CN107644782B - 设有检测受控开关断开或接通位置的装置的电磁接触器 - Google Patents

Abstract

本电磁接触器包括：一组受控开关(C1、C2、C3)；至少一个电磁场发生器(L；L1，L2)，例如线圈，该电磁场发生器与控制受控开关的状态的可调芯体(P)相关联；和控制电磁场发生器的电源的单元(UC)。电磁接触器包括用于检测可调芯体的位置以检测受控开关的状态的装置。

Description

设有检测受控开关断开或接通位置的装置的电磁接触器

技术领域

本公开涉及一种电磁接触器，尤其涉及对这种接触器的断开或接通状态的控制。

背景技术

电磁接触器或功率继电器是确保电源切换的电子部件。

所涉及的电压水平可例如约为115伏交流电(volts alternating current，VAC)、230VAC，或甚至例如约为540伏直流电(volts direct current，VDC)。

电磁接触器支持的电流水平可约为几十到几百安培。

电磁接触器通常由控制信号远程驱动，其包括配备有可调芯体的一个或多个电磁场发生器，该可调芯体的位移提供受控开关的切换。

可以参照图1和图2，其示出了根据现有技术的电磁接触器的两个实施例。

在图1的实施例中，电磁接触器包括两个电磁场发生器，这两个电磁场发生器分别由并联连接在直流电源(本文为28VDC)与地面之间的两个线圈L1和L2构成。这两个线圈经由两个受控开关接地，这两个受控开关由两个晶体管T1和T2构成，响应于接收作为输入的控制信号C，这两个晶体管T1和T2的断开和接通状态由控制单元UC控制。

两个线圈L1和L2中的每个确保公用可调芯体的位移，该可调芯体机械连接到开关C1、C2和C3，开关C1、C2和C3连接到本文为115VAC的三相电源线的三相A、B和C。两个线圈中的一个旨在确保开关C1、C2和C3的切换，另一个线圈其本身用于确保开关C1、C2和C3的状态的维持。

在图2的实施例中，电磁接触器包括单个线圈L，该线圈L与可调芯体相关联，该可调芯体连接到电源线的三相A、B和C的开关C1、C2和C3。

该线圈L经由由晶体管T构成的受控开关连接在本文为28伏的直流电压源与地面之间，受控开关的断开或接通状态由接收控制信号C的中央单元UC驱动。

在本实施例中，线圈根据通过它的电流来确保开关状态的切换和维持。

由脉冲宽度调制驱动的该电流在切换阶段与维持阶段不同。

在这两个实施例中，电磁接触器提供与开关C1、C2和C3的断开或接通状态相关的信息项。

在这方面，接触器包括两个辅助触点AUX_NO和AUX_NF，这两个辅助触点分别提供开关断开和接通信息项。这些辅助触点由两条导线的输出端构成，这两条导线由直流信号AUX_COM供电。所述导线各自配备有辅助开关C'1和C'2，辅助开关的断开和接通状态由连接到开关C1、C2和C3的可调芯体控制，使得开关C1、C2和C3接通时辅助触点AUX_NO和AUX_NF复制输入电压AUX_COM的水平。

因此，辅助触点允许电磁接触器提供开关状态信息项，并且可以根据控制C确定这些开关是断开的还是接通的。

因此，辅助触点使得可以检测中央单元的故障或接触器处于断开或接通位置的阻断。

然而，对电磁接触器的状态的检测由相对复杂的机械装置实施。

发明内容

因此，本发明的目的是减轻这个缺陷，并且允许在不实施这种机械装置的情况下检测电磁接触器的断开或接通状态。

因此，本发明的主题是一种电磁接触器，其包括一组受控开关、至少一个电磁场发生器、以及控制电磁场发生器电源的单元。电磁场发生器例如是线圈，该电磁场发生器与控制受控开关状态的可调芯体相关联。

该电磁接触器包括用于检测可调芯体的位置以检测受控开关状态的装置。

在一个实施例中，用于检测可调芯体的位置的装置包括用于计算所述电磁场发生器的阻抗值的装置，特别是包括用于计算所述电磁场发生器的电感值的装置。

有利地，根据所述电磁场发生器在预定持续时间内的电源电压值以及该电磁场发生器中流通的电流的测量值来计算所述阻抗值。

在一个实施例中，电磁接触器包括存储装置，存储装置中存储有阻抗值，特别是存储有电磁场发生器的电阻值，该阻抗值作为电磁场发生器的温度函数，所述电磁场发生器的阻抗值从存储装置提取。

根据本发明的电磁接触器的另一特征，计算装置包括用于将电磁场发生器的电感值与分别对应于电磁接触器断开和接通状态的电感值进行比较的装置。

在一个实施例中，电磁接触器包括单个电磁场发生器。

在另一个实施例中，电磁接触器包括两个电磁场发生器，这两个电磁场发生器作用在公用可调芯体上，且各自由开关驱动，第一电磁场发生器确保电磁接触器的接通，以及第二电磁场发生器确保电磁接触器保持接通。

此外，根据第二方面，本发明的主题是用于确定上面定义的电磁接触器的断开或接通状态的方法，其中：

-用电源电压为电磁接触器供电预定持续时间；

-测量电磁场发生器中流通的电流；

-计算电磁场发生器的阻抗值；和

-将所计算的阻抗值与用于保护电磁接触器的断开或接通状态的至少一个阈值的集合进行比较。

在一个实施方式中，根据电磁场发生器中流通的电流的测量结果来计算阻抗值。

根据本发明的方法的另一个特征，所述接触器具有单个电磁场发生器，检测电流被叠加在维持电流上，测量电磁场发生器中流通的电流，从所测量的电流值中减去维持电流值，计算阻抗值。

附图说明

在阅读下面描述时会了解本发明的其它目的、特征和优点，这些目的、特征和优点纯粹作为非限制性示例并可参照附图给出，在这些附图中：

-已经提及的图1和图2示出了根据现有技术的电磁接触器的两个实施例的结构；

-图3和图4示出了根据本发明的电磁接触器的两个实施例；

-图5和图6分别示出了接触器断开和接通时电感器电流随时间变化的趋势；

-图7是三维曲线，其示出了接触器的电感值随可调芯体位置和穿过电感器的电流变化的趋势；和

-图8示出了电感值随可调芯体的气隙变化的趋势。

具体实施方式

首先参照图3，图3示出了根据本发明的电磁接触器的第一示例性实施例。

该实施例对应于具有单个电磁场发生器的电磁接触器的布置，该单个电磁场发生器与可调芯体P相关联，该可调芯体机械连接到电源线的三个开关C1、C2和C3。

可以看出，本文的电磁场发生器由与可调芯体P相关联的线圈L构成。

电磁接触器包括中央单元UC、输入电路1DSI和输出电路2DSO，中央单元UC由微控制器或另一可编程逻辑元件构成，输入电路1DSI接收控制信号CMD，输出电路2DSO包括用于模拟辅助触点的集电极开路级。输出电路提供与根据现有技术的电磁开关的常开辅助触点相对应的两个输出DSO_OL1和DSO_OL2，和与根据现有技术的电磁开关的常闭辅助触点相对应的两个输出DSO_CL1和DSO_CL2，该输出电路提供与接触器的断开和接通相关的指示以及表示输出信号DSO_OL1、...、DSO_CL2的有效性的信号DSO_VALID。

电磁接触器还包括电源电路，该电源电路包括电磁接触器在28VDC下的两个电源输入端28VDC和0VDC。该电源电路包括电磁干扰滤波级3以及DC-DC转换器4。电磁干扰滤波级3由两个电感器和两个电容器生成并且经由二极管D1被提供直流电压。本文的DC-DC转换器4提供大约5伏的DC电压，用于供应电磁接触器的各种组成元件，特别是电磁接触器的微控制器UC。

在两个受控开关T1和T2的控制下，电磁干扰滤波级3的输出供应线圈L，这两个受控开关由受微控制器驱动的晶体管构成。

第一晶体管T1由控制信号PCOIL_CMD经由电压转换器5而驱动，而第二开关T2由微控制器提供的输出MCOIL_CMD驱动。这两个控制信号PCOIL_CMD和MCOIL_CMD响应于输入电路1对控制信号CMD的接收而产生。

可以看出，第二开关T2经由电阻器R接地，且第二开关T2与电阻器R之间的中间点连接到微控制器的输入端MCOIL_CURRENT，以提供流通通过线圈L的电流I的测量结果。

电磁接触器的电源电路通过确保微控制器的时钟的振荡器6而完整。

此外，续流二极管D2并联连接到线圈L，特别是续流二极管D2连接在第二开关T2和电感器L之间的中间点与第一开关T1和滤波级3的输出端之间的中间点之间，以避免可能在晶体管断开时损坏晶体管的过电压。最后，稳压二极管D3并联连接到第一开关T1，以通过形成高压放电而改善开关断开时的放电。

在本实施例中，在驱动第一开关T1的输出PCOIL_CMD的控制下，执行开关C1、C2和C3的接通控制。

通过脉冲宽度调制的、线圈L中流通的电流I的测量结果控制第二开关T2，进行受控开关C1、C2、C3处于闭合状态的维持。

在图4所示的实施例中，该实施例对应于具有两个线圈L1和L2的布置，这两个线圈L1和L2驱动机械连接到受控开关C1、C2和C3的公用可调芯体P的位移。可以看出，如图3的实施例，接触器包括中央单元UC和电源电路，中央单元UC与接触器的输入电路1及输出电路2相关联，电源电路包括电磁干扰滤波级3、直流电流转换器4和振荡器6，直流电流转换器4用于确保接触器的构成元件的电力，以及振荡器6用于对微控制器进行计时。

这些各种元件与先前参照图3描述的元件相同，因此不再详细描述。

还要认识到，两个开关T1和T2在受控状态下分别确保开关C1、C2和C3的接通控制以及这些开关C1、C2和C3的维持控制。

第一开关T1由微控制器提供的信号PCOIL_CMD控制，而第二开关T2由微控制器的输出HCOIL_CMD驱动。

如前所述的实施例，续流二极管D4和D5并联连接到每个线圈，以避免开关断开时出现过电压。还可以提供未示出的稳压二极管，以便于开关断开时电感器放电。

在本实施例中，当需要接通电源线时，响应于接收作为输入电路1的输入的控制信号CMD，第一开关T1和第二开关T2接通以同时对线圈L1和L2供电并随之引起可调芯体的位移。

通过保持第二开关T2接通并保持到第二线圈L2的电源来保持开关C1、C2和C3的接通状态。在本实施例中，开关T1断开，则线圈L1的电源中断。

如参照图3所述的实施例，在微控制器的输入端COIL_CURRENT处提供穿过控制线圈L1的电流I的测量结果。

如前所述，在图3和图4的实施例中，微控制器提供与开关C1、C2和C3断开状态下的锁定相关以及接通状态下的锁定相关的指示。这些信息项通过“OPEN_LOCK”输出端和“CLOSED_LOCK”输出端提供到输出电路DSO 2。这些信息项由输出电路的相应输出DSO_OL1和DSO_OL2以及DSO_CL1和DSO_CL2冗余地提供。此外，微控制器和输出电路2提供指示DSO_VALID，该指示DSO_VALID反映了OPEN_LOCK输出端和CLOSED_LOCK输出端上提供的信息项的有效性。

实际上，微控制器包括用于检测可调芯体的位置以检测受控开关的状态的装置，特别是软件。

在一个实施例中，这些检测装置包括用于计算电磁场发生器或发生器的阻抗值的装置。在图3和图4的实施例中，这些检测装置是用于计算线圈L和L1的电感值的装置。

实际上，控制线圈的电感基于芯体的位置进而受控开关的位置而不同。根据驱动受控开关的芯体的位置，电感值可以有30％至40％的变化。

因此，微控制器设置有比较装置，该比较装置确保将线圈的电感值与用于检测开关的断开和接通的阈值进行比较，以便检测开关的断开或接通状态。

图3的实施例的线圈L的电感值或图4的实施例的线圈L1的电感值由以下关系式计算：

其中：

V表示线圈的电源电压；

t表示线圈供电持续时间；

I表示在持续时间t结束时通过线圈的电流；和

R表示线圈的电阻。

因此，通过向线圈供应电压V达时间t，并通过在时间t结束时测量通过线圈的电流I，可以计算线圈的值并将该值与阈值进行比较以检测开关的断开或接通状态。

然而，线圈的电阻值随温度变化而变化。因此，微控制器优选地包含存储在存储器中的、先前测量的作为温度函数的电阻值表。然后基于线圈的温度测量从该表中提取用于计算电感值的电阻值。

参照图5和图6，分别对于处于断开和接通位置的接触器示出了线圈中流通的电流随时间变化的趋势，可以看出，开关的接通伴随着线圈电流的斜率变化。该斜率可以以电子方式进行评估，并且对应于电感值的至少50％的增加。

因此，微控制器通过在相对短的持续时间内进行线圈的供电并通过评估随时间变化的电流的斜率来提供第一信息项“接触器正确断开”，也就是说，相对短的持续时间是小于引起接触器的有效接通所需的持续时间，例如250微秒的持续时间，该斜率反映电感值。在“OPEN_LOCK”输出端上提供与接触器的正确断开相对应的信息项。

对于闭合状态的检测，在图3的对应于具有单个电感器的实施例中，通过向开关T2施加脉宽调制电流来维持开关的锁定，通过在线圈中施加附加电流来周期性地测量电感。

然后从与关系式(1)的参数I对应的测量电流值中减去维持电流的值，并根据所述关系式(1)计算电感值。

在图4的实施例中，接触器包括两个线圈L1和L2，这两个线圈分别控制和维持切换中使用的线圈L1的电感值，在维持期间通过瞬时接通开关T1而不再对线圈L1供电，通过在预定持续时间结束时测量电流I和电压V来计算线圈L1的电感值。例如，持续时间t可以等于大约250微秒。因此，可以在微控制器的“CLOSED_LOCK”输出端上提供“接触器正确接通”类型的信息项。

可以理解的是，刚刚描述的本发明可以根据电感的改变确定用于控制开关断开或接通状态的线圈的可调节芯体的位置。这种改变是芯体位置的函数，或者换言之，这种改变是芯体气隙值和穿过所述芯体的电流值的函数。

事实上，从图7中可以看出，电感值作为气隙值e的函数而增加。图8示出了电感随气隙的变化，该图证实当线圈中没有电流时，电感值在芯体的气隙减小时会非常显著地增加。相比之下，当电流趋于使线圈饱和时，所述线圈的电感值在芯体的气隙减小时会非常显著地减小。

最后注意的是，本发明不限于所描述的实施例。

实际上，在参照图3和图4描述的示例性实施例中，根据线圈中流通的电流的测量结果来执行开关断开或接通状态的检测。

在其他实施例中，通过使用具有两个衔铁的电容器，并通过计算电容器的值并且将计算出的值与用于检测开关断开和接通的阈值进行比较，来执行可调芯体位置的检测，两个衔铁中的一个衔铁固定到可调芯体，另一个衔铁是固定的。

根据另一个实施例，使用辅助电感器，该辅助电感器磁耦合到芯体且其电感值作为芯体的位移函数而被计算。

也可以在一个变型中使用霍尔效应传感器，该霍尔效应传感器通过测量由可调芯体感生的磁场差直接提供可调芯体位置的测量，或甚至使用光学传感器，该光学传感器检测被固定在可调芯体上的部件所遮挡或未遮挡的半径。

Claims (8)

1.一种电磁接触器，其特征在于，包括：

一组受控开关，

至少一个电磁场发生器，所述电磁场发生器与控制所述受控开关的状态的可调芯体相关联，

控制所述电磁场发生器的电源的单元，和

装置，其用于检测所述可调芯体的位置以检测所述受控开关的状态、并确定所述电磁场发生器的电感值，且将确定的电感值与阈值进行比较以检测所述电磁接触器的接通和断开状态，其中，所述电感值基于以下公式来确定：

其中：

V表示供应至所述电磁场发生器的电源电压，

t表示供应至所述磁场发生器电源的持续时间，

I表示在持续时间t结束时通过所述电磁场发生器的电流，和

R表示所述电磁场发生器的电阻，

其中，用于检测所述可调芯体的所述位置的所述装置包括存储有所述电磁场发生器的电阻值的存储装置，所述电阻值作为所述电磁场发生器的温度的函数，所述电磁场发生器的电阻值从所述存储装置提取。

2.根据权利要求1所述的电磁接触器，其特征在于，用于检测所述可调芯体的位置的所述装置包括用于将所述电磁场发生器的电感值与分别对应于所述电磁接触器的断开和接通状态的、作为所述阈值的电感值进行比较的装置。

3.根据权利要求1所述的电磁接触器，其特征在于，所述电磁接触器包括单个电磁场发生器。

4.根据权利要求1所述的电磁接触器，其特征在于，所述电磁接触器包括两个电磁场发生器，所述两个电磁场发生器作用在公用可调芯体上，并且各自由开关驱动，第一电磁场发生器确保所述电磁接触器的接通，以及第二电磁场发生器确保所述电磁接触器保持接通。

5.根据权利要求1所述的电磁接触器，其特征在于，至少一个电磁场发生器包括线圈。

6.一种用于确定如权利要求1至5中任一项所述的电磁接触器的断开和接通状态的方法，其特征在于，

用电源电压为所述电磁接触器供电预定持续时间；

测量电磁场发生器中流通的电流；

计算所述电磁场发生器的电感值；和

将所计算的电感值与用于检测所述电磁接触器的断开或接通状态的至少一个阈值的集合进行比较。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述电磁场发生器中流通的电流的测量结果来计算所述电感值。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电磁接触器具有单个电磁场发生器，检测电流被叠加在维持电流上，测量所述电磁场发生器中流通的电流，从所测量的电流值中减去维持电流值，计算所述电感值。

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