CN1094597C - 对机械开关元件进行功能试验的方法 - Google Patents

Abstract

一种对机械开关元件，尤其是高压功率开关中的触发器进行功能试验的方法，通过电流流经一线圈(1)的磁作用来促使线圈铁芯(2)运动，一旦所测得的电流变化曲线的导数达到一确定值时，就切断电脉冲。由此可以始终不用触发功率开关，就能阻止铁芯(2)和推杆(4)的运动。

Description

对机械开关元件进行 功能试验的方法

本发明涉及一种对带有一个有时候流过电流的线圈和一个可运动的线圈铁芯的机械开关元件，尤其是高压功率开关中的触发器进行功能试验的方法。在这种方法中，通过电流流过一线圈引起的磁效应来使线圈铁芯产生运动，其中线圈受一电脉冲作用，借助一监测装置来测量通过线圈的电流特性曲线并对其求微分。

在一公知的用于对电开关装置的机械开关元件进行功能试验的方法中(参见“电业”)，94年度(1995)，第7期；Elektrizitaetswirtschaft，Jg.94(1995)，Heft7)。功能测试在静止状态下进行，也就是说，以确定的时间间隔往一负荷电路施加的测量脉冲很短，不能触发开关元件的运动。由此只能检测负荷电路的电导率，而不可能检测开关元件的机械可运动性。

由US-PS 5270900公开了一种由一带铁芯的线圈构成的电磁开关元件，可利用它来开关阀门。导致阀门开启的铁芯运动是借助施加到线圈上的电脉冲来触发的。阀门的持续开启时间是一个计数器预先提供的。为了确定起动计数器的时刻，测量线圈中的电流变化曲线并对其求微分，在所测得电流的导数达到一个预先确定的值之后，起动计数器。在计数器终止工作后，所述阀借助开关元件又重新关闭。

本发明的目的在于，创造一种本文前言所述类型的，对机械开关元件进行功能试验的方法，其中对开关元件的机械工作能力进行检验，而不会完全执行开关元件的开关过程。

本发明的目的是这样实现的，即一旦所测得的电流变化曲线的导数达到一确定值时，就切断电脉冲。

本发明的显著优点在于，借助线圈铁芯有限的运动可实现对开关元件的柔性检测，线圈的电感和磁通量由于铁芯的运动会发生变化。因而线圈中的电流随时间变化的曲线受(铁芯)运动影响。

通过监视线圈中电流变化曲线对时间求导的导数，施加到线圈上的电脉冲的切断直接取决于铁芯的运动。

为切断电脉冲所引入的且通过对线圈中的电流变化曲线求微分所得到的时间点仅仅取决于铁芯实际发生的运动。因而在特殊的工作条件下(例如温度升高)，铁芯的轻微运动会导致电脉冲相应地被提前切断。所以铁芯实际上走过的行程路段直至切断电脉冲前在很大程度上都与外部工作条件无关。这一点对于保证本发明方法能用于不同的条件下且不存在在检测过程中错误地触发高压功率开关中的一开关过程的危险而言，是很重要的。

功能试验中的脉冲高度比实际触发过程中的脉冲高度低是有利的。

这一点例如可通过在功能试验中在线圈前串联一串联电阻来实现。

在本发明另一有利的技术方案中规定，一旦所测得的电流变化曲线的导数在电脉冲开始后首次发生正负号变化时，电脉冲就被切断。

所测得的电流变化曲线的导数的正负号变化时刻是一个特别好的通过测量求得的时刻。因此该时刻特别适宜作为切断电脉冲的触发时刻。

利用一恒压源作为电脉冲源也是有利的。

恒压源是一容易用于产生电压脉冲的设备。

比较有利的是，在切断电脉冲后，在线圈中产主一系列其脉冲宽度调制过的更宽的脉冲，它们对时间的电流平均值使线圈铁芯产生一控制运动。

由此推杆受控制地运动直至闭锁装置，而不会引起去联锁，接下来可测得触发器的空行程。

在实施用于功能试验的方法的装置的优选结构方案中，所述装置具有一提供电脉冲的脉冲发生器，一个用于对线圈中的电流变化曲线进行测量和求微分的监控装置，一个串接在后面的比较器，一个用于调节比较器阈值的装置以及一个一旦所测得的电流变化曲线的导数达到一确定值就切断电脉冲的控制装置。

这样，控制装置获得了一个制造简单的结构，在不同方案的功能试验中，电磁触发器不需个别地符合当时所提供的条件。

下面借助附图对本发明实施形式作进一步详细说明，附图中：

图1为按照本发明对机械开关元件进行功能试验的方法的方框图；

图2A所示为线圈中电流的变化曲线和其时间导数；

图2B所示为铁芯行程的变化曲线：

图3A所示为馈入线圈中的电脉冲随时间变化的曲线；

图3B所示为线圈中电流的变化曲线；

图3C所示为铁芯行程的变化曲线；

图3D所示为磁力的变化曲线；

图4为测量触发行程的方法的方框图。

按照图1，在一个未示出的高压功率开关中，由一个设置在线圈1中的铁磁芯2来构成电磁触发器，在铁磁芯2的一端侧3设置一个由非磁性材料制成的推杆4。如果借助一脉冲发生器5在线圈1上施加一电脉冲，则铁芯2和推杆4沿箭头6所示方向运动。在功能试验中，铁芯2和推杆4走过的行程受限制，以便防止高压功率开关中的元件7、8去联锁。为了实现这一点，借助一电流测量装置9来测量线圈中在施加电脉冲期间所流过的电流。借助一微分电流电路10求得所测电流变化曲线对时间求导的导数。电流变化曲线对时间求导的导数构成比较器11的第一输入值，借助一调节装置12将一阈值施加到比较器11的基准输入端。若馈入比较器11的第一数值达到阈值，比较器就发出一信号给一控制单元13，该控制单元本身发出一信号给脉冲发生器5，以便切断电脉冲。

当一电脉冲于一时刻T₀施加到一实际的线圈上时，线圈1中的电流变化曲线呈现如图2A所示的一相对于时间的变化曲线14。当在线圈1中设置一可移动铁芯2时，由于电脉冲于时刻T₁触发铁芯2的运动，线圈中电流随时间变化的曲线从时刻T₁开始不同于铁芯未运动的曲线。这一改变的，随时间变化的电流曲线在图2A中以曲线15示出。

与铁芯未运动的曲线14相比，曲线15在时间点T₂达到一局部最大值。曲线15在此点的斜率为零，曲线15的导数16在时间点T₂过零点。T₂因此是通过测量可求得的曲线16上一个特别好的点。有利地利用这一点可求出切断施加到线圈上电脉冲的时刻。在图2B中示出铁芯2随时间走过的行程17，在时刻T₂切断电脉冲后，铁芯2还要运动一段，然后被一复进簧18移回。

借助比较器11的调节装置12可间接确定位于T₁和T₂之间的或者T₂之后的应当切断电脉冲的任一时刻。脉冲切断时刻可始终这样选择，即通过铁芯2和推杆4沿箭头6所示方向的运动，高压功率开关的元件7、8不会被去联锁。

目前所述本发明可有利地用于测量机械开关元件，尤其是高压功率开关中触发器的行程。

触发行程由空行程H_L和工作行程H_W组合而成。若施加一电脉冲给触发器线圈1，铁芯2和推杆4就首先运动到高压功率开关的元件7、8而不会作机械功，这期间走过的路程可表示为空行程H_L。然后从此点开始，铁芯必须作机械功以便使元件7、8去联锁。这一直至完全去联锁的行驶路程表示为工作行程H_W。

为了测量空行程H_L，推杆4有必要一直运动到与元件7接触为止。此时元件7、8不应去联锁。推杆4和铁芯2应当停留在这一位置。

为测量工作行程H_W，推杆4和铁芯2必须使元件7、8完全去锁并保留在去联锁位置，这就是说必须走完整个触发行程。

按照所述发明，一旦所测得的电流变化曲线的导数达到一确定值，就切断电脉冲。这样保证了铁芯2和推杆4的有限运动。而一旦电脉冲被切断，铁芯2和推杆4由复进簧18的机械反作用力被带到一起始位置。

如上所述，当电脉冲(如图2A所示)在时刻T₂被切断时(见图3B)，电流变化曲线在铁芯一短的运动(震跳)之后呈指数下降。通过馈入其它确定长度的电脉冲(见图3 A)，在公差范围内可调节出一锯齿状的电流变化曲线，其电流平均值大于或等于铁芯在此位置所需的止动电流值。当电流变化曲线超过一确定值时，人们切断电脉冲，而当低于一确定值时，又重新接通，这样就会得到一小幅度的锯齿状电流变化曲线。这种调节方式可称为双点式调节。例如可以选择起动电流，也就是使线圈铁芯产生运动的电流值作为调节的指令参数。由此防止铁芯驶回(见图3C)。

为调节电流平均值，采用按PWM原理(脉冲宽度调制)工作的电流调节，这就是说电脉冲的宽度根据额定电流值和实际电流值之间的电流差值发生变化。若此电流差值为正值，就产生一电脉冲，该电脉冲能使触发器分支中的电流变化曲线升高。线圈中的电脉冲宽度与电流差值成正比。若此电流差值为负值或等于零，就不产生电脉冲。所述起动电流又可重新作为调节用的指令参数。

在对触发器进行功能试验之后，电流调整立刻发挥作用。若功能试验为正的，也就是说铁芯产生了移动，则对触发器行程进行测量，否则就不对触发器行程进行测量。

由于铁芯位于起始位置时有较宽的空气间隙，铁芯在此位置所需的吸动电流明显比铁芯在其它任何位置所需的止动电流都高。若利用吸动电流作为电流调整用的指令参数，铁芯就能继续缓慢地向前运动。

为使推杆4移动直至与元件7接触，所调节的电流值、也就是调节电流回路的指令参数应选择为这么高，即避免弹簧18将铁芯2拉回。电流变化曲线不得低于正好使铁芯保持在此位置所需要的电流值。

本发明方法的目的在于，移动推杆4直至其与元件7接触，且不使元件7、8去联锁。当推杆保持在这一位置时，在起始位置与这一位置之间的差值、亦即空行程，可利用一长度测量设备来测得。为实现这一点，触发器所产生的力必须比元件7、8的反作用力弱。

吸动电流在铁芯处于起始位置时刚巧产生必要的力来抵消复进簧的反力，以便使铁芯缓慢向前运动。在铁芯位于另一位置时，同样的吸动电流强度却产生更大的力。假若元件7、8作用的反力比触发器在推杆与元件7相互接触的位置所产生的力更大，则铁芯和推杆保留在这一位置。若元件7、8施加的反作用力比触发器产生的力小，则元件7、8被去联锁并且必须开始一个新的测量过程。通过选择一个更小的电流值作为电流调节器的指令参数能防止这一点。一个更小的电流值意味着触发器产生一个更小的力，然而这个力不允许小于为保持铁芯所需的力。

触发器在铁芯2的一确定位置产生的力与电流平方成正比F～i² _lx＝常数。因而当铁芯的位置为已知数时，这个力通过电流能相对容易地得到调节。在吸动过程之后，由于在近似相等的电流值时磁通量增大，空气间隙减小(见图3D、曲线23)，磁力相应增大。若现在电流值变小，则磁力也会减小。

为调节电流使其能呈指数级下降，也可将一个二极管和一欧姆电阻相互串联起来，并使之与一触发器线圈并联。

线圈中储藏的磁能，在切断电脉冲时总是转换成电能。该电能以热量的形式释放出来。当使一欧姆电阻和一用于切断过程沿导电方向连接的二极管与触发器线圈并联时，电能通过该电阻转换成热能。通过改变电阻值，可调节呈指数级下降电流的时间常数。这样在调节过程中直至达到指令参数或预定电流值所需的时间能够得以调节。

也可以采用由一比较装置25，一频率发生器26和一调制装置27组成的电流调节器(见图4)，用比较装置25来确定所调节的额定电流值和瞬时电流值之间的差值。该差值是调制装置27的第一输入参数。第二输入参数是频率发生器26产生的矩形脉冲。由于该电流差值，矩形脉冲的宽度被改变(被调制)。这一调制脉冲作为第二输入参数输送给控制单元13，该控制单元本身发出一信号给脉冲发生器5。

进行一脉冲宽度调制(PWM)，也就是根据额定电流值和实际电流值之间的电流差值改变电脉冲的宽度。

若空行程已得到了测量，则电流通过线圈被进一步地扩大，从而使得元件7、8被去联锁，而推杆走完工作行程。可以对去联锁和去联锁后的位置进行测量。这两个位置的差表示工作行程。

Claims (6)

1.一种对带有一个有时候流过电流的线圈和一个可运动的线圈铁芯的机械开关元件，尤其是高压功率开关中的触发器进行功能试验的方法，在此方法中通过电流流过一带有线圈铁芯(2)的线圈(1)引起的磁效应来使线圈铁芯(2)产生运动，其中线圈(1)被施予一个用于产生电脉冲的电压，借助一监测装置来测量通过线圈(1)的电流变化曲线并对其求微分，其特征在于，一旦所测得的电流变化曲线的导数达到一确定值时，就切断所述电压。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，功能试验中的脉冲高度比实际触发过程中的低。

3.如权利要求1或2所述的进行功能试验的方法，其特征在于，一旦所测得的电流变化曲线的导数在电脉冲开始后首次发生正负号变化时，就切断所述电压。

4.如上述任一项权利要求所述的进行功能试验的方法，其特征在于，一恒压电源作为所述电压源。

5.如上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在切断电压后，在线圈中产生一列脉冲宽度调制过的更宽的脉冲，通过其随时间的电流平均值可控制线圈铁芯的运动。

6.一种实施如权利要求1至5中任一项所述的进行功能试验的方法的装置，其带有一个提供用于产生电脉冲的电压的脉冲发生器(5)，一用于对线圈(1)中的电流变化曲线进行测量(9)和求微分(10)的监视装置，一个串接在后的比较器(11)，一个用于调节比较器(11)的阈值的装置(12)，用于切断所述电压的控制装置(13)，其特征在于，将控制装置设计成这样，即一旦所测得的电流变化曲线的导数达到一确定值时，该控制装置就切断脉冲，此外该控制装置具有一个调制装置(27)，以便实现对线圈(1)的脉冲宽度调制的控制。

Images