[发明专利]故障安全接口

说明书

技术领域

本发明涉及故障安全接口。该故障安全接口特别适用于逆变器启用输 入，并且尤其适合用于电机驱动的逆变器启用输入。

背景技术

机械装置通常包括如下部件，在正常操作期间，当操作者正在移动时 如果与这些部件接触，则这些部件对操作者来说是危险的。

这样的机械装置通常由电机来驱动。出于安全原因，通常需要采用控 制系统来，以高度完整性来允许和阻止电机的操作(并且因此允许和阻止 机器操作)。例如，当打开安全防护装置或安全门以允许进入机器的移动 时可能危险的一部分时，必须防止电机驱动机器。这样的功能的完整性的 典型水平会是大约每小时10^-8的危险性故障概率。为了实现这一点，采用 如下电路设计：确保大多数部件故障和故障的组合致使防止电机驱动机 器，从而机器不操作。

传统上，利用机电式接触器来实现启用或禁用电机的操作的能力，所 述机电式接触器中的至少两个将被布置成与电机串联。接触器通常设置有 辅助监视触头，使得可以检测到一个接触器的主触头的不正确位置，并且 通过断开接触器的电磁体的两个线圈来防止电路的完成。

近期，固态控制器(其驱动逆变器来将直流电转换成一组相控的交流 电，以在电机中产生旋转磁场)已配备有安全相关输入。所述输入允许通 过电子方式来防止电机的操作。

为了保持电机的转矩，相应功率半导体的按照所需顺序的协调切换和 持续激活是必要的。逆变器的功率半导体器件中的一个或更多个发生错误 导通，这不会引起电机中的持续转矩。对于具有光滑(非突出)转子的电 机，逆变器的功率半导体器件的任何故障不产生转矩。对于具有永磁体和 /或凸点的电机，逆变器中的一对短路功率半导体器件可以导致短暂校准 扭矩，由此电机部分地旋转，然而，电流将快速增大，直到由保护装置中 断(例如保险丝)或功率半导体器件中的至少一个的破坏性故障为止。

作为另外的示例，在电力并网发电逆变器应用中，相同的原理适用于 逆变器驱动变压器而非电机的情况。逆变器的功率半导体器件的错误导通 不能在变压器中产生交替磁通，并且因此从变压器次级线圈无法产生持续 输出。换言之，逆变器功率器件的故障引起直流电，因为变压器依靠交流 电来进行其操作，所以所述直流电无法通过变压器进行转换。

为了安全可靠地控制这样的逆变器，在逆变器控制输入端子与逆变器 的功率半导体之间需要接口，其中，该逆变器控制输入端子通常使用逻辑 信号例如24V直流电，该功率半导体保持逆变器的危险性故障的所需低 概率。

机电继电器已经被用于针对这样的接口提供必要的电气隔离和电平 转换。然而，继电器具有在危险方向上的相对较高的故障概率，并且具有 在机械耗损之前的相对较短的时间。这导致在监视的同时使用成对的继电 器来检测故障状况。

近期，通常由复杂的数字电路和可编程数字处理器来执行用于操作逆 变器的功率半导体控制信号的产生。这样的布置不提供所需较低的危险性 故障概率，因为大多数的数字电路无法以相同的概率进入可用逻辑状态中 的任一种状态。此外，数字电路和功能的复杂性使得其难以可靠地且可信 地表明在电路在操作期间可能经受的电路的条件和条件顺序的所有组合 情况下的足够低的危险故障概率。例如，可能难以预料在可变温度条件以 及在电路的各种装置的每一个引脚上的逻辑电平的组合的每一个可能的 顺序的情况下电路如何反应。

如果在安全关键功能中采用复杂的数字电路和可编程电路，则典型地 一起使用至少两个独立信道与诊断和交叉检查功能，以检测故障或错误。 这些系统允许通过不受已被检测到的特定故障影响的信道来禁用逆变器。 如可以看到的，即使在这样的系统中，也需要提供不依赖于复杂电路的用 于禁用逆变器的装置，以便实现危险性故障的所需较低概率。

因此，期望的是具有一种特别是用于逆变器的故障安全接口，其采用 具有良好定义的故障模式的简单电子部件。在这样的接口中，期望的是大 多数部件故障和部件故障的组合引起安全故障。换言之，逆变器未提供有 所需波形的故障，并且因此连接到逆变器的电机不被驱动。

在某些条件下需要防止逆变器的具有高度完整性的操作的情况下，相 同的方法适用于使用逆变器的发电机。例如，这可能是由逆变器馈送的公 用配电网络的部分已经从电力网络的主体分离并且必须被禁用的情况。

发明内容