用於多相開關裝置的電弧能量減少方法及設備與流程

2023-11-04 05:45:02 1

本發明大體上涉及電弧能量減少，並且具體地涉及在三相電磁操作開關裝置中的電弧能量減少。

發明背景

諸如三相接觸器的多相開關裝置中的電觸頭被暴露於在開關裝置的壽命期間消散的總電弧能量。因此，開關裝置的壽命在很大程度上由在觸頭的每個閉合和斷開期間發生的電弧量確定。減少由觸頭消散的總電弧能量的方法在這方面是有益的。觸頭需要消散的能量越少，越少發生對觸頭材料的腐蝕。這可以增加觸頭的預期壽命和/或通過觸頭材料減少來降低觸頭成本。在三相裝置中，必須考慮每個單獨相的觸頭組的弧觸頭腐蝕。

眾所周知的是，交流電(AC)電路在其電流通過正電流周期和負電流周期的過零點時的點處將顯著地減少電弧。多年來，諸如接觸器的三相電磁操作開關裝置同時斷開所有的三個相，而不管在該相關於它們的過零點在哪裡，其產生顯著的電弧。接觸器構造通常保持不變，這是由於它們首先被發明。接觸器包括電樞，其通常偏置到延伸位置並且當電力被施加到接觸器的電磁線圈時可移動到縮回位置。通常，接觸器電樞被附接到支撐三個活動觸頭的觸頭載體，三相電源的每個相使用一個觸頭。當電力被施加到磁線圈時，三個活動觸頭通過電樞移動而與三個靜觸頭接觸。當電力從磁線圈移除時，該電樞偏置到其延伸位置，其中，三個活動觸頭幾乎同時與三個靜觸頭分離。由於接觸器基本上同時斷開所有的三個觸頭，因此確定至少兩個相將在非零電流處斷開，並且可能全部三個將在非零電流處斷開。因此，在觸頭處產生顯著的電弧。

首先嘗試當一個相接近其最低電流電平並且觸發接觸器儘可能接近該點斷開時來減少接觸電弧，其試圖使用監控電流波形的控制器來計算。如果計算是準確的，則其將減少在該單相中的電弧，但是其它兩相仍將產生顯著的電弧，這是由於它們將在較高的電流電平處斷開。

嘗試進一步地減少電弧已經在斷開第二觸頭和第三觸頭中採用固定的機械時延，使得它們將更靠近它們的最小電流電平斷開。固定的機械時延通過相對於其它兩個觸頭偏移一個觸頭來實現。機械時延由偏移的長度和在電力從電磁體移除之後偏置彈簧斷開觸頭的速度來確定。如果準確地確定偏移距離和偏置彈簧力，則可以初始減少第二觸頭和第三觸頭中的電弧。然而，製造公差和從一批部件到另一批部件或者一個供應商到另一個供應商的細微差異可以影響第一觸頭斷開和第二及第三觸頭斷開之間的時序。即使初始時序是準確的，但第二觸頭和第三觸頭隨著時間將開始以比第一觸頭更快的速度腐蝕，該第一觸頭具有基於所監控的電流波形的受控斷開。另外，觸頭厚度的任何變化將影響第二觸頭斷開和第三觸頭斷開的時序。由於觸頭腐蝕增加，第一觸頭斷開和第二及第三觸頭斷開之間的機械時延將減小，其引起第二觸頭和第三觸頭斷開更高的電流。對於第二觸頭和第三觸頭，更多電弧及甚至更快的腐蝕將導致對於開關裝置的較短壽命。

在最近的嘗試中，每個電相具有用於監控其電流波形的控制器和用於在其最低電流電平處斷開和閉合它的觸頭的開關裝置。雖然這確實顯著地減少電弧，但是也顯著地增加三相開關裝置的成本。因此，將期望開發採用原來較便宜的單個控制器、單個電磁體和電樞設計的三相開關裝置，其可以將電弧電平減小到大體上相當於三個控制器、三個開關裝置電平的點，並且具有補償製造公差、批次和供應商差異、電流頻率差異、摩擦和部件退化的能力，以延長開關裝置的觸頭壽命。

發明概述

本發明提供了用於在三相電路的斷開期間通過在緊挨著所有三相的電流過零點之前的計算的目標點處斷開觸頭來顯著地減少觸頭電弧和延長觸頭壽命的三相開關裝置和方法。所述開關裝置和方法還補償開關裝置的壽命期間觸頭腐蝕。

本發明提供了用於減少三相開關裝置的電弧能量和觸頭腐蝕的方法，該方法包括以下步驟：

通過控制/監控電路監控三相電氣系統的電特性；

通過控制/監控電路檢測第一斷開相的參考點；

通過控制/監控電路確定第一斷開相的波形上的第一目標點和用於發起第一斷開相精確地在第一目標點處的斷開的觸發點；

通過控制/監控電路確定用於第二斷開相和第三斷開相的第二目標點；

響應於檢測到觸發點，通過控制監控電路向開關裝置發起斷開信號；

通過線圈電源電路調整開關裝置的電樞的速度，使得第二斷開相和第三斷開相精確地在第二目標點處斷開。

本發明還提供減少電弧能量和觸頭腐蝕的三相電磁開關系統，該系統包括：

具有線圈和電樞的電磁體，該電樞可在當線圈受到激勵時的第一位置和當線圈被去激勵時的第二位置之間移動，該電樞支撐三個橋接觸頭，每個橋接觸頭與三相電源的三個電相中的一個相關聯；

控制/監控電路，用於監控三相電源的特性，確定用於第一斷開相的第一目標點，確定用於發起第一斷開相的斷開的第一觸發點，使得第一斷開相將精確地在第一目標點處斷開，以及用於第二和第三同時斷開相的第二目標點；以及

線圈電源電路，其向線圈提供脈寬調製信號，使得電樞的速度可以被調整以確保第二和第三同時斷開相精確地在第二目標點處斷開。

附圖簡述

圖1圖示處於第一位置的本發明的電磁接觸器。

圖2圖示處於第二位置的本發明的電磁接觸器。

圖3圖示根據本發明的對於三相觸頭的受控斷開的電流波形。

圖4是用於根據圖3的電流波形斷開三相電路的算法的流程圖。

圖5圖示向接觸器的電磁體的線圈提供電力的線圈電源電路的第一實施例。

圖6圖示向接觸器的電磁體的線圈提供電力的線圈電源電路的第二實施例。

示例實施例的詳細描述

本發明提供了減少由三相電觸頭的斷開和閉合引起的電弧能量的開關裝置方法。圖1圖示本發明的三相電磁開關裝置，通常被稱為接觸器且由參考數字10表示。接觸器10包括具有線圈18的電磁體14、電樞22、偏置彈簧26、可移動橋接觸頭30、34和38以及固定觸頭42、46和50。電磁體14在線圈18受到線圈電源電路54激勵時產生磁場並且在線圈18去激勵時不產生磁場。電樞22在當線圈18去激勵時(圖1)電樞22由偏置彈簧26偏置的第一位置和當線圈18受到線圈電源電路54激勵時的第二位置之間可移動，在所述第二位置，所產生的磁場克服偏置彈簧26的力，從而將電樞22拉動與電磁體14接觸(圖2)。電樞22支撐三個可移動橋接觸頭30、34和38，當電樞22在其第一位置和第二位置之間移動時，該三個可移動橋接觸頭在第一位置和第二位置之間移動。如在圖1中可以看出，橋接觸頭30、34和38分別與固定觸頭42、46和50間隔開。在圖2中，橋接觸頭30、34和38分別與固定觸頭42、46和50物理接觸。固定觸頭42、46和50是間隔開的對，使得每對中的一個連接到三相電源58中的一相併且每對中的另一個連接到負載62。因此，當電樞處於其第一位置時，沒有向負載62供應電力，並且當處於其第二位置時向負載62供應電力。當橋接觸頭30、34和38分別與固定觸頭42、46和50接觸或斷開接觸時，產生電弧。由於電弧的強度和由電弧引起的觸頭腐蝕直接與橋接觸頭30、34和38正在接通或斷開的電流的幅值有關，因此精確地控制所有三個橋接觸頭30、34和38在接觸器10的壽命期間接通或斷開電流的電流波形上的點是重要的。

圖3圖解地圖示用於斷開三相電路同時產生觸頭30、34、38、42、46和50的最小電弧和腐蝕的本發明的方法。該方法包括緊挨著其電流波形通過它的過零點之前的第一計算的目標點TP1處斷開三相電源58的一相，以及緊挨著兩個剩餘相的電流波形同時通過它們的過零點之前的第二計算的目標點TP2處斷開兩個剩餘相，該兩個剩餘相的電流將變為對稱但極性相反。為了實現該兩階段斷開，如圖1所示，機械增益件82被提供給第一橋接觸頭(在該圖示中，橋接觸頭34)以斷開。機械增益件82隻是確保第二相橋接觸頭30和第三相橋接觸頭38分別在第一相橋接觸頭34在第一目標點TP1處斷開之後斷開。在時間T1處，發起斷開三相電路的請求。在時間T2處，要斷開的第一相的電流波形通過其過零點。時間T2處的過零點是用於計算第一目標點TP1、發起電樞22的斷開的電角度(觸發點)、第二目標點TP2以及電樞22必須在第一目標點TP1和第二目標點TP2(對於電動機負載62大約90電角度)之間行進的速度的參考點，以確保第二相觸頭30和第三相觸頭38分別精確地在第二目標點TP2處斷開。觸發點可以由在橋接觸頭34及橋接觸頭30和38之間的電樞22行程、切換的負載62的類型以及電樞22的固有加速度分布圖來確定。要斷開的第一相的電流波形上的時間T3及其相關點是計算的觸發點，在該計算的觸發點處，必須給出斷開電樞22用於第一相橋接觸頭34精確地在第一目標點TP1處斷開的命令。該計算可以是在時間T3處的觸發點與第一目標TP1之間的確定的非整數個半周期上捨入到下一個整數個半周期減去在時間T2處的參考點和第一目標點TP1之間的整數個半周期的差異。第一目標TP1和時間T3處的觸發點之間的確定的非整數個半周期之前存儲，設計測試或歷史數據存儲在控制監控電路70的存儲器66中。在時間T3處發出觸發信號之後，對電樞22的斷開速度的控制開始，分別用於第二相橋接觸頭34和第三相橋接觸頭38以精確地在第二目標點TP2處斷開。第一目標點TP1和第二目標點TP2通常在電流過零點之前的5電度和電流過零點之間。

圖4是用於算法74的流程圖，該算法74由處理器78使用以確定目標點TP1和TP2、觸發點並且調整電樞22速度，使得接觸器可以準確地在它們的目標點TP1和TP2處斷開三相電源58所有三個相，同時分別在橋接觸頭30、34和38與固定觸頭42、46和50之間產生最小電弧。處理器78和存儲算法74的存儲器66是控制/監控電路70的部分。在步驟100處，控制/監控電路70監控三相電源58。在步驟105處，控制/監控電路70接收用於去激勵三相電源的請求。在步驟110處，控制/監控電路70等待第一斷開相通過其過零點，該過零點是用於在步驟115處計算第一斷開相目標點TP1和觸發點的參考點。在步驟120處，處理器78等待觸發點以及另外計算第二目標點TP2，以用於第二相和第三相在步驟125處斷開。在步驟130處，到達用於第一斷開相的觸發點，並且處理器78發起接觸器10的斷開。在步驟135處，緊接著步驟130，處理器78開始調整電樞22的速度，使得第二相觸頭34和第三相觸頭38分別精確地在第二目標點處斷開。在步驟140處，到達第二目標點並且所有的觸頭斷開。

控制電樞22的速度通過向接觸器10的電磁體14的線圈18提供脈寬調製(PWM)電流來實現。圖5和圖6的線圈電源電路54中的開關S1和S2以由處理器78確定的佔空比進行斷開和閉合。利用高佔空比，電磁體14產生向電樞22提供更強的吸引力的更強的磁場，其導致更慢的電樞22斷開速度。較低的佔空比產生具有對電樞的較弱的吸引力的較弱的磁場，並且導致更快的電樞22斷開速度。當很少或沒有電流施加到線圈18時，最大的電樞22斷開速度由偏置彈簧26提供。

通過控制電樞22速度，可以補償諸如50/60Hz電力系統、製造變化和各種負載62特性的其他問題。該過程基本上可以是被逆轉的並且用於閉合橋接觸頭30、34和38以向負載供電。