用于多相开关装置的电弧能量减少方法及设备与流程

本发明大体上涉及电弧能量减少，并且具体地涉及在三相电磁操作开关装置中的电弧能量减少。

发明背景

诸如三相接触器的多相开关装置中的电触头被暴露于在开关装置的寿命期间消散的总电弧能量。因此，开关装置的寿命在很大程度上由在触头的每个闭合和断开期间发生的电弧量确定。减少由触头消散的总电弧能量的方法在这方面是有益的。触头需要消散的能量越少，越少发生对触头材料的腐蚀。这可以增加触头的预期寿命和/或通过触头材料减少来降低触头成本。在三相装置中，必须考虑每个单独相的触头组的弧触头腐蚀。

众所周知的是，交流电(AC)电路在其电流通过正电流周期和负电流周期的过零点时的点处将显著地减少电弧。多年来，诸如接触器的三相电磁操作开关装置同时断开所有的三个相，而不管在该相关于它们的过零点在哪里，其产生显著的电弧。接触器构造通常保持不变，这是由于它们首先被发明。接触器包括电枢，其通常偏置到延伸位置并且当电力被施加到接触器的电磁线圈时可移动到缩回位置。通常，接触器电枢被附接到支撑三个活动触头的触头载体，三相电源的每个相使用一个触头。当电力被施加到磁线圈时，三个活动触头通过电枢移动而与三个静触头接触。当电力从磁线圈移除时，该电枢偏置到其延伸位置，其中，三个活动触头几乎同时与三个静触头分离。由于接触器基本上同时断开所有的三个触头，因此确定至少两个相将在非零电流处断开，并且可能全部三个将在非零电流处断开。因此，在触头处产生显著的电弧。

首先尝试当一个相接近其最低电流电平并且触发接触器尽可能接近该点断开时来减少接触电弧，其试图使用监控电流波形的控制器来计算。如果计算是准确的，则其将减少在该单相中的电弧，但是其它两相仍将产生显著的电弧，这是由于它们将在较高的电流电平处断开。

尝试进一步地减少电弧已经在断开第二触头和第三触头中采用固定的机械时延，使得它们将更靠近它们的最小电流电平断开。固定的机械时延通过相对于其它两个触头偏移一个触头来实现。机械时延由偏移的长度和在电力从电磁体移除之后偏置弹簧断开触头的速度来确定。如果准确地确定偏移距离和偏置弹簧力，则可以初始减少第二触头和第三触头中的电弧。然而，制造公差和从一批部件到另一批部件或者一个供应商到另一个供应商的细微差异可以影响第一触头断开和第二及第三触头断开之间的时序。即使初始时序是准确的，但第二触头和第三触头随着时间将开始以比第一触头更快的速度腐蚀，该第一触头具有基于所监控的电流波形的受控断开。另外，触头厚度的任何变化将影响第二触头断开和第三触头断开的时序。由于触头腐蚀增加，第一触头断开和第二及第三触头断开之间的机械时延将减小，其引起第二触头和第三触头断开更高的电流。对于第二触头和第三触头，更多电弧及甚至更快的腐蚀将导致对于开关装置的较短寿命。

在最近的尝试中，每个电相具有用于监控其电流波形的控制器和用于在其最低电流电平处断开和闭合它的触头的开关装置。虽然这确实显著地减少电弧，但是也显著地增加三相开关装置的成本。因此，将期望开发采用原来较便宜的单个控制器、单个电磁体和电枢设计的三相开关装置，其可以将电弧电平减小到大体上相当于三个控制器、三个开关装置电平的点，并且具有补偿制造公差、批次和供应商差异、电流频率差异、摩擦和部件退化的能力，以延长开关装置的触头寿命。

发明概述

本发明提供了用于在三相电路的断开期间通过在紧挨着所有三相的电流过零点之前的计算的目标点处断开触头来显著地减少触头电弧和延长触头寿命的三相开关装置和方法。所述开关装置和方法还补偿开关装置的寿命期间触头腐蚀。

本发明提供了用于减少三相开关装置的电弧能量和触头腐蚀的方法，该方法包括以下步骤：

通过控制/监控电路监控三相电气系统的电特性；

通过控制/监控电路检测第一断开相的参考点；

通过控制/监控电路确定第一断开相的波形上的第一目标点和用于发起第一断开相精确地在第一目标点处的断开的触发点；

通过控制/监控电路确定用于第二断开相和第三断开相的第二目标点；

响应于检测到触发点，通过控制监控电路向开关装置发起断开信号；

通过线圈电源电路调整开关装置的电枢的速度，使得第二断开相和第三断开相精确地在第二目标点处断开。

本发明还提供减少电弧能量和触头腐蚀的三相电磁开关系统，该系统包括：

具有线圈和电枢的电磁体，该电枢可在当线圈受到激励时的第一位置和当线圈被去激励时的第二位置之间移动，该电枢支撑三个桥接触头，每个桥接触头与三相电源的三个电相中的一个相关联；

控制/监控电路，用于监控三相电源的特性，确定用于第一断开相的第一目标点，确定用于发起第一断开相的断开的第一触发点，使得第一断开相将精确地在第一目标点处断开，以及用于第二和第三同时断开相的第二目标点；以及

线圈电源电路，其向线圈提供脉宽调制信号，使得电枢的速度可以被调整以确保第二和第三同时断开相精确地在第二目标点处断开。

附图简述

图1图示处于第一位置的本发明的电磁接触器。

图2图示处于第二位置的本发明的电磁接触器。

图3图示根据本发明的对于三相触头的受控断开的电流波形。

图4是用于根据图3的电流波形断开三相电路的算法的流程图。

图5图示向接触器的电磁体的线圈提供电力的线圈电源电路的第一实施例。

图6图示向接触器的电磁体的线圈提供电力的线圈电源电路的第二实施例。

示例实施例的详细描述

本发明提供了减少由三相电触头的断开和闭合引起的电弧能量的开关装置方法。图1图示本发明的三相电磁开关装置，通常被称为接触器且由参考数字10表示。接触器10包括具有线圈18的电磁体14、电枢22、偏置弹簧26、可移动桥接触头30、34和38以及固定触头42、46和50。电磁体14在线圈18受到线圈电源电路54激励时产生磁场并且在线圈18去激励时不产生磁场。电枢22在当线圈18去激励时(图1)电枢22由偏置弹簧26偏置的第一位置和当线圈18受到线圈电源电路54激励时的第二位置之间可移动，在所述第二位置，所产生的磁场克服偏置弹簧26的力，从而将电枢22拉动与电磁体14接触(图2)。电枢22支撑三个可移动桥接触头30、34和38，当电枢22在其第一位置和第二位置之间移动时，该三个可移动桥接触头在第一位置和第二位置之间移动。如在图1中可以看出，桥接触头30、34和38分别与固定触头42、46和50间隔开。在图2中，桥接触头30、34和38分别与固定触头42、46和50物理接触。固定触头42、46和50是间隔开的对，使得每对中的一个连接到三相电源58中的一相并且每对中的另一个连接到负载62。因此，当电枢处于其第一位置时，没有向负载62供应电力，并且当处于其第二位置时向负载62供应电力。当桥接触头30、34和38分别与固定触头42、46和50接触或断开接触时，产生电弧。由于电弧的强度和由电弧引起的触头腐蚀直接与桥接触头30、34和38正在接通或断开的电流的幅值有关，因此精确地控制所有三个桥接触头30、34和38在接触器10的寿命期间接通或断开电流的电流波形上的点是重要的。

图3图解地图示用于断开三相电路同时产生触头30、34、38、42、46和50的最小电弧和腐蚀的本发明的方法。该方法包括紧挨着其电流波形通过它的过零点之前的第一计算的目标点TP1处断开三相电源58的一相，以及紧挨着两个剩余相的电流波形同时通过它们的过零点之前的第二计算的目标点TP2处断开两个剩余相，该两个剩余相的电流将变为对称但极性相反。为了实现该两阶段断开，如图1所示，机械增益件82被提供给第一桥接触头(在该图示中，桥接触头34)以断开。机械增益件82只是确保第二相桥接触头30和第三相桥接触头38分别在第一相桥接触头34在第一目标点TP1处断开之后断开。在时间T1处，发起断开三相电路的请求。在时间T2处，要断开的第一相的电流波形通过其过零点。时间T2处的过零点是用于计算第一目标点TP1、发起电枢22的断开的电角度(触发点)、第二目标点TP2以及电枢22必须在第一目标点TP1和第二目标点TP2(对于电动机负载62大约90电角度)之间行进的速度的参考点，以确保第二相触头30和第三相触头38分别精确地在第二目标点TP2处断开。触发点可以由在桥接触头34及桥接触头30和38之间的电枢22行程、切换的负载62的类型以及电枢22的固有加速度分布图来确定。要断开的第一相的电流波形上的时间T3及其相关点是计算的触发点，在该计算的触发点处，必须给出断开电枢22用于第一相桥接触头34精确地在第一目标点TP1处断开的命令。该计算可以是在时间T3处的触发点与第一目标TP1之间的确定的非整数个半周期上舍入到下一个整数个半周期减去在时间T2处的参考点和第一目标点TP1之间的整数个半周期的差异。第一目标TP1和时间T3处的触发点之间的确定的非整数个半周期之前存储，设计测试或历史数据存储在控制监控电路70的存储器66中。在时间T3处发出触发信号之后，对电枢22的断开速度的控制开始，分别用于第二相桥接触头34和第三相桥接触头38以精确地在第二目标点TP2处断开。第一目标点TP1和第二目标点TP2通常在电流过零点之前的5电度和电流过零点之间。

图4是用于算法74的流程图，该算法74由处理器78使用以确定目标点TP1和TP2、触发点并且调整电枢22速度，使得接触器可以准确地在它们的目标点TP1和TP2处断开三相电源58所有三个相，同时分别在桥接触头30、34和38与固定触头42、46和50之间产生最小电弧。处理器78和存储算法74的存储器66是控制/监控电路70的部分。在步骤100处，控制/监控电路70监控三相电源58。在步骤105处，控制/监控电路70接收用于去激励三相电源的请求。在步骤110处，控制/监控电路70等待第一断开相通过其过零点，该过零点是用于在步骤115处计算第一断开相目标点TP1和触发点的参考点。在步骤120处，处理器78等待触发点以及另外计算第二目标点TP2，以用于第二相和第三相在步骤125处断开。在步骤130处，到达用于第一断开相的触发点，并且处理器78发起接触器10的断开。在步骤135处，紧接着步骤130，处理器78开始调整电枢22的速度，使得第二相触头34和第三相触头38分别精确地在第二目标点处断开。在步骤140处，到达第二目标点并且所有的触头断开。

控制电枢22的速度通过向接触器10的电磁体14的线圈18提供脉宽调制(PWM)电流来实现。图5和图6的线圈电源电路54中的开关S1和S2以由处理器78确定的占空比进行断开和闭合。利用高占空比，电磁体14产生向电枢22提供更强的吸引力的更强的磁场，其导致更慢的电枢22断开速度。较低的占空比产生具有对电枢的较弱的吸引力的较弱的磁场，并且导致更快的电枢22断开速度。当很少或没有电流施加到线圈18时，最大的电枢22断开速度由偏置弹簧26提供。

通过控制电枢22速度，可以补偿诸如50/60Hz电力系统、制造变化和各种负载62特性的其他问题。该过程基本上可以是被逆转的并且用于闭合桥接触头30、34和38以向负载供电。