专利名称：控制电开关设备的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种磁致动装置或电开关设备的控制装置，尤其是具有一个衔铁的接触器或继电器的控制装置，它具有一个用于记录或收集有关衔铁和/或触点的移动量的记录器件，以及一个用于调节或控制衔铁或者触点的移动的调节装置。此外，本发明还涉及一种磁致动装置或电开关设备的相关控制方法。
背景技术：
接触器接通时，磁力必须克服既有弹力。此处需考虑在接触器主触点闭合时，弹力在离闭合位置前一个确定的距离上升到原值的五倍。尽管如此，仍需保证以最低速度使触点闭合，同时闭合速度亦不可过高。限制主触点的接触速度以减少接通时产生的电弧侵蚀，有利于延长接触器的使用寿命。这样也可以减少触点接触时的机械振动和由此产生的电弧，从而延长设备的电寿命。此外，通过使磁系统软闭合来延长装置的机械寿命的做法是有利的。
所述有利的闭合动作可以通过控制磁体系统来实现。举例而言，EP 0865 660和DE 195 35 211中公开有关磁通量控制的内容。其中，力求使磁通量达到一个固定值或一个与位置相关联的值。磁通量的额定值必须在任何情况下都能保证维持足够的牵引力。如图1进行的模拟所示，通过控制磁通量尽管可以避免过高的接触速度，但即便在较好的情况下接触速度仍将高达0.8m/s。在图1上部的图里，实线表示线圈电压，虚线表示电源电压，点线表示线圈电流。线圈电压加载与否视控制周期而定。开始时线圈电压被接通，并保持至磁通量达到预先给定的值(中部图内的实线)为止。在这段时间内，由于电感的导通特性，电流(上部图内的点线)将急剧上升。通过降低电压，电流值会继续保持稳定，当触点间逐渐形成细小的缝隙时，电流值会逐渐降至很小。
图1中部的图除了显示与线圈数N相乘的磁通量(实线)，其被控制为固定值，还表示了弹力(虚线)以及磁力(点线)。闭合过程开始时，由于弹力大于磁力，触点的触点支架无法运动。一段时间后，磁力超过弹力，各触点开始做相向运动。在此之后磁通量被调节成固定值，使触点可以进行相向运动。如前文所述，在触点即将闭合时弹力会跃增数倍。在触点闭合过程中，随着间隙的减小，磁力(点线)会急剧增长。
下部图显示的是行程(虚线)与速度(实线)随时间的变化。触点在闭合过程中相向运动的速度不断增大，并在触点接触时达到一个峰值，此时弹力也跃增。由于弹力增加，速度将首先降低。由于磁通量保持不变，在触点到达闭合位置之前，速度仍将小量增长。如前文所述，闭合时速度将达到约0.8m/s。
专利DE 195 44 207中描述了一种调节接触器触点闭合速度的特殊方法。这种方法具有同样的缺点，像较为简单的速度调节器那样。当速度超过额定值时，调节器断开，而低于额定值时，调节器接通。特殊情况下，调节器在整个闭合过程中只断开和接通一次。电磁时间常数与机械系统的惯性会使速度严重偏离额定值。图2显示了这种速度调节的模拟情况。与图1相同，各个图显示各数值随时间的变化情况。闭合过程开始时，给线圈加载电压(参见图2上部图中的实线)。当触点相向运动的速度达到0.5m/s时，电压重新断开(参见图2下部图中的实线)。给线圈加载电压期间，线圈电流上升(上部图中的点线)。电压断开后，电流逐渐下降。与电流相对应，在电压断开前，磁通量(中部图内的实线)和磁力(点线)会达到一个绝对或局部最大值。也就是说，断开电压后速度(图2下部图中的实线)仍将继续上升，这是因为电流与磁力衰减地十分缓慢。触点相接触时速度达到1.0m/s，当磁体部件接触时，由于弹力(参见中部图内的虚线)上升，速度降至0.6m/s。与图1所示相似，触点间的行程，也就是触点间的间隙，在闭合过程中不断减小。
发明内容
前文提及的对闭合运动的要求在所述两份专利中均未得到充分满足。因此本发明的目的是提供一种控制装置和相应的方法，使得(例如)接触器中的触点能实现软闭合。
根据本发明，这个目的通过一种磁致动装置或电开关的控制装置，尤其是具有一个衔铁的接触器或继电器的控制装置而达成，它具有一个用于记录或采集有关衔铁和/或触点的移动量的记录装置，以及一个用于调节或控制衔铁或者触点的移动的调节装置，其中，通过这个调节装置可以对衔铁或者触点的加速度进行调节或控制。
此外，本发明还提供一种磁致动装置或电开关设备的控制方法，尤其是具有一个衔铁的接触器或继电器的控制方法，其中，记录或采集有关衔铁和/或与之相连的触点的移动量数据，调节或控制衔铁或者触点的移动，其中，通过这个调节装置可以对衔铁或者触点的加速度进行调节或控制。
按发明对加速度的调节，可以将接触速度限制在(例如)0.4m/s至0.5m/s之间。在这种速度状态下，无需了解弹力曲线。
优选地将完成的行程以及所处位置作为运动量记录下来或对其进行检测。当然，也可以直接检测衔铁的速度和/或加速度。
调节装置可以根据一个表示速度与位置或加速度与位置之间关系的额定曲线进行调节操作。在这种情况下，可预先计算出在一个特定位置是否会超过或低于额定曲线，并且以一个相应的计算结果为基准来控制线圈。
这条额定曲线优选地包括了触点接触和合适的磁体接触时的情况。这样，触点的运动在触点接触后仍然是可调节的。
记录装置可以包括一个行程传感器，根据其信号，可以通过模拟或数字求微分法推导出用于调节的速度和/或加速度。行程传感器可以通过一个线圈来实现，测量其电流并通过对感应电压积分而确定其磁通量，从而可以算出触点的位置。这里使用一种特别的测量线圈，可安装在磁致动装置或电开关设备的磁体系统中，也就是安装在驱动线圈上。这个测量线圈不依赖于有电流通过的驱动线圈，从而可以准确测出磁通量。
所述控制装置还具有一个处理器和一个半导体开关，这个开关用于接通和断开驱动线圈，处理器用于控制这个开关并与之相连。
此外，本发明的控制装置可以带有一个空载电路，在驱动线圈断开时，电流被反电压降低。这样，电流就可以迅速降低，使调节速度相应灵敏。
有利的做法是，在调节加速度时，将调节装置中两个触点或磁部件间的距离纳入考虑。这样，在靠近闭合位置的地方就可以使用不同于开放位置的另一种调节方式。
按本发明的所有形式的控制装置都可以直接集成于特别是接触器和继电器类的电开关设备中。
下面借助附图对本发明作进一步说明，其中图1现有技术状况下的调节过程模拟图；图2现有技术状况的另一种调节过程模拟图；图3按本发明的受控接触器线圈的框图；图4调节过程的额定曲线；图5通过电流信号和磁通量信号计算行程的函数坐标系；图6按本发明的对加速度进行调节的模拟图；以及图7接触器快速去励磁的电路图。
具体实施例方式
下文所述的实施例是本发明的优选实施形式。
由于单纯的速度控制过于缓慢，按本发明的方法将加速度作为调节变量使用。图3显示的是一个相应的电路原理图。一个接触器线圈LS由一个调节器RG提供电源电压。调节过程通过比对额定曲线完成，所述曲线表示速度v随位置s的变化。
位置s作为调节参数通过一个测量线圈LM得出。此外，通过分析电路检测该测量线圈LM中的感应电压Ui和流经该线圈LM的电流I。通过对感应电压积分确定磁通量。通过磁通量和流经线圈LM的电流I之间的已知关系可以得出位置s。它将作为调节参数传输给调节器RG。根据一种下文将作进一步说明的调节原则(对这种调节原则)，将施加在接触器LS中衔铁上的牵引力以及衔铁加速度调节在一个已确定的数值上。
图4显示的是与调节相关的额定曲线“速度和时间”。当气隙为3.8mm时，速度必须在主触点闭合前达到约0.5m/s，并将这个值保持到磁体系统闭合。为此须说明，在衔铁接触之前，主触点的一个预先确定的部分已与磁体系统的磁轭接触。闭合过程的起始点为静止状态(断开位置)，衔铁和可移动触点的速度为零。根据本发明的第一种实施形式尝试着对各个位置或气隙宽度时的加速度进行调整，从而实现在保持该加速度不变的情况下，当气隙为3.8mm时，速度达到0.5m/s。也就是说，在每个测试时间段计算需使用的加速度并要确定，假若该加速度保持不变运动至间隙为3.8mm时，以当时的速度和加速度是否将高于或低于速度曲线中的拐点0.5m/s。并据此，接通或断开磁体系统的驱动线圈。
图4所示的额定曲线也可以具备另一种走向。例如，3.8mm位置处速度已调节至0.5m/s，在闭合位置(0mm)和3.8mm位置间，可以根据不同情况确定其他峰值，从而在电开关设备的闭合过程中更好地利用机械系统。
在所述实施例中并不直接利用行程、速度或加速度传感器来检测相应的数值。位置其实是通过该测量线圈Lm的电流信号和磁通量信号推算出来的。
图5显示的是关系式ψ＝f(I，x)的参数方程曲线族。通过该曲线族，在电流和磁通量已知的情况下可以清楚地确定触点间的气隙宽度。根据简单的解题方程，曲线中的行程s可以根据三次或五次多项式解得。根据图3，由上述参数方程曲线解得的行程值s由分析单元AW传输给调节器RG。
图6显示的是本发明的可对加速度进行调节的电路的模拟结果。其中的数值与图1和图2中的数值相对应。图6同时还显示了接触器闭合运动随时间变化的情况。在理想状况下，所述的闭合运动与图4所示的额定曲线相吻合，这时将加速度调节为固定量。如果在闭合过程中，判定实际位置位于额定曲线之外，则需要跟踪加速度，使其重新达到拐点(参见图4的箭头)。当使用经过整流后的交流电时，这种相对于额定曲线的偏差对于控制驱动线圈具有特别意义，因为电流损失会导致实际值低于额定曲线。
如图6上部的图所示，首先接通驱动线圈上的电压，这与图1所示的例子相同。电流(点线)相应急剧上升。一旦电流达到某一数值，通过接通和断开电压来进行调节。此处应注意，驱动线圈上也加载一个负电压，也就是一个反电压，这样可以迅速降低电流或者磁通量。
如图6中部的图所示，在调节期间，磁力(点线)相对于弹力(虚线)保持稳定。这说明施加在衔铁上的牵引力及其加速度在闭合过程中保持不变。
当速度达到0.5m/s(参见图6下部的图中的实线)时，将电流和磁力略微下调，使得磁力与反向作用的弹力在数值上相应，从而保持速度不变。
若在触点互相接触时弹力发生跃增，为了保持速度，就必须调高磁力(中部图内的点线)。这可以通过对线圈加载电压(上部图中的实线)，也就是增大通过线圈的电流(上部图中的点线)来实现。这样就可以补偿在触点互相接触时速度的短暂降低(参见下部图中的实线)。触点在接通过程中完成的行程(参见图6下图的虚线)相对时间的变化关系与图1所示基本相符。
此处所述的例子中实行的是一种跟踪式的加速度调节。这意味着，与图4的一个图表或曲线相对应，要给出一个或多个额定值点(vsoll，ssoll)。当前的加速度、速度和行程bakt、vakt和sakt需要测量或者计算得到。
根据公式trest＝(sakt-ssoll)/((vsoll+vakt)/2)可计算出剩余时间trest，即从当前状态至达到图4中峰值(3.8mm，0.5m/s)所需要的时间。根据所述剩余时间，可通过公式vschalt＝vakt+bakt·trest预先算出闭合速度vschalt，即在加速度不变的情况下，触点在闭合接通时刻所做的相向运动的速度。调节的准则为当vschalt＜vsoll时，在线圈上加载电压；当vschalt＞vsoll时，断开线圈上的电压。
所述加速度的调节可由此扩展而实现，即引入另一个特别是在接通过程开始时发挥作用的自由度。为了计算闭合接通时刻的速度vschalt，根据公式vschalt=vakt+k·bakt·trest可以将一个距离因数k考虑在内。所述因数可以通过如下计算获得k＝(sakt-sj-1)/(sj-sj-1)这里，j表示图4中额定曲线上的一点。j＝1的点在本实施例中代表vakt＝0时的断开位置，j＝2的点所对应的位置为(3.8mm，0.5m/s)，j＝3的点对应s＝0mm的闭合位置。
接通过程开始时k＝0，接通过程结束时k＝1。这表明，在接通过程开始时，当前加速度bakt对调节并无实际影响，此时进行的调控只与当前速度vakt有关，这样在该阶段只进行速度调节。在接通过程结束时，速度调节由加速度调节所替代。
根据一种实施例变体，上述加速度调节也可以由一种简单的调节方法替代。这种方法只是预先确定一个加速度相对行程bsoll(s)的数据表格或函数。当前加速度bakt和当前行程sakt通过测量或计算获得。当bakt＜bsoll(sakt)时，在线圈上加载电压以实施调节。当bakt＞bsoll(sakt)时，电压断开。
如上文结合图5所示，可以通过测量电流和磁通量来确定位置。根据第一实施方式，磁通量可以通过一个分离的测量绕组所测量的电压而间接得到，如图3所示，所述电压是从一个独立测量线圈LM上测得的感应电压Ui。对感应电压Ui进行数值积分或借助一个模拟电路就可以计算出磁通量。
根据第二实施方式，用于计算磁通量的电压值直接在励磁绕组或驱动线圈上测得。为了准确求得线圈电压Uw，绕组电阻值在电流上升而仍未运动时通过两个积分区间进行计算调节，例如，确定I＝0到I＝0.5A为区间1，I＝0到I＝1.0A为区间2。在区间1中，分别对电流II0和电压IU01做积分运算。同样，在区间2中，分别对电流II02和电压IU02做积分运算。通过公式R＝(IU02-2·IU01)/(II02-2·II01)可以求得线圈的欧姆电阻。若知道电流i，则可以通过公式Ui＝Uw-R·i由绕组电压Uw求得感应电压Ui。
要使磁通量在上述加速度调节中快速衰减，必须在空载电路中产生反电压。图6上部的模拟图显示了这一反电压。图7所示的电路图中，可以对接触器线圈LS进行控制。通过整流器GL，电容器C和控制电路RG(见图3)由直流电压供电。接触器线圈LS由一个桥式电路供电，这个电路由两个晶体管T1、T2以及两个二极管D1、D2组成，且同样加载了直流电压。接触器线圈接通时，电流从整流器GL出发经过晶体管T1、接触器线圈LS到达与晶体管T1呈对角的晶体管T2，最后重新回到整流器。接触器线圈断开时，电流反向流经二极管D2、接触器线圈LS、与D2呈对角的二极管D1和与整流器GL并联的电容C。电容C上由于已加载了与电源电压Uc的幅度相同的电压，因此可以作为反电压源使用。若电容器C的电容很大，则接触器线圈LS的励磁速度几乎与去励磁速度相同。如果选择小容量的电容C，反电压通过磁通量在接触器LS中的衰减会提高至U′c。这会导致电容中的能量发生变化ΔEc=12·C·(Uc′2-Uc2)]]>由于该电容器的电压上升，因此去励磁速度会大于励磁速度。
电容器的电容规格应足以接收接触器线圈LS所能产生的最大磁性能量(ΔEc＝ΔELmax)。
权利要求
1.一种磁致动装置或电气开关的控制装置，尤其是具有一个衔铁的接触器或继电器的控制装置，它具有一个记录装置，用于记录或采集衔铁和/或一个与之相连的触点的移动量，和一个用于调节或控制衔铁或触点的运动的调节装置(RG)，其特征是通过所述调节设备(RG)调节或控制所述衔铁或者触点的加速度。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征是所述移动量为完成的行程(s)。
3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征是所述调节装置(RG)根据一个表示速度和位置之间关系的额定曲线进行调节操作。
4.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征是所述调节装置(RG)根据一个表示加速度和位置之间关系的额定曲线进行调节操作。
5.根据权利要求3或4所述的控制装置，其特征是所述额定曲线包括触点接触的区域。
6.根据权利要求3至5中任一项权利要求所述的控制装置，其特征是所述额定曲线包含磁体接触的区域。
7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的控制装置，其特征是所述记录装置包括一个行程传感器，根据其信号，通过模拟或数字求微分法推导出速度和/或加速度。
8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征是所述行程传感器具有一个线圈(LS)，其电流是测量而得，其磁通量可以通过对感应电压进行积分而确定，由此可以推导出衔铁或触点的位置。
9.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的控制装置，其特征是所述记录装置包括一个速度传感器，根据其信号，可以通过模拟或数字求微分法或积分法推导出衔铁或触点的行程和加速度。
10.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的控制装置，其特征是，具有一个用于确定磁通量的测量线圈(LM)，其安装在磁致动装置或电开关设备的驱动线圈上，并能独立工作。
11.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的控制装置，其特征使，具有一个处理器和一个半导体开关，所述半导体开关用于接通或断开所述驱动线圈(LS)，所述处理器用于控制与之相连的该半导体开关。
12.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的控制装置，其特征是，具有一个空载电路，在断开所述驱动线圈时，通过反电压降低其中的电流。
13.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的控制装置，其特征是所述调节装置调节加速度时，参考两个触点或两个磁体部件间的距离。
14.具有根据上述权利要求中任一项权利要求所述的控制装置的电气开关，尤其是接触器或继电器。
15.一种磁激励器或电开关的控制方法，尤其是具有一个衔铁的接触器或继电器的控制方法，包括，记录或采集衔铁和/或与之相连的触点的移动量，和调节或控制衔铁或触点的运动，其特征是调节或控制所述衔铁或触点的加速度。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征是所述移动量为完成的行程(s)。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征是根据一个表示速度和位置之间关系的额定曲线进行调节。
18.根据权利要求15或16所述的方法，其特征是根据一个表示加速度和位置之间的额定曲线进行调节。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征是所述额定曲线包括触点接触的区域。
20.根据权利要求17至19中任一项权利要求所述的方法，其特征是所述额定曲线包括磁铁接触的区域。
21.根据权利要求15至20中任一项权利要求所述的方法，其特征是由一个行程传感器记录移动量，根据所述行程传感器的信号，通过模拟或数字求微分法推导出速度和/或加速度。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征是所述行程传感器包括一个线圈(LS)，其电流是测量而得，磁通量可以通过对感应电压进行积分而确定，由此可计算出衔铁或触点的位置。
23.根据权利要求15至20中任一项权利要求所述的方法，其特征是所述移动量通过一个速度传感器测得。
24.根据权利要求21或22的所述方法，其特征是所述磁通量通过一个测量线圈(LM)测得，所述线圈安装在磁致动装置或电开关设备的驱动线圈上，并独立于所述驱动线圈而工作。
25.根据权利要求15至24中任一项权利要求所述的方法，其特征是在断开所述磁致动装置或电开关设备的驱动线圈(Ls)时，所述空载电路中的反电压使电流降低。
26.根据权利要求15至25中任一项权利要求所述的方法，其特征是进行加速度调节时参考磁致动装置或电开关设备中两个触点或两个磁性部件的距离。
全文摘要
在一种电磁开关设备，尤其是一种接触器或继电器中，需要对衔铁在开关过程中的运动进行改进。因此建议调节衔铁的加速度，使开关设备的触点或磁体部件以准确定义的速度相接触。通过一个反电压使电磁线圈的去励磁加速，来减小控制过程的时间常数的做法是有利的。
文档编号H01F7/18GK1830048SQ200480019991
公开日2006年9月6日 申请日期2004年4月30日 优先权日2003年7月17日
发明者伯恩德·德劳特曼, 米科·科维斯托, 诺伯特·米特尔迈耶 申请人:西门子公司