CN101783644A - 包括电磁促动器的控制装置的处理单元以及电磁促动器 - Google Patents

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Abstract

一种处理单元，包括用于作用在至少一个励磁线圈(3)上以移动电磁促动器(100)的可动衔铁(12)的控制装置(21)，所述控制装置(21)产生包括至少n个整流半周期的周期电压波帧。至少一个半周期包括至少第一和至少第二脉冲式激励指令，第一脉冲式激励指令大致开始于一半周期的零电压处，第二脉冲式激励指令大致终止于该半周期的零电压处。通过第一半周期的脉冲式激励指令产生的电力小于或者等于通过在该第一半周期之后的第二半周期的脉冲式激励指令产生的电力。

Description

包括电磁促动器的控制装置的处理单元以及电磁促动器
技术领域
本发明涉及一种处理单元，其包括设计来作用于至少一个励磁线圈以移动电磁促动器的可移动衔铁的控制装置，所述控制装置产生包括至少n个整流半周期(alternation)的周期电压波帧。
本发明还涉及包括一个这样的处理单元的电磁促动器。
背景技术
电磁促动器的功能是将电力转换为机械能。机械能用于使机械负载运动。机械负载的运动一般通过称作负载力的相反力实现。
电磁促动器的操作与其使用条件有关。某些外界条件特别地取决于待促动的设备的属性和/或数量。其它的外界条件取决于促动器使用的温度。最后，促动器的操作也取决于供电电压范围，该供电电压能够是DC或者AC电压。其它的内部条件特别地取决于促动器老化状态。
换句话说，支配电磁促动器的动力的控制规则必须将一定数量的参数考虑在内。
-控制规则考虑施加到促动器的励磁线圈的端子的控制电压。控制电压取决于电力系统的电压，该电压可以在相对于额定电压正负15％的范围内变化。
-控制规则还考虑在促动器励磁线圈中流动的电流。该电流取决于励磁线圈的阻抗，所述阻抗随着温度而变化。例如，对于在0和80℃之间变化的温度，电流可以在相对于额定电流大约30％的范围内变化。
-控制规则还考虑到阻力。该阻力是可变的并且取决于与制动器相关的模块的数量，当用户执行安装时进行该相关。模块以及促动器的磨损使得该阻力变化。
如果所有的这些参数都被考虑用于优化促动器的操作，那么促动器的控制规则必须能够产生保证在宽的操作范围内的机械负载的运动的力。在实践中，促动器例如必须能够在阻力最大并且供电电压最小的情形下移动机械负载。
而且，如图3所示，抵抗机械负载的运动的阻力在促动器的整个移动行程中不是恒定的。当控制促动器被设计来控制开关装置例如特别地断路器时，代表阻力的曲线一般分为三个阶段。
-第一阶段一般对应促动的开始。这表示在点1和点2之间。阻力相对微弱并大致恒定。该阶段对应于偏压促动器的可动部分的静止位置(restposition)的复位弹簧的变形。
-在点2的水平处，可以观察到曲线不连续区。控制促动器与开关装置的打开和/或闭合机构的转换部分形成接触。
-在点2和3之间的第二阶段。转换部分的弹簧被压缩。除了弹簧的压缩力之外，由于机械部分在运动中的摩擦所致的力必须被补偿。阻力的这种加强(hardening)伴随着促动力的逐渐增大。
-在点3的水平处，促动器和转换部分与断路器的高速闭合机构形成接触。这通过表征促动力的曲线的新的不连续示出。
-第三阶段在点3和4之间示出。机构的弹簧和断路器的高速闭合弹簧被压缩。该力相当快速地减小。该力在某些情形下能够在运动结束时变为驱动。
-点4对应促动器的闭合点。促动器的停止通过机械停止执行。因此行程的结束由待被促动的开关装置的机构的驱动促动力和阻力之间的差异所致的冲击进行表示。该冲击必须被最小化。
考虑图3所示的力的曲线，在促动力的施加中获得渐变性以避免促动器可动部分的加速度太大并从而减小在不连续的每个点以及在行程结束时形成接触的各机构的冲击，这将是期望的。
为了保证在所有使用条件下的操作，某些已知的解决方案通过采用最不利的操作条件来确定提供到促动器的能量：所述不利的操作条件为：待被促动的装置的最大数量，在最小电压和最高操作温度。换句话说，如果电磁促动器尺寸适合在不利的条件下闭合，当其在有利的条件下闭合时，所提供的能量则将相反地是不适当的并会导致故障例如锁定部分的弹开。这些弹开会对促动器的机械结构造成损坏。这样，在大量的情形中，现在的系统相对于待被促动的机构提供的阻力提供过高的控制能量。
其它已知的解决方案使用闭环调节装置，其中控制规则取决于在使用期间测量的操作参数。例如，已知可动衔铁的位置和/或速度使得励磁线圈中的电流值能够适应最小化运动部分相对于静止部分的冲击力和/或最小化在闭合阶段或者保持阶段过程中耗费的电流量。某些解决方案使用额外的传感器例如位置和/或速度传感器。其它解决方案如专利文献FR2745913、FR2835061和US5424637中所述的，描述了一种不使用额外的传感器来测量电磁体的可动衔铁的位置的方法。这些解决方案使用励磁线圈中的电压和电流的测量值来确定可动衔铁的位置。但是，闭环调节装置的使用以及在促动过程中测量的数据的实时管理涉及到笨重且昂贵的处理装置。实际上，通过在运动和/或速度和/或线圈中的电流的闭环调节促动几乎不经济并且麻烦。而且，尽管PWM类型的控制规则是精确的并且很好地适于调节，但是其确实产生电压涌动，频率越高，削减所有的电压涌动越难。此外，PWM类型的控制会产生与线路和/或变压器的感应线圈相关联的电压涌动。这些电压涌动一般通过电气元件，例如MOV类型的变阻器(金属氧化物变阻器)削减或者通过RLC滤波。这些元件是昂贵的并且有时具有太大的体积，与某些开关装置的体积不相适应。而且，EMC(电磁兼容性)防护部件体积非常大。
发明内容
因此，本发明的目的是克服现有技术的不足，以提出一种能够产生多价(polyvalent)控制规则的处理单元。
根据本发明的处理单元的控制装置产生周期电压波帧，其包括至少n个整流的半周期，至少一个半周期包括至少第一和至少第二脉冲式激励指令(order)。第一脉冲式激励指令大致开始于半周期的零电压处，第二脉冲式激励指令大致终止于所述半周期的零电压处。通过第一半周期的脉冲式激励指令产生的电力小于或者等于通过在所述第一半周期之后的第二半周期的脉冲式激励指令产生的电力。
根据本发明的实施例，至少一个整流半周期包括第一和第二脉冲式激励指令，第二脉冲式激励指令开始于大致第一脉冲式激励指令的结束处。
根据本发明的特定实施例，控制装置产生至少一个整流半周期，其包括至少第三脉冲式激励指令，所述至少第三脉冲式激励指令插入在所述第一和第二脉冲指令之间的时间内。
有利地，控制装置包括通过整流器电桥连接到主电源的电源开关，使得能够获得具有半波或者全波整流正弦波函数形状的供电电压。
控制装置优选地产生周期电压波帧，其包括至少五个整流半周期。
控制装置优选地产生周期电压波帧，其具有等于或者大于50ms的持续时间。
根据本发明的特定实施例，处理单元包括连接到内部存储装置的微控制器，所述微控制器通过供电电路供电。
处理单元优选地包括变阻器，该变阻器用以在线路端(line-side)连接到主电源。
处理单元优选地包括用于检测主电压零穿越的装置，同步信号被产生以调节脉冲式激励指令。
根据本发明的电磁促动器包括如上所述的处理单元。所述促动器包括可动衔铁和固定磁轭，所述可动衔铁可以在打开和闭合位置之间移动。至少一个励磁线圈连接到处理单元的控制装置，所述线圈用以使得可动衔铁运动。
附图说明
其它优点和特征将从下面的仅仅以限定性例子给出并且在附图中示出的本发明的特定实施例的描述变得更加清楚，其中：
图1示出根据本发明的优选实施例的在打开位置的电磁促动器的图形；
图2示出根据图1的处于闭合位置的电磁促动器的图形；
图3示出根据本发明的实施例的表征阻力的曲线；
图4示出根据本发明的优选实施例的用于促动电磁促动器的周期电压波帧；
图5示出根据本发明的特定实施例的用于促动电磁促动器的周期电压波帧；
图6示出根据本发明的另一特定实施例的用于促动的周期电压波帧；
图7A示出根据本发明的优选实施例的处理单元的控制装置的简化的接线图；
图7B示出根据图7A的处理单元的控制装置的详细接线图；
图8A示出根据部分的实施例的处于打开位置的电磁促动器的图形；
图8B示出根据图8A的处于闭合位置的电磁促动器的图形。
具体实施方式
根据示出在图1和2中的本发明的优选实施例，电磁促动器100包括可动衔铁12和固定磁轭11。可动衔铁12和固定磁轭11这样形成具有气隙的可变形磁路1。作为示例性实施例，可动衔铁12配合在固定轭11中。可动衔铁12安装为沿着固定轭11的纵轴Y轴向滑动。
所述可动衔铁12在打开位置K1和闭合位置K2之间运动。作为操作的一个例子，如图2所示的闭合位置K2通常对应可动衔铁12和固定轭11之间存在的气隙最小，打开位置对应最大气隙。
电磁促动器100还包括励磁线圈3，激励电流I可以在其中流动。励磁线圈3然后用来产生磁场，该磁场产生驱动力Fm，从而导致可动衔铁12的运动。励磁线圈3连接到处理单元2的控制装置21。电磁促动器包括处理单元2。如图1和2所示，电磁促动器100是单稳态的。可动衔铁的逆向打开运动然后通过未示出的复位系统例如复位弹簧产生。
如图7B所示的根据本发明的优选实施例的处理单元2包括用以在励磁线圈3的端子处产生电压脉冲的控制装置21。
如图4所示，控制装置21用以产生周期电压波帧，其包括至少n个整流半周期Si。作为一个例子，周期电压波帧具有等于或者大于50ms的持续时间。
根据优选实施例，每个半周期包括至少第一和至少第二脉冲式激励指令SA、SB。第一脉冲式激励指令SA开始于大致半周期Si的零电压处，第二脉冲式激励指令SB大致终止于所述半周期的零电压处。通过第一半周期Si的脉冲式激励指令产生的电力小于或者等于通过在所述第一半周期Si之后的第二半周期Si+1的脉冲式激励指令产生的电力。
通过控制装置21发送的最后一个整流半周期Sn优选地包括基本上开始于第一脉冲式激励指令SA结束时的第二脉冲式激励指令SB。
优选地，为了保证最大数量的情形下的有效促动，控制装置21产生包括至少五个连续的整流半周期的周期电压波帧。
根据如图6所示的替代实施例，控制装置21产生包括至少第三脉冲式激励指令SC的至少一个整流半周期。所述第三脉冲式激励指令SC设置在所述第一和第二脉冲指令SA，SB之间的时间。
例如，电磁促动器用于断路器、差动断路器以及附件(MN，MX，OC...)的遥控。
如图7A和7B所示，处理单元2特别地包括连接到内部存储装置22的微控制器23。处理单元包括微控制器23的电源电路24。线圈3的控制装置21包括通过整流器电桥D29连接到主电源的电源开关Z6。电源开关Z6优选地为晶体管。
整流器电桥D29优选地包括头尾相靠地配合的四个二极管并使得能够获得具有全波整流正弦波函数形状的供电电压。微控制器23通过控制接口25控制电源开关Z6的断开和闭合。
根据优选实施例的变型，整流器电桥使得能够获得具有半波整流正弦波函数形状的供电电压。
处理单元2包括用于检测主电压的零穿越的装置26。同步信号用于产生电压波并调节脉冲式激励指令以及保证相邻的开关装置单元的闭合动力。根据优选实施例，电压零穿越的检测通过微处理器的内部比较器执行。根据替代实施例，其可以通过外部比较器或者Zener二极管检测。
续流二极管(free-wheel diode)D15优选地并联到线圈3的端子。
根据替代实施例，位置传感器，其未示出，可以连接到微控制器23以在可动铁芯12的行程结束时停止促动命令。
为了防止电压涌动以及特别是电火花或者通过促动器的命令产生的电压涌动，处理单元2包括在线路端连接的变阻器RV。
根据替代实施例，用于产生如图4-6所示的控制规则的处理单元2可以包括在具有E形磁性结构的电磁促动器101中。如图8A和8B所示，这样的电磁促动器分别表示在打开位置和闭合位置。
根据另一替代实施例，用于产生如图4-6所示的控制规则的处理单元2可以包括在本申请人在与本申请同日提交的名称为“electromagnetic actuatorof a remote control unit and unit comprising same(遥控单元的电磁促动器以及包括该电磁促动器的遥控单元)”专利申请所述的电磁促动器中。

Claims (10)

1.一种处理单元(2)，包括用于作用在至少一个励磁线圈(3)上以移动电磁促动器(100，101)的可动衔铁(12)的控制装置(21)，所述控制装置(21)产生包括至少n个整流半周期(Si)的周期电压波帧，其特征在于，至少一个半周期(Si)包括至少第一和至少第二脉冲式激励指令(SA，SB)，
-所述第一脉冲式激励指令(SA)大致开始于半周期的零电压处，以及
-所述第二脉冲式激励指令(SB)大致终止于所述半周期的零电压处，
第一半周期(Si)的所述脉冲式激励指令(SA，SB)的电力小于或者等于在所述第一半周期(Si)之后的第二半周期(Si+1)的脉冲式激励指令的电力。
2.如权利要求1所述的处理单元，其特征在于，至少一个整流半周期包括第一和第二脉冲式激励指令(SA，SB)，所述第二脉冲式激励指令(SB)大致开始于所述第一脉冲式激励指令(SA)的结束处。
3.如权利要求1或2所述的处理单元，其特征在于，所述控制装置(21)产生包括至少第三脉冲式激励指令(SC)的至少一个整流半周期，所述至少第三脉冲式激励指令介于所述第一和第二脉冲式激励指令(SA，SB)之间的时间内。
4.如权利要求1-3中任一项所述的处理单元，其特征在于，所述控制装置(21)包括通过整流器电桥(D29)连接到主电源的电源开关(Z6)，使得能够获得具有半波或者全波整流正弦波函数形状的供电电压。
5.如前述权利要求中任一项所述的处理单元，其特征在于，所述控制装置(21)产生包括至少五个整流半周期(Si)的周期电压波帧。
6.如权利要求5所述的处理单元，其特征在于，所述控制装置(21)产生具有等于或者大于50ms持续时间的周期电压波帧。
7.如前述权利要求中任一项所述的处理单元，其特征在于，该处理单元包括连接到内部存储装置(22)的微控制器，所述微控制器(23)通过供电电路(24)供电。
8.如前述权利要求中任一项所述的处理单元，其特征在于，该处理单元包括变阻器(RV)，该变阻器(RV)设计为在线路端连接到所述主电源。
9.如前述权利要求中任一项所述的处理单元，其特征在于，该处理单元包括用于检测所述主电压的零穿越的装置(26)，同步信号被产生以调节所述脉冲式激励指令(SA，SB，SC)。
10.一种电磁促动器(100，101)，包括根据前述权利要求中任一项所述的处理单元(2)，其特征在于，该电磁促动器包括：
-可动衔铁(12)和固定磁轭(11)，所述可动衔铁(12)能够在打开位置(K1)和闭合位置(K2)之间移动，
-至少一个连接到所述处理单元(2)的所述控制装置(21)的励磁线圈(3)，所述励磁线圈用于使得所述可动衔铁(12)移动。
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