本发明涉及一种用于控制旨在激活电流开关的打开的致动器的方法。本发明还涉及一种执行所述控制方法的致动器的控制装置。本发明还涉及一种包括致动器的这种控制装置的电气保护单元。
背景技术：
电气保护单元广泛用于电网，以保护货物和人员免受电气故障。除其他事项外，一旦检测到故障，这些保护单元的功能就是中断电路的故障部分的电力供应，以便将失效部分与电路的其余部分隔离。为此，保护单元包括：检测电路，其检测故障比如短路、过载、接地绝缘故障或电弧故障；以及控制电路，用于借助于致动器控制电流开关的打开。只要检测到故障以便限制其后果，就必须尽快执行这种打开控制。
此外，在所有操作条件下执行打开控制时都要考虑到一些限制因素。在电网上存在短路的情况下，根据受到短路的电流导体的长度和横截面，电压可以显著下降。此外，一些电气保护单元，例如符合EN610009标准的那些，标称电源电压为240伏，必须能够在相间的50伏电源电压下工作。最后，电路必须在单元密度显著且工作温度可以比环境温度高几十度的环境中工作，特别是当电气设备物品在配电板或外壳中彼此接近地分组在一起时。
为了从足够量的能量中受益而不使用昂贵的或体积庞大的能量存储装置，使用可以由电网直接供电的致动器是有利的。为此，可以使用简单且便宜的致动器的控制电路，比如继电器或半导体。另一方面，由电网直接供电的致动器对电网的电压降或多或少敏感。当致动器的电源电压降低时，如果电压太低，其运行可能会减慢甚至被阻止。在这些情况下，它不能再致动电流开关的打开，并且电气装置中仍存在故障。解决该技术问题的一种解决方案在于只要电源电压存在就给致动器供电。该解决方案的缺点是当控制延长时致使致动器温度升高，并且不能解决可从下游(即从负载侧)供电的单元的问题。在这种情况下，网络电压始终存在，并且致动器始终保持被供电。使用开关电源会降低温度升高问题，但除了功能成本之外，还会产生大量的额外成本。此外，开关电源的启动时间与存在电气故障时所需的响应时间不兼容。
已知的解决方案有利于在良好条件下激活开关。文献EP2200050A1描述了一种用于通过电压波的帧来控制致动器的装置。该装置特别适用于控制接触器，该接触器必须在不出现故障的情况下执行数百万次操作，必须克服可变阻力，在广泛的工作温度范围内和电源电压可以相对于标称电压变化±15％。电压波的帧优选具有等于或大于50ms的持续时间。这种类型的控制非常适合于对接触器触点进行软闭合控制，以限制机械应力，从而允许单元进行大量操作。
为了避免致动器的温度过度升高，在电路打开之后用于断开致动器的解决方案也是已知的：文献FR2604295A1描述了一种具有两个触点的保护装置，用于确保测试按钮的断电，与上游或下游供电模式无关。为了解决相同的技术温度升高问题，文献JP4949927B2是已知的，其描述了用于两个交替的致动器控制，以便在长时间按压测试按钮的情况下或者在下游电源的情况下不引起过度的温度升高。然而，所描述的解决方案没有提到当电源电压波动很大时对满意操作的限制的任何响应。
本发明的目的是提供一种方法，其能够尽可能快地控制由电网供电的致动器，该电网的电压可以非常显著的比例下降，同时限制致动器的温度升高。此外，本发明的方法还允许实现该方法的保护装置的上游或下游电源。
技术实现要素：
为此，本发明描述了一种用于控制致动器的方法，所述致动器旨在激活连接到电力线的电流开关的打开，包括：
-测量所述电力线的电压，
-确定作为测量的电压和预定的标称控制时间的函数的所述致动器的控制时间，当测量的电压小于预定标称电压时，所述控制时间大于或等于所述标称控制时间，以及
-控制所述致动器持续确定的控制时间。
在特定实施例中，如果测量的电压大于预定最小电压并且小于或等于所述标称电压，则确定所述致动器的控制时间包括根据以下等式的计算：
在优选实施例中，使用至少由两个连续电压带形成的预定电压-时间映射表确定所述致动器的控制时间，其中一个电压带称为标称带，标称带包含所述标称电压，每个电压带与预定控制时间相关，确定控制时间包括：
-选择包含测量的电压的电压带的一个或多个步骤，以及
-确定所述致动器的控制时间的一个或多个步骤，控制时间等于与选择的电压带相关的预定控制时间。
优选地，所述电力线供应交流电压，并且所述致动器的控制时间对应于所述交流电压的整数个交替。
本发明还涉及一种致动装置，其包括：
-测量电路，其连接到电力线以提供所述电力线的电压的测量，
-致动器的控制电路，其布置成通过电网来控制所述致动器的电力供应，
-处理电路，其连接到所述测量电路、故障检测电路和所述致动器的控制电路，所述处理电路布置成：
-接收由所述故障检测电路发出的故障信号，
-接收所述电力线的电压的测量，以及
-当所述处理电路接收到故障信号时，执行前面描述的用于控制致动器的方法。
有利地，当所述电力线的电压等于预定的标称电压值时，所述致动器的控制时间小于或等于40ms。
有利地，所述致动器的控制时间被限制至预定的最大时间。
有利地，所述致动器的控制电路向所述致动器提供经整流的交流电压。
有利地，所述致动器的控制器在所述电力线的电压的零交叉处被初始化。
优选地，所述致动器的控制电路包括晶闸管。
优选地，对于等于240伏的电力线的标称电压，所述致动器的控制器控制所述致动器的电力供应持续：
-两个交替的时间，当测量的电压大于或等于150伏时，
-三个交替的时间，当测量的电压小于150伏且大于或等于100伏时，
-四个交替的时间，当测量的电压小于100伏时。
本发明还涉及一种连接到电网的电气保护单元，包括：
-电流开关，用于建立或中断电力线中的电流的循环，
-致动器，用于激活所述电流开关的打开，以及
-电网上的故障检测电路，用于提供故障信号，
所述电气保护单元包括如前所述的致动装置。
附图说明
其他优点和特征将从以下对本发明的特定实施例的描述中更清楚地显现，特定实施例作为非限制性示例给出并在附图中示出，其中：
-图1以框图的形式示出了用于实现本发明的方法的包括电流开关、致动器和电路的电气保护单元，
-图2表示根据第一实施例的用于控制致动器的方法的流程图，
-图3A是根据第一确定模式通过等式计算的致动器的控制时间的图示，
-图3B是根据优选实施例的借助于电压-时间映射表确定的致动器的控制时间的图示，
-图4表示根据优选实施例的在确定致动器的控制时间的步骤中使用的电压-时间映射表，
-图5表示借助于电压-时间映射表确定致动器的控制时间的详细流程图，
-图6表示根据第二实施例的用于控制致动器的方法的流程图，该第二实施例使得可以减少对致动器的控制的响应时间，
-图7A表示根据优选实施例的致动器的控制电路的图，
-图7B表示致动器的变体控制电路的图。
具体实施方式
本发明的主题是一种用于控制致动器4的方法，用于激活用于电网的保护单元1中的电流开关2的打开。如图1中以框图的形式示出，保护单元1连接到通过导体3a提供能量的电网并通过导体3b利用电能连接到负载。在保护单元内，上游导体3a与电流开关2串联连接，电流开关2自身与导体3串联连接。下游导体3b与导体3串联连接。在连接到导体3b的负载中发生电气故障的情况下，保护单元1打开开关2以中断导体3a和导体3b之间的能量循环。开关2的打开控制由致动器4激活。
致动器4是机电构件，其通过链路11a和11b接收控制电能以将接收到的电能转换为用于激活开关2的机械能。控制电路5连接到导体3并布置成当开关2必须被致动时利用来自网络的电能为致动器4供电。致动器4优选地通过施加从电网的导体3获取的电压来控制。根据优选实施例，图1表示的保护单元旨在用于包括两个电流导体3a的单相电网上。在标称操作中，导体3a、3、3b之间存在电压U，例如240伏。当在连接到导体3b的负载上存在诸如短路的电气故障时，电压U可以显著下降，例如降至50伏，但是设计成在标称电压Un(例如等于240伏)下操作的致动器仍然必须能够激活开关2。此外，存在可以从下游对保护单元供电的电气装置，也就是说，电流导体3b连接到提供能量的电网且导体3a连接到负载。因此即使当开关2打开时，电压U也永久存在于两个导体3b之间。
图2是根据本发明第一实施例的用于控制致动器的方法的流程图。该方法包括步骤20，通过测量电路6测量导体3之间的电压U。接下来，该方法包括步骤30，确定必须将控制施加到致动器的时间T以激活开关2的打开。根据本发明，时间T是在控制时刻存在的电压U的函数。参考点是通过致动器的构造预定义的标称控制时间Tn，用于致动器的标称控制电压Un。例如，对于标称电压Un等于240伏的情况，Tn等于40ms。根据本发明，时间T与电压U之间的关系使得对于小于标称电压Un的电压U，控制时间T大于标称时间Tn。因此，致动器具有基本上恒定的能量，该能量作为电压U的电平的函数被调整以致动开关2。然后，在步骤40期间，时间计数器Tempo被初始化为零，然后在步骤50期间，致动器4被控制。接下来，在步骤60中，时间计数器Tempo在每个经过的时间单位上递增。优选地，时间单位等于毫秒。该方法然后进行到步骤70，用于将经过时间Tempo与控制时间T进行比较。只要经过时间Tempo小于控制时间T，就保持该控制。当经过的时间Tempo等于或大于T时，该方法进行到包括停止致动器4的控制的步骤80。该方法提供了以下优点：控制致动器4的供电达致动开关2所需的时间，然后停止致动器的控制以限制所述致动器的温度升高。无论保护单元是从上游还是从下游供电，这种操作模式都是相同的。
控制时间T作为电压U的函数的第一确定模式以图3A中的图形表示的形式示出。在该第一实施例中，控制时间T通过以下等式来计算：
对于等于标称电压Un的电压U，控制时间T等于标称时间Tn，并且对于测量电压U的任何值小于标称电压Un，致动器的控制时间T大于标称控制时间Tn。例如，对于电压U等于标称电压Un的一半，控制时间T等于标称时间Tn的两倍。
数量Tn×Un等于表示激活致动器所需的能量的常数Kn。该等式因此可以以等同的形式表示：
计算公式的使用很容易实现，但对于低电压U而言，时间T非常长。例如对于U＝Un/10，时间T＝10×Tn。长时间地控制致动器会引起致动器的过度温度升高。为了避免这种影响，如果在步骤20中测量的电压U小于最小电压Umin，则致动器被控制达预定的最大时间Tmax，之后致动器的控制停止。
相反，对于电压U大于Un，时间T等于Tn。
可以在计算公式中引入变量：例如，将常数加到标称电压Un或将常数加到时间Tn，或者使用乘以标称电压Un或乘以时间Tn的系数。常数或乘以系数的使用改变了图3A中表示的曲线的凹度和极限值。该用途旨在使控制时间T适应致动器4的构造限制。更一般地，常数Kn可以由标称电压Un和/或从致动器特有的任何其它电参数来限定，例如在致动器中循环的额定电流或致动器的电感值。
在图3B中示出了作为电压U的函数的控制时间T的第二确定模式。在该实施例中，控制时间T在预定电压U带内是恒定的。因此，对于电压U小于标称电压Un且大于或等于第一电压阈值Us1，其中Us1小于Un，相关的控制时间T等于Tn。对于电压U小于第一电压阈值Us1且大于或等于第二电压阈值Umin，其中Umin小于Us1，控制时间T等于预定时间Ts1，其中Ts1大于Tn。对于电压U小于第二电压阈值Umin，控制时间T等于Tmax，其中Tmax大于Ts1。在下文中，我们将使用表达：“控制时间T与电压带U相关”来指示电压带和控制时间之间的唯一关联。因此，在图3B所示的例子中：
-控制时间Tn与电压带Un-Us1相关，
-控制时间Ts1与电压带Us1-Umin相关，并且
-控制时间Tmax与电压带Umin-0伏相关。
更一般地，可以通过观察多个规则将控制时间T与任何给定的电压带相关：
-与给定带相关的控制时间大于与紧接在上面的电压带相关的控制时间，
-电压带是连续的，也就是说给定电压带的下限等于紧接在下面的电压带的上限，
-标称电压Un形成包含最高电压的称为“标称带”的电压带U的一部分，
-标称控制时间Tn与标称电压带相关，并且
-致动器的控制时间T不超过最大时间Tmax。
根据图3B所示的例子，标称电压带是Un-Us1带。可以根据需要定义多个带，例如以适应致动器的操作特性。至少需要定义两个电压带。标称电压Un可以构成标称带的上限。然而，由于设备物品的电源电压可能超过给定的标称值，例如+10％，所谓的标称带将可以是Un+10％-Us1。更一般地，对于电压U大于Un，控制时间T等于标称控制时间Tn。在该实施例中，对于每个预定电压带，对于小于标称电压Un的任何测量电压U值，控制时间T大于或等于标称控制时间Tn。
为了便于实施本实施例，构建了电压-时间映射表。电压-时间映射表的例子如图4所示。在一列中，电源电压U带用相对的在第二列中的与每个带相关的控制时间T标识。这种映射表可以容易地植入处理电路的存储器中。
作为变型，对于来自提供具有频率F的交流电压的电力线的电力供应，控制时间可被定义为所述网络的交替的数量，交替被定义为交替现象的半周期。对于来自频率F＝50Hz的网络(即20ms的周期)的致动器的单交变电源，等于40ms的时间Tn对应于两个交替。
在优选实施例中，对于等于240伏的电力线3的标称电压Un，致动器4的电力供应控制时间T等于：
-当测量电压U大于或等于150伏时，时间Tn等于40ms，即单交变电源的两个交替，
-当测量电压U小于150伏且大于或等于100伏时，时间Ts1等于60ms，即单交变电源的三个交替，以及
-当测量电压U小于100伏时，时间Tmax等于80ms，即单交变电源的四个交替。
当电力线的电压U等于设定为240伏的标称电压Un值时，致动器的控制时间T小于或等于40ms，使得能够满足IEC/EN61008和IEC/EN61009标准关于保护人员响应时间的要求。
图4中所示的映射表还示出了每个电源电压U带与相关控制时间T之间的相关性，表示为单交变电源的交替次数。当控制时间Tn表示为单交变电源的交替次数时，所描述的方法与电网的频率无关。因此，对于60Hz频率的网络，对应于单交变电源的两个交替的时间Tn将等于33.3ms。
优选地，致动器的控制时间对应于交流电压的整数个交替。这种精确的相关性使得可以通过使其与电网的频率的任何变化无关来使致动器的控制算法的实现简单化。此外，整数个交替的选择通过简化交替的计数而有利于实现，并且还有利于致动器的供电的实际实现，如稍后描述并且在图7A和7B中表示。
图5表示借助于电压-时间映射表确定致动器的控制时间的详细流程图。通过在步骤20期间执行电压U的测量，在步骤31期间将电压U与第一电压阈值Us1进行比较。如果电压U大于或等于第一电压阈值Us1，则控制时间T在步骤33期间设定在标称时间Tn，并且该方法继续到步骤40，在此期间时间计数器Tempo被初始化为零。如果电压U小于第一阈值Us1，则在步骤32期间将电压U与第二电压阈值Umin进行比较。如果电压U大于第二电压阈值Umin，则控制时间T等于在步骤34期间的预定时间Ts1且该方法继续到步骤40。如果电压U小于第二电压阈值Umin，则在步骤35期间控制时间T被定义为等于Tmax。步骤30包括步骤31、32、33、34和35。该步骤30对应于根据第二确定模式借助于电压-时间映射表确定致动器的控制时间的方法。然后控制方法继续到步骤40，在此期间，时间计数器Tempo被初始化为零，然后继续到步骤50，在此期间控制致动器4。控制方法结束于图2中所示的步骤70和80。
如此描述的方法适用于必要的尽可能多的电压带：对于n个电压带，n-1比较是必要的。在大量电压带的情况下，可以通过二分法进行比较来减少比较的次数。
该方法是这样的，当电压U大于Un时，致动器的控制时间T保持等于标称时间Tn。
图6表示根据第二实施例的用于控制致动器的方法的流程图，该方法使得可以减少对致动器的控制的响应时间。该方法开始于步骤36，在此期间控制时间T被设定在标称时间Tn。接下来，在步骤41中，时间计数器Tempo被初始化为零，然后该方法进行到对应于致动器4的控制的步骤51。在步骤61中，时间计数器Tempo被启动并开始计数经过的时间。然后该方法进行到测量电压U的步骤21，然后进行到根据两种测定模式中的一个或另一个来确定时间T的步骤37。接下来，在步骤62和71期间，该方法在每个经过的时间单位之后递增时间计数器Tempo，直到时间计数器Tempo等于或大于时间T。接下来，在步骤81中停止致动器4的控制。在该第二实施例中，步骤36相当于步骤33，步骤41相当于步骤40，步骤51相当于步骤50，步骤21相当于步骤20，步骤37相当于步骤30，步骤71相当于步骤70，且步骤81相当于步骤80。方法的该变型使得能够在步骤21中执行电压U的测量之前在步骤51中立即启动对致动器的电力供应的控制。如果需要，在步骤37中随后调整时间T。图2中所示的方法更简单，但致动器不被控制，只要在步骤20期间不执行测量电压U，其延迟了触点2的打开相应的时间量。因此，图2的方法被预留给能够在与标称响应时间Tn相比可忽略的时间内执行电压U的测量的单元。在步骤20中补偿电压测量时间的另一种可能性是从步骤30中确定的时间T减去测量所需的时间。
本发明的方法优选用于控制致动器4，该致动器4用于激活电气保护单元1中的电流开关2的打开，该电气保护单元1包括：
-电流开关2，用于建立或中断电力线3中的电流循环，
-致动器4，用于激活电流开关2的打开，以及
-连接到传感器9的故障检测电路8，用于当在电力线3、3a或3b上存在电气故障时向处理电路7提供故障信号。传感器9是一个或多个电或机电参数的传感器，比如电流、电压、频率、状态、操作异常信号，该列表不是详尽的。优选地，传感器9是差分电流传感器。
本发明的电气保护单元包括致动装置10，其包括：
-测量电路6，其连接到电力线3以提供电力线3的导体之间的电压U的测量，
-致动器4的控制电路5，其布置成通过从电力线3的导体获取电能来控制致动器4的电力供应，
-处理电路7，其连接：
-通过链路13到测量电路6，
-通过链路12到故障检测电路8，以及
-通过链路14到致动器的控制电路5。
处理电路7布置成：
-通过链路12接收故障信号，
-通过链路13接收电力线的电压U的测量，以及
-当处理电路7接收到故障信号时，执行用于控制致动器的方法。
处理电路优选地包括用于执行该方法的步骤的微控制器和用于包含电压-时间映射表以及常数Un和Tn的值的存储器。
图7A表示根据优选实施例的致动器的控制电路5的图。电压U下的电能通过链路15a和15b从导体3获取。链路15a经由链路11b连接到致动器4，链路15b连接到两个二极管D3和D4，其中与D1和D2一起形成二极管电桥，旨在提供双交流整流电压用于点Vcc和Vss之间的电路的电力供应。晶闸管Th连接在链路11a和参考电位Vss之间。晶闸管Th接通的控制是通过连接到处理电路7的链路14来处理的。因此，当控制电路发送命令以控制致动器4的电力供应时，晶闸管Th导通并且存在于导体3之间的电压经由链路15b、晶闸管Th、二极管D4和链路15a在致动器4的端子处建立。正向交替在致动器4中循环。当电压U过零时，晶闸管被阻断并且负向交替提供电源Vcc，但不允许用于致动器的电力供应。晶闸管只能为致动器提供单交流电源。晶闸管Th可随时接通，但优选的是在发生正向交替之间，控制电路在电压U过零时发送指令接通晶闸管Th。因此，致动器由完整的交替供电。电源控制与提供电源的电网同步。
晶闸管Th可以由双向晶闸管、晶体管或任何其他可控开关器件取代。
图7B表示变体致动器控制电路的图。可以由链路14控制的开关是晶体管Tr。晶体管Tr连接在由D1、D2、D3和D4形成的二极管电桥的输出之间，或者在二极管D1的阴极和参考电势Vss之间。在通过链路14接收到致动器4电力供应控制命令时，晶体管Tr变为导通并使二极管电桥的输出短路。存在于导体3之间的电压经由链路15b、晶体管Tr、链路15a以及根据电压U的极性经由二极管D1和D4或D3和D2在致动器4的端子处建立。致动器由双交变整流电压供电。图7B的图向致动器4提供比在图7A的图的情况下更高的有效电压。然而，当晶体管Tr导通时，它需要额外的二极管D5来维持电压Vcc。
当晶闸管Th或晶体管Tr未被控制时，通过致动器4实现在点Vcc和Vss之间传递的用于测量电路6、处理电路7或检测电路8的电力供应。电流很低，因为电路消耗很少，致动器没有足够的能量来激活。另一方面，致动器的阻抗用作针对高频电磁干扰的滤波器，这允许减小防止这种干扰的部件的尺寸和功率。根据本发明的优选实施例，变阻器RV一方面连接到链路11a，另一方面连接到链路15a，以夹住在导体3之间明显大于Un的任何过电压。
如此描述的本发明的方法允许控制致动器的电力供应，该致动器适于适应电源电压U的显著下降，通过调节控制时间T以便提供在最短的时间内激活开关2打开所需的能量。然而，为了减少致动器4的温度上升并且允许将致动器和致动装置10安装在经受高环境温度的单元中和/或并入设备密度相当大的环境中，控制时间受到限制。该方法可以用适用于大规模生产的保护单元的简单经济的方式来实施。使用本发明的方法还允许减少致动器的工业变型的数量，因为其允许在宽电压带上使用致动器。电网频率变化的影响得到缓解，这为所述网络的干扰增加了额外的操作适应性水平。
更一般地，本发明的方法可以在低电压、中电压或高电压下用于单相或三相电网的保护单元。该方法还可以用于在在直流电压网络上运行的单元，在这种情况下控制时间显然不能表示为多个交替。