CN108695110A

CN108695110A - 控制电流开关设备的方法、电磁致动器和电气开关设备

Info

Publication number: CN108695110A
Application number: CN201810318368.0A
Authority: CN
Inventors: C.拉皮尔
Original assignee: Schneider Electric SE
Current assignee: Schneider Electric SE
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2038-04-10
Also published as: FR3065089B1; CN108695110B; EP3389072B1; ES2755929T3; EP3389072A1; US20180294120A1; FR3065089A1; US11075043B2

Abstract

控制电流开关设备的方法、电磁致动器和电气开关设备。控制开关设备的方法包括实施对致动器的线圈的电源电流的强度值的限制，包括以下步骤：(a)获得(100)电源电流限值；(b)产生(102)表示电源电流限值的参考值；(c)获得(104)表示循环穿过线圈的电源电流的强度的信号；(d)比较(106)参考信号(Vref_in‑)与表示电源电流的强度的信号；(e)只要电源电流的强度具有大于或等于参考值的值，便抑制(108)对线圈的电流供给，线圈的电流供给在电源电流的强度返回到参考值以下时重新确立。

Description

控制电流开关设备的方法、电磁致动器和电气开关设备

技术领域

本发明涉及一种用于控制包括电磁致动器的电流开关设备的方法。本发明还涉及一种包括用于实施该方法的控制电路的电磁致动器和一种包括这种电磁致动器的电气开关设备。更具体地，本发明可应用于电流开关设备(比如接触器)的技术领域。

背景技术

众所周知，这种开关设备包括转换框体(switching block)，在转换框体中，活动部分相对于电连接端子在打开位置和闭合位置之间移位，以防止或者相应地允许电流在连接端子之间的循环。这种开关设备还包括可控制的电磁致动器，其适配于使活动部分在其打开和闭合位置之间选择性地移位。为此，致动器包括线圈，其配置成产生磁场，电源电流穿过磁场。对应地，活动部分配备有磁性元件，比如永磁体，其与磁场相互作用以产生使活动部分移位的电磁力。

这种开关设备还包括控制电路，其例如根据外部控制信号驱动线圈的电源。通常，开关设备从打开位置向闭合位置的切换在两个阶段中执行：启动阶段，其中，第一电流被发送到线圈以使活动部分移位，然后是保持阶段，其中，第二电流被发送到线圈以保持活动部分在闭合位置。实际上，致动器是非线性的，线圈的电感在这两个阶段之间呈现不同值，尤其由于由活动部分代表的机械负载或者作为线圈温度的函数的电感变化。

启动电流呈现大于在保持阶段所需的电流值的高值。有时，启动电流是在保持阶段所需的电流值的若干倍。

现在，在许多已知的电气单元中，为了简化的目的，致动器不具有测量活动部分的位置的装置。那么启动阶段具有预定持续时间，而不管致动器的操作环境如何。因此，连续的高强度的启动电流不得不被供给到线圈，即使当活动部分完成了其移位也如此，该启动电流关于保持活动部分所精确需要的电流值而言是超大的，这样做是为了维持安全边界，以保证开关设备可在所有情况下切换到其闭合位置。

该已知的情形有许多缺点。实际上，其结果是，功率消耗高于所必要的，这给用户带来了成本，并且带来了过度的热量耗散。那么，有必要提供热沉和/或冷却系统，这会增加单元的体积和成本。开关设备的制造由此更加复杂。

更具体地，本发明通过提供一种用于控制电流开关设备的方法来修复了这些缺点，该电流开关设备包括活动转换部分，其可以借助具有线圈的电磁致动器移位，线圈的电源电流消耗在闭合阶段期间减少。

发明内容

为此，本发明涉及一种用于控制电流开关设备的方法，该开关设备包括具有线圈的电磁致动器，以使开关设备的活动转换部分移位，该方法包括：

-接收命令以使电气开关设备从打开状态向闭合状态切换；

-作为响应，借助控制电路向致动器的线圈供给电源电流，以使活动转换部分从打开位置向闭合位置移位。

根据本发明，供给电源电流包括实施对电源电流的强度值的限制，该限制包括以下步骤：

a)通过控制电路的微控制器获得电源电流限值，该值以数字形式存储在控制电路的存储器中；

b)从所获得的限值中并且借助控制电路的数模转换器产生模拟信号形式的参考值，其表示电源电流限值；

c)通过控制电路获得表示循环穿过线圈的电源电流的强度的信号；

d)借助控制电路的模拟比较器比较参考模拟信号与表示电源电流的强度的信号；

e)响应于该比较，只要电源电流的强度具有大于或等于参考值的值，便通过控制电路抑制线圈的电源电流，线圈的电流供给在电源电流的强度返回到参考值以下时重新确立。

借助本发明，在闭合期间对线圈的电源电流的限制使得可减少当活动部分到达其闭合位置时在闭合阶段期间不必要消耗的电流量。而且，模拟比较器的使用使得可独立于微控制器实施线圈的电源电流与参考值之间的比较，由此不消耗微控制器的计算资源。控制电路的操作由此简化。

根据本发明的有利的但是非强制性的方面，单独地或者根据任何技术允许组合，这种控制方法可合并下列特征中的一个或多个：

-产生参考信号包括：

-读取存储在存储器中的限值，该读取包括借助控制电路的存储器控制器发送由转换器发射的直接访问存储器的请求，然后

-通过转换器将所获得的限值转换为形成参考值的模拟信号。

-借助属于控制电路的测量探针执行对表示电源电流的强度的信号的获得。

-电流测量探针包括与线圈串联连接的测量电阻，该获得包括在测量电阻的端子处测量电压。

-电源电流的供给包括借助控制电路的可控开关通过脉冲宽度调制产生电源电流，该调制的电源电流被供给到线圈，该可控开关根据由控制电路的控制模块产生的控制信号而被驱动，对电源电流的抑制包括保持控制信号在预定值以中断调制的电源电流的产生。

根据另一方面，本发明涉及一种用于电流开关设备的电磁致动器，包括线圈和适于电驱动线圈的控制电路，所述致动器适于在线圈的作用下选择性地移位电气开关设备的活动转换部分，控制电路适于：

-接收使电气开关设备从打开状态切换到闭合状态的命令；

-作为响应，向线圈供给电源电流，以使活动转换部分从打开位置向闭合位置移位。

控制电路配置成供给电源电流以包括实施对电源电流的强度值的限制，该限制包括以下步骤：

根据另一方面，本发明涉及一种电流开关设备，包括转换框体和电磁致动器，转换框体包括：

-固定电枢，连接端子固定到固定电枢上；以及

-活动转换部分，其可相对于连接端子在打开位置和闭合位置之间移位，以防止或者相应地允许电流在连接端子之间循环。

电磁致动器包括线圈和适于电驱动线圈的控制电路，电气开关设备和电磁致动器如先前所述。

附图说明

参考附图，根据下面的描述，会更好地理解本发明，并且本发明的其它优点会变得更加清楚明显，在下面的描述中，仅以示例的方式给出控制方法的实施例，附图中：

-图1是根据本发明的电流开关设备的电磁致动器的控制电路的示意图；

-图2是表示图1的控制电路的一方面的操作的简化框图；

-图3是根据本发明的图1的控制电路的操作方法的流程图；

-图4是示意性示出供给到电磁致动器的线圈的电源电流值之间的比较的示例的波形图。

具体实施方式

图1表示用于电流开关设备(比如接触器)的可控电磁致动器的控制电路2。

该开关设备(未示出)包括转换框体和致动器框体。

转换框体包括固定电枢，连接端子固定到固定电枢，连接端子意在电连接到例如配电板内的电路。转换框体还包括称为活动转换部分的活动部分，其可以相对于连接端子在打开位置和闭合位置之间移位，以防止或者相应地允许电流在连接端子之间循环。

致动器框体包含可控电磁致动器。电磁致动器适于尤其借助控制电路2响应于控制信号选择性地使活动部分在其打开位置和闭合位置之间移位。致动器在此包括控制电路2。

致动器包括线圈4或螺线管，其配置成当其被由控制电路2输送的调制的电源电流穿过时产生磁场。例如，线圈4通过围绕支撑件缠绕导电线而形成，该支撑件在此沿纵轴延伸。

对应地，活动部分配备有磁性元件，比如永磁体，其与磁场相互作用以移位活动部分。

作为示例，活动部分在此可以在其打开位置和闭合位置之间沿与线圈的纵轴共轴的移位轴线平移地移位。默认地，活动部分在此位于其打开位置，并仅在线圈4的作用下移位到闭合位置。弹性复位构件有利地布置成当线圈4不再被供电时使活动部分返回其打开位置。

控制电路2配置成响应于控制信号并根据预设的控制方法将电源电流供给到线圈4的端子。

更具体地，响应于使开关设备切换到闭合位置的命令，电路2配置成首先通过将足够的能量供给到线圈4以使活动部分从打开位置移位到闭合位置来实施称为启动阶段的闭合阶段，然后通过给线圈4供给足够的能量将活动部分保持在闭合位置(尤其通过抵抗由弹性复位构件施加的力)来实施保持阶段。

例如为了简化的目的，致动器在此不具有测量活动部分的位置的装置。

在该示例中，电路2连接到外部电源6，外部电源给电路2供给一个或多个电源电压。在此，电源6在电路2的两个不同的输入处输送100伏AC的电压和250伏AC的电压。

电路2在此还包括功率级和逻辑级。

功率级包括用于电气保护和用于转换接收的电源电压或在必要时转换接收的电源电压的设备项目。逻辑级和线圈4意在由功率级驱动。

在该示例中，电路2的功率级包括：

-模块8，由电源6驱动，用于保护和整流接收的电源电压，并在输出处输送直流电压；

-输入电阻10和12，在模块8的输出处和电路2的共同电接地GND之间串联连接；

-过滤器14，抵抗电磁干扰，模块8的输出；以及

-镇流器16，还称为限流器模块，与过滤器14串联连接。

作为变型，这些设备项目可以不同地选择。

在该示例中，线圈4经由可控开关24连接到模块8的输出，以接收电源电流。在该示例中，如下面所解释的，该电源电流是在闭合阶段期间通过脉冲宽度调制产生的调制电流。该脉冲宽度调制技术(称为PWM)是熟知的，并且在下面不再更详细地描述。例如，该调制电源电流是斩波信号。

该电路2还包括“反激”式电源转换器18，其功能是给电路2的内部部件供给稳定电流。该转换器18通过由模块8输送的直流电压驱动，在此通过连接在镇流器16的输出处。在该示例中，转换器18属于功率级。

电路2的逻辑级还包括可编程的微控制器20，其尤其适于驱动开关24的操作以选择性地控制线圈4的电流供给。

在该示例中，微控制器20由转换器18经由所谓的低压差稳压器类型的线性调节器22驱动，该线性调节器输送3.3伏直流电压。

电路2还包括称为“驱动器”的驱动模块26，以根据由微控制器器20发送的控制信号CMH致动开关24的移位。模块26适于由转换器18电驱动，在贴纸由15伏的电压和8伏的电压驱动。在该示例中，微控制器20经由光耦合器28连接到模块26，以保证功率级和逻辑级之间的电隔离。

在图2中，虚线表示数据链，其适用于将数据信号传送到微控制器20和/或传送来自微控制器的数据信号。

微控制器20还连接到输入电压测量探针(未示出)，其例如适于测量电路2内的电压，例如一方面的输入电阻10和12之间的中点与另一方面的电接地GND之间的电压。

微控制器20还适于测量表示在线圈4中循环的电源电流的值的量。例如，电路2包括电流测量探针，微控制器20在其输入之一处连接到电流测量探针。该测量探针在此包括与线圈4串联连接的测量电阻30，其使得可测量表示线圈4的电源电流的电压。该电压在此由“Isense”表示，并形成表示循环通过线圈4的电源电流的强度的信号。

在该示例中，电路2还包括开关32，其由微控制器20控制。该开关32与二极管36串联连接，并将转换器18的另一输出连接到线圈4。

与线圈4并联连接的保护二极管由“34”表示。在此与线圈4和测量电阻30串联连接的常闭开关由“40”表示，该开关40由微控制器20控制。电路2还包括与开关40并联连接的齐纳二极管38。该开关32使得可在保持阶段期间驱动线圈4。该开关40意在于随后的打开阶段期间启动。与二极管38一起，该开关40使得可使线圈4退磁。

图2示意性示出微控制器20的操作。

微控制器20包括模数转换器50、比较器52以及适于产生时钟信号HCLK的时钟(未示出)。

电路2还包括计算机存储器和访问该存储器的控制器54。存储器适于存储在此以十二位编码的至少一个数字值。

例如，存储在存储器中的数字值是由微控制器20获得的并表示为Vref_value的电源电流限值。

该存储器在此借助未示出的数据总线连接到微控制器20。控制器54连接到数据总线，并适于通过发送直接存储器访问类型的请求来访问存储器的内容尤其是读取内容。因此，控制器54可独立于微控制器20访问存储器的内容。对存储在存储器中的值的读取不需要消耗微控制器20的计算资源。

转换器50适于将在输入处(未示出)接收的数字信号转换为在输出DAC_OUT处输送的模拟信号。更具体地，转换器50的功能是将由数字信号表示的值Vref_value转换为由模拟信号表示的值Vref_in-，比如电压。转换器50在此通过在电源输入Vref_DAC上接收的参考电压VDDA电驱动。

存储器访问请求的发送例如在同步输入Trigger_in上接收到同步信号T4_OVF时执行。

比较器52包括第一输入in+和第二输入in-，并配置成输送例如电压形式的输出信号OECLEAR，其可根据在输入in+和in-上接收的这些信号的值采取两个不同值中的一个或另一个。比较器52尤其配置用于输出信号OECLEAR以采取：

-低值，只要在输入in+上进来的信号的值小于在输入in-上进来的信号的值，以及

-高值，只要在输入in+上进来的信号的值大于或等于在输入in-上进来的信号的值。

微控制器20还包括同步模块56和PWM控制模块58。

模块56适于将与时钟信号HCLK同步的信号T4_OVF供给到转换器50。

模块58的功能是产生脉冲宽度调制控制信号CMH以控制开关24的打开和闭合。该控制信号CMH例如供给到驱动模块26。该控制信号CMH的产生由模块58根据时钟信号CLK和根据由比较器52产生的信号OECLEAR来执行。模块58尤其被编程用于：

-只要信号OECLEAR等于低值，则模块58根据预定设定点产生信号CMH，例如根据脉冲周期信号；以及

-当信号OECLEAR采取高值时，中断控制信号CMH，以暂时停止对线圈的电流供给。这使得可限制电流的强度的值在阈值以下。

现在参考图3的流程图并使用图1和2来描述电路2的操作的示例。

一开始，活动部分处于打开位置。因此，开关设备处于电打开状态，以防止电流在连接端子之间循环。

然后，开关设备接收切换至闭合状态的命令。该命令借助预定信号例如通过从电源6驱动电路2传送。

响应地，电路2通过在预定持续时间(对应于闭合阶段)内供给线圈4的电源电流指示活动部分从其打开位置移位至闭合位置。

在该闭合阶段期间，微控制器20通过供给由模块58产生的控制信号CMH在此经由模块26控制开关24的连续打开和闭合。这使得可给线圈4供给由电路2的功率级以及尤其在此由转换器18输送的直流，线圈4接收调制的电源电流，这允许产生磁场并由此允许产生使活动部分移动的磁力。

闭合阶段在此分为两个不同的子阶段：第一子阶段P1和第二子阶段P2，它们的相应持续时间取决于活动部分响应于线圈4的电源电流的移位。

在第一子阶段P1期间，活动部分从打开位置移位到闭合位置。子阶段P1在活动部分到达闭合位置时终止。

在第二子阶段P2期间(其紧接着开始)，线圈4继续根据相同的脉冲宽度调制技术被驱动。然而，由于活动部分随后固定在闭合位置，所以电源电流大于将活动部分保持在闭合位置所严格需要的最小电流。由此供给的电流和必要的最小电流之间的差别对应于“安全边界”。实际上，移位活动部分需要的时间可以根据情形而变化，并且不是预先了解的。特别地，电磁致动器的操作是非线性的，尤其由于线圈4的电感根据温度的变化。

先前描述的电路2使得可在该步骤实施调节或限制线圈4的电源电流的值的方法，以优化安全边界，并减少线圈4在第二子阶段P2期间的电流过消耗，而不会使电气开关设备的操作的安全性恶化。

为此，在步骤100，微控制器20例如通过从外部数据存储介质并借助数据交换接口读取该限值而获得电源电流限值。然后，该获得的值以数字信号Vref_value的形式被存储在存储器中。在该示例中，限值是预定的，优选地通过预先根据线圈4和致动器的特性和接触器的等级而计算出。

在步骤102，数模转换器50从获得的限值Vref_value产生模拟信号形式的参考值Vref_in-。该参考值Vref_in-表示电源电流限值。

在该示例中，在步骤102中，转换器50通过借助存储器控制器54发送直接存储器访问请求而自动地获得存储在存储器中的限值Vref_value。控制器54由此经由数据总线访问存储器，而不会祈求微控制器20。该请求例如在每次同步信号T4_OVF采取特定值时发送。

数字值Vref_value由此由控制器54传送到转换器50的输入，转换器自动地将该值Vref_value转换为形成参考值Vref-in-的模拟信号。

在步骤104，微控制器20在此通过测量测量电阻30的端子处的电压而获得电源电流的强度值Isense。

接着，在步骤106，比较器52比较值Vref_in-与Isense。由于该比较由模拟比较器52直接执行，所以其不会消耗对微控制器20特定的计算资源。

如果值Isense在该被确定大于或等于值Vref_in-，那么，在步骤108，电路2指示对线圈4的电流供给的抑制。

例如，比较器52的输出信号OECLEAR从低值切换为高值。响应地，模块58修改控制信号CMH以修改脉冲的调制比，例如通过保持控制信号CMH在预定值，例如零恒定值。那么，开关24的切换相应地修改，电源电流的强度值减小。然后，线圈4的电源电流的强度被限制，并保持小于限值。

另一方面，如果值Isense在该比较中被确定为小于值Vref_in-，则线圈的电源供给不被抑制，并且被维持。例如，输出信号OECLEAR保持在低值，模块58根据时钟信号HCLK以预定方式产生控制信号CMH。

因此，当强度Isense返回到参考值Vref_in-以下时，线圈4的电流供给重新确立。例如，信号OECLEAR再次采取低值，模块58再次根据预定形式发送信号CMH。

在此，该方法在闭合阶段的持续时间内重复执行。特别地，步骤102、104和106在此在闭合阶段的持续时间内以环形重复。特别地，比较步预106在此尤其借助由转换器50和比较器52形成的模拟处理链连续地执行。响应时间尤其取决于通过该模拟处理链数据的处理的传播时间。

例如，在步骤108的结束处，方法返回步骤106。

在该示例中，闭合阶段在预定延迟(由微控制器20倒计时)结束时终止，

在闭合阶段结束时，致动器的作用是保持活动部分在闭合位置，只要其不接收任何相反命令。因此，在保持阶段，控制电路注入线圈4的电源电流，该电源电流与闭合阶段期间的注入的电源电流不同。在该保持阶段期间，由该线圈4消耗的电源电流由此小于由该线圈在闭合阶段期间消耗的功率。

最后，开关设备被控制成返回至电打开状态，以中断电流在连接端子之间的循环。为此，在打开阶段，控制电路2停止对线圈4的电流供给。磁场被中断，磁力也被中断。活动转换部分由此返回打开位置，例如在弹性复位构件的作用下。

图4示出在闭合阶段中改变在y轴上的、作为x轴上的时间t的函数的线圈4的电源电流的值I，在闭合阶段期间，活动部分切换至闭合位置。

更具体地，曲线62表示在不实施图3的限制方法的已知情况中电源供给的趋势，而曲线64表示在实施图3的限制方法的情况中电流供给的趋势的示例。

在这些曲线62和64的一侧，曲线60表示开关设备的活动部分的位置，并且在对应于打开位置的低值和对应于闭合位置的高值之间变化。

在第一子阶段P1期间，曲线62和64重叠，这表明线圈4的相应电源电流基本上相同，而不管是否施加该方法。该限制在此不实施，因此不会有害于活动部分的位移。

另一方面，在第二子阶段P2期间，曲线64与曲线62不同，尤其在于，曲线64相对于曲线62在阈值之上缩短。这反映了这样的事实，线圈4的电源电流被电路2自动地限制。由电路2对线圈4的供给的功率由此减少。因此，所述电路2使得可优化在闭合阶段中对线圈4的电流供给的限制。

上面的各实施例和变型例可以彼此组合以产生新的实施例。

Claims

1.一种用于控制电流开关设备的方法，该开关设备包括电磁致动器，该电磁致动器具有用于使开关设备的活动转换部分移位的线圈，该方法包括：

-接收使电气开关设备从打开状态向闭合状态切换的命令；

-作为响应，借助控制电路(2)向致动器的线圈(4)供给电源电流，以使活动转换部分从打开位置向闭合位置移位，

该方法的特征在于，电源电流的供给包括实施对电源电流的强度值的限制，该限制包括以下步骤：

(a)通过控制电路(2)的微控制器(20)获得(100)电源电流限值，该值以数字形式(Vref_value)存储在控制电路(2)的存储器中；

(b)从所获得的限值(Vref_value)中并且借助控制电路(2)的数模转换器(50)产生(102)模拟信号形式的参考值(Vref_in-)，其表示电源电流限值；

(c)通过控制电路(2)获得(104)表示循环穿过线圈(4)的电源电流的强度的信号(Isense)；

(d)借助控制电路(2)的模拟比较器(52)比较(106)参考模拟信号(Vref_in-)与表示电源电流的强度的信号(Isense)；

(e)响应于该比较，只要电源电流的强度(Isense)具有大于或等于参考值(Vref_in-)的值，便通过控制电路(2)抑制(108)线圈(4)的电流供给，线圈(4)的电流供给在电源电流的强度(Isense)返回到参考值以下时重新确立。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考信号的产生包括：

-读取存储在存储器中的限值(Vref_value)，该读取包括借助控制电路(2)的存储器控制器(54)发送由转换器(50)发射的直接访问存储器的请求，然后

-通过转换器(50)将所获得的限值(Vref_value)转换为形成参考值(Vref_in-)的模拟信号。

3.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助属于控制电路(2)的测量探针执行对表示电源电流的强度的信号(Isense)的获得。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，电流测量探针包括与线圈(4)串联连接的测量电阻(30)，该获得包括在测量电阻(30)的端子处测量电压。

5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，电源电流的供给包括借助控制电路(2)的可控开关(24)通过脉冲宽度调制产生电源电流，该调制的电源电流被供给到线圈(4)，该可控开关(24)根据由控制电路(2)的控制模块(58)产生的控制信号(CMH)而被驱动，对电流供给的抑制(108)包括保持控制信号(CMH)在预定值以中断调制的电源电流的产生。

6.一种用于电流开关设备的电磁致动器，包括线圈(4)和适于电驱动线圈(4)的控制电路(2)，所述致动器适于在线圈(4)的作用下选择性地移位电气开关设备的活动转换部分，控制电路(2)适于：

-接收使电气开关设备从打开状态切换到闭合状态的命令；

-作为响应，向线圈(4)供给电源电流，以使活动转换部分从打开位置向闭合位置移位。

致动器的特征在于，控制电路(2)配置成供给电源电流以包括实施对电源电流的强度值的限制，该限制包括以下步骤：

7.一种电流开关设备，包括转换框体和电磁致动器，转换框体包括：

-固定电枢，连接端子固定到固定电枢上；以及

-活动转换部分，其相对于连接端子在打开位置和闭合位置之间移位，以防止或者相应地允许电流在连接端子之间循环，

电磁致动器包括线圈(4)和适于电驱动线圈(4)的控制电路(2)，电气开关设备的特征在于该电磁致动器是如权利要求6所述的电磁致动器。