CN113960461A - 用于诊断电气开关装置的操作状态的方法和电气开关装置 - Google Patents

Abstract

一种方法，用于诊断包括可分离触头的开关的操作状态，所述可分离触头由电磁致动器驱动，所述电磁致动器包括连接到电子控制装置的线圈，以及配置为测量线圈电压和线圈电流强度的传感器。该方法包括以下步骤：a)通过电子控制装置接收(102)闭合命令；b)控制(104)电磁致动器使其闭合；c)测量和记录(106)线圈电压和线圈电流值；d)通过对线圈电流和线圈电压的记录值以及线圈的电阻和电感值进行积分，计算并记录(112)通过线圈的磁通量值；e)根据数据表评估和记录(114)电磁致动器的芯部的位置，该数据表被预先记录在电子控制装置中，并且定义了芯部位置、磁通量和线圈电流之间的双射关系。

Description

用于诊断电气开关装置的操作状态的方法和电气开关装置

技术领域

本发明涉及一种用于诊断电气开关设备的操作状态的方法以及用于实现这种方法的电气开关设备。

本发明更具体地涉及电接触器。

背景技术

这样的电气开关设备包括具有线圈的电磁致动器并且配置为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电力供应。通常，电触头包括固定触头和动触头，后者附接到致动器的可动部分，当合适的电流流过线圈时，该可动部分在线圈产生的磁场的作用下移动。为了保证电触头之间有足够的接触压力，在动触头与固定触头接触的时刻与致动器到达其稳定闭合位置的时刻之间，致动器的可动部分移动超过一段距离，称为超程。该超程对应于触头压缩。

在每个切换周期中，接触器在各种因素的作用下会发生磨损；例如，电触头在电触头断开时产生的电弧作用下磨损，接触器的磨损本身表现为触头压缩的损失。

期望能够在接触器操作时自动估计其磨损水平，以便能够在所述接触器的使用寿命期间提供适当的维护和/或检测故障的出现。

已知将位置传感器结合到电磁致动器中，以便直接测量致动器的可动部分的移动并由此推断触头压缩。然而，使用传感器会产生额外的成本，并且并不总是能够将传感器集成到接触器中。

WO-03/054895-A1描述了一种基于电磁致动器的可动芯部在闭合阶段的行程时间的测量来诊断磨损的方法。这种诊断方法只允许确定芯部的移动开始的时间和移动结束的时间。因此，该方法的一个缺点是它不允许确定闭合阶段期间芯部的精确位置。这使得更难获得关于触头状态的可靠信息，从而更难获得关于接触器磨损状态的可靠信息。

本发明通过提供更精确的诊断方法来更具体地解决这些问题。

发明内容

为此，本发明涉及一种用于诊断开关设备的操作状态的方法，该开关设备配置为联接到电导体并且包括：

-与电导体相关联并且由电磁致动器驱动的可分离触头，电磁致动器包括连接到电子控制装置的线圈，该控制装置配置为在线圈的端子之间施加线圈指令电压，和

-配置为测量流过线圈的线圈电流的大小和线圈电压的传感器。

根据本发明，该方法包括以下步骤：

-接收闭合开关设备的命令，开关设备最初处于断开状态，闭合命令由电子控制装置接收；

-接收到闭合命令后，通过电子控制装置指令电磁致动器闭合；

-当开关设备切换到闭合状态时，测量并存储线圈电压和线圈电流的值；

-通过对线圈电流和线圈电压的存储值以及预先存储在电子控制装置中的线圈的电阻和电感值的积分，计算并存储通过线圈的磁通量值；

-基于存储的磁通量和线圈电流值，根据电磁致动器的数据表特性评估和存储电磁致动器的芯部的位置，数据表预先存储在电子控制装置中，并且定义了芯部位置、磁通量和线圈电流之间的双射关系。

借助于本发明，基于线圈电压和线圈电流的测量值在整个闭合阶段计算磁通量。根据数据表从中推导出可动芯部的位置值，该值与芯部的位置、线圈通量和线圈电流双射相关。因此，在闭合阶段中，可动芯部的位置变化被自动、精确地确定，并且无需安装特定的新传感器，例如位置传感器，这是经济的。

根据本发明的一些有利但非强制性的方面，这样的诊断方法可以单独或以任何技术上允许的组合并入以下一个或多个特征：

-计算磁通量的步骤包括初始子步骤，称为自校正子步骤，随后是计算子步骤，自校正子步骤包括：假设线圈电流低于被称为“堵转”(stall)电流的电流，低于该电流，可动芯部被电磁致动器的返回构件保持在断开位置，评估并存储磁通量的初始值，该值称为“初始通量”，使得当线圈电流升高到启动电流以上时，在计算阶段中，通过对磁通量积分的计算考虑了初始磁通量的值；

-在指令电磁致动器关闭的步骤中，优选地当线圈电流达到启动电流值的50％时，更优选地在达到启动电流值时，电子控制装置指令电磁致动器关闭；

-该方法包括以下步骤：根据存储在电子控制装置中的位置曲线计算电磁致动器的闭合时间，闭合时间等于电子控制装置指令电磁致动器闭合的时刻以及电磁致动器到达稳定闭合位置的时刻之间的时间差；

-该方法包括以下步骤：通过关于存储在电子控制装置中的位置曲线的时间推导，计算开关设备的移动速度曲线和开关设备的加速度曲线，以及将速度曲线和加速度曲线存储在电子控制装置中；

-该方法包括以下步骤：根据开关设备的速度曲线计算芯部的最小压缩速度，最小压缩速度等于在闭合阶段中芯部移动的终端段中的芯部速度的最小值；

-该方法通过电流传感器检测与开关设备的每个极相关联的每个触头的精确闭合时间，该方法结合存储在电子控制装置中的速度曲线和每个触头的精确闭合时间来评估每个触头的闭合速度；和

-与每个极的动触头相关联的压缩通过将芯部的位置曲线与每个触头精确闭合时间相结合来评估，每个动触头的压缩等于芯部在其稳定闭合位置的最终位置与在所讨论的触头精确闭合时间的芯部位置之间的差。

本发明还涉及一种用于实施如上所述的诊断方法的电气开关设备，该开关设备配置为联接到电导体并且包括：

-可分离触头，通过电磁致动器在断开位置和闭合位置之间移动，该电磁致动器包括线圈和附接到可分离触头的可动芯部，开关设备具有限制涡流产生的结构；

-用于控制线圈端子之间的电压的指令电路，该电压被称为“线圈电压”，该指令电路包括被称为“释放”装置的装置，该装置可以被选择性地激活以使流过线圈的电流下降，该电流被称为“线圈电流”，线圈电压和释放装置根据指令电路的状态被激活或去激活；

-用于测量线圈电流和线圈电压的传感器；

-电子控制装置，配置为接收断开和闭合开关设备的命令，接收线圈电流和线圈电压的测量值，并控制指令电路的状态；

其中，所述开关设备配置为实施包括以下步骤的诊断方法：

a)接收闭合命令；

b)指令电磁致动器闭合；

c)测量和存储线圈电压和线圈电流的值；

d)通过对线圈电流和线圈电压的存储值以及预先存储在电子控制装置中的线圈电阻和电感值的积分，计算和存储通过线圈的磁通量值；

e)基于存储的磁通量值和线圈电流值，根据电磁致动器的数据表特性评估和存储芯部的位置，数据表定义了芯部位置、磁通量和线圈电流之间的双射关系。

有利地，开关设备包括电流传感器，电流传感器配置为测量流过所述电导体的每一相的电流的大小，开关设备配置为实施诊断方法，诊断方法包括以下步骤：检测与每一相相关联的动触头的精确闭合时间，并且结合每个动触头的精确闭合时间、芯部的位置曲线或芯部的速度曲线，以评估每个动触头的压缩或闭合速度。

该开关设备具有与上述关于本发明的诊断方法的优点相同的优点。

附图说明

通过以下对用于诊断接触器的操作状态的方法的一个实施例以及被配置为实施这种方法的接触器的描述，将更好地理解本发明并且其其他优点将变得更加明显，该描述仅作为示例并参考附图给出，其中：

图1是根据本发明的实施例的包括电磁致动器的电气开关设备的示意图；

图2是用于控制图1的开关设备的电磁致动器的指令电路的示例的示意图；

图3是图2的电磁致动器的指令电流在多个操作阶段的变化曲线图；

图4是表示图2的电磁致动器在闭合致动器的阶段测量的指令电流和磁通量的变化的曲线图；

图5是说明诊断方法的步骤之一的曲线图；

图6是说明诊断方法的结果的曲线图；以及

图7是示出根据本发明实施例的用于诊断图1的开关设备的特性的方法的步骤的图表。

具体实施方式

图1示出了接触器1。接触器1是旨在控制从电源到电气负载23的电力供应的电气开关设备的示例。为了简化附图，未示出电源。电源例如是主电网，而电气负载23例如是期望通过接触器1控制和/或保护的电动机。接触器1通常容纳在外壳中，这里用虚线矩形表示。接触器1配置为一方面联接到连接到电源的上游电导体20，另一方面联接到连接到电气负载23的下游线路22。当接触器1让电流通过并且电气负载23被供电时，接触器1处于被称为“闭合”状态的状态，而当接触器1阻止电力通到电气负载时，接触器1处于称为“断开”状态的状态。

电导体20和下游线路22包括相同数量的相。当电源是多相时，各自包括彼此绝缘的导线的电导体20和下游线路22具有彼此一样多的导线，下游线路22的每根导线与上游电导体20的一根相应电线相关联。无论相数是多少，接触器1配置为在每一相中联合地中断或让电流通过。

在所示示例中，上游电导体20是三相的。在图1中示出了电导体20的单根导线，其被标记为201。仅示出了与导电体201相关联的电力线22的导线，电力线22的该导线被标记为221。

将参考与供电电流的相同相相关联的导线201和221给出剩余的描述，但是应当理解，所描述的内容可以转换到供电电流的其他相。

对于每一相，接触器1包括置于可动杆26上的动触头24和分别附接到上游和下游导体20、22的固定触头28。每个可动和固定触头24、28包括接触垫29，此处其由金属制成，并且优选地由银合金或任何等效材料制成。

可动杆26可以在闭合位置和断开位置之间移动，在闭合位置，动触头24电连接到固定触头28并且电力能够通过上游电导体20的可动杆26流到下游线路22，在断开位置，动触头24与固定触头28分开。

当可动杆26处于闭合位置时，接触器1处于闭合状态，而当杆26处于断开位置时，接触器1处于断开状态。从断开状态到闭合状态的过程是接触器1的闭合阶段，而从闭合状态到断开状态的过程是接触器1的断开阶段。

实际上，在包括闭合和断开阶段的每个周期中，接触垫29磨损，例如在接触器断开时产生的电弧的作用下，或者甚至由于微焊接导致材料被撕掉。这种材料损失的结果是接触垫29的厚度在接触器1的整个寿命期间减小，这增加了在断开和闭合阶段期间杆26的移动幅度。为了解决这个问题，接触器1包括机构290，其在图1中由弹簧示意性地表示，机构290附接到杆26并且允许固定触头和动触头28、24以足够的接触压力保持电接触。

当接触垫29的厚度不足或接触垫29的表面光洁度较差时，接触器1发生故障的风险增加，建议更换接触器1；正是由于这些原因，接触器1的触头的压缩状态的诊断允许评估接触器1的退化的进展。

可动杆26由电磁致动器30驱动，该电磁致动器包括具有线圈32的指令电磁体、附接到可动杆26的芯部34和返回构件36，例如弹簧或等效物。线圈32配置为当它被指令电流供电时产生磁场，以引起芯部34(并因此引起可动杆26)移动。芯部34在断开和闭合位置之间的移动由双箭头F34表示。换言之，动触头24和相关联的固定触头28一起形成可分离触头，其与电导体20相关联，并且通过电磁致动器30在断开位置和闭合位置之间移动，电磁致动器30包括线圈32和附接到可分离触头的可动芯部34。

在图1中，接触器1被示出为处于接触器1的稳定断开和闭合状态之间的中间配置，在该中间配置中，固定触头28和动触头24电连接，而芯部34在闭合位置不处于抵接。机构290允许在固定触头28与动触头24接触的时刻和致动器30处于其稳定闭合位置的时刻之间的芯部34的超程。这种超程对应于触头压缩，在图1中用E表示。

电磁致动器30通过供电电路38控制，供电电路38本身由电子控制装置40控制。线圈32因此连接到电子控制装置40。

根据一些实施例，电子控制装置40包括中央处理单元(CPU)，例如可编程微控制器、微处理器等，以及形成用于计算机可读数据的存储介质的计算机存储器。

根据一些示例，存储器是ROM存储器、RAM存储器或EEPROM或闪存非易失性存储器等。存储器包括可执行指令和/或计算机代码，用于在由中央处理单元执行时确保根据以下描述的一个或多个实施例的控制装置40的操作。

作为变型，电子控制装置40可以包括数字信号处理器(DSP)、或现场可编程门阵列(FPGA)、或专用集成电路(ASIC)、或任何等效元件。

电子控制装置40本身连接到电源轨42并且包括接口44，接口44配置为从用户接收断开或闭合接触器1的命令。电子控制装置40在此示出为集成到接触器1中。作为变型，控制装置40是远程的，即它不与电磁致动器30集成在同一外壳中。

电源轨42具有优选稳定的直流电压并且旨在为电子控制装置40和供电电路38供电。接口44在此由指令电极表示。例如，可以跨指令电极施加指令电压。可选地，接口44包括无线通信器件。

在某些实施例中，接触器1还包括电流传感器46，其配置为测量流过上游线路20的每一相的电流，或者换言之，流过上游线路20的每根导线201的电流。在其他实施例中，电流传感器和电子控制装置集成到与接触器1分开的外壳中。

当线圈32被电源轨42传送的电力供应时，励磁电流通过线圈32，其产生倾向于将芯部34和杆26从断开位置吸引到闭合位置的电磁力。在这里由弹簧表示的返回构件36施加与电磁体的吸引力相反的返回力。

线圈电流I_BOB定义为流过线圈32的励磁电流。

启动电流I_D定义为线圈电流I_BOB的阈值，当致动器1处于断开状态时，一旦线圈电流I_BOB上升到启动电流I_D以上，就会允许致动器1移动到闭合状态。

堵转电流I_S定义为线圈电流I_BOB的阈值，当致动器1处于闭合状态时，一旦线圈电流I_BOB下降到堵转电流I_S以下，就会使致动器1移动到断开状态。

因此，当致动器1处于断开状态时，假设线圈电流I_BOB保持低于启动电流I_D，可动芯部34被致动器30的返回构件36排斥到断开位置并且接触器1保持在断开状态。如果线圈电流I_BOB增加到高于启动电流I_D，线圈32的电磁力变得高于构件36的返回力，则芯部34从其断开位置移动到其闭合位置。这种情况对应于接触器1的闭合阶段。

相反，当致动器1处于闭合状态时，在线圈电流I_BOB保持高于堵转电流I_S的情况下，接触器1保持闭合状态。如果，当接触器1处于闭合状态时，线圈电流I_BOB降低到堵转电流I_S以下，则线圈32的电磁力降低到构件36和机构290的返回力以下；然后在返回构件36和机构290的作用下，芯部34从其闭合位置被排斥到其断开位置。这种情况对应于接触器1的断开阶段。

一般情况下，启动电流I_D的绝对值高于堵转电流I_S。在致动器1的设计期间，特别是通过调整线圈32的特性或构件36和机构290的返回力来调整启动和堵转电流I_D、I_S的值。

图2示意性地示出了供电电路38的示例性实施例。供电电路38的架构是非限制性的，并且供电电路38的各种部件的其他布置是可能的，并且实际上可以使用其他电气或电子部件来执行相同的功能。

供电电路38优选地包括测量电路50，如左侧虚线矩形所示，其配置为测量电源轨42和供电电路38的电接地GND之间的电压值。

例如，测量电路50包括与二极管Dt串联连接在电源轨42和电接地GND之间的两个电阻器R1和R2。位于电阻器R1和R2之间的第一测量点允许收集代表存在于电源轨42和电接地GND之间的电压的第一测量电压V1。由于存在于轨道42和接地GND之间的电压与线圈电压U_BOB有关，因此测量电路50是配置为测量线圈电压U_BOB的传感器的扩展示例。

供电电路38包括指令电路51，其包括线圈32。二极管D1可以放置在指令电路51和测量电路50之间的电源轨42上，以防止电流返回到测量电路50。二极管D1和Dt优选地是相同类型的。

指令电路51在此处示出为被称为“释放”配置的配置，其在本说明书中进一步更详细地描述。

指令电路51包括连接到电源轨42的电源端子52。线圈32包括两个端子54和56。因此，端子54和56之间的电压的测量允许测量被表示为U_BOB的线圈电压。

端子54通过称为“释放”开关的开关t1连接到接地GND。在许多实施例中，被称为分流电阻器的电阻器Rsh与释放开关T1串联以收集代表流过线圈32的电流(或者换言之，代表线圈电流I_BOB)的第二测量电压V2。在所示示例中，分流电阻器Rsh连接在释放开关T1和接地GND之间。电阻器Rsh是配置为测量流过线圈32的线圈电流I_BOB的大小的传感器的示例。

端子56一方面通过电源开关T2连接到端子52，另一方面通过被称为“回扫”二极管Drl的二极管连接到接地GND。回扫二极管Drl具有朝向端子56取向的阻断方向。

开关T1和T2是由源自电子控制装置40的指令信号控制的开关。换言之，电子控制装置40配置为控制指令电路51的状态。

根据一些实施例的示例，开关T1和T2是半导体功率开关，例如MOSFET，或晶闸管，或绝缘栅双极晶体管(IGBT)或任何其他等效装置。

指令电路51包括“释放”装置Dz，其在这里采用并联连接到释放开关T1的齐纳二极管的形式。因此，当释放开关T1打开时，线圈电流I_BOB通过释放装置Dz，而当释放开关T1闭合时，释放装置Dz短路，没有电流通过释放装置Dz。释放装置Dz因此可选择性地激活以使线圈电流I_BOB下降。

在本发明的上下文中，供电电路38的部件的特征量被认为是已知的。特别地，线圈32具有表示为R_BOB的电阻和表示为L_BOB的电感。电阻R_BOB和电感L_BOB尤其取决于线圈32的几何形状、使用的材料、温度等。因此认为电阻R_BOB和电感L_BOB的值是已知的。

图3示出了曲线图58，其示出了在接触器切换到闭合状态然后切换回断开状态的情况下，在接触器1的各个连续操作阶段中流过线圈32的线圈电流I_BOB随时间(t)的变化，这些阶段表示为P1、P2、P3和P4。

阶段P1为初始阶段，在此期间接触器1稳定处于断开状态，即线圈电流I_BOB不超过启动电流I_D。在图3中，线圈电流I_BOB包含瞬态峰值60和62，它们低于启动电流I_D并且与用于测试接触器1的操作有关，在本说明书中没有详细描述这些测试操作。

在接触器1接收到闭合命令之后，阶段P2对应于闭合阶段。当电子控制装置40在时间t₀经由接口44接收到闭合命令时，阶段P2开始。

电子控制装置40配置为向线圈32的端子施加指令线圈电压U_BOB。例如，控制装置40然后指令释放开关T1和电源开关T2闭合。线圈电压U_BOB于是等于由电源轨42传输的电压减去分流电阻器Rsh的端子两端的电压。最初为零的线圈电流I_BOB然后在时间t₁增加到超过启动电流I_D，从该时间起，芯部34开始从其打开位置向其闭合位置移动。

接下来，在闭合阶段P2，动触头26抵靠固定触头28；然后接触器1处于闭合状态。芯部继续移动直到它与磁路的固定部分30接触，这对应于压缩电触头的超程。

更一般地，当电源包括多个电相位时，与每个电相位相关联的垫29并不都具有相同的磨损，或者换言之，并非都具有相同的压缩。每个电相位闭合的确切时间因电相位而异。

在闭合阶段P2的最后阶段64，过渡效应已经结束，并且线圈电流I_BOB表现出平稳值，其等于线圈电压U_BOB除以线圈电阻R_BOB并且严格高于堵转电流I_S。然后，接触器1稳定地处于闭合状态。

在阶段64，线圈32消耗电能，特别是通过焦耳加热，线圈32通过焦耳加热消耗的电能等于R_BOB×(I_BOB)2。如果线圈电流I_BOB保持在堵转电流I_S之上，则接触器1保持在闭合状态。因此，只要线圈电流I_BOB保持高于堵转电流I_S，就可以通过减小线圈电流I_BOB的大小来降低线圈32的功耗，同时将接触器1稳定地保持在闭合状态。

例如，这是通过改变线圈电压U_BOB来实现的，以便尽可能地降低线圈电流I_BOB，同时将其保持在堵转电流I_S以上。这种情况对应于保持阶段P3。

在所示示例中，线圈电压U_BOB的变化是通过交替断开和闭合电源开关T2来实现的，这会产生周期信号，以频率F3的方波轮廓对线圈电压U_BOB进行斩波。

在保持阶段P3，当电源开关T2断开时，释放开关T1保持闭合。指令电路51然后处于被称为“回扫”模式的模式。指令电路51限于连接到回扫二极管Drl和分流电阻器Rsh的线圈32。线圈电流I_BOB于是减小，电能主要由线圈32的电阻R_BOB耗散。然后，在线圈电流I_BOB降低到堵转电流I_S以下之前闭合电源开关T2，并且线圈电流I_BOB再次增加。

结果，线圈电流I_BOB以等于线圈电压U_BOB的频率F3的频率周期性变化，这里的线圈电流I_BOB具有锯齿形轮廓，在严格高于堵转电流I_S的低阈值I₁和高于低阈值I₁的高阈值I₂之间变化。低阈值I₁例如被选择为比堵转电流I_S高5％。高阈值I₂尤其取决于线圈32的特性，例如线圈电阻R_BOB和线圈电感L_BOB。

线圈电流I_BOB的周期性质引起电磁致动器30的机械振动。为了防止这种振动产生人耳可感知的噪声，有利地选择频率F3低于100Hz或高于25kHz。在所示示例中，频率F3是100Hz。

断开阶段P4在电子控制装置40接收断开命令时开始，在时间t₂。

电子控制装置40指令电磁致动器30断开，这在此处通过断开电源开关T2和断开释放开关T1来实现，以便使线圈32的端子两端的电压下降。线圈电流I_BOB然后流过回扫二极管Dr1、线圈32、回扫装置Dz和分流电阻器Rsh。控制电路51然后处于被称为“释放”模式的模式，其中线圈电流I_BOB比在回扫模式中下降得更快。

当线圈电流I_BOB下降到堵转电流I_S以下时，返回构件36和机构290将动触头24从它们的闭合位置推到它们的断开位置。

一旦瞬态感应效应结束，线圈电流I_BOB为零，接触器1再次稳定地处于断开状态。

现在将描述线圈32的电量和电磁量。

当线圈电流I_BOB流过线圈32时产生磁通量φ。磁通量φ的值尤其取决于线圈电流I_BOB的值和可动芯部34的位置。

例如，磁通量φ的值与线圈电压U_BOB和线圈电流I_BOB的值通过以下等式相关，用下面的公式1表示：

其中N是线圈32的匝数，φ是通过线圈32的每一匝的磁通量。

位置x被定义为芯部34相对于线圈32的位置。在许多实施例中，芯部34可以沿移动轴线相对于线圈32平移。然后，沿该移动轴线定义位置x。按照惯例，当接触器1处于断开状态时，位置x为零。对于接触器1的每个电相位，动触头24的位置因此与该位置x相关。通过扩展，该位置x还代表电磁致动器30或接触器1的位置。

通过推导公式1中的φ，获得了描述致动器1中电磁量的通用方程公式2：

其中最后一项

包含涡流，表示为i_f。

在本发明的上下文中，接触器1具有限制涡流i_f产生的结构，这允许忽略公式2的最后一项。根据一些非限制性的示例，接触器1具有基于片材的层压结构，其通过堆叠切割的片材制造并且沿着片材的堆叠轴线具有非常低的导电性，尤其是因为片材边缘的不连续性。由此产生的低总电导率是此类接触器1产生少量涡流的原因。

涡流i_f减小的这种影响的图示在图4中示出，其示出了图示在接触器1的闭合阶段中线圈电流I_BOB和磁通量的变化的曲线图66。涡流i_f的缺失表现在线圈通量φ和线圈电流I_BOB之间没有相移，它们在同一时间均达到平稳值。

由于涡流被忽略，磁路具有磁阻Rel，即，一方面，取决于可动芯部34的位置x和线圈电流I_BOB，另一方面，通过以下关系Rel(x,I_BOB)·φ＝N·I_BOB与磁通量φ和线圈电流I_BOB相关。

换句话说，磁通量φ是位置x和线圈电流I_BOB的函数。通过用于模拟接触器1的磁路的工具生成的二维响应面，磁通量φ可以以解析关系的形式表达，或者实际上为了获得高精度。

在绝大多数情况下，表面φ＝f(x,I_BOB)具有双射特性，即对于给定的线圈电流I_BOB，位置x的给定值对应于磁通量φ的单个值。这允许重构反函数x＝g(φ,I_BOB)，其给出位置x的值作为通量φ和线圈电流I_BOB的函数。

该表面φ＝f(x,I_BOB)或其反函数x＝g(φ,I_BOB)存储在电子控制装置40的存储器中，例如以电磁致动器30的数据表特性的形式，该数据表定义了芯部34的位置x、线圈磁通量φ和线圈电流I_BOB之间的双射关系。

磁通量φ也由公式1相对于时间的积分给出。于是获得了以下公式3：

其中U_BOB和I_BOB是测量的，N、dt和R_BOB是已知的，并且φ₀是磁通量φ的初始值。

通过电子控制装置40实施的数值计算方法，可以使用方程公式3计算磁通量φ。

积分时间间隔dt越短，即积分步长越短，计算误差越小。该间隔dt例如与电子控制装置40的中央处理单元的时钟频率的倒数成正比。根据一些示例，装置40的时钟频率是1kHz。

当初始通量φ₀为零时，可以直接根据U_BOB和I_BOB的测量值计算通量φ值的变化，并且使用反函数x＝g(φ,I_BOB)确定可动芯部34的位置x的变化。因此，无需安装位置传感器等特定的传感器，就可以准确地确定接触器闭合阶段可动芯部34的位置。

在某些情况下，初始通量φ₀不为零，例如当电磁致动器30的某些部分随着时间的推移具有残余磁化时，或者实际上当电磁致动器30按照设计包括永磁体时。然后有必要确定初始通量φ₀以减少位置x的计算中的不精确性。

定义了初始磁通量的估计值

第一种方法包括通过估计位置x的初始值(该值表示为估计值

)，使用已知的响应面φ＝f(x,I_BOB)来确定初始通量

的值。该估计值

例如可以通过已知的线圈电感L_BOB来计算，线圈电流I_BOB被测量。于是

然而，这种确定位置估计值

的第一种方法是相对近似的，并且尤其不允许考虑磁隙尺寸的可变性。例如，表面的配合或断开位置邻接的表面的污染可能导致这个被认为是断开的估计位置

的变化，这会导致初始通量

估计的错误，从而导致闭合阶段位置x重建的错误。

被称为自校正方法的第二方法是基于以下事实：如果线圈电流I_BOB低于启动电流I_D，即在阶段P2的时刻t₀和t₁之间，则可动芯部34在断开位置保持静止。

换言之，在t₀和t₁之间的任何时刻t，只要线圈电流I_BOB低于启动电流I_D，当磁通量φ使用公式3计算并使用反函数x＝g(φ,I_BOB)从中推导出t时刻的位置x时，如果计算出的位置不恒定，换句话说如果x(t)≠x(t₀′)，则初始通量

的估计存在误差。然后补偿时刻t的磁通量φ以校正该误差。在多个连续计算中多次校正磁通量φ，并且假设时刻t包括在t₀和t₁之间，直到初始通量

的估计值和实际通量φ₀收敛。作为自动校正方法的结果，以更精确的方式获知了初始通量φ₀。

因此，当线圈电流I_BOB超过启动电流I_D并且位置x开始改变时，以精确的方式估计初始通量φ₀，该初始通量值φ₀进而允许以精确的方式计算位置x。

图5示出了图示自校正方法的实施例的图表68。在图表68中，曲线70示出了根据线圈电流I_BOB乘以匝数而通过自校正计算的磁通量φ，设置初始位置x和初始通量φ₀的估计值是错误的。在示例中，初始位置

而初始通量φ₀是对应于位置x＝+0.02mm的磁通量。可以看出，磁通量φ相对于对应于设定位置x的特性存在发散，导致一系列自校正，直到估计通量和实际通量φ收敛。估计通量的收敛导致稳定的计算位置x，该位置对应于实际位置x。

曲线72示出了通过自校正计算的磁通量φ，初始通量φ₀没有误差。在示例中，

初始通量

为对应于该位置x＝+0.02mm的磁通量。计算出的通量确实遵循设定位置的特性并且不需要校正。

图6示出了图示自校正方法对位置x确定的影响的图表74。曲线76(虚线)示出了位置x的变化，为了与上述方法的结果进行比较，使用可动芯部34的位置的传感器直接测量该位置x。应当理解，实际上接触器1通常没有这种位置传感器。

在初始阶段P74中，测量位置x保持恒定。在阶段P75中，在初始阶段P74之后，芯部34从其闭合位置移动到其打开位置，并且位置x变化。在阶段P76中，在阶段P75之后，芯部34处于其稳定的打开位置，并且位置x不再变化。

曲线78(粗虚线)显示位置x的变化，使用上述方法计算而没有自校正。估计的初始通量

是错误的，没有得到校正。

曲线80示出了闭合阶段的位置x变化，使用上述方法计算，具有自校正，初始条件与曲线78的计算的初始条件相同。估计的初始通量

是错误的，但已校正。

在初始阶段P74中，位置x保持恒定。曲线80包含由执行自校正程序导致的阶梯状变化81。此外，尽管初始通量φ₀存在不确定性，但曲线80与曲线76相连。结果，在阶段P75和P76中，曲线80比曲线78更好地对应于曲线76，这证明了自校正方法的积极效果。不需要安装位置传感器来可靠地确定在闭合阶段P2中作为时间函数的位置x的变化。无论电磁致动器30是否包括永磁体，在所有情况下都有利地实施自校正方法。

由此产生的关于可动芯部34的位置的数据允许得出关于接触器1的状态的各种结论。

例如，位置x＝f(t)的重建允许可动芯部34的行程与要验证的致动器1的最终状态的一致性，以便检测机械性质的潜在缺陷。

通过闭合时间(等于闭合命令和致动器1的机械行程结束之间的时间差)，可以验证不存在摩擦或机械起源的阻塞。

通过相对于时间对位置x＝f(t)进行微分，计算可动芯部34的移动速度。在闭合阶段P2，导致动触头24压缩的超程中的最小速度是接触器1稳定闭合能力的有利观察项。过低的最小速度表明闭合装置30内缺少磁力或摩擦力过高。

现在将参考图7描述根据一个优选实施例的用于估计接触器1的特性的方法的操作示例。但是，作为变型，可以以不同的顺序执行本方法的步骤。某些步骤可以被省略。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和/或顺序地实施其他步骤。

在步骤100中，当接触器1初始处于稳定断开状态时，例如在初始阶段P1中，该方法被初始化。电子控制装置40正在等待闭合接触器1的命令。

接下来，在步骤102中，电子控制装置40接收闭合接触器1的命令。接收闭合命令的时间t0是闭合阶段P2的开始。

接下来，在步骤104中，电子控制装置40指令致动器30闭合。此处的闭合指令包括通过闭合开关T1和T2在线圈32的端子之间施加指令线圈电压U_BOB。

在图3所示的示例中，在线圈电流I_BOB不为零的特定情况下，在与测试操作相关的瞬态峰值62之后接收到闭合命令。在一些示例中，当接收到闭合命令时线圈电流I_BOB为零。在所有情况下，当接收到闭合命令并且当电子控制装置40指令电磁致动器30闭合时，即线圈电流I_BOB严格低于启动电流I_D时，电磁致动器30处于其稳定的断开位置。

接下来，在步骤106中，电子控制装置40测量并存储线圈电流I_BOB和线圈电压U_BOB，测量例如持续直到电磁致动器30稳定地到达其闭合位置，或者实际上持续存储在电子控制装置40中的时间长度，该时间长度等于例如50Hz电源电流的5个周期，即等于100ms。

可以以各种方式检测电磁致动器30稳定地处于闭合位置的事实。例如，通过测试芯部34的位置x，或者当线圈电流I_BOB在阶段64中达到基本等于U_BOB/R_BOB的平稳值时。

接下来，该方法包括计算和存储流过线圈32的磁通量φ的步骤112。

步骤112包括子步骤110，其中通过线圈电流I_BOB和线圈电压U_BOB的存储值以及预先存储在电子控制装置40中的线圈32的电阻R_BOB和电感L_BOB的值的积分来计算磁通量φ。

步骤112有利地包括初始自校正子步骤108，在子步骤110之后，自校正子步骤包括，假设线圈电流I_BOB低于启动电流I_D并且芯部34通过致动器1的返回构件36保持在断开位置，评估和存储磁通量的初始值φ₀，通过考虑在自校正子步骤108中计算的初始通量的值φ₀在子步骤110中对磁通量φ进行积分的计算。

根据一些示例，自校正子步骤108从时刻t₀持续到时刻t₁，而子步骤110在时间t₁开始。换句话说，当线圈电流I_BOB增加到高于启动电流I_D时，计算子步骤110中磁通量积分的计算考虑了初始通量φ₀的值。

优选地，在步骤104中，当线圈电流I_BOB足够低时，电子控制装置40指令电磁致动器30闭合，使得自校正子步骤108持续足够长的时间以使初始通量φ₀的计算收敛。因此，在指令致动器30闭合的步骤104中，当线圈电流I_BOB达到启动电流I_D的50％，优选地20％，更优选地10％时，电子控制装置40指令电磁致动器30闭合。

接下来，该方法包括步骤114，步骤114包括一方面基于磁通量φ和线圈电流I_BOB的存储值，另一方面根据线圈32的数据表特性来评估和存储接触器1的位置x，数据表预先存储在电子控制装置40中，并且定义了芯部34的位置x、磁通量φ和线圈电流I_BOB之间的双射关系。

在该方法的步骤116中，接触器1的移动速度v的轮廓和接触器1的加速度a的轮廓通过相对于步骤114中存储的位置x的值的时间的微分来计算。速度v和加速度a的轮廓存储在电子控制装置40中。推而广之，接触器1的速度v和加速度a的轮廓也是电磁致动器30或可动芯部34的速度v和加速度a的轮廓。

根据本发明的诊断方法能够精确地确定作为时间的函数的可动芯部34的位置x轮廓以及速度v和加速度a的轮廓，这些轮廓从位置x轮廓推导出。该信息可以以多种方式组合，以监测接触器1的特定部件的磨损，例如接触垫29，或者实际上是电磁致动器30的机构。

根据第一示例，基于位置x的轮廓来评估芯部34的行程，该行程等于芯部34在其稳定的闭合和断开位置的位置之间的差。然后将芯部34的行程与预先存储在电子控制装置40中的参考值进行比较，以便检测潜在的机械性质缺陷。芯部34的行程的参考值例如等于当接触器1第一次安装时，即当接触器1是新的时评估的芯部34的行程。

根据另一示例，基于位置x的轮廓评估电磁致动器30的闭合时间，该轮廓存储在电子控制装置40中，闭合时间等于在步骤104中电子控制装置40指令电磁致动器30闭合的时刻以及致动器30到达其稳定闭合位置的时刻之间的时间差。然后将致动器30的闭合时间与预先存储在电子控制装置40中的参考值进行比较，以便检测是否存在摩擦或机械起源的阻塞。芯部34的行程的参考值例如是接触器1的制造商的规格，或者实际上等于在第一次安装接触器1时，即当接触器1是新的时测量的闭合时间。

根据又一示例，在步骤120中，测量芯部34的最小压缩速度，最小压缩速度等于在闭合阶段中芯部34移动的终端段中芯部34的速度v的最小值。例如，芯部34移动的终端段位于对应于触头24和28接触的时间的位置x以及致动器30闭合且稳定的位置之间。

然后将最小压缩速度与预先存储在电子控制装置40中的参考值进行比较。

芯部34的最小压缩速度是接触器1稳定闭合能力的有利指标。过低的最小压缩速度是电磁致动器30的磁力过低的标志，或者实际上该机构正在产生过多的摩擦。因此，如果芯部34的最小压缩速度低于参考值，则电子控制装置40向操作者发送警报信号。

根据其他示例，当接触器1连接到多相电源，特别是连接到三相电源时，位置轮廓x＝f(t)与在接触器1的每个极上进行的其他测量相结合，例如与通过传感器46进行的电流测量相结合。与每个极相关联的接触垫29的磨损状态是先验不同的，在闭合接触器1的阶段P2中，接触垫29不会同时进行电接触。因此，存在与接触器1的部件的分散或磨损有关的极的不同步现象。

例如，如专利申请WO-03/054895-A1中所述，对接触器1的每个极进行电流测量。每个极中电流的出现允许检测与每个极相关联的触头24的闭合时间。通过将此信息与通过本发明获得并存储在电子控制装置40中的芯部34的位置轮廓x＝f(t)相结合，当触头24与对应的固定触头28接触时，可以精确地评估触头24的位置，并由此推断出与接触器1的每个极的触头相关联的压缩差异。

最终位置

被定义为芯部34在其闭合位置的稳定位置。对于每个所讨论的触头24，该触头的压缩等于最终位置

与在所讨论的接触器24闭合的精确时间芯部34的位置之间的差。

在包括三个极的接触器1的特定示例中，每个极与三相电源的一个相相关联，与每个极相关联的触头29相继闭合。在第一动触头24(也称为第一触头24A)闭合时，还没有电流能够流动。

位置

被定义为当第一触头24A与对应的固定触头28接触时芯部34的位置。位置

和最终位置

之间的差异限定了对第一触头24A的压缩的估计。换句话说，

在第二动触头24(也称为第二触头24B)闭合时，电流i₂出现并在第一触头24A和第二触头24B之间流动。电流i₂由电流传感器46检测。因此，此时芯部34的位置x，称为位置

是当第二触头24B与对应的固定触头28接触时芯部34的位置。

第二触头24B的位置

与最终位置

之间的差异限定了对第二触头24B的压缩的估计，该压缩被表示为Ecr₂。换句话说，

在第三动触头24(也称为第三触头24C)闭合时，电流i₃出现并在接触器1的三极之间流动。因此，此时芯部34的位置x，称为位置

是当第三触头24B与对应的固定触头28接触时芯部34的位置。

第三触头24C的位置

与最终位置

之间的差异限定了对第三触头24C的压缩的估计，该压缩被表示为Ecr₃。换句话说，

在向例如电机的三相电负载23供电的情况下，仅测量压缩Ecr₂和Ecr₃，因为仅检测电流i₂和i₂出现的时间。相比之下，第一触头24A的压缩Ecr₁无法测量，因为当第一触头24A与对应的固定触头28接触时没有电流出现——只能推断第一触头24A的压缩Ecr₁大于第二触头24B的压缩Ecr₂。

根据其他示例，通过将与每个极上的电流出现时间有关的信息与芯部34的速度v的轮廓相结合(该轮廓通过本发明获得并存储在电子控制装置40中)，当触头24与对应的固定触头28接触时，可以精确地评估触头24的速度，并由此推断出与接触器1的每个极的触头相关联的压缩差异。

在所示的示例中，电子控制装置40执行控制电磁致动器30的功能和实施根据本发明的诊断方法的功能。

作为变型(未示出)，诊断方法由特定电子装置实施，该电子装置在维护操作期间被添加到现有接触器1。为了实施根据本发明的诊断方法，这样的特定装置仅需要线圈电流I_BOB和线圈电压U_BOB的测量，以及可选地需要流过上游线路20的功率电流的测量。

根据另一变型，当接触器1包括未配置为实施根据本发明的诊断方法的电子控制装置40时，如果存在线圈电流和线圈电压的传感器，则可以配置接触器1的电子控制装置40，从而能够实施根据本发明的诊断方法，例如通过物理更换电子控制装置40或者实际上，在适当的情况下，通过改变电子控制装置40的计算代码。

上面提到的实施例和变型可以彼此组合，以产生本发明的新实施例。

Claims (10)

1.一种用于诊断开关设备(1)的操作状态的方法，所述开关设备配置为联接到电导体(20)，并且包括：

-与所述电导体相关联并且由电磁致动器(30)驱动的可分离触头(24，28)，所述电磁致动器(30)包括连接到电子控制装置(40)的线圈(32)，所述控制装置配置为跨过所述线圈的端子施加线圈指令电压(U_BOB)，

-传感器(Rsh，50)，配置为测量流过所述线圈的线圈电流(I_BOB)的大小和线圈电压(U_BOB)，

其特征在于，该方法包括以下步骤：

a)接收(102)闭合所述开关设备的命令，所述开关设备最初处于断开状态，闭合命令由所述电子控制装置接收；

b)在接收到所述闭合命令后，通过所述电子控制装置(40)指令(104)所述电磁致动器(30)闭合；

c)当所述开关设备(1)切换到闭合状态时，测量并存储(106)线圈电压(U_BOB)和线圈电流(I_BOB)的值；

d)通过对线圈电流和线圈电压的存储值与预先存储在所述电子控制装置中的所述线圈的电阻(R_BOB)和电感(L_BOB)的值进行积分，计算并存储(112)穿过所述线圈(32)的磁通量(φ)的值；

e)基于磁通量(φ)和线圈电流(I_BOB)的存储值，根据所述电磁致动器的数据表特性评估和存储(114)所述电磁致动器(30)的芯部(34)的位置(x)，所述数据表预先存储在所述电子控制装置(40)中，并且定义了所述芯部(34)的位置(x)、磁通量(φ)和所述线圈电流(I_BOB)之间的双射关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算磁通量(φ)的步骤(112)包括初始子步骤(108)，称为自校正子步骤，随后是计算子步骤(110)，自校正子步骤包括：在线圈电流(I_BOB)低于被称为“启动”电流(I_D)的电流的情况下，评估并存储磁通量(φ)的初始值，该值称为“初始通量”(φ₀)，使得当线圈电流(I_BOB)增加到所述启动电流(I_D)以上时，在计算阶段(110)中，通过对磁通量(φ)积分进行的计算考虑了初始通量(φ₀)的值，低于该启动电流，所述可动芯部(34)通过所述电磁致动器(30)的返回构件(36)保持在断开位置。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在指令所述电磁致动器(30)闭合的步骤(104)中，当线圈电流(I_BOB)达到启动电流(I_D)的值的50％，优选地20％，更优选地10％时，所述电子控制装置(40)指令所述电磁致动器(30)闭合。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括步骤(118)，该步骤包括从存储在所述电子控制装置(40)中的位置(x)的轮廓计算所述电磁致动器(30)的闭合时间，所述闭合时间等于所述电子控制装置(40)指令所述电磁致动器(30)闭合(104)的时间与所述电磁致动器(30)到达其稳定闭合位置的时间之间的时间差。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括步骤(116)，该步骤包括通过存储在所述电子控制装置(40)中的位置(x)轮廓相对于时间的推导，计算所述开关设备(1)的移动速度(v)的轮廓和所述开关设备的加速度(a)的轮廓，并且将将速度(v)和加速度(a)轮廓存储在所述电子控制装置(40)中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括步骤(120)，该步骤包括从所述开关设备(1)的速度(v)轮廓计算所述芯部(34)的最小压缩速度，所述最小压缩速度等于在闭合阶段中在所述芯部(34)移动的终端段中芯部(34)的速度(v)的最小值。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述方法借助电流传感器(46)检测与所述开关设备(1)的每个极相关联的每个触头的精确闭合时间，所述方法结合存储在所述电子控制装置(40)中的速度(v)轮廓和每个触头(24)的精确闭合时间来评估每个触头(24)的闭合速度。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过使芯部(34)在每个触头(24)的精确闭合时间的位置(x)轮廓组合起来以评估与每个极的动触头(24)相关联的压缩(Ecr₁,Ecr₂,Ecr₃)，每个动触头(24)的压缩等于所述芯部(34)在其稳定闭合位置的最终位置

与芯部(34)在所讨论的触头(24)精确闭合时间的位置之间的差值。

9.一种电气开关设备(1)，用于实现根据权利要求1至6中任一项所述的诊断方法，所述开关设备配置为联接到电导体(20)并且包括：

-可分离触头(24，28)，通过电磁致动器(30)在断开位置和闭合位置之间移动，所述电磁致动器(30)包括线圈(32)和附接到所述可分离触头的可动芯部(34)，所述开关设备具有限制涡流产生的结构；

-指令电路(51)，用于控制跨过所述线圈(32)的端子的电压，所述电压被称为“线圈电压”(U_BOB)，所述指令电路包括被称为“释放”装置的装置(Dz)，所述装置可以被选择性地激活以使流过所述线圈(32)的电流下降，所述电流被称为“线圈电流”(I_BOB)，线圈电压和释放装置根据所述指令电路(51)的状态被激活或去激活；

-用于测量线圈电流(I_BOB)和线圈电压(U_BOB)的传感器(Rsh，50)；

-电子控制装置(40)，配置为接收断开和闭合所述开关设备的命令，接收线圈电流和线圈电压的测量值，并控制所述指令电路的状态；

其中，所述开关设备配置为实施包括以下步骤的诊断方法：

a)接收(102)闭合命令；

b)指令(104)电磁致动器(30)闭合；

c)测量和存储(106)线圈电压(U_BOB)和线圈电流(I_BOB)的值；

d)通过对线圈电流和线圈电压的存储值以及预先存储在所述电子控制装置(40)中的线圈的电阻(R_BOB)和电感(L_BOB)的值的积分，计算和存储(112)穿过所述线圈(32)的磁通量(φ)值；

e)基于磁通量(φ)和线圈电流(I_BOB)的存储值，根据所述电磁致动器(30)的数据表特性评估和存储(114)所述芯部(34)的位置(x)，所述数据表定义了所述芯部(34)的位置(x)、磁通量(φ)和所述线圈电流(I_BOB)之间的双射关系。

10.根据权利要求9所述的开关设备(1)，其中，所述开关设备包括电流传感器(46)，所述电流传感器配置为测量流过所述电导体(20)的每一相的电流的大小，所述开关设备配置为实施诊断方法，所述诊断方法包括以下步骤：检测与每一相相关联的动触头(24)的精确闭合时间，并结合每个动触头(24)的精确闭合时间、所述芯部(34)的位置(x)轮廓或所述芯部(34)的速度(v)轮廓，以评估每个动触头的压缩或闭合速度。

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