用于闭合接触器的方法以及具有温度补偿的接触器与流程

1.本发明涉及根据独立权利要求1的前序部分的用于在接通过程期间闭合电气开关装置的接触件的方法。在此，电气开关装置具有机电驱动装置，所述机电驱动装置具有线圈和在断开位置和闭合位置之间可移动的衔铁，其中对线圈进行通电用于闭合电气开关装置的接触件。在此，机电驱动装置的衔铁与电气开关装置的可移动接触件连接。本发明此外涉及根据独立权利要求10的前序部分的电气开关装置。


背景技术：

2.电气开关装置、尤其是大功率接触器在许多应用领域中有时遭受高的温度波动。例如，这适用于在轨道车辆、机动车辆或户外装置中使用的大功率接触器。此外，电磁驱动装置的线圈在运行中可能仅仅由于自加热而遭受非常大的温度波动。
3.在铁路应用中，温度带宽（temperaturbandbreite）从西伯利亚中的约
‑
40
°
c达到某些沙漠地区中的110
°
c。在此，线圈的电阻按因数1.8改变（
ä
ndert sich um den faktor 1,8）。如果不进行补偿，则吸动电流、即在闭合接触件时在线圈中流动的电流以及开关装置的开关行为相应地改变。在冷态下，由于较低的电阻，进行较快速的吸动，这在闭合时可能导致电气开关装置的接触件的提高的跳动，并且原则上完全导致构件的提高的机械载荷。在非常高的温度下，接触件可能不被足够快地闭合，使得可能发生颤动现象，并且可能发生由于出现的电弧而引起的增加的磨损。
4.如果不进行温度补偿，则驱动装置从而必须被设计得更稳健并且因此更大。这导致比较重的且昂贵的开关装置。
5.而如果应该进行温度补偿，则必须在低温下向线圈施加较低的电压，而在较高温度下向线圈施加较高的电压，以便能够在整个温度范围上保证均匀的开关行为或统一的接通时间或吸动时间。为此，必须检测在线圈中占优势的温度或与之有关的线圈电阻。这例如可以借助于温度传感器进行。然而，附加的温度传感器导致更耗费的构造并且使电气开关装置的制造昂贵。
6.但是，也已经存在用于在不直接确定线圈温度的情况下测量线圈电感和线圈电阻的方法。这种方法例如从us 20180174786 a1中已知。然而，这种方法需要比较大的计算效率，并且因此以使用昂贵的微处理器为前提。


技术实现要素：

7.因此，本发明的任务是说明一种开头提到的类型的方法，所述方法允许以低硬件要求并且尤其是在不需要温度传感器的情况下进行简单的温度补偿，并且不以不利的方式延长吸动过程。
8.该任务通过独立权利要求1的特征解决。
9.因此，在根据独立权利要求1的前序部分的方法中，如果首先在第一持续时间t1期间将恒定的第一电压u1施加到所述线圈上并且确定测量值，其中
‑
要么所述第一持续时间t1固定地预先给定，并且所述测量值是电流值i
mess
，所述电流值在所述第一持续时间t1结束时通过测量在所述线圈中流动的电流被确定，其中所述第一持续时间t1和所述第一电压u1被选择为使得所述衔铁在所述第一持续时间t1期间不被置于运动中，
‑
要么所述第一电压u1一直被施加到所述线圈上，直至达到在所述线圈中流动的电流的特定电流值i
soll
为止，其中所述第一持续时间t1是直至达到该特定电流值i
soll
为止的持续时间，其中所述第一持续时间t1表示测量值，并且其中所述第一电压u1被选择为使得所述衔铁在所述第一持续时间t1期间不被置于运动中，其中根据如此确定的测量值规定合适的第二电压u2，所述第二电压大于所述第一电压u1并且在第二持续时间t2期间被施加到所述线圈上，以便将所述衔铁从断开位置移动到闭合位置，则存在该任务的根据本发明的解决方案。
10.本发明的思想基于以下已知的针对在施加电压之后通过线圈的电流的方程（只要衔铁不移动就有效）：，其中u施加在线圈上的电压，r（与温度有关的）线圈电阻，l在衔铁处于起始位置时线圈的电感。
11.如果参量l、i、u和t是已知的，则可以从中计算线圈电阻r，所述线圈电阻又取决于温度。然而，根据本发明不需要线圈电阻的实际计算。仅仅确定与线圈电阻和从而与温度有关的测量值。
12.如果固定地预先给定第一持续时间t1，那么该测量值是电流值i
mess
，所述电流值在第一持续时间t1结束时出现。接着，根据该电流测量值i
mess
规定电压u2，最后给线圈加载所述电压以便吸引衔铁，也就是说以便将衔铁从断开位置移动到闭合位置，并且由此闭合接触件。在特定的电流测量值i
mess
时的最优吸动电压u2例如可以事先根据实验通过相应的测量系列确定并且存放在开关装置的控制装置的存储器中。
13.第一持续时间t1必须被选择为使得衔铁在第一持续时间期间尚不移动。否则，在衔铁移动时在磁场中出现的衔铁反作用将会使在第一持续时间结束时的电流测量失真（verf
ä
lschen），并且上述方程将会不再适用。第一持续时间必须如此长，以致于电流测量的最终值——由通过温度影响引起的线圈的电阻变化造成地（bedingt）——在温度上限和温度下限处彼此相距如此远，使得实现足够大的测量范围。在此应该考虑用于线圈电流的测量装置的测量精度和分辨率。在第一持续时间t1期间施加在线圈上的第一电压u1应该被选择得尽可能大，以便在第一持续时间的过程中在线圈中流动的电流变得尽可能大，而且使得在第一持续时间期间在最低工作温度下并且在考虑公差的情况下仍然不发生衔铁移动。
14.另一方面，第一持续时间应该尽可能短，使得接通过程不被不必要地延迟。
15.替代于在固定地预先给定的第一持续时间t1时的上述测量值确定，也可以规定应该达到的固定电流极限i
soll
。在这种情况下，与温度并且从而与线圈电阻有关的测量值是
第一持续时间t1，所述第一持续时间流逝，直至达到电流极限i
soll
为止。然而，因为必须在整个第一持续时间t1期间测量线圈电流，所以与第一替代方案相比，该第二替代方案应该稍微更耗费地来实施。不言而喻，即使在该第二替代方案中，也首先必须使第一电压u1保持恒定直至达到预先给定的电流值i
soll
为止，并且其次必须规定第一电压u1或要达到的电流值i
soll
，使得所述衔铁尚不被置于运动中，直至达到电流极限i
soll
为止。
16.在上述两种情况下，电流在整个第一持续时间t1期间升高。这意味着第一持续时间t1持续不足够长以在线圈中可能出现稳定的最终电流。在这种情况下，虽然利用r=u/i，可以完全容易地确定电阻。然而，为此所需要的测量时间将会明显长于开关装置的整个常见吸动过程，并且因此会是不可接受的。因此，根据本发明的方法的大的优点是吸动过程微不足道地被延长。
17.根据本发明，在第一持续时间t1期间对线圈施加恒定的第一电压u1。这意味着不对在线圈中流动的电流进行调节。恒定的电压在整个第一持续时间t1上施加在线圈上。
18.本发明允许简单的温度补偿，而无需耗费的和昂贵的硬件。尤其是，不需要温度传感器来执行根据本发明的方法。仅需要相应的电流测量装置，以便能够测量在线圈中流动的电流。在接通过程之后具有保持电流调节的电气开关装置中，这种电流测量装置本来存在。可以使用小型且成本低的微控制器来执行该方法。
19.本发明特别适用于电气接触器。
20.根据本发明的方法的有利实施方式是从属权利要求的主题。
21.根据本发明的一种优选实施方式，所述第一持续时间t1固定地被预先给定，其中所述测量值是电流测量值i
mess
，所述电流测量值在第一持续时间t1结束时通过测量在所述线圈中流动的电流被确定，其中所述第一持续时间t1和所述第一电压u1被选择为使得所述衔铁在所述第一持续时间t1期间不被置于运动中。如上已经描述的那样，该实施方式可以比具有固定地预先给定的电流极限i
soll
的替代方案更简单地被实施。
22.根据本发明的另一优选实施方式，第二持续时间紧接在第一持续时间之后。由此保证短的接通时间。在确定或规定在第一持续时间t1期满之后施加到线圈上的第二电压u2以便将衔铁从断开位置移动到闭合位置并且由此闭合接触件时，在此必须考虑线圈电流的电流值，所述电流值在第一持续时间结束时已经达到并且由此形成在第二持续时间t2期间的吸动阶段的起始值。
23.根据本发明的另一优选实施方式，第二电压u2在第二持续时间t2期间是恒定的。这显著地简化根据本发明的方法。然而，在纯理论上可设想的是，在第二持续时间期间外加（aufpr
ä
gen）特定的电压特性曲线，所述电压特性曲线的参数根据所确定的测量值来规定。在该实施方式的意义上，恒定的电压也被理解为在第二持续时间期间借助于脉宽调制调整的平均电压。
24.根据本发明的另一实施方式，所述第二电压根据测量值被规定为使得在闭合所述接触件时所述衔铁与所述线圈的温度无关地始终达到相同的速度。在特定的与温度有关的测量值情况下为此需要的吸动电压u2可以根据实验通过相应的测量系列被确定。为此，例如可以相应地加热或冷却开关装置，其中不仅在第一持续时间t1结束时的电流测量值i
mess
而且在第二持续时间t2期间在不同的吸动电压下的开关行为随后被测定。
25.在一种替代实施方式中，所述第二电压根据所述测量值被规定为使得在闭合所述
接触件时所述衔铁与所述线圈的温度无关地始终在相同的持续时间内被移动到闭合位置。这意味着直至闭合接触件为止的持续时间应该总是相同长。即使在该实施方式中，所需要的吸动电压u2在特定的与温度有关的测量值的情况下也可以根据实验被确定。
26.按照根据本发明的方法的另一优选实施方式，通过从存储在存储器中的表格中读出预设值根据所述测量值规定所述第二电压u2。由此，在接通过程期间不需要复杂的计算。可以使用有益的且简单的微控制器来进行控制。所提及的表格此外优选地存储在用于控制所使用的微控制器的存储器中。例如，在表格中可以存储吸动电压（第二电压u2）的具体值或者否则也可以存储适用于控制的其他预设值。例如，可以存储脉宽调制预设值，而不是具体的电压值。因为电压值u1和u2优选地借助于脉宽调制被调整。在此优选地通过脉宽调制的相应变化来均衡供电电压的可能波动。对于根据本发明的方法不需要，在运行中确定线圈的电阻和/或温度的具体值。决定性的仅仅是从电阻或温度中推导出的在测量值与预设值或电压值u2之间的关系。
27.可替代地，也可以从具体确定的预设值或从第二电压u2的值中基于测量值推导出用于计算预设值的近似函数，使得代替完整的表格，仅必须将计算准则的参数传输到用于控制所使用的微控制器的存储器中。虽然这要求稍高的计算效率，但是需要较少的存储器。即使在该实施例情况下，供电电压的可能波动也优选地通过脉宽调制的相应变化被均衡。
28.属于特定测量值的用于吸动电压u2的值或上面提及的预设值优选地针对更大的温度范围、例如针对最大0
°
c至至少50
°
c的温度范围、进一步优选地针对最大
‑
20
°
c至至少80
°
c的温度范围、进一步优选地针对最大
‑
40
°
c至至少110
°
c的温度范围并且尤其是优选地针对最大
‑
60℃至至少130℃的温度范围被确定。值被存储在表格中，并且要么表格本身要么从中推导出的计算准则被传输到微控制器的存储器中。对于令人满意的温度补偿，如果值针对具有例如1
°
c的增量（delta）或也具有例如5
°
c的更大差的离散温度被确定，则是足够的。然而由于具体温度最终对于该方法无关紧要，因此进入表格中的输入参量是测量值。因此，对于表格，优选地使用具有恒定增量的测量值，这不反映在温度的恒定增量中。
29.在第二持续时间期满之后，控制装置可以转入保持模式。由于用于将衔铁保持在闭合位置比用于吸动衔铁需要更小的力，因此可以降低功率。按照根据本发明的方法的另一实施方式，第二持续时间t2固定地被预先给定，由此进一步简化该方法。然而，优选地可替代地可以规定，如果通过合适的传感器系统或评估识别出衔铁处于闭合位置，则第二持续时间t2结束。即使在根据本发明的方法的该实施方式中，控制装置也可以随后转入保持模式。
30.本发明此外提供根据独立权利要求10的前序部分的电气开关装置，所述电气开关装置的控制装置被设计和设立用于执行根据本发明的方法。
31.根据电气开关装置的一种优选实施方式，控制装置具有微控制器，在所述微控制器中存储具有可能的测量值和所属的预设值的表格，或者根据替代实施方式，存储用于根据测量值计算预设值的计算准则。
附图说明
32.下面根据附图更详细地阐述本发明。
33.图1示出根据一种实施例的根据本发明的接触器的示意图，
图2示出图1的根据本发明的接触器的电路图，并且图3示出根据本发明的接触器的线圈中的电流特性曲线。
34.对于以下论述适用的是，相同的部分由相同的附图标记标明。如果在附图中包含在所属的附图描述中未更详细探讨的附图标记，则参照以前的或随后的附图描述。
具体实施方式
35.图1示出根据本发明的一种实施例的根据本发明的接触器1的示意图。接触器1具有仅以片段方式示出的壳体10和具有双断点的接触部位。接触部位由两个固定接触件5和可移动触桥6组成。触桥6经由接触压力弹簧7被安放在接触载体9处，所述接触载体9经由绝缘杆4与接触器1的电磁驱动装置的可移动衔铁3连接。电磁驱动装置的衔铁3以及磁轭8至少部分地由电磁驱动装置的线圈2包围。在通过施加足够的电压对线圈2进行通电时，衔铁3迎着在磁轭8和衔铁3之间起作用的复位弹簧13的力被吸动，使得接触件被闭合。
36.图2示出图1的根据本发明的接触器的电路图。电流测量装置12用于在运行期间测量在线圈2中流动的电流。构件15是用于测量供电电压u
vers
的电压测量装置，所述供电电压可能遭受一定的波动。电流测量装置12和电压测量装置15的测量参量被输送给微控制器11，所述微控制器11处理这两个测量参量并且从中生成用于断路器17的操控信号，通过所述操控信号操控线圈2。用于微控制器11、两个测量装置12和15以及必要时用于操控断路器17的驱动器的电压供应装置16连接到供电电压u
vers
上。此外，空转二极管18位于线圈2处。
37.通过供电电压开关14接通供电电压。
38.图3示出在线圈2中流动的电流i随着时间t的特性曲线。接通过程被划分成两个阶段。在第一阶段中在第一持续时间t1期间，恒定的第一电压u1被施加到线圈2上。在这里介绍的实施例中，第一持续时间t1固定地预先给定，其中在第一持续时间t1结束时测量线圈2中的所得出的电流值i
mess
。在此，第一电压u1和第一持续时间t1被选择为使得衔铁在第一持续时间t1期间不被置于运动中。
39.接着，根据所测量的并且与线圈温度有关的电流值i
mess
，规定合适的第二电压u2，所述第二电压大于第一电压u1并且在紧接在第一持续时间t1之后的第二持续时间t2期间被施加到线圈2上，以便将衔铁3从断开位置移动到闭合位置并且由此闭合接触件。因此，第二持续时间t2表示接通过程的第二阶段。例如从存储在微控制器中的表格中读出属于特定电流测量值i
mess
的第二电压u2。
40.在结束接通过程之后，接触器的控制转入保持模式。保持模式在第三持续时间t3期间被保持。
41.附图标记列表1电气开关装置2线圈3衔铁4绝缘杆5固定接触件6触桥7接触压力弹簧
8 磁轭9 接触载体10 壳体11 微控制器12 电流测量装置13 复位弹簧14 供电电压开关15 电压测量装置16 电压供应装置17 断路器18 空转二极管t 时间t
1 第一持续时间t
2 第二持续时间t
3 第三持续时间u
vers 供电电压u
1 第一电压u
2 第二电压i 电流i
mess
电流测量值i
soll 预先给定的电流值r 线圈电阻。