带过压保护的变压器的制作方法

带过压保护的变压器
1.本发明涉及一种用于将输入电压转换为输出直流电压的变压器，该变压器包括第一切断单元，该第一切断单元被设计为在输出直流电压达到或超过第一电压阈值时，实现对该变压器的至少一部分的切断，以降低该输出直流电压。此外，本发明还涉及一种用于监视变压器的输出直流电压的方法，其中设有第一电压阈值，并且其中，在输出直流电压超过或达到第一电压阈值时，切断该变压器的至少一部分以降低输出直流电压。
2.在电气系统(诸如长定子线性电动机或平面电动机)中，由变压器向执行器提供输出直流电压。为此，使用相应的变压器从(通常较高的)输入电压转换到输出直流电压。如果输入直流电压被转换为输出直流电压，则提供直流变压器作为变压器。如果输入交流电压被转换为输出直流电压，则提供整流器作为变压器。还可以规定，整流器首先将电网交流电压转换为低直流电压，并且此外经由该整流器的转换器级或单独设计的直流变压器将低直流电压转换为特低直流电压。
3.输出直流电压处于某个电压范围内，例如，特低电压范围和/或低电压范围。相应的电压范围具有电压上限，输出直流电压不得超过该电压上限。为了提高提供输出直流电压的变压器的效率，可以最小化电流热损失。这可以通过使输出直流电压尽可能接近相关电压范围的电压上限来实现。然而，为了确保输出直流电压不超过该电压限制，需要高精度地监视输出直流电压。为此，可设有用于监视电压阈值的保护电路，其中该电压阈值处于电压范围的电压限制范围内。
4.在超过电压阈值时确保切断变压器的至少一部分，以降低输出直流电压，并且藉此使超过电压阈值的时间尽可能短。然而，即使在发生动态负载变化时出现的短时间超过的情况下，也进行切断――尽管这种短时间超过未被归类为是紧要的。
5.本发明的任务在于，提出变压器的改进的过压保护。
6.该任务通过以下方式来解决：设有第二切断单元，该第二切断单元被设计用于检查输出直流电压的平均值是否达到或超过平均值阈值，并且在达到或超过该平均值阈值时，实现对变压器的至少一部分的切断，以降低输出直流电压。
7.此外，该任务通过一种方法来解决，其中检查输出直流电压的平均值是否达到或超过平均值阈值，并且其中在达到或超过该平均值阈值时，切断变压器的至少一部分，以降低输出直流电压。
8.平方平均值(也称为rms平均值)优选地被视为平均值。例如，算术平均值也可被视为平均值。
9.通过对输出直流电压的平均值的附加监视，第一电压阈值可被设置为尽可能接近电压上限，藉此最小化变压器的电流热损失并提高变压器的效率。在输出直流电压出现短暂峰值时，输出直流电压的平均值仅略有增加，并且不超过平均值阈值。由此，在输出直流电压出现短暂峰值的情况下不进行切断，只要不超过第一电压阈值即可。因此，动态负载也可以由输出直流电压供电。平均值阈值优选地小于第一电压阈值。
10.特别有利的是，在达到或超过第一电压阈值时和/或在达到或超过平均值阈值时，例如通过直接干预功率开关的门控来停用变压器的功率开关。也可以切断变压器的另一部
分或整个变压器；重要的是，通过这种切断降低了输出直流电压。
11.第二切断单元可以是变压器的集成组成部分，优选地是第一切断单元的集成组成部分。
12.第一电压阈值优选地低于第一电压限制。规定：在切断变压器的至少一部分之后，输出直流电压在一微秒内或更快地降低。在达到或超过第一电压阈值之后，触发切断信号，藉此切断变压器的至少一部分。然而，在触发信号与实际切断之间，可能会出现切断延迟。由于切断延迟，可能出现以下情况：即使在触发切断信号之后，输出直流电压也在一定程度上超过电压阈值，随后才最终下降。因此，通过确定低于电压限制的第一电压阈值可以确保，即使在发生切断延迟的情况下，也不会超过第一电压限制本身。例如，在70.2v的第一电压限制的情况下，可以设有在60至70v、优选地60至65v范围内的第一电压阈值。
13.平均值阈值优选地低于平均值限制(其中该平均值限制低于第一电压限制)。必须确保输出直流电压的平均值不达到或超过平均值限制。例如，在60v的平均值限制的情况下，可以设有59.25v的平均值阈值。
14.在确定第一电压限制和/或平均值阈值的情况下，还可以考虑构件公差、测量误差等。
15.如果输出直流电压的平均值达到或超过平均值阈值，则切断变压器的至少一部分。
16.可以设有小于第一电压阈值的第二电压阈值。如果在第一时刻检测到输出直流电压达到或超过第二电压阈值，则在输出直流电压在从第一时刻开始的一间隔之后的第二时刻达到或超过第二电压阈值时，推断出输出直流电压的平均值达到或超过平均值阈值。
17.第二切断单元可被设计为检测输出直流电压达到或超过小于第一电压阈值的第二电压阈值的第一时刻，并且在从第一时刻开始的预定间隔之后的第二时刻检查输出直流电压达到或超过第二电压阈值，以及在不仅在第一时刻而且在第二时刻达到或超过第二电压阈值的情况下，推断出输出直流电压的平均值达到或超过平均值阈值。
18.在此，可以使用离散采样时刻作为第一时刻和第二时刻，在这些时刻，输出直流电压由例如在变压器中或在变压器处设置的电压测量单元时间离散地采样且时间离散地测量。然而，为此目的，也可以使用位于已经给出的采样时刻之外的单独的时刻，在这些时刻，专门测量输出直流电压以用于与第二电压阈值进行比较。
19.此外，在输出直流电压已经以基本采样速率时间离散地采样的情况下(例如，由于以上提及的电压测量单元的测量)，使用输出直流电压的离散采样时刻作为第一时刻和第二时刻是特别有利的。用于输出直流电压的基本测量的该基本采样速率可以例如处于100khz范围或mhz范围内，其中第一采样时刻和第二采样时刻优选地不是由基本采样速率确定的相邻的基本采样时刻，而是例如彼此相距0.01至100ms、或者优选地彼此相距0.1至100ms、或者特别优选地彼此相距1至100ms。优选地，第一采样时刻与第二采样时刻之间的距离在此是固定地预先给定的。
20.此外，独立于可能的采样，第一时刻和第二时刻可以彼此相距0.01至100ms、或者优选地彼此相距0.1至100ms、或者特别优选地彼此相距1至100ms。优选地，第一时刻与第二时刻之间的距离是固定地预先给定的。
21.在这个意义上，第二切断单元可被设计为推断输出直流电压的平均值、优选地平
方平均值是否达到或超过平均值阈值，其中该平均值阈值小于第一电压阈值，并且在推断出达到该平均值阈值时或在推断出超过该平均值阈值时实现对变压器的至少一部分的切断，以降低输出直流电压。
22.从不仅在第一时刻而且在第二时刻达到或超过第二电压阈值推断出平均值达到或超过平均值阈值在实践中是充分的近似。此外，在许多实践情形中，将输出直流电压与在第一时刻和在第二时刻的第二电压阈值进行比较，可以提供比所提出的将平均值与平均值阈值进行比较更保守的切断准则。例如，如果第一时刻与第二时刻彼此相距不超过100ms，则尤其如此。
23.通过将输出直流电压与在第一时刻和在第二时刻的第二电压阈值进行比较，有助于实现安全且保守的切断准则的另一方面是第二电压阈值的高度。如果将第二电压阈值设置在平均值阈值以下足够低，则在实践中在第一时刻和第二时刻之间的距离的合适选择的情况下假设：从不仅在第一时刻而且在第二时刻达到或超过第二电压阈值推断出平均值达到或超过平均值阈值不会导致错误的不切断。相反，在平均值实际上没有达到或超过平均值阈值的情形中也会部分地切断。
24.第二电压阈值的足够低的选择的一个示例是在平均值阈值为60v的情况下为第二电压阈值选择59.25v，但在该情形中也可以优选地为第二电压阈值选择58v、最优选地为57v。原则上，安全技术领域的技术人员知晓在特定情况下如何最好地选择电压阈值以及将其与输出直流电压进行比较的时刻。
25.在达到或超过第二电压阈值的情况下，该间隔从第一时刻开始，并在第二时刻结束。这是一种用于监视输出直流电压的平均值的特别便宜的可能性。由于在第一时刻达到或超过第二电压阈值之后，在第二时刻再次检查达到或超过第二电压阈值，并且仅在再次达到或超过第二电压阈值时才进行切断，因此可以确保在第一时刻短暂达到/超过第二电压阈值时例如由于动态的负载变化而不会立即进行切断。仅在间隔结束之后(即，在第二时刻)也达到或超过第二电压阈值时，才进行切断。然而，如果在任何时刻达到或超过第一电压阈值，则始终进行切断。
26.也可以仅在第一时刻检查达到或超过第二电压阈值，并且在预定间隔之后的第二时刻检查达到或超过与第二电压阈值不同的另一电压阈值。然而，优选地，不仅在间隔的开始(即，在第一时刻)而且在间隔的结束(即，在第二时刻)检查达到或超过第二电压阈值。
27.如果在预定的间隔之后检查达到或超过与第二电压阈值不同的另一电压阈值，则第二切断单元可被设计为检测输出直流电压达到或超过小于第一电压阈值的第二电压阈值的第一时刻，并且在从第一时刻开始的预定间隔之后的第二时刻检查输出直流电压达到或超过小于第二电压阈值的第三电压阈值，并且在不仅在第一时刻而且在第二时刻达到或超过第二电压阈值的情况下，推断出输出直流电压的平均值达到或超过平均值阈值。
28.在平均值阈值为60v时，第二电压阈值可被选择为59.25v，并且第三电压阈值可被选择为58.25v，或者第二电压阈值可被选择为58v，并且第三电压阈值可被选择为57v，或者第二电压阈值可被选择为57v，并且第三电压阈值可被选择为55v。然而，原则上，安全技术领域的技术人员知晓在特定情况下如何最好地选择用于与输出直流电压进行比较的电压阈值和时刻。
29.当然，在间隔结束之后，可以设有具有第一时刻和第二时刻的另一间隔，其中，类
似地，可以进行对达到或超过第二电压阈值的检查，以推断出输出直流电压的平均值达到或超过平均值阈值。
30.优选地，连续地计算输出直流电压的平均值。相应地，第二切断单元可被设计为连续形成输出直流电压的平均值，并检查输出直流电压的平均值是否达到或超过预定的平均值阈值。作为在第一时刻和第二时刻对达到或超过第二电压阈值的检查的附加或替换，可以进行连续计算。优选地，在预定的平均值间隔上连续地计算该平均值。
31.如果变压器的电压测量单元针对输出直流电压输出错误的电压值(例如，0v的电压测量值)，则这将导致输出直流电压增加(其中此外还显示错误的电压测量值，例如，0v)，由此输出直流电压随后达到或超过第一输出阈值和/或输出直流电压的平均值达到或超过平均值阈值。然而，如果用于确定输出直流电压和/或输出直流电压的平均值的第一和/或第二切断单元同样使用与变压器相关的电压测量单元的(错误的)电压测量值，则第一和/或第二切断单元不会识别出该达到或超过。然而，不可信的电压值可以通过对所获得的输出直流电压的电压测量值进行可信度检查来识别。然而，例如由于变压器的电压测量单元中的缺陷(例如，电阻的部分断裂)，电压测量值以产生错误但可信的输出直流电压(即，原则上可能的输出直流电压)的方式而失真，因此这种错误的电压测量值当然不能通过可信性检查来识别。
32.因此，优选地，与第一切断单元相关的用于确定输出直流电压的第一电压测量单元独立于与变压器相关的用于确定输出直流电压的电压测量单元来实施，和/或与第二切断单元相关的用于确定输出直流电压的第二电压测量单元独立于与变压器相关的用于确定输出直流电压的电压测量单元来实施。由此避免了在变压器的电压测量单元中发生单个故障时对于第一和/或第二电压测量单元也产生输出直流电压的不允许的电压测量值。当然特别有利的是，第一和第二切断单元不仅独立于变压器来实施，而且彼此独立地实施，例如各自具有独立的电压测量单元。也可以使整个第一和/或第二切断单元独立于变压器来实施，其中“独立”当然涉及检查电压阈值和平均值阈值的达到或超过；当然，在变压器的至少部分切断时，必须以适当的方式干预变压器的功能，以降低输出直流电压。
33.优选地，第一和/或第二切断单元分别被设计为防止双故障。因此，可以分别设有第一电路部分和实施为与第一电路部分独立的另一电路部分。由此，可以排除单个故障对电路部分的同时影响。例如，第一电路部分和另一电路部分可以被实施为冗余的。
34.优选地，变压器被设计为使得电压限制为60v的特低电压被输出作为输出直流电压。
35.优选地，变压器是用于将输入交流电压转换为输出直流电压的整流器或用于将输入直流电压转换为输出直流电压的直流变压器。
36.此外，可以设有长定子线性电动机或平面电动机，其包括多个执行器和根据本发明的用于通过输出直流电压来向该多个执行器进行电压供电的变压器。
37.在下文中将参照图1至图4更详细地阐释本发明，图1至图4示例性、示意性地而非限制地示出本发明有利的设计构造。附图中示出：
38.图1示出了具有第一和第二切断单元的变压器，
39.图2示出了第一和第二切断单元的独立电压测量单元，
40.图3a示出了在第一时刻超过第二电压阈值，
41.图3b示出了在第一时刻和第二时刻超过第二电压阈值，
42.图4示出了输出直流电压的平均值超过平均值阈值。
43.图1a是在输出端对输出直流电压ua进行输出的变压器2。此外，还设有电压测量单元v0，其确定在变压器2的输出端的输出直流电压ua。变压器2包括电压调节器21，其根据预定的目标电压usoll来调节输出直流电压ua。为此，电压调节器由变压器2的电压测量单元v0提供输出直流电压ua的电压值。输出直流电压ua的电压值可以时间连续地被记录，或者也可以时间离散地被采样。电压调节器21产生被提供给电压调节器21的功率单元20的控制信号s，以根据目标电压usoll来调节输出直流电压ua。作为变压器2可设有将施加在输入端的输入交流电压ue转换为输出直流电压ua的整流器，或者可设有将施加在输入端的输入直流电压ue转换为输出直流电压ua的直流变压器。在变压器2处，也可以首先将输入交流电压ue转换为中间直流电压，其中，该中间直流电压由变压器2的另一级或由单独实施的直流变压器转换为输出直流电压ua。
44.为了确定输出直流电压ua，电压测量单元v0可以在基本采样时刻以基本采样率时间离散地对输出直流电压ua进行采样，其中该基本采样率可以优选地处于100khz范围内。
45.功率单元20通常包括根据控制信号s来控制的多个功率开关。由于变压器2的工作原理是基本已知的，因此这里不作详细讨论。
46.可以将多个执行器与变压器2的输出端相连接，其中，该多个执行器以输出直流电压ua来供电。变压器2可以用输出直流电压来向例如长定子直线电动机或平面电动机的执行器供电。
47.变压器2包括第一切断单元11，其被设计为在输出直流电压ua达到或超过第一电压阈值ux1时实现对变压器2的至少一部分的切断，以降低输出直流电压ua。由此确保了输出直流电压ua不达到或超过第一电压阈值ux1，或仅短暂地达到或超过第一电压阈值ux1。
48.此外，变压器2还包括第二切断单元12，其被设计用于检查输出直流电压ua的平均值uam是否达到或超过平均值阈值uxm，并且在达到或超过平均值阈值uxm时，实现对变压器2的至少一部分的切断，以降低输出直流电压ua。第二切断单元12在此被表示为变压器2的集成组成部分，但也可以单独实施。
49.第一和/或第二切断单元11、12可包括基于微处理器的硬件，例如，在其上实施用于执行相应功能的相应软件的计算机或数字信号处理器(dsp)。第一和/或第二切断单元11、12还可以包括也具有微处理器的集成电路，例如，专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列(fpga)。第一和/或第二切断单元11、12还可以包括模拟电路或模拟计算机。混合形式也是可以构想的。此外，还可以在相同硬件上实现不同的功能。
50.通过作用在功率单元20上的切断信号a1、a2，不仅通过第一切断单元11而且通过第二切断单元12进行对变压器2的至少一部分的可能切断。例如，功率单元20的功率开关可以通过相应的切断信号a1、a2来停用。
51.优选地，设有与第一切断单元11相关的第一电压测量单元v1，其独立于与变压器2相关的电压测量单元v0来实施。由此，即使在与变压器2相关的电压测量单元v0确定输出直流电压ua的错误值的情况下，也可以针对第一切断单元11确定输出直流电压ua的值。
52.优选地，设有与第二切断单元12相关的第二电压测量单元v2，其独立于与变压器2相关的电压测量单元v0来实施。由此，即使在与变压器2相关的电压测量单元v0确定输出直
流电压ua的错误值的情况下，也可以针对第二切断单元12确定输出直流电压ua的值。
53.如果设有独立于与变压器2相关的电压测量单元v0实施的第一和第二电压测量单元v1、v2，则特别有利的是，第一和第二电压测量单元v1、v2也彼此独立地实施，如图2中所示。替换地，也可以仅设有第一电压测量单元v1，其不仅向第一切断单元11而且向第二切断单元12提供输出直流电压ua的值。
54.优选地，检查在第一时刻t0是否检测到输出直流电压ua达到或超过小于第一电压阈值ux1的第二电压阈值ux2。如果输出直流电压ua在从第一时刻t0开始的预定间隔t1之后的第二时刻t1也达到或超过第二电压阈值ux2，如图1b中示意性地示出的，则推断出输出电压ua的平均值uam超过第二电压阈值ux2。优选地，第二电压阈值ux2对应于平均值阈值uxm。
55.由此，在第一时刻t0(在间隔t1的开始处)短暂地超过第二电压阈值ux2(例如，由于动态的负载变化和相应的短暂增加的输出直流电压ua)的情况下不进行切断――只要未超过第一电压阈值ux1。
56.在图3a中示出了示例性输出直流电压ua，其中虽然输出直流电压ua在第一时刻t0达到并超过第二电压阈值ux2，但在间隔t1之后在第二时刻t1不(不再)达到或超过第二电压阈值ux2。因此，变压器2的至少一部分未被切断。在此，输出直流电压ua从未达到或超过第一电压阈值ux1，由此也不会因此而切断。
57.如果输出直流电压ua在间隔t1之后的第二时刻t1大于/等于第二电压阈值ux2，则由于这个原因而进行对变压器2的至少一部分的切断。在图3b中示出了输出直流电压ua的这种示例性曲线。
58.为了选择第一时刻t0和第二时刻t1，可以按有利的方式使用采样时刻，在这些采样时刻(例如，由电压测量单元v0)对输出直流电压时间离散地进行采样且时间离散地进行测量。为了选择采样时刻，也可以使用由电压测量单元v0的基本采样率确定的基本采样时刻。在此，第一时刻t0和第二时刻t1被一时间间隔分隔开，其中该时间间隔例如具有0.01至100ms的长度、或者优选地具有0.1至100ms的长度、或者特别优选地具有1至100ms的长度。优选地，在此，第一时刻t0与第二时刻t1之间的距离是固定地预先给定的。
59.虽然在图3a和图3b中在第一时刻t0和在第二时刻t1分别示出了对相同的第二阈值ux2的使用，但是替换地，可以在第一时刻t0使用第二阈值ux2，并且在时刻t1代替第二阈值ux2而使用第三阈值ux3(未示出)。在优选的方式中，在此，第三阈值ux3低于第二阈值ux2。然而，也可以构想，选择高于第二阈值ux2的第三阈值ux3。
60.可以在优选地为第二切断单元的集成组成部分的计算单元中连续地计算输出直流电压ua的平均值uam，并且检查达到或超过平均值阈值uxm。在图4中示出了平均值uam的这种曲线，其中输出直流电压ua也以点来表示。平均值uam在以x标记的位置达到平均值阈值uxm，由此进行对变压器2的至少一部分的切断，这导致输出直流电压ua的降低，如由相关的下降曲线可见。如果所确定的平均值uam小于平均值阈值uxm，则变压器2的至少一部分不会被切断(除非输出直流电压ua达到或超过第一电压阈值ux1)。
61.随后，将示例性地描述第一电压限制和平均值限制的可能确定。
62.如果在变压器2处规定，输出直流电压ua处于特低电压(超低电压)范围内并且还具有过压保护，则变压器2被称为pelv(保护性超低电压)系统。pelv系统必须符合标准din en 61800-5-1vde 0160-105-1:2018-09和din en 60204-1vde 0113-1:2019-06。标准
en61800-5-1在第3.21点下要求具有以下特性的电气电路：
[0063]-不仅在单个故障条件下而且在正常条件下，电压都不会持久地达到或超过elv；
[0064]-对与pelv或selv以外的电路进行保护隔离；
[0065]-用于pelv电路、其可触及导电部分或两者的接地装置
[0066]
在第4.3.1.1章“相关电压等级(dvc)的使用”中，解说了以下内容：防止电击的保护措施取决于表3中按相关电压对电路进行的分类，表3将电路内的工作电压的限值与dvc联系起来。由此，dvc指定电路所需的最低保护程度。
[0067]
下一章4.3.1.2“dvc限值”中给出了相应的表3，并且针对电压等级dvc a示出输出直流电压的平均值最大为60v。
[0068]
根据第4.3.1.4.3章，参照表3定义了以下条件：输出直流电压的算术平均值不得超过平均值上限60v，并且周期性峰值不得超过平均值上限的1.17倍，即，60v*1,17＝70,2v。
[0069]
为了实现变压器2的最大效率，期望使输出直流电压ua尽可能高。因此，选择为瞬态最大值的周期性峰值作为第一电压限制，即，70.2v。确定第一电压阈值ux1，其值有利地被确定为低于第一电压限制，例如，63v。如果输出直流电压ua达到或超过第一电压阈值ux1，则立即切断变压器2的至少一部分以降低输出直流电压ua。
[0070]
由于针对输出直流电压ua归类为超低电压系统(dvca)也给出了60v的最大平均值(rms)，因此根据该最大平均值来选择输出直流电压ua的第二电压限制，即，60v。优选地，平均值阈值uam和/或第二电压阈值ux2的值被确定为低于第二电压限制，例如，59.25v。然而，第二电压阈值ux2也可以对应于第二电压限制。
[0071]
在给定的平均值间隔tm上形成输出直流电压ua的平均值uam，并且检查平均值uam是否高于平均值阈值uxm。如果是这种情形，则满足附加条件z并进行切断。
[0072]
如果输出直流电压ua未达到或超过第一电压阈值ux1，并且输出直流电压ua的平均值未达到或超过平均值阈值ux2，则变压器2属于dvca类。
[0073]
如上所述，可以连续地计算平均值uam并且将其与平均值阈值uxm进行比较和/或当输出直流电压ua在第一时刻t0且在间隔t1之后在第二时刻t1达到或超过第二电压阈值ua2(优选地对应于平均值阈值uxm)时，推断输出直流电压ua的平均值uam的达到或超过。