出侧上流动的电流的相应的第二特征变量。因此，例如，基于输入侧三相交变电流测量，可以推断输出侧直流值。然而，特别的，如果没有有效功率，或仅仅覆盖功率转换器的电损耗的有效功率仍然供给给输出侧上的功率转换器，已经发生的驱动力矩的衰减还可以被推断。
[0022]根据本发明的电源系统的另一个变形，第一和第二特征变量的各自负脉冲的逻辑AND操作被用作输出侧上流动的电流衰减到安全关键的极限值之下的标准。为了中断装置不被触发，因此第一和第二特征变量二者必须衰减到安全关键的值之下。尽管理想的，第一和第二特征变量一致，由于不同驱动方法的冗余度和差异，然而系统的可靠性进一步增加。当然，描述输出侧上流动的电流的任意其它特征变量的组合也是可能的。
[0023]根据本发明的另一个变形，通过中断提供到功率转化器的脉冲和/或通过中断提供到功率转换器的电流方向信号，通过致动装置将致动能量馈送到功率转换器的馈送被立即中断。在基于脉冲的功率转换器的情况下，半导体开关的致动信号由电流方向信号和脉冲形成，在每种情况下对应于它们的相位角。仅仅在电流方向信号和脉冲同时出现时才可能致动半导体开关。如果所述两个信号中的至少一个不出现时，半导体开关不被致动并且因此没有发生移动能量的供给。
[0024]根据依照本发明的电源系统的另一个变形，功率转换器被提供用于四象限操作模式。四象限操作模式能够在两个可能的转动方向上实现驱动装置的电机和产生器操作模式，并且因此特别灵活。
[0025]根据本发明的另一个变形，基于跨在功率转换器的半导体开关上的电压测量，识别输出侧上流动电流的衰减在安全关键的极限值之下。如果，例如跨在所有半导体开关上的相应电压同时出现于一时间周期，其可进而推断出没有半导体开关导通，没有电流流经它们，并因此也没有电流流动在输出侧上。
[0026]在特别优选的方式中，电源系统被提供在三相馈电的输入侧。电力分配网格经常体现为三相交变电流网格，进而三相电源系统可容易地与其连接。在这种情况下，功率转换器可另外地以特别有利地方式体现为B6桥。然而，没有说到的单相馈电或直流中间电路的变量也是可以的。
[0027]根据电源系统的另一个变形，所述电源系统提供为接收并考虑两个或更多个相互独立的STO信号。这优选地发生在电源系统的独立通道上，具有进而形成的冗余的结果，其进一步增加了操作可靠性。
[0028]根据本发明的另一个变形，第一时间间隔是从50ms到500ms的范围。为了安全，所述时间间隔的较低限制首先应当尽可能地低，以使得断开可以尽可能快地发生。其次， 然而，一旦由于随后将功率转换器操作调节成逆变器限制而STO信号已被接收，必须提供足够的时间给输出侧的直流可以已经更大概率地衰减。
[0029]为了安全相关考虑(相应直流驱动的断开可以在最大值处持续多长时间)，第一时间间隔的上限总随着第二时间间隔出现。规定的时间范围适合于大部分应用情况；然而，根据给定的边界条件，偏离此处的值也是可以的并有意义的。
[0030]本发明解决的问题也可以通过在用于直流驱动的电源系统中的直流驱动的安全相关断开的方法解决，该电源系统包括:
[0031].用于具有基于脉冲的致动装置的至少一个方向相关的二象限操作模式的功率转换器，
[0032].用于该功率转换器的输入侧连接和输出侧连接，
[0033].用于该输入侧连接和/或该输出侧连接的至少一个机械中断装置，
[0034].其中该电源系统被提供为连续地提供在该输出侧上流动的电流值，
[0035].其中直流驱动被连接到该输出侧上的该功率转换器并且由所述功率转换器操作，
[0036]其特征在于如下步骤:
[0037].接收STO(安全中断转矩)信号，
[0038].如果接收到STO信号，将该功率转换器操作模式立即转变成逆变器限制，
[0039].一旦在接收到STO信号时开始的第一时间间隔已过去，则中断通过致动装置到功率转换器中的致动电力的馈送，以及
[0040].对于正好以下情况，供应中断信号给所述至少一个机械中断装置:其中，一旦第二随后的时间间隔已经过去，所述输出侧上流动的所述电流没有衰减到安全关键的极限值之下。
[0041]根据本发明方法的优点对应于根据本发明的电源系统的上述优点。因此，如果这也是必须的因为安全的原因，在接收到STO信号时，实现的是仅中断装置被开关。结果，在操作期间，中断装置发生的开关循环的数量有利地减少。
[0042]可能配置的进一步优点可以从进一步从属权利要求获悉。
【附图说明】
[0043]本发明进一步的实施例和进一步的优点在附图中图解的示例性实施例的基础上更详细地描述，其中:
[0044]图1示出了用于直流驱动的示例性电源系统，以及
[0045]图2示出了示例性的时间分布图。
【具体实施方式】
[0046]图1示出了用于直流驱动12的示例性电源系统10。功率转换器14，在这种情况下，具有形成电源系统核心的6个半导体开关16、18、20、22、24、26的B6电桥。功率转换器14经由输入侧三极连接32从例如具有IkV的额定电压的三相电源网格34供电。直流驱动12经由输出侧连接36连接到在输出侧上的功率转换器14。三极中断装置38被提供在输入侧上，以将功率转换器14与电源网格34电性隔离。两极中断装置40提供在输出侧上，用于将功率转换器14与直流驱动12电性隔离。
[0047]功率转换器14的半导体开关16、18、20、22、24、26由致动装置的相应部分28、30驱动。触发脉冲产生自相应的脉冲信号和电流方向信号。在这个实例中，所述信号经由计算装置54的输入44、48或42、46提供给致动装置的部分28、30。计算装置54是控制器，依靠计算装置54，实现了操作驱动装置所需求的许多功能。
[0048]除必须依靠控制的多个功能但未示出在这个图中的之外，计算装置54还被提供为接收例如通过紧急停止断路器的输出的安全中断转矩信号56。在给定安全中断转矩信号的事件中，用于第一时间间隔的时间函数被开始，并且电流中的减少开始由逆变器限制预定义，即调节功率转换器的输出电压，以使得输出侧电流尽可能快地衰减到零。一旦所述的时间间隔已经过去，其提供给计算装置54并且依靠测量装置52连续地测量装置操作期间输出侧上流动的电流50的值被评估。
[0049]此外，一旦第一时间间隔已经过去，用于第二时间间隔的时间函数被开始。在第二时间间隔内，检查输出侧上流动的电流50是否衰减到安全关键的极限值之下，驱动装置的驱动力矩是零或接近于零。
[0050]在例如10ms的第二时间间隔已经过去之后发生这个延迟的情况下，提供在输入侧和输出侧上的中断装置38、40的致动被省略，因为这与安全无关。仅仅脉冲信号和电流方向信号受到抑制。
[0051]然而，在第二时间间隔已经过去之后的输出侧上流动的电流50还没有衰减到足够用于安全的情况下，中断装置38、40的打开经由未示出的数据连接由计算装置54启动。作为结果，功率转换器14与电源网格34和/或驱动装置12电性隔离。因而，确保输出侧上流动的电流50最终中断并且直流驱动12的驱动力矩减小到零。因此，在第二时间间隔已经过去之后的输出侧上流动的电流50还没有衰减到足够用于安全的事件中，直流驱动12也因为安全原因而断开。
[0052]图2示出了示例性时间分布图的图解60。在由附图标记62表示的即时t0处，STO信号由电源系统接收。用于第一时间间隔68的时间函数开始，其末端发生在由附图标记64表示的即时tl处。在第一时间间隔的开始处，致动装置28、30的触发脉冲推进逆变器限制，以使得输出侧上的电流可以被减小。在随后的第二时间间隔70中，其延伸直到由附图标记66表示的即时t2，检查输出侧电流是否回落到安全关键的值之下。如果这不是即时t2的情况下，相应的中断装置的开口启动在即时t2处。除此之外，致动能量的专用供电给正被讨论的功率转换器被中断。第一时间间隔68是例如400ms而第二时间间隔70是例如150mso
[0053]在实施例中，用于直流驱动(12)的电源系统(10)被提供，包括
[0054].用于至少一个方向相关的二象限操作模式的功率转换器(14)，
[0055].至少一个关联的基于脉冲的致动装置(28，30)
[0056].用于功率转换器(14)的输入侧连接(32)和输出侧连接(36)
[0057]?用于输入侧连接(32)和/或输出侧连接(36)的至少一个机械中断装置(38，40)
[0058].其中该电源系统提供操作期间在输出侧上流动的电流(50)值，
[0059]其中电源系统提供来执行随后步骤:
[0060].接收ST0(安全中断转矩)(56)信号，
[0061].如果接收到STO信号(56)，将功率转换器操作模式立即转变成逆变器限制，
[0062]?一旦在接收到STO信号(56)时开始的第一时间间隔(68)已经过去，中断通过致动装置(28，30)到功率转换器(14)中的致动电力的馈送，以及
[0063].对于正好以下情况，供应中断信号给所述至少一个机械中断装置(38、40):其中，一旦第二随后的时间间隔(70)已经过去，所述输出侧上流动的所述电流(50)没有衰减到安全关键的极限值之下。
[0064]在实施例中，用于检测输出侧上流动的电流(50)的相应的第一特征变量的测量装置(52)提供在输出侧上。
[0065]在实施例中，测量装置(52)被提供在输入侧上，其可能在所述测量装置的测量值的基础上测定输出侧上流动的电流(50)的相应的第二特征变量。
[0066]在实施例中，第一和第二特征变量的各自的负脉冲的逻辑AND操作用作输出侧上流动的电流(50)衰减到安全关键的极限值之下的标准。
[0067]在实施例中，通过(28、30)中断提供到功率转换器(14)的脉冲和/或通过中断提供到功率转换器(14)的电流方向信号，通过致动装置将致动能量馈送到功率转换器(14)的馈送被立即中断。
[0068]在实施例中，功率转换器(14)提供为四象限操作模式。
[0069]在实施例中，基于跨在功率转换器(14)的半导体开关(16、18、20、22、24、26)上的电压测量，识别输出侧上流动的电流(50)的衰减在安全关键的极限值之下。
[0070]在实施例中，所述电源系统提供在输入侧上用于三相馈电(34)。
[0071]在实施例中，所述电源系统提供来接收并考虑两个相互独立的STO信号(56)。
[0072]在实施例中，第一时间间隔(68)在从50ms到500ms的范围内。
[0073]在实施例中，提供了用于直流驱动(12)的电源系统中的直流驱动(12)的安全相关断开的方法，该电源系统包括
[0074].用于具有基于脉冲的致动装置的至少一个方向相关的二象限操作模式的功率转换器(1 4)，
[0075].用于功率转换器(14)的输入侧连接(32)和输出侧连接(36)
[0076]?用于输入侧连接(32)和/或输出侧连接(36)的至少一个机械中断装置(38、40)
[0077].其中该电源系统被提供来连续地提供在输出侧上流动的电流(50)值，
[0078].其中直流驱动(12)连接到输出侧上的该功率转换器并且由所述功率转换器操作，
[0079]其特征在于如下步骤:
[0080].接收STO(安全中断转矩)(56)信号，
[0081].如果接收到STO信号(56)，将功率转换器操作模式立即转变成逆变器限制，
[0082]?一旦在接收到STO信号(56)时开始的第一时间间隔(68)已经过去，中断通过致动装置(28、30)到功率转换器(14)中的致动电力的馈送，以及
[0083].对于正好以下情况，供应中断信号给所述至少一个机械中断装置(38、40):其中，一旦第二随后的时间间隔(70)已经过去，所述输出侧上流动的所述电流(50)没有衰减到安全关键的极限值之下。
[0084]附图标记列表
[0085]10用于直流驱动的示例性电源系统
[0086]12直流驱动
[0087]14功率转换器
[0088]16该功率转换器的第一半导体开关
[0089]18该功率转换器的第二半导体开关
[0090]20该功率转换器的第三半导体开关
[0091]22该功率转换器的第四半导体开关
[0092]24该功率转换器的第五半导体开关
[0093]26该功率转换器的第六半导体开关
[0094]28致动装置的第一部分
[0095]30致动装置的第二部分
[0096]32输入侧连接
[0097]34电源电网
[0098]36输出侧连接
[0099]38输入侧中断装置
[0100]40输出侧中断装置
[0101]42电流方向信号的第一输入
[0102]44脉冲信号的第一输入
[0103]46电流方向信号的第二输入
[0104]48脉冲信号的第二输入
[0105]50输出侧上流动的电流
[0106]52测量装置
[0107]54计算装置
[0108]56STO 信号
[0109]60示例性时间分布图
[0110]62接收STO信号的时刻
[0111]64开始检查电流是否已经衰减的时刻
[0112]66结束检查电流是否已经衰减的时刻
[0113]68第一时间间隔
[0114]70第二时间间隔
【主权项】
1.用于直流驱动(12)的电源系统(10)，包括 ?用于至少一个方向相关的二象限操作模式的功率转换器(14)， ?至少一个关联的基于脉冲的致动装置(28、30)， ?用于所述功率转换器(14)的输入侧连接(32)和输出侧连接(36)， ?用于所述输入侧连接(32)和/或所述输出侧连接(36)的至少一个机械中断装置(38,40), ?其中提供所述电源系统来连续地提供操作期间在输出侧上流动的电流(50)值， 其特征在于，提供所述电源系统来执行以下步骤: ?接收安全中断转矩(STO) (56)信号， ?如果接收到安全中断转矩(STO)信号(56)，立即调节所述功率转换器的输出电压，使得已经在第一时间间隔内在所述输出侧上流动的所述电流降低到零或至少在安全关键的极限值之下接近于零， ?一旦在接收到STO信号(56)时开始的所述第一时间间隔(68)已经过去，中断将脉冲输出给所述功率转换器(14)，和/或中断将电流方向信号输出给所述功率转换器(14)，从而中断通过所述致动装置(28、30)到所述功率转换器(14)中的致动电力的馈送， ?对于正好以下情况，供应中断信号给所述至少一个机械中断装置(38、40):其中，一旦第二随后的时间间隔(70)已经过去，所述输出侧上流动的所述电流(50)没有衰减到安全关键的极限值之下。2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，用于检测该输出侧上流动的电流(50)的相应第一特征变量的测量装置(52)被提供在该输出侧上。3.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，测量装置(52)被提供在该输入侧上，可以基于所述测量装置的测量值，确定在该输出侧上流动的电流(50)的相应的第二特征变量。4.根据权利要求3所述的电源系统，其特征在于，第一和第二特征变量的各自负脉冲的逻辑AND操作用作在输出侧上流动的电流(50)的衰减在该安全关键的极限值之下的标准。5.根据前述权利要求中任一个所述的电源系统，其特征在于，该功率转换器(14)提供为四象限操作模式。6.根据前述权利要求中任一个所述的电源系统，其特征在于，在该输出端输出侧上流动的电流(50)的衰减在该安全循环安全关键的限制值极限值之下基于跨在该功率转换器(14)的该半导体开关(16、，18、，20、，22、，24、，26)之上的电压测量来识别。7.根据前述权利要求中任一个所述的电源系统，其特征在于，所述系统提供在三相馈电(34)的输入侧上。8.根据前述权利要求中任一个所述的电源系统，其特征在于，所述系统被提供为接收并考虑两个相互独立的STO信号(56)。9.根据前述权利要求中任一个所述的电源系统，其特征在于，所述第一时间间隔(68)在从50ms到500ms的范围内。10.用于直流驱动(12)的电源系统中的直流驱动(12)的安全相关断开的方法，所述电源系统包括 ?用于具有基于脉冲的致动装置的至少一个方向相关的二象限操作模式的功率转换器(14)， ?用于所述功率转换器(14)的输入侧连接(32)和输出侧连接(36) ?用于输入侧连接(32)和/或输出侧连接(36)的至少一个机械中断装置(38、40) ?其中该电源系统被提供来连续地提供在输出侧上流动的电流(50)值， ?其中直流驱动(12)连接到输出侧上的该功率转换器并且由所述功率转换器操作， 其特征在于，以下步骤: ?接收安全中断转矩(STO) (56)信号， ?如果接收到安全中断转矩(STO)信号(56)，立即调节所述功率转换器的输出电压，以使得已经在第一时间间隔内在所述输出侧上流动的所述电流降低到零或至少在安全关键的极限值之下接近于零， ?一旦在接收到STO信号(56)时开始的所述第一时间间隔(68)已经过去，中断将脉冲输出给所述功率转换器(14)，和/或中断将电流方向信号输出给所述功率转换器(14)，从而中断通过所述致动装置(28、30)到所述功率转换器(14)中的致动电力的馈送，以及?对于正好以下情况，供应中断信号给所述至少一个机械中断装置(38、40):其中，一旦第二随后的时间间隔(70)已经过去，所述输出侧上流动的所述电流(50)没有衰减到安全关键的极限值之下。
【专利摘要】本发明涉及用于直流驱动(12)的电源系统(10)，包括用于至少一个方向相关的二象限操作模式的功率转换器(14)，至少一个关联的基于脉冲的致动装置(28、30)，用于该功率转换器(14)的输入侧连接(32)和输出侧连接(36)，用于该输入侧连接(32)和/或该输出侧连接(36)的至少一个机械中断装置(38、40)，其中该电源系统被提供为连续地提供操作期间在输出侧上流动的电流(50)的值。提供该电源系统提供来执行以下步骤：接收STO(安全中断转矩)(56)信号，如果接收到STO信号(56)，立即将调节该功率转换器操作模式转变成逆变器限制，一旦在接收到STO信号(56)时开始的第一时间间隔(68)已经过去，中断通过致动装置(28、30)到功率转换器(14)中的致动电力的馈送，并且对于正好以下情况，供应中断信号给所述至少一个机械中断装置(38、40)：其中，一旦第二随后的时间间隔(70)已经过去，所述输出侧上流动的所述电流(50)没有衰减到安全关键的极限值之下。
【IPC分类】H02J1/00, H02P3/08
【公开号】CN104882878
【申请号】CN201510164003
【发明人】E·里曼, C·施莱格, L·维尔勒
【申请人】Abb股份公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年1月27日
【公告号】EP2899872A1, US20150214877