CN100413004C - 用于确定开关装置剩余寿命的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于确定开关装置剩余寿命的方法和设备。在开关装置中，开关触头被一开关机构(100)置于接通或断开位置，其中，为了在接通位置施加预定的接触力由接触力弹簧产生一个推压力。这种开关装置的寿命一方面由开关触头的烧损和另一方面由开关机构的机械磨损决定。已知通过检测在开关装置的传动装置中推压力的变化来确定开关触头的烧损，在先有技术中总是在断开过程中测量。现在按本发明在接通过程中实施推压力变化的检测，其中，尤其还可以同时检测开关装置的机械磨损。在相关的包括一个由衔铁(110)、磁轭(101)和电磁线圈(102、102′)组成的电磁传动装置(100)的设备中，在衔铁(110)上力传递接触地连接一个位置传感器(120)。

Description

用于确定开关装置剩余寿命的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于确定一开关装置剩余寿命的方法和设备。
背景技术
对于开关设备的工作可靠性重要的是，了解触头的剩余寿命，以便及时采取维护措施，例如对于接触器通过更换触头避免工作故障。迄今按已知的方法是分析断开过程期间的时间顺序。对于接触器，尤其是空气接触器，发展了一种方法用于识别因触头烧损所造成的剩余寿命，其中，通过测量在衔铁打开(由线圈电压内特性曲线峰值表征)与触头断开(由出现触头间距电压表征)之间的时间间隔，确定触头烧损并因而测定剩余寿命。
作为判断触头烧损的替代准则，尤其是所述检测推压力变化的方法在欧洲专利EP0694937B1中获得了保护。在EP0878016B1、EP0878015B1和EP1002325B1中介绍了专门应用在开关装置中的方法。其中无例外地针对在断开过程，亦即在通过电磁传动装置断开开关触头时检测推压力变化，由此具体确定在开关触头上的烧蚀，并因而确定开关的剩余寿命。
发明内容
由此出发，本发明的目的是提供一种方法和相关的设备，其中，除了触头烧损外，还可以在一定的条件下兼带考虑到开关机构的磨损。另外，还可以用检测到的测量值监测和控制接通运动。
上述目的通过一种用于确定一个开关装置剩余寿命的方法来实现，该开关装置具有开关触头，它们被一开关机构置于接通位置或断开位置，其中，为了在接通位置对动触头施加一预定的接触力由一接触力弹簧产生一个推压力，以及，该开关装置的寿命一方面由开关触头的烧损和另一方面由开关机构的机械磨损决定，按照本发明，
-在开关装置的接通过程中检测推压力变化；以及
-在接通过程通过检测推压力变化一方面确定开关触头的烧损以及另一方面确定开关机构的机械磨损，
-为此利用至少一个位置传感器确定至少三个有关所述开关触头三个位置的时刻。
按本发明现在推压力变化的检测专门在接通过程中进行，也就是在通过电磁传动装置闭合开关触头时进行。在相关的设备中为此目的在电磁传动装置的衔铁上按力传递接触地连接一个位置传感器。
按本发明比较有利的是，不仅触头烧损可考虑作为主要的确定开关装置剩余寿命的参数，而是也可以附带将开关机构的磨损也考虑进去。尤其当开关是真空接触器时这样做可有重要意义。这是因为在空气接触器中触头行程比较大(达10mm)，并因此由于开关机构中各运动部件磨损引起的间隙，按百分比几乎没有什么份量，而在真空接触器中它却可以成为一个不可忽略的份量。
造成后者的原因是，与空气开关相比在真空开关中的触头行程较小(在2mm以下)，因此通过触头闭合力会容易在旋转支点等地方出现磨损现象，所述触头闭合力通过开关机构和一个只能借助杠杆实现力转向和力传动的装置施加而产生。
按照本发明的方法的一有利设计，为了检测推压力，随时间确定该开关装置的开关机构中各运动部件的预定位置。
按照本发明的方法的另一有利设计，为了检测推压力，一方面确定所述开关机构中各运动部件的速度和/或加速度，以及在开关触头的闭合运动期间测量所述开关触头的接通时刻。
按照本发明的方法的又一有利设计，在所述接通过程中调整所述开关机构中各运动部件的速度。
比较有利的是，由其中两个位置和相关的时刻确定所述触头的闭合速度。另外也可由第三个位置的第三时刻确定所述触头的闭合速度的增大或减小。
按照本发明的方法的一扩展设计，可根据触头闭合时间计算触头位置，然后可根据触头位置的改变确定所述推压力的变化。
为实现本发明的目的，本发明相应提供一种实施上述本发明方法及其优选设计的设备，其中，所述开关装置是一个接触器，该接触器的动触头被一个由衔铁、磁轭和电磁线圈组成的电磁传动装置的衔铁置于接通或断开位置，其中，在衔铁上力传递地连接一个位置传感器。
在所述位置传感器上优选设有用于定位的环形触头，更加优选的是，在所述位置传感器上设有用于取决于位置地触头闭合的接触辊。
所述位置传感器另外可优选设计为圆柱形杆，它的圆柱外表面沿轴向分成多个导电和不导电的表面段。
按照本发明的设备的一有利设计，借助所述位置传感器可以根据触头闭合时刻推导出触头相对于传感器位置的一相对位置，根据其与一在新状态下的触头相对位置值相比的改变可以确定触头烧损。优选根据在使用状态和新状态下的触头相对位置可以确定剩余寿命。
按照本发明的设备优选具有用于计算及指示所述开关装置剩余寿命的装置。该计算及指示装置可包括一台计算机，在其存储器内存有一行程-时间曲线。在此情况下比较有利的是，通过检测在接通时的衔铁运动开始时刻和在接通过程中检测触头闭合时刻，可根据所述预定的行程-时间曲线确定闭合行程；以及，可根据该闭合行程的改变计算触头厚度的变化，其中触头厚度的变化与烧损相对应。此外，也比较有利的是，根据所述触头闭合时刻和一预定的衔铁位置的时刻，可借助所述预定的行程-时间曲线确定一部分衔铁行程，根据该一部分衔铁行程的改变可以推导出所述接触力弹簧的推压力的变化。
附图说明
下面借助附图所示实施方式对本发明的其他细节和优点予以详细说明。附图中：
图1表示用于在接通过程中计算触头闭合位置的曲线图；
图2表示用于一个开关装置的电磁传动装置和一个位置传感器；
图3表示图2所示用于确定各位置时刻的位置传感器的具体结构；
图4表示用于确定一空气接触器各位置时刻的触头闭合位置x3、x3neu的对于图3所示结构的具体化设计；以及
图5表示用于计算确定一个开关装置的触头寿命的流程图。
具体实施方式
下面说明的用于确定开关触头剩余寿命的方法，主要包括按时间检测接触器传动装置的衔铁和/或开关传动装置规定部件预定的不连续的位置以及确定该部件在这些预定位置上的速度和/或(平均)加速度，对所述部件要进行位置测量。此外还包括测量在开关触头闭合运动期间开关触头的接通时刻和确定相对于这些所检测到的不连续位置的触头闭合位置。
为此，图1示意表示开关装置的一个构件的行程-时间曲线1，该构件的行程与触头行程一致，但该构件的行程也可以或通过一个恒定的系数或通过一个预定的函数与触头行程在数学上逻辑关联。
为了确定剩余寿命检测至少四个时刻，其中之一，例如t3，表示触头闭合时刻，而另一些，例如t1、t2和t4表示一个或多个位置传感器的位置时刻。这些时刻中的至少两个，例如t1和t2，可以是两个邻近位置的时间值，由它们通过公式
V＝(x2-x1)/(t2-t1)                                      (1)
可以推导出构件的速度值。由于被监测的构件在接通过程期间通常实施加速度运动，所以除了速度V外，对于至少一个时间间隔
例如Δt＝t4-t1或Δt＝t4-t2
确定一个恒定的加速度的平均值。由所确定的速度和加速度值，以及由位置传感器彼此的相对位置和它们的位置时刻，可以对于触头闭合时刻t3通过简单的数学关系确定正在闭合的触头的位置。
在表示确定速度用的行程距离终端的位置x2与沿构件闭合方向位于触头闭合位置后的位置x4之间的那个尚不知道的触头闭合位置是未知的。显然，位置x1与x4之间的行程距离选择得越窄，触头闭合位置x3可以确定得越准确。在理想的情况下，位置x1和x4选择为，使它们肯定能将因触头和/或机构磨损而改变的触头闭合位置包括在它们之间，同时在它们之间的行程距离却不会明显地大于在触头寿命开始和结束时触头闭合位置之差。
为了完成位置/时间检测提供了多种不同的方法，对此下面进一步详细说明开关传动装置的结构。
图2表示一种已知的用于一开关装置的磁传动装置，它总体上用100标示。它按已知的方式由E形磁轭和电磁线圈及衔铁组成。
在图2中所示的开关例如是一个接触器。它可以是一个空气接触器，但同样可以是一个真空接触器，在后一情况下传动装置在接触器运动触头上的铰接比较复杂。
图2用101表示磁轭，磁轭101上装两个励磁用的电磁线圈102和102′。磁轭的极面用103和103′表示。为磁轭101配设一个衔铁110，当电磁传动装置通过电磁线圈励磁时它被磁轭吸引。
图2表示衔铁110的全断开位置。衔铁上装设一个用于运动触头141的支座130，在图2中支座130可沿垂直方向运动。当传动装置接通运动时，运动触头141被置于与固定触头151的闭合位置。
图2中在衔铁面朝磁轭的另一侧与衔铁110力传递接触地装设有一位置传感器120。该位置传感器120主要用于在衔铁运动时检测规定的位置时刻，在另一些附图中将对此作详细说明。
图3表示电磁传动装置和位置传感器120的一种具体实施形式，它的优点在于其简单、坚固以及在检测预定位置时的精确性。由图3可以看出，可设计预定的有待检测的位置的数量可以大大超过三个位置亦即(x1、x2和x4)的最低数。位置传感器120设计为圆柱杆，它通过一弹簧127以适度的弹簧力压靠在衔铁110上并可在一相关的外壳内运动。在电磁传动装置100的断开状态，位置传感器120贴靠在衔铁110上，因此当衔铁110做接通运动时位置传感器随着运动并在其上作用有加速度力，但没有冲击力。位置传感器的圆柱外表面沿轴向分成多个导电和不导电的表面段122、123、124。因为所有表面段的外径是一致的以及它们没有分界缝地互相连接，所以人们得到的是一个由沿轴向交替的导电和不导电分段组成的光滑圆柱表面。
一个这种导电分段可例如是一个良好导电的金属环，它的高度例如可为1mm或更小。位置的检测可以通过一些外部接触元件与此金属环的电触头接通进行。
此外，在所述位置传感器120上设有用于取决于位置地触头闭合的接触辊125。
为了将通过接触元件与环之间的磨擦引起的机械磨损保持为低水平，触头接通可取代滑拖接触地以滚动接触实现。在此测量触头上连接一个测量电路，它由接触信号(通/断)导出一个电压信号(通/断)。若例如构件瞬时闭合速度值为1m/s，则测量触头在经过1mm高的金属环时提供电压信号的转换脉冲波前沿(Schaltflanken)的时刻，它有1毫秒的时间间隔。也就是说可以在表面段的每个分段边界处提取一个时间信号。因此按图3的位置传感器120提供一个交变的矩形电压信号，它在时间上与掠过圆柱外表面分段在测量触头处产生的导电信号一致。
图4相应于图3表示空气接触器的接合器40和衔铁110，在衔铁110的一侧有位置传感器120和在另一侧有桥式支座130。在桥式支座130上安装接合器的运动部分及其构件。具体地说，触桥140和运动触头141、141′装在一个有支座161的弹簧外壳160上，其中，触桥140在触头断开时通过接触力弹簧165支靠在桥式支座130上。通过此装置，运动触头141、141′可以相对于固定在触头支座150、150′上的固定触头151、151′运动以及被置于断开或闭合位置。在这里接触力弹簧165产生接触力以及衔铁和触桥的闭合位置决定弹簧的推压力。
由图4得出决定位置时刻t1至t4的几何关系，其中采用与图3相同的附图标记。在此关系中重要的是确定在触头为新的状态下的传感器位置x3neu以及在触头使用过状态下的传感器位置x3。此外表示了位置标志x1(t1)、x2(t2)和x4(t4)。触头设计为绕圆柱形位置传感器120的触环122至124或125、125′。给位置传感器120的表面121涂层也可以满足要求。
为了在触头闭合时确定触头的位置，需要近邻的位置x1与x2之间的速度和x1与x4之间的平均加速度。为此按下式
V＝(x2-x1)/(t2-t1)                                    (1)
x4-x1＝v*(t4-t1)+0.5*bm*(t4-t1)2                      (2.1)
bm＝2/(t4-t1)*((x4-x1)/(t4-t1)-(x2-x1)/(t2-t1))       (2.2)
从而对于触头闭合位置x3得到
x3-x1＝v*(t3-t1)+0.5*bm*(t3-t1)2                      (3.1)
x3-x1＝(x2-x1)/(t2-t1)*(t3-t1)+((x4-x1)/(t4-t1)-(x2-x1)/(t2-t1))*(t3-t1)2/(t4-t1)  (3.2)
显然，为了计算触头闭合位置的改变只需要所测量的接触时间ti之差与已知的位置值之差。因此不需要为了确定绝对位置值作空间上的调整。
在触头为新的状态下，借助一微处理器基于位置传感器所测得的构件位置的时间值和触头接通时刻的时间值计算出一新状态下的行程(x3-x1)neu。由于触头磨损和可能附加的机械磨损，在开关工作时人们得到一个行程(x3-x1)的实际值。
例如以mm计的磨损在这里通过计算的行程之差(x3-x1)-(x3-x1)neu给出。当触头烧损时，此差值相应于因触头厚度减小导致的推压力降低值。若还由于开关传动装置的机械传力零件的磨损附加造成推压力进一步的减少，则因机械磨损引起的推压力减小也一同作为整个推压力减小值的一部分被测出，这是因为触头和传动装置部件在加速的接通运动时处于力传递接触状态。
图5借助一流程图表示计算方法。各个步骤201至212基本上是不言自明的：按步骤201和202通过起动和对开关传感器数据的预调，在步骤205确定时刻t2、t3和t4。由此在相应的步骤可计算出输出值x3(t3)和x1(t1)或差值x3-x1。通过此差值(x3-x1)neu-(x3-x1)，按步骤210得出当前的推压力变化。按步骤211将推压力变化与判断触头的寿命终止相联系起来，并在满足预定的条件时按步骤212结束程序的执行。若不是这种情况，则返回步骤203，按步骤204、205重新确定t2、t3和t4。步骤206或208提供形成x3-x1平均值的检验程序。
在到达触头寿命终点并装入新的触头后，在一个新的寿命周期的一开始确定当前值(x3-x1)neu，该值实际上已隐含有开关机构当前的磨损状态。由此在后续的每个寿命周期中保证对触头磨损的可靠判断。
上述方法的一项特别有利的进一步发展是传动装置的速度调整：对于可调速的传动装置，尤其是由一可调的电磁传动装置组成的接触器传动装置，可以利用借助所述位置传感器测得的速度V，以便将传动装置叠代调整到一预定的速度，或将该速度限制在一个预定的数值范围内。为此，随着每次接通传动装置，始终以一预定的参数步进间距将控制参数向更高的速度方向调整，只要该速度还小于额定值或处于额定范围之下；或者朝较小的速度方向调整控制参数，只要速度还大于额定值，或处于额定范围之上。由此实现，触头在完成速度调整后以预定的速度闭合。
一种作为上述方法的替代方案是，先确定出两个按所述接通过程的顺序的时刻t开始和t结束，然后由此计算出剩余寿命。其含义为：
T开始＝在线圈上施加电压的时刻，在此，
-或者为检测不同力的发展考虑到了电压的相位，
-或者采用一种有助于同步化的相位控制式接通方法；
T结束＝检测触头闭合，为此测量触头间距电压。
一个突出的优点在于，此方法可以在已有的接触器上使用。当然，为此需要用一个交流/直流(A/D)转换器检测电压的形状或检测控制电压的过零点。
为了根据时刻t开始和t结束求出接通行程，利用图1所示的电磁传动装置的预定的和可经验确定的行程-时间曲线。通过与新状态相比求出使用状态下的接通行程变化，就可提供一个有关触头厚度变化的直接度量或成比例的度量。
作为上述方法的替代方案，是先确定出两个另外的按接通过程的顺序的时刻t开始和t结束，并由此计算出剩余寿命。这些测量参数值定义如下：
T开始＝触头闭合的时刻，为此测量触头间距电压；
T结束＝检测一个行程点，该检测或者在
-电磁***闭合时进行，此时，例如通过施加一个电压进行测量，测量磁轭-衔铁运动和一电压零值，或者在
-将一开关安装在所述电磁***上或任意行程点上时进行。
根据图1所示的通过实验给出的电磁传动装置的行程-时间曲线，确定接触力弹簧的推压力值，以及基于该推压力在使用状态下的变化确定出涉及磨损的推压力变化。这种方法的优点是可通过简单地检测一些时间标志来实施。然而，为了此方法可能需要改变接触器结构并因而需要一种新的结构设计。
在第一种替代性选择方案中，有关传动装置速度调整的一种有利的设计进行如下：通过在一个位置传感器上的多个位置环，可以实现在衔铁运动时测量行程和通过控制电磁力使开关闭合达到一几乎恒定的速度。由此不仅优化开关运动，而且还尽最大可能减小导致机械运动零件发生磨损的力。

Claims (18)

1. 一种用于确定一个开关装置剩余寿命的方法，该开关装置具有开关触头，它们被一开关机构置于接通位置或断开位置，其中，为了在接通位置对动触头施加一预定的接触力由一接触力弹簧产生一个推压力，以及，该开关装置的寿命一方面由开关触头的烧损和另一方面由开关机构的机械磨损决定，其特征为：
-在开关装置的接通过程中检测推压力变化；以及
-在接通过程通过检测推压力变化一方面确定开关触头的烧损以及另一方面确定开关机构的机械磨损，
-为此利用至少一个位置传感器确定至少三个有关所述开关触头三个位置的时刻。
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征为：为了检测推压力，随时间确定该开关装置的开关机构中各运动部件的预定位置。
3. 按照权利要求1所述的方法，其特征为：为了检测推压力，一方面确定所述开关机构中各运动部件的速度和/或加速度，以及在开关触头的闭合运动期间测量所述开关触头的接通时刻。
4. 按照权利要求1所述的方法，其特征为：在所述接通过程中调整所述开关机构中各运动部件的速度。
5. 按照权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征为：由其中两个位置和相关的时刻确定所述触头的闭合速度。
6. 按照权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征为：由第三个位置的第三时刻确定所述触头的闭合速度的增大或减小。
7. 按照权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征为：根据触头闭合时间计算触头位置。
8. 按照权利要求7所述的方法，其特征为：根据触头位置的改变确定所述推压力的变化。
9. 一种实施按照权利要求1至8之一所述方法的设备，其中，所述开关装置是一个接触器，该接触器的动触头被一个由衔铁、磁轭和电磁线圈组成的电磁传动装置的衔铁置于接通或断开位置，其特征为：在衔铁(110)上力传递地连接一个位置传感器(120)。
10. 按照权利要求9所述的设备，其特征为：在所述位置传感器(120)上存在用于定位的环形触头(122至124)。
11. 按照权利要求10所述的设备，其特征为：在所述位置传感器(120)上设有用于取决于位置地触头闭合的接触辊(125)。
12. 按照权利要求11所述的设备，其特征为：所述位置传感器设计为圆柱形杆(120)，它的圆柱外表面(121)沿轴向分成多个导电和不导电的表面段(122-124)。
13. 按照权利要求9至12中任一项所述的设备，其特征为：借助所述位置传感器可以根据触头闭合时刻(t3)推导出触头相对于传感器位置(x1、x2、x4)的一相对位置(x3)，根据该相对位置(x3)与一在新状态下的触头相对位置值(x3neu)相比的改变可以确定触头烧损。
14. 按照权利要求13所述的设备，其特征为：根据在使用状态和新状态(x3neu)下的触头相对位置(x3)可以确定剩余寿命。
15. 按照权利要求9至12之一所述的设备，其特征为：该设备具有用于计算及指示所述开关装置剩余寿命的装置。
16. 按照权利要求15所述的设备，其特征为：所述计算及指示装置包括一台计算机，在其存储器内存有一行程-时间曲线。
17. 按照权利要求16所述的设备，其特征为：通过检测在接通时的衔铁运动开始时刻(t开始)和在接通过程中检测触头闭合时刻(t结束)，可根据所述预定的行程-时间曲线确定闭合行程；以及，可根据该闭合行程的改变计算触头厚度的变化，其中触头厚度的变化与烧损相对应。
18. 按照权利要求16所述的设备，其特征为：根据所述触头闭合时刻(t开始)和一预定的衔铁位置的时刻(t结束)，可借助所述预定的行程-时间曲线确定一部分衔铁行程，根据该一部分衔铁行程的改变可以推导出所述接触力弹簧的推压力的变化。
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