CN101640096B - 用于低压和中压应用的单线圈致动器 - Google Patents

Abstract

一种用于低压和中压应用的单线圈致动器，其包括单线圈电磁体和可操作地连接到所述单线圈电磁体的功率和控制单元。所述功率和控制单元包括：第一控制单元和第二控制单元；电源输入端，可操作地连接到输入滤波器和整流器；电源，可操作地连接到所述输入滤波器和整流器并且连接到所述第一控制单元和第二控制单元；电源电路，可操作地连接到所述单线圈电磁体。在根据本发明的单线圈致动器中，所述第一控制单元是包括模拟和数字输入端和输出端的微控制器，并且所述第二控制单元是经由所述电源电路控制在所述单线圈电磁体中流动的电流的PWM控制器。

Description

用于低压和中压应用的单线圈致动器

技术领域

本发明涉及一种用于低压和中压应用的单线圈致动器，具体地讲，涉及基于在性能和结构方面具有改进的特征的单线圈电磁体的单线圈致动器。本发明的单线圈致动器方便地用于低压和中压设备。为了本申请的目的，术语中压是指在1kV和50kV之间的范围内的应用，而低压是指在低于1kV的范围内的应用。

背景技术

基于线圈的致动器通常用于中压和低压设备，例如，用于各种应用的低压或中压断路器、隔离开关(disconnector)、接触器。基于线圈的致动器的一种典型的应用是根据打开或关闭的命令，释放或锁定弹簧致动的断路器的机械部件。其它典型的应用是例如卡车的锁定磁体、命令锁定等。

传统的基于线圈的致动器通常包括电子元件，所述电子元件驱动被选择性地激发以移动与其相关联的衔铁(“激励(launch)”操作)并将其保持在某个位置处(“保持”操作)的两个绕组。从供电轨直接向两个绕组供电，并使用两个MOSFET进行切换：第一线圈被接通以激励电磁体，并且第二线圈允许将电磁体保持在某个位置处。

即使传统的基于线圈的致动器被广泛地和满意地使用，然而，它们具有多个缺点。

第一个问题源自需要覆盖所有操作范围的大量变体(variant)。例如，需要最多达7个电磁体变体来支持所有电压和电流(AC和DC)的操作范围。从而，每一个电磁体变体都需要其自己的驱动电子元件。这样的大量的变体对制造和处理成本具有负面影响。

另一个缺点源自传统的基于线圈的致动器通常不能预见可以检查线圈和驱动电子元件的连续性和完整性的事实。换句话说，通常不可检测线圈中的故障和检查驱动电路是否正常地运行。这不利地影响了其中安装并使用基于线圈的致动器的中压设备的可靠性。

另一个缺点源自传统的基于线圈的致动器通常不包括对于过高的电压、电流和温度的保护的事实。因此，在故障或误操作的情况下，电子电路经受烧损的风险。

另一个缺点源自线圈制造；具体地讲，“保持”绕组需要大量的线匝和非常低的电线截面。这使得线圈昂贵。

另一个缺点源自对于操作要求的适应性，以允许在很宽的温度和输入电压的范围内对线圈进行操作。这意味着绕组的尺寸必须被设置为允许足够的电流在最低的电压和最高的温度下流通。这些电流对应于“激励”并“保持”电磁体所需的磁动势NI。因此，当向传统的基于线圈的致动器提供最高的电压，并且环境温度最低时，吸收的“激励”和“保持”电流非常高。由于该原因，传统的基于线圈的致动器的能量消耗和自发热高于所需。

此外，需要为当电压为最大值并且温度最低时可能在线圈中流通的最高电流设置功率MOSFET和绕组导线截面的尺寸。因此增加了制造成本。

发明内容

因此，本发明的目的是提供解决上述问题的用于中压和低压应用的基于线圈的致动器。

更具体地讲，本发明的一个目的是提供一种用于中压和低压应用的基于线圈的致动器，其具有简化的设计同时保持想要的应用所需的性能和可靠性。

作为另一个目的，本发明意在提供一种能够容易地适用于多种想要的应用的用于中压和低压应用的基于线圈的致动器。

本发明的另一个目的是提供一种在电压和电流方面能够覆盖宽的操作范围的用于中压和低压应用的基于线圈的致动器。

本发明的另一个目的是提供一种用于中压和低压应用的基于线圈的致动器，其用于保护所述中压和低压应用以免于过压和过流的损害。

本发明的另一个目的是提供一种其中能够检测和检查线圈和相关联的驱动电子元件的完整性和连续性的用于中压和低压应用的基于线圈的致动器。

本发明的另一目的是提供一种具有减少的制造和安装成本的用于中压和低压应用的基于线圈的致动器。

因此，本发明涉及一种用于低压和中压应用的单线圈致动器，其包括单线圈电磁体和可操作地连接到所述单线圈电磁体的功率和控制单元。所述功率和控制单元包括：

第一控制单元和第二控制单元；

电源输入端，可操作地连接到输入滤波器和整流器；

电源，可操作地连接到所述输入滤波器和整流器并且连接到所述第一控制单元和第二控制单元；

电源电路，可操作地连接到所述单线圈电磁体。

在根据本发明的单线圈致动器中，所述第一控制单元是包括模拟和数字输入端和输出端的微控制器，以及所述第二控制单元是经由所述电源电路控制在单线圈电磁体中流动的电流的PWM控制器。

以这样的方式，可以克服现有技术的致动器的一些缺点和短处。具体地讲，因为仅使用一个线圈，降低了机械复杂性。电子电路以简单和有效的方式驱动所述线圈：第一控制单元(微控制器)设定允许在单线圈电磁体中流通的电流，而第二控制单元(PWM控制器)调节单线圈电磁体中流通的电流。以这样的方式，可以减小电磁体变体的数量，由此显著地减小制造和处理成本。

此外，如下述说明内容中将更好地解释的，根据本发明的单线圈致动器包括允许检查线圈和相关联的电子电路的完整性和连续性的诊断功能。

附图说明

本发明的其它特征和优点将从根据本发明的优选但不是唯一的实施例的说明中可见，附图中提供了这些实施例的非限制性的例子，其中：

图1是根据本发明的单线圈致动器的第一通用实施例的示意图；

图2是根据本发明的单线圈致动器的第一优选实施例的示意图；

图3是根据本发明的单线圈致动器的第二优选实施例的示意图。

具体实施方式

参照图1，根据本发明的单线圈致动器1通常包括其中容纳有单线圈电磁体的壳体。该壳体具有允许电磁体的可移动部件与中压设备中的机构对接的开口。作为所述机构的例子，可提及中压断路器的主命令链(primary command chain)。在壳体内部，还恰当地设置有功率和控制单元3。

如图1所示，根据本发明的单线圈致动器1的特征之一在于功率和控制单元3可操作地连接到所述单线圈电磁体2，并且包括其功能将进一步被详细描述的第一控制单元31和第二控制单元32。第一控制单元31方便地由具有多个模拟和数字输入端和输出端311、312、313、314和315的微控制器构成，而第二控制单元32是控制单线圈电磁体2中流动的电流的PWM控制器。

根据本发明的单线圈致动器1的其它特征是：功率和控制单元3还包括电源输入端，由两个电缆33示意性地表示，该电源输入端可操作地连接到输入滤波器和整流器34。电源35可操作地连接到输入滤波器和整流器34，并且连接到第一控制单元31和第二控制单元32。电源电路37可操作地连接到所述单线圈电磁体2，并且由所述PWM控制器32经由所述电源电路37控制在单线圈电磁体中流动的电流。

从功能的角度来看，输入滤波器和整流器34允许使用例如桥式整流器将AC电源输入变换为DC。并且，输入LC滤波器阻拦由PWM控制器产生的高频电流，并避免它们进入到电源线中。由输入滤波器和整流器34执行的其它功能用于防止来自电源线的过压干扰的损害并用于阻止共模高频电流。

电源部分35将输入电压变换为微控制器31和PWM控制器32需要的电压，并且通常为高压输入线性调节器。图2、3和4中没有示出电源35的电源信号输出。

方便地，第一控制单元31可操作地通过第一输入端311连接到输入滤波器和整流器34。该第一输入端311是用于测量输入电压Vin并检测所述输入电压Vin的激励和释放阈值的模拟输入端。为了该目的，微控制器方便地包括可重写非易失性区域，该区域可用于存储参数，并且该区域用于存储切换阈值。

为了减小电子电路变体的数量，在微控制器中编程的软件能够方便地检测在第一次通电时施加的电压，并相应地配置阈值。然后，从电子电路第二次通电时使用该设定的阈值。可供替换的和优选的解决方案是以相同的申请人的名义共同提交和共同待审的申请中提到的方法，该申请名为“An Interface Module for Communication with anElectronic or an Electro-Mechanical Device of a Medium VoltageInterruption Unit”，发明人是Gabriele De Natale和Fabio Mannino。

可通过软件下载和调试端口(未示出)来安装软件。

如图2所示，可方便地设置跳线器39，以便允许通过数字输入端315重新设定可配置的参数。

如附图所示，在根据本发明的单线圈致动器1的优选实施例中，第一控制单元31通过第一模拟输出端312方便地可操作地连接到所述第二控制单元32，以用于设定在所述单线圈电磁体2中流动的电流Iset。然后，所述第一控制单元31的第二模拟输入端313可操作地连接到所述第二控制单元32的输出端321，以便测量所述PWM控制器的输出占空比。

实际上，PWM控制器的占空比允许检测电磁体线圈2的阻抗的改变。占空比取决于输入电压、线圈电流设定和线圈阻抗。所有其它参数都是已知的，因此可将线圈阻抗计算为测量的占空比的函数。这非常重要，因为如要进一步详细描述的，其允许执行线圈连续性检查。

优选地，低通滤波器38被用于将所述PWM控制器的输出占空比变换为可由所述第一控制单元31测量的电压。

如图2所述，在根据本发明的单线圈致动器1中，电源电路37优选地包括用以驱动所述单线圈电磁体2的MOSFET 371、续流二极管372、和用于测量在所述单线圈电磁体2中流通的电流Im的检测电阻373。

实际上，PWM控制器32驱动MOSFET 371，并根据通过第一控制单元31的第一模拟输出端312从第一控制单元31接收的电流设定的值Iset调节线圈中流动的电流。

因此，第二控制单元32方便地包括MOSFET驱动器以控制MOSFET门；其还包括比较器，以比较所述单线圈电磁体2中流通的电流的测量值Im与由所述第一控制单元31设定的电流值Iset。

值得注意的是，因为在线圈和电源电路中流通的电流被PWM控制器32限制为Iset值，所以避免了在系统中具有流通的过流的风险。此外，线圈中流通的电流不取决于输入电压和环境温度。

根据本发明的单线圈致动器1的优选实施例，所述第一控制单元31包括用于通过温度检测器36检测温度的第三模拟输入端314。例如，模拟输入端314可连接到NTC电阻，其测量电子板的温度。也可将温度保护整合在电源35中，并且在温度过高的情况下停止向31和32部分供电。

图3示出了根据本发明的单线圈致动器1的具体的实施例，并且预见所述功率和控制单元3可操作地连接到允许检测线圈绕组或电子电路板中的故障的跳闸电路监视器4。

从操作的角度来看，本发明的单线圈致动器1运行如下。

电源部分35需要预定最小值Vmin以使微控制器31和PWM控制器32通电。例如，可基于MOSFET 371的特性以及由在34部分处从AC到DC变换导致的电压降来确定所需最小电压。因此，如果输入电压Vin低于最小值Vmin，则系统不运行。

第一控制单元31通过第一模拟输入端311连续地检查输入电压Vin，并且基于该电压值，检测激励事件或释放事件。当输入电压Vin增加并大于预定激励阈值Vth_rise时检测到激励事件，而当输入电压Vin降低并低于预定释放阈值Vth_fall时检测到释放事件。

换句话说，线圈激发序列预见电压升至预定电平Vth_rise以上确定了电磁体的激励和保持操作，而电压落到预定电平Vth_fall以下确定了电磁体的释放操作，激励阈值Vth_rise总是高于释放阈值Vth_fall。

实际上，当第一控制单元31检测到输入电压Vin增加到高于阈值Vth_rise时，单线圈电磁体2中流通的电流的值被设定并保持在预定激励水平Il达预定激励时间Tl。在所述预定激励时间Tl期满之后，电流减小至并保持在预定保持水平Ih，直到检测到所述输入电压Vin减小至释放阈值Vth_fall以下，因此释放线圈。

优选地，线圈激发序列包括激励和释放操作的预定延迟时间。在该情况下，当检测到激励事件时，线圈激励延迟预定激励延迟时间Tld。然后，电流被设定和保持为预定激励水平Il达预定的激励时间Tl。当时间Tl逝去时，电流被减小至并保持在预定保持水平Ih，并且当检测到释放事件时，保持电流Ih仍然保持预定释放延迟时间Trd。最终，在逝去了时间Trd之后，立即释放线圈。

在激励延迟时间Tld期间检测到了释放事件的特定情况下，线圈激发序列中断并且放弃后续阶段。

本发明的单线圈致动器的特别优选的特征之一是其执行检查线圈和电子电路板的完整性的能力(线圈监视和反馈程序)。为了这个目的，允许线圈监视电流Ics流过单线圈电磁体2。具体地讲，当第一控制单元31检测到在所述预定最小值Vmin和所述释放阈值Vth_fall之间的输入电压值Vin时，能够触发连续性检查；在这样的情况下，允许低于所述激励电流Il的线圈监视电流Ics在所述单线圈电磁体中流通。

可通过检查PWM控制器32的输出占空比来完成连续性控制和线圈监视。如前面已说过的，占空比取决于输入电压、线圈电流设定和线圈阻抗。因此，输入电压值Vin是已知的，并且电流值被设定为Ics，可通过检查PWM控制器的输出占空比来检测单线圈电磁体2的操作性的改变。为了该目的，限定PWM控制器的输出占空比的预定接受范围。如果所述PWM控制器的输出占空比的值在所述预定范围之外，则线圈监视电流Ics中断，并且停止单线圈致动器的所有活动。

因此，本发明的单线圈致动器的操作循环可被总结如下。加电时，如果输入电压Vin大于最小电压Vmin，则系统执行上述线圈监视和反馈程序，直到检测到激励事件。当检测到激励事件时，系统执行上述线圈激发序列。最后，当检测到释放事件时，系统完成线圈激发序列，并紧接着执行线圈监视和反馈程序。

优选地，如图3所示，所述功率和控制单元3可操作地连接到允许检测线圈绕组或电子电路板中的故障的跳闸电路监视器4。该跳闸电路监视器4可以是普通类型的监视继电器，其在电路中驱动小电流，以检测其连续性，并在电流不流通的情况下产生警报41。

如图3所示，当触点42断开时，即当不激发单线圈电磁体2时，跳闸电路监视器4运行。在线圈监视和反馈程序期间在单线圈电磁体2中流通的监视电流Ics与跳闸电路监视器4中流通的电流Itc相关。

具体地讲，可用下面的公式计算在跳闸电路监视器4中流通的电流Itc：

Itc＝Ics×PWM_DC+Iq，

其中，PWM_DC是PWM控制器的输出占空比，而Iq是静态电流(即，单线圈致动器的电子电路保持激活所需要的电流)。因此，在由于单线圈电磁体2的绕组中的故障而停止监视电流Ics的情况下，在跳闸电路监视器4中流通的电流Itc等于静态电流Iq。因此，可以设定跳闸电路监视器4检测作为通过条件的最小电流值，并且在电流Ics中断(由于连接连续性或电磁体绕组中的故障)的情况下，产生警报信号41。

本发明的单线圈致动器的另一个特征是：其能够执行保护以免受到温度过高的损害。为了该目的，软件通过微控制器31的第三模拟输入端314不断地检查系统的温度。

方便地，当达到危险温度时，即当检测到的温度在预定值以上时，禁用第二控制单元32。以这种方式减少功耗(相应地减少自发热)而不中断电源，并且电子元件保持通电。因此，可避免温度过高导致的单线圈致动器1，尤其是电子电路板的自破坏。

从上可见，相对于具有相同功能的已知类型的相似的单元，本发明的用于低压和中压应用的单线圈致动器具有多个优点。

具体地讲，从构建的角度来看，其比传统致动器简单得多，因为仅需要一个线圈来执行激励、保持和释放操作。然后，功率和控制单元3以简单和有效的方式驱动单线圈电磁体2：允许在单线圈电磁体2中流通的电流值由第一控制单元31(微控制器)设定为要执行的操作(激励或保持)所需的磁动势和绕组的特性(例如，铜线横截面，线匝的数量)的函数；然后，由调节单线圈电磁体中流通的电流的第二控制单元32(PWM控制器)执行对电流的实际控制。以该方式，可以减小电磁体变体的数量，由此显著地减小制造和处理成本。

由第二控制单元32执行的电流控制也允许避免由于系统中流通的过流导致的故障的风险，或至少将其风险降低至最小。

根据本发明的用于低压和中压应用的单线圈致动器的另一个重要的优点是：可以通过执行上述线圈监视和反馈程序来检查单线圈电磁体2以及电连接的连续性和正常运行。这极为重要，因为这增加了单线圈致动器本身和其中安装了单线圈致动器的中压设备的可靠性。

并且，热控制和热关机程序避免了由于温度过高而导致的故障和破坏的风险，或至少将其风险最小化。

如此构思的用于低压和中压应用的单线圈致动器可以进行多种修改，所述多种修改都落在本发明概念的范围内。此外，此处描述的所有部件都可以由其它技术上等同的部件代替。实际上，根据需要和技术状态，装置的元件材料和尺寸可以是任何性质。

Claims (13)

1.一种用于低压和中压应用的单线圈致动器(1)，包括单线圈电磁体(2)和可操作地连接到所述单线圈电磁体(2)的功率和控制单元(3)，所述功率和控制单元(3)包括：第一控制单元(31)和第二控制单元(32)；电源输入端(33)，可操作地连接到输入滤波器和整流器(34)；电源(35)，可操作地连接到所述输入滤波器和整流器(34)并且连接到所述第一控制单元(31)和第二控制单元(32)；电源电路(37)，可操作地连接到所述单线圈电磁体(2)；所述第一控制单元(31)是包括模拟和数字输入端和输出端(311，312，313，314，315)的微控制器，所述第二控制单元(32)是经由所述电源电路(37)控制在所述单线圈电磁体(2)中流动的电流的PWM控制器，其特征在于，

所述第一控制单元通过第一输入端(311)可操作地连接到所述电源，所述第一控制单元测量输入电压(Vin)并检测所述输入电压(Vin)的激励和释放阈值，

当所述第一控制单元(31)检测到所述输入电压(Vin)增加到高于激励阈值(Vth_rise)时，单线圈电磁体(2)中流通的电流的值被设定为预定激励水平(Il)达预定激励时间(Tl)，然后单线圈电磁体(2)中流通的电流的值减小到并保持在预定保持水平(Ih)，直到检测到所述输入电压(Vin)减小至所述释放阈值(Vth_fall)以下，所述释放阈值(Vth_fall)低于所述激励阈值(Vth_rise)。

2.根据权利要求1所述的单线圈致动器(1)，其特征在于：所述第一控制单元(31)通过第一输出端(312)可操作地连接到所述第二控制单元(32)，以设定所述单线圈电磁体(2)中流动的电流(Iset)。

3.根据权利要求2所述的单线圈致动器(1)，其特征在于：所述第一控制单元(31)的第二输入端(313)可操作地连接到所述第二控制单元(32)的输出端(321)，以测量所述PWM控制器的输出占空比。

4.根据权利要求3所述的单线圈致动器(1)，其特征在于：使用低通滤波器(38)将所述PWM控制器的所述输出占空比变换为可由第一控制单元(31)测量的电压。

5.根据权利要求1所述的单线圈致动器(1)，其特征在于：所述电源电路(37)包括用以驱动所述单线圈电磁体(2)的MOSFET(371)、续流二极管(372)、和用于测量在所述单线圈电磁体(2)中流通的电流(Im)的检测电阻(373)。

6.根据权利要求5所述的单线圈致动器(1)，其特征在于：所述MOSFET(371)由所述第二控制单元(32)驱动。

7.根据权利要求6所述的单线圈致动器(1)，其特征在于：所述第二控制单元(32)包括比较器，以比较所述单线圈电磁体(2)中流通的电流的测量值(Im)与由所述第一控制单元(31)设定的电流值(Iset)。

8.根据权利要求1所述的单线圈致动器(1)，其特征在于：所述第一控制单元(31)包括用于测量所述单线圈电磁体(2)的温度的第三输入端(314)。

9.根据权利要求1所述的单线圈致动器(1)，其特征在于：所述功率和控制单元(3)可操作地连接到跳闸电路监视器(4)。

10.根据权利要求1所述的单线圈致动器(1)，其特征在于：当所述第一控制单元(31)检测到在所述释放阈值(Vth_fall)和预定最小值(Vmin)之间的输入电压值(Vin)时，允许低于所述预定激励水平(Il)的线圈监视电流(Ics)在所述单线圈电磁体中流通。

11.根据权利要求10所述的单线圈致动器(1)，其特征在于：当所述PWM控制器的输出占空比的值在预定范围之外时，所述线圈监视电流(Ics)中断。

12.根据权利要求10所述的单线圈致动器(1)，其特征在于：当允许所述线圈监视电流(Ics)在所述单线圈电磁体中流通时，激活跳闸电路监视器(4)，并且当所述线圈监视电流(Ics)中断时，所述跳闸电路监视器(4)产生警报信号(41)。

13.根据权利要求8所述的单线圈致动器(1)，其特征在于：当所述单线圈电磁体(2)的温度在预定值以上时，禁用所述第二控制单元(32)。

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