CN105589329B - 磨损均衡的电磁式电动机控制切换 - Google Patents

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Abstract

一种实施例描述了一种方法，该方法包括：在电力切换系统的第一切换操作中，基于输入的三相电力的电流过零点或预测的电流过零点来命令三个单独可控的单极单载流路径开关装置中的至少一个开关装置在开关装置中的至少一个其他开关装置之前断开或闭合，该电力切换系统包括向负载提供三相电力的三个单独可控的单极单载流路径开关装置和耦接至开关装置以控制载流路径的闭合和断开的控制电路；以及在后续的切换操作中，使三个开关装置中的哪个开关装置在开关装置中的另一开关装置之前闭合或断开进行交替。

Description

磨损均衡的电磁式电动机控制切换
技术领域
本公开内容总体上涉及开关装置，更具体地，涉及开关装置的操作和配置。
背景技术
在(仅列举几个)工业、商业、材料处理、工艺和制造设置中都普遍使用开关装置。如在本文中所使用的，“开关装置”通常意在描述任何的机电开关装置，诸如机械开关装置(例如，接触器、继电器、空气断路装置(air break device)以及可控气氛装置(controlledatmosphere device))或固态装置(例如，硅控整流器(SCR))。更具体地，开关装置通常断开以将电力从负载断开连接以及闭合以将电力连接至负载。例如，开关装置可以将三相电力与电动机连接或断开连接。当开关装置断开或闭合时，电力可能释放为电弧并且/或者引起提供至负载的电流振荡，这可能导致转矩振荡。为了有利于减小这样的效应的可能性和/或大小，可以在电力波形上的特定点处断开和/或闭合开关装置。这样仔细定时的开关有时被称为“波上点(point on wave)”开关或“POW”开关。然而，开关装置的断开和闭合通常是非瞬时的。例如，在给出闭合指示的时间与开关装置实际闭合(即，合上)的时间之间可能有微小时延。类似地，在给出关断指示的时间与开关装置实际关断(即，断开)的时间之间可能有微小延迟。
因此，为了利于电力波形上的特定点处的闭合或关断，确定该时延是有益的。更具体地，这可包括确定开关装置何时闭合或关断。
此外，由于开关装置可以闭合以向负载供给电力，所以在将电力完全连接至负载之前确定是否有任何故障(诸如单相接地短路或相间短路)会是有益的。例如，在完全连接电力之前测试故障可使得能够检测故障，同时使由故障状况引起的峰值电流和/或通泄能量最小。
此外，可利用开关装置来向电动机提供电力。例如，在一些应用中，开关装置可以包括在星形-三角形起动器或一些其他电动机控制装置中。如本文中所使用的，“星形-三角形起动器”意在描述通过将电动机中的绕组以星形配置、三角形配置或星形-三角形混合配置进行连接来控制电动机的操作(例如，速度、转矩，和/或功耗)的装置。实际上，除了控制电动机的起动之外，星形-三角形起动器还可以控制电动机的操作、甚至控制电动机的停止。
更具体地，可以通过将电动机中的绕组以星形配置连接来起动电动机以减小向绕组供给的电压，这也可以减小电动机产生的转矩。一旦起动，电动机中的绕组可以以三角形配置连接以增大向绕组提供的电压，这也可以增大电动机产生的转矩。然而，如上所述，断开和闭合开关装置以将电动机连接成星形配置以及从星形配置转变成三角形配置可能会释放电力(例如，电弧放电)以及/或者引起提供至电动机的电流振荡。在一些实施例中，减小电弧放电和/或电流振荡的可能性和大小可以增加开关装置的寿命。
因此，减小当闭合或关断开关装置时产生的电弧放电和/或电流振荡的可能性和大小会是有益的。更具体的，这可以包括在电力波形的特定点处断开和/或闭合星形-三角形起动器中的开关装置。
此外，星形-三角形起动器通常将电力供给至电动机以使电动机以星形或三角形配置运行。更具体地，当电动机以星形配置运行时，电动机可使用较少的电力并且产生第一(例如，较低)转矩水平，而当电动机以三角形配置运行时，电动机可以使用较多电力并且产生第二(例如，较高)转矩水平。换言之，以星形-三角形起动器运行电动机能够有两种操作模式(例如，小功耗低转矩和大功耗高转矩)。然而，可能存在期望使电动机以这两种操作模式之间的某种模式进行操作的实例。例如，会期望产生比以星形配置进行操作时产生的转矩更大的转矩但消耗比以三角形配置进行操作时消耗的电力更少的电力。因此，提高星形-三角形起动器的操作灵活性会是有益的。
在电动机自旋之后，可能因各种原因(诸如停电或雷击)而将电力从电动机断开连接。更具体地，开关装置(例如，接触器)可以断开以将电力断开连接。一旦将电力断开连接，旋转的动量会使电动机保持自旋，但是摩擦力(例如，空气阻力)会开始使电动机变慢。因而，电动机的频率逐渐减小。随后，可以通过重新闭合开关装置以将电力连接至电动机来重新起动电动机。在一些实施例中，诸如可靠性敏感实现方式中，可能期望尽快重新起动电动机，例如，在电动机还在自旋时。然而，由于电动机的频率改变，所以电动机相对于电源的相位关系也改变，由此产生了“跳变(beat)”条件。因此，当重新闭合开关装置以将电力重新连接至电动机时，电动机可能与电源不同相，这可能导致电流振荡和/或转矩振荡。在一些实施例中，使电流振荡和/或转矩振荡的可能性和大小最小会增长电动机和/或连接的负载的寿命。在一些实施例中，使电流的峰值最小可以减少保护电路的不当跳闸(例如，电路断路器或保险丝)，因而更有利地使得保护电路的大小能够适当。
因此，使当电动机重新起动时产生的电流振荡和/或转矩振荡的大小和可能性最小会是有益的。更具体地，这可以包括当电力的相位和电动机的相位基本同相时、当电力的相位领先于电动机的相位时或者在一些其他期望的条件下重新起动电动机。
如在下文中将更详细描述的那样，通过增加对供给至负载的电力的控制量，可以实现所描述的许多优点。例如，独立地控制三相电力的每个相会使得能够检测故障(例如，单相接地短路或相间短路)、同时使故障状况的持续时间、峰值电流和/或通泄能量最小。因此，使用下述开关装置会是有益的：该开关装置能够例如通过使得能够独立地控制电力的每个相来增加对供给至负载的电力的控制。
此外，由于可以以各种实现方式(诸如星形-三角形起动器、反向器、电动机驱动旁路等)来使用开关装置，所以使用下述开关装置会是有益的：该开关装置可以是例如针对各种实现方式而被模块化配置的，以使开关装置的覆盖区(footprint)和/或内部连接(例如，线缆)最小。更一般地，模块化布置(诸如可以单独或成组合并的单相开关模块)可实现高度灵活的模块化设计和制造平台，这使得能够针对许多不同的需求和市场来组装装置。
此外，虽然许多上述改进可一起使用，但是它们也可以因具有用于在开关和电力系统领域中进行改进的优异潜能而单独使用。例如，单相开关装置可用在POW(例如，定时)应用以及/或者常规(例如，非定时)应用中。此外，电动机控制装置(例如，星形-三角形起动器)也可以用在POW(例如，定时)应用以及/或者常规(例如，非定时)应用中。本公开内容涉及本领域中的各种不同的技术改进，其可以以各种组合来使用以提供本领域的发展。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种方法，其包括：在电力切换系统的第一切换操作中，基于输入的三相电力的电流过零点或预测的电流过零点来命令三个单独可控的单极单载流路径开关装置中的至少一个开关装置在所述开关装置中的至少一个其他开关装置之前断开或闭合，所述电力切换系统包括被配置成向负载提供三相电力的所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置和耦接至所述开关装置以控制所述载流路径的闭合和断开的控制电路；以及在后续的切换操作中，使所述三个开关装置中的哪个开关装置在所述开关装置中的另一开关装置之前闭合或断开进行交替。
根据本发明的第二方面，提供了一种电力切换系统，其包括：第一开关装置，被配置成将来自电源的三相电力中的相A与负载选择性地连接或断开连接；第二开关装置，被配置成将来自所述电源的所述三相电力中的相B与所述负载选择性地连接或断开连接；以及第三开关装置，被配置成将来自所述电源的所述三相电力中的相C与所述负载选择性地连接或断开连接；以及控制电路，被配置成通过以下方式来控制所述第一开关装置、所述第二开关装置和所述第三开关装置的操作：在第一切换操作期间指示所述第一开关装置在所述第二开关装置和所述第三开关装置之前断开或闭合；在第二切换操作期间指示所述第二开关装置在所述第一开关装置和所述第三开关装置之前断开或闭合；以及在第三切换操作期间指示所述第三开关装置在所述第一开关装置和所述第二开关装置之前断开或闭合。
根据本发明的第三方面，提供了一种星形-三角形切换系统，其包括：一个或多个星形开关装置，被配置成以星形配置将三相电动机中的绕组进行连接和断开连接；一个或多个三角形开关装置，被配置成以三角形配置将所述三相电动机中的绕组进行连接和断开连接；以及控制电路，被配置成控制所述一个或多个星形开关装置的操作，以使得所述一个或多个星形开关装置按不同的次序、以所述星形配置将所述绕组进行连接或断开连接；以及控制所述一个或多个三角形开关装置的操作，以使得所述一个或多个三角形开关装置按不同的次序、以所述三角形配置将所述绕组进行连接或断开连接。
根据本发明的第四方面，提供了一种开关装置系统，其包括：第一单极开关装置，被配置成将电力的第一相与三相电动机的第一绕组选择性地连接和断开连接；第二单极开关装置，被配置成将电力的第二相与所述三相电动机的第二绕组选择性地连接和断开连接；其中，所述第一单极开关装置和所述第二单极开关装置被配置成通过在第一时间处将电力的所述第一相和所述第二相连接至所述电动机来控制所述电动机的温度。
根据本发明的第五方面，提供了一种开关装置系统，其包括：开关装置，包括接触器垫片，其中，所述开关装置被配置成在所述接触器垫片被电连接时将电力连接至负载，而在所述接触器垫片被电断开连接时将电力从所述负载断开连接；以及控制电路，被配置成确定是否需要在将电力从所述负载断开连接时清洁所述接触器垫片；当不需要清洁时，基于电流过零点来指示所述开关装置在第一时间处将所述接触器垫片断开连接；以及当需要清洁时，指示所述开关装置在第二时间处将所述接触器垫片断开连接，以使得产生电弧以清洁所述接触器垫片。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，将会更好地理解本公开内容的这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是根据实施例的将电力提供给电负载的一组开关装置的图解表示；
图2是根据实施例的将电力提供给电动机的一组开关装置的类似图解表示；
图3是根据实施例的将电力提供给电动机的一组开关装置的类似图解表示；
图4A至图4D是根据实施例的将电力提供给具体应用(在此情况下是冷却器电动机)的一组开关装置的类似图解表示；
图5A至图5C是根据实施例的将电力提供给负载的三相POW开关的图解表示；
图6是根据实施例的将电力从负载断开连接的三相POW开关的图解表示；
图7是根据实施例的单极单载流电路径开关装置的透视图；
图8是根据实施例的图7的装置的分解透视图；
图9是根据实施例的单极单载流电路径开关装置的某些内部部件和组件的俯视透视图；
图10是根据实施例的装置的内部部件和组件的仰视透视图；
图11是根据实施例的装置的内部部件和组件的侧视图；
图12是根据实施例的处于断开位置的装置的内部部件和组件的局部剖面侧视图；
图13是根据实施例的装置的可移动接触结构的俯视透视图；
图14是根据实施例的处于断开位置的装置的内部部件和组件的局部剖面侧视图；
图15是根据实施例的装置结构的一个方面的详细视图；
图16是根据实施例的装置结构的另一方面的详细视图；
图17A是根据实施例的装置结构的可选衔铁布置的详细视图；
图17B是根据实施例的具有专用感测绕组或线圈的类似装置的图解表示；
图18是根据实施例的装置的分隔板(splitter plate)的透视图；
图19是根据实施例的装置的用以帮助引导和冷却气体的装置壳体的内部构造的透视图；
图20是根据实施例的表示在装置进行操作期间对气体的引导的局部剖视图；
图21是根据实施例的通过机械联锁来联结的一对单极开关装置的俯视图；
图22是根据实施例的以电互连件装配有多个单极开关装置的系统的透视图；
图23是根据实施例的可用在组件中的机械联锁的透视图；
图24是根据实施例的机械联锁的分解视图；
图25是根据实施例的供单极开关装置使用的操作线圈驱动器电路的电路图；
图26A和图26B是根据实施例的针对装置闭合的线圈电流波形的图解表示；
图27是示出了根据实施例的针对闭合装置的定时考虑的电压波形；
图28是根据实施例的用于对装置进行定时闭合的逻辑的框图；
图29是根据实施例的用于确定闭合装置的PWM波形；
图30是根据实施例的用于闭合装置的逻辑的框图；
图31是根据实施例的用于断开装置的线圈控制波形的图解表示；
图32是示出了根据实施例的用于断开装置的定时考虑的电压或电流波形；
图33是根据实施例的用于对装置进行定时断开的逻辑的框图；
图34A和图34B是根据实施例的用于确定断开装置的PWM波形；
图35是根据实施例的用于确定断开装置的逻辑的框图；
图36是根据实施例的操作器线圈驱动电路的可替代实施例的图解表示；
图37是根据实施例的在切换装置期间的电力情况的图解表示；
图38是根据实施例的线圈操作与温度的关系；
图39是根据实施例的用于温度检测(例如，相对)和修改的逻辑的框图；
图40是根据实施例的用于在操作期间监视温度的逻辑的类似框图；
图41A至图41D是根据实施例的用于基于对操作器线圈参数的监测来确定部件、负载和/或系统的健康状况的逻辑的框图；
图42A至图42D是根据实施例的用于对单级开关装置进行顺序切换的逻辑的框图；
图43A至图43H是示出了根据实施例的使用单极开关装置来进行相序星形-三角形切换以控制三相电动机的一组等效电路图；
图44A是根据实施例的用于相序星形-三角形切换的逻辑的框图；
图44B是根据实施例的在相序星形-三角形切换期间的电动机的绕组中的电流的曲线图；
图45A至图45C是根据实施例的针对相序星形-三角形切换的一组电流波形和电压波形；
图46是根据实施例的用于在电动机进行操作期间在星形配置与三角形配置之间进行切换的逻辑的框图；
图47A至图47H是示出了根据某些实施例的使用6个单极开关装置进行相序星形-三角形切换的一组等效电路图；
图48是根据实施例的用于星形-三角形电动机通过一系列起动来进行起动的逻辑的框图；
图49A至图49D是根据实施例的用于8极星形-三角形开关布置和9极星形-三角形开关布置的电路图；
图50A至图50F是示出了根据实施例的参照施加于三相电动机的已知的、预测的或估计的驱动转矩的相序星形-三角形切换的一组等效电路图；
图50G是根据实施例的在相序星形-三角形切换期间由电动机产生的转矩的曲线图；
图51A和图51B是根据实施例的用于转矩参考的相序星形-三角形切换和电力参考的相序星形-三角形切换的逻辑的一组框图；
图52是示出了根据实施例的基于操作器接收的启动命令进行POW切换的时序考虑的电压或电流波形；
图53是根据实施例的用于进行操作器启动的POW切换以诸如起动多相电动机的逻辑的框图；
图54是示出了根据实施例的在电动机减速(或加速)期间对信号进行定时以再施加驱动信号的电动机驱动信号和电动机反EMF信号的波形图；
图55是根据实施例的用于同步地对开关电路进行重新闭合以将驱动信号再施加至电动机的逻辑的框图；
图56A和图56B分别是根据实施例的用于使用单极开关装置来检测电动机状况的电路的图解表示和对应的时序图；
图57是根据实施例的用于检测电动机状况的逻辑的框图；
图58A和图58B分别是根据实施例的用于使用单极开关装置来检测电动机状况的替选电路的图解表示和对应的时序图；
图59是根据实施例的电动机状况检测的时序的图解表示；
图60是根据实施例的由彼此互相连接的多个单极开关装置构成的5极星形-三角形起动器的电路的图解表示；
图61是根据实施例的用以创建图60的电路的单极开关装置的组件的俯视图；
图62是根据实施例的由彼此互相连接的多个单极开关装置构成的6极星形-三角形起动器的电路的图解表示；
图63是根据实施例的用以创建图62的电路的单极开关装置的组件的俯视图；
图64是根据实施例的由彼此互相连接的多个单极开关装置构成的8极星形-三角形起动器的电路的图解表示；
图65是根据实施例的用以创建图64的电路的单极开关装置的组件的俯视图；
图66是根据实施例的由彼此互相连接的多个单极开关装置构成的9极星形-三角形起动器的电路的图解表示；
图67是根据实施例的用以创建图66的电路的单极开关装置的组件的俯视图；
图68是根据实施例的由彼此互相连接的多个单极开关装置构成的替选的9极星形-三角形启动器的电路的图解表示；
图69是根据实施例的用以创建图68的电路的单极开关装置的组件的俯视图；
图70是根据实施例的由彼此互相连接的多个单极开关装置构成的5极反向器的电路的图解表示；
图71是根据实施例的用以创建图70的电路的单极开关装置的组件的俯视图；
图72是根据实施例的由彼此互相连接的多个单极开关装置构成的电动机驱动旁路的电路的图解表示；
图73是根据实施例的用以创建图72的电路的单极开关装置的组装的俯视图；
图74是根据实施例的在各种控制方案中使用的三个单极开关装置配置的图解表示；
图75是根据实施例的在各种控制方案中使用的四个单极开关装置配置的图解表示；
图76是根据实施例的经由汇流条连接的两个单极开关装置的透视图；
图77是根据实施例的两个单极开关装置的透视图，其中不同高度的电力端子经由单个连接销相连接；
图78是根据实施例的两个单极开关装置的透视图，其中匹配的电力端子经由单个连接销相连接；
图79是根据实施例的三个单极开关装置的俯视图，其中不同高度的电力端子经由单个连接销相连接；
图80是根据实施例的经由“T”形汇流条连接的三个单极开关装置的俯视图；
图81是根据实施例的用于控制电动机的温度的逻辑的框图；以及
图82是根据实施例的用于清洁开关装置的接触器垫片(contactor pad)的逻辑的框图。
具体实施方式
下面将描述本公开内容的一个或多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简要描述，在说明书中可能未描述实际实现中的所有特征。应当理解的是，在任何这样的实际实现的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多实现特定的决策以实现开发者的特定目标，诸如符合系统相关或商业相关的约束，这些特定目标可能根据实现的不同而不同。此外，应该理解的是，这样的开发工作可能是复杂和耗时的，然而对于受益于该公开内容的普通技术人员来说，这样的开发工作将是设计、制作和制造的例行任务。
当介绍本公开内容的各种实施例的元素时，冠词“一个”(“a”和“an”)、“该”和“所述”意指有这些元素中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”意味着包括在内，并且意味着除了所列元素之外还可以存在其他元素。
如上所述，开关装置用在各种实现方式(诸如工业、商业、材料处理、制造、电力转换和/或电力分配)中，以将电力连接至负载或从负载断开连接。为了帮助说明，图1描绘了系统10，系统10包括电源12、负载14和开关设备(switchgear)16，开关设备16包括一个或多个开关装置。在所描述的实施例中，开关设备16可以选择性地将由电源12输出的三相电力与负载14连接或断开连接，负载14可以是电动机或任何其他受电装置。以此方式，电力从电源12流向负载14。例如，开关设备16中的开关装置可以闭合以将电力连接至负载14。另一方面，开关设备16中的开关装置可以断开以将电力从负载14断开连接。在一些实施例中，电源12可以是电网。
应该注意，本文中所描述的三相实现方式并非意在进行限制。更具体地，所公开的技术中的某些方面可以用于单相电路和/或用于除了给电动机供电以外的应用。此外，应该注意，在一些实施例中，能量可以从电源12流向负载14。在其他实施例中，能量可以从负载14流向电源12(例如，风力涡轮机或其他发电机)。更具体地，在一些实施例中，能量从负载14流向电源12可能会暂时发生，例如当检修电动机时。
在一些实施例中，开关设备16的操作(例如，开关装置的断开或闭合)可以由控制和监测电路18来控制。更具体地，控制和监测电路18可指示开关设备16将电力进行连接或断开连接。因此，控制和监测电路18可以包括一个或多个处理器19和存储器20。更具体地，如将在下文更详细描述的那样，存储器20可以是存储指令的有形的非暂态计算机可读介质，这些指令当由一个或多个处理器18执行时执行所描述的各种处理。应该注意，非暂态仅表示该介质是有形的而非信号。许多不同的算法和控制策略可存储在存储器中并由处理器19实现，而这些通常取决于负载的属性、负载的预期机械性能和电气性能、开关装置的特定实现方式、性能等。
此外，如所示，控制和监测电路18可以远离开关设备16。换言之，控制和监测电路18可以经由网络21可通信地耦接至开关设备16。在一些实施例中，网络21可以使用各种通信协议，仅列举几个，诸如DeviceNet、Profibus、Modbus、以太网。例如，为了在其之间传输信号，控制和监测电路18可以利用网络21来向开关设备16发送闭合指示和/或关断指示。网络21也可以将控制和监测电路18可通信地耦接至系统10的其他部分，诸如其他控制电路或人机接口(未单独绘出)。附加地或替选地，控制和监测电路18可包括在开关设备16中或者例如经由串行电缆直接耦接至开关设备。
此外，如所示，输入至开关设备16的电力以及从开关设备16输出的电力可以由传感器22监测。更具体地，传感器22可以监测(例如，测量)电力的特征(例如，电压或电流)。因此，传感器22可以包括电压传感器或电流传感器。替选地，这些传感器可以用基于其他测量来建模或计算(例如，虚拟传感器)。根据可利用的参数和应用，可以使用许多其他传感器和输入装置。此外，由传感器22测量的电力的特征可以被传送到控制和监测电路18并且用作算法计算和生成描绘该电力的波形(例如，电压波形或电流波形)的基础。更具体地，基于传感器22监测输入到开关设备16的电力而生成的波形可以用于限定对开关装置的控制，例如通过减小开关装置断开或闭合时的电弧放电。基于传感器22监测从开关设备16输出且提供至负载14的电力而生成的波形可以用于反馈环以例如监测负载14的状况。
如上所述，开关设备16可以将电力与各种类型的负载14(诸如包括在图2所示的电动机系统26中的电动机24)连接或断开连接。如所示，开关设备16可将电源12与电动机24连接和/或断开连接，诸如在启动和关机期间。此外，如所示，开关设备16通常包括下述电路或具有下述功能：保护电路28；以及在电源与电动机绕组之间闭合和关断连接的实际开关电路30。更具体地，保护电路28可以包括保险丝和/或电路断路器，并且开关电路30通常包括继电器、接触器和/或固态开关(例如，SCR、MOSFET、IGBT和/或GTO)，诸如在特定类型的组装设备(例如，电动机起动器)内。
更具体地，当检测到过载、短路状况或其他不希望的状况时，保护电路28中包括的开关装置可以将电源12从电动机24断开连接。这样的控制可以基于装置的非指示操作(例如，由于变热、检测到过量电流和/或内部故障)，或者控制和监测电路18可以指示开关电路30中包括的开关装置(例如，接触器或继电器)断开或闭合。例如，开关电路30可以包括一个接触器(例如，三相接触器)或多个接触器(例如，三个或更多个单极单载流路径开关装置)。
因此，为了起动电动机24，控制和监测电路18可以指示开关电路30中的一个或多个接触器各自闭合、同时闭合或以顺序方式闭合。另一方面，为了停止电动机24，控制和监测电路18可以指示开关电路30中的一个或多个接触器各自断开、同时断开或以顺序方式断开。当一个或多个接触器闭合时，来自电源12的电力连接至电动机24或者被调节，而当一个或多个接触器断开时，电力被从电动机24移除或者被调节。系统中的其他电路可以例如基于商品或产品的移动、压力、温度等来提供调整电动机(例如，电动机驱动器、自动化控制器等)的操作的受控波形。这样的控制可以基于改变电力波形的频率以产生电动机的受控速度。
在一些实施例中，控制和监测电路18可以至少部分地基于由传感器22测量的电力的特征(例如，电压、电流或频率)来确定何时断开或闭合一个或多个接触器。附加地或替选地，控制和监测电路18可以例如经由网络21从电动机系统26的其他部分接收用于断开或闭合开关电路30中的一个或多个接触器的指示。
除了使用开关设备16来将电力直接与电动机连接或断开连接之外，开关设备15还可以将电力与机器或处理系统34中包括的电动机控制器/驱动器32连接或断开连接。更具体地，系统34包括接收输入38并且产生输出40的机器或处理36。
为了利于产生输出40，机器或处理36可以包括各种致动器(例如，电动机24)和传感器22。如所示，一个电动机24由电动机控制器/驱动器32控制。更具体地，电动机控制器/驱动器32可以控制电动机24的速率(例如，线性的和/或旋转的)、转矩和/或位置。因此，如本文中所使用的，电动机控制器/驱动器32可以包括电动机起动器(例如，星形-三角形起动器)、软起动器、电动机驱动器(例如，频率转换器)、电动机控制器或其他任何所需的电动机供电装置。此外，由于开关设备16可以选择性地将电力与电动机控制器/驱动器32连接或者断开连接，所以开关设备16可以将电力与电动机24间接地连接或断开连接。
如本文中所使用的，“开关设备/控制电路”42用于统指开关设备16和电动机控制器/驱动器32。如所示，开关设备/控制电路42可通信地耦接至控制器44(例如，自动化控制器)。更具体地，控制器44可以是本地(或远程)控制开关设备/控制电路42的操作的可编程逻辑控制器(PLC)。例如，控制器44可以就电动机24的期望速率来指示电动机控制器/驱动器32。此外，控制器44可以指示开关设备16连接或断开连接电力。因此，控制器44可以包括一个或多个处理器45和存储器46。更具体地，存储器46可以是其上存储有指令的有形的非暂态计算机可读介质。如在下文中将更详细地描述的那样，计算机可读指令可以被配置成当由一个或多个处理器45执行时执行所描述的各种处理。在一些实施例中，控制器44也可以包括在开关设备/控制电路42中。
此外，控制器44可以经由网络21耦接至机器或处理系统34的其他部分。例如，如所示，控制器44经由网络21耦接至远程的控制和监测电路18。更具体地，自动化控制器44可以从远程的控制和监测电路18接收关于对开关设备/控制电路42的控制的指令。此外，控制器44可以向远程的控制和监测电路18发送测量结果和诊断信息，诸如电动机24的状态。换言之，远程的控制和监测电路18可以使得用户能够从远程位置控制和监测机器或处理36。
此外，传感器22可以包括在机器或处理系统34之中。更具体地，如所示，传感器22可以监测供给至开关设备16的电力、供给至电动机控制器/驱动器32的电力以及供给至电动机24的电力。此外，如所示，可以包括传感器22以监测机器或处理36。例如，在制造过程中，可以包括传感器22以测量速度、转矩、流率、压力、项目和部件的存在、或者与受控处理或机器相关的任何其他参数。
如上所述，传感器22可以在反馈环中将与开关设备/控制电路42、电动机24和/或机器或处理36有关的采集信息反馈到控制和监测电路18。更具体地，传感器22可以将采集信息提供给自动化控制器44，并且自动化控制器44可以将该信息中继至远程的控制和监测电路18。附加地或替选地，传感器22可以例如经由网络21将采集信息直接提供给远程的控制和监测电路18。
为了利于机器或处理36的操作，电动机24转换电力以提供机械功率。为了有助于说明，电动机24可以向各种装置提供机械功率，如在图4A至图4D所示的非限制性示例中所描述的那样。例如，如图4A所示，电动机24可以向风扇47提供机械功率。更具体地，由电动机24产生的机械功率可以使风扇47的叶片旋转以例如使工厂通风。因此，开关设备/控制电路42可以通过控制从电源12向电动机24提供的电力来控制风扇47的操作(例如，速率)。例如，开关设备/控制电路42可以减小供给至电动机24的电力从而减小风扇47的速率。另一方面，开关设备/控制电路42可以增大供给至电动机24的电力从而增大风扇47的速率。如所示，传感器22也可以包括在风扇47中以提供与风扇47的操作有关的反馈信息(诸如温度、速率、转矩或位置)，该反馈信息可以用于调节风扇47的操作。换言之，可以在反馈环中调节风扇47的操作。
此外，如图4B所示，电动机24可以向输送带48提供机械功率。更具体地，由电动机24产生的机械功率可以使输送带旋转以例如沿着输送带48移动封装件。因此，开关设备/控制电路42可以通过控制从电源12向电动机24提供的电力来控制输送带48的操作(例如，加速度、速率和/或位置)。例如，开关设备/控制电路42可以通过将电力供给至电动机24来启动输送带48。另一方面，开关设备/控制电路42可以通过中止供给至电动机24的电力来将输送带48停止在特定位置处。如所示，传感器22也可以包括在输送带48中以提供与输送带48的操作有关的反馈信息(诸如温度、速率、转矩或位置)，该反馈信息可以用于调节输送带48的操作。换言之，可以在反馈环中调节输送带48的操作。
此外，如图4C所示，电动机24可以向泵50提供机械功率。更具体地，由电动机24产生的机械功率可以驱动泵50以例如使流体(例如，气体或液体)移动。因此，开关设备/控制电路42可以通过控制从电源12向电动机24提供的电力来控制泵50的操作(例如，泵送率)。例如，开关设备/控制电路42可以增大供给至电动机24的电力从而增大泵50的泵送率。另一方面，开关设备/控制电路42可以减小供给至电动机24的电力从而减小泵50的泵送率。如所示，传感器22也可以包括在泵50中以提供与泵50的操作有关的反馈信息(诸如温度或泵送率)，该反馈信息可以用于调节泵50的操作。换言之，可以在反馈环中调节泵50的操作。
如上所述，电动机24可以用于促进机器或处理36。为了帮助说明，图4D描绘了诸如在空调或冰箱系统中可以用在冷却循环流体的处理中的冷却器系统52，其包括冷却器54和流体处理器56。更具体地，流体处理器56将流体(例如，空气或水)循环到冷却器54中以通过与冷却器54中的制冷剂进行热交换来冷却流体。为了利于冷却流体，冷却器54包括蒸发器58、冷凝器60、膨胀装置62和压缩机64，压缩机64将制冷剂(例如，冷却剂)泵送到冷却器54中。因此，如所示，压缩机64包括电动机24和泵50。
在操作中，压缩机64将制冷剂气体进行压缩，其在冷凝器60中被冷凝。在冷凝器60中，来自制冷剂气体的热与冷却水或空气进行交换，冷却水或空气接受冷凝阶段变化所需的热量。在膨胀装置62中，限制液体制冷剂的流动以减小制冷剂的压力。在一些实施例中，制冷剂中的一部分可以蒸发并从周围的液体制冷剂吸收热量以进一步降低温度。在蒸发器58中，使制冷剂蒸发的潜在热量吸收来自从流体处理器56循环的流体的热量，从而冷却该流体(通常是空气)。
更具体地，一个或多个电动机24可以驱动压缩机64(和/或泵50)。例如，当冷却器54是离心式冷却器时，电动机24可以旋转叶轮(impeller)以在冷却器54中压缩(例如，加速)制冷剂气体。因此，开关设备/控制电路42可以通过控制从电源12向电动机24提供的电力来控制压缩机64的操作。例如，为了增大制冷剂气体的流速(例如，压缩)，开关设备/控制电路42可以增大提供至电动机24的电力从而增大压缩机的转矩和/或速率。在一些实施例中，开关设备/控制电路42可以通过重新配置电动机24的绕组(例如从星形配置变为三角形配置)来调节所提供的电力。
由电动机驱动的机械负载可以具有各种物理属性和动态属性，其可以影响对电动机供电的策略。例如，冷却器应用会导致大的惯性负载(例如，缓慢地且以高转矩要求起动，而一旦移除电源就快速停止)。其他惯性负载可能难以停止并且可能在停止时强加特定的转矩要求。风扇通常具有已知的转矩/速度或者功率曲线，如某些类型的泵那样。假设可通过本文所描述的技术来驱动任何所需的负载，则可以实施相应策略来控制电力的施加。
应该注意，虽然特别强调通过本技术来向电动机供电，但是许多其他负载也可以从所提出的改进中受益。这些可以包括但不限于变压器、电容器组、线性致动器或其他致动器、各种电力转换器等。
基本的波上点(POW)开关
如以上示例中所讨论的那样，开关设备/控制电路42可以通过控制供给至负载14(例如，电动机24)的电力来控制负载14的操作。例如，开关设备/控制电路42中的开关装置(例如，接触器)可以闭合以向负载14提供电力以及断开以将电力从负载14断开连接。然而，如上所述，断开(例如，关断)和合上(例如，闭合)开关装置会使电力以电弧放电的形式释放，引起提供至负载14的电流振荡，以及/或者使得负载14产生转矩振荡。
因此，本公开内容的一些实施例提供了用于根据电力波形上的特定点来关断开关装置的技术。例如，为了减小电弧放电的大小和/或可能性，开关装置可以基于电流过零点而断开。如本文中所使用的，“电流过零点”意在描述由开关装置传导的电流何时为零。因此，通过精确地在电流过零点处关断，产生电弧的可能性最小，这是因为所传导的电流为零。
然而，闭合开关装置通常是非瞬时的，并且所传导的电力迅速变化。因此，可能难以精确地在电流过零点上关断开关装置。换言之，即使当以电流过零点为目标时，开关装置也可能实际上略微在电流过零点之前或略微在电流过零点之后关断。然而，虽然略微在电流过零点之后电流会相对低，但是其大小会增加并因而引起大小增加的电弧放电。另一方面，略微在电流过零点之前的电流的大小较低并且减小。因而，所产生的任何电弧放电的大小会较小并且当达到电流过零点时消失。换言之，可以至少部分地基于电流过零点来断开开关装置，以使得开关装置在电流过零点处或略微在电流过零点之前关断。
类似地，本公开内容的一些实施例提供了用于根据电力波形上的特定点来关断开关装置的技术。例如，为了减小浪涌电流(in-rush current)和/或电流振荡的大小，开关装置可以基于预测的电流过零点而闭合。如本文中所使用，“预测的电流过零点”意在描述假设开关装置闭合且处于稳定状态而电流过零点会发生的情况。换言之，预测的电流过零点可以是自后续的稳定状态电流过零点的多个180°。因此，通过精确地在预测的电流过零点处闭合，所传导的电流可以较缓和地增大，由此减小了浪涌电流和/或电流振荡的大小。
然而，当开关装置断开时，提供至开关装置的电流近似为零，同时电压近似等于源电压。由于在稳定状态下电压和电流通常具有稳定相差，所以供给至开关装置的电压可以用于确定预测的电流过零点。例如，当电压领先电流90°时，电流过零点发生在线间电压过零点之后的90°，其也可以是相电压过零点之后的60°。如本文中所使用的，“线间电压过零点”意在描述供给至开关装置的电压相对于另一相何时为零，而“相电压过零点”意在描述供给至开关装置的电压相对于地何时为零。因此，预测的电流过零点可以发生在线间电压过零点之后的90°，此时电压处于最大值。
由于断开开关装置通常是非瞬时的并且所传导的电力迅速变化，所以可能难以精确地在预测的电流过零点上闭合开关装置。换言之，即使当以预测的电流过零点为目标时，开关装置也可能实际上稍微在电流过零点略微之前或略微在电流过零点之后闭合。然而，由于电流的大小在预测的电流过零点处较缓和地改变，所以可以减小浪涌电流和/或电流振荡的大小。换言之，可以至少部分地基于预测的电流过零点来闭合开关装置，以使得开关装置略微在预测的电流过零点之前、略微在预测的电流过零点之后或者在预测的电流过零点处闭合。
虽然一些实施例描述了基于电流过零点来关断开关装置或者基于预测的电流过零点来闭合开关装置，但是应该理解，可以使用所公开的技术来将开关装置控制为在波形上的任何期望点处断开和闭合。为了利于在波形上的期望点处断开和/或闭合，可以独立地控制一个或多个开关装置以选择性地将电力的相与负载14连接和断开连接。在一些实施例中，一个或多个开关装置可以是多极多载流路径开关装置，其以单独的极控制每个相的连接。更具体地，多极多载流路径开关装置可以通过在单个操作器(例如，电磁操作器)的影响下移动公共组件来控制电力的每个相。因此，在一些实施例中，为了利于独立控制，每个极可以以偏移的方式连接至公共组件，由此使得能够移动公共组件以不同地影响一个或多个极。
在其他实施例中，一个或多个开关装置可以包括多个单极开关装置。如本文中所使用的，“单极开关装置”与多极多载流路径开关装置的差别在于，通过在单独的操作器的影响下移动单独的组件来控制每个相。在一些实施例中，单极开关装置可以是单极多载流路径开关装置(例如，通过移动单个操作器来控制多个载流路径)或单极单载流路径开关装置，其在下文将更详细地描述。
如上所述，控制一个或多个开关装置的闭合(例如，合上)会利于减小可能损害负载14、电源12和/或其他连接部件的浪涌电流和/或电流振荡的大小。因此，可以控制一个或多个开关装置以使得其至少部分地基于预测的电流过零点(例如，略微在预测的电流过零点之前至略微在预测的电流过零点之后的范围内)而闭合。
为了有助于说明，在图5A至图5C中描述了以星形配置闭合开关装置以将三相电力提供给电动机24。更具体地，图5A示出了由电源12提供的三相电力的电压(例如，第一相电压曲线66、第二相电压曲线68和第三相电压曲线70)。图5B示出了向电动机24的每个端子提供的线与中性点间电压(line to neutral voltage)(例如，第一端子电压曲线72、第二端子电压曲线74和第三端子电压曲线76)。图5C示出了向电动机24的每个绕组提供的线电流(例如，第一绕组电流曲线77、第二绕组电流曲线78和第三绕组电流曲线80)。如上所述，图5A至图5C中所绘制的波形可以由控制和监测电路18基于传感器22收集的测量结果来确定。
如所示，在t0与t1之间，电力未连接至电动机24。换言之，每个开关装置均断开。在t1处，一个或多个开关装置闭合以在电动机24的两个相(例如，第一相和第二相)中开始从电源12的电流流动。为了使浪涌电流和/或电流振荡最小，基于预测的电流过零点来连接第一相和第二相。因此，如图5A所示，当第一相的线间电压(例如，第一相电压曲线66)和第二相的线间电压(例如，第二相电压曲线68)处于最大值(例如，在线间电压过零点之后的90度)时连接第一相和第二相。如图5B所示，一旦被连接，第一相的电力流入电动机24的第一绕组，第二相的电力流入电动机24的第二绕组，而电动机24的第三绕组处于内部中性点(例如，与线中性点不同)。此外，如图5C所示，由于在预测的电流过零点处两个相被连接，因此向第一绕组提供的电流(例如，第一绕组电流曲线77)和向第二绕组提供的电流(例如，第二绕组电流曲线78)起始于零并逐渐增大，从而减小了向第一绕组和第二绕组提供的浪涌电流和/或电流振荡的大小。
在连接了第一相和第二相之后，在t2处，一个或多个开关装置闭合以将电力的第三相连接至电动机24。类似于第一相和第二相，为了使浪涌电流和/或电流振荡最小，也基于预测的电流过零点来连接第三相。因此，如图5A所示，当第一相(例如，第一相电压曲线66)与第三相(例如，第三相电压曲线70)之间的线间电压和第二相(例如，第二相电压曲线68)与第三相(例如，第三相电压曲线70)之间的线间电压之和处于最大值(例如，预测的电流过零点)时连接第三相，这在第一相与第二相之间的线间电压处于最小值且第三相处于最大值时发生。
应该注意的是，虽然第三相被描绘成在第一次这样的后续事件时连接，但是附加地或替选地，第三相也可以在任何后续事件时连接，例如在t3处。一旦被连接，第三相的电力流入电动机24的第三绕组，如图5B所示。此外，由于基于预测的电流过零点而连接第三相，因此第三绕组电流80从零逐渐变化，如图5C所示，由此减小了提供至第三绕组的浪涌电流和/或电流振荡的大小。
此外，如上所述，控制一个或多个开关装置的关断(例如，断开)可以利于减小电弧放电的可能性和/或大小，电弧会损害和/或耗损开关装置中的接触器垫片和/或其他连接部件。因此，可以控制一个或多个开关装置以使得其至少部分地基于电流过零点而断开(例如，在略微在该开关装置的电流过零点之前至在电流过零点处的范围内)。
为了有助于说明，在图6中描述了将开关装置断开以将三相电力从电动机24断开连接。更具体地，图6描绘了向电动机24的绕组提供的电流(例如，第一绕组电流曲线77、第二绕组电流曲线78和第三绕组电流曲线80)。如上所述，图6所示的波形可以由控制和监测电路18基于传感器22收集的测量结果来确定。
如所示，在t4之前，电力连接至电动机24。换言之，每个开关装置均闭合。在t5处，一个或多个开关装置断开以将电力的第三相与电动机24断开连接。如上所述，为了使电弧放电最小，至少部分地基于电力的第三相中的电流过零点来将第三相断开连接。因此，如所示，当向第三绕组提供的电流(例如，第三绕组电流曲线80)近似为零时，将第三相断开连接。一旦断开连接，向第二绕组提供的电流和向第一绕组提供的电流进行调整以移除第三相。
在第三相被断开连接之后，在t6处将一个或多个开关装置断开以将电力的其他两个相(例如，第一相和第二相)与电动机24断开连接。与将第三相断开连接类似，为了使电弧放电最小，至少部分地基于电力的第一相中的电流过零点来将第一相断开连接，并且至少部分地基于电力的第二相中的电流过零点来将第二相断开连接。因此，如所示，当向第二绕组提供的电流(例如，第二绕组电流曲线78)和向第一绕组提供的电流(例如，第一绕组电流曲线77)近似为零时，将第一相和第二相断开连接。一旦断开连接，向电动机24提供的电力开始减少。应该注意，虽然第一相和第二相被描绘成在第一后续电流过零点处断开连接，但是附加地或替选地，第一相和第二相也可以在任何后续电流过零点处断开连接。
单极单载流路径开关装置
图7至图24描绘了用于提供单极单载流路径开关装置的当前考虑的布置。该装置可以用在单相应用中，或者在多相(例如，三相)电路中非常有用。可以诸如针对如下所述的具体目而单独使用该装置或者为了形成模块化装置和组件而使用该装置。此外，该装置可以被设计用在POW电力应用中，并且在这样的应用中，可以实现协同作用，其至少部分地由于减少的操作器要求、减小的电弧放电以及在提供装置施加电流期间改善的电磁效应而实现非常紧凑和有效的设计。
应该注意，单极开关装置的各种实施例可以用在单载流路径应用中，并且也可以用在多载流路径应用中。也就是说，在本公共内容之中提及单极开关装置可以是指单极单载流路径开关装置、单极多载流路径开关装置或一些其组合。在一些实施例中，单极多载流路径开关装置可以使得能够将某些装置多目的化为模块化三相电路。例如，单极多载流路径可以是指具有已互相连接以提供电力的单个相的载流路径的开关装置。此外，在一些实施例中，三个单极单载流路径开关装置均可以被配置成提供电力(例如，三相)的单独相并且可以以各种有益配置而被独立地和/或同时地控制，如以下详细描述的那样。应该理解，可以对单极开关装置进行模块化配置以提供任何数量的电力相。
图7示出了被设计用在本公开内容中描述的某些应用中的开关装置82。在所示出的实施例中，开关装置是形式为接触器84的单极单载流路径装置。接触器84通常包括操作器部86和接触部88。如以下更完整地描述的那样，操作器部包括使得接触器能够通电或断电以将通过该装置的单载流路径接通和中断。接触部88包括静止的部件和下述其他部件，所述其他部件通过对操作器部通电或断电而移动以将该单载流路径接通和中断。在所示出的实施例中，上导电部具有上部壳体90，而操作器部具有下部壳体92。这些壳体彼此适配以形成单个一体化壳体。在所示出的实施例中，凸缘94从下部壳体延伸，从而使得该装置能够在实施中被安装。当然可以想出其他的安装布置。线路侧导体96从装置延伸以使得能够连接至电源。对应的负载侧导体98从相对侧延伸以使得该装置能够耦接至负载。在其他实施例中，导体可以以其他方式从壳体90和92伸出。在所示出的该实施例中，该装置还包括上部或上侧辅助致动器100和侧部安装辅助致动器102。
图8以分解图示出了接触器的某些机械部件、电气部件和操作部件。如所示，操作器部安装在下部壳体92中，并且包括一般由附图标记104标示的操作器，该操作器自身是包括磁芯的一组部件，该磁芯包括磁轭106和中间磁芯部108。如以下更完整地描述的那样，复位弹簧110被安装穿过中间磁芯部108，以将可移动接触件朝向断开位置偏置。围绕磁芯部108且在磁轭106的朝上部分之间安装操作器线圈112。如本领域的技术人员所理解的那样，线圈112通常安装在线轴上，并且由多匝磁线(诸如铜)形成。操作器包括引脚(lead)114，在该实施例中引脚114向上延伸以在部件装配在装置中时使得能够连接至操作器。如本领域的技术人员也能理解的那样，包括磁轭和中间磁芯部的磁芯连同线圈112一起形成电磁体，其在通电时吸引下文描述的可移动接触件组件的一个或多个部分，以使装置在断开位置与闭合位置之间变换。
类似地，可移动接触件组件116包括在操作器之上被组装为子组件的数个部件。在图8所示的实施例中，可移动组件包括衔铁118，衔铁118是由金属或可以利用通过操作器的通电而产生的磁通来吸引的材料制成的。衔铁附接至载体120，载体120通常是由非导电材料(诸如塑料或玻璃纤维)或者任何其他适合的电绝缘材料制成的。导体组件122安装在载体中并且在将衔铁向下拉的电磁磁通的影响下通过载体的移动而上下移动，而当磁通被去除时，整个组件可以在上述的复位弹簧110的影响下向上移动。
该装置还包括固态接触件组件124。在所示出的实施例中，该接触件组件由多个硬件部件形成，包括适配在下部壳体92与上部壳体90之间的安装组件126。该安装组件通常由非导电材料制成，并且包括允许安装线路侧导体96和负载侧导体98的各种特征。可以注意到，在图8所示的结构与图7的结构相比旋转了180度。每个导体包括接触垫片，当装置闭合或“闭合”时，该接触垫片与可移动接触件组件的对应接触垫片接触。此外，翻折部(turnback)128设置在每个导体上，并且可以用螺丝固定或用铆钉固定在适当位置处，或者通过任何其他适当的方法来附接，并且翻折部128至少部分地横跨对应导体的接触垫片。在最终的组件中，这些翻折部邻近于在任一侧的一系列分隔板或分隔器103装配。如以下更完整描述的那样，当装置闭合或关断时，出现的任何电弧放电可以被驱动到翻折部和分隔板，其中，电弧被分成若干个较小的电弧，并且电离的粒子和热气被冷却且被朝向外部装置传递。
图9和图10以俯视透视图和仰视透视图示出了组装的同一装置，其中，某些部件被移除，包括某些壳体部，以示出内部部件及其内部连接。具体地，如图9所示，操作器的线圈112位于下部位置，然而在实践中可以以各种定向来安装该装置。支撑线路侧导体和负载侧导体的安装组件126装配在操作器线圈上方，并且可移动接触件组件116位于安装组件上方以使得该组件内的可移动接触件的接触垫片被放置成面向导体上的对应接触垫片。在下文中提供了关于这些组件的各种部件的更多详情。从图9和图10可以看出，导板(guide)132可以形成在诸如安装组件126中以容纳操作器线圈的端子。在所示出的实施例中，这些端子向上延伸并且形成为使得插入连接部(plug-in connection)能够与操作器线圈闭合。如本领域的技术人员所理解的那样，在操作中，借助于端子来提供给操作器线圈通电的信号，并且典型的信号可以包括交流电(AC)或直流电(DC)信号，诸如24伏DC信号或48伏DC信号。虽然可以为操作器线圈提供AC信号，但是在一些应用(诸如POW通电策略)中，闭合时间和断开时间的可预测性可以利用DC信号来提供。在一些替选实施例中，可以使得操作器线圈的端子或引脚从装置中的其他位置伸出，诸如穿过下部壳体。这样的应用可以提供接触器或任何类似开关装置的插入安装，以使得通过仅仅将该装置安装在适当基座上来使接触件对于至少操作器闭合。在一些布置中，其也适合于使得通过这样的基座来为线路和负载二者供电。
图11和图12提供了当前考虑的单极单载流路径开关装置的附加详情。如图11所示，操作器线圈112设置在磁轭106内，以使得当通电时磁轭引导由操作器线圈产生的磁通。在该布置中，复位弹簧110围绕定位销134设置，定位销134固定于可移动接触件组件并随着可移动接触件组件移动，在该布置中特定地安装于载体。图11示出了上述部件在装置的断电或断开位置。在该位置，可移动接触件组件与导体的固定接触件相隔使得通过该装置的载流路径中断的距离。因此，该装置是电气上断开的。
图12以下述视图示出了相同部件，在该视图中，这些部件中的某些部件以剖面示出以说明其内部关系和操作。此处，该装置同样以电气断开位置示出，该电气断开位置将在闭合之前或者在关断之后操作器被断电时出现。如图12所示，在断电位置，整个可移动接触件组件被复位弹簧110保持在升高位置。此处，该装置同样是可以不同地定向，因此术语“升高”或“降低”或类似术语仅意在假定在附图中示出的定向。在该位置，衔铁118与操作器组件分离，具体地与磁轭106和磁芯108分离。载体120支撑与线路侧导体96和负载侧导体98间隔开的导体组件122。该组件被示为包括导板132(参见图9和图10)，通过导板132的边缘可以安排端子114。
在当前考虑的实施例中，为了减小尺寸和重量而提供优异的工作结构，在可移动组件中设置导板和定位销134。可以通过任何适当的手段(诸如载体中的夹片或扣环)将该销固定在适当位置。该销凹进载体内以提供期望的垂直度并与可移动结构的其他部件对准。另一方面，操作器组件包括一个或多个磁芯绕组136，磁芯绕组136是由一系列电绝缘导线(诸如铜导线)制成的。该导线通常缠绕在线轴138上，线轴138放置在磁轭106与磁芯部108之间。磁芯组件通常形成为单独部件，其在制造期间与操作器的其他元件组装。在所示出的实施例中，磁芯部108被形成为圆柱结构，该圆柱结构具有用于容纳定位销134的中心孔(central aperture)140。该磁芯部的延伸部142诸如通过铆固(staking)、套丝(threading)或任何适当手段而固定于磁轭106的下部开口。孔140包括至少两个部分，包括中心对准部144，其尺寸被设计成与定位销相对紧靠地适配但使得其中的定位销能够容易移动，从而提供期望的对准功能。上凹部146在磁芯部内以肩部的形状略微放大以容纳复位弹簧110并且形成复位弹簧在操作期间靠在其上的底座。在所描绘的实施例中，将复位弹簧110设置在方便的位置，但在其他实施例中也可以设置在其他位置。
载体120的上部包括窗口150，在窗口150中放置导体组件122。窗口的轮廓适合于在适当位置容纳并保持可移动导体偏动弹簧152，随着导体组件122与线路侧导体196和负载侧导体198接触，可移动导体偏动弹簧152使得导体组件122能够有一些移动。如本领域的技术人员理解的那样，在所示出的实施例中，导体组件122包括翻折元件、导电桥或钳形部(spanner)以及固定到该钳形部的接触垫片。钳形部通常由诸如铜的高导电材料制成，而接触垫片由虽然导电但仍然能够抵抗可能发生的电弧放电的导电材料(诸如银、氧化银/氧化锡、银镍合金等)制成。
线路侧导体96和负载侧导体98可以以任何适当方式(诸如通过螺丝或铆钉154)安装到安装组件126。如在图8的分解视图中可以更好看出的那样，线路侧导体和负载侧导体的接触垫片被放置成当装置闭合或“闭合”时与可移动导体组件的接触垫片接触。翻折部128适配在该接触垫片附近并且其自身通过紧固件来固定。在需要时，可以将一个或多个绝缘元件(诸如合成膜)放置在翻折部128与导体96和98之间。在所示出的实施例中，突起部156形成在翻折部上以促进在装置进行操作期间形成的任何电弧的迁移。
在图13中以更多细节示出了可移动接触件组件的元件。此处，当需要时，导体组件122同样可以包括上部辅助致动器100。也可以包括侧部辅助致动器102。该组件自身形成在导体158周围，导体158形成该结构的桥部。接触垫片160固定于该导体的下侧并且当该装置闭合或通电时与线路侧导体和下侧导体的固定接触垫片接触。载体组件122自身还包括基座164，衔铁118通过适当的紧固件166固定于该基座164。此外，定位销134从载体的基部164向下延伸。
此外，翻折部162形成在邻近于导电延伸体(conductive span)158放置的金属元件中。在所示出的实施例中，翻折部162还与导体偏动弹簧152接触以将可移动导体保持在窗口150的下部位置。在一些实施例中，翻折部162可以通过为电流提供交替路径来在断开期间形成磁场。更具体地，在电弧放电事件期间，电弧可以附着到翻折部162的面163上并且停留在此处。以此方式，可以减小由接触器垫片160经受的电弧放电，由此使得接触垫片160周围的电离大气能够恢复其介电强度。
图14示出了处于通电位置或切换位置的上述结构。该位置对应于通常是通过施加DC电压来对操作器线圈通电。只要线圈通电，则线圈产生磁通，该磁通由操作器组件的磁轭106和磁芯108引导，从而将衔铁拉向操作器组件，将整个可移动接触件组件向下切换。因此，在图14中，衔铁118被示为在与磁轭106相邻的向下位置。定位销在可移动组件运动时引导可移动组件，并且进一步突出到磁芯部108中的孔的对准部144中。所示出的复位弹簧被压缩。此处，隐藏在固定接触组件中的翻折部的紧固件后面的可移动接触件接触以接通通过该装置的载流路径。在当前考虑的实施例中，单载流路径被限定为通过该装置，该装置包括线路侧导体96、负载侧导体98、这些导体的接触垫片、可移动接触件组件的可移动接触垫片，以及可移动接触件组件的导电钳形部。该装置因此是适于通过AC电力(或DC电力)的单相的电流的单极装置。
在图15和图16中示出了该组件的某些当前考虑的细节。如图15所示，为了促进磁轭106的饱和，磁轭的上端在在切换时其与衔铁118接触或靠近衔铁118的区域中可以具有减小的尺寸170。这样的饱和可以利于在减小线圈中的所需保持电流的同时在切换位置处保持可移动组件。此外，如图16所示，可以在操作器组件的中间磁芯部108的上表面与衔铁118之间形成间隙172。这样的间隙可以由空气间隔、绝缘元件或通过任何类似手段来形成。这样的缝隙可以有助于避免衔铁118、磁轭106和/或磁芯108中的剩余磁通，否则，在操作器线圈断电时该剩余磁通会妨碍或减缓可移动组件的分离或移动。
图17A示出了当前考虑的替选配置，其中，可以通过经过操作器线圈自身的电流对信号的影响来感测电流。也就是说，在装置被切换或通电以使装置闭合或闭合之前，在线路侧导体与下侧导体之间应该没有电流流过。然而，一旦装置被切换，电流可以流过本文中所描述的单载流路径。当确有电流流动时，可以设想用于感测电流的各种机构，包括单独的电流传感器，其可以在开关装置的内部或外部。然而，当前考虑的是，该结构中的某些元件可以自身允许感测通过单载流路径的主电流。这样的感测可以例如通过对下文描述的通过操作器线圈的电流进行监测来执行。至操作器线圈的电流可能会被通过单载流路径的电流以可检测方式干扰。这样的干扰可以由线圈控制电路来评估并且用作通过该装置的主电流的指示。在图17A的图示中，衔铁118可以提供对由通过该装置的主电流与通过操作器线圈的电流产生的磁通的充分耦合以实现这样的感测。在需要增强的感测的情况下，可以将衔铁118设计成诸如通过包括翼168或易于增强穿过衔铁的磁通的吸收的其他结构来促进该感测，该穿过衔铁的磁通可以是由通过主载流路径的电流产生的。
在图17B中示出了用于感测电流的替选或补充布置。在此布置中，一个或多个感测绕组174设置在操作器线圈112上。该感测绕组可以由相似或不同的材料制成，并且通常不需要多于一圈或几圈。当需要时，可以在以上讨论的线轴中设置辅助凹槽(secondarygroove)以容纳感测绕组。当设置了感测绕组时，感测绕组具有如图17B所示的引脚，该引脚耦接至用于检测通过该装置的主载流路径的电流的测量电路。
在图中示出的接触器还包括下述整体结构，该整体结构用于传递等离子体和热气并且利于在需要时将等离子体和热气迁移到装置之外。如图18和图19所示，这些整体结构可以包括分隔板130和上部壳体。如图18所示，例如，用于分隔板130的当前设计包括桩脊(stake ridge)，其使得板能够被压入上部壳体内的适当位置并且保持在适当位置，从而防止其缩回。在每个板中形成下凹部178。并且形成上凹部180，上凹部180使得在装置的断开和闭合期间等离子体和热气能够通过。如在图19中最佳示出的那样，上部壳体可以包括对准功能部件(诸如凹部180)，在使用这样的设计的情况下，凹部180也可使得操作器线圈引脚通过。在上部壳体内，可以形成板导轨(plate guide)182，在其间容纳分隔板并使分隔板保持为彼此间隔开。在上部壳体的内表面的端部上，可以形成被凹槽186彼此分隔的气体导板(gas guide)184。这些可以放置成与分隔板中形成的凹部180大体对准。因此，气体可以围绕可移动接触件组件而被向上引导、通过上凹部180、然后通过凹槽186被向下引导，上凹槽180与上部壳体的上部内壁形成通道。气体可以从在线路侧导体和负载侧导体与上部壳体之间形成的间隙排出。在所示出的实施例中，上部壳体(以及(当需要时)下部壳体、甚至固定接触组件的安装组件)可以双向对称，使得其定向是任意的，从而极大地利于装置的组装。这样的创新也可利于容易制造且减小不同零件的数量。
图20示出了单载流路径开关装置的剖视图。更具体地，当开关装置闭合(例如，磁芯绕组130通电)时，如图20中的箭头188所示，在闭合时建立通过该装置的单载流路径，从而使得能够进行单极操作。如下文中更详细地讨论的那样，可以将该装置制得比之前的相同类型的装置在体型上小得多。由于部件的机械设计，这尤其如此。该设计围绕单极策略而非三相策略等。通过使用大大减小装置内的电弧放电和磨损的POW开关策略，可以尤其减小该装置的尺寸和质量。如在本论述的其他地方也注意到的那样，在该开关装置用于三相应用并且采用了POW开关策略的情况下，对断开/闭合开关装置的顺序和/或定时进行调整可以大大延长装置的寿命、同时能够减小尺寸和质量。在尺寸和质量方面的减小也有效地减小了各个部件的成本，特别是减少了所使用的较昂贵的导电材料。此外，较小的装置也可以减小用于容置这些部件的电气外壳，因而减小了工厂或设施内的被这些部件占用的空间量。
另一方面，当开关装置从闭合位置断开时，会产生等离子体和/或气体。因此，如箭头190所指示，等离子体和/或气体被向上传递通过通道和分隔板130，然后向下通过上部壳体90中的凹槽。实际上，这样的传递利于通过分隔板130的作用而中断通过该装置的电流，并且在等离子体和气体被传递通过该装置并排出时也显著冷却了等离子体和气体。
上述的单极单载流路径装置可以用在多种应用和方式中。例如，该装置可以如在本公开内容中的其他地方所描述的那样利用受控DC电流来通电。这样的控制利于仔细定时开关，诸如用于POW开关策略。该装置可以用于单相开关或多相开关，诸如在三相系统中。以上所讨论的装置的减小的尺寸、重量和质量大大利于以各种方式组装装置，从而促进系统设计的模块化方法。如以下所讨论的那样，这样的模块化使得能够构造迄今已用三相接触器、继电器和其他开关、复杂布线、复杂组件等设计的各种复杂装置。
用于使得该装置能够互相连接的一种机制可以基于使用在配对装置之间放置的机械联锁。图21至图24示出了使用这种联锁。在图21的图示中，两个开关装置82和82’被示为与组件192并排放置。该组件包括联锁194，联锁194放置在如上所述的装置的侧部辅助致动器之间，固定于侧部辅助致动器并且与侧部辅助致动器对接。如图22所示，可以想出这种类型的各种组件。在图22的更复杂的组件中，数个开关装置并排放置，其中联锁194放置在某些不应同时切换或通电的装置之间。由于该装置的特定构造和设计，已发现在遵循电气规程的要求的同时仍然可允许减小的距离。在需要时，为了定义期望的电路，可以在线路侧导体和/或负载侧导体之间安排一个或多个连接跨接片(conjunctive jumper)196，如在图22中大体示出的那样。当需要时，可以在这样的跨接片之间放置绝缘材料以使得能够限定包括由模块化装置限定的载流路径的复杂电路。各对装置198可以并排放置，而其他对在其间设置联锁194的情况下并排放置。
同样地，联锁可以使得能够对模块化开关装置进行机械控制，特别是防止两个开关装置同时闭合。如本领域的技术人员理解的那样，许多电力电路需要避免这种相互通电，而联锁使得简单的机构能够保持载流路径在通过一个装置闭合时通过另一个装置断开。图23和图24示出了当前所考虑的用于联锁的设计。联锁可以包括壳体200，壳体200关于垂直中心线大体对称，从而使得能够部分地减小，因为只需要壳体的前部和后部。壳体可以被构造成容易安装在相邻模块开关装置之间。壳体可以在两侧包括窗开口202，通过窗开口202能够接入致动元件204。元件204与上述开关装置(例如，参见图7)的侧部辅助致动器以机械的方式对接。如在图24中最佳地示出的那样，用于联锁的当前设计包括在壳体内以枢转的方式安装的自相似杠杆臂206和208。枢轴销(pivot pin)210和212使得杠杆臂206和208能够枢转移动。这些可以与壳体形成为一体，或者可以由插入在壳体中的单独部件(例如，滚销)来限定。每个杠杆臂承载相应的致动元件204，其中一个元件在该结构的一侧延伸而另一元件在相对侧延伸。每个杠杆臂包括整体凸轮装置214和216，其彼此接触以防止当一个杠杆臂已处于向下位置时另一个杠杆臂也移动到向下位置。因此，当连接至并排安装的两个模块化开关装置的侧部辅助致动器时，一次仅允许一个致动元件204到下部位置。当被通电且切换的开关装置被断电且切换到断开位置时，整体凸轮之间的干扰消除，于是，一个装置或另一装置可以自由切换至其通电或闭合位置。可以从所示的联锁布置中得到许多优点，尤其是结构的简化、零件数量的减少、用易模制的材料(通常是非导电塑料)制造零件的能力以及制造的容易性。在所示出的实施例中，如以上所述，壳体可以包括两个自相似壳体罩(housing shelf)，而杠杆臂206和208也可以相同，致动元件204也可以相同。
单极开关装置的操作
参照图25，以在该图中由附图标记218标示的上述开关装置(例如，单极单载流路径开关装置)为基础，开关装置218的操作(例如，断开和闭合)是基于对提供给操作线圈220的电力进行控制。为了控制单极单载流路径开关装置218以及具有操作线圈的任何其他开关装置的操作，可以使用操作线圈驱动电路222。为了简化论述，将相对于上述的单极单载流路径开关装置218来描述操作线圈驱动电路222。如所示，操作线圈驱动电路222包括处理器224、存储器226、SR触发器228、比较器230、开关232以及续流二极管(flyback diode)234。更具体地，如在下文更详细地描述的那样，存储器226可以是存储计算机可读指令的有形非暂态介质，这些指令当被执行时实现所描述的各种处理。因此，在一些实施例中，处理器224和存储器226可以包括在自动化控制器44或者控制和监测电路18中。应该注意，虽然SR触发器228和比较器230被描述为分离的硬件部件，但是在其他实施例中，它们可以被处理器224实现为计算机可读指令。
如在下文将更详细描述的那样，操作线圈驱动电路222通过控制操作线圈中的电流(即，Icoil)来控制开关装置218的操作。在所描绘的实施例中，可以通过测量在节点236处的电压(即，Vnode)来确定操作线圈电流。更具体地，由于操作线圈电流流过接地的电阻器238，因此操作线圈电流等于在节点236处的电压除以电阻器238的电阻。因此，电阻器238通常被称为电流测量电阻器。换言之，节点236处的电压可以用作操作线圈电流的代表。
此外，如所示，该节点电压被施加至比较器230的非反相端子，并且与施加至比较器230的反相端子的参考电压(即，Vref)进行比较。更具体地，处理器224输出被电阻器240和电容器242平滑成DC参考电压的电压，其对应于当目标(例如，期望)操作线圈电流流过电阻器238时期望在节点236处测量的电压。在另一实施例中，处理器224可以包括数模转换器(DAC)，由此去除电阻器240和电容器242。以此方式，参考电压可以等于目标操作线圈电流乘以电阻器238的电阻。
因此，当该节点电压高于参考电压时，比较器230的输出高，从而表示操作线圈电流高于目标。另一方面，当该节点电压低于参考电压时，比较器230的输出低，从而表示操作线圈电流低于目标。换言之，处理器可以用参考电压来指示目标操作线圈电流。
由比较器230执行的比较的结果施加至SR触发器228的R端子。在SR触发器228的S端子处，处理器施加触发信号244以设定SR触发器228，该触发信号244周期性地变高。基于电压比较的结果以及触发信号244，SR触发器228将脉宽调制(PWM)信号输出至开关232和处理器224。更具体地，当来自比较器的输入高时PWM信号低，从而指示开关断开并将电力与操作线圈220断开连接。另一方面，当来自比较器230的输入低且触发信号244高时，PWM信号变高，从而指示开关232接通并将电力从电源246提供至操作线圈220。
以此方式，触发信号244被输入至SR触发器228以利于通过周期性地尝试接通开关232来生成PWM信号。在一些实施例中，触发信号244的频率可以至少部分地基于期望分辨率、线圈220中的电流衰退的速度以及/或者电源246的线频率(line frequency)。例如，当线频率是60Hz时，触发信号可以具有为21.6kHz(即，1/(60*360))的频率以实现为1的电角度分辨率。
基于PWM信号，开关232选择性地将电源246向DC母线248提供的电力与操作线圈220连接或断开连接。更具体地，电源246可以基于外部AC电源或DC电源(诸如电源12)来向DC母线248输出DC电力。在一些实施例中，电源246可以储存一些电力以将操作线圈控制电路222与电源12去耦。例如，去耦可以减小电源的变化(诸如停电(brown out))对操作线圈控制电路222的影响。
如上所述，当PWM信号高时，开关232将操作线圈220连接至DC母线248以将电力提供至操作线圈220。另一方面，当PWM信号低时，开关232将操作线圈220与DC母线248断开连接以从操作线圈220去除电力。以此方式，PWM信号可以控制连接电力的持续时间，并因而控制操作线圈电压。
更具体地，操作线圈电压在开关232接通时可以等于DC母线电压，而在开关232断开时等于续流二极管234两端的电压。因此，平均操作线圈电压(即，操作线圈220两端的电压降)可以近似等于DC母线电压乘以PWM信号占空比。由于操作线圈电流与操作线圈电压直接相关，所以也可以通过调节PWM信号的占空比来控制操作线圈电流。例如，当增大占空比时，操作线圈电流增大，而当减小占空比时，操作线圈电流减小。
相应地，除了提供参考电压和触发信号244以外，可以相对地独立于处理器224将操作线圈电流调节为目标线圈电流。例如，当操作线圈电流低于目标时，SR触发器228输出PWM信号以指示开关232将电力从电电源34连接至操作线圈220。另一方面，当比较器230确定操作线圈电流高于目标时，SR触发器228输出PWM信号以指示开关232将电源246与操作线圈220断开连接。
以此方式，可以相对地独立于处理器224来调节操作线圈电流。然而，处理器224仍可以从SR触发器228接收PWM信号。如下文更详细描述的那样，PWM信号可以使得处理器224能够确定开关装置218何时闭合或关断、以及其他诊断信息。
如上所述，操作线圈驱动电路222可以通过控制操作线圈电流来控制开关装置218的操作。例如，为了将开关装置218闭合(例如，合上)，操作线圈驱动电路222可以将电力提供给操作线圈220，其使操作线圈220磁化。然后，经磁化的操作线圈220吸引衔铁118(在图8中描绘了该衔铁的一个实施例)以闭合开关装置218。为了帮助说明，在图26A和图26B中示出了用于闭合开关装置218的操作线圈电流250的曲线，该曲线在图26A的视图中被放大。
如图26A所示，在t0和t1之间，电流未被提供至操作线圈220。在t1处，不足以使开关装置218闭合的少量电流被提供至操作线圈220。更具体地，如在下文详细描述的那样，该少量电流可以用于测量操作线圈220的温度(例如，实际温度或相对温度)。因此，t1与t2之间的操作线圈电流250通常在本文中被称为“测量电流”。此外，测量电流还可以用于对操作线圈220中的磁通进行“预充电”，由此减小增大到使开关装置闭合的电流量。以此方式，可以进一步提高使开关装置218闭合的可重复性和/或定时。
在t2至t3之间，操作线圈电流250从测量电流斜升至足以使开关装置218闭合的水平。因此，t3与t4之间的操作线圈电流250在本文中通常被称为“引入电流(pull-incurrent)”。应该注意，如在所描绘的实施例中，电流被部分地斜升至在测量电流与引入电流之间的中间电流水平。在一些实施例中，操作线圈驱动电路222可以使电流斜升至中间电流水平，以进一步在操作线圈220中对磁通量预充电，从而减小电流增加量以使开关装置闭合。附加地或替选地，可以将电流从测量电流直接斜升至引入电流。
在将操作线圈电流250斜升至引入电流时，衔铁118可以开始移动。随着衔铁118移动，操作线圈220的阻抗增加。更具体地，衔铁118可以起到位置可变电感器和线性电动机二者的作用，并因而在运动中时影响操作线圈220的电感(例如，阻抗)。因此，为了将操作线圈电流250保持于目标水平(例如，引入电流)，操作线圈驱动电路222可以增加提供至操作线圈220的电力量。如上所述，这可以包括增大PWM信号的占空比。
通过设计，在t4处，操作线圈220的阻抗已经增加至下述点：在该点处，电源246提供的电力不再能够将操作线圈电流250保持于引入电流。如所示，操作线圈电流250急剧地下降。在开关装置218闭合之后，操作线圈220的阻抗返回至正常，从而使得操作线圈电流250能够返回至引入电流。更具体地，当衔铁118停止移动(例如，当它碰到磁轭106)时，由衔铁的移动而产生的电感可能会消散。因此，如所示，操作线圈电流250在t5处返回至引入电流，这产生了t4与t5之间的“V”形。
事实上，如将在下面更详细描述的，操作线圈电流250的曲线(例如，t4与t5之间的持续时间)可以用作衔铁118的位置的指示并因而用作开关装置218何时闭合的指示。更具体地，在t4与t5之间的某个时间(例如，在tM)，开关装置218闭合。在图26B中将更加清楚地描绘了操作线圈电流250在t4与t5之间的下降。
如所示，在t5之后，操作线圈电流250减小至足以使开关装置218保持闭合的电流水平。因而，在t5之后的操作线圈电流250在本文中通常被称为“保持电流(hold-incurrent)”。在一些实施例中，操作线圈电流250可以减小至保持电流，以降低开关装置218的电力消耗和/或操作线圈220的欧姆加热。
基于以上描述，开关装置218的闭合时间通常不是瞬时的。如在本文中所使用的，“闭合时间”通常意在描述施加引入电流时与开关装置218时之间的时间。例如，在t3处施加引入电流时与开关装置218实际上在tM处闭合时之间存在微小延迟。因此，操作线圈驱动电路222可以考虑开关装置218的非瞬时性质，以改进开关装置218的控制，例如以利于使开关装置218在电力波形上的特定点处闭合。为了帮助说明，图27描绘了从电源12提供至开关装置218的电力的一个相的源电压波形252。
如上所述，为了减小浪涌电流和/或电流振荡的幅度，可以基于预测的电流过零点(例如，源波形252上的在略微在预测的电流过零点之前到略微在预测的电流过零点之后的范围内的点)来闭合开关装置218。如上所述，预测的电流过零点可以在线间电压最大值(在线间电压过零点之后的90°或在线与中性点间电压过零点之后的60°)处出现。例如，在所描绘的实施例中，期望开关装置218在点254(例如，线间电压最大值)处闭合。如上所述，可以通过将操作线圈电流250设置为引入电流以吸引衔铁118来使开关装置218闭合。因此，由于开关装置218通常不会瞬时闭合，所以可以在更早的时间将操作线圈电流250设置为引入电流以使开关装置218在与点254对应的tM处闭合。
更具体地，可以至少部分地基于开关装置218的预期闭合时间来控制操作线圈电流250。基于上述示例，在t3处将操作线圈电流250设置为引入电流，以使开关装置218在tM处闭合。换言之，开关装置的预期闭合时间256是t3与tM之间的差。然后，可以至少部分地基于开关装置218的预期闭合时间256(例如t3与tM之间的差)来控制操作线圈电流250。
在图28中示出了可用于使开关装置218在电力波形上的特定点处闭合的处理258的一个实施例。处理258可以经由存储在有形非暂态存储器226、20、46和/或其它存储器中的计算机可读指令来实现并且可以经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。通常，处理258包括：确定使开关装置218闭合的期望时间(处理框260)；确定开关装置218的预期闭合时间(处理框262)；施加电流分布以使开关装置218在期望时间闭合(处理框264)。另外，处理258可选地包括确定开关装置218何时闭合(处理框266)。
在一些实施例中，处理器224可以确定使开关装置218闭合的期望时间(处理框260)。如上所述，可以使开关装置218在电力波形上的特定点处闭合，以使浪涌电流、电流瞬变、电流振荡和/或转矩振荡最小。因此，在一些实施例中，处理器224可以确定与预测的电流过零点和/或线间电压最大值对应的特定点。然后，处理器224可以确定与特定点相关联的时间。
如可以理解的，处理258中的每个步骤通常不是瞬时的。因此，可以选择使开关装置218闭合的期望时间以提供足以完成处理258的时间。换言之，期望的闭合时间可能不会总是与第一后续预测的电流过零点对应，另外，在一些实施例中，用户可以指示操作线圈驱动电路222以使开关装置218尽可能地与电力波形无关地闭合，并且处理器224可以相应地确定期望的闭合时间。
然后，处理器224可以确定开关装置218的预期闭合时间256(处理框262)。开关装置218的闭合时间可能会受诸如温度的各种操作参数的影响。如在下面将更详细描述的那样，可以经由操作线圈220或其它方法(诸如温度传感器)来确定温度(例如，实际温度或相对温度)。因此，处理器224可以例如经由传感器22或测量电流来确定各种操作参数，以确定开关装置218的预期闭合时间256。
更具体地，在一些实施例中，处理器224可以将操作参数输入到闭合时间查找表(LUT)中，该闭合时间LUT将所确定的操作参数与预期闭合时间256关联。例如，当将特定温度输入至闭合时间LUT时，LUT可以输出预期闭合时间256。尽管所描述的实施例描述了查找表的使用，但在其它实施例中，相同的结果可以通过由处理器224使用各种算法或者算法与LUT的组合所执行的计算来实现。另外，由于可以在正常操作期间确定闭合时间LUT，所以处理器224可以针对可能影响预期闭合时间256的任何其它已知操作参数(诸如滤波延迟、装置磨损和/或其它环境状况)而进行调整。
在一些实施例中，闭合时间LUT可以是基于诸如过去闭合时间的经验性测试。例如，在一些实施例中，制造商可以对特定开关装置218或相当的开关装置218进行测试以确定开关装置218在各种操作参数下的闭合时间并且相应地对闭合时间LUT进行填充。另外，当开关装置218投入使用时，开关装置218可以运行测试序列以确定开关装置218在各组操作参数下何时闭合，以对闭合时间LUT进行校准。
由于本文所描述的技术基于先前的操作，所以要强调的是，上述的单极单载流路径开关装置218被设计成具有高度可重复的并因而高度可预测的操作。因而，闭合时间LUT使得处理器224能够基于开关装置218先前在类似参数下的闭合时间、以合理的确定性来确定开关装置218的闭合时间。然而，应当理解的是，该技术也可以用于其它类型的开关装置，诸如多极开关装置。
基于预期闭合时间，可以向开关装置218施加电流分布以使开关装置218在所确定的时间处闭合(处理框264)。例如，电流分布可以将操作线圈电流250设置为引入电流。更具体地，处理器224可以确定何时向开关装置218施加电流分布以使其在期望时间处闭合。在一些实施例中，处理器224可以通过从期望的闭合时间减去预期闭合时间256来确定施加电流分布的具体时间。例如，从tM(期望的闭合时间)减去预期闭合时间256得到t3(例如，施加电流分布的具体时间)。因此，如上所述，在t3处向开关装置218施加电流分布。
另外，如上所述，操作线圈电流250可以在斜升至引入电流之前的中间水平。因此，在这样的实施例中，处理器224可以确定何时斜升至中间水平。例如，处理器224可以通过从t3减去斜升时段(t2与t3之间的时间)来确定斜升至中间水平的具体时间。
在施加电流分布之后，处理器224可以可选地确定开关装置218何时闭合(处理框266)。更具体地，确定开关装置218何时闭合可以使得能够确定开关装置218的实际闭合时间。
如上所述，闭合时间LUT可以至少部分地基于过去的闭合操作。然而，开关装置218的闭合时间可以随时间逐渐地改变。例如，随着开关装置218老化，阻止开关装置218闭合的弹簧110所提供的力可能会逐渐地减小，这可能会逐渐地减小开关装置218的闭合时间。另外，随着接触材料磨损，开关装置218移动而闭合的距离可能会增加，并且/或者碎片(debris)可能积累从而引起摩擦，这可能会逐渐增加开关装置218的闭合时间。
因此，确定实际闭合时间会利于对闭合时间LUT进行校准和/或更新，以更好地考虑开关装置的操作改变。事实上，如将在下面更详细描述的，保持对实际闭合时间的跟踪可以有利于对开关装置218执行诊断。例如，如果开关装置218的闭合时间不同于预期闭合时间，则处理器224可以识别开关装置218可能在某种程度上被阻塞或者遭受一些其它异常状况。
在一些实施例中，处理器224可以利用PWM信号来确定开关装置218何时闭合。更具体地，如上所述，由SR触发器228输出的PWM信号被反馈至处理器224。基于PWM信号的占空比，处理器224可以确定操作线圈电流下降的持续时间(例如，t4与t5之间的持续时间)，其可能与开关装置218何时闭合直接相关。
为了帮助说明，图29示出了由处理器224输出的触发信号244和输入至处理器224的PWM信号268。如上所述，触发信号244被输入至SR触发器228以通过周期性地尝试设置SR触发器228来利于生成PWM信号268(例如，使PWM信号268为高)。更具体地，当比较器230确定操作线圈电流250低于目标并且触发信号244为高时，SR触发器228输出指示开关接通的高PWM信号268，从而将来自电源246的电力供给至操作线圈220。另一方面，当比较器230确定操作线圈250不低于目标时，SR触发器228输出指示开关断开的低PWM信号268，从而将电力与操作线圈229断开连接。换言之，PWM信号268可以使开关232接通并且开关232可以保持接通直到比较器230确定操作线圈电流250大于参考电压(即Vref)为止。此时，比较器230可以重置SR触发器282，从而使开关232断开。
如上所述，在t3与t4之间，操作线圈电流250被设置为引入电流。因此，在所描绘的实施例中，基于t3与t4之间所描绘的PWM信号268向操作线圈220供给电力可以将操作线圈电流250保持为引入电流。另外，如上所述，在衔铁118开始移动之后，操作线圈220的阻抗开始增加。因此，如所描绘的，PWM信号268的占空比在t3与和t4之间逐渐增加，以对阻抗的增加进行补偿并且将操作线圈电流250保持为引入电流。
换言之，SR触发器228可以继续增大PWM信号268的占空比，以试图将操作线圈电流250保持为引入电流。因此，上述在t4与t5之间操作线圈电流250的急剧下降表示甚至由电源246输出的最大电力也不足将操作线圈电流250保持为引入电流。因此，如所描绘的，PWM信号268的占空比在t4与t5之间增大至100％。因此，处理器224可以通过确定PWM信号268处于100％占空比的持续时间来确定t4与t5之间的持续时间。
因此，如将在下面更详细描述的，可以确定电源246、引入电流的幅度和/或线圈设计，以产生在t4与t5之间的急剧操作线圈电流下降。应该注意，100％占空比仅意在说明。在其它实施例中，处理器224可以通过确定PWM信号268的占空比处于另一预定水平的持续时间来确定闭合时间和/或开关装置何时闭合。
如上所述，可以利用t4与t5之间的持续时间(例如，当PWM信号268处于100％占空比时)来确定开关装置218何时闭合。在图30中示出了用于确定开关装置218何时闭合的处理270的另一实施例。处理270可以经由存储在有形非暂态存储器226、20、46和/或其它存储器中的计算机可读指令来实现并且经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。通常，处理270包括：确定PWM信号何时达到100％占空比(处理框272)；确定PWM信号占空比何时下降至100％以下(处理框274)；确定PWM信号处于100％占空比的持续时间(处理框276)；确定开关装置何时闭合(处理框278)；以及利用所确定的闭合时间来更新LUT(处理框280)。
在一些实施例中，处理器224可以确定PWM信号268的占空比何时达到100％(处理框272)。如上所述，占空比达到100％可以表示正在向操作线圈220供给最大电力量，这与操作线圈电流250何时开始下降(例如，在t4处)对应。另外，处理器224可以确定PWM信号268的占空比何时下降至100％以下(处理框274)。如上所述，占空比下降至100％以下可以表示衔铁119不再移动并且开关装置218闭合，这与操作线圈电流250何时返回至引入电流(例如，在t5处)对应。因此，基于占空比何时达到100％以及占空比何时下降至100％以下，处理器224可以确定PWM信号268的占空比保持处于100％的持续时间，其可以表示操作线圈电流250下降的持续时间(例如，t4与t5之间的持续时间)(处理框276)。
基于占空比处于100％的持续时间，处理器224可以确定开关装置218何时闭合(处理框278)。更具体地，tM和t4与t5之间的持续时间之间的关系可以是基于经验性测试(例如，历史数据)来定义的。在一些实施例，历史数据可以定义tM出现在t4与t5之间的某一百分比处。例如，历史数据可以定义tM出现在t4与t5之间的30％的时间处。事实上，在一些实施例中，可以例如使用高速摄像装置和/或电流传感器来周期性地重新校准开关装置218，以确定tM和t4与t5之间的持续时间之间的关系。
类似于闭合时间LUT，开关装置218的制造商可以对特定开关装置218或类似的开关装置218进行测试以确定tM相对于t4至t5的持续时间何时出现。因此，再次强调的是，上述的单极单载流路径开关装置218被设计成具有高度可重复的并因而高度可预测的操作。换言之，所定义的在tM与t4至t5的持续时间之间的关系使得处理器224能够以合理的确定性确定开关装置218何时闭合。
附加地或替选地，可以通过测量电流何时开始流过开关装置218来验证开关装置218何时闭合。例如，可以在开关装置218与负载之间放置传感器22以反馈指示电流正在流动的信号。因此，处理器224或其它控制电路可以验证开关装置218何时闭合。诸如高速摄像装置、辅助接触件、光学或磁性位置传感器和/或磁通检测器的其它技术也可以用于验证开关装置218何时闭合。
此外，在一些实施例中，可以至少部分地基于操作线圈电流250的其它特征(诸如电流波形的拐点)来确定开关装置218闭合的时刻。更具体地，当开关装置218闭合时，偏置弹簧152可以被添加至通过衔铁118看到的负载(例如，磁系统)，从而使衔铁118减速并且引起操作线圈电流250的拐点。在一些实施例中，验证可以在稍后的时间执行并且可以用于校准闭合时间LUT。
然后，处理器224可以利用所确定的闭合时间来更新闭合时间LUT(处理框280)。更具体地，处理器224可以基于引入电流被施加时(例如，在t3处)与开关装置闭合时(例如，在tM处)之间的时间差来确定闭合时间。如上所述，利用所确定的闭合时间来更新闭合时间LUT可以使得操作线圈驱动电路222能够补偿开关装置218中的操作改变以及对开关装置218执行诊断。
除了控制开关装置218的闭合操作，操作线圈驱动电路222可以用于控制开关装置218的关断(即，断开)操作。例如，为了使开关装置218关断，操作线圈驱动电路222可以减小至操作线圈220的电力，这减小了由操作线圈220产生的使开关装置218保持闭合的磁力。因此，弹簧110可以克服由操作线圈220产生的磁力并且使开关装置218断开。为了有助于说明，在图31中示出了用于使开关装置218关断的操作线圈电流250和目标操作线圈电流282。
如图31所示，在t6之前，操作线圈电流250通常被设置为目标操作线圈电流282。更具体地，如上所述，操作线圈驱动电路222可以通过将从电源246供给的电力与操作线圈220连接和断开连接来调节操作线圈电流250。在一些实施例中，操作线圈电流250可以被设置为保持电流。
在t6处，目标操作线圈电流282被减小至不足以使开关装置218保持闭合的水平。如将在下面更详细地描述的那样，可以利用t6之后的目标操作线圈电流282来确定开关装置218何时关断。因此，在本文中，t6之后的目标操作线圈电流通常被称为“关断电流”。最初，当目标操作线圈电流在t6处被减小至关断电流时，操作线圈电流250高于目标并且电力与操作线圈220断开连接。更具体地，如所描绘的，随着操作线圈220经由续流二极管234消耗储存在其磁场中的能量，操作线圈电流250逐渐地减小。换言之，续流二极管234可以连接在电阻器238与地之间。附加地，在其它实施例中，可以用有源装置(诸如场效应晶体管(FET))来替换续流二极管234。
随着操作线圈电流250继续减小，由操作线圈220产生的磁力将不再足以使开关装置218保持闭合，从而使开关装置218开始移动(例如，断开)。另外，磁场的衰减可能会由于反电动势(EMF)而在操作线圈220中产生(例如，感应)电流。更具体地，反EMF可能是由于在开关装置218断开时沿着衔铁118和线圈绕组112拖动通量线而引起的。因此，可以通过检测操作线圈220中何时产生电流来确定开关装置218何时关断。
如上所述，操作线圈电流250可以随着操作线圈220消耗储存在其磁场中的能量而逐渐地减小。换言之，如果电力未重新连接至操作线圈220，则可以通过识别操作线圈电流250的最小值来确定所产生的电流。如所描绘的，在t7与t8之间，操作线圈电流250保持处于目标操作线圈电流282。因此，最小操作线圈电流250处于t7与t8之间的某一时间。换言之，开关装置218在t7与t8之间的某一时间处(例如，在tB处)关断。因此，类似于确定开关装置218何时闭合，可以将t7与t8之间的持续时间与开关装置218的历史数据和/或设计属性一起用来确定开关装置218何时关断(例如，在tB处)。
如所描绘的，在t8处，操作线圈220中所产生的电流使得操作线圈电流250增加至目标操作线圈电流282(例如，关断电流)之上。换言之，即使将电源246与操作线圈220断开连接，操作线圈电流250也升至目标操作线圈电流282之上。因此，为了利于确定t7与t8之间的持续时间，关断电流被设置成略微低于由衔铁118的移动而在操作线圈220中感应的电流。因此，如所描绘的，在t9之后，操作线圈电流250保持为关断电流。
类似于闭合时间，基于以上描述，开关装置218的关断时间通常不是瞬时的。换言之，目标操作线圈电流282减小至关断电流时(例如，在t6处)与开关装置218实际关断时(例如，在tB处)之间存在微小延迟。如在本文中所使用的，“关断时间”通常意在描述该时间段。因此，操作线圈驱动电路222可以将开关装置218的非瞬时性质纳入考虑，以改进对开关装置218的控制，例如以使开关装置218在电力波形上的特定点处关断。为了有助于说明，图32描绘了由开关装置218传导的电力的开关装置电流波形284。
如上所述，为了减小电弧放电，可以基于电流过零点(例如，开关装置电流波形284上的略微在电流过零点之前的范围内的点)来断开开关装置218。例如，在所描绘的实施例中，期望开关装置218在为点286的电流过零点处关断。如上所述，可以通过将操作线圈电流250设置成关断电流以使得弹簧110能够抗拒(overpower)由操作线圈220产生的磁力来使开关装置218断开。因此，由于开关装置218通常不会瞬时地关断，所以可以在更早的时间将操作线圈电流250设置为关断电流以使开关装置218在与点286对应的tB处关断。
更具体地，可以至少部分地基于开关装置218的预期关断时间来控制操作线圈电流250。基于上述示例，可以在t6处将目标操作线圈电流282设置为关断电流，以使开关装置218在tB处关断。换言之，开关装置的预期关断时间288是t6与tB之间的差。
在图33中示出了可用于使开关装置218在电力波形上的特定点处关断的处理290的一个实施例。处理290可以经由存储在有形非暂态存储器226、20、46和/或其它存储器中的计算机可读指令来实现并且经由处理器224、19、35和/或其它控制电路来执行。通常，处理290包括：确定使开关装置218关断的期望时间(处理框292)；确定开关装置218的预期关断时间(处理框294)；以及施加电流分布以使开关装置218在期望时间处关断(处理框296)。另外，处理290可选地包括确定开关装置218何时关断(处理框298)。
在一些实施例中，处理器224可以确定使开关装置关断的期望时间(处理框292)。如上所述，可以基于所传导的电力的电流过零点来断开开关装置218。另外，处理器224可以确定与特定点相关联的时间。因此，在一些实施例中，处理器224可以基于后续电流过零点来确定使开关装置218关断的期望时间。
如可以理解的，处理290中的每个步骤通常可能是非瞬时的。因此，在一些实施例中，可以选择使开关装置218关断的期望时间，以提供足以完成处理290的时间。换言之，期望时间可能不会总是与第一后续过零点对应。在其它实施例中，可以期望尽可能与电力波形无关地使开关装置218关断并且处理器224可以相应地确定期望的关断时间。
然后，处理器224可以确定开关装置218的预期关断时间288(处理框294)。类似于闭合时间，开关装置218的关断时间可能会受诸如温度、磨损、疲劳和/或碎片的各种操作参数影响。如将在下面更详细地描述的，可以通过操作线圈220的阻抗或其它方法(诸如温度传感器)来确定温度(例如，实际温度或相对温度)。因此，处理器224可以例如通过传感器22或保持电流来确定各种操作参数，以确定开关装置218的预期闭合时间256。
更具体地，处理器224可以将操作参数输入至关断时间查找表(LUT)中，该关断时间LUT将所确定的操作参数与预期关断时间288关联。例如，当特定的温度被输出至关断时间LUT时，LUT可以输出预期关断时间288。另外，处理器224可以针对可能会影响预期关断时间288的任何其他已知偏移(诸如滤波延迟)来进行调节。尽管所描述的实施例描述了查找表(LUT)的使用，但在其它实施例中，相同的结果也可以通过由处理器224使用各种算法或算法与LUT的组合来执行的计算来实现。另外，由于可以在正常操作期间确定关断时间LUT，所以处理器224可以针对可能会影响预期闭合时间256的任何其它已知操作参数(诸如滤波延迟、装置磨损和/或其它环境条件)来进行调节。
类似于闭合时间LUT，用于确定预期关断时间的关断时间LUT可以基于经验性测试，例如过去的关断时间。例如，在一些实施例中，制造商可以对特定开关装置218或类似的开关装置218进行测试，以确定开关装置218在各种操作参数下的关断时间并且相应地对关断时间LUT进行填充。另外，当开关装置218投入使用时，开关装置218可以运行测试序列以确定开关装置218在当前参数下何时关断并且对关断时间LUT进行校准。
由于本文所描述的技术基于先前的操作，所以再次强调的是，上述单极单载流路径开关装置218被设计成具有高度可重复的并因而高度可预测的操作。换言之，关断时间LUT使得处理器224能够基于开关装置218先前在类似参数下的关断时间、以合理的确定性来确定开关装置218的关断时间。然而，应当理解的是，该技术也可以用于其它类型的开关装置，诸如多极开关装置。
基于预期关断时间，可以向开关装置218施加电流分布以使开关装置218在所确定的时间关断(处理框296)。更具体地，处理器224可以确定何时向开关装置218施加电流分布以使其在期望时间处关断。在一些实施例中，处理器224可以通过从期望的关断时间减去预期关断时间288来确定施加电流分布的具体时间。例如，从tB(例如，期望的关断时间)减去预期关断时间288得到t6(例如，施加电流分布的具体时间)。因此，如上所述，在t6处将目标操作线圈电流282设置为保持电流(例如，电流分布)。应该注意，期望略微在电流过零点之前关断开关装置218，以使在过零点之后关断的可能性最小化。
在施加电流分布之后，处理器224可以可选地确定开关装置218何时关断(处理框298)。更具体地，确定开关装置218何时关断可以使能够确定开关装置218的实际关断时间。
如上所述，关断时间LUT可以是至少部分地基于过去的关断操作。然而，开关装置218的关断时间可以随时间逐渐地改变。例如，随着开关装置218老化，由使开关装置218断开的弹簧110所提供的力可能会逐渐地减小，这可能会逐渐地增加开关装置218的关断时间。另外，随着接触材料磨损，开关装置218移动而断开的距离可能会增加，并且/或者碎片可能积累以引起摩擦，这可能会逐渐增加开关装置218的关断时间。
因此，确定实际关断时间可以利于对关断时间LUT进行校准和/或更新，以更好地考虑开关装置的操作改变。事实上，如将在下面更详细描述的那样，保持对实际关断时间的跟踪可以利于对开关装置218执行诊断。例如，如果开关装置218的关断时间不同于预期关断时间，则处理器224可以识别开关装置218可能在某种程度上被阻塞或者遭受一些其它异常状况。
在一些实施例中，处理器224可以利用PWM信号来确定开关装置218何时闭合。更具体地，如上所述，由SR触发器228输出的PWM信号被反馈至处理器224。基于PWM信号的占空比，处理器224可以确定操作线圈电流低于关断电流的持续时间(例如，t4与t5之间的持续时间)，其可以与开关装置218何时关断直接有关。
为了有助于说明，图34A和图34B描绘了由处理器224输出的触发信号244和输入至处理器224的PWM信号268。更具体地，图34描绘了由标准SR触发器输出的PWM信号268，以及图34B描绘了每当S端子变高时设置的SR触发器输出的PWM信号268。
如上所述，触发信号244被输入至SR触发器228，以通过周期性地试图设置SR触发器228来利于生成PWM信号268(例如，使PWM信号268为高)。更具体地，当比较器230确定操作线圈电流250低于目标并且触发信号244为高时，SR触发器228输出指示开关接通的高PWM信号268，从而将来自电源246的电力供给至操作线圈220。另一方面，当比较器230确定操作线圈250不低于目标时，SR触发器228输出指示开关断开的低PWM信号268，从而将电力与操作线圈220断开连接。换言之，触发信号244可以使开关232接通并且开关232可以保持接通，直到比较器230确定操作线圈电流250大于参考电压(即，Vref)为止。在这一点上，比较器230可以重置SR触发器282，从而使开关232断开。
如上所述，在t6与t7之间，操作线圈电流250高于目标操作线圈电流282。因此，比较器230会将高信号输入至SR触发器282的R端子。换言之，在标准SR触发器中，无论S端子处的输入如何，PWM信号268将为低。因此，如上所描绘的，在t6与t7之间PWM信号268的占空比为0％。换言之，当储存在操作线圈220中的能量逐渐耗散时，将电源246与操作线圈220断开连接。
另外，如上所述，SR触发器228可以增加PWM信号268的占空比，以将操作线圈电流250保持处于目标操作线圈电流282。因此，当在t7与t8之间操作线圈电流250开始下降至目标操作线圈电流282之下时，向操作线圈220供给电力以将操作线圈电流250保持处于目标操作线圈电流282。因此，在所描绘的实施例中，PWM信号268具有非零占空比以将操作线圈电流250保持处于关断电流。因此，处理224可以通过确定PWM信号处于非零占空比的持续时间来确定t7与t8之间的持续时间。
此外，如上所述，当衔铁118开始移动时，在操作线圈220中产生电流，这引起在t8与t9之间操作线圈电流250上升至目标操作线圈电流282之上。由于操作线圈电流250高于目标操作线圈电流282，因此电力从操作线圈220断开连接。因此，如所描绘的，在t8与t9之间PWM信号268的占空比为0％。
另外，如上所述，在t9之后，通过将电力连接和断开连接，所产生的电流减小至目标操作线圈电流282之下并且操作线圈电流250保持处于目标操作线圈电流282。因此，在所描绘的实施例中，PWM信号268在t9之后具有非零占空比，以将操作线圈电流250保持处于关断电流。因此，可以确定当占空比再次变为非零时(例如，在t9处)衔铁118不再移动。
除了具有每当至S端子的输入变高时用于生成图34B所示的PWM信号268的SR触发器228变高的区别以外，图34B所示的PWM信号268的实施例与图34A所示的PWM信号268的实施例类似。换言之，如所描绘的，在t6与t7之间，由于操作线圈电流250高于目标操作线圈电流282，所以PWM信号268的占空比处于其最小值。在一些实施例中，最小占空比可以等于触发信号244的占空比。因此，t7与t8之间的持续时间可以是由PWM信号268的占空比高于其最小值的持续时间来确定的。
事实上，由于最小占空比为非零，所以PWM信号268可以指示开关232至少在触发器244的工作周期内接通。因此，可以向操作线圈220供给最小电力量。在一些实施例中，向操作线圈220供给正的最小电力量可以利于使操作线圈电流250的振荡稳定，从而提供对操作线圈电流250低于关断电流的持续时间的更准确确定。
类似地，如所描绘的，在t8与t9之间，由于操作线圈电流250由于通过衔铁119的移动所产生的电流而高于目标操作线圈电流282，所以信号268的占空比再次处于其最小值。更具体地，PWM信号268的占空比可以再次等于触发信号244的占空比。因此，可以确定当PWM信号268的占空比增大至其最小值之上时(例如，在t9之后)衔铁118不再移动。
然而，可以利用SR触发器228的任一实施例。为了简化下面的讨论，将利用图34A所示的实施例。应该注意，本领域的普通技术人员将能够容易地在寻找最小占空比、0％占空比与另一预定占空比之间转换。
如上所述，可以利用t7与t8之间(例如，当PWM信号268为非零时)的持续时间来确定开关装置何时关断。在图35中示出了处理300的一个实施例。处理300可以经由存储在有形非暂态存储器226、20、46中的计算机可读指令来实现并且经由处理器224、19、35和/或其它控制电路来执行。通常，处理300包括：确定PWM信号何时达到0％占空比(处理框302)；确定PWM信号占空比何时为非零(处理框304)；确定PWM信号何时再次达到0％占空比(处理框306)；确定PWM信号占空比为非零的持续时间(处理框308)；确定开关装置何时关断(处理框310)；以及利用所确定的关断时间来更新LUT(处理框312)。
在一些实施例中，处理器224可以确定PWM信号268的占空比何时达到0％(处理框302)。如上所述，占空比下降至0％(例如，最低水平)可以表示操作线圈220正在耗散储存在其磁场中的能量，但仍然高于关断电流。换言之，衔铁118尚未开始移动，原因是尚未达到操作线圈电流250的最小值。
另外，处理器224可以确定PWM信号268的占空比何时为非零(处理框304)。如上所述，占空比增大至非零(例如，在最低水平之上)可以表示正在向操作线圈220供给电力，这与操作线圈电流250何时开始下降至目标操作线圈电流282之下(例如，在t7处)相对应。此外，处理器224可以确定PWM信号268的占空比何时再次变为0％(处理框306)。如上所述，占空比再次下降至0％(例如，最低水平)可以表示由于操作线圈220中所感应的电流而操作线圈电流250高于目标操作线圈电流282(例如，在t8处)。换言之，此时，衔铁118在运动中，因此，开关装置218已在t7与t8之间的某个时间断开。因此，基于占空比何时为非零以及占空比何时再次变为0％，处理器224可以确定PWM信号268的占空比为非零的持续时间，这可以表示操作线圈电流250低于关断电流(例如t7与t8之间的持续时间)(处理框308)。
基于PWM信号为非零的持续时间，处理器224可以确定开关装置218何时关断(处理框310)。更具体地，tB和t7与t8之间的持续时间的关系可以是基于经验性测试(例如，历史数据)来定义的。在一些实施例中，历史数据可定义tB出现在t7与t8之间的某个百分比处。例如，历史数据可定义tB出现在t7与t8之间的45％处。事实上，在一些实施例中，可以例如使用高速摄像装置和/或电流传感器来周期性地重新校准开关装置218，以确定tB和t7与t8之间的持续时间的关系。
类似于关断时间LUT，开关装置218的制造商可以对特定开关装置218或类似的开关装置218进行测试以确定tB相对于t4至t5的持续时间何时出现。另外，再次强调的是，上述的单极单载流路径开关装置218被设计成具有高度可重复的并因而高度可预测的操作。换言之，所定义的在tB与t7至t8的持续时间之间的关系使得处理器224能够以合理的确定性来确定开关装置218何时关断。
附加地或替选地，可以通过测量电流何时停止流过开关装置218来验证开关装置218何时关断。例如，可以在开关装置218与负载之间放置传感器22以反馈指示电流已经停止流动的信号。因此，处理器224或其它控制电路可以验证开关装置218何时关断。诸如高速摄像装置的其它技术也可以用于验证开关装置218何时关断。在一些实施例中，验证可以在稍后的时间执行并且可以用于校准关断时间LUT。
然后，处理器224可以利用所确定的关断时间来更新关断时间LUT(处理框312)。更具体地，处理器224可以基于目标操作线圈电流282被设置处于关断电流时(例如，在t6处)与开关装置关断时(例如，在tB处)之间的时间差来确定关断时间。如上所述，利用所确定的关断时间来更新关断时间LUT可以使得操作线圈驱动电路222能够对开关装置218的操作改变进行补偿以及对开关装置218执行诊断。
除了利用PWM信号268之外，在一些实施例中，处理器224可以直接地基于比较器230的输出来确定开关装置何时闭合或关断。更具体地，在这样的实施例中，比较器230的输出被输入至处理器224，如图36所描绘的。
因此，处理器224可以基于比较器230的输出来确定操作线圈电流250是高于目标水平还是低于目标水平。如上所述，处理器224可以输出与目标操作线圈电流282对应的参考电压(例如，Vref)。因此，当比较器230的输出为低时，处理器224可以确定操作线圈电流250何时低于目标操作线圈电流282。另一方面，当比较器230的输出为高时，处理器224可以确定操作线圈电流250何时高于目标操作线圈电流282。事实上，处理器224可以例如通过调节占空比以调节供给至操作线圈220的最小电力量来调节触发信号224，以更好地处理操作线圈电流250的振荡。
事实上，操作线圈驱动电路222的这样的实施例可能使得在关断操作期间电力能够被完全断开连接。更具体地，由于处理器224可直接地根据比较器230来确定操作线圈电流250何时下降至关断电流之下(例如，t7与t8之间的持续时间)，所以操作线圈驱动电路222可以使得操作线圈电流250能够自然地消散。换言之，PWM信号268的占空比可被设置为0％以将电力与操作线圈220断开连接。例如，处理器224可以停止向SR触发器228的S端子的触发信号244输入，这可能会使PWM信号268保持为低并且与电源246断开连接。在一些实施例中，将电源246断开连接可以降低操作线圈驱动电路222的电力消耗。类似地，操作驱动电路222还可以使得处理器224能够直接地根据比较器230来确定操作线圈电流250何时下降至引入电流之下(例如，t4与t5之间的持续时间)。
如上所述，为了利于确定开关装置218何时闭合，操作线圈电流250下降，原因是由于操作线圈220中的阻抗增加而电源246不再足以将操作线圈电流250保持处于引入电流。更具体地，由于操作线圈220从DC母线248汲取电力，所以DC母线248上的电压(例如，母线电压)可能会开始下降，原因是正在从电源246汲取电力的速度比正在由电源12补充电力的速度更快。为了有助于说明，图37描绘了在闭合操作期间的母线电压314。
如上所述，操作线圈电流250在t2处开始斜升至引入电流。因此，由操作线圈220汲取的电力增加以将操作线圈电流250保持处于目标电流(例如，引入电流)。然而，如所描绘的，母线电压314在t2处开始下降。母线电压314继续下降，直到在开关装置218在tM处闭合之后的一段时间为止。换言之，电源246可以设置母线电压314，以使得足以将操作线圈电流250保持处于引入电流而不下降。
基于本文所描述的技术，开关装置218何时闭合可以基于操作线圈电流250下降的持续时间(例如，在t4与t5之间的持续时间)来确定。因此。明确地定义PWM信号268何时处于100％占空比是很重要的。然而，母线电压314可以影响该确定，原因是母线电压314影响供给至操作线圈220以使开关装置218闭合的电力。另外，当开关装置218闭合时，操作线圈220的阻抗可以增加。换言之，母线电压314越高，则可以使得能够供给越多电力，从而减小闭合时间并且增加阻抗变化率。另一方面，母线电压越低，则可以使得能够供给越少电力，从而增加闭合时间并且减小阻抗变化率。
因此，可以调节母线电压314，使得足够的电力可以被供给至操作线圈220以使开关装置218闭合，同时还引起从100％占空比的下降。另外，可以调节母线电压314以控制操作线圈电流250下降的持续时间和/或进取性(aggressiveness)。例如，当母线电压314较高时，操作电流的下降可能较窄较浅。另一方面，当母线电压314较低时，操作电流的下降可能较迟、较宽且较深。
因此，可以调节操作线圈电流下降的持续时间以使得能够容易地检测PWM信号268处于100％占空比的持续时间。例如，通过减小母线电压314，可以增加电流下降的持续时间。另外，可以调节下降的进取性以确保操作线圈电流下降的持续时间与PWM信号268处于100％占空比的持续时间对应。更具体地，当进入或退出下降的操作线圈电流250的坡度具有较低进取性时，PWM信号占空比下降至100％之下、同时操作线圈电流250仍在下降的可能性增加。这样的杂散脉冲(stray pulse)可能会使得对电流下降的持续时间进行确定更加困难，因为不清楚操作线圈电流250在什么时刻进入或退出下降。因此，例如，可以增大母线电压314以提高操作线圈电流下降的进取性。
另外，操作线圈驱动电路222试图保持操作线圈电流250的引入电流的幅度也可能会影响操作线圈电流250的下降。更具体地，当引入电流较高时，所供给的电力较高，从而减小了闭合时间、同时增加了开关装置218的电力消耗。换言之，较高的引入电流可能会增加阻抗变化率，并因而引起母线电压314的更急剧下降。另一方面，当引入电流较低时，所供给的电力较低，从而增加了闭合时间、同时降低了开关装置218的电力消耗。换言之，较低的引入电流可以减小阻抗变化率并因而引起母线电压314的不太急剧的下降。
因此，可以确定母线电压314与引入电流之间的最佳平衡以改善对开关装置218何时闭合的检测。此外，在多个开关装置218闭合时，还可以进一步调节最佳平衡。例如，如上所述，在第一时间处，第一开关装置218可以将电力的第一相连接至电动机24以及第二开关装置218可以将电力的第二相连接至电动机24(例如，基于预测的电流过零点)。然后，第三开关装置218可以在第二时间处将电力的第三相连接至电动机24。为了有助于说明，第一开关装置218和第二开关装置218可以在tM处闭合，而第三开关装置218可以在tM'处闭合，如在图37处所描绘的。
如所描绘的，tM处的母线电压314可以不同于tM'处的母线电压。如上所述，在闭合操作期间的母线电压314可能会影响用于检测开关装置218何时闭合的操作线圈电流250的下降。就第三开关装置218而言，这样的影响可能是混合的，原因是第一开关装置218和第二开关装置218的影响完全融合(integrate through)至tM'。例如，如所描绘的，由第一开关装置218和第二开关装置218为了在tM处闭合所汲取的电力使母线电压314下降。在tM之后，第三开关装置218继续汲取电力并且可能使母线电压314甚至进一步下降。换言之，与第一开关装置218和第二开关装置218相比，第三开关装置218可利用较低的母线电压314。
因此，除了调节母线电压之外，可以单独地调节用于每个开关装置218的引入电流。换言之，可以确定母线电压314与引入电流之间的最佳平衡以改善对每个开关装置218何时闭合的检测。另外，当使开关装置218顺序地闭合时，可以调节闭合操作的定时。例如，可以使第三开关装置218在较晚的时间处闭合以使得母线电压314能够随着电源246补充DC母线248而恢复。换言之，可以通过调节第三开关装置218闭合的时间来控制用于使第三开关装置218闭合的母线电压314。
如上所述，开关装置218的温度可能会影响开关装置218的闭合时间和/或关断时间。为了有助于说明，图38是描述闭合时间316与温度318的关系的曲线图。如所描绘的，开关装置218的闭合时间316随着温度318增大而增加。在一些实施例中，闭合时间可以按每摄氏度大约50微秒来改变。开关装置218的关断时间也会类似地受温度影响。因此，可以在每个闭合操作和关断操作之前确定开关装置218的温度以利于确定何时施加使得开关装置218能够在期望时间闭合或关断的电流分布(例如，闭合电流和关断电流)。
此外，曲线图描绘了阻抗指数320与温度222的关系。更具体地，阻抗指数320可以代表操作线圈的测量阻抗的倒数。由于导体的电阻通常随着温度而增大并且操作线圈220仅仅是长导线，所以操作线圈220的阻抗可能会随着温度而增大。因此，如所描绘的，阻抗指数320(例如，测量阻抗的倒数)随着温度而相反地变化。
因此，可以利用操作线圈220的阻抗来确定开关装置218的温度318。例如，图39描绘了用于在闭合操作期间确定开关装置218的温度的处理322。处理322可以经由存储在有形非暂态存储器226、20、46和/或其它存储器中的计算机可读指令来实现并且可以经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。通常，处理322包括：向操作线圈施加测量电流(处理框324)；确定操作线圈两端的电压(处理框326)；确定操作线圈的阻抗(处理框328)；以及确定开关装置的温度(处理框330)。如上所述，可以在每个闭合操作之前执行处理322以利于基于温度来确定开关装置218的预期闭合时间。
在一些实施例中，处理器224可以指示操作线圈驱动电路222向操作线圈220供给测量电流(处理框324)。更具体地，处理器224可以输出与测量电流对应的参考电压(例如，Vref)。至少部分地基于节点电压与参考电压的比较，SR触发器228输出PWM信号268，该PWM信号268指示开关232以通过选择性地将电力与DC母线248连接和断开连接来向操作线圈220供给测量电流。因此，处理器224可以通过将母线电压314与PWM信号268的占空比相乘来确定操作线圈电压(处理框326)。
基于操作线圈电压，处理器224可以确定操作线圈220的阻抗(处理框328)。更具体地，由于操作线圈电压和操作线圈电流(例如，测量电流)已知，因此处理器224可通过将操作线圈电压除以测量电流来确定操作线圈阻抗并因而确定阻抗指数320。
然后，基于操作线圈阻抗，处理器224确定开关装置温度318(处理框330)。如上所述，操作线圈阻抗与其温度318直接相关。因此，处理器224可以基于该关系来确定温度318。更具体地，在一些实施例中，温度318与阻抗之间的关系可以由制造商来定义。例如，制造商可以定义温度查找表(LUT)，该温度LUT取得阻抗指数320(例如，操作线圈阻抗的倒数)输入并且输出温度318。附加地或替选地，在其它实施例中，可能不必确定开关装置218的确切温度。替代地，使用操作线圈阻抗320或操作线圈电压与操作线圈电流作为温度的代表就足矣。换言之，操作线圈阻抗320或操作线圈电压与操作线圈电流可以用作至闭合时间LUT的输入。
此外，如上所述，关断操作也可能会受开关装置218的温度影响。相应地，图40描绘了用于在关断操作期间确定开关装置的温度的处理332的实施例。处理332可以经由存储在有形非暂态存储器226、20、46和/或其它存储器中的计算机可读指令来实现和/或可以经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。通常，处理器332包括向操作线圈施加保持电流(处理框334)；确定操作线圈两端的电压(处理框336)；确定操作线圈的阻抗(处理框338)；以及确定开关装置的温度(处理框340)。如上所述，可以在每次关断操作之前执行处理332以利于基于温度来确定开关装置218的预期关断时间。
在一些实施例中，处理器224可以指示操作线圈驱动电路222向操作线圈220供给保持电流(处理框334)。更具体地，类似于处理框324，处理器224可以输出与保持电流对应的参考电压(例如，Vref)。至少部分地基于节点电压与参考电压的比较，SR触发器228输出PWM信号268，该PWM信号268指示开关232通过选择性地将电力与DC母线248连接和断开连接来向操作线圈220供给保持电流。相应地，类似于处理框326，处理器224可以通过将母线电压314与PWM信号268的占空比相乘来确定操作电压(处理框336)。
类似于处理框328，处理器224可以基于操作线圈电压来确定操作线圈220的阻抗(处理框338)。更具体地，由于操作线圈电压和操作线圈电流(例如，保持电流)是已知的，所以处理器224可以通过将使操作线圈电压除以保持电流来确定操作线圈阻抗，并因而确定阻抗指数320。
然后，类似于处理框330，处理器224可以基于操作线圈阻抗来确定开关装置温度318(处理框340)。如上所述，操作线圈阻抗与其温度直接相关。因此，处理器224可以基于该关系来确定温度318，该关系可以由制造商来定义。附加地或替选地，在一些实施例中，使用操作线圈阻抗或操作线圈电压与操作线圈电流作为温度的代表就足矣。换言之，阻抗指数320(例如，操作线圈阻抗的倒数)或操作线圈电压与操作线圈电流可以用作至关断时间LUT的输入。
相应地，基于上述技术，处理器224可以使用PWM信号268来确定开关装置218的操作参数，诸如开关装置218何时闭合、开关装置218何时关断和/或开关装置218的温度。附加地，还可以确定其它诊断信息。例如，图41A至图41C描绘了确定开关装置218的健康状况的实施例。更具体地，图41A描绘了用于利用测量电流来确定开关装置218的健康状况的处理342的一个实施例，图41B描绘了用于在闭合或关断操作期间确定开关装置218的健康状况的处理344的一个实施例，以及图41C描绘了用于利用保持电流来确定开关装置218的健康状况的处理346的一个实施例。处理342至346可以经由存储在有形非暂态存储器226、20、46和/或其它存储器中的计算机可读指令来实现并且经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。
如图41A所示，处理342通常包括：向操作线圈施加测量电流(处理框348)；监视PWM信号(处理框350)；以及确定开关装置的健康状况(处理框352)。更具体地，如上所述，处理器224可以使用测量电流来确定开关装置温度318。因此，处理器224可以检测过高温度(例如，超过规格)何时出现。
另外，在一些实施例中，处理器224可以检测操作线圈220中是否存在短路状况或开路状况。例如，如果PWM信号占空比突升至100％，则处理器224可以确定出现开路状况。另一方面，如果PWM信号占空比远远低于预期占空比，则处理器224可以确定出现短路状况。此外，测量电流还可以监视开关装置218的温度变化。例如，如果PWM信号占空比开始增大，则处理器224可以确定温度318正在增加。另一方面，如果PWM信号占空比开始减小，则处理器224可以确定温度正在减小。
如图41B所示，处理344通常包括：向操作线圈施加引入电流或关断电流(处理框354)；确定开关装置的闭合时间或关断时间(处理框356)；以及确定开关装置的健康状况(处理框358)。更具体地，如上所述，处理器224可以确定开关装置218的预期闭合时间和/或关断时间。另外，处理器224可以确定实际的闭合时间或关断时间。因此，处理器224可以检测开关装置218中何时出现故障状况。例如，如果所确定的闭合时间远远短于预期闭合时间，则处理器224可以确定衔铁118被阻塞并且不能从完全断开位置闭合。另一方面，如果所确定的闭合时间远远长于预期闭合时间，则处理器224可以确定阻止衔铁118平滑地闭合。
另外，处理器224可以查看闭合时间或关断时间的趋势。更具体地，该趋势可以指示开关装置218的逐渐老化。例如，处理器224可以基于开关装置218的闭合时间或关断时间发生变化的程度来估计开关装置的使用年限(例如，剩余寿命)。此外，如图38所描绘的，闭合时间316的趋势关于温度318大致呈线性。因此，如果该关系开始从预期或历史基准偏离，则处理器224可以确定开关装置218所特有的改变。例如，如果闭合时间不可预测地变化，则处理器224可以确定环境条件(诸如周围机器的振动)影响闭合时间。
如图41C所示，处理346通常包括：向操作线圈施加保持电流(处理框360)；监视PWM信号(处理框362)；以及确定开关装置的健康状况(处理框364)。更具体地，如上所述，处理器224可以使用保持电流来确定开关装置温度318。因此，处理器224可以检测过高温度(例如，超过规格的温度)何时出现。另外，由于可能会在较长的时间段内向操作线圈220施加保持电流，所以处理器224还可以监视开关装置218的温度变化。例如，如果PWM信号占空比开始增大，则处理器224可以确定温度318正在升高。另一方面，如果PWM信号占空比开始减小，则处理器224可以确定温度正在降低。此外，在一些实施例中，如果PWM信号占空比变化过大，则处理器224可以确定衔铁118正在颤动(例如，不是静止的)。
由于通常在较长的时段内向操作线圈220施加保持电流，所以附加地可以利用保持电流来监视包括开关装置218的系统10的健康状况。例如，在图41D中示出了用于监视系统的健康状况的处理366的一个实施例。通常，处理366包括：向操作线圈施加保持电流(处理框368)；监视PWM信号(处理框370)；以及监视系统的健康状况(处理框372)。换言之，处理器224可以监视PWM信号268以监视系统的健康状况。
更具体地，开关装置218所承载的电力产生磁场，该磁场可作用于操作线圈220。例如，在一些实施例中，磁场可以在操作线圈220中感生正电压，这使得能够减小电源246供给的电压、同时仍维持保持电流。因此，PWM信号占空比可以减小。另一方面，磁场可以在操作线圈220中感生负电压，这使得电源246供给较大电压量以维持保持电流。因此，PWM信号占空比可以增大。
另外，当开关装置218闭合时，所传导的电力可以使固定接触件组件124对可移动接触件组件116施加力。事实上，在过大电流下，固定接触件组件124可以对可移动接触件组件116施加足够的力，以使衔铁118移动。如上所述，该移动可以改变操作线圈220的阻抗。因此，为了将操作线圈电流250保持处于其目标，PWM信号的占空比可以进行调节以补偿阻抗的变化。以此方式，PWM占空可以利于检测过大电流状况。
PWM信号还可以利于确定源电力和/或负载的特性。例如，由于所承载的电力可以是AC，则电流的极性和幅度可以连续地改变。因此，由于所感生的电压的幅度和极性取决于正在传导的电流的幅度和极性，所以处理器224可以至少部分地基于PWM占空比的改变来确定开关装置218正在传导的电流的相位。因此，在一些实施例中，由于电流很大程度上会是周期性的，所以处理器224可以确定电流过零点将何时出现。
基于电力的相位，处理器224还可以确定正在被供给电力的负载的类型。通常，当电力被供给至电感性负载时，电流和电压将会不同相。另一方面，当电力被供给至电阻性负载时，电流和电压将会同相。因此，处理器224可以通过对例如使用传感器22所确定的电流的相位与电压的相位进行比较来确定电力正在供给至电感性负载还是电阻性负载。
相序切换
如上所述，可以使用一个或多个开关装置来将电力与负载18(诸如，电动机24)连接和断开连接。在一些实施例中，为了改进对电力的连接/断开连接的控制，开关装置可以是单极开关装置，诸如单极单载流路径开关装置218。例如，三个单极开关装置可以用在直接联机配置中，其中每个单极开关装置用于连接/断开连接电力中的一相。事实上，由于它们是单极开关装置，所以独立地控制开关装置，从而实现各种闭合和/或断开顺序。
为了有助于说明，在图42A中描述了三相直接联机配置。如所描绘的，第一单极开关装置335可以控制电力的第一相(例如，相A)从电源12向负载14的供给，第二单极开关装置337可以控制电力的第二相(例如，相B)从电源12向负载14的供给，以及第三单极开关装置339可以控制电力的第三相(例如，相C)从电源12向负载14的供给。因此，可以使单极开关装置335、337和339以各种顺序断开/闭合。
例如，在一些实施例中，可以控制单极开关装置335、337和339顺序地断开/闭合。在图42B中描述了用于顺序地断开/闭合单极开关装置的处理341的一个实施例。通常，处理341包括：断开/闭合第一开关装置(处理框343)；断开/闭合第二开关装置(处理框345)；以及断开/闭合第三开关装置(处理框347)。在一些实施例中，处理341可以经由存储在非暂态制品(例如，存储器226、20、46和/或其它存储器)中的计算机可读指令来实现并且经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。
因此，在第一时间处，控制电路18可以指示第一单极开关装置335断开或闭合(处理框343)。以此方式，电力的第一相可以在第一时间处被连接或断开连接。另外，在第二时间处，控制电路18可以指示第二单极开关装置337断开或闭合(处理框345)。以此方式，电力的第二相可以在第二时间处被连接或断开连接。此外，在第三时间处，控制电路18可以指示第三单极开关装置339断开或闭合(处理框347)。以此方式，电力的第三相可以在第三时间处被连接或断开连接。因此，可以控制单极开关装置335、337和339将来自电源12的电力的每个相与负载14顺序地连接/断开连接。
在其它实施例中，可以控制单极开关装置335，337和339断开/闭合两个、然后断开/闭合一个，或者断开/闭合一个、然后断开/闭合两个。在图42C中描述了用于断开/闭合两个、然后断开/闭合一个的处理349的一个实施例。通常，处理349包括：断开/闭合第一开关装置和第二开关装置(处理框351)；以及断开/闭合第三开关装置(处理框353)。在一些实施例中，处理349可以经由存储在非暂态制品(例如，存储器226、20、46和/或其它存储器)中的计算机可读指令来实现并且经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。
因此，在第一时间处，控制电路18可以指示第一单极开关装置335和第二单极开关装置337断开或闭合(处理框351)。以此方式，电力的第一相和第二相可以在第一时间处被连接或断开连接。另外，在第二时间处，控制电路18可以指示第三单极开关装置339断开或闭合(处理框353)。以此方式，电力的第三相可以在第二时间处被连接或断开连接。因此，可以控制单极开关装置335、337和339通过断开/闭合两个、然后断开/闭合一个来将来自电源12的电力与负载14连接/断开连接。
在又一实施例中，可以控制单极开关装置335、337和339断开/闭合一个、然后断开/闭合两个。在图42D中描述了用于断开/闭合一个、然后断开/闭合两个的处理355的一个实施例。通常，处理355包括：断开/闭合第一开关装置(处理框357)；以及断开/闭合第二开关装置和第三开关装置(处理框359)。在一些实施例中，处理355可以经由存储在非暂态制品(例如，存储器226、20、46和/或其它存储器)中的计算机可读指令来实现并且经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。
因此，在第一时间处，控制电路18可以指示第一单极开关装置335断开或闭合(处理框357)。以此方式，电力的第一相可以在第一时间处被连接或断开连接。另外，在第二时间处，控制电路18可以指示第二单极开关装置337和第三单极开关装置339断开或闭合(处理框359)。以此方式，电力的第二相和第三相可以在第二时间处被连接或断开连接。因此，可以控制单极开关装置335、337和339通过断开/闭合一个、然后断开/闭合两个来将来自电源12的电力与负载14连接/断开连接。
此外，由于可以独立地控制单极开关装置335、337和339，所以这使得能够基于各种期望的顺序来调整断开/闭合顺序。例如，这对于实现波上点(POW)技术而言尤其有用。更具体地，当连接电力时，控制电路18可以采用闭合两个然后闭合一个的顺序，从而减小浪涌电流和/或电流振荡的幅度。另一方面，当断开电力连接时，控制电路18可以采用断开一个然后断开两个的顺序，从而减小电弧放电的可能性和/或幅度。
除了将电力直接联机连接/断开连接之外，一个或多个开关装置(例如，单极单载流路径开关装置)可以用在星形-三角形起动器中，该星形-三角形起动器向电动机24提供电力。通常，星形-三角形起动器通过以星形(例如，星型)配置连接绕组来起动电动机24，以便限制供给至绕组的电压量，从而限制至电动机24的浪涌电流和/或电动机24所产生的转矩。随后，星形-三角形起动器可以在电动机24起动之后以三角形配置来连接电动机24中的绕组以增大供给至绕组的电压，从而增大电动机所产生的转矩。换言之，星形-三角形起动器可以通过以下方式来缓和电动机24的起动：逐渐地增加所供给的电力，从而逐渐地增大所产生的转矩。
在一些实例中，断开和闭合开关装置来使电动机24在各种配置之间转变可能会释放电力(例如，电弧放电)，引起电动机24中的负转矩，引起可能使上游装置跳闸的电流尖峰或，引起电流振荡等。如可以理解的，这样的事件可能会缩短开关装置、电动机24、负载和/或其它连接设备的使用寿命。
因此，减小在各种配置之间进行转变时这样的事件的可能性和/或幅度会是有利的。如将在下面更详细地描述的那样，本文所描述的一个实施例可以通过使用单极开关装置(诸如上述的单极单载流路径开关装置218)在星形配置与三角形布置之间进行转变来减小这些影响。更具体地，使用单极开关装置可以使得能够以顺序的方式相对独立地控制断开和/或闭合。换言之，电动机24的每个绕组可以不是同时从星形配置转变至三角形配置，反之亦然。
为了有助于说明，在图43A至图43H中描述了用于使用5极星形-三角形起动器374来顺序起动电动机24的处理。为了简化下面的讨论，星形-三角形起动器374被描述为使用五个单极开关装置，诸如上述的单极单载流路径开关装置218。然而，附加地或替选地，任何其它适合的开关装置可以用在本文所描述的技术中。例如，在一些实施例中，可以使用具有偏置极的多极多载流路径开关装置(例如，三极接触器)。
应当进一步注意的是，在下面所描述的实施例中可以利用或者可以不利用波上点(POW)技术。如上所述，当利用POW技术时，传感器22可以监测(例如，测量)供给至电动机24的电力的特性(例如，电压或电流)。该特性可以被传达至控制和监测电路18以使得能够确定使开关装置在电力波形上的特定点处闭合和/或关断的定时。
更具体地，当利用POW技术时，可以在波形上选择参考点并且可以计算用于使线圈通电以及使开关装置断开/闭合的定时。可以基于所计算的定时来向定时器等发送命令。一旦到达参考点，则序列可以开始并且定时器可以在所计算的时间达到时(例如在可配置量的电角度和/或基于其的预测的电流过零点之后)触发开关装置断开或闭合。以此方式，当利用POW技术时，星形-三角形起动器374可以至少部分地基于电流过零点和/或预测的电流过零点来前进通过两步起动和星形-三角形相顺序转变中的每一步。另一方面，当不利用POW技术时，星形-三角形起动器374可以例如在短暂的时间延迟(例如，毫秒)之后一次一步地前进通过两步启动和星形-三角形相序转变中的每一步。
在一些实施例中，可以通过在从星形至三角形的转变(例如“闭合转变”)期间向至少一个绕组供给电流来在该转变期间向电动机24提供连续电流流动。更具体地，向至少一个绕组供给电流可以有利于维持转子磁场与线电力之间的关系。以此方式，当后续的绕组连接至线电力时，可以减小浪涌电流，这可以省去转变电阻器。
如所描绘的，5极星形-三角形起动器374包括用于将三个电动机绕组386、388和390选择性地连接至三相电源(例如，各自承载单相电力的市电线(mains line)392、394和396，)的五个开关装置376、378、380、382和384。在一些实施例中，第一星形开关装置376和第二星形开关装置378可以具有相同的操作特性。另外，第一三角形开关装置380、第二三角形开关装置382和第三三角形开关装置384可以具有相同的操作特性。例如，在一些实施例中，三角形开关装置380、382和384可以是单极单载流路径开关装置218，而星形开关装置376和378可以是电力电子开关装置，诸如硅可控整流器(SCR)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或功率场效应晶体管(FET)或其它双向器件。
在所描绘的实施例中，虚线用于表示非传导路径以及实线用于表示传导路径。因此，图43A描述了以下情况：开关装置376、378、380、382和384中的每个开关装置断开，从而将电力与绕组386、388和390断开连接。然后，星形-三角形起动器374可以使用两步起动顺序而转变至星形配置，如在图43B和图43C中所描述的那样。然后，从星形配置开始，星形-三角形起动器374可以使用相序切换转变至三角形配置，如在图43D至图43H中所描述的那样。
如上所述，图43B和图43C描述了使用两步处理来使电动机24转变至星形配置。更具体地，如图43B所示，可以使第二星形开关装置378闭合以向电动机绕组388和390提供电力。在一些实施例中，第二星形开关装置378可以至少部分地基于预测的电流过零点而闭合以减小浪涌电流和电流振荡的幅度。另外，如图43C所示，可以使第一星形开关装置376闭合以向电动机绕组386、388和390提供电力。在一些实施例中，第一星形开关装置376可以在一定延迟之后例如基于预测的电流过零点而闭合以减小电流和/或转矩振荡的幅度。以此方式，星形-三角形起动器可以使电动机24以星形配置来运行。
在电动机24以星形配置运行之后，流过绕组386、388和390的电流可以达到平衡。如上所述，可以以星形配置起动电动机24，使得电动机24产生减小的转矩量并且消耗较少的功率。换言之，如将在下面更详细地描述的那样，以星形配置起动使得能够逐渐地起动电动机24。
然后，星形-三角形起动器374可以转变至使电动机24三角形配置来运行，以增大转矩输出(例如，使电动机24斜升)。在一些实施例中，转变为三角形配置可以在以星形配置连接之后开始，例如以使得电动机24能够达到稳定状态和/或减小转矩调节的幅度。
更具体地，星形-三角形起动器374可以通过使第一星形开关装置376断开来开始从星形配置转变至三角形配置，如图43D所示。作为结果，电力仅被供给至电动机绕组388和390，这使定子磁场停止。更具体地，如图43E所示，可以使第一三角形开关装置380闭合，从而以三角形配置连接第一绕组386(例如，线392至线394)，而绕组388和390仍以星形配置进行连接。作为结果，可以重新引入定子磁场，从而产生了正转矩。事实上，在一些实施例中，可以延迟第一三角形开关装置380的闭合以使得由使第一三角形开关装置376断开而产生的任何电弧放电能够消散和/或能够减弱定子磁场与转子磁场之间的调节，例如以减小电流和/或转矩振荡的幅度。
另外，如图43F所示，可以使第二星形开关装置378断开，以使得仅第一绕组386继续接收电力。在一些实施例中，第二星形开关装置378的断开可以基于电流过零点(例如，在电流过零点处或者早于电流过零点)而发生，以便减小电弧放电的可能性和/或幅度。
此外，可以使第二三角形开关装置382在第二星形开关装置378断开之后闭合，从而如图43G所示那样向第二绕组388提供电力。更具体地，当第二星形开关装置378断开时，定子磁场停止旋转，同时转子磁场的速度力量逐渐地减小。因此，等待太长而不闭合第二三角形开关装置382可能会增加浪涌电流和/或引起转子磁场穿过定子磁场，从而由于定子磁场和转子磁场试图同步而产生制动转矩的锯齿效应。
因此，在一些实施例中，第二三角形开关装置382的闭合定时可以是在第二星形开关装置378断开之后的短暂时延(例如，几毫秒或可配置的电角度数)，以减小转子磁场穿过定子磁场的可能性。例如，第二三角形开关装置382可以基于预测的电流过零点的位置而闭合。另外，第二三角形开关装置382的闭合定时可以使得由第二星形开关装置378的断开而产生的任何电弧放电能够在其闭合之前熄灭。例如，在一些实施例中，可以使第二三角形开关装置382在第一三角形开关装置380闭合之后的二百四十度电角度处闭合。
如图43H所示，可以使第三三角形开关装置384闭合。在一些实施例中，可以基于预测的电流过零点而闭合第三三角形开关装置384。一旦第三三角形开关装置384闭合，则以三角形配置经由闭合的开关装置380、382和384向三个电动机绕组386、388和390供给三相电力。因此，电动机24可以以三角形配置加速至全转矩能力。
尽管每个开关装置376、378、380、382和384被描述为顺序地断开或闭合，但在其他实施例中，开关装置中的一个或多个开关装置可以基本上同时断开或闭合。例如，在一些实施例中，可以使开关装置382和384基本上同时闭合。以此方式，可以消除临时转矩水平并且电动机可以更快地加速至满载。
在图44A中描述了用于控制星形-三角形起动器374以将电动机24从断开配置转变至星形配置以及三角形配置的处理398的一个实施例。通常，处理398包括：闭合第二星形开关装置378(处理框399)；以及在第二星形开关装置378闭合之后闭合第一星形开关装置376(处理框400)，以使电动机24以星形配置来运行。另外，处理398包括：断开第一星形开关装置376(处理框401)；在第一星形开关装置376断开之后闭合第一三角形开关装置380(处理框402)；断开第二星形开关装置378(处理框404)；在第一三角形开关装置380闭合之后闭合第二三角形开关装置382(处理框406)；以及在第一三角形开关装置380闭合之后闭合第三三角形开关装置384(处理框408)，以使电动机24以三角形配置来运行。在一些实施例中，处理398可以经由存储在非暂态制品(例如，存储器226、20、46和/或其它存储器)中的计算机可读指令来实现并且经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。
在一些实施例中，处理398可以在星形-三角形起动器374处于断开配置时开始，从而将电力与电动机24断开连接(例如，图43A)。为了以星形配置连接电动机24，控制电路18可以指示第二星形开关装置378闭合(处理框399)并且指示第一星形开关装置376在第二星形开关装置378闭合之后闭合(处理框400)。在一些实施例中，控制电路18可以指示星形开关装置376和378至少部分地基于预测的电流过零点和/或在彼此分开的可配置的电角度数处闭合。例如，控制电路18可以指示第二星形开关装置378在线间电压最大值(例如，预测的电流过零点)处闭合，并且指示第一星形开关装置376在六十度电角度后(例如，预测的电流过零点)闭合，从而减小浪涌电流和/或电流振荡的幅度。
从星形配置开始，控制电路18可以指示第一星形开关装置376断开(处理框401)。在一些实施例中，控制电路18可以指示第一星形开关装置376至少部分地基于电流过零点(例如，在电流过零点处或在电流过零点之前)而断开，这可以减小电弧放电并且可以延长第一星形开关装置376、电动机24、负载和/或其它连接的电气部件的寿命。
在第一星形开关装置376断开之后，控制电路18可以指示第一三角形开关装置380闭合(处理框402)。在一些实施例中，控制电路18可以指示第一三角形开关装置380至少部分地基于预测的电流过零点和/或在第一开关装置376断开之后的可配置的电角度数处闭合。例如，在一些实施例中，控制电路18可以指示第一三角形开关装置380在第一星形开关装置376断开之后的三十度电角度(例如，预测的电流过零点)处闭合。
然后，控制电路18可以指示第二星形开关装置378断开(处理框404)。在一些实施例中，控制电路18可以指示第二星形开关装置378至少部分地基于下一个后续电流过零点而断开，从而减小电弧放电和电流尖峰的可能性和/或幅度。
此外，在第一三角形开关装置380闭合之后，控制电路18可以指示第二三角形开关装置382闭合(处理框406)并且指示第三三角形开关装置384闭合(处理框408)。在一些实施例中，控制电路18可以指示第二三角形开关装置382和第三三角形开关装置384至少部分地基于预测的电流过零点和/或在第一星形开关装置376断开之后的可配置的电角度数处闭合。例如，控制电路18可以指示第二三角形开关装置382在第一三角形开关装置380闭合之后的二百四十度电角度(例如，预测的电流过零点)处闭合并且指示第三三角形开关装置384在第一三角形开关装置380闭合之后的四百二十度电角度(例如，预测的电流过零点)处闭合。
在一些实施例中，会期望迅速闭合第二三角形开关装置382，原因是定子磁场可能会在第二星形开关装置378断开之后停止。因此，在闭合第二三角形开关装置382之前等待较长的时段可能会导致转子磁场穿过定子磁场，这可能会引起电动机24中的电流尖峰和/或由于磁场试图同步而出现的转矩振荡(例如，锯齿效应)。
以此方式，控制电路18可以指示星形-三角形起动器374将电动机24从断开配置逐渐转变为星形配置和三角形配置。换言之，可以控制星形-三角形起动器374以通过顺序地断开/闭合开关装置376至384来逐渐地调节电动机24的速度和/或转矩。
另外，应该注意，所描述的电角度仅意在说明。事实上，在一些实施例中，电角度数可以由控制电路18和/或开关装置的固件至少部分地基于所供给的电力、应用(例如，负载)、环境因素(例如，灰尘、开关装置和/或负载的状况等)等来动态地调节。例如，如上所述，可以调节使开关装置断开/闭合的定时以减小电弧放电的可能性、电弧放电的幅度、电流振荡的幅度、转矩振荡的幅度、浪涌电流的幅度、电流尖峰的可能性、电流尖峰的幅度或其任意组合。另外，在一些实施例中，可以至少部分地基于在其中使用电动机24的应用的类型来调节定时。例如，当驱动冷却器时，由于长的延迟可能是不可接受的，因此被调节成较短。此外，可以至少部分地基于AC电力系统的功率因数来调节定时。
为了方便，可以按照三十度电角度的倍数(例如，三十、六十、九十等)、一百八十度电角度的倍数(例如，一百八十、三百六十)、三百六十度电角度的倍数、七百二十度电角度的倍数等来调节定时。事实上，延迟定时会使得电力能够稳定，从而减小电流振荡和/或电流尖峰的幅度。更具体地，较低幅度的电流振荡和/或电流尖峰可以改进定子磁场与转子磁场之间的调节。因此，在一些实施例中，每个后续断开/闭合的定时可以至少部分地基于供给至绕组386、388和390的电力何时稳定。
为了有助于说明，在图44B中描述了供给至电动机24的电流的幅度的曲线图409。更具体地，曲线图409包括电流曲线411，该电流曲线411描述了在电动机24以断开配置(例如，图43A)连接的t0至电动机24以三角形配置(例如，图43H)连接的t7之间供给至电动机中的绕组386、388和390的电流的幅度。
如由电流曲线411所描述的那样，供给至电动机24的电流的幅度在t0与t1之间为零。因此，在t0与t1之间，星形-三角形起动器374可以具有图43A所描述的配置，从而将电力与绕组386、388和390断开连接。另外，供给至电动机24的电流的幅度在t1处增加并且在t2之前达到稳定状态。因此，在t1与t2之间，星形-三角形起动器374可以具有图43B所描述的配置，从而以星形配置将电力连接至绕组388和390。此外，供给至电动机24的电流的幅度在t2处再次增加并且在t3之前达到稳定状态。因此，在t2与t3之间，星形-三角形起动器374可以具有图43C所描述的配置，从而以星形配置将电力连接至绕组386、388和390中的每一个。
如由电流曲线411所描述的那样，供给至电动机24的电流的幅度可以在t3处减小并且在t4之前达到稳定状态。因此，在t3与t4之间，星形-三角形起动器374可以具有图43D所描述的配置，从而将电力连接至处于星形配置的绕组388和390。另外，供给至电动机24的电流的大小可以在t4处增大并且在t5之前达到稳定状态。因此，在t4与t5之间，星形-三角形起动器374可以具有图43E所描述的配置，从而将电力连接至处于星形配置的绕组388和390以及处于三角形配置的第一绕组386。
此外，供给至电动机24的电流的幅度可以在t5处再次增大并且在t6之前达到稳定状态。在一些实施例中，在t5与t6之间，星形-三角形起动器374可以进行操作以使得：在第一时间处，以星形配置连接第二绕组388，以三角形配置连接第一绕组386以及以星形配置和三角形配置二者连接第三绕组390；以及在第二时间处，保持以星形配置连接第二绕组388，而以三角形配置连接绕组386和388。在其它实施例中，在t5与t6之间，星形-三角形起动器374可以进行操作以使得：在第一时间处，以三角形配置连接第一绕组386(例如，图43F)；以及在第二时间处，以三角形配置连接绕组386和388(例如，图43G)。
如由电流曲线411所描述的那样，供给至电动机24的电流的幅度可以在t6处增大并且在t7之前达到稳定状态。因此，在t6与t7之间，星形-三角形起动器374可以具有图43H所描述的配置，从而将电力连接至处于三角形配置的绕组386、388和390。因此，在所描述的实施例中，可以确定断开/闭合开关装置376至384的定时，以使得在电动机24稳定(电流的幅度达到稳定状态)之后执行后续的断开/闭合，从而减小由顺序切换所产生的电流尖峰、电流振荡和/或扭矩振荡的幅度。
此外，在一些实施例中，还可以利用POW技术来改进星形-三角形起动器374的顺序切换。如上所述，当利用POW技术时，星形-三角形起动器374可以至少部分地基于电流过零点和/或预测的电流过零点来前进通过顺序切换中的每一步。为了帮助说明，描述了电源12以及绕组386、388和390的电流波形和电压波形。
由于以星形配置连接绕组386、388和390实质上是连接三相电力，所以关于图5A至图5C，在t0与t2之间描述了从断开连接转变至星形配置的电流波形和电压波形。在该背景下，图5A示出了由电源12提供的三相电力的电压(例如，第一相电压曲线66、第二相电压曲线68和第三相电压曲线70)。图5B示出了供给至电动机24的每个端子的线与中性点间电压(例如，第一端子电压曲线72、第二端子电压曲线74和第三端子电压曲线76)。图5C示出了供给至电动机24的每个绕组的线电流(例如，第一绕组电流曲线77、第二绕组电流曲线78和第三绕组电流曲线80)。
如上所述，在t0至t1之间，开关装置376至384断开并且电力未被连接至电动机24。在t1处，闭合第一星形开关装置378以将电力的第一相(例如，相A)和第二相(例如，相B)连接至处于星形配置的第二绕组388和第三绕组390。为了减小浪涌电流和/或电流振荡的幅度，星形-三角形起动器374可以至少部分地基于预测的电流过零点(例如，在从略微在预测的电流电流过零点之前至略微在预测的电流过零点之后的范围内)来闭合第二星形开关装置278。
如上所述，预测的电流过零点可以与线间电压最大值(例如，在电压过零点之后的90°)对应，关于图5A，预测的电流过零点大约在第二相(例如，第二相电压曲线68)与第三相(例如，第三相电压曲线70)之间的线间电压为最大值时出现。因此，通过在t1处闭合第二星形开关装置278，电力大约在预测的电流过零点处被连接至第二绕组388和第三绕组390。事实上，如图5C所示，由于至少部分地基于预测的电流过零点而连接电力，所以供给至第二绕组388的电流(例如，第二绕组电流曲线79)和供给至第三绕组390的电流(例如，第三绕组电流曲线80)在零处开始并且逐渐地改变，从而减小了浪涌电流和/或电流振荡的幅度。
在第二星形开关装置378闭合之后，在t2处闭合第一星形开关装置376以将电力的第三相(例如，相C)供给至处于星形配置的第一绕组386。为了减小浪涌电流和/或电流振荡的幅度，星形-三角形起动器374可以至少部分地基于预测的电流过零点来将电力连接至第一绕组386。关于图5A，在第一相(例如，第一相电压曲线66)与第三相(例如，第三相电压曲线70)之间的线间电压与第一相(第一相电压曲线66)与第二相(例如，第二相电压曲线68)之间的线间电压之和为最大值时，预测的电流过零点出现。因此，通过在t2处闭合第一星形开关装置376，电力大约在预测的电流过零点处被连接至第一绕组386。事实上，如图5C所示，由于至少部分地基于预测的电流过零点而连接电力，所以供给至第一绕组386的电流(例如，第一绕组电流曲线78)在零处开始并且逐渐地改变，从而使电动机24旋转并减小了浪涌电流和/或电流振荡的幅度。
为了进一步说明，图45A至图45C描绘了用于从星形配置转变至三角形配置的电流波形和电压波形。具体地，图45A示出了供给至电动机24的每个端子的线与中性点间电压(第一端子电压曲线414、第二端子电压曲线412和第三端子电压曲线410)。另外，图45B示出了由电源12提供的三相电力的电压(例如，第一相电压曲线420、第二相电压曲线418和第三相电压曲线416)。图45C示出了供给至电动机24的每个绕组的线电流(例如，第一绕组电流曲线422、第二绕组电流曲线424和第三绕组电流曲线426)。
如上所述，在t3处断开第一星形开关装置376以将电力与第一绕组386断开连接。为了减小电弧放电的可能性和/或幅度，星形-三角形起动器374可以至少部分地基于电流过零点(例如，在电流过零点处或略微在电流过零点之前)来断开第一星形开关装置376。关于图45C，电流过零点在供给至第一绕组386的电流(例如，第一绕组电流曲线422)为零时出现。因此，通过在t3处断开第一星形开关装置376，可以大约在电流过零点处将电力与第一绕组386断开连接。
在断开第一星形开关装置376之后，可以在t4处闭合第一三角形开关装置380，以将电力连接至处于三角形配置的第一绕组386。为了减小浪涌电流和/或电流振荡的幅度，星形-三角形起动器374可以至少部分地基于预测的电流过零点(例如，在略微在预测的电流过零点之前至略微在预测的电流过零点之后的范围内)来闭合第一三角形开关装置380。关于图45B，预测的电流过零点出现在第一相(例如，第一相电压曲线420)与第三相(例如，第三相电压曲线416)之间的线间电压和第一相(例如，第一相电压曲线420)与第二相(例如，第二相电压曲线418)之间的线间电压之和为最大值时的t3与t4之间的中途。因此，通过在t4处闭合第一星形开关装置376，第一星形开关装置376略微在预测的电流过零点之后闭合。然而，如图45C所示，由于至少部分地基于预测的电流过零点而连接电力，所以供给至第一绕组386的电流(例如，第一绕组电流422)在零处开始并且逐渐地改变，从而减小了浪涌电流和/或电流振荡的幅度。
此外，在t4处，以混合的星形-三角形配置连接电动机绕组386至390。因此，如图45C所示，供给至绕组的电流(第一绕组电流曲线422、第二绕组电流曲线424和第三绕组电流曲线426)不平衡，这可能使以星形连接的绕组(例如，388和390)和以三角形连接的绕组(例如，386)产生不同的磁场。换言之，电动机24可能会不平衡、同时仍产生正转矩。
在第一三角形开关装置380闭合之后，可以在t5处断开第二星形开关装置378并且可以闭合第二三角形开关装置382，从而以三角形配置连接第二绕组388。为了减小电弧放电的可能性和/或幅度，星形-三角形起动器374可以至少部分地基于电流过零点来断开第二星形开关装置378。关于图45C，当供给至第二绕组388的电流(例如，第二绕组电流曲线424)和供给至第三绕组390的电流(例如，第三绕组电流曲线426)为零时，电流过零点出现。因此，通过在t5处断开第二星形开关装置378，可以大约在电流过零点处将第二绕组388和第三绕组390断开连接。
另外，为了减小浪涌电流和/或电流振荡的幅度，星形-三角形起动器374可以至少部分地基于预测的电流过零点来闭合第二三角形开关装置382。关于图45B，预测的电流过零点出现在第一相(例如，第一相电压曲线420)与第二相(例如，第二相电压曲线418)之间的线间电压最大值处。因此，通过大约在t5处闭合第二三角形开关装置382，电力大约在预测的电流过零点处连接至第二绕组388。事实上，如图45C所示，由于至少部分地基于预测的电流过零点而连接电力，所以供给至第二绕组388的电流(例如，第二绕组电流424)在零处开始并且逐渐改变，从而减小了浪涌电流和/或电流振荡的幅度。
在第一三角形开关装置380闭合之后，可以在t6处闭合第三三角形开关装置384。为了减小浪涌电流和/或电流振荡的幅度，星形-三角形起动器374可以至少部分地基于预测的电流过零点来闭合第三三角形开关装置384。关于图45B，当第一相(例如，第一相电压曲线420)与第三相(例如，第三相电压曲线416)之间的线间电压和第三相(例如，第三相电压曲线416)与第二相(例如，第二相电压曲线418)之间的线间电压之和处于最大值时，预测的电流过零点出现。因此，通过在t6处闭合第三三角形开关装置384，电力大约在预测的电流过零点处被连接至第三绕组390。事实上，如图45C所示，由于至少部分地基于预测的电流过零点而连接电力，所以供给至第三绕组390的电流(例如，第三绕组电流426)在零处开始并且逐渐改变，从而减小了浪涌电流和/或电流振荡的幅度。
因此，在所描述的实施例中，可以至少部分地基于电流过零点和/或预测的电流过零点来这样确定断开/闭合开关装置376至384的定时。如以上所讨论的那样，这可以有利于减小在开关装置闭合时的浪涌电流和/或电流振荡以及减小在开关装置断开时的电弧放电的可能性和/或幅度。以此方式，星形三角形起动器374可以利用顺序切换来逐渐地调节电动机24的速度和/或转矩，特别是在启动期间。
事实上，还可以基于期望的斜升持续时间、电动机24上的应变和/或负载上的应变之间的平衡来确定顺序切换的定时。例如，在一些实施例中，为了减小斜升持续时间，一旦所供给的电流的幅度稳定，星形-三角形起动器374就可以调节第一星形开关装置376至382的配置。另外，为了减小电动机24上的应力，星形-三角形起动器374可以在每个配置下保持不同的持续时间。例如，电动机24以星形配置运行的持续时间(例如，在t2与t3之间)可以比电动机24以混合的星形-三角形配置运行的持续时间(例如，在t3与t4之间)长。在一些实施例中，电动机24以第一混合的星形-三角形配置运行的持续时间(例如，在t4与t5之间)可以比电动机24以第二混合的星形-三角形配置运行的持续时间(例如，在t3与t4之间)长。
一旦处于三角形配置，星形-三角形起动器374会使得电动机24能够利用最大(例如，100％)转矩和/或最大(例如，100％)速度能力。换言之，与以星形配置运行相比，当以三角形配置运行时，可以提高电动机24的转矩和/或速度能力。然而，也可能会增加电动机24的电力消耗。因此，在某些情形下，有利的是，星形-三角形起动器374将电动机24从三角形配置转变回星形配置，从而减少了电力消耗。
在图46中示出了描述星形至三角形与三角形至星形之间的转变的处理428的一个实施例。通常，处理428包括与图44A所示的步骤相同的从星形至三角形的相序切换的步骤401至408。为了从三角形转变至星形，处理428包括：断开第三三角形开关装置384(处理框430)；断开第二三角形开关装置382(处理框432)；在第二三角形开关装置382断开之后闭合第二星形开关装置378(处理框434)；断开第一三角形开关装置380(处理框436)，以及在第二星形开关装置378闭合之后闭合第一星形开关装置376(处理框438)。在一些实施例中，处理428可以经由存储在有形非暂态制品(例如，存储器226、20、46和/或其它存储器)中的计算机可读指令来实现并且经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。
如先前所指出，当不利用POW技术时，星形-三角形起动器可以在短暂延迟(例如，毫秒)之后或者基本上同时地前进通过顺序切换中的每一步。另一方面，当利用POW技术时，星形-三角形起动器可以在可配置的电角度数之后和/或至少部分地基于电流过零点来前进通过星形两步起动和相序星形-三角形切换中的每一步。
现在转到处理428，再现以上参照图44A所描述的相序星形-三角形切换处理框(处理框401、402、404、406和408)，以便帮助理解该技术如何使得能够根据需要在星形与三角形之间来回顺序地进行切换。因此，图44A中的相序星形-三角形切换中的每个处理框的详细描述通过引用而合并于此。
因此，在处理框408，电动机24以三角形配置运行。从三角形配置开始，控制电路18可以指示第三三角形开关装置384断开(处理框430)并且指示第二三角形开关装置382断开(处理框432)。在一些实施例中，控制电路18可以指示第三三角形开关装置384和第二三角形开关装置382至少部分地基于电流过零点(例如，略微在电流过零点之前或在电流过零点处)断开，以减小电弧放电的可能性和/或幅度。附加地或替选地，控制电路18可以在电动机24以三角形配置运行时的任何时间处指示第三三角形开关装置384断开。例如，在一些实施例中，可以首先断开第三三角形开关装置384，随后断开第二三角形开关装置382。在其它实施例中，可以同时断开开关装置382和384二者。在断开开关装置382和384二者之后，电力仅连接至以三角形配置连接的第一绕组386。
在开关装置382和384断开之后，控制电路18可以指示第二星形开关装置378闭合(处理框434)。在一些实施例中，在星形开关装置断开之后，控制电路18可以指示第二星形开关装置378至少部分地基于预测的电流过零点而闭合。一旦第二星形开关装置378闭合，电动机就可以以混合的星形-三角形配置运行，在该混合的星形-三角形配置中，以三角形配置连接第一绕组386并且以星形配置连接绕组388和390。作为结果，如上所述，绕组电流可能会不平衡。
然后，控制电路18可以指示第一三角形开关装置380断开(处理框436)。在一些实施例中，控制电路18可以指示第一三角形开关装置380至少部分地基于电流过零点(例如，略微在电流过零点之前或在电流过零点处)断开，以减小电弧放电的幅度和/或可能性。断开第一三角形开关装置380可以从第一绕组386移除电力。因此，此时，可以以星形配置向绕组388和390供给电力。
另外，在第一三角形开关装置380断开之后，控制电路18可以指示第一星形开关装置376闭合(处理框438)。在一些实施例中，控制电路18可以指示第一星形开关装置376至少部分地基于预测的电流过零点而闭合。一旦第一星形开关装置376闭合，则电动机24可以以星形配置运行。作为结果，可以使绕组386、388和390中的电流达到平衡并且可以减小所消耗的电力量和所产生的转矩量。
应该注意的是，一旦电动机24以星形配置运行，处理428就使得能够通过返回至处理框401来相序切换回三角形配置。以此方式，星形-三角形起动器374可以根据需要转变以使电动机24以任一配置(例如，星形或三角形)来运行(如箭头440所示)。
在上述实施例中，在星形-三角形起动器374中使用五个开关装置。因此，上述星形-三角形起动器374在本文中可以被称为5极星形-三角形起动器。然而，在其它实施例中，可以通过增加星形-三角形起动器中所使用的开关装置的数量来增大对供给至电动机24的电力的控制量。例如，在一些实施例中，可以使用六个开关装置。因此，这样的星形-三角形起动器在本文中可以被称为6极星形-三角形起动器。如将在下面更详细地描述的那样，6极星形-三角形起动器可以通过使得开关装置能够在切换时轮流来进一步延长开关装置的使用寿命。
为了帮助说明，在图47A至图47G中描述了6极星形-三角形起动器442。为了简化下面的讨论，星型-三角形起动器442被描述为使用单极开关装置，诸如上述的单极单载流路径开关装置218。然而，附加地或替选地，任何其它适合的开关装置可以用在本文所描述的技术中。例如，在一些实施例中，可以使用具有偏置极的多极多载流路径开关装置(例如，三极接触器)。
如图5极星形-三角形起动器374一样，通过图47A至图47G的电路图442来定义。应当进一步注意的是，在下面描述的实施例中可以利用或者可以不利用波上点(POW)技术。如上所述，当利用POW技术时，传感器22可以监测(例如，测量)供给至电动机24的电力的特性(例如，电压或电流)。该特性可以被传达至控制和监测电路18以使得能够确定用于使开关装置在电力波形上的特定点处闭合和/或关断的定时。
如所描绘的，6极星形-三角形起动器442包括用于将三个电动机绕组456、458和460选择性地连接至三相电源(市电线462、464和466，其中每一条均承载单相电力)的六个开关装置444、446、448、450、452和454。在一些实施例中，第一星形开关装置444、第二星形开关装置446和第三星形开关装置448可以具有相同的操作特性。另外，第一三角形开关装置450、第二三角形开关装置452和第三三角形开关装置454可以具有相同的操作特性。例如，在一些实施例中，三角形开关装置450、452和454可以是单极单载流路径开关装置218，而星形开关装置444、446和448可以是电力电子开关装置，诸如硅控整流器(SCR)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、功率场效应晶体管(FET)和/或其它的双向器件。
在所描绘的实施例中，虚线用于表示非传导路径，而实线用于表示传导路径。同样地，图47A描述了以下情况：开关装置444、446、448、450、452和454中的每个开关装置均断开，从而将电力与绕组456、458和460断开连接。然后，星形-三角形起动器442可以使用两步起动顺序来转变至星形配置，如在图47B和图47C中所描述的那样。然后，从星形配置开始，星形-三角形起动器442可以使用相序切换来转变至三角形配置，如图47D至图47H所描述的那样。
使用6极星形三角形起动器442的相序星形-三角形转变中的步骤与图43A至图43G中示出的5极星形-三角形起动器374中的步骤基本上相同。然而，六级星形-三角形起动器使用三个星形开关装置(444、446和448)，而不是两个星形开关装置。因此，以星形两步起动来闭合星形开关装置的次序和以相序星形-三角形切换来断开星形开关装置的次序可能会改变。特别地，关于星形两步起动，为了使用三个星形开关装置向绕组提供电流，所述步骤中的一个步骤可以同时闭合两个星形开关装置，而另一个步骤可以闭合第三开关装置。例如，如图47B所示，开关装置446和448可以同时闭合以将绕组458和绕组460从线464连接至线466。随后，如在图47C中所示，第一星形开关装置444可以闭合，从而以星形配置连接绕组454、456和458。
一旦电动机24以星形配置运行，至三角形的相序切换就可以开始。如图5极星形-三角形起动器374一样，如图47D所示，可以断开星形开关装置444。接下来，如图47E所示，可以闭合第一三角形开关装置450从而以三角形配置连接第一绕组456。在开关装置450闭合之后，电动机24可以以混合的星形-三角形配置运行，在该混合的星形-三角形配置，以三角形连接第一绕组456并且以星形连接绕组458和460。然后，如图47F所示，可以例如顺序地或同时地断开剩余的两个闭合的星形开关装置446和448。随后，可以同时地或者如图47F和图47G所示那样一个接一个地闭合开关装置452和454。
应该注意的是，利用三个星形开关装置(444、446和448)可以通过追踪哪个(哪些)开关装置首先断开来实现磨损平衡。在一些实施例中，与后续断开的开关装置相比，首先断开的开关装置可能会经历较大量的磨损。因此，可以在后续的顺序星形三角形转变期间使首先断开的开关装置轮流以使开关装置上的磨损均等并且延长开关装置的使用寿命。在其它实施方式中，可以通过对次序进行随机化来统计地确定星形开关装置断开的次序，这可以省去永久存储器。
例如，在图47D至图47F所示的所描绘的实施例中，可以首先断开第一星形开关装置444，以将电力与第一绕组456断开连接。在某些实施方式中，连接至星形-三角形起动器的控制和监测电路18可以记录第一星形开关装置444首先断开。然后，在开始下一次相序星形-三角形切换时，控制和监测电路18可以确定第一星形开关装置444先前首先断开，并因而指示第二星形开关装置446或第三星形开关装置448首先断开。例如，由于开关装置444先前首先断开，所以在后续的星形至三角形转变中控制和监测系统18可以指示第二星形开关装置首先断开。
可以在从三角形配置相序切换回星形配置时执行类似的磨损平衡。例如，在一些实施例中，可以首先断开第一三角形开关装置450，以将电力与第一绕组456断开连接。在某些实施例中，连接至星形-三角形起动器的控制和监测电路18可以记录第一三角形开关装置450首先断开。然后，在开始下一次相序星形-三角形切换时，控制和监测电路18可以确定第一三角形开关装置450先前首先断开，并因而指示第二三角形开关装置452或第三三角形开关装置454首先断开。例如，由于开关装置450先前首先断开，所以在后续的三角形至星形转变中控制和监视系统18可以指示第二三角形开关装置452首先断开。
根据上述考虑，图48描绘了用于经由一系列起动进行星形-三角形电动机起动的处理468的实施例。通常，处理468包括：接收用以起动电动机的信号(处理框470)；选择要首先闭合和/或断开的开关装置(处理框472)；执行相序星形-三角形切换并且闭合和/或断开所选择的开关装置(处理框474)；以及记录哪个开关装置被选择并且首先断开和/或闭合(处理框476)。在一些实施例中，处理468可以经由存储在有形非暂态存储器226、20、46和/或其它存储器中的计算机可读指令来实现并且经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。
处理468可以针对执行各种切换操作的开关装置的各种配置来实现磨损平衡。然而，为了帮助说明，描述了与使用6极星形-三角形起动器442从星形配置至三角形配置的转变有关的处理468。例如，控制和监测电路18可以接收用以从星形配置转变至三角形配置的信号(处理框470)。如上所述，星形-三角形起动器442可以通过首先断开星形开关装置444、446或448来从星形配置转变至三角形配置。
因此，控制和监测电路18可以选择星形开关装置444、446和448中的一个星形开光装置首先断开(处理框472)。如上所述，控制和监测电路18可以至少部分地基于先前的断开操作来选择要首先断开哪个星形开关装置。例如，当在先前操作中首先断开第一星形开光装置444时，控制和监测系统18可以选择第二星形开关装置446或第三星形开关装置448首先断开。另外，如果这是第一次切换操作，则作为默认，控制和监测电路18可以选择星形开关装置444、446或448之一。
控制和监测电路18可以指示所选择的星形开关装置断开(处理框474)。此外，控制和监测电路18可以指示剩余的开关装置断开或闭合以执行从星形配置至三角形配置的转变。
此外，控制和监测电路18可以记录所选择的星形开关装置以利于在后续的切换操作中确定选择哪个开关装置(处理框476)。在一些实施例中，首先断开的开关装置可存储在存储器226、20或46中。以该方式，当接收到用以从星形配置转变至三角形配置的另一信号时，控制和监测电路18可以检索在先前操作中所使用的切换次序(箭头478)。
至少部分地基于先前切换次序，控制和监测电路18可以选择不同的星形开关装置444、446或448首先断开(处理框472)。随后，控制和监测电路18可以指示所选择的星形开关装置断开(处理框472)以及指示剩余的开关装置断开或闭合以执行从星形配置至三角形配置的转变。
此外，本文所描述的技术可以延伸至其它星形-三角形配置。例如，图49A和图49B分别描绘了8极星形-三角形开关布置和9极星形-三角形开关布置的电路图。具体地，图49A所描绘的电路图480a包括两个星形开关装置482和484、三个三角形开关装置486、488和490以及三个市电(mains)开关装置492a、494a和496a。同样地，图49B所描绘的9极星形-三角形起动器电路图498a包括三个星形开关装置500、502和504、三角形开关装置506、508和510以及三个市电开关装置512a、514a和516a。如在所描绘的实施例中所示，市电开关装置492a、494a、496a、512a、514a和516a在三角形布置内部。更具体地，市电开关装置492a、494a、496a、512a、514a和516a可以用作在需要时将绕组与市电电力隔离的断路开关。
在图49C和图49D中分别示出了8极星形-三角形开关布置和9极星形-三角形开关布置的其它实施例。具体地，图49C所描绘的电路图480b包括两个星形开关装置482和484、三个三角形开关装置486、488和490以及三个市电开关装置492b、494b和496b。同样地，图49D所描绘的9极星形-三角形起动器电路图498b包括三个星形开关装置500、502和504；三角形开关装置506、508和510以及三个市电开关装置512b、514b和516b。如在所描绘的实施例中所示，市电开关装置492b、494b、496b、512b、514b和516b在三角形配置外部。市电开关装置492b、494b、496b、512b、514b和516b可以用作将电动机24与市电电力隔离的断路开关。
除了在通过断开和闭合进行运行之前，可以闭合市电开关装置以向绕组提供电力以外，与上述5极星形-三角形开关布置和6极星形-三角形开关布置类似，8极星形-三角形开关布置和9极星形-三角形开关布置可以执行星形两步起动和相序星形-三角形切换。另外，8个单极开关布置和9个单极开关布置可以利用或者可以不利用POW技术来执行星形两步起动和相序星形-三角形定序。此外，由于通过利用单极开关装置实现的模块化，各种星形-三角形开关布置的物理布局可以是高度可配置的，这将在下面进一步详细讨论。
基于电动机转矩的相序切换
如以上所指出，星形-三角形起动器(例如，5极星形-三角形起动器374或6极星形-三角形起动器442)可以向电动机24供给电力以使电动机24以星形配置或三角形配置运行。应该注意的是，5极星形-三角形起动器374可以是6极星形-三角形起动器442的特殊情况。因此，可应用于5极星形-三角形起动器374的技术可以容易地适用于6极星形-三角形启动器442。
在一些实例中，当电动机24以星形运行时，电动机24可以使用较少的电力来产生第一(例如，较低)转矩水平，而当电动机24以三角形运行时，电动机24可以使用较大的电力来产生第二(例如，较高)转矩水平。换言之，使用星形-三角形起动器374来向电动机24供给电力实现了至少两种操作模式(例如，较少电力消耗较低转矩和较多电力消耗较高转矩)。
然而，存在期望使电动机24在两种操作模式之间的某处进行操作的实例。例如，可以期望产生比在以星形进行操作时所产生的转矩更多的转矩，但消耗比在以三角形进行操作时所消耗的电力更少的电力。相反，可以期望产生比在以三角形进行操作时所产生的转矩更小的转矩，但消耗比在以星形进行操作时所消耗的电力更多的电力。因此，星形-三角形起动器可以顺序地遍历混合的星形-三角形配置以根据需要增大或减小转矩水平和/或电力消耗。
为了帮助说明，图50A至图50F描述了5极星形-三角形起动器374的配置(例如，断开/闭合开关装置)以及由电动机24所产生的对应转矩水平。转到图50A，当第二星形开关装置378闭合时，星形-三角形起动器374可以将电力中的两相提供给电动机绕组388和390。然而，由于所产生的磁场无法开始旋转，所以仅供给电力中的两相不足以使电动机24旋转。因此，电动机24可以产生0％的电动机的潜在最大转矩水平(例如，在三角形配置下)并且消耗最少电力。
如图50B所示，当第一星形开关装置376和第二星形开关装置378闭合时，星形-三角形起动器274可以向电动机绕组386、388和390提供三相电力。更具体地，在该配置下，星形-三角形起动器374可以以星形配置向电动机24供给电力。因此，电动机24可以产生小于或等于33％的电动机的潜在最大转矩水平(例如，在三角形配置下)。另外，在一些实施例中，电动机24的电力消耗可以小于或等于33％的最大电力消耗(例如，在三角形配置下)。
如图50C所示，当第一星形开关装置376断开并且第二星形开关装置378保持闭合时，星形-三角形起动器374可以再次以星形配置将电力中的两相提供给电动机绕组388和390。然而，当电动机24已经开始旋转时，电力中的两相可以足以维持电动机24的旋转。因此，在该配置下，电动机24可以产生小于或等于22％的最大转矩水平，并且电力消耗可以下降至小于或等于22％的最大电力消耗。
如图50D所示，当第一三角形开关装置380闭合并且第二星形开关装置378保持闭合时，星形-三角形起动器374可以向电动机24提供三相电力。更具体地，电动机24可以混合的星形-三角形配置运行，其中，绕组388和390以星形连接并且第一绕组386以三角形连接。作为结果，电流波形可能会不平衡。然而，在该配置下，电动机24可以产生小于或等于最大转矩水平的55％的转矩并且电力消耗可以增加至小于或等于55％的最大电力消耗。
如图50E所示，当第三三角形开关装置384闭合并且开关装置380和378保持闭合时，星形-三角形起动器374可以保持向电动机24提供三相电力。更具体地，电动机24可以继续以混合的星形-三角形配置运行，其中，第一绕组386以三角形连接、第二绕组388以星形连接以及第三绕组390以三角形和星形二者连接。因此，在该配置下，电动机24可以产生小于或等于66％的最大转矩水平并且电力消耗可以增加至小于或等于66％的最大电力消耗。
如图50F所示，当第二星形开关装置378断开而开关装置380、382和384保持闭合时，星形-三角形起动器可以向具有三角形配置的电动机24提供三相电力。因此，在该配置下，电动机24可以产生小于或等于100％的最大转矩水平并且电力消耗可以增加至小于或等于100％的最大电力消耗。应该注意的是，在全部相序星形-三角形切换步骤之中，转矩处于相同的方向(例如，为正)。
因此，如上所述，星形-三角形起动器374可以通过逐渐地调节转矩(特别是在起动电动机24时)来利于减小电动机24和/或所连接的负载18上的应变。为了帮助说明，在图50G中描述了在使用星形-三角形起动器的顺序切换来起动电动机24时所产生的转矩的曲线图518。更具体地，电动机转矩曲线519描述了在t0与t7之间由电动机24所产生的转矩。在所描绘的实施例中，星形-三角形起动器374可以在t0与t1之间断开连接，在t1与t2之间处于图50A所描述的配置下，在t2与t3之间处于图50B所描述的配置下，在t3与t4之间处于图50C所描述的配置下，在t4与t5之间处于图50D所描述的配置下，在t5与t6之间处于图50E所描述的配置下以及在t6与t7之间处于图50F所描述的配置下。
因此，如由电动机转矩曲线519所描述的那样，由于未向绕组386、388和390供给电力，所以电动机24在t0与t1之间可以产生0％的电动机的潜在最大转矩水平。电动机24在t1与t2之间可以继续产生0％的电动机的潜在最大转矩水平。更具体地，如上所述，电力中的两相被供给至处于星形配置的绕组388和390。然而，两相可能不足以启动电动机24的旋转。
如由电动机转矩曲线519所描述的那样，在t2与t3之间，电动机24可以开始旋转并且产生转矩。更具体地，如上所述，在该配置下，绕组386、388和390可以以星形配置连接，从而使得电动机24能够产生小于或等于33％的最大转矩水平。在一些实施例中，以星形连接绕组386、388和390可以是稳定配置。因此，星形-三角形起动器374可以在较长持续时间内保持处于该配置。
另外，如电动机曲线519所描述的那样，在t3与t4之间，电动机24可以继续旋转但产生减小的转矩量。更具体地，如上所述，在该配置下，绕组388和390可以保持以星形配置连接。然而，由于电动机24已经在旋转，所以供给至绕组388和390的电力中的两相足以维持该旋转。在一些实施例中，当在较长时段内以该配置运行时，电动机24的旋转可能会开始减慢。因此，星形-三角形起动器374可以在较短持续时间内保持处于该配置。
此外，如由电动机转矩曲线519所描述的那样，在t4至t5之间，电动机24增大所产生的转矩。更具体地，如上所述，在该配置下，绕组388和390可以保持以星形连接而第一绕组386可以以三角形连接，从而使得电动机24能够产生小于或等于55％的最大转矩水平。在一些实施例中，由于电力被供给至绕组386、388和390中的每个绕组，所以该混合的星形-三角形配置可以是稳定的。因此，星形-三角形起动器374可以在较长持续时间内保持处于该配置。
如由电动机转矩曲线519所描述的那样，在t5与t6之间，电动机24可以再次增大所产生的转矩。更具体地，如上所述，在该配置下，绕组388可以保持以星形连接，第一绕组386可以保持以三角形连接以及第三绕组390可以以星形和三角形二者连接，从而使得电动机24能够产生小于或等于66％的最大转矩水平。在一些实施例中，由于电力被供给至绕组386、388和390中的每个绕组，所以该混合的星形-三角形配置可以是稳定的。因此，星形-三角形起动器374可以在较长的持续时间内保持处于该配置。
另外，如由电动机转矩曲线519所描述的那样，在t6与t7之间，电动机24可以再次增大所生成的转矩。更具体地，如上所述，在该配置下，绕组386、388和390均以三角形连接，从而使得电动机24能够产生小于或等于100％的最大转矩水平。在一些实施例中，以三角形连接绕组386、388和390可以是稳定配置。因此，星形-三角形起动器374可以在较长持续时间内保持处于该配置。
因此，在上述示例中，星形-三角形起动器374可以利用至少四种中间转矩水平来逐渐地斜升电动机24。事实上，用于产生中间转矩水平的配置的数量是稳定的。因此，除了仅斜升电动机24以外，星形-三角形起动器374可以以多个转矩受控的配置来操作电动机24。例如，当期望小于或等于55％的最大转矩时，星形-三角形起动器374可以闭合第二星形开关装置378和第一三角形开关装置380。
如上所述，电动机24的电力消耗可以与星形-三角形起动器374的配置相关联。例如，与以星形配置进行连接时相比，以三角形配置进行连接时电力消耗会更大。因此，当电动机24的期望转矩能够由较低的稳定配置产生时，星形-三角形起动器374可以转变至低稳定状态，从而减小电力消耗。
换言之，上述关于相序星形-三角形切换的步骤可以被反转(例如，从三角形转变至中间配置)，以减小电动机所产生的扭矩量和所消耗的电力量。也就是说，通过使所描述的相序星形-三角形步骤反转，可以使转矩和电力消耗逐渐减小。例如，在电动机以三角形配置运行时，第二三角形开关装置382可以断开并且第二星形开关装置378可以闭合。因此，电动机可以以混合的星形-三角形配置运行并且转矩可以减小至小于或等于66％的最大转矩水平，并且电力消耗可以减小至小于或等于66％的最大电力消耗。类似地，星形-三角形起动器374可以转变至中间配置(例如，稳定的中间配置和较不稳定的中间配置)中的任一种，以实现期望的转矩产生和电力消耗。
此外，上述步进式电动机转矩和电力消耗渐进式星形-三角形相序切换向不同的应用提供了各种益处。例如，与立即将水泵打开至全量并且使水冲过管道相反，水泵可以使用所公开的技术来在从星形切换至三角形时缓慢地增大转矩，从而缓慢地增加输送至管道的水量。这可以增加管道的使用寿命。另外，会期望使某些负载处于省电模式但仍使电动机保持运行。因此，如果电动机24以三角形运行，则它可以如上所提及的那样使顺序步骤反转并且使所消耗的电力量斜降直到达到期望量为止。如可以理解，本文所公开的技术使得能够通过在相序转变中利用单极装置(例如，单极单载流路径开关装置218)来根据需要配置电动机24所产生的转矩量和所消耗的电力量。
因此，电动机起动器的配置(例如，哪些开关装置断开以及哪些开关装置闭合)可以基于期望的输出转矩水平或期望的电力消耗。因此，在图51A中示出了用于基于期望的转矩水平来确定电动机起动器中的开关装置的配置的处理520的一个实施例。通常，处理520包括：选择期望的转矩水平(处理框522)；基于期望的转矩水平来确定电动机起动器的配置(处理框524)；以及设置配置(处理框526)。在一些实施例中，处理框520可以经由存储在非暂态制品(例如，存储器226、20、46和/或其他存储器)中的计算机可读指令来实现并且经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。
因此，控制电路18可以确定要由电动机24产生的期望的转矩水平(处理框522)。更具体地，在一些实施例中，期望的转矩水平可以由用户输入至控制电路18。在其它实施例中，可以在控制电路18中预先配置期望的转矩水平。例如，可以启动某些负载，并且控制电路18可以在一段时间内递增地增加所产生的转矩量，以便逐渐地斜升至以三角形所产生的100％的转矩。替选地，会期望在负载已运行达一定时间段的情况下减小负载正在产生的转矩量，因而，控制和监测电路18可以选择要产生的减小的转矩水平。
在任何实施例中，在确定期望的转矩之后，控制和监测电路18可以基于期望的转矩水平来确定要应用的配置(处理框524)。如以上参照图50A至图50F所描述的那样，相序切换的每一步均可以产生不同的转矩量。例如，当电动机以向所有三个绕组供给三相电力的星形配置运行时，可以产生小于或等于33％的转矩(图50B)。当电动机以两个绕组为星形的形式并且一个绕组为三角形的形式的混合的星形-三角形配置运行时，可以产生小于或等于55％的转矩(图50D)。此外，当一个绕组为三角形的形式、一个绕组为星形的形式以及一个绕组为星形和三角形两种形式时，可以产生小于或等于66％的转矩(图50E)；以及当电动机以三角形运行时，可以产生小于或等于100％的转矩(图50F)。因此，控制和监测电路18可以选择实现期望的转矩水平的配置。
在替选实施例中，如果期望的转矩不是可能选项中的确切一项，则控制和监测电路可以确定哪个配置更接近地实现了期望的转矩。例如，控制和监测电路18可以基于不同的配置提供了哪些可用转矩值来使该转矩上舍入或下舍入。更具体地，如果用户期望电动机24产生40％的转矩并且最接近的两个可用转矩选项为33％和55％转矩产生，则控制和监测电路18可能会下舍入至33％，原因是33％比55％更接近40％。作为结果，控制和监测电路18可以选择应用图50B所描绘的星形配置来实现与期望的40％的转矩最接近的转矩。附加地或替选地，控制和监测电路18可以上舍入至55％的转矩以确保提供足够的转矩。
在又一实施例中，控制和监测电路18可以在任何两种转矩状态之间周期性地交替，以实现期望(例如，中间)的转矩水平。更具体地，在两种转矩状态中的每种转矩状态下的持续时间可以调节所得到的转矩水平。例如，为了产生60.5％的转矩水平，控制和监测电路18可以使星形-三角形起动器374以50％占空比在产生55％的转矩的第一混合的星形-三角形配置下进行操作并且以50％占空比在产生66％的转矩的第二混合的星形-三角形配置下进行操作。以此方式，可以产生各种中间转矩水平，这对于像长输送线和长段管道(例如，水锤)那样的高惯性负载而言尤其有用。
一旦配置被确定，控制和监测电路18就可以通过指示开关装置断开或闭合来设置所选择的配置以实现所确定的配置(处理框526)。应该注意的是，在一些实施例中，所确定的配置可以用POW技术来实现。如上所述，利用POW技术可以延长开关装置的使用寿命。
还应该注意的是，在一些实施例中，可以根据相序星形-三角形切换来断开或闭合开关装置。换言之，控制和监测电路18可以确定每个开关装置的状态(例如，断开或闭合)并且可以顺序地指示每个开关装置断开、闭合或保持其当前状态。为了帮助说明，如果选择了55％的转矩水平并且起动电动机，则控制和监测电路18可以根据相序切换来顺序地断开和闭合开关装置，以设置电动机处于实现55％的转矩水平的混合的星形-三角形配置。同样地，如果电动机正在以三角形(例如，100％的转矩)运行并且较低的转矩被选择，则控制和监测电路18可以确定不同的配置并且通过反转相序星形-三角形切换中的步骤来设置不同的配置。附加地或替选地，一旦配置被确定，控制和监测电路18就可以以任何次序(例如，同时地)指示开关装置实现该配置。
类似地，在图51B中示出了用于基于期望的电力消耗来确定电动机起动器中的开关装置的配置的处理530的一个实施例。通常，处理530包括：选择期望的电力消耗(处理框532)；基于期望的电力消耗来确定电动机起动器的配置(处理框534)；以及设置该配置(处理框536)。在一些实施例中，处理530可以经由存储在非暂态制品(例如，存储器226、20、46和/或其它存储器)中的计算机可读指令来实现并且经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。
可以理解，处理530包括与处理520的处理步骤相同的处理步骤中的许多步骤。具体地，控制和监视电路18可以确定期望的电力消耗(处理框532)。在一些实施例中，控制和监测电路18可以基于负载的类型、预配置的电力模式(例如，省电模式)和电力消耗计划等来选择电力消耗水平。例如，控制和监视电路18可以基于可用的电力量来确定电力消耗量。换言之，如果控制和监测电路18确定较高的电力量可用，则控制和监测电路18可以确定可以使用最大电力消耗。另一方面，如果控制和监测电路18确定较低的电力量可用，则控制和监测电路18可以确定应当使用小于最大值的电力消耗。
如参照图50A至图50F所描述的那样，星形-三角形起动器的每个不同的配置可以导致不同的电力消耗。因此，控制和监测电路18可以基于期望的电力消耗水平来确定电动机配置(处理框534)。也就是说，控制和监测电路18可以选择消耗期望的电力量的配置(例如，星形、混合的星形-三角形、三角形等)。然后，控制和监测电路18可以指示开关装置实现所确定的配置。
基于以上内容，所描述的技术使得能够通过断开和闭合电动机起动器中的开关装置来运行具有不同的转矩水平和不同的电力消耗的星形-三角形电动机起动器。
操作者发起的波上点切换
如在本文所描述的各种操作中所使用的那样，开关装置218可用于将电力与负载14选择性地连接和/或断开连接。例如，在闭合操作中，开关装置218可用于以减小电弧放电的方式将三相电力连接至电动机24。更具体地，如上所述，两相可以在与预测的电流过零点对应的第一时间处被连接，以及第三相可以是基于后续的预测的电流过零点而连接的。换言之，开关装置218可以在电力波形上的特定点处闭合。
在一些实施例中，各种操作可以由操作者发起。例如，操作者可以经由控制和监测电路18上的人机接口来指示开关设备16将电力连接至负载14。因此，可以在操作期间的任何适当时间经由网络21来接收操作者指令。换言之，可以与电力与负载是连接还是断开连接无关地接收不同的操作者指令。因此，为了在电力波形上的特定点处执行操作者发起的操作，控制和监测电路18可以考虑何时接收到操作者指令的不可预测性。
为了帮助说明，图52描绘了在操作者发起的闭合操作期间由电源12供给的电力中的一相的源电压波形540。如上所述，可以与源电压540无关地接收用于闭合的操作者指令。换言之，在所描绘的实施例中，可以在tR之前的某一时间接收操作者指令。为了考虑接收操作者指令的不可预测的定时，可以选择将来的参考点542。在所描绘的实施例中，参考点542与tR处的电压过零点(例如，预测的电流过零点)对应。换言之，可以使用任何适当的参考点。
根据参考点542，可以执行闭合操作。更具体地，如上所述，处理器224可以确定开关装置218的预期闭合时间544。处理器224可以确定特定点546，该特定点546比参考点542晚了至少预期闭合时间，以使得开关装置218能够在特定点546处闭合。另外，处理器224可以确定何时向操作线圈220施加电流分布(例如，引入电流)以使其在期望点546处闭合并且指示操作电流在预定时间施加电流分布。
更一般地，在图53中示出了用于执行操作者发起的操作的处理548。处理548可以经由存储在有形非暂态存储器226、20、46和/或其它存储器中的计算机可读指令来实现并且经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。通常，处理548包括；接收操作者指令(处理框550)；确定电力波形(处理框552)；选择参考点(处理框554)；以及发起操作(处理框556)。
在一些实施例中，控制和监测电路18可以在操作期间的任何适当时间经由诸如键盘或按钮的人机接口来接收操作者指令(处理框550)。更具体地，操作者指令可以包含执行特定操作的指令。例如，操作者可以指示星形-三角形起动器374从星形转变至三角形。因此，控制和监测电路18可以基于操作者指令来确定要执行什么操作。
另外，如上所述，可以通过使开关装置218在电力波形上的特定点处闭合和/或关断来执行操作。因此，控制和监测电路18可以基于传感器测量反馈来确定电力波形(处理框552)。更具体地，控制和监测电路18可以基于将执行的操作来确定特定电力波形。例如，当该操作是闭合操作时，控制和监测电路18可以确定源电压波形。另外，当该操作是关断操作时，控制和监测电路18可以确定当前电压波形。
应该注意的是，尽管所描绘的实施例描绘了响应于操作者指令来确定电力波形，但附加地或替选地，控制和监测电路18可以连续地确定电力波形。换言之，可以与是否接收到操作者指令无关地来确定电力波形。例如，控制和监测电路18可以在整个操作中确定源电压波形和源电流波形。在一些实施例中，连续地确定电力波形可以实现对电源12、开关装置218、负载14或其任何组合的诊断。
然后，控制和监测电路18在电力波形上选择将来的参考点542(处理框554)。如上所述，参考点可用于考虑操作者指令的不可预测的定时。因此，在一些实施例中，参考点542可以是基于可重复准则而选择的以使得能够从可预测的起动点开始发起操作。例如，参考点542可以选自电力波形上的未来的电压过零点。
根据参考点，控制和监测电路18可以发起操作(处理框556)。更具体地，控制和监测电路18可以确定哪个开关装置218将用于执行该操作，更具体地，确定哪个操作线圈驱动电路222将用于执行该操作。另外，控制和监测电路18可以针对每个开关装置218确定期望的闭合时间和/或期望的关断时间。如上所述，期望的闭合时间和期望的关断时间可以是电力波形上的特定点。换言之，控制和监视电路18可以在波形上的特定点处协调各种开关装置218的切换以执行该操作。如本文所描述的那样，该操作的示例可以包括：闭合开关装置218、断开开关装置218、从星形转变至三角形、从三角形转变至星形、设置特定转矩或电力水平、使电动机24反转或为诸如电动机驱动器设旁路的负载。
应该注意的是，存在当试图在电流过零点之前关断时和/或当设置闭合和关断开关装置的电角度间隔时可以考虑的某些不对称边界条件。例如，如果所选择的参考点或电角度数实际上导致断开发生在电流过零点之后，则可能存在不利的结果。事实上，在关断时错过电流过零点标记可能会由于增加电流的半工频周期(half line cycle)在断开开关装置期间被施加而增大电弧放电，并且较强的电弧可能会阻止开关装置断开。因此，与错过电流过零点之后的标记相反，会期望错过除电流过零点之外的标记并且在电流在半周期上向下趋于电流过零点时断开。
附加地或替选地，控制和监测电路18可以基于操作者指令的重要性来确定是否执行处理548。例如，尽管开关装置218可以在波形上的特定点处关断，但会期望尽可能快地从负载14移除电力。换言之，控制和监测电路18可以确定操作者指令的重要性并且将该重要性与在波上的任何点处执行该操作的后果相权衡。
同步重新闭合
如上所述，可以使用一个或多个开关装置218来将电力与电动机24连接和/或断开连接。例如，可以连接电力以使电动机24旋转。一旦电动机24自旋，可以出于各种原因而将电力与电动机24断开连接。即使移除了电力，电动机24和由电动机致动的任何负载(例如风扇47、传送带48或泵50)的动量可以使电动机24保持旋转，同时摩擦力开始使电动机24减慢。由于电动机24继续旋转，所以产生了反电动势(EMF)。换言之，电动机24用作发电机以产生具有变化频率的电压(例如，反EMF)。
为了重新起动电动机24，可以将电力重新连接至电动机24。在一些实施例中，会期望尽可能快地重新起动电动机24。例如，如果冷却器54中的电动机24完全停止，则冷却器54中的气体和液体制冷剂可能会发生置换。因此，重新起动电动机24可能会采用不便的时间段。因此，可能会在电动机24仍旋转时重新连接电力。如上所述，电动机24在其旋转时产生具有与其旋转频率相当的变化频率的反EMF。然而，由于频率变化，所以反EMF和要被重新连接至电动机24的电力可能会异相。在一些实施例中，当在电力滞后反EMF时重新连接电力时，在电动机24中可能会产生负转矩，这可能会缩短电动机和/或所连接的负载的使用寿命或者引起使保护电路跳闸的浪涌电流。
因此，本公开内容的一个实施例描述了一种用于同步地将电力重新闭合(即，重新连接)至电动机24的方法。更具体地，该方法包括：在源电力或反EMF越过零伏特(即，电压过零点)时启动计数器；以及在下一后续的电压过零点处使计数器停止。另外，该方法包括：监视计数器值趋势以确定是源电力超前还是反EMF超前。此外，该方法包括：至少部分地基于计数器值趋势来在源电力超前于反EMF时重新连接源电力。更具体地，可以在计数器值趋势中的局部最小值处或之后重新连接源电力。换言之，计数器值趋势中的局部最小值可以指示源电力何时从滞后于反EMF切换至超前于反EMF。因此，在局部最小值处或之后重新连接有利于在源电力超前于反EMF时重新连接源电力，这减小了在重新闭合时产生负转矩的可能性。因此，有利的是，一旦电动机被断开连接就开始使用计数器来监视电压过零点，以减小在重新闭合时电力与EMF异相180°的可能性。
为了帮助说明，图54是描绘针对一相的源电力电压波形558与反EMF电压波形560的曲线图。可以理解的是，针对三相电力中的其它两相的波形将偏移120度。在一些实施例中，可以基于监测电源12处的电压的传感器22和监测电动机24处的电压的传感器22采集的测量结果来确定波形。另外，图54描绘了计数器值562。
如所描绘的那样，源电压558和反EMF电压560具有不同的频率。因此，随着时间推移，源电压558和反EMF电压560将漂移并且彼此异相。例如，在t1处，源电压558超前于反EMF电压560。随着相位彼此相向漂移，在t4处，源电压558从超前于反EMF电压560转变为滞后于反EMF电压560。如本文中所使用的那样，“超前”通常意在描述一个波形在后面波形之前的0度至180度之间时，而“滞后”通常意在描述一个波形在前面波形之后的0度至180度之间时。
因此，为了利于在源电压558超前于反EMF电压560时重新连接源电力，控制和监测电路18(例如，处理器224)可以确定源电压558何时从滞后转变为超前。在一些实施例中，控制和监测电路18可以利用计数器(诸如包括在处理器224中的自运行计数器(FRC))，以利于跟踪转变。
更具体地，可以在源电压558过零点或反EMF电压560过零点处起动计数器。计数器可以继续计数直到到达后续的电压过零点为止。例如，t1处的源电压558过零点使计数器启动。随着计数器运行，计数器值562继续增加。计数器在下一个后续的电压过零点处停止，该下一后续电压过零点是t2处的反EMF电压560过零点。在t2之后，计数器值562被复位。因此，计数器值562可用于指示相邻电压过零点之间的时间差。换言之，t2处的计数器值562指示源电压558已超出反EMF电压560的超前(例如，t1与t2之间的时间差)。由于源电压558的频率高于反EMF电压560的频率，所以源电压超出反EMF电压560的超前继续增加。因此，如所描绘的那样，当源电压558超前时，计数器值562的趋势是不断增加。
应该注意的是，计数器可以在任何后续的电压过零点处停止。例如，t3处的源电压558过零点使计数器启动并且计数器值562增大直到t4处的后续的源电压558过零点为止。换言之，利用同一电压波形启动和停止计数器。因此，t4处的计数器值562为最大并且与源电压558的周期的一半(例如，180度)对应。换言之，源电压558比反EMF电压560超前了不止180度。因此，基于上述定义，源电压558已转变为滞后于反EMF电压560。换言之，计数器值562趋势中的局部最大值指示源电压558从超前于反EMF电压560转变为滞后于反EMF电压560。
因此，在t4之后，源电压558滞后于反EMF电压560。如上所述，源电压558的频率高于反EMF电压560的频率。换言之，源电压558落后于反EMF电压560的滞后继续减小。因此，如所描绘的那样，当源电压558滞后时，计数器值562的趋势是不断减小。
随着滞后量继续减小，源电压558最后超过反EMF电压560，并且转变为超前反EMF电压560。类似于从超前转变为滞后，从滞后到超前的转变可以基于计数器值562趋势。例如，最小滞后量在t5处出现。因此，如所描绘的那样，第一最小计数器值562在t5处出现。因此，源电压558将在此后立刻转变为超前于反EMF电压560。另外，如所描绘的那样，第二最小计数器值562在t6处出现，原因是源电压558已转变为略微超前反EMF电压560。换言之，计数器值562趋势的局部最小值指示源电压558从滞后于反EMF电压560转变为超前于反EMF电压560。
因此，可以至少部分地基于计数器值562来在源电压558超前于反EMF电压560时将电力重新连接至电动机24。在图55中示出了用于将电力重新连接至电动机24的处理456的一个实施例。通常，处理564包括：在源电压过零点或反EMF电压过零点处启动计数器(处理框566)；在下一源电压过零点或反EMF电压过零点处使计数器停止(处理框568)；监视计数器值趋势(处理框570)；以及在计数器值趋势中的局部最小值之后重新连接电力(处理框572)。
在一些实施例中，包括在操作线圈驱动电路222中的处理器224可用于执行处理564。如上所述，所使用的计数器可以包括在处理器224中。因此，处理器224可以在其检测到源电压558过零点或反EMF电压560过零点时启动计数器(处理框566)。另外，处理器224可以在其检测到下一后续的源电压558过零点或反EMF电压560过零点时使计数器停止(处理框568)。为了有利于检测电压过零点，监测电源12和/或电动机24处的电压的传感器22可以反馈测量结果，以使得处理器224能够确定源电压558和反EMF电压560。
另外，处理器224可以监视计数器值562的趋势(处理框570)。更具体地，处理器224可以将每次计数器停止时的计数器值562存储在例如存储器226中。另外，处理器224可以存储与每个计数器值562何时停止对应的时间。因此，处理器224可以通过查看先前所存储的计数器值562来确定计数器值562的趋势。例如，可以按时间顺序存储第一计数器值、第二计数器值以及第三计数器值。因此，当第二计数器值小于第一计数器值和第三计数器值时，处理器224可以确定局部最小值出现在与第二计数器值对应的时间处。另一方面，当第二计数器值高于第一计数器值和第三计数器值，处理器224可以确定局部最大值出现在与第二计数器值对应的时间处。
基于计数器值562趋势，可以在局部最小值之后重新连接电力(处理框572)。如上所讨论的那样，处理器224可以确定局部最小值何时出现。因此，一旦检测到局部最小值，处理器224就可以将电力重新连接至电动机24。在一些实施例中，处理器224可以指示操作线圈驱动电路222重新闭合开关装置218，这可以包括将操作线圈电流250设置为引入电流。更具体地，一旦确定源电压558超前，则处理器224就可以如上所述那样执行处理258以基于例如预测的电流过零点在期望的闭合时间处重新闭合开关装置218。附加地或替选地，可以使用用于重新连接电力的其它装置，诸如绝缘栅双极晶体管。
如上所述，当计数器值562的趋势是不断增大时，源电压558超前于反EMF电压560。因此，如果在t1至t4之间闭合开关装置218，则将在源电压558超前于反EMF电压560时重新连接电力。然而，源电压558超前于反EMF电压560的量可能会影响当重新连接电力时电动机24中所产生的正转矩的增加。因此，为了限制所产生的正转矩，可以使用阈值计数器值。例如，如果趋势是不断增加(例如，在局部最小值之后)并且计数器值562小于阈值，则可以闭合开关装置218。另一方面，如果计数器值562大于阈值，则开关装置218可以等待后续的局部最小值以闭合。
另外，如在前面部分中所讨论的那样，开关装置218的闭合操作通常不是瞬时的。换言之，与检测到局部最小值时相比，源电压558可以比反EMF电压560超前更大量。在大多数实施例中，在源电压558比反EMF电压560超前0度至90度之间的量时所产生的转矩量将不会对电动机24产生负面影响。因此，可以减小阈值计数器值以考虑延迟。
然而，在一些实施例中，处理器224可以预测计数器值562的局部最小值将何时出现。更具体地，处理器224可以基于电动机24所致动的负载来预测下一局部最小值。例如，当电动机24正在致动泵50时，电动机24可以根据平方对数曲线(square log curve)而减慢。因此，处理器224可以确定电动机所产生的反EMF电压560的频率将如何改变，然后这可以用于预测下一局部最小值将何时出现。
事实上，在一些实施例中，处理器224可以至少部分地基于局部最小值出现之处来确定电动机24正在致动的负载的类型。例如，当局部最小值的出现快速地减少时，处理器224可以确定反EMF电压560的频率快速地减小。因此，处理器224可以确定负载的惯性的相对幅度。
可以理解，上述技术可用于重新连接电力的多个相。例如，可以关于每个相来独立地执行处理564。附加地或替选地，由于源电压558和反EMF电压560的每个相将成比例地彼此偏移(例如，120度)，所以可以在单个相上利用计数器。更具体地，当处理器224确定源电压558的一个相超前于反EMF电压560时，源电压558的其它相也将是超前的。因此，在一些实施例中，可以基本上同时连接每个相。因此，这在断开非顺序星形-三角形起动器中是有用的。例如，在星形连接断开之后，电动机24将继续旋转。为了闭合三角形连接，处理器224可以通过检查单个相来确定源电压558何时超前于反EMF电压560。
基于切换的电动机状况检测
利用单极开关装置(例如，上述的单极单载流路径开关装置218)可使得能够增大对供给至电动机24的电力的控制量。例如，单极开关装置可使得能够独立地控制所供给的三相电力中的每个相，这会使得能够检测故障(例如，单相接地短路或相间短路)，同时使故障状况的持续时间和在故障状况期间出现的能量最小。如将在本文中详细地描述的那样，在一些实施例中，可以通过在正弦波形上与电压过零点对应的点处向电动机24施加非常短暂的低电压脉冲(例如，低于线电压)来检测故障(例如，短路)。可以施加该脉冲达足以进行故障检测的最短时间。因此，如果短路存在，则由于低电压和短持续时间而能量保持相对小。作为结果，可以在不使任何所连接的断路器跳闸的情况下清除故障，并且可以减少对电动机24及其绕组的不利之处。
可以使用所公开的技术来检测的故障电动机状况的示例包括单相接地短路、相间短路和相间开路等。单相接地短路可能会在例如电动机的绕组中对地的绝缘劣化并且电流流向地时出现。相间短路可能会在各相在没有任何负载或电阻的情况下接触时(例如，在导线被不当地连接(例如，两相用导线连接在一起)时，在外部对象被放置在导线的两端时以及两个电动机绕组短路等时)出现。另外，相间开路可能会在电动机中的绕组被断开连接或以其它方式开路时出现。
为了确定是否存在这样的故障，可以采用在本文中被称为“测错(sniffing)”的技术。通常，如将在下面更详细地描述的那样，测错可以被定义为暂时地连接电力的一相以针对单相接地短路进行测试以及/或者暂时地连接电力的两相以针对相间故障进行测试。根据正在启动的负载，这些技术可以在每次启动之前被执行或者可以在多次启动之间或在新安装或修订的安装的试运行期间间歇地被执行。
在启动之前使用这些技术的益处在于可以通过向负载(例如，电动机24)供给电力以有利于保护电路处理潜在的故障电流来延长负载的使用寿命。事实上，在一些实施例中，在测错处理期间可以使用不同的跳闸行为。例如，保护电路可以在测错时使用更高保护方案(例如，更敏感)而在此之后返回至正常保护方案。以此方式，保护电路可以更有效地减轻在测错期间的任何可能的故障检测结果。
根据上述考虑，图56A和图56B分别是用于利用单极开关装置来检测电动机状况的电路的图解表示和对应的时序图。尽管对单极单载流路径开关装置进行了描述，但可以使用任何其它类型的开关装置，诸如三相偏置极开关装置。
如在电动机系统574中所示出的那样，电源12经由三个单极开关装置(576、578和580)向电动机24提供三相电力，一个单极开关装置针对每一相。应该注意的是，单极开关装置可以包括上述的单极单载流路径开关装置(例如，接触器、继电器等)。附加地或替选地，可以使用单极多载流路径开关装置。每一相可以经由单独的电动机端子连接至电动机24上的单独绕组。此外，电动机24可以连接至地582。
在一些实施例中，单极开关装置的操作(例如，断开或闭合)可以由控制和监测电路18来控制。换言之，控制和监测电路18可以指示单极开关装置(576、578和580)来对电力进行连接或断开连接。另外，如所描绘的那样，控制和监测电路18可以远离单极开关装置(576、578和580)。换言之，控制和监测电路18可以经由网路21可通信地耦接至单极开关装置(576、578和580)。在一些实施例中，网络21可以利用各种通信协议，诸如DeviceNet、Profibus或以太网。网络21还可以将控制和监测电路18可通信地耦接至系统574的其它部分，例如其它控制电路或人机接口(未示出)。附加地或替选地，控制和监测电路18可以包括在单极开关装置(576、578和580)中或者例如经由串行线缆直接耦接至单极开关装置。
此外，如所示，从单极开关装置(576、578和580)输出的电力可以由传感器22来监测。更具体地，传感器22可以监测(例如，测量)电力的特性(例如，电压或电流)。因此，传感器22可以包括电压传感器和电流传感器。另外，传感器22所测量的电力的特性可以被传达至控制和监测电路18以生成描绘电力的波形(例如，电压波形或电流波形)。基于传感器22对从单极开关装置(576、578和580)输出并且供给至电动机24的电力进行监测而生成的波形可以用在反馈回路中以例如监视电动机24的状况。
例如，传感器22可以感测在单极开关装置(576、578和580)中的任一个闭合时电流是否流动并且向控制和监测电路18报告该信息。如果电流流动，则控制和监测电路18可以通过生成对电流的变化(di)与时间的变化(dt)的比值进行分析的曲线图来确定有多少电流正在流动，电流的变化(di)与时间的变化(dt)的比值可以被称为“di/dt斜率”。在一些实施例中，控制和监测电路18可以查看电压的变化(dv)与时间的变化(dt)的比值来确定电流。如将在下面详细地说明的那样，感测电流是否流动并且确定电流的变化(例如，di/dt斜率)可以使得能够检测是否存在单相接地故障或相间故障。
现在转到可以在一些实施例中用来检测单相接地故障的测错处理的操作，控制和监测电路18可以利用POW技术来确定波形上的用于在电压过零点前面闭合的期望点。也就是说，针对电源12输出的每个相，控制和监测电路18可以对相电压进行分析以确定其何时越过电压波形上的零，并且挑选用于在过零点之前的几个电角度闭合的期望点。然后，控制和监测电路18可以通过在波上的期望点处闭合开关装置并且迅速地(例如，毫秒)断开单极开关装置来向电动机24施加非常短暂的低线电压脉冲(例如，低于线电压)。在电压过零点前面的几个电角度(例如，在AC波形上的正半周期的向下斜坡上)闭合的一个原因是使得在由于低电压和短暂的闭合持续时间而短路存在的情况下能量保持较小。如果传感器22感测到任何电流(例如，非零)，则单相接地故障可能存在，这是因为接地已使电路闭合并且电流正在流动。然而，如果传感器22感测到零电流，则可能不存在单相接地故障。
可以利用该处理来单独地测试每个相，例如，控制和监测电路18可以确定相A波形上的用于在电压过零点前面闭合的期望点，然后向单极开关装置576发送用于使其相应地闭合的信号。此后，非常迅速地(例如，几毫秒)，控制和监测电路18可以指示单极开关装置576断开并且可以向控制和监测电路18通知传感器22是否感测到电流。如果感测到电流，则这可以表明电动机系统574中出现单相接地短路。更具体地，如果传感器感测到任何电流(例如，非零)，则在电动机24的接收相A的绕组中或者在将相A传送至电动机24的互连件中可能存在短路。
另外，控制和监测电路18可以确定相B波形上的用于在电压过零点前面闭合的期望点，然后，向单极开关装置578发送用于使其相应地闭合的信号。此后非常迅速地(例如，几毫秒)，控制和监测电路18可以指示单极开关装置578断开并且可以向控制和监测电路18通知传感器22是否感测到电流。更具体地，如果传感器感测到任何电流(例如，非零)，则在电动机24的接收相B的绕组中或者在将相B传送至电动机24的互连件中可能存在短路。
此外，控制和监测电路18可以确定相C波形上的用于在电压过零点前面闭合的期望点，然后向单极开关装置580发送用于使其相应地闭合的信号。此后非常迅速地(例如，几毫秒)，控制和监测电路18可以指示单极开关装置580断开并且可以向控制和监测电路18通知传感器22是否感测到电流。更具体地，如果传感器感测到任何电流(例如，非零)，则在电动机24的接收相C的绕组中或者在将相C传送至电动机24的互连部中可能存在短路。另外，如果检测到单相接地故障，则会期望延迟起动电动机，使得可以对该故障进行补救并且可以抑制对电动机、负载和/或电力电路的损害。
为了帮助说明，针对每个开关装置闭合和断开的持续时间，图56B示出了操作的时序图。如所示，y轴表示施加至线圈的电压以及x轴表示以毫秒为单位的时间量。该图示出了所有三相被短暂地施加脉冲并且被连续地测试。第一单相接地故障检测通过在t1处闭合单极开关装置576并且在t2处断开单极开关装置576来开始。可以看到，单极开关装置576在t1与t2之间保持闭合的经过时间非常短暂(例如，几毫秒)。换言之，向开关装置576施加脉冲以检测与相A有关的单相接地短路。
类似地，第二单相接地故障检测通过在t3处闭合单极开关装置578并且在t3处之后几毫秒的t4处断开单极开关装置578来开始。因此，向开关装置578施加脉冲以检测与相B有关的单相接地短路。另外，第三单相接地故障检测通过在t5处闭合单极开关装置580并且在t5处之后几毫秒的t6处断开单极开关装置580来开始。因此，向开关装置580施加脉冲以检测与相C有关的单相接地短路。
如上所述，由于开关装置576至580在针对每一相的电压过零点附近闭合，所以在单相接地测试期间较低的电压量被短暂地施加至电动机系统574。因此，低电压和短暂的持续时间可以减小电路断路器跳闸的可能性，以及减小在存在单相接地短路的情况下对电动机及其绕组的损害。
另外，如上所述，测错处理还可以用来利用图56A中的系统574来检测相间短路。例如，控制和监测电路18可以相继地闭合和断开供给电力的第一相的单极开关装置以及供给电力的第二相的单极开关装置，以使得在多个单极开关装置闭合的时间之间存在短暂的重叠。更具体地，可以在处于相间预测电流过零点时向开关装置施加脉冲。在一些实施例中，相间预测电流过零点会出现在相间电压为最大时。在一些实施例中，以星形-三角形电动机起动器的三角形配置布置的单极开关装置可以用于检测相间短路。
基于传感器22所测量的电流，控制和监测电路18可以确定是否存在相间故障。更具体地，如果未感测到电流，则电动机系统574中可能存在相间开路故障，并且需要维护。另一方面，如果感测到电流，则控制和监测电路18可以确定并分析电流的变化(例如，di/dt斜率)。更具体地，几乎垂直的(例如，迅速增加的)di/dt斜率可以表明存在相间短路。在一些实施例中，相间短路可能是由于未与负载或绕组的接触的互连部短路而引起的。当存在相间短路时，可以检查电动机绕组以在起动之前检验布线。如果di/dt斜率随时间而变化或者具有一定的角度，则控制和监测电路18可以确定不存在相间故障。
可以针对每个相间组合来重复该处理。例如，可以如上所述那样控制相A单极开关装置和相B单极开关装置以确定是否存在相间故障。接下来，可以如上所述那样控制相B单极开关装置和相C单极开关装置以确定是否存在相间故障。最后，可以如上所述那样控制相A单极开关装置和相C单极开关装置以确定是否存在相间故障。
在一些实施例中，上述测错处理可以用于测试具有任意数量的相的系统中的单相接地故障和相间故障。例如，在接收单相电力的系统中，可以通过使开关装置短暂地脉冲闭合和断开并且对电流进行测量来执行单相接地短路测试。另外，在接收两相电力的系统中，可以通过使各个开关装置短暂地脉冲闭合并且对电流进行测量来针对两个相都执行单相接地测试。此外，可以通过使提供两相电力的开关装置的闭合短暂地交叠并且对di/dt斜率进行分析来执行相间短路测试。
此外，上述用于单相接地短路检测和相间短路检测的使用单极开关装置的测错处理和POW技术可以组合成可以在起动电动机24之前执行的全面检测序列。在图57中示出了用于测错处理的处理584的一个实施例，其中图57是用于检测电动机状况的逻辑的框图。处理584可以经由存储在非暂态制品(例如，存储器226、20、46和/或其它存储器)中的计算机可读指令来实现并且经由处理器224、19、45和/或其它控制电路来执行。应该注意的是，所描绘的处理584的序列并非意在进行限制，而是出于说明目的。实际上，处理框中的任一个可以以与所描绘的实施例的次序不同的次序来重新安排并执行。
在一些实施例中，序列584可以开始于对单相接地短路进行测试；然而，在其他实施例中，序列584可以开始于对相间故障进行测试。因此，可以通过在波形上的在电压过零点前面的期望点处闭合单极开关装置576、在几毫秒后断开单极开关装置576并且对电流进行测量来针对单相接地短路来分析相A(处理框586)。接下来，在处理框588中，控制和监测电路18可以对相B进行测错以检测是否存在单相接地短路(处理框588)。也就是说，单极开关装置578可以在电压过零点之前短暂地脉冲闭合。然后，可以在几毫秒之后断开单极开关装置578，并且可以测量电流以确定电流是否流向地。在处理框590中，控制和监测电路18可以对相C进行测错以检测是否存在单相接地短路(处理框590)。
如果存在传感器22针对任一个相所感测的电流，则可能出现了单相接地短路，并且用户可以确定存在多少电流并且决定是否启动负载(例如，电动机240)。如果在单相接地检测期间针对任一相都未感测到电流，或者用户决定继续起动，则序列584可以移动至对相间故障进行测试。
为了对相间故障进行测试，控制和监测电路18可以利用测错来检测是否存在相A与相B间故障(处理框592)。此外，控制和监测电路18可以利用测错来检测是否存在相B与相C间故障(处理框594)并且利用测错来检测是否存在相A与相C间故障(处理框596)。更具体地，如果di/dt斜率指示存在相间故障，则用户可以决定延迟起动直到该状况被补救为止。可以在起动负载(例如，电动机24)之前(诸如，每次在负载起动之前或定期地)，根据需要来执行单相接地短路检测处理框586至590与相间短路检测处理框592至596的组合序列。
如前所述，执行序列584或其组合的益处是可以减少电动机24及其绕组的不期望的维修状况，并且通过使用单极开关装置和POW技术来抑制任何所连接的装置跳闸以使用近乎最小的能量来检测故障。
在替选实施例中，可以对串联的两个单极开关装置进行测错以检测单相接地短路和/或相间故障。应该注意，单极开关装置可以包括单极单载流路径开关装置218。附加地或替选地，在一些实施例中，可以使用单极多载流路径开关装置。使用串联的两个单极开关装置的益处是实现了在其处将电力提供给电动机24的更小更精确的时间窗。图58A显示了利用串联的两个单极开关装置(576和600、578和602、580和604)的电动机系统598的实施例。更具体地，每对开关装置用于从电源12向电动机24供给单相电力。此外，电动机24可以连接至地584。
因此，除了添加了第二组单极开关装置600、602和604之外，图58A几乎与图56A相同。在一些实施例中，第二组单极开关装置600、602和604可以形成可控断路开关。应该注意，所公开的技术不限于两个开关装置。实际上，可以利用任何数量的单极开关装置。串联的两个单极开关装置可以通过使闭合短暂地重叠以使得电路能够瞬时地闭合来检测故障。然后，控制和监测电路18可以测量并分析传感器22感测的任何电流。例如，如果当电路短暂地闭合时传感器22检测到任何电流，则可以检测单相接地短路。此外，如果在针对两个相而使串联的两个单极开关装置的重叠闭合同步之后di/dt斜率几乎垂直，则可以检测出相间短路。
以单相接地短路检测开始，预排如何利用每对单极开关装置是有益的。具体地，针对相A，控制和监测电路18可以利用POW技术来在正弦波形上挑出用于在电压过零点之前闭合串联的第一单极开关装置576的期望点以及用于在电压过零点之前闭合第二单极开关装置600的另一期望点，使得这两个单极开关装置的闭合在电压过零点之前重叠达一定的短暂的时间段(例如，几毫秒)。此外，控制和监测电路18还可以挑出用于在电压过零点之前断开单极开关装置576的期望点以及用于断开单极开关装置600的另一点。然后，控制和监测电路18可以基于期望点来使单极开关装置576和600脉冲闭合和断开。以此方式，可以控制这两个单极开关装置的重叠闭合，使得闭合在电压过零点之前被断开。因此，当两个或更多个单极开关装置串联时可以更精确地控制在存在故障的情况下存在的能量的量。此外，开关装置576和600闭合的时间量最小。同样地，应该注意，由于这些开关装置闭合重叠的时间非常短暂，这些开关装置可以在正弦波形上的任何位置处断开和闭合。
因此，控制和监测电路18可以基于传感器22感测的电流来确定是否出现相间故障。以上所述的利用串联的两个单极开关装置的单相接地短路检测处理可以针对相B和相C而使用其各自的串联的单极开关装置(578和602、580和604)来重复。
参照图58B可以更好地理解闭合重叠的持续时间，图58B是使串联的两个单极开关装置闭合和断开的时序图。y轴表示线圈中的电压，x轴表示以毫秒为单位的时间。每条实线和相应的虚线表示向电动机24施加单相电压的、串联的一对单极开关装置。例如，控制和监测电路18在t1处闭合第一单极开关装置576，而在t2处闭合第二单极开关装置600。此外，控制和监测电路18在t3处断开第一单极开关装置576，而在t4处断开第二单极开关装置600。相应地，由于单极开关装置576和600二者都在t2至t3之间闭合，所以在t2至t3之间将电力供给至电动机24。该时间帧或时间窗可以被称为“闭合重叠”。闭合重叠可以仅一毫秒或两毫秒长。实际上，闭合单极开关装置576和600可以意在使得能够施加可控脉冲的线电压，其能量不足以引起对电动机和/或其绕组的不期望的维护状况。
在闭合重叠期间，测量电流以检测单相接地短路。如果传感器22感测到任何电流，则可能出现单相接地短路。相反，如果没有感测到电流，则可能没有出现单相接地短路。如所示，针对相B(t5至t8)和相C(t9至t12)的其他对的串联的单极开关装置的闭合和断开的定时可以是相似的。更具体地，如所示，在t6至t7之间以及在t10至t11之间施加了电力。在其他实施例中，可以按任何期望次序来对单相接地短路进行测试。然而，不应同时测试两个相，这是因为如果使闭合重叠同步，则电流会流动，并且当没有故障时也会看起来像是存在单相接地故障。
为了进一步说明串联的两个单极开关装置可以闭合或断开的在正弦波上的点，图59描绘了用于电动机状况检测的时序的图示。该曲线示出了电力的单个相随时间的电压正弦波。例如，该正弦波可以表示相A，而时序(t1至t4)表示与图58B所示的闭合和断开相同的单极开关装置闭合和断开。
如上所述，第一单极开关装置576可以在t1处闭合而在t3处断开，此外，第二单极开关装置600可以在t2处闭合而在t4处断开。因此，在在t2与t3之间可以将电力施加至电动机24，t2和t3如所示那样是略微在电压过零点之前，使得在存在故障的情况下可获得的能量的量较低。也就是说，如所示，当电压在过零点之前较低时仅施加电压几毫秒。
类似地，控制和监测电路18也可以使用串联的两个单极开关装置来检测相间故障。例如，在一些实施例中，控制和监测电路18可以使串联的各对单极开关装置脉冲闭合，以使得略微在相间预测电流过零点之前在短暂的时间段内连接电力。这会使得电路在各相之间暂短地闭合以施加少量的电压达几毫秒，从而在存在故障的情况下，可以在不引起不期望的维护状况的情况下快速地清除该故障。此外，短暂地闭合电路可以使得传感器22能够感测流动的任何电流，并且使得控制和监测电路18能够分析电流的di/dt斜率以确定是否存在相间故障。
更具体地，控制和监测电路18可以利用两个单极开关装置和POW技术来按任何次序检测相A至相B之间、相B至相C之间以及相A至相C之间的相间故障。以相A至相B短路检测为例，控制和监测电路18可以利用POW技术来挑选相A和相B上的出现相间电压最大值(例如，预测的电流过零点)的点。附加地或替选地，可以明确地测量相间电流和/或电压以确定电流何时来到相之间。例如，可以在相A与相B之间、相B与相C之间以及相A与相C之间测量电压以确定何时针对相间短路进行测错。注意，所传导的电流可能是非对称的。因此，可以例如至少部分地基于负载的特性来确定用以进行测错操作的其他期望点。
接下来，控制和监测电路18可以确定相A波形和相B波形上的在预测的电流过零点之前几个电角度的另一组点以确保在电路闭合时施加较低电流。然后，控制和监测电路18可以使针对相A和相B二者的各对单极开关装置脉冲闭合和断开，以在所确定的在预测的电流过零点之前的点处产生在各相之间一致(例如，短暂地重叠)的闭合重叠。
也就是说，控制和监测电路18可以使单极开关装置576、然后使单极开关装置600在预测的电流过零点之前的期望点处脉冲闭合，以对相A施加电压，而在近乎同时，使单极开关装置578、然后使单极开关装置602在预测的电流过零点之前的期望点处脉冲闭合，以对相B施加电压。因此，这两个相的各对单极开关装置可以产生同时对这两个相施加电压的闭合重叠，以便检测是否存在相间故障。之后很快地(例如，几毫秒)，供给相A的单极开关装置576和供给相B的单极开关装置578可以在预测的电流过零点之前被脉冲断开以断开电路，由此断开闭合重叠。
因此，以此方式在各相之间利用串联的单极开关装置可以提供下述益处：生成更准确的脉冲，其在与预测的电流过零点相关地施加的电流量方面和电流施加的持续时间方面更精确。因此，所施加的受控脉冲的线电压会不足以引起不期望的维护状况和/或在出现短路的情况下使所连接的装置(例如，馈线断路器)跳闸。此外，如果检测到短路，则可以不起动电动机24，使得可以补救该问题并且抑制损害。
在一些实施例中，上述利用串联的两个开关装置的测错处理可以用于对具有任意数量的相的系统中的单相接地故障和相间故障进行测试。例如，在接收单相电力的系统中，可以通过使串联的两个开关装置的闭合短暂地重叠并且对电流进行测量来执行单相接地短路测试。此外，在接收两相电力的系统中，可以通过使针对特定相的串联的开关装置的闭合短暂地重叠并且对电流进行测量来针对每个单独的相执行单相接地测试。此外，对于接收两相电力的系统，可以通过使针对两个相的串联的开关装置的闭合短暂地重叠并且分析di/dt斜率来执行相间短路测试。
因此，利用上述的测错技术可以使得能够控制施加至电动机的电力的量和持续时间。因此，可以减少当出现故障时可能发生的潜在的不期望维护状况，并且在出现故障的情况下，保护电路不会跳闸。更具体地，在短路的情况下，故障电流会比在满电压下闭合时的电流小得多，并且非常短暂的脉冲可以容易地清除故障电流。因此，可以减少昂贵的维修，可以增加设备可使用时间，并且可以改善操作者的安全性。
模块化系统构建
通过利用本文中所描述的技术来实现满足期望需求的装置的多种配置。具体地，上述的机电单极开关装置(诸如单极单载流路径开关装置218)提供了实现高度可配置的装置的模块性。此外，上述的机械联锁通过防止特定开关装置在被联锁的开关装置闭合时闭合来增强装置可配置性，这可以抑制短路。使用了本文所描述的技术的一个这样的模块化装置是上述的星形-三角形起动器。实际上，在下文中描述的实施例中，通过结合机械联锁来利用机电单极开关装置(例如，单极单载流路径开关装置)来实现5极、6极、8极和9极星形-三角形起动器。应该注意，极的数量可以对应于在配置中使用的单极开关装置的数量。通常，在所描述的星形-三角形起动器实施例中使用单极开关装置可以导致装置具有：紧凑的尺寸，这由于使用的更少硬件和不太复杂的布线而可以为用户节省费用；以及更小的热覆盖区(thermal footprint)，这可以提高以较小的工厂占地面积将这样的装置封装在较小的电气外壳中的能力。
为了帮助说明，图60中示出了多相5极星形-三角形起动器374的一个实施例。如所示，5极星形-三角形起动器374包括5个单极开关装置376、378、380、382和384，其可以是机电单极单载流路径开关装置。附加地或替选地，开关装置376、378、380、382和384可以包括单极多载流路径开关装置。具体地，5极星形-三角形起动器374包括两个星形开关装置376和378以及三个三角形开关装置380、382和384。这些开关装置耦接至来自三根市电线392、394和396的三相电力，并且还耦接至三个电动机绕组386、388和390。通过使用单极单载流路径开关装置替代在普通开关载体上布置的开关而提供的益处是，可以减小电力极的数量(例如，更少的开关装置)。例如，5极星形-三角形开关装置利用两个星形开关装置(376和378)而不是三个。
如所示，第一三角形开关装置380和第一星形开关装置376经由第一联锁608机械耦接，而第二三角形开关装置382和第二星形开关装置378经由第二联锁610机械耦接。应该注意，第一联锁608和第二联锁610可以是上述的机械联锁。这样，一次仅可以闭合第一三角形开关装置380和第一星形开关装置376中的仅一个。类似地，一次仅可以闭合第二三角形开关装置382和第二星形开关装置378中的仅一个。此外，星形-三角形起动器374的操作可以由控制和监测电路18控制。
此外，如所示，第一三角形开关装置380的输出和第一星形开关装置376的输出经由第一互连件628电耦接。相似地，第二三角形开关装置382的输出和第二星形开关装置378的输出经由第二互连件624电耦接。此外，第三三角形开关装置384的输出、第一星形开关装置376的输入和第一三角形开关装置380的输入经由第三互连部620电耦接。
在操作中，星形-三角形起动器374可以接收用于起动电动机的信号。使用上述技术，星形-三角形起动器374可以初始地执行星形两步起动然后执行相序星形-三角形切换。两种处理都可以包括控制和监测电路18以序列次序将指定的开关装置断开和/或闭合，以使负转矩、电流尖峰和振荡幅度最小。因此，可以通过第二星形开关装置378闭合来开始星形两步起动。因而，电力的第一相(例如，相A)从市电线394连接至电动机的第二绕组388，而电力的第二相(例如，相B)可以从市电线396连接至第三绕组390。在星形两步起动的第二步期间，第一星形开关装置376闭合，而电力的第三相(例如，相C)从市电线392连接至电动机24的第一绕组386。因此，当星形开关装置376和378是星形-三角形起动器374中仅有的闭合的开关装置时，该电动机以星形配置运行。
当启动时，星形-三角形起动器374可以执行相序星形-三角形切换。因此，该切换可以开始于断开第一星形开关装置376。作为关断第一星形开关装置376的结果，向电动机绕组388和390供电。接下来，可以闭合第一三角形开关装置380，从而导致第一绕组386连接至线394和线392。绕组388和390仍然连接至线394和线396。作为第一三角形开关装置380闭合的结果，由于电动机以混合的星形-三角形配置运行，绕组386、388和390接收三相不平衡电力。然后，作为相序星形-三角形转变的第三步，可以断开第二星形开关装置378。结果，仅电动机的第一绕组386接收电力，并且电动机24单相运行。此外，在断开第二星形开关装置378之后，可以闭合第二三角形开关装置382，由此除了向绕组386提供电力外还向第二绕组388提供电力。最后，可以闭合第三三角形开关装置384以完成三角形配置。因此，可以以三角形配置经由线392、394和396向电动机绕组386、388和390供给三相电力。
如前所述，在一些实施例中，可以用单极单载流路径开关装置281来实现5极星形-三角形起动器374，如图61所示。更具体地，如所示，市电线394电耦接至第一三角形开关装置380的输入端子612，市电线396电耦接至第二三角形开关装置382的输入端子614，并且市电线392电耦接至第三三角形开关装置384的输入端子616。
此外，第一三角形开关装置380的输出端子612和第一星形开关装置376的输出端子通过第一互连部628(例如，第一汇流条)电耦接。类似地，第二三角形开关装置382的输出端子632和第二星形开关装置378的输出端子636通过第二互连部634(例如，第二汇流条)电耦接。此外，第一星形开关装置376的输入端子618、第二星形开关装置378的输入端子622以及第三三角形开关装置384的输出端子624通过第三互连部620(例如，第三汇流条)电耦接。
因此，第一绕组386可以电耦接至输出端子626、输出端子630或者第一互连部628。此外，第二绕组388可以电耦接至输出端子632、输出端子624或者第二互连部634。此外，第三绕组390可以电耦接至输入端子618、输入端子622或者输出端子624。
此外，如所示，第一三角形开关装置380和第一星形开关装置376通过第一联锁608机械耦接。类似地，第二三角形开关装置382和第二星形开关装置378由第二联锁610机械耦接。应该注意，第一联锁608和第二联锁610可以是如上所述的机械联锁。
在另一实施例中，利用6个开关装置来实现多相6极星形-三角形起动器442，如图62所示。如同5极星形-三角形起动器一样，开关装置可以是由控制和监测电路18独立操作的机电单极单载流路径开关装置。附加地或替选地，开关装置可以是单极多载流路径开关装置。如所示，除了在该实施例中包括另一个星形开关装置之外，开关装置的配置与5极星形-三角形起动器几乎相同。实际上，6极星形-三角形起动器442包括6个开关装置444、446、448、450、452和454。具体地，6极星形-三角形起动器442包括三个星形开关装置444、446和448以及三个三角形开关装置450、452和454。
开关装置耦接至来自三根市电线462、464和466的三相电力，并且还耦接至三个电动机绕组456、458和460。如上所述，6极星形-三角形起动器442可以由控制和监测电路18控制以跟踪在起动期间哪些开关装置首先断开和/或闭合并且在下一次起动期间选择不同的开关装置来断开和/或闭合。以此方式，控制和监测电路18可以均匀地分布每个开关装置执行的切换操作的次数，这可以增加开关装置的寿命。
如所示，第一三角形开关装置450和星形开关装置444经由第一联锁638耦接，第二三角形开关装置452和第二星形开关装置446经由第二联锁640耦接，以及第三三角形开关装置454和第三星形开关装置448经由第三联锁642耦接。应该注意，联锁638、640和642可以是上述的机械联锁。这样，一次可以闭合第一三角形开关装置450和第一星形开关装置444中的仅一个，一次可以闭合第二三角形开关装置452和第二星形开关装置446中的仅一个，以及一次可以闭合第三三角形开关装置454和第三星形开关装置448中的仅一个。
此外，如所示，第一三角形开关装置450的输出和第一星形开关装置444的输出经由第一互连部660电耦接。类似地，第二三角形开关装置452的输出和第二星形开关装置446的输出经由第二互连部666电耦接，以及第三三角形开关装置454的输出和第三星形开关装置448的输出经由第三互连部672电耦接。此外，第一星形开关装置444的输入、第二星形开关装置446的输入和第三星形开关装置448的输入经由第四互连部665电耦接。
使用六个开关装置的星形两步起动和相序星形-三角形切换中的步骤与参照图60所描述的使用五个开关装置基本相同。然而，在图62所示的电路图442中，存在三个星形开关装置(444、446和448)，而与图60中的两个不同。因此，在星形两步起动中闭合星形开关装置的次序可改变，以及在相序星形-三角形切换中断开星形开关装置的次序可改变。具体地，关于星形两步起动，为了使用三个星形开关装置来向绕组提供电流，两步中的一步可以同时闭合两个星形开关装置，而另一步可闭合第三开关装置。例如，星形开关装置446和448可以同时闭合以将绕组458和460从线464连接至466。然后，在第二步中，第一星形开关装置444可闭合从而完成星形配置。如果利用了POW技术，则这些闭合可以发生在由控制和监测电路18确定的在正弦波形上的期望点处。
一旦电动机24以星形配置运行且绕组电流波形已达到稳定状态，就可以开始到三角形的相序切换。替选地，到三角形的相序切换可以开始于以星形配置设置电动机之后的任何点。如同使用5级星形-三角形起动器的相序星形-三角形切换一样，在一个实施例中，使用6极星形-三角形起动器的序列中的第一步可以包括断开星形开关装置444之一。接下来，可以闭合开关装置450以将第一绕组以三角形连接。在开关装置450闭合之后，电动机以混合的星形-三角形配置运行，其中第一绕组456为三角形的形式而绕组458和460以星形的形式。然后，可以同时断开剩余的两个闭合的星形开关装置446和448，并且电动机24可以为单相(例如，相A)，其中仅第一绕组456连接线462与线464。在开关装置450闭合之后，可以一个接一个地或者同时地闭合开关装置452和454。结果，绕组456、458和460接收三相电力，并且电动机以三角形配置运行。
如前所述，在一些实施例中，如图63所示，可以用单极单载流路径开关装置218来实现6极星形-三角形起动器442。更具体地，如所示，市电线464电耦接至第一三角形开关装置450的输入端子644，市电线466电耦接至第二三角形开关装置452的输入端子646，并且市电线462电耦接至第三三角形开关装置454的输入端子648。
此外，第一三角形开关装置450的输出端子658和第一星形开关装置444的输出端子662通过第一互连部660(例如，第一汇流条)电耦接。类似地，第二三角形开关装置452的输出端子664和第二星形开关装置446的输出端子668通过第二互连件666(例如，第二汇流条)电耦接，并且第三三角形开关装置454的输出端子670和第三星形开关装置448的输出端子通过第三互连件672(例如，第三汇流条)电耦接。此外，第一星形开关装置444的输入端子650、第二星形开关装置446的输入端子654和第三星形开关装置448的输入端子656通过第四互连件665(例如，第四汇流条)电耦接。
因此，第一绕组456可以电耦接至输出端子658、输出端子662或第一互连件660。此外，第二绕组458可以电耦接至输出端子664、输出端子668或第二互连件666。此外，第三绕组460可以电耦接至输出端子670、输出端子674或第三互连件672。
此外，如所示，第一三角形开关装置450和第一星形开关装置444通过第一联锁638机械耦接。类似地，第二三角形开关装置452和第二星形开关装置446通过第二联锁640机械耦接。此外，第三三角形开关装置454和第三星形开关装置448通过第三联锁642机械耦接。应该注意，联锁638、640和642可以均是上述的机械联锁。
在另一实施例中，多相5极星形-三角形起动器可以被修改成通过添加三个市电线开关装置来将电动机绕组隔离，这产生了图64所示的多相8极星形-三角形起动器676。如同5极星形-三角形起动器一样，开关装置可以是由控制和监测电路18独立操作的机电单极单载流路径开关装置。附加地或替选地，开关装置可以是单极多载流路径开关装置。独立操作使得能够在不同时间以不同的次序进行闭合/关断。如所示，开关装置的配置与5极星形-三角形起动器相同，除了在8极星形-三角形起动器实施例中添加了三个市电线开关装置外。8极星形-三角形起动器676包括8个开关装置678、680、682、684、686、688、690和692。
具体地，8极星形-三角形起动器676包括两个星形开关装置678和680、三个三角形开关装置682、684和686以及三个市电线开关装置688、690和692。三个市电线开关装置688、690和692电耦接至来自三根市电线694、696和698的三相电力，并且还电耦接至三个电动机绕组700、702和704以及三角形开关装置682、684和686。三角形开关装置682、684和686还电耦接至星形开关装置678、680以及绕组700、702和704。利用市电线开关装置688、690和692的优点在于，它们可以用作断路部以便保护电动机24不会由于故障状况等需要不期望的维护。此外，利用市电线开关装置688、690和692可以使得能够在进行起动之前测试电动机24的状况。例如，如上所述，可以使用市电线开关装置来测试单相接地短路和相间短路。此外，在出现短路或者需要将绕组与市电电力隔离的情况下，市电线开关装置可以用作断路部。
如所示，第一三角形开关装置682和第一星形开关装置678经由第一联锁706耦接，而第二三角形开关装置684和第二星形开关装置680经由第二联锁708耦接。应该注意，联锁706和708可以是上述的机械联锁。这样，一次可以闭合第一三角形开关装置682和第一星形开关装置678中的仅一个，并且一次仅可以闭合第二三角形开关装置684和第二星形开关装置680中的仅一个。
此外，如所示，第一三角形开关装置682的输出和第一星形开关装置678的输出经由第一互连件738电耦接。类似地，第二三角形开关装置684的输出和第二星形开关装置680的输出经由第二互连件744电耦接。此外，第一星形开关装置678的输入、第二星形开关装置680的输入和第三三角形开关装置686的输出经由第三互连件732电耦接。
使用8个开关装置的星形两步起动以及相序星形-三角形切换中的步骤与使用5个开关装置基本相同。然而，在图64所示的电路图676中，存在对绕组(700、702和704)进行隔离的三个市电线开关装置(694、696和698)。因此，当8极星形-三角形起动器接收到用于起动电动机的信号时，市电线开关装置(688、690和692)可以在使星形两步起动和相序星形-三角形切换运行之前闭合。在市电线开关装置闭合之后，与5极星形-三角形起动器相同，可执行星形两步起动和相序星形-三角形切换。
具体地，星形两步起动可以开始于第二星形开关装置680闭合。因此，绕组702和704可以从线696和线698接收电力。在星形两步起动的第二步期间，第一星形开关装置678闭合，并且电力的第三相(例如，相C)从市电线694连接至电动机24的第一绕组700。因此，当星形开关装置678和680以及市电线开关装置688、690和692是8极星形-三角形起动器676中仅有的闭合的开关装置时，电动机以星形配置运行。
当启动后，8极星形-三角形起动器676可以执行相序星形-三角形切换。因此，该转变可以开始于断开第一星形开关装置678。作为关断开关装置678的结果，仅电动机绕组702和704被供电。接下来，可以闭合第一三角形开关装置682，从而导致第一绕组700以三角形的形式连接线696和线694。绕组702和704仍以星形的形式连接线696和线698。因此，作为第一三角形开关装置682闭合的结果，绕组700、702和704由于电动机以混合的星形-三角形配置运行而接收三相不平衡电力。然后，作为相序星形-三角形转变中的第三步，可以断开第二星形开关装置680。结果，仅电动机第一绕组700接收电力，并且电动机24单相运行。此外，可以在断开第二星形开关装置680之后闭合第二三角形开关装置684，由此除了向绕组700提供电力外还向第二绕组702提供电力。
然后，可以闭合第三三角形开关装置686，以完成三角形配置。因此，可以以三角形配置经由线694、696和698将三相电力供给至电动机绕组700、702和704。然而，如果控制和监测电路18在任何时间确定需要从电动机24切断电力，则可以向市电线开关装置(688、690和692)发送信号以一次断开一个或同时断开。如果利用POW技术，则断开可以是在电流过零点之前。
在一些实施例中，如图65所示，可以用单极单载流路径开关装置218来实现8极星形-三角形起动器676。更具体地，如所示，第一市电线696电耦接至第一市电线开关装置690的输入端子712，第二市电线698电耦接至第二市电线开关装置692的输入端子714，以及第三市电线694电耦接至第三市电线开关装置688的输入端子710。第三市电线开关装置688的输出端子716电耦接至第三三角形开关装置682的输入端子718，第一市电线开关装置690的输出端子720电耦接至第一三角形开关装置682的输入端子722，第二市电线开关装置692的输出端子724电耦接至第二三角形开关装置684的输入端子726。
此外，第一三角形开关装置682的输出端子736和第一星形开关装置678的输出端子740通过第一互连件738(例如，第一汇流条)电耦接。类似地，第二三角形开关装置684的输出端子742和第二星形开关装置680的输出端子746通过第二互连件744(例如，第二汇流条)电耦接。此外，第一星形开关装置678的输入端子728、第二星形开关装置746的输入端子730和第三三角形开关装置686的输出端子734通过第三互连件732(例如，第三汇流条)电耦接。
因此，第一绕组700可以电耦接至输出端子736、输出端子740或者第一互连件738。此外，第二绕组702可以电耦接至输出端子742、输出端子746或者第二互连件744。此外，第三绕组704可以电耦接至输出端子734、输入端子728、输入端子730或者第三互连件732。
此外，如所示，第一三角形开关装置682和第一星形开关装置678通过第一联锁706机械耦接。类似地，第二三角形开关装置684和第二星形开关装置680通过第二联锁702机械耦接。应该注意，联锁702和706均可以是上述的机械联锁。
在另一实施例中，多相6极星形-三角形起动器可以被修改成通过添加三个市电线开关装置来将电动机绕组隔离，从而得到了图66所示的多相9极星形-三角形起动器748。如同6极星形-三角形起动器一样，开关装置可以是由控制和监测电路18独立操作的机电单极单载流路径开关装置。附加地或替选地，开关装置可以包括单极多载流路径开关装置。独立操作开关装置使得能够在不同时间以不同的次序闭合/关断。此外，可以利用POW技术或者不利用POW技术来实现9极星形-三角形起动器748。如所示，除了在该9极星形-三角形起动器实施例中添加了三个市电线开关装置之外，开关装置的配置与6极星形-三角形起动器几乎相同。因此，9极星形-三角形起动器748包括九个开关装置750、752、754、756、758、760、762、764和766。
具体地，9极星形-三角形起动器748包括三个星形开关装置750、752和754、三个三角形开关装置756、758和760以及三个市电线开关装置762、764和766。三个市电线开关装置电耦接至来自三根市电线768、770和772的三相电力，并且还电耦接至三个电动机绕组774、776和778以及三角形开关装置756、758和760。三角形开关装置756、758和760还电耦接至星形开关装置750、752和754以及绕组774、776和778。利用市电线开关装置762、764和766的优点在于，它们可以用作断路部以便保护电动机24不会由于故障状况等需要不期望的维护。通过用作市电电力的关守器(gatekeeper)，市电线开关装置762、764和766能够隔离绕组774、776和778。此外，在一些实施例中，市电线开关装置762、764和766可以用于在起动电动机之前测试单相接地短路和相间短路。
如所示，第一三角形开关装置756和星形开关装置750经由第一联锁780耦接，第二三角形开关装置758和第二星形开关装置752经由第二联锁782耦接，以及第三三角形开关装置760和第三星形开关装置754经由第三联锁784耦接。应该注意，联锁780、782和784可以是上述的机械联锁。因此，一次可以闭合第一三角形开关装置756和第一星形开关装置750中的仅一个，一次可以闭合第二三角形开关装置758和第二星形开关装置752中的仅一个，以及一次可以闭合第三三角形开关装置760和第三星形开关装置754中的仅一个。
此外，如图所示，第一三角形开关装置756的输出和第一星形开关装置750的输出经由第一互连件826电耦接。类似地，第二三角形开关装置758的输出和第二星形开关装置752的输出经由第二互连件832电耦接，并且第三三角形开关装置760的输出和第三星形开关装置754的输出经由第三互连件820电耦接。此外，第一星形开关装置750的输入、第二星形开关装置752的输入和第三星形开关装置754的输入经由第四互连件831电耦接。
使用九个开关装置的星形两步起动以及相序星形-三角形切换中的步骤与使用六个开关装置基本相同。然而，在图66所示的电路图748中，存在将绕组774、776和778隔离的三个市电线开关装置762、764和766。因此，在使星形两步起动和相序星形-三角形切换运行之前，控制和监测电路18可以发送信号以闭合市电线开关装置762、764和766。在市电线开关装置闭合之后，与6极星形-三角形起动器相同，可以执行星形两步起动和相序星形-三角形切换。
更具体地，控制和监测电路18可以通过同时闭合星形开关装置754和752以将绕组776和778从线770连接至线772来开始星形两步起动。然后，在星形两步起动的第二步中，可以闭合第一星形开关装置750以便完成星形配置并向第一绕组774提供电力。
一旦电动机24以星形配置运行且绕组电流波形达到稳定状态，就可以开始到三角形的相序切换。替选地，到三角形的相序切换可以开始于以星形配置设置电动机之后的任何点。在一些实施例中，序列中的第一步可以包括断开星形开关装置750。因此，仅绕组776和778被连接并从线770和772接收电力。接下来，可以闭合开关装置756从而以三角形连接第一绕组。在开关装置756闭合之后，电动机以混合的星形-三角形配置运行，其中第一绕组774为三角形的形式而绕组776和778为星形的形式。然后，可以同时断开剩余的两个闭合的星形开关装置752和754，并且电动机24可以单相运行(相A)，其中仅第一绕组774连接在线768和线770之间。结果，绕组774、776和778可以从线768、770和772接收三相电力，并且电动机24以三角形配置运行。
在一些实施例中，如图67所示，可以用单极单载流路径开关装置218来实现9极星形-三角形起动器676。更具体地，如所示，第一市电线770电耦接至第一市电线开关装置764的输入端子788，第二市电线772电耦接至第二市电线开关装置766的输入端子790，以及第三市电线768电耦接至第三市电线开关装置762的输入端子786。第三市电线开关装置762的输出端子792电耦接至第三三角形开关装置760的输入端子794，第一市电线开关装置764的输出端子798电耦接至第一三角形开关装置756的输入端子800，第二市电线开关装置766的输出端子804电耦接至第二三角形开关装置758的输入端子806。
此外，第一三角形开关装置756的输出端子824和第一星形开关装置750的输出端子828通过第一互连件828(例如，第一汇流条)电耦接。类似地，第二三角形开关装置758的输出端子830和第二星形开关装置752的输出端子834通过第二互连件832(例如，第二汇流条)电耦接，并且第三三角形开关装置760的输出端子828和第三星形开关装置754的输出端子822通过第三互连件820(例如，第三汇流条)电耦接。此外，第一星形开关装置750的输入端子814、第二星形开关装置752的输入端子816和第三星形开关装置754的输入端子810通过第四互连件831(例如，第四汇流条)电耦接。
因此，第一绕组774可以电耦接至输出端子824、输出端子828或者第一互连件826。此外，第二绕组776可以电耦接至输出端子830、输出端子834或者第二互连件832。此外，第三绕组778可以电耦接至输出端子818、输出端子822或者第三互连件826。
此外，如所示，第一三角形开关装置756和第一星形开关装置750通过第一联锁780机械耦接。类似地，第二三角形开关装置758和第二星形开关装置752通过第二联锁782机械耦接。此外，第三三角形开关装置760和第三星形开关装置754通过第三联锁784机械耦接。应该注意，联锁780、782和784均可以是上述的机械联锁。
在图68中描绘了9极星形-三角形起动器498的替选实施例。在该实施例中，替代使用三个市电线开关装置，该9极星形-三角形起动器498使用三个附加的三角形开关装置。因此，9极星形-三角形起动器498包括三个星形开关装置500、502和504以及六个三角形开关装置506、508、510、512、514和516。应该注意，开关装置可以是由控制和监测电路18独立操作的机电单极单载流路径开关装置。附加地或替选地，开关装置可以包括单极多载流路径开关装置。除了别的以外，独立操作开关装置使得能够在不同时间按不同的次序进行闭合/关断。此外，可以利用POW技术或者不利用POW技术来实现9极星形-三角形起动器498。类似于9极星形-三角形起动器748的先前的实施例，如所示的9极星形-三角形起动器498的实施例通过利用三个附加的三角形开关装置512、514和516来将电动机绕组836、838和840与市电线842、844和846隔离。
更具体地，三根市电线842、844和846供给三相电力并且电耦接至六个三角形开关装置506、508、510、512、514和516。三角形开关装置中的三个三角形开关装置512、514和516还电耦接至电动机绕组836、838和840，而其他三个三角形开关装置506、508和510还电耦接至星形开关装置500、502和504以及三个电动机绕组836、838和840。此外，使用三个附加的三角形开关装置512、514和516来隔离电动机24的优点在于，它们可以用作断路部以便保护电动机24不会由于故障状况等需要不期望的维护。此外，在一些实施例中，三角形开关装置506、508、510、512、514和516可以用于在起动电动机之前测试单相接地短路和相间短路。
实际上，所示的实施例还可以通过降低在测试期间施加电力的持续时间来对检测相间短路进行改进。更具体地，如所示，当第一星形开关装置500断开时，第一三角形开关装置506和第一辅助三角形开关装置512与第一绕组836串联耦接。类似地，当第二星形开关装置502断开时，第二三角形开关装置508和第二辅助三角形开关装置514与第二绕组838串联耦接。此外，当第三星形开关装置504断开时，第三三角形开关装置510和第三辅助三角形开关装置516与第三绕组840串联耦接。因此，每个三角形开关装置和辅助三角形开关装置的断开/闭合可以彼此偏移。以此方式，可以将向绕组施加电力的持续时间减小到甚至小于任一开关装置闭合的最小持续时间。
此外，如所示，第一三角形开关装置506和星形开关装置500经由第一联锁848耦接，第二三角形开关装置508和第二星形开关装置502经由第二联锁850耦接，以及第三三角形开关装置510和第三星形开关装置504经由第三联锁852耦接。应该注意，联锁848、850和852可以是上述的机械联锁。因此，一次可以闭合第一三角形开关装置506和第一星形开关装置500中的仅一个，一次仅可以闭合第二三角形开关装置508和第二星形开关装置502中的仅一个，以及一次仅可以闭合第三三角形开关装置510和第三星形开关装置504中的仅一个。
类似于9极星形-三角形起动器748的前述实施例，第一三角形开关装置506的输出和第一星形开关装置500的输出经由第一互连件888电耦接。类似地，第二三角形开关装置508的输出和第二星形开关装置502的输出经由第二互连件894电耦接，并且第三三角形开关装置510的输出和第三星形开关装置504的输出经由第三互连件900电耦接。此外，第一星形开关装置500的输入、第二星形开关装置502的输入和第三星形开关装置504的输入经由第四互连件901电耦接。
此外，由于9极星形-三角形起动器498包括辅助三角形开关装置来替代市电开关装置，所以第一辅助三角形开关装置512的输入和第三三角形开关装置510的输入经由第五互连件862电耦接。类似地，第二辅助三角形开关装置514的输入和第一三角形开关装置506的输入经由第六互连件864电耦接。此外，第三辅助三角形开关装置516的输入和第二三角形开关装置508的输入经由第七互连件868电耦接。
使用九个开关装置的星形两步起动以及相序星形-三角形切换中的步骤与使用6个开关装置基本相同。然而，在所示的电路图498中，有三个辅助三角形开关装置(512、514和516)可以隔离绕组(836、838和840)。因此，在使星形两步起动和相序星形-三角形切换运行之前，控制和监测电路18可以发送信号以闭合辅助三角形开关装置(512、514和516)。在闭合辅助三角形开关装置之后，参照9极星形-三角形起动器的其他实施例的图66，与6极星形-三角形起动器一样，可以执行星形两步起动和相序星形-三角形切换。
在一些实施例中，如图69所示，可以用单极单载流路径开关装置218来实现9极星形-三角形起动器498。更具体地，第一三角形开关装置506的输出端子886和第一星形开关装置500的输出端子884通过第一互连件888(例如，第一汇流条)电耦接。类似地，第二三角形开关装置508的输出端子892和第二星形开关装置502的输出端子890通过第二互连件894(例如，第二汇流条)电耦接。此外，第三三角形开关装置510的输出端子898和第三星形开关装置504的输出端子896通过第三互连件900(例如，第三汇流条)电耦接。此外，第一星形开关装置500的输入端子870、第二星形开关装置502的输入端子872和第三星形开关装置504的输入端子874通过第四互连件901(例如，第四汇流条)电耦接。
因此，第一绕组836可以电耦接至输出端子884、输出端子886或者第一互连件888。此外，第二绕组838可以电耦接至输出端子890、输出端子892或者第二互连件894。此外，第三绕组840可以电耦接至输出端子896、输出端子898或者第三互连件900。
此外，如所示，第一辅助三角形开关装置512的输入端子854和第三三角形开关装置512的输入端子通过第五互连件862(例如，第五汇流条)电耦接。类似地，第二辅助三角形开关装置514的输入端子856和第一三角形开关装置506的输入端子通过第六互连件864(例如，第六汇流条)电耦接。此外，第三辅助三角形开关装置516的输入端子858和第二三角形开关装置508的输入端子866通过第七互连件868(例如，第七汇流条)电耦接。
因此，第一市电线842可以电耦接至输入端子854、输入端子860或第五互连件862。此外，第二市电线844可以电耦接至输入端子856、输入端子858或第六互连件864。此外，第三市电线846可以电耦接至输入端子858、输入端子866或第七互连件868。
此外，如所示，第一三角形开关装置506和第一星形开关装置500通过第一联锁848机械耦接。类似地，第二三角形开关装置508和第二星形开关装置502通过第二联锁850机械耦接。此外，第三三角形开关装置510和第三星形开关装置504通过第三联锁852机械耦接。应该注意，联锁848、850和852均可以是上述的机械联锁。
如通过9极星形-三角形起动器的不同配置显而易见，本领域的普通技术人员应该理解，通过单极单载流路径开关装置218所提供的模块性实现了不同的优点，诸如基于尺寸约束来调整配置。例如，虽然任一种布置都可以实现相似功能，但是根据各种因素(例如，封装约束、电动机24的位置等)，一种布置会比其他布置更理想。
除了星形-三角形起动器之外，其他装置也可以利用本文所述的技术，诸如电动机换向器、双速电动机或电动机驱动旁路。为了帮助说明，在图70中示出了电动机换向器902的一个实施例。如所示，换向器902包括第一正向开关装置904、第二正向开关装置906、第一反向开关装置908、第二反向开关装置910和公共开关装置912。更具体地，如所示，第一正向开关装置904的输入和第二反向开关装置910的输入通过第一互连件934电耦接。类似地，第一反向开关装置908的输入和第二正向开关装置906的输入通过第二互连件940电耦接。此外，第一正向开关装置904的输出和第一反向开关装置908的输出通过第三互连件946电耦接。类似地，第二反向开关装置910的输出和第二正向开关装置906的输出通过第四互连件952电耦接。
此外，如所示，第一正向开关装置904和第一反向开关装置908经由第一联锁914耦接，以及第二正向开关装置906和第二反向开关装置910经由第二联锁916耦接。换言之，一次可以闭合第一正向开关装置904和第一反向开关装置908中的仅一个。类似地，一次可以闭合第二正向开关装置906和第二反向开关装置910中的仅一个。此外，换向器902的操作通常可以由控制和监测电路18来控制。
在所示的实施例中，当第一正向开关装置904闭合时，电力的第一相(例如，相A)从第一市电线918连接至电动机24的第一电动机端子920；当第二正向开关装置906闭合时，电力的第二相(例如，相B)从第二市电线922连接至电动机24的第二电动机端子924；以及当公共开关装置912闭合时，电力的第三相(例如，相C)从第三市电线926连接至电动机24的第三电动机端子928。因此，当第一正向开关装置904、第二正向开关装置906和公共开关装置912闭合时，电动机沿正向方向(例如，第一方向)旋转。
通常，通过将电力断开连接并在两个相被交换的情况下重新连接电力，换向器可以改变电动机24的旋转方向(例如，从正向变为反向)。因此，在一些实施例中，为了使电动机换向，控制和监测电路18可以关断第一正向开关装置904、第二正向开关装置906和公共开关装置912。例如，可以基于第一电流过零点而断开第二正向开关装置906，并且可以基于后续的过零点断开第一正向开关装置904和公共开关装置912。附加地或替选地，不使用POW技术并且可以在短暂延迟之后断开开关装置。
然后，可以闭合第一反向开关装置908、第二反向开关装置910和公共开关装置912。例如，可以基于第一预测的电流过零点(例如，最大线间电压)来闭合第二反向开关装置910和公共开关装置912，并且可以基于后续的预测的电流过零点来闭合第一反向开关装置908。更具体地，当闭合第一反向开关装置908时，电力的第二相(例如，相B)从第二市电线922连接至第一电动机端子920；当闭合第二反向开关装置910时，电力的第一相(例如，相A)从第一市电线918连接至第二电动机端子924；以及当闭合公共开关装置912时，电力的第三相(例如，相C)从第三市电线926连接至第三电动机端子928。因此，当闭合第一反向开关装置908、第二反向开关装置910和公共开关装置912时，电动机沿反向方向(例如，相反方向)旋转。
在一些实施例中，由于公共开关装置921仅仅将电力的同一相(例如，相C)与电动机的同一电动机端子(例如，第三电动机端子)断开连接和重新连接，所以在反向操作期间，公共开关装置912可以保持闭合。在这样的实施例中，虽然公共开关装置912保持闭合，但是仍可以包括公共开关装置912来将电力的第三相与电动机24断开连接。附加地或替选地，在其他实施例中，可以完全移除公共开关装置912。
在反向操作期间电力的一个相保持连接的任一实施例中，控制和监测电路18可以关断第一正向开关装置904和第二正向开关装置906。例如，可以基于第一电流过零点断开第二正向开关装置906，并且可以基于后续的电流过零点断开第一正向开关装置904。然后，控制和监测电路可以闭合第一反向开关装置908和第二反向开关装置910。例如，可以基于第一预测的电流过零点闭合第二反向开关装置910，并且可以基于后续的预测的电流过零点闭合第一反向开关装置908。
在上述的换向器902的一些实施例中，可以独立地控制每个开关装置。例如，如上所述，可以在不同时间按不同次序闭合/关断第一正向开关装置904和第二正向开关装置906。因此，为了改进对每个开关装置的控制，可以用单极开关装置(例如，单极单载流路径开关装置218)来实现换向器902，如图71所示。
为了实现换向器902，如所示，第一正向开关装置904的输入端子930和第二反向开关装置910的输入端子932经由第一互连件934(例如，第一汇流条)电耦接。因此，第一市电线918可以连接至输入端子930、输入端子932或第一互连件934。此外，如所示，第一反向开关装置908的输入端子936和第二正向开关装置906的输入端子938经由第二互连件940(例如，第二汇流条)电耦接。因此，第二市电线922可以连接至输入端子936或938。
在输出侧，第一正向开关装置904的输出端子942和第一反向开关装置908的输出端子944经由第三互连件946(例如，第三汇流条)电耦接。因此，第一电动机端子920可以连接至输出端子942、输出端子944或第三互连件946。此外，如所示，第二反向开关装置910的输出端子948和第二正向开关装置906的输出端子950经由第四互连件952(例如，第四汇流条)电耦接。因此，第二电动机端子924可以连接至输出端子948、输出端子950或第四互连件952。
此外，在所示的实施例中，公共开关装置912的输入端子954可以连接至第三市电线926，公共开关装置912的输出端子956可以连接至第三电动机端子928。如上所述，可以使用或不使用公共开关装置912来实现换向器902。因此，单极路径开关装置218(例如，单极单载流路径开关装置)的模块化特性使得能够独立地配置每个实现方式。例如，在第一配置中，换向器902可以包括公共开关装置912，但是在第二配置中，换向器902可以不包括公共开关装置912。即使在第二配置中不包括公共开关装置912，其余的开关装置(例如，904至910)的配置也在很大程度上保持不变。
类似于电动机换向器902，可以用五个单极单载流路径开关装置218来实现双速电动机。如上所述，电动机驱动旁路也可以使用本文中所描述的技术。为了帮助说明，在图72中示出了可以用于为电动机驱动器960设旁路的电动机驱动旁路958的一个实施例。在一些实施例中，电动机驱动器960可以是软起动器、全压起动器(across the line starter)、变频起动器等。
如所示，电动机驱动旁路958包括第一市电断路部962、第二市电断路部964、第三市电断路部966、第一输入断路部968、第二输入断路部970、第三输入断路部972、第一旁路开关装置974、第二旁路开关装置976、第三旁路开关装置978、第一输出断路部980、第二输出断路部982和第三输出断路部984(例如，开关装置)。更具体地，第一市电断路部962的输出、第一输入断路部968的输入和第一旁路开关装置974的输入通过第一互连件986电耦接。类似的，第二市电断路部964的输出、第二输入断路部970的输入和第二旁路开关装置976的输入通过第二互连件996电耦接。此外，第三市电断路部926的输出、第三输入断路部972的输入和第三旁路开关装置978的输入通过第三互连件1006电耦接。
此外，如所示，第一旁路开关装置974的输出和第一输出断路部980的输出通过第四互连件992电连接。类似地，第二旁路开关装置976的输出和第二输出断路部982的输出通过第五互连件1002电连接。此外，第三旁路开关装置978的输出和第三输出断路部984的输出通过第六互连件1012电连接。
通常，电动机驱动旁路958的操作可以由控制和监测电路18来控制。通常，当断路部闭合且旁路开关装置974至978断开时，电动机驱动器器960接收三相电力并且输出三相电力。例如，在所描绘的实施例中，电动机驱动器960的r输入从第一市电线918接收电力的第一相(例如，相A)，电动机驱动器960的s输入从第二市电线922接收电力的第二相(例如，相B)，以及电动机驱动器960的t输入从第三市电线926接收电力的第三相(例如，相C)。此外，电动机驱动器960的u输出将电力的第一相输出至第一电动机端子920，电动机驱动器960的v输出将电力的第二相输出至第二电动机端子924，电动机驱动器960的w输出将电力的第三相输出至第三电动机端子928。应该注意，可以使用其他电动机或负载控制装置。
相应地，控制和监测电路18可以利用市电断路部962至966来将电力与电动机驱动器960和电动机24选择性地连接和断开连接。更具体地，当第一市电断路部962断开时，电力的第一相断开连接；当第二市电断路部964断开时，电力的第二相断开连接；当第三市电断路部966断开时，电力的第三相断开连接。例如，可以基于第一电流过零点将第二市电断路部964断开，以及可以基于后续的电流过零点将第一市电断路部962和第三市电断路器966断开。然而，在一些实施例中，可以不使用POW技术，并且可以以任何期望的方式来闭合或断开开关装置。在一些实施例中，可以可选地不包括市电断路部962至966，这是因为可以例如通过输入断路部966至970将电力与电动机驱动器960和电动机24选择性地连接和断开连接。
有时，替代将电力与电动机24完全断开连接，会期望将电力与电动机驱动器960断开连接但是继续向电动机24供电，以例如降低电力消耗或者对电动机驱动器960进行维护。因此，可以将旁路开关装置974至978闭合以为电动机驱动器960设旁路。
更具体地，控制和监测电路18可以断开输入断路部968至972和输出断路部980至984，以将电力从电动机驱动器960断开连接。在一些实施例中，可以基本上同时断开输入断路部968至972。在其他实施例中，可以使用波上点(POW)技术来断开输入断路部968至972。例如，可以基于第一电流过零点来断开第二输入断路部970，可以基于后续的电流过零点来断开第一输入断路部968和第三输入断路部972。类似地，在一些实施例中，可以基本上同时断开输出断路部980至984。在其他实施例中，可以使用POW技术来断开输出断路部980至984。例如，可以基于第一电流过零点来断开第二输出断路部982，以及可以基于后续的电流过零点来断开第一输出断路部980和第三输出断路部984。
为了减小电力经由输出馈送回电动机驱动器960中的可能性，可以在输出断路部980至984断开之后闭合旁路开关装置974至978。在一些实施例中，可以基本上同时闭合旁路开关装置974至978。在其他实施例中，可以使用POW技术来闭合旁路开关装置974至978。例如，可以基于第一预测的电流过零点闭合第一旁路开关装置974和第三旁路开关装置978，并且可以基于后续的预测的电流过零点闭合第二旁路开关装置976。
一旦旁路开关装置974至978闭合，就可以通过第一旁路开关装置974将电力的第一相从第一市电线918供给至第一电动机端子920，可以通过第二旁路开关装置976将电力的第二相从第二市电线922供给至第二电动机端子924，并且可以通过第三旁路开关装置978将电力的第三相从第三市电线926供给至第三电动机端子928。换言之，驱动旁路958使得电动机24即使在电动机驱动器960被设旁路之后也能够继续致动。这对于高可靠性系统(诸如废物管理系统)会是尤其有用的。
在上述的驱动旁路958的一些实施例中，可以独立地控制每个开关装置。例如，如上所述，第一旁路开关装置974和第二旁路开关装置976可以在不同时间按不同次序闭合/关断。因此，如图73所示，为了改进对每个开关装置的控制，可以用单极开关装置218(例如，单极单载流路径开关装置)来实现驱动旁路958。
为了实现驱动旁路958，如所示，第一市电断路部962的输出端子经由第一互连件986(例如，第一汇流条)电耦接至第一输入断路部968的输入端子和第一旁路开关装置974的输入端子。因此，第一市电线918可以连接至第一市电断路部962的输入端子988，以及第一输入断路部968的输出端子990可以连接至电动机驱动器960的r输入。
类似地，如所示，第二市电断路部964的输出端子经由第二互连件(例如，第二汇流条)电耦接至第二输入断路部970的输入端子和第二旁路开关装置976的输入端子。因此，第二市电线922可以连接至第二市电断路部964的输入端子998，以及第二输入断路部970的输出端子1000可以连接至电动机驱动器960的s输入。
此外，如所示，第三市电断路部966的输出端子经由第三互连件1006(例如，第三汇流条)电耦接至第三输入断路部972的输入端子和第三旁路开关装置978的输入端子。因此，第三市电线926可以连接至第三市电断路部966的输入端子1008，以及第三输入断路部970的输出端子1010可以连接至电动机驱动器960的t输入。
如所示，第一输出断路部980的输出端子和第一旁路开关装置974的输出端子通过第四互连件992(例如，第四汇流条)电耦接。类似地，第二输出断路部982的输出端子和第二旁路开关装置974的输出端子通过第五互连件1002(例如，第五汇流条)电耦接。此外，第三输出断路部984的输出端子和第三旁路开关装置978的输出端子通过第六互连件1012(例如，第六汇流条)电耦接。
因此，第一输出断路部980的输入端子994可以连接至电动机驱动器960的u输出，第二输出断路部982的输入端子1004可以连接至电动机驱动器960的v输出，以及第三输出断路部984的输入端子1014可以连接至电动机驱动器960的w输出。此外，第一电动机端子920可以电耦接至第一输出断路部980的输出端子、第一旁路开关装置974的输出端子或第四互连件992。类似地，第二电动机端子924可以电耦接至第二输出断路部982的输出端子、第二旁路开关装置976的输出端子或第五互连件1002。此外，第三电动机端子928可以电耦接至第三输出断路部984的输出端子、第三旁路开关装置978的输出端子或第六互连件1012。
此外，如上所述，可以使用或不使用市电线断路部962至966来实现驱动旁路958。因此，单极开关装置218(例如，单极单载流路径开关装置)的模块化特性使得能够独立地配置每个实现方式。例如，在第一配置中，驱动旁路958可以包括市电线断路部962至966，而在第二配置中，驱动旁路958可以不包括市电线断路部962至966。实际上，在一些实施例中，不包括市电线断路部962至966可以使得旁路开关装置974至978和输出断路部980至984能够通过在其间放置机械联锁而相邻。此外，通过调节汇流条的尺寸和长度使得能够独立地确定每个开关装置218的放置。
从图74开始，单极开关装置1014、1016和1018可以用作三极接触器，其使用直接在线(direct on line，DOL)操作将来自电源12的三相电力与负载连接和断开连接。应该理解，图74中描绘的配置可以用作利用POW技术或不利用POW技术的、使用DOL的三极接触器。如上所述，可以使用POW技术来实现各种益处，诸如在闭合时减小浪涌电流而在断开时抑制电弧放电。
在一些实施例中，单极开关装置1014、1016和1018中的每一个可以被独立地控制并且可以以期望的序列来进行操作。例如，可以同时断开/闭合每个单极开关装置。在另一个示例中，可以在第一时间处断开/闭合两个单极开关装置1014和1016，并且可以在第一时间之后的第二时间处闭合第三单极开关装置1018。在又一个示例中，可以在第一时间处断开/闭合一个单极开关装置1014，然后可以在第一时间之后的第二时间处闭合其他两个单极开关装置1016和1018。
因此，使用单极开关装置使得能够在断开/闭合单极开关装置的次序间轮流以使得能够减小开关装置的损耗。例如，可以控制在一次操作期间首先关断的单极开关装置以在后续的操作中最后关断。实际上，在选择关断和/或闭合单极开关装置的次序时可以使用某些方案，诸如轮询法(round robin)。
图75描绘了三个单极开关装置1014、1016和1018，其中添加的第四单极开关装置1020用作中性点或地。单极开关装置1014、1016、1018和1020可以将电力从电源12供给至负载14。实质上，在一些实施例中，作为利用POW技术或不利用POW技术的、使用DOL操作但是将第四单极开关装置1020考虑在内以根据需要与地连接和断开连接的标准三极接触器，可以以与图74中的配置相同的方式操作所示出的配置。此外，在一些实施例中，可以独立地控制四个单极开关装置1014、1016、1018和1020以按任何顺序连接或断开连接，从而如上所述那样起到利用或不利用POW技术的电动机的软起动器(例如，使用星形-三角形)的作用。
可以通过如图76至图80所示的各种连接布置来实现上述单极开关装置的模块化配置。可以理解，可以根据需要来修改单极开关装置上的电力端子的设计，以使得能够以多种可以减小布线复杂度和配置尺寸的方式连接开关装置。
例如，图76示出了彼此相邻布置的两个相同的单极开关装置1022和1024。单极开关装置1022和1024均包括两个电力端子，这两个电力端子在相同高度处从开关装置1022和1024的两个相对侧突出。也就是说，单极开关装置1022包括处于相同高度的第一电力端子1026和第二电力端子1028，以及单极开关装置1024包括处于相同高度的第一电力端子1030和第二电力端子1032。如所示，单极开关装置1022的第二电力端子1028与单极开关装置1024的第一电力端子1030对准。可以使用汇流条1034来连接电力端子1028和1030，连接销1036穿过孔1038插入汇流条1034以及电力端子1028和1030。
如图77所示，在另一实施例中，单极开关装置的电力端子可以位于两个相对侧的不同高度处。如所示，单极开关装置1040包括第一电力端子1042，该第一电力端子1042在单极开关装置1040的一侧位于比在相对侧的第二电力端子1044低的高度处。使用电力端子位于相同高度处的相同单极开关装置1046，可以通过重叠电力端子来连接两个开关装置1040和1046。如所示，单极开关装置1046的第一电力端子1048在单极开关装置1040的第二电力端子1044下面对准，并且电力端子1044和1048经由连接销1036相连接。因此，所示出的配置可以避免使用汇流条来连接单极开关装置1040和1046。
如图78所示，在另一实施例中，可以将单极开关装置的电力端子配置成适配在一起。如所示，单极开关1050包括在一侧的第一电力端子1052和在相对侧的第二电力端子1054，其中凹槽在第一电力端子1052的底部上，而与第一电力端子1052的凹槽匹配的凹槽在二电力端子1054的顶部上。使用电力端子包括凹槽的相同的单极开关装置1056，可以通过将电力端子配合在一起来连接两个开关装置1050和1056。如所示，单极开关装置1056的第一电力端子1058通过配合凹槽与单极开关装置1050的第二电力端子1054适配，并且电力端子1054和1058经由单个连接销1036而连接。因此，所描绘的配置可以避免使用汇流条来连接单极开关装置1050和1056。
图79和图80描绘了多于两个单极开关装置的减少连接开关装置所需的布线量的各种配置的俯视图。例如，图79示出了单极开关装置1060、1062和1064，这些单极开关装置包括处于不同高度的电力端子，从而这些电力端子可以彼此重叠。也就是说，开关装置1060的电力端子1066最高，开关装置1062的电力端子1068处于中间高度，以及电力端子1070处于最低高度。因此，这些电力端子可以彼此堆叠并且经由单个连接销1036连接。可以理解，单极开关装置可以被布置成适配于某些壳体的物理限制，并且这一点可以通过利用单个连接器销1036通过经由电力端子的直接连接来减少布线而达成。
此外，图80示出了包括处于相同高度的电力端子1078、1080和1082的单极开关装置1072、1074和1076。如上所述，可以使用汇流条来连接不重叠的电力端子。例如，在所示的实施例中，经由“T”形汇流条1084连接三个电力端子1078、1080和1082，该“T”形汇流条1084与孔1038对准并且用连接销1036来固定。使用上述配置来连接单极开关装置可以提供在布置某些电动机起动器时减小布线复杂度的益处。
所提供的系统改进
此外，本文中所描述的技术可以有利于改进系统10中的一个或更多个部件的操作。在一些实施例中，可以使用测错技术来利于控制负载14的温度，特别是当负载14未在操作中时。例如，控制电路18可以指示单极开关装置(例如，576、578或580)来周期性地传导电流通过电动机24中的绕组，由此加热绕组。在一些实施例中，加热绕组可以利于电动机24的后续起动，特别是在寒冷环境中。
为了帮助说明，在图81中描述了保持电动机的温度的处理1100的一个实施例。通常，处理1100包括停止负载的操作(处理框1102)以及确定是否需要加热负载(判定框1104)。当需要加热负载时，处理1100还包括：供给电力的第一相和第二相(处理框1106)；供给电力的第一相和第三相(处理框1108)；以及供给电力的第二相和第三相(处理框1110)。处理1100可以经由存储在非暂态制造品(例如，存储器226、20、46和/或其他存储器)中的计算机可读指令来实现并且通过处理器224、19、45和/或其他控制电路来执行。
因此，控制电路18可以指示电动机24停止操作(处理框1102)。在一些实施例中，控制电路18可以通过指示一个或多个开关装置(例如，单极开关装置576、578和580)断开来停止电动机24的操作，由此将电力与电动机24断开连接。
然后，控制电路18可以确定是否需要加热电动机24(判定框1104)。在一些实施例中，控制电路18可以经由温度传感器来确定电动机24的温度。在这样的实施例中，当电动机24的温度达到阈值时，控制电路18可以确定需要加热电动机24。附加地或替选地，控制电路18可以例如基于定时器而定期地确定需要加热电动机。
当不需要加热电动机时，控制电路18可以继续等待直到需要加热为止(箭头1112)。在一些实施例中，控制电路18可以定期地轮询温度传感器以确定温度是否已达到阈值。
另一方面，当需要加热时，控制电路18可以指示一个或多个开关装置将电力的第一相(例如，相A)和第二相(例如，相B)连接至电动机24中的第一绕组达较短持续时间(处理框1106)。例如，在一些实施例中，控制电路18可以指示第一单极开关装置576和第二单极开关装置578在第一时间处闭合达较短持续时间(例如，测错)。以此方式，由于传导电流而可以加热第一绕组。
此外，控制电路18可以指示一个或多个开关装置将电力的第一相(例如，相A)和第三相(例如，相C)连接至电动机24中的第二绕组达较短持续时间(处理框1108)。例如，在一些实施例中，控制电路18可以指示第一单极开关装置576和第三单极开关装置578在第二时间处闭合达较短持续时间(例如，测错)。以此方式，由于传导电流而可以加热第二绕组。
此外，控制电路18可以指示一个或多个开关装置将电力的第二相(例如，相B)和第三相(例如，相C)连接至电动机24中的第三绕组达较短持续时间(处理框1110)。例如，在一些实施例中，控制电路18可以指示第二单极开关装置578和第三单极开关装置580在第三时间处闭合达较短持续时间(例如，测错)。以此方式，由于传导电流而可以加热第三绕组。
如上所述，当电动机24静止时供给电力的两相可能不足以使电动机24开始旋转。因此，可以在保持电动机24静止(例如，非操作的)的同时进行对绕组的加热。此外，在一些实施例中，可以将加热电动机24与测试单相接地故障和/或相间故障进行协同。因此，控制电路18可以至少部分地基于预测的电流过零点来指示单极开关装置576、578和580中的每对闭合，由此减小任何潜在故障的影响。
此外，即使当负载14在操作中(例如，电动机正在旋转)时，也可以控制负载14的温度以改进操作。例如，当以部分星形、部分三角形或混合的星形-三角形配置连接电动机24时，向每个绕组供给的电力会不同。因此，每个绕组的温度会至少部分地基于所传导的电力量而不同。因此，为了有利于在绕组之间保持近似相等的温度，星形-三角形启起动动器可以定期地轮换哪些绕组以何种配置连接，特别是在配置中保持达较长的时间段。
例如，在星形-三角形起动器以三角形配置仅连接一个绕组的配置中(例如，图43G中描述的部分三角形配置)，星形-三角形起动器可以定期地改变以三角形配置连接哪个绕组。更具体地，星形-三角形起动器可以定期地在下述之间进行轮换：以三角形配置连接第一绕组386、以三角形配置连接第二绕组388和以三角形配置连接第三绕组390。以此方式，通过以三角形配置连接每个绕组达大致相同的持续时间，可以保持绕组的温度大致相等。本领域的普通技术人员理解，在绕组之间的这种轮换也可以应用于其他部分三角形配置、部分星形配置和混合的星形-三角形配置。
除了改进负载14的操作，所描述的技术还可以利于改进开关装置的操作。更具体地，由于接触器污染或环境条件(诸如灰尘)，开关装置的接触器垫片上可能会累积氧化物。因此，可以使用受控的电弧放电来通过烧掉氧化物清洁接触器垫片，由此提高开关装置的性能和/或寿命。
为了帮助说明，图82中描述了用于清洁开关装置的接触器垫片的处理1114的一个实施例。通常，处理1114包括闭合开关装置(处理框1116)并确定何时需要关断开关装置(判定框1118)。当需要关断开关装置时，该处理包括：确定是否需要清洁开关装置(判定框1120)；当不需要清洁开关装置时，基于电流过零点来关断(处理框1122)；以及当需要清洁开关装置时在关断时产生电弧(处理框1124)。处理1114可以通过存储在非暂态制品(例如，存储器226、20、46和/或其他存储器)中的计算机可读指令来实现并通过处理器224、19、45和/或其他控制电路来执行。
因此，控制电路18可以指示开关装置闭合，由此将电力连接至负载14(处理框1116)。然后，控制电路18可以确定是否需要关断开关装置(处理框1118)。在一些实施例中，当需要将电力与负载14断开连接时，控制电路18可以确定需要关断。如果不需要关断，则控制电路18可以指示开关装置保持闭合并且等待直到需要关断为止(箭头1126)。
另一方面，当需要关断时，控制电路18可以确定是否需要清洁开关装置(判定框1120)。在一些实施例中，控制电路18可以在设定次数的关断(例如，每二十次关断)之后确定需要清洁开关装置。附加地或替选地，控制电路18可以基于开关装置已在操作中的持续时间和/或开关装置已闭合的持续时间来确定需要清洁。
当不需要清洁时，控制电路18可以至少部分地基于所传导的电力的电流过零点来指示开关装置关断(处理框1122)。在一些实施例中，控制电路18可以指示开关装置在电流过零点处或略微在电流过零点之前关断，由此减小任何电弧放电的可能性和/或幅度。如上所述，可能期望错过除了电流过零点外的标记并且在电流在半周期上相对于电流过零点向下时断开，而不是错过在电流过零点之后的标记。
另一方面，当需要清洁时，控制电路18可以指示开关装置关断，以使得在接触器垫片断开时产生电弧(处理框1124)。以此方式，由电弧放电产生的热可以烧掉接触器垫片上的氧化物，由此清洁了开关装置。如上所述，电弧放电的幅度可以直接基于开关装置在电流波形上的何处关断。更具体地，该关断距随后的电流过零点越远，所产生的电弧放电的幅度就越大。因此，在一些实施例中，控制电路18可以基于期望的电弧放电量来确定何时关断。例如，当开关装置很长一段时间都未清洁时，控制电路18可以确定需要较大量的清洁，并且在距随后的电流过零点较远处关断。
此外，在一些情况中，电弧放电会使原子从一个接触器垫片转移到其他接触器垫片。因此，在一些实施例中，控制电路18还可以基于需要转移原子的方向来确定何时关断开关装置。实际上，在一些实施例中，控制系统18可以关断开关装置以使得接触垫片轮换成为阴极和阳极。以此方式，可以在每个接触器垫片上保持比较平均的原子数。
图74示出了使用三个单极开关装置1014、1016和1018来将三相电力连接和断开连接的实施例，以及图75示出了使用四个单极开关装置1014、1016、1018和1020来将三相电力和中性点(例如，地)进行连接和断开连接的实施例。
虽然本文中仅示出并描述了本公开内容的某些特征，但是本领域的技术人员会想到许多修改和变化。因此，应理解，所附权利要求意在覆盖落入本公开内容的实际精神内的所有这样的修改和变化。
关于包括以上各实施例的实施方式，还公开下述附记：
附记：
1.一种方法，包括：
在电力切换系统的第一切换操作中，基于输入的三相电力的电流过零点或预测的电流过零点来命令三个单独可控的单极单载流路径开关装置中的至少一个开关装置在所述开关装置中的至少一个其他开关装置之前断开或闭合，所述电力切换系统包括被配置成向负载提供三相电力的所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置和耦接至所述开关装置以控制所述载流路径的闭合和断开的控制电路；以及
在后续的切换操作中，使所述三个开关装置中的哪个开关装置在所述开关装置中的另一开关装置之前闭合或断开进行交替。
2.根据附记1所述的方法，包括：确定所述输入的三相电力中的至少一相的预测的电流过零点，并且在所述预测的电流过零点处或在所述预测的电流过零点之前的期望时间内闭合所述开关装置中的一个开关装置以及此后闭合剩余的开关装置。
3.根据附记1所述的方法，其中，每次后续切换操作中改变在所述至少一个其他开关装置之前闭合的开关装置。
4.根据附记1所述的方法，包括：监视所述开关装置的操作。并且基于所监视的操作来使所述三个开关装置中的哪个开关装置在所述开关装置中的另一开关装置之前闭合或断开进行交替。
5.根据附记4所述的方法，其中，所述三个开关装置中的哪个开关装置在其他开关装置之前闭合或断开是基于所述开关装置的磨损指示来选择的。
6.根据附记5所述的方法，其中，对所述三个开关装置中的哪个开关装置在其他开关装置之前闭合或断开的选择基于向所有开关装置提供大致均等的磨损。
7.根据附记1所述的方法，其中，所述开关装置基本上相同。
8.一种电力切换系统，包括：
第一开关装置，被配置成将来自电源的三相电力中的相A与负载选择性地连接或断开连接；
第二开关装置，被配置成将来自所述电源的所述三相电力中的相B与所述负载选择性地连接或断开连接；以及
第三开关装置，被配置成将来自所述电源的所述三相电力中的相C与所述负载选择性地连接或断开连接；以及
控制电路，被配置成通过以下方式来控制所述第一开关装置、所述第二开关装置和所述第三开关装置的操作：
在第一切换操作期间指示所述第一开关装置在所述第二开关装置和所述第三开关装置之前断开或闭合；
在第二切换操作期间指示所述第二开关装置在所述第一开关装置和所述第三开关装置之前断开或闭合；以及
在第三切换操作期间指示所述第三开关装置在所述第一开关装置和所述第二开关装置之前断开或闭合。
9.根据附记8所述的电力切换系统，其中，所述控制电路被配置成：
至少部分地基于所述第一开关装置所传导的电流何时为零来指示所述第一开关装置断开；以及
至少部分地基于从所述电源供给至所述第一开关装置的电压何时为零来指示所述第一开关装置闭合。
10.根据附记8所述的电力切换系统，所述控制电路被配置成指示所述电力切换系统在执行所述第一切换操作、所述第二切换操作和所述第三切换操作之间轮换。
11.根据附记8所述的电力切换系统，其中，所述第一开关装置、所述第二开关装置和所述第三开关装置均包括单极单载流路径开关装置。
12.根据附记8所述的电力切换系统，其中，所述控制电路被配置成：
在所述第一切换操作期间指示所述第二开关装置和所述第三开关装置基本上同时断开或闭合；
在所述第二切换操作期间指示所述第一开关装置和所述第三开关装置基本上同时断开或闭合；以及
在所述第三切换操作期间指示所述第一开关装置和所述第二开关装置基本上同时断开或闭合。
13.一种星形-三角形切换系统，包括：
一个或多个星形开关装置，被配置成以星形配置将三相电动机中的绕组进行连接和断开连接；
一个或多个三角形开关装置，被配置成以三角形配置将所述三相电动机中的绕组进行连接和断开连接；以及
控制电路，被配置成：
控制所述一个或多个星形开关装置的操作，以使得所述一个或多个星形开关装置按不同的次序、以所述星形配置将所述绕组进行连接或断开连接；以及
控制所述一个或多个三角形开关装置的操作，以使得所述一个或多个三角形开关装置按不同的次序、以所述三角形配置将所述绕组进行连接或断开连接。
14.根据附记13所述的星形-三角形切换系统，其中：
所述一个或多个星形开关装置包括三个单极单载流路径开关装置；以及
所述一个或多个三角形开关装置包括三个单极单载流路径开关装置。
15.根据附记13所述的星形-三角形切换系统，其中，所述控制电路被配置成：
指示所述一个或多个星形开关装置中的一个开关装置在第一时间处断开或闭合；以及
指示所述一个或多个星形开关装置中的两个不同的星形开关装置基本上同时在第二时间处断开或闭合；
其中，所述一个或多个星形开关装置包括第一单极开关装置、第二单极开关装置和第三单极开关装置，其中，在不同的切换操作中，所述一个或多个星形开关装置中的所述一个开关装置在所述第一单极开关装置、所述第二单极开关装置和所述第三单极开关装置之间轮换。
16.根据附记13所述的星形-三角形切换系统，其中，所述控制电路被配置成：
指示所述一个或多个三角形开关装置中的一个三角形开关装置在第一时间处断开或闭合；以及
指示所述一个或多个三角形开关装置中的两个不同的三角形开关装置基本上同时在第二时间处闭合；
其中，所述一个或多个三角形开关装置包括第一单极开关装置、第二单极开关装置和第三单极开关装置，其中，在不同的切换操作中，所述一个或多个三角形开关装置中的所述一个三角形开关装置在所述第一单极开关装置、所述第二单极开关装置和所述第三单极开关装置之间轮换。
17.根据附记13所述的星形-三角形切换系统，其中，所述控制电路被配置成：
至少部分地基于所述一个或多个星形开关装置中的每个星形开关装置的磨损来确定以所述星形配置将所述绕组进行连接或断开连接的次序；以及
至少部分地基于所述一个或多个三角形开关装置中的每个三角形开关装置的磨损来确定以所述三角形配置将所述绕组进行连接或断开连接的次序。
18.根据附记13所述的星形-三角形切换系统，其中，所述控制电路被配置成控制所述一个或多个星形开关装置的操作，以使得所述一个或多个星形开关装置：
至少部分地基于由所述一个或多个星形开关装置传导的电力的电流过零点来将所述绕组从所述星形配置断开连接；以及
至少部分地基于电耦接至所述一个或多个星形开关装置的电源处的电压过零点来以所述星形配置连接所述绕组。
19.根据附记13所述的星形-三角形切换系统，其中，所述控制电路被配置成控制所述一个或多个三角形开关装置的操作，以使得所述一个或多个三角形开关装置：
至少部分地基于所述一个或多个三角形开关装置传导的电力的电流过零点来将所述绕组从所述三角形配置断开连接；以及
至少部分地基于电耦接至所述一个或多个三角形开关装置的电源处的电压过零点来以所述三角形配置连接所述绕组。
20.一种开关装置系统，包括：
第一单极开关装置，被配置成将电力的第一相与三相电动机的第一绕组选择性地连接和断开连接；
第二单极开关装置，被配置成将电力的第二相与所述三相电动机的第二绕组选择性地连接和断开连接；
其中，所述第一单极开关装置和所述第二单极开关装置被配置成通过在第一时间处将电力的所述第一相和所述第二相连接至所述电动机来控制所述电动机的温度。
21.根据附记20所述的开关装置，包括第三单极开关装置，所述第三单极开关装置被配置成将电力的第三相与所述三相电动机的第三绕组选择性地连接和断开连接；
其中，所述第一单极开关装置、所述第二单极开关装置和所述第三单极开关装置被配置成通过以下方式来控制所述三相电动机的温度：
在第二时间处，将电力的所述第一相和所述第三相连接至所述三相电动机；以及
在第三时间处，将电力的所述第二相和所述第三相连接至所述三相电动机。
22.根据附记20所述的开关装置系统，其中，所述第一单极开关装置和所述第二单极开关装置被配置成形成星形-三角形起动器。
23.根据附记22所述的开关装置系统，其中，所述第一单极开关装置被配置成以三角形配置连接所述第一绕组，以及所述第二单极开关装置被配置成以所述三角形配置连接所述第二绕组。
24.根据附记20所述的开关装置系统，其中，所述第一单极开关装置和所述第二单极开关装置被配置成形成直接联机开关装置。
25.一种开关装置系统，包括：
开关装置，包括接触器垫片，其中，所述开关装置被配置成在所述接触器垫片被电连接时将电力连接至负载，而在所述接触器垫片被电断开连接时将电力从所述负载断开连接；以及
控制电路，被配置成：
确定是否需要在将电力从所述负载断开连接时清洁所述接触器垫片；
当不需要清洁时，基于电流过零点来指示所述开关装置在第一时间处将所述接触器垫片断开连接；以及
当需要清洁时，指示所述开关装置在第二时间处将所述接触器垫片断开连接，以使得产生电弧以清洁所述接触器垫片。
26.根据附记25所述的开关装置系统，其中，所述控制电路被配置成：通过指示所述开关装置在所述电流过零点处或略微在所述电流过零点之前将所述接触器垫片断开连接来指示所述开关装置基于所述电流过零点将所述接触器垫片断开连接。
27.根据附记26所述的开关装置系统，其中，所述控制电路被配置成至少部分地基于所述电弧的期望幅度来确定所述第二时间。
28.根据附记27所述的开关装置系统，其中，所述第二时间距电流过零点较远以增加所述电弧的幅度以及距所述电流过零点较近以减小所述电弧的幅度。
29.根据附记28所述的开关装置系统，其中，所述控制电路被配置成指示所述开关装置在所述第二时间处将所述接触器垫片断开连接，以使得所述电弧烧掉所述接触器垫片上的氧化物。
30.根据附记25所述的开关装置系统，其中，所述控制电路被配置成确定所述第二时间，以使得所述接触器垫片在每个电弧中交替作为阳极和阴极。

Claims (9)

1.一种电力切换方法，包括：
在电力切换系统的第一切换操作中，基于输入的三相电力的电流过零点或预测的电流过零点，来命令三个单独可控的单极单载流路径开关装置中的至少一个开关装置在所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置中的至少一个其他开关装置之前断开或闭合，所述电力切换系统包括被配置成向负载提供三相电力的所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置和耦接至所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置以控制载流路径的闭合和断开的控制电路；
通过向所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置施加测量电流或保持电流来监视所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置的操作，其中，所述测量电流用于测量所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置的温度，所述保持电流用于使所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置保持闭合；以及
在后续的切换操作中，基于所监视到的操作，来使所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置中的哪个开关装置在所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置中的另一开关装置之前闭合或断开进行交替。
2.根据权利要求1所述的电力切换方法，包括：确定所述输入的三相电力中的至少一相的预测的电流过零点，并且在所述预测的电流过零点处或在所述预测的电流过零点之前的期望时间内闭合所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置中的一个开关装置以及此后闭合剩余的开关装置。
3.根据权利要求1所述的电力切换方法，其中，所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置中的哪个开关装置在其他开关装置之前闭合或断开是基于所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置的磨损指示来选择的。
4.根据权利要求3所述的电力切换方法，其中，对所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置中的哪个开关装置在其他开关装置之前闭合或断开的选择基于向所有开关装置提供大致均等的磨损。
5.根据权利要求1所述的电力切换方法，其中，所述三个单独可控的单极单载流路径开关装置基本上相同。
6.一种电力切换系统，包括：
第一开关装置，被配置成将来自电源的三相电力中的相A与负载选择性地连接或断开连接；
第二开关装置，被配置成将来自所述电源的所述三相电力中的相B与所述负载选择性地连接或断开连接；以及
第三开关装置，被配置成将来自所述电源的所述三相电力中的相C与所述负载选择性地连接或断开连接；以及
控制电路，被配置成通过以下方式来控制所述第一开关装置、所述第二开关装置和所述第三开关装置的操作：
在第一切换操作期间指示所述第一开关装置在所述第二开关装置和所述第三开关装置之前断开或闭合；
在第二切换操作期间指示所述第二开关装置在所述第一开关装置和所述第三开关装置之前断开或闭合；以及
在第三切换操作期间指示所述第三开关装置在所述第一开关装置和所述第二开关装置之前断开或闭合，
其中，通过向所述第一开关装置、所述第二开关装置和所述第三开关装置施加测量电流或保持电流来监视所述第一开关装置、所述第二开关装置和所述第三开关装置的操作，所述测量电流用于测量所述第一开关装置、所述第二开关装置和所述第三开关装置的温度，所述保持电流用于使所述第一开关装置、所述第二开关装置和所述第三开关装置保持闭合，并且其中，所述控制电路被配置成基于所监视到的操作来指示所述电力切换系统在执行所述第一切换操作、所述第二切换操作和所述第三切换操作之间进行交替。
7.根据权利要求6所述的电力切换系统，其中，所述控制电路被配置成：
至少部分地基于所述第一开关装置所传导的电流何时为零来指示所述第一开关装置断开；以及
至少部分地基于从所述电源供给至所述第一开关装置的电压何时为零来指示所述第一开关装置闭合。
8.根据权利要求6所述的电力切换系统，其中，所述第一开关装置、所述第二开关装置和所述第三开关装置均包括单极单载流路径开关装置。
9.根据权利要求6所述的电力切换系统，其中，所述控制电路被配置成：
在所述第一切换操作期间指示所述第二开关装置和所述第三开关装置基本上同时断开或闭合；
在所述第二切换操作期间指示所述第一开关装置和所述第三开关装置基本上同时断开或闭合；以及
在所述第三切换操作期间指示所述第一开关装置和所述第二开关装置基本上同时断开或闭合。
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