CN113960459A

CN113960459A - 用于估计电气开关装置的特性的方法和相关装置

Info

Publication number: CN113960459A
Application number: CN202110783153.8A
Authority: CN
Inventors: S.德尔巴尔; R.奥尔班; P.吉伯特; C.贾里奇
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2022-01-21
Also published as: FR3112652A1; FR3112652B1; US20220018904A1; JP2022020600A; EP3944280A1; US11714133B2

Abstract

一种用于估计电气开关装置的特性的方法，包括以下步骤：‑测量(102)流过所述线圈的电流；‑测量(104)用于致动器的控制电路的供电电压；‑将电流脉冲注入(106)线圈；‑当所述电流在脉冲注入之后增加时，识别(108)对应于流过线圈的电流达到预定阈值的时间的第一时间；‑当所述电流在脉冲峰值之后减小时，识别(110)对应于流过线圈的电流再次达到预定阈值的时间的第二时间；‑基于在所述第二时间和第一时间之间测量的所述电压的值的总和与在所述第二时间和第一时间之间测量的所述电流的值的总和的比率，估计(112)线圈的电阻。

Description

用于估计电气开关装置的特性的方法和相关装置

技术领域

本发明涉及一种用于估计电气开关装置的特性的方法，以及用于实现这些方法的相关装置。

更具体地，本发明涉及包括电磁致动器的电接触器，该电磁致动器包括线圈。

背景技术

这种电气开关装置配置为用于在断开状态和闭合状态之间切换，例如以便控制对电气负载的供电。移动电触头通常连接到致动器的移动部件，当合适的电流通过线圈时，该移动部件会因为线圈产生的磁场的作用而移动。

期望能够在装置运行时自动估计装置的一个或多个特性，例如以便发现其状态和/或检测故障的出现并因此提供合适的预防性维护。

一些装置具有用于测量装置特性的专用传感器，例如用于测量温度或电触头的磨损状态。然而，这些传感器增加了装置的生产成本。此外，并非总是可以将新传感器集成到现有装置中。

更具体地，本发明旨在通过提出用于估计电气开关装置的一个或多个特性的方法来克服这些缺点。

发明内容

为此，本发明的一个方面涉及一种用于估计电气开关装置的特性的方法，所述装置包括具有线圈的电磁致动器，该方法包括以下步骤：

测量流过线圈的电流；

测量用于致动器的控制电路的供电电压；

将电流脉冲注入致动器的线圈；

当所述电流在脉冲注入之后增加时，识别对应于流过线圈的电流达到预定阈值的时间的第一时间；

当所述电流在峰值之后减小时，识别对应于流过线圈的电流再次达到预定阈值的时间的第二时间；

基于在第二时间和第一时间之间测量的所述电压的值的总和与在第二时间和第一时间之间测量的所述电流的值的总和的比率，估计线圈的电阻。

本发明可以在装置操作期间自动且可靠地确定致动器线圈的电阻值，而无需专用传感器。

根据一些有利但非强制性的方面，这种方法可以合并以下一个或多个特征，这些特征可以单独使用，也可以以任何技术上允许的组合使用：

-该方法还包括基于估计的电阻值估计致动器线圈的电感的步骤。

-电感通过以下公式计算：

其中Rbob是估计的电阻值，Icoil_Ton和Icoil_Toff分别是脉冲峰值和脉冲结束时测量的电流值，Toff是达到脉冲峰值后电流脉冲的剩余持续时间，Drl、Rsh和RT1是装置的设计常数，记录在存储器中。

-该方法还包括基于估计的电阻值估计致动器线圈的温度的步骤。

-线圈的温度通过以下公式迭代地计算：

其中Temp2是线圈温度的当前值，Temp1是温度的先前估计值，Rbob2是线圈电阻的当前值，Rbob1是线圈电阻的先前值，K是形成线圈的材料的热系数。

-线圈的电阻通过以下公式估计：

其中

是第一时间和第二时间之间测量的电流值的总和，“trs”是测量的线圈电压，“t”是上面定义的第一时间，Ton是第一时间t1和达到电流脉冲峰值之间的电流脉冲的持续时间，Toff是达到峰值电流后直到第二时间的电流脉冲的剩余持续时间，Drl、Rsh、R1、R2、RT4和RT1是装置的设计常数，记录在存储器中。

-该方法在开关装置处于断开状态时执行。

-该方法在开关装置处于闭合状态时执行，优选地在电流脉冲周期性重复的保持阶段期间执行。

-第二时间被识别为当所述电流在脉冲峰值之后减小时所测量的电流值最接近预定阈值的测量电流值的时间。

根据另一方面，本发明涉及一种电气开关装置，包括电磁致动器，电磁致动器包括线圈和控制电路，该控制电路配置为实施以下步骤：

-测量流过线圈的电流；

-测量致动器的控制电路的供电电压；

-将电流脉冲注入致动器的线圈；

-当所述电流在脉冲注入之后增加时，识别对应于流过线圈的电流达到预定阈值的时间的第一时间；

-当所述电流在峰值之后减小时，识别对应于流过线圈的电流再次达到预定阈值的时间的第二时间；

-基于在第二时间和第一时间之间测量的所述电压的值的总和与在第二时间和第一时间之间测量的所述电流的值的总和的比率，估计线圈的电阻。

附图说明

参考附图，仅通过示例的方式提供方法的实施例的以下描述，本发明将更容易理解，并且本发明的其它优点将更加清楚，其中：

图1是根据本发明实施例的包括电磁致动器的电气开关装置的示意图；

图2是图1的开关装置的电磁致动器的控制电路的示例的示意图；

图3是表示图2的电磁致动器在多个操作阶段中的电控制电流的变化的曲线图；

图4是用于估计图2的电磁致动器的一个或多个特性的电流脉冲的示例；

图5是表示根据本发明的实施例的用于评估图1的开关装置的特性的方法的步骤的图。

具体实施方式

图1示出了例如接触器的电气开关装置2。

装置2配置为在允许电流流动的闭合状态和阻止电流流动的断开状态之间切换。

例如，装置2可以安装在电气设施中以控制由电能源对例如电机的电气负载的供电。能源例如是供电网络或发电机。

在所示示例中，装置2一方面连接到上游电线4，另一方面连接到下游电线6。

电线4和6可以包括多个电相位，例如以便承载三相交流电。不管相位的数量如何，装置2配置为中断或替代地允许电流在每个相中流动。然而，为了简化图1，对于电线4和6中的每一条仅示出了一个电相位导体。

装置2包括例如外壳8。

对于每个电相位，装置2包括布置在移动部件12上的可分离触头10和连接到上游电线4和下游电线6的固定触头14。触头10和14中的每一个包括接触垫16，在这种情况下，接触垫16由金属制成，优选地为银合金或任何等效材料。

装置2的移动部件12可以在闭合位置和断开位置之间移动，在闭合位置，动触头10与固定触头14接触，在断开位置，如图1所示，动触头10与固定触头14分离。

实际上，在包括闭合和断开阶段的每个循环期间，接触垫16变得磨损，例如由于断开期间电弧的作用，或由于微焊引起的材料分离。这种材料损失导致接触垫16的厚度在装置2的整个寿命期间减小，从而在断开或闭合阶段期间增加移动部件的移动幅度。

为了解决这个问题，装置2可以包括机构，其在图1中由弹簧示意性地表示，该机构连接到移动部件的杆并且使得固定触头和动触头能够以足够的接触压力保持电接触。

可以调整该机构以在闭合位置挤压触头，以产生足够的接触压力。为此，该机构可设有超程；也就是说，在闭合位置，触头被推动到超出在固定触头和动触头之间提供电接触所严格必需的位置的位置。

如果接触垫16的厚度不足，或者如果垫16的表面状态差，则装置2发生故障的风险增加。于是，装置2需要被更换。正是由于这些原因，触头的挤压状态的诊断使得能够评估装置2的劣化的进展。

装置2还包括电磁致动器20，电磁致动器配置为在闭合位置和断开位置之间移动移动部件12。

电磁致动器20包括线圈22，线圈22配置为当它被提供控制电流时产生磁场，以便移动移动部件12。

例如，线圈22包括导电线的绕组。移动部件12可以与磁芯一体地安装，该磁芯与线圈22同轴布置并且当线圈22通过适当电流的输入被激励时通过线圈22产生的磁场的作用而移动。

装置2还包括电源电路24，配置为向线圈12供电，以及电子控制装置26，用于控制电源电路24。

在许多实施例中，装置2包括输入接口，其配置为用于接收来自用户的打开或关闭指令。例如，可以在输入接口的端子之间施加控制电压。

在许多实施例中，装置2还包括电流传感器28，其配置用于测量在上游线路4的每一相中流动的电流。在其他实施例中，电流传感器和电子控制装置被集成到与装置2分开的外壳中。

图2示出了电源电路24的实施例。

在所示示例中，电源电路24包括电源总线Vc，其适于由外部电源或由装置2接收的控制信号供电。

优选地，电源电路24包括配置为测量电源总线Vc和电路24的电接地GND之间的电压值的测量装置。

例如，测量装置包括与二极管Dt串联连接在电源总线Vc和电接地GND之间的两个电阻器R1和R2。在这种情况下，位于电阻器R1和R2之间的第一测量点可以用于收集代表存在于电源总线Vc和电接地GND之间的电压的第一测量电压V1。

电源电路24还包括连接到线圈22的一个或多个电源开关，用于选择性地将线圈22连接到电源总线Vc和接地GND或从电源总线Vc和接地GND断开。

例如，第一开关T1连接在线圈22和接地GND之间。第二开关T2连接在线圈22和电源总线Vc之间。

例如，当两个开关T1和T2闭合时，取决于电压Vc的电压被施加到线圈22的端子，并且激励电流在线圈22中流动。当仅第二开关T2打开时，线圈22可以放电并且剩余电流可以暂时继续在线圈22中流动。

开关T1和T2例如由电子控制装置26控制。根据实施例的示例，开关T1和T2是半导体型功率开关，例如Mosfet晶体管、晶闸管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或任何其他等效装置。

在所示示例中，称为续流二极管的二极管Dr1连接在第二开关T2和接地GND之间。齐纳二极管Dz可以与第一开关T1并联连接。二极管D1可以放置在第二开关T2和测量装置之间的电源总线Vc上，以防止任何电流返回到后者。

在许多实施例中，电阻器Rsh与第一开关T1串联连接以收集代表在线圈22中流动的电流的第二测量电压V2。

电源电路24的架构不作限制，且有其他可能的实施方式。

作为一般规则，电子控制装置26配置为当它接收到适当的控制指令时使装置2进行切换。

有利地，电子控制装置26还配置为在装置2的操作期间估计装置2的至少一种特性，尤其是线圈22的一种或多种特性，例如线圈22的电阻、线圈22的电感和线圈22的温度，这将通过阅读以下文本而更容易明白。

在许多实施例中，电子控制装置26由一个或多个电子电路实现。

例如，电子控制装置26包括例如可编程微控制器或微处理器之类的处理器，以及用于记录计算机可读数据的计算机存储器或任何介质。

根据示例，存储器是ROM或RAM或EPROM或闪存或等效类型的非易失性存储器。存储器包括可执行指令和/或计算机代码，用于在由处理器执行时使控制装置26根据下面描述的一个或多个实施例进行操作。

根据变型，电子控制装置26可包括信号处理处理器(DSP)、或可重编程逻辑部件(FPGA)、或专用集成电路(ASIC)、或任何等效元件。

图3示出了曲线图40，其图示了在装置2切换到闭合状态然后再次切换到断开状态的情况下，在装置2的不同连续操作阶段(表示为P1、P2、P3和P4)中的时间(t)期间在线圈22中流动的电流(I)的变化。该电流在下文中称为“线圈电流”。

第一阶段P1是装置2稳定处于断开状态的初始阶段。实际上，第二开关T2保持断开，线圈电流保持为零。

可选地，如图中所见，电流脉冲可以被注入线圈22以用于估计所述特性。

第二阶段P2是闭合阶段，在装置2接收到闭合指令之后。例如，开关T1和T2闭合。线圈电流增加直到达到阈值，高于该阈值时，移动部件12开始从其断开位置移动到其闭合位置。在闭合阶段的其余部分，当动触头14接触到静触头10时，线圈电流增加到平稳值。于是，装置2处于闭合状态。

在称为保持阶段的第三阶段P3中，线圈电流继续保持在阈值以上。实际上，在这个保持阶段，线圈电流可以保持在闭合阶段达到的平稳值以下。

可选地，如图中所见，线圈电压可以周期性地变化，以便在保持线圈电流高于所述阈值的同时尽可能地减小线圈电流，以避免不必要的能量损失。

在所示示例中，通过以预定义的斩波频率交替地打开和闭合第二开关T2来获得线圈电压的周期性变化，从而根据预定义的轮廓产生线圈电压的振荡。因此，线圈电流也在两个强度值之间具有振荡42。在此期间，第一开关T1可以保持闭合。

为了防止由这些振荡引起的机械振动产生人耳可察觉的噪声，有利地选择斩波频率低于100Hz或高于25kHz。在所示示例中，斩波频率低于100Hz。

当电子控制装置26接收到打开指令时，打开阶段P4开始。开关T1和T2都打开。

现在将参考图4和5描述用于估计装置2的特性的方法的操作的示例。

如图5所示，该方法首先由步骤100初始化。

控制电路26然后开始测量在线圈中流动的电流(步骤102)，和由电源电路24设置的供电电压Vc(步骤104)。

例如，这些测量随着时间的推移在连续采样中重复。在图2所示的示例中，这些测量包括测量第一和第二电压V1和V2的值。测量值可以记录在控制装置26的存储器中。

然后，在步骤106中，通过电源电路24，例如通过改变施加到线圈22的端子的电压，将电流脉冲注入致动器20的线圈22中。为此，开关T1和T2可以短暂闭合。

如图4的示例所示，其表示线圈电流(I)随时间(t)的变化，电流脉冲40可具有增加到最大值I2的上升前沿，遵循例如指数变化的定律。

达到该最大值在此对应于脉冲50的峰值52。

该上升前沿之后是下降前沿，该下降前沿从最大值I2下降到最终值，例如原始值或零值，此处根据指数规律下降。因此，电流脉冲在这里具有所谓的鲨鱼鳍形状。

预先确定的阈值，在此表示为I1，被定义位于线圈电流的最小值和最大值I2之间。当注入电流脉冲50时，线圈电流在上升前沿期间第一次通过该预定阈值I1，然后在下降前沿期间第二次通过该预定阈值I1。

因此，在步骤106之后的步骤108中，当所述电流在脉冲注入之后增加时，控制装置26识别对应于流过线圈的电流达到预定阈值I1的时间的第一时间(t1)。

预定阈值I1可以预先固定，例如记录在存储器中。例如，阈值被选择为足够低以保留足够的信号并进行测量。例如，阈值可以等于最大值I2的10％。

然后，在步骤110中，当所述电流在脉冲峰值之后减小时，控制装置26识别对应于流过线圈的电流再次达到预定阈值I1的时间的第二时间(t2)。

例如，第一次和第二次的识别基于在步骤102中开始并且继续发生的线圈电流测量。

在步骤112中，基于在第二时间t2和第一时间t1之间测量的所述电压的值的总和与在第二时间t2和第一时间t1之间测量的所述电流的值的总和的比率，估计线圈的电阻。

根据实施例的示例，一旦在时间t1检测到通过阈值I1，控制装置26就开始对电压值求和，直到检测到线圈电流在时间t2通过阈值I1，并在存储器中记录相应的总和ΣU。控制装置26以相同方式处理线圈电流的测量值，并将相应的总和ΣI记录在存储器中。

然后用R表示的电阻值估计为这两个总和的比率，如以下公式所示：

也就是说，可以从电流阈值I1开始对线圈电流和电压的采样进行相加，当线圈电流再次达到该阈值时停止相加。

当装置2处于断开状态时，优选地在上述阶段P1期间，执行用于估计电阻的方法。在这种情况下，可选地但有利地，一旦装置2被接通，就可以执行估计方法，以确保在可以启动闭合阶段之前，装置的操作条件符合安全要求。

当装置2处于闭合状态时，特别是在上述保持阶段P3期间，也可以实施用于估计电阻的方法。在这种情况下，由于由电源电路24实现的线圈电压的斩波，电流脉冲可以是电流的周期性振荡42之一。

因此，提供了一种可靠且相对简单的估计电阻的方法，而无论装置2的状态如何。

在变型中，可以通过使用以下公式估计电阻R来简化该计算：

其中

是t1和t2之间测量的线圈电流值的总和，“trs”是测量的线圈电压(第一测量电压V1)，“t”是上面定义的t1，Ton是第一时间t1和电流峰值52(最大值)之间的电流脉冲的持续时间，常数R1、R2、Rsh是电源电路24的先前定义的同名电阻的值，Drl是导通状态下二极管Drl的电压，RT1是第一开关T1的阻抗，RT4是第二开关的阻抗，Toff是达到电流峰值52后直到第二时间t2的脉冲的剩余持续时间。

R1和R2的值可以被认为是特定于装置2的设计常数并记录在存储器中，例如在装置2的构造期间被记录在存储器中。常数Dr1、RT4、Rsh、RT1是特定于装置2的常数，其也可记录在存储器中，但其值可取决于温度。

在实践中，这些常数的已知值可以预先记录在存储器中，然后在装置2启动时加载，并且可以在装置的操作期间，例如在校正操作期间，基于在下面描述的步骤114中估计的温度值以及指定每个常数作为温度函数的变化的定律而被更新。

可选地，时间t1和t2的识别包括校正子步骤，以提高检测的准确性。

这是因为，根据用于检测何时跨越阈值I1的方法，有可能延迟检测该跨越，从而将误差引入电阻估计中。

值得注意的是，在步骤110中，为了在下降阶段最小化测量误差，而不是在具有低于阈值I1的值的第一电流测量处停止，时间t2被认为是测量到最接近阈值I1的电流值的时间，即使该测量值大于阈值I1。

换句话说，当实施这种校正时，第二时间t2被识别为当所述电流在脉冲峰值之后减小时所测量的电流值是最接近阈值I1的测量电流值的时间。

显然，该方法主要能够估计线圈22的电阻。有利地，可以在后续步骤中基于估计的电阻值来估计线圈22的其他特性，例如温度和电感。

例如，在步骤114中，控制装置26基于估计的线圈电阻值R估计线圈22的温度。

根据实施例的示例，可以从先前的温度值开始随着时间迭代地执行线圈温度的估计。

这种估计可以通过以下公式进行：

其中Temp2是新的温度估计值，Temp1是先前的温度估计值，Rbob2是线圈22电阻的当前值，Rbob1是线圈22的电阻的先前值，K是形成线圈的材料(例如铜)的热系数。线圈的电阻值例如通过上述方法估计。

步骤114可以随着时间的推移多次重复，例如周期性地重复。在步骤114的第一迭代中，可以使用来自在装置2的第一接通期间测量或估计的初始值中的初始值Rbob1和Temp1，然后记录在控制装置26的存储器中。

在其他实施例中，在步骤116中，控制装置26基于估计的电阻值估计线圈22的电感。

例如，线圈的电感用L表示，可以根据以下公式估算：

其中显示的值是先前定义的值。值Icoil_Ton和Icoil_Toff分别对应于针对电流峰值52和电流脉冲t2的结束测量的电流值。

因此，考虑所有电压降，可以简单地估计电感。该结果更准确，因为它考虑了可能导致或多或少不准确的所有参数，例如残余电压和寄生电阻。而且，该计算容易实现；也就是说，只需要很少的计算资源。

这些示例不是限制性的，并且可以以不同的方式实施步骤114或116。

在变型中，可以以不同的顺序执行本方法的步骤。某些步骤可能会省略。在其他实施例中，所描述的示例不阻止与所描述的步骤联合或顺序地实施其他步骤。

本发明可以在装置操作期间自动且可靠地确定致动器线圈的电阻值，而无需专用传感器。然后可以基于电阻的估计来估计其他属性，例如温度和电感。因此，提供了一种容易实现的方法，用于获得关于线圈22状态的可靠值，而无需添加辅助传感器(例如线圈22附近的温度传感器)。

可选地，装置2的状态(断开或闭合状态)可以根据通过上述方法估计的一个或多个属性来确定。

例如，确定装置2的状态的方法可以包括将这些估计的属性中的一个或多个与一个或多个参考值进行比较的步骤(未示出)。基于该比较的结果确定装置2的状态。

上述实施例或变型之一的任何特征可以在其他描述的实施例和变型中实现。

Claims

1.一种用于估计电气开关装置(2)的特性的方法，所述装置包括具有线圈(22)的电磁致动器(20)，所述方法包括以下步骤：

-测量(102)流过所述线圈的电流；

-测量(104)用于致动器的控制电路的供电电压；

-将电流脉冲注入(106)所述致动器(20)的线圈(22)；

-当所述电流在脉冲注入之后增加时，识别(108)对应于流过所述线圈的电流达到预定阈值(I1)的时间的第一时间(t1)；

-当所述电流在脉冲峰值之后减小时，识别(110)对应于流过所述线圈的电流再次达到预定阈值(I1)的时间的第二时间(t2)；

-基于在所述第二时间和第一时间之间测量的所述电压的值的总和与在所述第二时间和第一时间之间测量的所述电流的值的总和的比率，估计(112)线圈的电阻。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括基于估计的电阻值估计(116)所述致动器的线圈(22)的电感的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过以下公式计算电感(L)：

其中，Rbob是估计的电阻值，Icoil_Ton和Icoil_Toff分别是在脉冲峰值(52)和电流脉冲结束时(t2)测量的电流值，Toff是达到脉冲峰值(52)后电流脉冲的剩余持续时间，Drl、Rsh和RT1是特定于所述装置(2)的设计常数，记录在存储器中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括基于估计的电阻值估计(114)所述致动器的线圈的温度的步骤。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述线圈的温度通过以下公式迭代地计算：

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述线圈的电阻通过以下公式进行估计：

其中

Icoil是在第一时间(t1)和第二时间(t2)之间测量的电流值的总和，“trs”是测量的线圈电压，“t”是上面定义的第一时间(t1)，Ton是在第一时间(t1)和达到电流脉冲峰值(52)之间的电流脉冲的持续时间，Toff是达到峰值电流(52)后直到第二时间(t2)的电流脉冲的剩余持续时间，Drl、Rsh、R1、R2、RT4和RT1是装置(2)的设计常数，记录在存储器中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当所述开关装置(2)处于断开状态时执行所述方法。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法在所述开关装置(2)处于闭合状态时执行，优选地在电流脉冲周期性重复的保持阶段期间执行。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二时间(t2)被识别为当所述电流在脉冲峰值之后减小时所测量的电流值是最接近预定阈值(I1)的测量电流值的时间。

10.一种电气开关装置，包括电磁致动器，电磁致动器包括线圈和控制电路，所述控制电路配置为执行以下步骤：

-测量(102)流过所述线圈的电流；

-测量(104)用于致动器的控制电路的供电电压；

-将电流脉冲注入(106)所述致动器(20)的线圈(22)；

-当所述电流在脉冲注入之后增加时，识别(108)对应于流过线圈的电流达到预定阈值(I1)的时间的第一时间(t1)；