专利名称：监视电触点状态的装置和方法
技术领域：
本发明的领域主要涉及电子机械开关，并且更具体地涉及用于确定电磁开关的 电触点的状态的方法以及配置用于与此类方法一起使用的装置；其中，下面是说明书， 参照了附带的并形成说明书一部分的图形。
背景技术：
诸如接触器、继电器和其它装置等电磁开关装置是众所周知的并广泛用于开关 电流。诸如具有可移动衔铁和固定轭电磁体作为闭合元件的那些开关等常规电磁开关常 常用于改变电触点的状态。当电流流过电磁体的螺线管线圈时，则结果的磁场将衔铁向 轭移动，直至轭和衔铁的极面相互接触。在关闭通过电磁体的线圈的电流时，诸如弹簧 等机械复位装置用于分离衔铁和轭。连接到衔铁的可移动电触点元件相对于固定的电触 点元件移动以便闭合和打开电磁开关装置的电触点。此类触点可具有通常闭合或通常打 开的配置。如图1中所示，示出具有电磁体101的常规电磁开关100，该电磁体包括可移动 磁芯或衔铁102，其通过空气间隙104与具有电磁触发螺线管或线圈105的固定磁芯或轭 103分离。衔铁102可在箭头119所示的方向中移动。可移动衔铁102与至少一个可移 动电触点IlOa处于可操作的通信中，以用于接通和断开固定电触点110b。虽然电触点 110a、IlOb的每一对在图1中示出并在本文中描述为在通常打开的配置中述，但本领域 的技术人员将理解，电触点110a、IlOb可具有通常闭合或通常打开的配置。另外，虽然 图1示出具有6对电触点110a、110b,但将理解，可移动衔铁102可配置成与任何数量的 电触点处于可操作的通信中。在闭合时，触点110a、IlOb—般将来自例如诸如AC电源 供应的电源112的电力传导到负载115，以及在触点110a、IlOb打开时，中断到负载115 的电力。在电流(未示出)通过电磁体101的触发线圈105时，产生使衔铁102被轭103 电吸引的磁场(未示出)。衔铁102的移动使衔铁102的至少一面117与轭103的至少 一面118接触。通过触发线圈105的电流(未示出)惯常由触发电路120或连接到触发 线圈105的其它外部电源(未示出)来提供。由于可移动触点IlOa惯常是通过链接元件 107由可移动衔铁102来驱动的，电磁体101形成的磁力保持衔铁102与轭103的接触， 并因此将通常打开的电触点110a、IlOb置于被激励或闭合状态中。随后，在电流(未示 出)切断时，电磁体101被断电，并且例如诸如弹簧106的返回元件使衔铁102返回到其 最初位置，由此使衔铁102的至少一面117断开与轭103的至少一面118的接触，并且使 电触点110a、IlOb改变状态(即，打开)。在开关电流时电触点110a、IlOb的每次打开和闭合操作期间，在触点110a、 IlOb之间的空气间隙中发生电弧。电弧导致开关触点110a、IlOb的材料腐蚀，腐蚀严重 程度至少根据电流和电压负载而变化。材料腐蚀或磨损影响开关装置的开关行为，并且 在足够次数的开关操作后，能造成开关装置的故障。另外，电触点110a、IlOb的电弧诱发的腐蚀是确定开关装置的剩余寿命或维护间隔的重要因素。重要的是知道触点状态， 例如诸如剩余触点材料厚度或剩余预期触点寿命，以使得能够预防性维护，例如替换触 点110a、IlOb或电磁开关装置100本身，以避免其中使用开关装置100的系统的意外中 断。用于防止此类意外系统中断的一种典型惯例是在预定次数的操作后，系统地替 换触点110a、IlOb或电磁开关装置100本身而不检查110a、IlOb的实际状况。在触点 未充分磨损时，这导致不必要的替换，以及在电触点110a、IlOb磨损超过预期时，这可
导致装置和/或系统故障。因此，需要的是一种更精确地确定诸如电触点的剩余厚度等状态的方法，以便 推断与触点的残余寿命有关的信息，因为这将使得能够及时通知用户，并因此防止否则 可能发生的故障。
发明内容
鉴于上述考虑事项，合乎需要的是提供生成电磁开关装置中电触点的状态的装 置和方法。生成的状态可包括任何数量的实施例，包括如电触点的残余寿命的指示、电 触点的当前厚度的指示、电触点的状况的通过/失败指示或有关电触点的必需维护的通 知的此类非限制性示例。在本文中使用时，衔铁和轭之间的接触的瞬间将称为电磁开关的闭合。另外， 关于一对电触点的术语“状态的改变”将在本文中指闭合触点的打开或备选地指打开触 点的闭合。电磁开关的闭合与电触点的状态的改变之间的电相角差在本文中称为磁滞后 角(MLA)。图2是示出用于常规电磁开关的典型MLA的曲线图，其中，例如跨通常打开的 电触点来应用AC电压V。，并且跨电磁衔铁和轭来应用DC电压信号Vm以感应电磁开关 的闭合。在通过线圈的触发电流使电磁开关闭合时，电压信号V。的AC波形上电触点在 其改变状态(例如，闭合)由此将V。降到零的点(在本文中称为电相角)一般将领先衔 铁与轭接触(即，闭合)所在的电相角。在电开关触点状态改变时领先的电相角与在电 磁开关闭合时的滞后电相角之间的相角差是MLA。根据本发明的一方面，通过在大致一致电相角来触发衔铁移动，确定电磁开关 闭合与电触点状态改变之间的MLA，并使用MLA来生成触点状态，从而解决确定触点 状态的问题。在一个实施例中，预定对应于已知触点状态的MLA值，确定测量的MLA值的 移动平均值，以及比较该移动平均值和预定的MLA值以生成触点状态。通过参照连同附图所取得的以下描述，本公开的其它特征和优点将变得明显。上述简短摘要相当广泛地陈述了本发明的更重要特征，以便可更好地理解随后 的其详细描述并且以便可更好地领会对本领域提出的贡献。在此方面，在详细解释本发 明几个实施例前，将理解，本发明在其应用中并不限于构造的细节，也不限于下面描述 中所述或图形中所示的组件布置。本发明能够用于其它实施例，并且能够以各种方式来 实践和执行。此外，要理解，本文中采用的用语和术语是用于描述的目的，并且不应认 为是限制性的。
因此，本领域的技术人员将领会到公开所基于的概念可容易用作设计用于执行 本发明几个目的其它结构、方法和系统的基础。因此，重要的是权利要求被认为包括此 类等效构造，只要它们不脱离本发明的精神和范围。
本发明的更完整领会和其伴随的许多优点将容易获得，因为它们通过在连同附 图考虑时参照以下详细描述而变得更好理解。虽然本发明的特定特征在一些图形中示出，而在其它图形中未示出，但这只是 为了方便，因为任何图形的一个或多个特征可根据本发明的一个或多个实施例与剩余图 形中一个或多个图形的任何或所有其它特征组合。结合在说明书中并构成其一部分的附 图示出本发明的现有优选实施例，其中图1示出现有技术中已知种类的常规电磁开关装置；图2是示出与电磁开关装置相关联的电压信号的曲线图；图3示出本发明的一实施例的示意视图；图4示出一备选实施例的示意视图；图5是根据一实施例的计算机实现的方法的流程图。
具体实施例方式在本文中使用时，以单数记载的或前面带有词“一”或“一个”的元件或功能 应理解为不排除多个所述元件或功能，除非明确记载此类排除。此外，对所要求权利的 发明的“一个实施例”的引用不应解释为排除也结合记载的特征的另外实施例的存在。现在参照图形，将描述本发明的实施例之一，图中类似的标号贯穿几个视图指 示相同或对应的部分。在图3中，示出具有电磁体301的一实施例的电磁开关300的示意视图，该电磁 体包括可移动芯或衔铁302，其通过空气间隙304与具有螺线管或触发线圈305的固定芯 或轭303分离，并连接到可移动电触点310a以便接通和断开固定电触点310b。虽然触 点310a、310b在图中示出并在本文中描述为在通常打开的配置中，但本领域的技术人员 将理解，触点310a、310b可具有通常闭合的或通常打开的配置。在闭合时，触点310a、 310b 一般将例如诸如AC电源供应的电源312的电力传导到负载315，以及在触点310a、 310b打开时，中断到负载315的电力。通过触发线圈305的电流(未示出)磁触发衔铁 302向轭303的移动，并且由连接到触发线圈305的触发电路320来提供。衔铁302的移 动使衔铁302的至少一面317与轭303的至少一面318接触(即，闭合电磁开关)。可移 动触点310a通过链接元件307由可移动衔铁302来驱动，并且电磁体301形成的磁力保 持可移动和固定触点310a、310b在被激励或闭合位置中。在电流(未示出)切断时，电 磁体301被断电，并且例如诸如弹簧306或重力(gravity)等返回元件使衔铁302返回到 其最初位置，从而使触点310a、310b改变状态或打开。通常，在初始的逐渐适用周期数(break-in number of cycles)之后，电磁开关装置
的MLA将在装置故障前随着电触点的寿命从初始值减少到最低值。MLA中的下降或衰 退已被视为通常是电触点材料的腐蚀和以下其它可变因素的函数(a)触点310a、310b的剩余厚度；(b)可移动衔铁302的闭合速度和加速度；以及(c)电磁开关装置300部分 的一般机械磨损。通过如上所述将其它可变因素的影响降到最低，对于每个电磁开关装 置，能根据经验形成为MLA的特定值或值范围指示开关装置电触点的厚度的曲线族或值 表。在本发明中，由于触点腐蚀造成触点厚度减小所引起的在电磁开关300的多次通电 操作上MLA值的改变有利地用于生成电触点310a、310b的状态以及因此生成电磁体开关 300的预期残余寿命。生成的状态可包括任何数量的实施例，包括如电触点的残余寿命的 指示(例如剩余操作次数)、电触点的当前厚度的指示、电触点的状况的通过/失败指示 或有关电触点的必需维护的通知的此类非限制性示例。为了使用MLA来提供电触点状态 的指示，应去除或大大降低除剩余触点310a、310b厚度外造成MLA改变的上述可变因素 的影响。在一个实施例中，通过确定MLA的测量值的移动平均值，减小了电磁开关300 的一般机械磨损的上述可变因素随着时间的过去对MLA的测量值的影响。将MLA移动 平均值和对应于已知触点状态的预定MLA值进行比较。通过消除电磁开关300部分而不 是电触点310a、310b本身的一般机械磨损对MLA的测量值的影响，MLA的滚动平均值 用于提供电触点310a、310b状态的更精确指示。根据另一方面，例如诸如微控制器或微处理器的控制单元330与第一和第二检 测电路317、318和触发电路320处于可操作的通信中。控制单元330包括内部存储器 (未示出)，该存储器配置成例如在查找表中存储与对于MLA的特定值或值范围的开关装 置电触点310a、310b的状态有关的数据。控制单元330还包括处理单元(未示出)，该 单元配置成使用电磁开关的闭合和电触点的状态改变之间的电相角差来确定MLA。控制 单元330处理单元(未示出)还配置成比较确定的MLA值和存储的查找表值，以便确定 与触点状态有关的任何数量的方面，包括如电触点310a、310b的预期残余寿命、完成或 剩余的电触点操作的次数、电触点310a、310b的当前厚度、电触点310a、310b的一般状 况或电触点的必需维护的此类非限制性示例。衔铁302的速度和加速度大致取决于触发线圈305通电所在的电闭合角。通过 贯穿装置300的每个操作持续在大致相同的预定电角为触发线圈305通电，保持衔铁302 的闭合速度和加速度大致恒定。将理解，多种已知触发电路320可用于将通电信号提供 到触发线圈305。在一个非限制性示例中，例如用于交流的三极管(TRIAC)的电子开关 可与电磁触发线圈305串联。TRIAC随后能在特定电相角点火，该角度贯穿开关装置300 的寿命保持恒定。通过保持衔铁302的闭合速度和加速度贯穿每个操作大致恒定，MLA能用于生 成触点310a、310b状态的更精确指示。仍参照图3，它示出一实施例，其中，相位受控触发电路320为电磁触发线圈 305通电。触发电路320与控制单元330通信。第一检测电路317也与控制单元330通 信以用于检测和提供触点310a、310b之间开关闭合的指示。电触点310a、310b之间开 关闭合的闭合角度由此得以测量，并且可存储在控制单元330的存储器(未示出)中。在一实施例中，第一检测单元317通过检测跨触点的电流，感应触点310a、 310b的闭合的瞬间。备选的是，在另一个实施例中，第一检测单元317通过检测跨触点 310a、310b的电压中的结果改变或电压降，感应触点310a、310b的闭合的瞬间。将理解，电触点310a、310b的闭合的检测可使用本领域中已知的多个电流或电压检测电路来完成。第二检测电路318与控制单元330进行信号通信以用于提供衔铁302与轭301之 间电磁开关闭合的指示。在一个实施例中，通过检测跨与低电压dc源319 (其与衔铁302 和轭301电串联)串联的电阻316的dc电压(未示出)的出现，第二检测电路318感应移 动衔铁302与轭301的闭合的瞬间。移动衔铁302与轭301的闭合角度由此得以测量， 并且可存储在控制单元330的存储器(未示出)中。图4示出一备选实施例，其中，检测线圈325缠绕在触发线圈305上，并且与第 二检测电路318进行信号通信。在此实施例中，在电磁开关300的闭合的瞬间，由于通 量改变的高速率而诱发电动势(emf)，因此造成检测线圈325中电压中的上升。第二检测 电路318通过检测检测线圈325中电压中的上升，感应电磁开关300的闭合的瞬间。根 据另一方面，控制单元330与例如诸如串行链路、现场总线、局域网(LAN)或全局网的 通信总线333处于可操作的通信中。微控制器330连接到通信总线333，以便与电触点 310a、310b的状态有关的、存储在微控制器330内部存储器(未示出)中的信息能在通信 总线333上传送。在另一个实施例中，开关装置包括优选与控制单元330处于可操作的通信中的 用户接口 336。用户接口 336、用户接口 335的非限制性示例包括图形显示屏幕、指示器 灯、可听信号，并用于提供或显示与电触点310a、310b的状态有关的、存储在控制单元 330内部存储器(未示出)中的信息。虽然各种实施例已主要参照单相电路来描述，但将明白，实施例并不限于此， 而是同样可用于其它电压配置。例如，在使用三相电路的情况下，在三个相位的每个相 位中确定MLA。在一个实施例中，单独为每个相位确定MLA值，随后由控制单元330 对其进行比较，并将具有最小值的相位(即，指示触点310a、310b的最大腐蚀)考虑用 于触点310a、310b状态确定。另外，虽然本文中的实施例已示为具有六组触点310a、 310b,但将理解，实施例并不限于此，并且可配置有单对触点310a、310b或任何其它合 宜数量的触点对310a、310b。图5是根据本发明的一实施例的计算机实现的方法的流程图。框图中示出的每 个框或框的组合能通过计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可加载到计算机或 其它可编程设备上，或可以其它方式由计算机或其它可编程设备来执行，以产生机器， 使得在计算机或其它可编程设备上执行的指令创建用于实现框图中指定功能的部件或装 置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其它可编程设备以特殊方式来运行 的计算机可读存储器中，使得计算机可读存储器中存储的指令产生制造的物品，包括实 现框图、流程图或控制流程框或步骤中指定功能的指令部件或装置。计算机程序指令也 可加载到计算机或其它可编程设备上，以促使一系列操作步骤在计算机或其它可编程设 备上执行，从而产生计算机实施的过程，使得计算机或其它可编程设备上执行的指令提 供用于实现框图、流程图或控制流程框或步骤中指定功能的步骤。相应地，流程示的框或步骤支持用于执行指定功能的部件或装置的组合、 用于执行指定功能的程序指令部件或装置和用于执行指定功能的步骤的组合。还将理 解，流程图的每个框或步骤及流程图中示出动作或框的组合能由配置成执行指定功能或步骤的基于专用或通用硬件的计算机系统来实现，或由专用硬件和计算机指令的组合来 实现。现在参照图5，流程图示出本发明的一实施例，其用于在具有分别表示为相位 A、相位B和相位C的三相的电气系统中确定具有分别表示为极a、极b和极c的3个极 的电磁开关的电触点的状态。将理解，图5所示的过程并不限于此，而且也可用于在其 它类型的电气系统中生成电磁开关的电触点的状态，如单相电气系统，以及用于其它类 型的开关，如单极开关。在步骤502，该方法通过在大致恒定电相角为电磁开关300通电 来开始。在步骤503，为每个电开关触点、分别对应于每个电气系统相位A、相位B和 相位C的极a、极b和极c来确定MLA值，在步骤504，比较步骤503中确定的每个MLA值。例如，在504a，比较对于 极a的电开关触点310a、310b的MLA值与对于极b的电开关触点310a、310b的MLA 值；在504b，比较对于极b的电开关触点310a、310b的MLA值与对于极c的电开关触 点310a、310b的MLA值；以及在504c，比较对于极a的电开关触点310a、310b的MLA 值与对于极c的电开关触点310a、310b的MLA值。在步骤505，选择步骤504中确定的最低MLA值。在步骤507，步骤505中选 择的MLA值用于从前面的开关300操作来确定选择的MLA值的移动平均值。在步骤 508，比较步骤507中确定的移动平均值和预定的阈值。在步骤510，基于步骤507中确 定的MLA值和预定的阈值的比较，生成装置的触点状态。关于以上描述，应认识到，包括大小、形式功能和操作方式、组装及使用中的 变化的本发明的各部分的最佳维关系(dimensional relationship)在图形中示出和在说明书 中描述，并被认为易于明白，且旨在仅由随附权利要求的范围来涵盖。另外，虽然本发明已连同目前认为是可行的和本发明的几个优选实施例、通过 特性和细节在上面充分描述并在图形中示出，但本领域的技术人员将明白，在不脱离本 文中陈述的原理和概念的情况下，可进行其许多修改。因此，本发明的适当范围应仅由 随附权利要求的最广义解释来确定，以便涵盖所有此类修改和等效物。此书面说明使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的技术 人员能够制作和使用本发明。本发明可取得专利的范围由权利要求来定义，并且可包括 本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括具有与权利要求的字面语言非 实质差别的等效结构元件，则它们旨在在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于生成具有可移动衔铁和固定轭的电磁开关的电触点对的状态的方法，其 中，所述电触点对与所述可移动衔铁耦合，所述方法包括a)在第一大致恒定的电相角触发所述电磁开关；b)测量在所述电触点对的状态的改变时的第二电相角；c)测量在所述电磁开关的闭合时的第三电相角；d)将磁滞后角确定为所述第二相角与所述第三相角之间的差；以及e)使用所述磁滞后角来生成所述触点对的状态。
2.一种用于生成具有可移动衔铁和固定轭的电磁开关的电触点对的状态的方法，其 中，所述电触点对配置成与所述可移动衔铁耦合，所述方法包括a)在第一大致恒定的电相角触发所述电磁开关；b)测量在所述电触点对的状态的改变时的第二电相角；c)测量在所述电磁开关的闭合时的第三电相角；d)将磁滞后角确定为所述第二相角与所述第三相角之间的差；e)确定所述磁滞后角的移动平均值；以及f)使用所述移动平均值来生成所述电触点对的状态。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述在所述电触点对的状态的改变时测量第二 电相角包括感应跨所述触点对的电场强度中的改变。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述在所述电触点对的状态的改变时测量第二 电相角包括感应所述电触点对的传导或非传导状态。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中所述在所述电磁开关的闭合时测量第三电相角 包括感应所述衔铁和所述轭的电接通或断开。
6.如权利要求1或2所述的方法，其中所述生成所述触点对的状态包括提供剩余触点 寿命的指示。
7.一种用于与具有可移动衔铁和固定轭的电磁开关一起使用的设备，其中电触点对 与所述可移动衔铁耦合，所述设备包括a)控制单元；b)触发电路，与所述控制单元通信，所述触发电路配置成在大致一致的第一电相角 来激励所述电磁开关；c)第一检测单元，配置成检测所述电触点对的状态的改变；d)第二检测单元，配置成检测所述电磁开关的闭合；e)所述第一和第二检测单元与所述控制单元通信；f)所述控制单元配置成1.测量在所述电触点对的状态的改变时的第二电相角；2.测量在所述电磁开关的闭合时的第三电相角；3.将磁滞后角确定为所述第二相角与所述第三相角之间的差；以及4.作为所述磁滞后角的函数来生成所述电触点对的状态。
8.一种用于与具有可移动衔铁和固定轭的电磁开关一起使用的设备，其中电触点对 与所述可移动衔铁耦合，所述设备包括a)控制单元；b)触发电路，与所述控制单元通信，所述触发电路配置成在大致一致的第一电相角 来电激励所述电磁开关；C)第一检测单元，配置成检测所述电触点对的状态的改变；d)第二检测单元，配置成检测所述电磁开关的闭合；e)所述第一和所述第二检测单元与所述控制单元通信；f)所述控制单元配置成.1.测量在所述电触点对的状态的改变时的第二电相角；.2.测量在所述电磁开关的闭合时的第三电相角；.3.将磁滞后角确定为所述第二相角与所述第三相角之间的差；.4.确定多个开关操作上所述磁滞后角的移动平均值；以及.5.使用所述滚动平均值来生成所述触点对的状态。
9.如权利要求7或8所述的设备，其中所述电触点对的状态的所述改变包括跨所述电 触点对的电场强度中的改变。
10.如权利要求7或8所述的设备，其中所述电触点对的状态的所述改变包括所述电 触点对的传导状态中的改变。
全文摘要
本发明名称为“监视电触点状态的装置和方法”。公开一种用于生成具有可移动衔铁和固定轭的电磁开关的电触点对的状态的方法，其中，所述电触点对与所述可移动衔铁耦合，所述方法包括在第一大致恒定的电相角触发所述电磁开关；测量在所述电触点对的状态的改变时的第二电相角；测量在所述电磁开关的闭合时的第三电相角；将磁滞后角确定为所述第二相角与所述第三相角之间的差；以及使用所述磁滞后角来生成所述触点对的状态。
文档编号G01R31/327GK102024624SQ20101029350
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者G·K·孙达拉姆, J·杜赫蒂, L·普拉卡什, S·杰贾纳坦, S·西瓦桑卡兰 申请人:通用电气公司