專利名稱：活門或者閥的安全驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種安全驅動裝置，其具有安全電路，該安全電路用于特
別是在暖氣通風空調(HLK)、防火以及空間保護的領域中將調節(jié)氣體體 積流量或液體體積流量的活門或閥的到預先給定的安全位置中。此外，本 發(fā)明還涉及一種用于將活門或者閥安全地回引到所提及的安全位置中的 方法。當檢測到電壓故障或者電壓下降時，安全電路才活動。
背景技術：
為了移動通風系統(tǒng)中的活門或者引水管路系統(tǒng)中的閥，比較弱的電動 機必須操作大面積的或者大體積的調節(jié)設備.精確而穩(wěn)定的調務睹助極大 的齒輪減速比(Untersetzung)是可能的。對于活門樞轉或者球閥轉動銳 角、直角或鈍角，需要電動機的傳動軸多次旋轉。在閥的線性移動中，同 樣的也適用于比較小的移動。
在氣體體積流量和液體體積流量中重要的是，在電力故障的情況下， 活門和/或閥可以回引到事先確定的安全位置中，通常是關閉位置中。
這以傳統(tǒng)的方式借助復位彈簧來進行，該復位彈簧在操作阻塞機構時 (人們也將活門、閥等等稱為阻塞機構)通過電動M張緊。在電壓下降 時(同樣是事先確定的量，其被相應的傳感器檢測)，或者在電力故障時， 電動機的電流饋送被關斷。由此，張緊的彈簧的抵抗力消失，回引實際上 可以立刻進行。
然而，長時間使用的這些彈簧系統(tǒng)始終具有的缺點是，它們引起機械 裝置增大的磨損，并且彈簧不久以后失去其彈性。
在US 5278454中7>開了一種電安全電路，其描述了具有高電荷容量 和小體積的電容器。電容器可以產(chǎn)生所需的回引功率。簡單的傳感器監(jiān)視 電網(wǎng)電壓。該電容性能量存儲器代替復位彈簧。替代一個電容器，可以將 多個電容器串聯(lián)和/或并聯(lián)。通過并聯(lián)電路，可以增大電容，通過串聯(lián)電 路可以提高電壓。為了充電模式和電動機模式，在恒定的電壓情況下使用兩個分離的電流饋送裝置。不利的是，對于電壓繼電器必須使用開關和傳 感器。在電壓下降情況下的緊急運行不允許有可靠的監(jiān)視，且充電電路產(chǎn) 生明顯的熱量。
US 5744876公開了 一種帶有安全電路的安全驅動裝置，與US 5278454中相對，繼電器僅僅在緊急狀態(tài)中、即在電壓下降或者電力故障 情況下才活動。調節(jié)設備的回程時間通過小的電容器結合以晶體管來控 制。然而繼電器仍然不穩(wěn)定，在電容器的放電期間不進行電壓調節(jié)，并且 充電電路在此也產(chǎn)生熱量。
根據(jù)US 5744923可以借助附加的電壓調節(jié)器即4吏在饋送電壓的電壓 下降期間在緊急運行中也實現(xiàn)恒定的電壓。在接近預先給定的位置中的止 擋之前進行制動作用。相對于繼電器技術，借助功率MOSFET開關可以 實現(xiàn)更長的壽命。然而高損耗的電壓調節(jié)器電膝板消了這些優(yōu)點，此外還 需要四個電源(電壓/電壓調節(jié)器)。
最后，US 7023163 B2公開了一種用于控制執(zhí)行器的安全電路，該安 全電M以整流后的輸入電壓饋電。直流電壓被提高到更高的水平，相應 的電容器被以該電壓充電。由此，可以使用具有較小電容的電容器。在用 于驅動電動機的供電電流中電壓下降的情況中，或者在電力故障的情況 中，升高的電壓被變換回到較小的直流電壓并且以此驅動電動機。
首先普遍地公開的開關調節(jié)器的電路類型被稱為所謂的"降壓拓樸 (Step-down Topologie)"或"降壓模式(Step-down-Modus)"。該開關調 節(jié)器也被稱為Bnck轉換器拓樸或者降壓轉換器拓樸的模式相對于輸入電 壓降低了輸出電壓，由此在輸出側對電容器充電。
在"升壓拓樸，，中，輸出電壓相對于輸入電壓升高，其也稱為Boost 轉換器拓樸或者升壓轉換器拓樸。
使用了其中能量流在兩個方向上進行的能量轉換器，借助降壓拓樸用 于充電，借助升壓拓樸用于電容器的放電。

發(fā)明內容
本發(fā)明的任務是，提出 一種開頭所述類型的安全驅動裝置以及一種用 于其驅動的方法，其具有進一步簡化和改進的安全電路，用于回引活門或 者閥。
6該任務通過權利要求1和15的特征的整體來解決。本發(fā)明的核心在 于，設計一種可控的功率組件，其任選地(在正常情況中)從電流饋送裝 置對電容性能量存儲器進行充電，或者(在緊急情況中)為了驅動電動機 而放電到電動機中。通過這種方式，實現(xiàn)了控制電路的一種特別簡單的構 造以及在正常情況和緊急情況中的能量流的一種可特別簡單和靈活地使 用的控制。
根據(jù)本發(fā)明的一種擴展方案，電容性能量存儲器包括至少一個雙層電 容器或者超級電容器(Supercap )。特別地，功率組件是能量轉換器的一 部分，該能量轉換器可作為DC-DC轉換器工作，該轉換器具有將輸出 電壓相對于輸入電壓降低的降壓開關模式以及將輸出電壓相對于能量存 儲器或超級電容器的輸入電壓升高的升壓開關模式，其中優(yōu)選的是電流饋 送裝置通過中間電路與電動;M目連，能量轉換器被連接到中間電路上，在 能量轉換器內，可控的第一開關與可控的第二開關串聯(lián)設置，該第一開關 帶有跨接該第一開關的第一二極管，而第二開關帶有i^接該第二開關的第 二二極管，并且包括電容性能量存儲器和電感的串聯(lián)電路連接在中間電路 的電極與兩個開關的連接點之間。
在此，開關有利地構建為FET開關，優(yōu)選具有集成的二極管，
基本上，電容性能量存儲器可以包括單個的電容器。優(yōu)選的是，監(jiān)視 單元與該電容器關聯(lián)。
替代地，電容性能量存儲器可以包括多個電容器，這些電容器串聯(lián)和 /或并聯(lián)。在這種情況中，監(jiān)視單元被與多個并聯(lián)的電容器關聯(lián)，并且監(jiān) 視和均衡單元分別與多個串聯(lián)的電容器關聯(lián)。
在一種擴展方案中，監(jiān)視單元或監(jiān)視和均衡單元分別包括電阻和可控 開關構成的串聯(lián)電路。
本發(fā)明的另一擴展方案的特征是，能量轉換器的可控開關或者監(jiān)視單 元或監(jiān)視和均衡單元的可控開關由微控制器來激勵。
優(yōu)選的是，電動M激勵電路(特別是以電動機ASIC的形式)激勵， 其中激勵電路特別是通過MP (多點)總線與微控制器相連。
本發(fā)明的另一擴展方案的特征是，在中間電路中設置了二極管，該二 極管在電容性能量存儲器放電到電動機中時，阻止至電流饋送裝置中的電 流。
同樣，在中間電路中可以設置傳感器電路，其構建用于檢測在中間電路中的電壓下降。
根據(jù)本發(fā)明的方法的一種擴展方案的特征是，輸入側的頻率優(yōu)選為
50-60Hz的交流電被轉換為直流電，并且通過功率組件引導至電容性能 量存儲器。
在較低和較高的電壓電勢之間的電壓振幅在此為至少大約20 - 40V。
根據(jù)本發(fā)明的另一擴展方案的特征是，微控制器在降壓模式中借助模 擬輸入端測量電容性能量存儲器上的電壓，而通過數(shù)字輸出端將PWM信 號發(fā)送到功率組件的可控開關上，并且微控制器在升壓模式中借助模擬輸 入端測量位于電流饋送裝置和電動機之間的中間電路上的電壓，并且通過 數(shù)字輸出端將PWM信號輸出到功率組件的可控開關上。
優(yōu)選的是，使用如下功率組件該功率組件包括可控的第一開關與可 控的第二開關的串聯(lián)電路，該第一開關帶有跨接該開關的笫一二極管，而 第二開關帶有跨接該開關的第二二極管，其中包括電容性能量存儲器和電 感的串聯(lián)電路連接在中間電路的電極與兩個開關的連接點之間，并且在一 個開關斷開的情況下續(xù)流電流(Freilaufstrom)流經(jīng)二極管期間，將另一 個開關閉合。
當使用多個電容器構成的電容性能量存儲器時，這些電容器的電壓電 勢被周期性地單獨測量，并且具有過高電壓的電容器被至少部分放電。
在電容性能量存儲器的電容器串聯(lián)的情況下，優(yōu)選的是進行電壓均衡.
根據(jù)本發(fā)明的裝置允許將兩個方向中的電能量流(換言之，用于對電 容性能量存儲器充電和放電)明顯簡化，其方式是僅須設置單個的開關調 節(jié)器，該開關調節(jié)器用作Buck轉換器或降壓轉換器以及Boost轉換器或 升壓轉換器。
能量轉換器的開關調節(jié)器優(yōu)選是DC 一 DC轉換器，該轉換器具有將 輸出電壓相對于輸入電壓降低的降壓開關模式以及將輸出電壓相對于輸 入電壓升高的升壓開關模式，如所提及的那樣設置在單個的功率組件中。
電容性能量存儲器在實踐中主要是雙層電容器，通常簡稱為超級電容 器，其包括纏繞的、以碳粉涂覆的金屬膜，這些金屬膜帶有位于其間的分 隔裝置和電解質。在設置多個電容器時，區(qū)分具有相加的電容的并聯(lián)電路 和具有各個電容器的電容的倒數(shù)值相加的倒數(shù)的串聯(lián)電路。串聯(lián)電路例如 用于將高電壓分配到具有小的耐壓性的多個電容器上。在施加直流電壓的情況下，電流流動直到板或者膜被充電并且不能再接收電荷。交流電流必 須首先被整流，以對電容器持續(xù)充電。
如果被充電的電容器的板或膜通過用電器相連，則板或膜的電荷均 衡，即電流流動直到兩個電極又變?yōu)殡娭行浴?br> 在本發(fā)明的范圍中，電容器必須具有足夠的電容，以便在供電中電壓 下降或者電力故障的情況下將活門或者閥回引到預先給定的安全位置中， 因此，目前常見的彈簧的設置在功能上變得多余。
電容器必須具有足夠大的電容，以便將調節(jié)該:備回引到安全位置中。 因此，優(yōu)選4吏用雙層電容器，簡稱超級電容器。因為超級電容器的額定電 壓通常較低，所以電源電壓必須借助能量轉換器變換為該電壓，在超級電 容器放電時，能量轉換器將電壓又變換回電動機的工作電壓。
根據(jù)本發(fā)明的一個特別有利的實施形式，由一個或多個并聯(lián)的超級電 容器構成的能量存儲器擁有監(jiān)視單元.具有多個串聯(lián)的超級電容器的能量 存儲器分別擁有自己的監(jiān)視單元，該監(jiān)視單元也用作超級電容器之間的均 衡單元。由此，單個超級電容器的電壓可以不變得過高。這通過將具有過 高電壓的超級電容器放電來實現(xiàn)。由此，也可以防止過快的老化。
在電容性能量存儲器的充電和放電中，在實際中也稱為超級電容器的 電容器的充電和放電中，電壓調節(jié)器在兩個方向中達到大的電壓振幅，優(yōu)
選為大約20-40V。
輸入側的例如頻率為50 - 60Hz的交流電被變換為直流電，并且通過 開關調節(jié)器或者能量轉換器51導至超級電容器。
借助均衡和監(jiān)視單元，周期性地單獨測量超級電容器的電壓電勢。具 有過高電壓的超級電容器被至少部分放電。在串M級電容器的情況下， 在此也有規(guī)律地進行電壓均衡。


以下將借助附圖中所示的實施例進一步闡述本發(fā)明。其中
圖1示出了帶有電容性能量存儲器(超級電容器)的安全驅動裝置的 框圖，
圖la示出了安全驅動裝置的框圖，其中針對多個(多達16個)調節(jié) 驅動裝置設置了共同的電源單元，圖2示出了帶有能量轉換器的安全電路，
圖3示出了根據(jù)圖2的帶有降壓模式中的能量轉換器的安全電路， 圖4示出了根據(jù)圖2的帶有升壓模式中的能量轉換器的安全電路， 圖5示出了監(jiān)視單元， 圖6示出了均衡和監(jiān)視單元，
圖7示出了圖1中的安全驅動裝置的詳細的電路圖，
圖7a示出了安全驅動裝置的一種替代圖7的構型的電路圖，其具有 功率開關的附加的鎖緊裝置和能量存儲器的電容器的充電和放電電流的 直接監(jiān)視裝置.
具體實施例方式
圖l示出了安全驅動裝置10，其具有安全電路12、帶有用于活門16 的電動機28的調節(jié)驅動裝置14、以及電流饋送裝置18。
安全電路12包括電容性能量存儲器20，通常是一個或多個雙層電容 器，出于簡單起見，通常稱為超級電容器。能量轉換器22具有兩個方向 的能量流(圖2中的44)。該能量轉換器降低了用于對超級電容器20進 行充電的電壓，并且在超級電容器20放電時將電壓提高到起始值，即提 高到電動機28的正常電壓。均衡和監(jiān)視單元24 —方面用于監(jiān)視能量存儲 器20的電容器或者各個電容器，并且另一方面用于在能量存儲器20的不 同電容器之間進行電壓均衡。關于能量轉換器22以及均衡和監(jiān)視單元24 的細節(jié)在圖2-6中給出。安全電路12由調節(jié)器、微控制器26控制和監(jiān) 視，該微控制器也將控制^^令發(fā)給調節(jié)驅動裝置14。
調節(jié)驅動裝置14主要包括電動機28，在此為無傳感器和無刷的DC 電動機。電動機ASIC 30 (專用集成電路)通過MP總線39接收微控制 器26的控制命令并控制電動機28。在本例子中，該功率比較弱的電動機 28將其扭矩通過減速傳動裝置32傳遞到通風管34中的活門16上，或者 (未示出)傳遞到閥或者線性桿上。
電流饋送裝置18本身例如以電網(wǎng)電流230 VAC或者IIOVAC、或者 24VAC/DC或者72VDC供電。在電流饋送裝置18的輸出側，在中間電 路36上有在此為24VDC的中間電路電壓。在正常工作中，電動機28通 過電動機ASIC 30由電流饋送裝置18供電，該電流饋送裝置18同時通過能量轉換器22對能量存儲器20充電。最后，電流饋送裝置18對^t控 制器26提供所需的工作電流。用雙箭頭38、 40表明在電流減小時，能量 存儲器20通過與在充電時相同的能量轉換器22放電，并且在該緊急運行 中的電流通過中間電路36和電動機ASIC 30流到電動機28，該電動機將 活門16置于事先確定的安全位置中。
引起緊急運行的電壓下降被傳感器電路42 (也參見圖7)檢測，該傳 感器電路將信號引導至微控制器26。該微控制器在它那方面通過MP總 線39、主-從連接將命令轉發(fā)給電動機ASIC 30。電動機ASIC 30激勵 電動機28以達到活門16的事先確定的安全位置。電動機28在此以可參 數(shù)化的、通常較高的速度將活門16回引到安全位置中。
在正常工作中，能量存儲器20被充電，直到電壓高到存儲了足以使 調節(jié)驅動裝置14返回到預先給定的安全位置中的能量。如果能量存儲器 20在正常工作中被過充電，則能量存儲器20放電。
在圖1的實施例中，調節(jié)驅動裝置14及其能量供給與電流饋送裝置 18和安全電路12形成一個單元，而根據(jù)圖la的安全驅動裝置10也可以 劃分為兩個獨立的塊，即供電單元11和調節(jié)驅動裝置14,它們于是也可 以如在圖la中表明的那樣被置于分離的殼體中。在兩個塊之間的連接于 是通過中間電路36和MP總線39實現(xiàn)。借助安全驅動裝置的這種配置， 特別可能的是將多個(例如多達16個)調節(jié)驅動裝置14連接到供電單元 11上，并且由該共同的供電單元11來提供所需的能量和必需的控制命令。
由此在一種實施變形方案中，供電單元11可以作為單獨的裝置實施， 該裝置為了通過中間電路36和MP總線39與一個或多個調節(jié)驅動裝置 14相連而包括合適的端子和/或線纜連接部，例如用于通過中間電路36 連接的一個或多個單獨的端子或線纜連接部，以及用于通過MP總線連接 的一個或多個單獨的端子或線纜連接部。此外，供電單元ll包括用于將 電流饋送裝置18與外部電流源相連的端子。
圖2示出了能量轉換器22，如其在根據(jù)圖1的安全電路12中使用的 那樣，該能量轉換器22借助相同的功率組件46而允許在兩個方向上的能 量流44。換言之，能量存儲器20可以用相同的功率組件46充電和放電。 能量轉換器22和微控制器26連接在具有電壓電勢為24VDC的中間電路 36上。
微控制器26具有模擬輸入端All，其在能量存儲器20 (雙層電容器Cl)和電感Ll之間與通過該電容器引導的回路35相連，并且具有模擬 輸入端AI2，其與具有電源電壓的中間電路36相連。此外，樹:控制器26 具有第一數(shù)字輸出端DOl，其激勵開關S1，以及第二數(shù)字輸出端D02， 其激勵開關S2。
功率組件46的兩個開關Sl和S2串聯(lián)，并且分別被一個關聯(lián)的截止 方向的二極管D1、 D2跨接。電感L1在兩個開關S1和S2之間分接，并 且與能量存儲器20 (電容器Cl)相連。
如果FET (場效應晶體管)用作開關Sl和S2 (圖7中的FET1和 FET2 )，則二極管Dl和D2優(yōu)選集成在FET中。在這種情況中可以省去 附加的二極管。在續(xù)流電流流過二極管的情況下，該二極管可以以相應的 開關短路。
圖3示出了帶有降壓模式(能量流44，從中間電路流向能量存儲器20 ) 的能量轉換器22的安全電路12。能量轉換器22在此降低了中間電路36 的電壓，并且對能量存儲器20的雙層電容器C1充電。微控制器26用模 擬輸入端All測量電容器Cl上的電壓，并且在需要時將PWM (脈寬調 制)信號48從數(shù)字輸出端D01發(fā)送到開關S1。如果開關S1閉合，則電 流I1流過電感L1并對電容器C1充電。如果開關S1斷開，則續(xù)流電流 12流過二極管D2和電感L1，電容器C1被進一步充電。在其中續(xù)流電流 12流動的時間中，開關S2可以被附加地切換，以減小二極管D2上的功 率損耗。由此提高了能量轉換器22的效率。
圖4示出了升壓模式(能量流44，從能量存儲器20流向電動機28 ) 中的能量轉換器22。能量轉換器22在此提高了帶有雙層電容器Cl的能 量存儲器20的電壓，并且將能量饋送到中間電路36中。微控制器26用 模擬輸入端AI2測量中間電路36上的電壓，并且將PWM信號50從數(shù) 字輸出端D02發(fā)送到開關S2。如果開關S2閉合，則電流13流過電感 Ll并對電容器Cl放電。如果開關S2斷開，則續(xù)流電流14流過二極管 Dl和電感Ll，電容器Cl被進一步放電。能量被從電容器Cl轉換為24V 并且輸送到中間電路36中。在其中續(xù)流電流I4流動的時間中，開關S1 可以被附加地切換，以減小二極管D1上的功率損耗。由此提高了能量轉 換器22的效率。
由圖2-4可以看出的是，能量轉換器22以相同的開關調節(jié)器46將 電能轉換為較低的電壓電勢，該電能隨后存儲在能量存儲器20 (電容器 Cl)中。在電源18中電力中斷或者電壓下降的情況下，所存儲的能量被反向轉換，并且可以用與正常工作中相同的電壓對電動機28(圖l)供電。 對于降壓模式(圖3)和升壓模式(圖4),總是使用相同的功率組件46 或者同樣的能量轉換器22。
在圖5中示出了監(jiān)視單元52，當在電容器Cl上的電壓高于預先給定 的電壓時，該監(jiān)視單元使能量存儲器20至少部分l故電。帶有雙層電容 器Cl的能量存儲器20具有包含開關S3和串聯(lián)的歐姆電阻Rl的旁路。 放電通過將開關S3閉合來進行。在此，放電電流流過R1和S3。
圖6示出了帶有兩個串聯(lián)的雙層電容器Cl和C2的能量存儲器20。 電容器Cl具有如圖5中所示的那樣的包含開關S3和歐姆電阻Rl的旁路。 相應地，電容器C2具有包含開關S4和歐姆電阻R2的旁路。如果電容性
能量存儲器20還由多個電容器C1、 C2.....Cn構成，則每個電容器都
具有相應的開關Sn+2和電阻Rn。換言之，在串聯(lián)的電容器Cl至Cn的 情況下，每個單個的電容器都具有自己的監(jiān)視單元52。
如果例如在電容器C2上的電壓高于預先給定的電壓，則通過將開關 S4閉^H^吏該電容器至少部分放電。放電電流流過電阻R2和開關S4。如 果開關S3至Sn+2同時閉合，則在所有超級電容器上進行電壓均衡。如
果所有電容器Cl、 C2.....Cn的總電壓過低，則筒單地將整個電容器
組再充電。
所有電容器Cl至Cn、即能量存儲器20都被不時地單獨針對其功能 性進行檢驗。所測量的是電容C和內阻ESR。為此，例如開關S3(圖6) 在短的時間上閉合。通過在放電前后由此形成的電壓差，可以確定電容器 C1的電容C。如果測量S3開關前后在電容器C1上的電壓，則可以借助 放電電阻Rl來計算內阻ESR。監(jiān)視和均衡單元24于是允許對具有電容 器Cl至Cn的能量存儲器20的周期性狀態(tài)監(jiān)視。
在正常工作中，即在能量存儲器20保持電壓和充電時，周期性地檢 測其電容。如果測量值之一給出差的結果，即過低的電容，或者過高的內 阻，則微控制器將命令發(fā)送給電動機ASIC 30來結束驅動，并且例如借 助LED (圖7中的56)用信號表示該故障。該結W動的能量來自電流 饋送裝置，并且通過這種方式可以毫無問題地完成。
圖7示出了圖1中的安全驅動裝置10的詳細視圖。在中間電路36 中，在能量轉換器22之前設置有具有導通方向的極性的二極管53和位于 其后的電容器54。 二者形成了簡單的整流電路。在正常情況中，二極管53允許電流從饋入側至電動機28流動。同時還具有平滑功能的電容器54 被充電。如果在饋入側的電壓降低或者完全消失，則在于是截止的二極管 53上得到電壓降，該電壓降達到饋送電壓(24VDC)的大小。該電壓降 在微控制器26的兩個模擬輸入端AI3和AI2上被測量，并且提供用于控 制緊急運行。兩個FET (場效應晶體管)開關FET1和FET2隨后在升壓 模式中被激勵(圖4)，并且在將電壓提高的情況下將來自電容性能量存 儲器20的能量提供給電動機ASIC 30或電動機28。 FET開關FET1在此 通過電平移動器(Level-Shifter) 55被微控制器26的數(shù)字輸出端DOl激 勵，F(xiàn)ET開關FET2被數(shù)字輸出端D02激勵。模擬輸入端All和AI4以 及數(shù)字輸出端D03和D04與監(jiān)視和均衡單元24關聯(lián)。
模擬輸入端AI5借助測量電阻RM監(jiān)視能量轉換器22中的電流，而 數(shù)字輸出端D05激勵LED 56和電阻57構成的串聯(lián)電路，該串聯(lián)電路可 以用作針對電路的工作狀態(tài)的指示器。
為了在能量存儲器20中所使用的超級電容器(圖7中的電容器CI 和C2)情況下具有盡可能小的老化過程，所施加的電壓必須低。于是， 在例如2.7V的額定電壓情況下，已經(jīng)可以以2.3￥的電壓來應付。電容也 應當在多年之后還大到使得還可以存儲足夠的能量。也就是說，在新狀態(tài) 中，當超級電容器還沒有老化并且電容尚大時，存儲過多能量。
當可以測量或者以其他方式確定存儲在能量存儲器20中的能量時， 超級電容器尤其是可以在壽命的開始時以比2.3V低得多的電壓驅動。這 樣的結果是，可以延長超級電容器的壽命，或者在相同壽命的情況下可以 預期有更高的能量。
在圖7a中示出的、與圖7不同的電路的變形方案中，改變了測量電 阻RM的位置。測量電阻現(xiàn)在設置在兩個電容器(超級電容器)Cl和C2 之間。這樣的優(yōu)點是，可以測量充電和放電電流。 一方面，這樣可以監(jiān)視 最大的充電或放電電流。另一方面，由該信息結合以電壓可以確定充到超 級電容器中或者從中獲取的能量。
在圖7a中，具有FET開關FET1和FET2的半橋又作為同步的開關 調節(jié)器工作。危險在于，在故障情況下，兩個開關是閉合的，由此流動短 路電流。在正常工作情況下，開關驅動裝置由微控制器26的定時單元控 制，確切地說，包括切換中的滯后時間(Totzeiten)，使得兩個開關FET1 和FET2從不會同時閉合。在啟動階段或者在干擾情況中也可能的是，兩 個激勵信號DOl和D02接通。在用于開關FET2的柵極驅動器58和開關FET1的包含柵極驅動器的電平移動器55之間的特殊的阻塞電路59有 效地防止了這樣的情形。
附圖標記列表
10 安全驅動裝置
11 供電單元
12 安全電路
14 調節(jié)驅動裝置
16 活門
18 電流饋送裝置
20 電容性能量存儲器
22 能量轉換器
24 監(jiān)視和均衡單元
26 微控制器
28 電動機
30 '激勵電路(電動機ASIC ) 32 減速傳動裝置
34 通風管
35 回路
36 中間電路(中間電路電壓) 38， 40 雙箭頭(能量流)
39 MP總線
42 傳感器電路
44， 44，， 44" 能量流
46 功率組件(開關調節(jié)器)
48 PWM信號50 PWM信號
52 監(jiān)視單元
53 二極管
54 電容器
55 電平移動器(和柵極驅動器)
56 LED
57 電阻
58 柵極驅動器
59 阻塞電路 AI1，…AI5模擬輸入端
Cl，…，Cn 電容器(雙層電容器或超級電容器)
Dl，D2，…，Dn 二極管
D01，…，D04數(shù)字輸出端
FET1, FET2 FET開關
II, 13 電流
12， 14 續(xù)流電流
Ll 電感
Rl， R2， ...， Rn電阻
RM 測量電阻
Sl， S2，…，Sn+2 開關
1權利要求
1. 一種安全驅動裝置(10)，其具有安全電路(12)，該安全電路特別是在暖氣通風空調(HLK)、防火以及空間保護的領域中用于將調節(jié)氣體體積流量或液體體積流量的活門(16)或閥回引到預先給定的安全位置中，所述安全驅動裝置(10)主要包括帶有可控的電動機(28)的調節(jié)驅動裝置(14)、用于電動機(28)的電流饋送裝置(18)以及電容性能量存儲器(20)，其特征在于，設計了可控的功率組件(46)，該可控的功率組件任選地從電流饋送裝置(18)對電容性能量存儲器(20)進行充電，或者為了驅動電動機(28)而放電到電動機(28)中。
2. 根據(jù)權利要求l所述的安全驅動裝置，其特征在于，電容性能量 存儲器(20)包括至少一個雙層電容器或者超級電容器。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的安全驅動裝置，其特征在于，功率組 件(46)是能量轉換器(22)的一部分，該能量轉換器能夠作為直流-直 流轉換器工作，該轉換器具有將輸出電壓相對于輸入電壓降低的降壓開關 模式(44，)以及將輸出電壓相對于能量存儲器(20)的輸入電壓升高的 升壓開關模式(44")。
4. 根據(jù)權利要求3所述的安全驅動裝置，其特征在于，電流饋送裝 置(18)通過中間電路(36)與電動機(28)相連，能量轉換器(22)被 連接到中間電路(36)上，在能量轉換器(22 )內，可控的第一開關(Sl) 與可控的第二開關(S2)串^B殳置，該第一開關(Sl)帶有跨接該第一開 關的第一二極管(Dl)，而第二開關(S2)帶有聘、接該第二開關的第二二 極管(D2)，并且包括電容性能量存儲器(20)和電感(Ll)的串聯(lián)電路 連接在中間電路(36)的電極與兩個開關(Sl， S2)的連接點之間。
5. 根據(jù)權利要求4所述的安全驅動裝置，其特征在于，開關(Sl， S2)構建為場效應晶體管開關(FET1， FET2)，優(yōu)選具有集成的二極管(D1, D2)。
6. 根據(jù)權利要求1至5中的任一項所述的安全驅動裝置，其特征在 于，電容性能量存儲器(20)包括一個電容器(Cl)。
7. 根據(jù)權利要求1至5中的任一項所述的安全驅動裝置，其特征在 于，電容性能量存儲器(20)包括多個電容器(Cl， C2,…，Cn)，這 些電容器串聯(lián)和/或并聯(lián)。
8. 根據(jù)權利要求6所述的安全驅動裝置，其特征在于，監(jiān)視單元(52 ) 與所述一個電容器(Cl)關聯(lián)。
9. 根據(jù)權利要求7所述的安全驅動裝置，其特征在于，監(jiān)視單元(52 ) 被與多個并聯(lián)的電容器(Cl， C2， ...， Cn)關聯(lián)，并且監(jiān)視和均衡單元(24)分別與多個串聯(lián)的電容器(Cl， C2..... Cn)關聯(lián)。
10. 根據(jù)權利要求8或9所述的安全驅動裝置，其特征在于，監(jiān)視單 元(52)或監(jiān)視和均衡單元(24)分別包括電阻(R1, R2; Rn)和可控 開關(S3， S4; Sn+2)構成的串聯(lián)電路。
11. 根據(jù)權利要求4或10所述的安全驅動裝置，其特征在于，能量 轉換器(22 )的可控開關(Sl， S2 )或者監(jiān)視單元(52 )的可控開關(S3， S4; Sn+2)和/或監(jiān)視和均衡單元(24)的可控開關(S3， S4; Sn+2)由 微控制器(26)來激勵。
12. 根據(jù)權利要求1至11中的任一項所述的安全驅動裝置，其特征 在于，電動機(28)被激勵電路(30)、特別是以電動機專用集成電路的 形式激勵的激勵電路，并且激勵電路(30)特別是通過多點總線(39)與 微控制器(26)相連。
13. 根據(jù)權利要求4所述的安全驅動裝置，其特征在于，在中間電路 (36)中設置了二極管(53)，該二極管在電容性能量存儲器(20)放電到電動機(28)中時，阻止至電流饋送裝置(18)的電流。
14. 根據(jù)權利要求4所述的安全驅動裝置，其特征在于，在中間電路 (36)中設置了傳感器電路(42)，該傳感器電路構建用于檢測在中間電路(36)中的電壓下降。
15. —種當出現(xiàn)電壓故障或者電壓下降時，用于借助根據(jù)權利要求l 至14中的任一項所述的安全驅動裝置可靠地將用于調節(jié)氣體體積流量或 者液體體積流量的活門(16)或者閥回引到事先確定的位置中的方法，其 特征在于，—在正常運行中，也為電動機(28)饋電的電流借助用作能量轉換器 的功率組件(46)在降壓模式中被轉換為較低的電壓電勢，并且存儲在電 容性能量存儲器(20)中，以及-在電壓下降到預先確定的值之下或者在電力故障情況下，借助相同 的功率組件(46)將存儲在電容性能量存儲器(20)中的電能在升壓模式 中轉換回較高的電壓電勢，并且用于驅動電動機(28)，直到達到預先給定的安全位置。
16. 根據(jù)權利要求15所述的方法，其特征在于，輸入側的優(yōu)選頻率 為50Hz-60Hz的交流電變換為直流電，并且通過功率組件(46)引導至 電容性能量存儲器(20 )。
17. 根據(jù)權利要求15或16所述的方法，其特征在于，在較低的和較 高的電壓電勢之間的電壓振幅為至少大約20V - 40V。
18. 根據(jù)權利要求15至17中的任一項所述的方法，其特征在于，微 控制器(26)在降壓模式中以模擬輸入端(All)測量電容性能量存儲器(20)上的電壓，以及通過數(shù)字輸出端(DOl)將脈寬調制信號(48)輸 出到功率組件(46)的可控開關(Sl)。
19. 根據(jù)權利要求15至17中的任一項所述的方法，其特征在于，微 控制器(26)在升壓模式中以模擬輸入端(AI2)測量位于電流饋送裝置(18)和電動機(28)之間的中間電路(36)上的電壓，以及通過數(shù)字輸 出端(D02)將脈寬調制信號輸出到功率組件(46)的可控開關(S2)。
20. 根據(jù)權利要求18或19所述的方法，其特征在于，使用如下功率 組件(46):該功率組件包括可控的第一開關(S1)與可控的第二開關(S2) 的串聯(lián)電路，該第一開關帶有跨接該第一開關的第一二極管(Dl)，而第 二開關帶有跨接該第二開關的第二二極管(D2)，包括電容性能量存儲器(20)和電感(Ll)的串聯(lián)電路連接在中間電路(36)的電極與兩個開 關(Sl， S2)的連接點之間，并且在一個開關(S1或S2)斷開的情況下 續(xù)流電流(12或14 )流經(jīng)二極管(D2或Dl)期間，另一個開關(S2或 Sl)閉合。
21. 才艮據(jù)權利要求15至20中的任一項所述的方法，其特征在于，使 用多個電容器(Cl， C2，…，Cn)構成的電容性能量存儲器(20),并 且電容器(Cl, C2，…，Cn)的電壓電勢被周期性地單獨測量，并且具 有過高電壓的電容器被至少部分放電。
22. 根據(jù)權利要求21所述的方法，其特征在于，在電容性能量存儲 器(20)的電容器(C1, C2，…，Cn)串聯(lián)的情況下，進行電壓均衡。
全文摘要
一種安全驅動裝置(10)，其具有用于特別是在暖氣通風空調(HLK)、防火以及空間保護的領域中將用于調節(jié)氣體體積流量或液體體積流量的活門或閥回引到預先給定的安全位置中的安全電路(12)。所述安全驅動裝置(10)主要包括帶有可控的電動機(28)的調節(jié)驅動裝置(14)、電容性能量存儲器(20)、帶有功率組件的能量轉換器(22)和電流饋送裝置(18)。在正常運行中，電流在能量轉換器(22)的功率組件中被轉換為較低的電壓電勢，并且存儲在帶有至少一個雙層電容器的電容性能量存儲器(20)中。在電壓下降到預先確定的值之下或者在電力故障情況下，存儲的電荷由相同的功率組件轉換回較高的電壓電勢，并且電動機(28)被操作，直到達到預先給定的安全位置。
文檔編號H02J9/06GK101454960SQ200780018908
公開日2009年6月10日 申請日期2007年5月2日 優(yōu)先權日2006年5月24日
發(fā)明者庫丁·施特赫利, 羅曼·富雷爾, 馬丁·奧克森拜因 申請人:貝利莫控股公司