阅读说明：本技术 诊断电气开关单元磨损的方法和设备及包括其的电气单元 () 是由 R.奥尔班 J.德福奇 于 2019-05-14 设计创作，主要内容包括：一种用于诊断电气开关单元的磨损状态的方法,该方法包括用于监控电气单元的阶段(15)。该监控阶段使用：-先前加载的并且表示电气单元的类型的学习数据,和-与待监控的所述单元相对应并且在初始阶段期间被存储在存储器中的初始化数据(CRP)。该监控阶段(15)包括：-在所述电气单元断开时进行测量(40)并获取测量曲线(CM),-根据测量曲线的值、初始化数据的值和学习数据(CRU)的值,确定(41)来自所述测量曲线的对温度不敏感的局部描述符的值,-根据所述位置值确定(43-45)全局状态等级。一种实施该方法的设备和电气单元。()

诊断电气开关单元磨损的方法和设备及包括其的电气单元

技术领域

本发明涉及用于诊断电气开关单元的磨损状态的方法，该方法包括用于监控电气单元的阶段。

本发明还涉及实施该方法的诊断设备和单元。

背景技术

用于诊断电气单元的状态的方法和设备通常通过将一个或多个电气特性与一系列值进行比较来监控它们。这些特性当中通常有电信号中的关注点(noteworthy point)的电压、电流或时间参考。专利申请EP2584575中公开了这种类型的诊断方法。

其他方法通过评估两个事件之间的时间或一个事件的持续时间来确定诸如接触器的电气单元的触头磨损。例如，用于断开或闭合触头的命令与所述断开或闭合的生效时刻之间的时间。专利申请WO03054895描述了根据控制命令之后原电流(primary current)出现的时刻来检测电气单元的触头磨损的具体方法。

已知的诊断方法和设备提供了令人满意的结果，但是不容易在现有的或已经安装的单元上部署。一般来说，需要对电气单元进行干预。而且，对于某些诸如接触器的电气单元的监控，需要具有更高的精度和确定性水平。

已知设备的另一个缺点是它们对温度变化的敏感性。这种设备还需要温度测量以便补偿对电触头磨损的评估。

发明内容

本发明的目的是一种用于诊断电气单元的方法和设备，该方法和设备提供了具有改进的确定性的结果，易于在电气单元上实施，并且对温度变化不敏感。

在根据本发明的用于诊断电气开关单元的磨损状态的方法中，包括用于监控所述电气单元的阶段，

-所述监控阶段使用：

-先前加载的并且与表示所述电气单元的产品类型相对应的学习数

据，和

-与待监控的所述单元相对应并且在初始化阶段期间被存储的初始

化数据，并且

-所述监控阶段包括：

-在所述电气单元断开时进行测量并获取测量曲线，

-根据所述测量曲线的值、所记录的初始化数据的值和第一次加载的

学习数据的值来确定来自所述测量曲线的局部描述符的值，所述局部描

述符中的至少一个是对温度差不敏感并且取决于所述测量曲线的关注点

的描述符，

-确定测量曲线的对温度不敏感的局部描述符的值相对于第二学习

数据的位置，以及

-根据测量曲线的局部描述符的值相对于所述第二学习数据的所述

位置值来确定全局状态等级。

根据本发明的一个优选实施例，第一描述符对应于从测量曲线的第一点开始的曲面或积分(integral or integration)，所述第一点取决于所述测量曲线的第一关注点，所述第一关注点对应于信号变化方向的第一次改变或者所述测量信号的导数的符号改变，所述第一关注点表示电气单元的可移动部分的移动的开始。

优选地，信号的积分从所述第一关注点出现之前的时间t1开始，时间t1在0至10ms的范围之间。

有利地，当线圈电压曲线的信号为零或接近零伏时，信号的积分结束。例如，绝对值小于2伏。优选地，信号的积分持续在30ms至40ms之间。

根据本发明的优选实施例，第二描述符对应于第二关注点的位置，或者对应于第二关注点相对于在一温度范围内定义的新单元的所述第二关注点的初始参考曲线或线的差，所述第二关注点对应于测量曲线上诸如信号变化的符号改变的值的变化，所述信号在第二关注点附近减小然后增加相对值。

有利地，对温度不敏感的至少一个描述符在-20℃和80℃之间的差值小于5％。

优选地，加载的学习数据表示描述符表现(behaviour)曲线，所述描述符表现曲线表示所述电信号在所述电气单元的生命期间的预定义特性。

优选地，所述描述符表现曲线以直线段定义格式来加载，以便减少所述学习数据所需的存储空间。

优选地，所述预加载的描述符表现曲线的值与待监控单元的状态或磨损等级相关联。

根据优选实施例，该方法包括：

-前期学习阶段，用于在多个预定的演练(manoeuvre)期间确定表示至少两条描述符表现曲线的学习数据，所述描述符表现曲线表示所述电信号在所述电气单元的生命期间的预定义特性，

-将所述学习数据存储在存储器中，

-加载所述学习数据，以及

-在所述阶段中使用学习数据以监控所述电气单元。

一种用于诊断电气开关单元的磨损状态的设备，所述电气开关单元连接到用于致动所述电气开关单元的触头的电磁线圈，所述设备包括用于实施诸如上文定义的诊断方法的处理电路。

优选地，处理电路包括靠近所述单元的用于处理诊断的本地模块，所述本地模块连接到远离所述单元的外部处理模块。

一种根据本发明的包括由控制电磁线圈致动的高功率电触头的电气单元，该电气单元包括用于诊断连接到所述电磁线圈的电气开关单元的磨损状态的设备，以致动所述触头并且实施诸如上文定义的诊断方法。

附图说明

从下面对本发明特定实施例的描述，其他优点和特征将变得更加清楚，这些实施例是通过非限制性示例给出的，并在附图中示出，其中：

图1示出了根据本发明一个实施例的包括监控设备的电气单元的总图；

图2示出了根据本发明一个实施例的方法的学习阶段；

图3示出了根据本发明一个实施例的设备和方法的加载阶段；

图4示出了根据本发明一个实施例的设备和方法的初始化和处理阶段；

图5示出了对于不同操作温度在待监控电气单元断开期间的信号的测量曲线；

图6示出了根据本发明一个实施例的设备和方法的第一描述符；

图7示出了根据本发明一个实施例的设备和方法的第一描述符随温度的变化曲线，以及关注点随温度的变化曲线；

图8示出了在学习阶段期间生成并且在根据本发明一个实施例的设备和方法中使用的第一描述符的表现曲线；

图9和图10示出了用于根据本发明一个实施例的设备和方法的第二描述符的建模；

图11示出了根据本发明一个实施例的设备和方法的第二描述符随温度的变化曲线，以及关注点随温度的变化曲线；

图12示出了在学习阶段期间生成并且在根据本发明一个实施例的设备和方法中使用的第二描述符的表现曲线；

图13示出了处于良好或新条件的单元的信号测量曲线和磨损单元的信号测量曲线；

图14示出了根据本发明一个实施例的方法的初始化阶段的步骤；

图15示出了根据本发明一个实施例的方法的监控阶段；以及

图16示出了根据本发明一个实施例的方法的监控阶段的步骤。

具体实施方式

在图1中，接触器类型的电气单元1包括一个或多个高功率电触头2，以向负载3供电或中断向负载3的电力供应。电触头由电磁线圈4控制。控制电路5控制电磁线圈4以闭合或断开触头2。电路5还在触头闭合时的浪涌阶段(surge phase)期间以及在以降低的能量和控制电流保持触头闭合的阶段期间控制线圈中流动的电流。

用于诊断单元1的磨损的设备10与电气单元相关联或形成电气单元的一部分。设备10接收表示线圈4上的电量(诸如电压或电流)的信号，以控制触头。有利地，设备10与线圈并联，以便接收在触头断开时由线圈生成的电压信号。也可以使用来自线圈中流动的电流的信号。然而，在优选实施例中，电压信号有利地更加稳定和易于使用。因此，设备10包括连接到线圈4的模数转换器6、连接到转换器的用于接收信号和处理对电气单元的诊断的诊断模块7、以及用于发信号传递电气单元的状态尤其是其触头的磨损级别的设备8。诊断模块7也可以与另一外部或单独的处理模块9连接并用其处理数据。在这种情况下，诊断设备分为两个或更多个部分。外部部分也可以为几个设备共用或集中使用。处理模块9可以提供单元状态的远程信号传递。不用说，模块和设备之间的通信可以采用有线或无线通信的形式。

因此，对诸如接触器的电气单元的磨损进行监控和诊断优选地通过分析在所述接触器断开时线圈上的电压来执行。该电压表示接触器的可移动部分的移动速度。在这种情况下，触头的磨损导致电气单元的可移动部分的移动速度降低。

对电气单元的磨损状态的诊断包括在所述单元的生命周期期间对大量产品执行的前期学习阶段。有利地，该学习也可以通过数值仿真来执行，以便确定描述符随时间的表现(尤其是D1、D2)与单元状态的数量特性(诸如触头的磨损)之间的关系。该学习阶段允许获取学习数据，该学习数据将首先被存储在存储器中，被建模并存储，然后被加载到待监控的每个单元中，以监控其自身的磨损。图2示出了学习阶段11和学习数据的存储装置12。

在学***均尺寸的电气单元为30ms至50ms。这些持续时间可能会取决于单元的尺寸和类型而有很大不同。信号通常用几百个样本采样，例如，在80到500个样本之间，但是也可以使用不同的数量；这将取决于在诊断设备中使用的处理器的计算能力。

在学习阶段，电气单元会经历大量的演练，该演练允许遵循单元的生命。对于接触器，演练的数量可以例如达到800000次，尽管也可以使用其他值。由于数据量可能相当大，所以通过与电气特性相关联的对温度变化不敏感的描述符D1、D2和在电气单元的生命期间所述描述符的表现曲线CD1、CD2来定义电气单元特性随时间的表现。为了进一步减小随后将被加载到待诊断单元的设备中的学习数据的大小，描述符的表现曲线CD1、CD2以表示a+bx类型的直线段的数据形式记录。一条随时间变化的表现曲线可能具有定义了单元生命的若干连续的直线段。描述符随时间变化的表现曲线CD1、CD2的集合在产品生命内形成了若干维度的空间。曲线的部分或描述符的值与电气单元的状态或磨损等级相关联。考虑到单元的演练数量，测量曲线不必在每次断开时获取。测量曲线的获取可以按照演练数量的间隔有规律地间隔开，或者根据单元随时间的变化以更相关的方式有规律地间隔开。例如，在生命即将结束时，演练的数量可能会更频繁，而在生命开始时，演练的间隔很长。

学***均的曲线。

因此，在学习阶段结束时，诸如描述符的表现曲线CD1、CD2的学习数据，以及潜在的磨损参考曲线CRU首先被存储在存储器中，被建模并存储，然后被加载到每个单元中，以监测其自身的磨损。该学习数据对于与同一类型的单元相关联的所有监控设备来说是共用的。图3示出了用于加载先前存储在待诊断的单元中的学习数据的阶段13。图4示出了根据本发明一个实施例的设备和方法的初始化阶段14和处理阶段15。

在第一优选实施例中，根据本发明的诊断方法包括：

-前期学习阶段11，用于在多个预定演练期间收集表示至少两条描述符表现曲线的学习数据，所述描述符表现曲线表示所述电信号在所述电气单元生命期间的预定义特性，

-将所述学习数据CD1、CD2存储12在存储器中，

-加载13所述学习数据CD1、CD2，以及

-在所述阶段15中使用学习数据以监控所述电气单元。

在优选实施例中，根据本发明的诊断方法还包括初始化阶段14，以确定包括待控制的产品的特定参考曲线CRP的初始化数据，并在所述电气单元的监控阶段15中使用所述初始化数据。

在监控阶段期间，在测量曲线CM的获取期间确定特定于每个单元的对温度变化不敏感的局部描述符DL1、DL2。这些描述符与用于生成对温度变化不敏感的描述符的全局表现曲线CD1、CD2的那些描述符类型相同。在包括对温度变化不敏感的至少两个描述符D1、D2的优选实施例中，这些描述符将分别产生先前生成、记录和加载的全局表现曲线CD1、CD2，以及分别产生来自电气单元断开期间的测量曲线的特定于每个单元的两个局部描述符DL1、DL2。

图5示出了测量曲线CM，即CM-25、CM0、CM25、CM50、CM75、CM100，分别表示在不同操作温度-25、0、25、50、75和100摄氏度下、电气单元断开时控制线圈上的电压信号。这种曲线也可以只是电气单元的监控阶段期间的测量曲线CM，作为用于生成描述符表现曲线的学习阶段期间的测量曲线。在这些曲线上，第一关注点20对应于其值相对增加然后减小的、曲线CM的电压变化方向的第一次改变。点20也被识别为信号导数的第一次反转。随后，第二关注点21对应于其值相对减小然后增加的、曲线CM的电压变化方向的第二次改变。在第二关注点21处，存在测量曲线CM的信号导数的第二次反转。

图6示出了根据本发明一个实施例的设备和方法的第一描述符D1。该第一描述符D1对应于从测量曲线CM的第一点23开始的曲线CM的曲面22或者积分。所述第一点23取决于测量曲线CM的第一关注点20，所述第一关注点20对应于信号变化方向的第一次改变或者所述测量信号的导数的符号改变。第一关注点20表示电气单元的可移动部分的移动的开始。第一描述符D1也表示释放，换句话说，其表示当来自触头压力的弹簧力变得比与单元可移动部分开始断开相对应的磁力更大时的磁通量。因此，由其开始取决于第一关注点20的积分所确定的描述符D1对触头磨损非常敏感，而对温度变化非常不敏感。描述符D1在本质上基于取决于触头磨损的磁通量的表现。优选地，取决于电气单元的动态表现，信号的积分22从第一关注点20出现的时间t2之前的时间t1开始，时间t1在10ms和0ms之间。在图6中，信号的积分终止于曲线CM的信号捕获的终点t_f。在优选的操作模式中，当线圈电压信号基本为零或接近零伏时，例如绝对值小于2伏时，积分22结束。然而，积分可以被限制为固定的持续时间，例如，信号的积分可以持续在30ms到40ms之间。

图7示出了根据本发明一个实施例的设备和方法的第一描述符D1随温度的变化曲线，以及第二关注点21单独随温度的变化曲线。该比较表明，在-20℃至100℃的温度范围内，由积分22确定的描述符D1具有小于±2％的精度，而点21单独可以达到±6％。总的来说，在0到100℃之间，与单独基于点21的描述符相比，描述符D1对温度变化的敏感度低了10倍。

图8示出了在学习阶段期间生成并且在根据本发明一个实施例的设备和方法中使用的第一描述符D1的表现曲线CD1。

图9和图10示出了用于根据本发明一个实施例的设备和方法的第二描述符D2的建模。第二描述符D2对应于在曲线CM上测量的信号的第二关注点21的位置，或者对应于第二关注点21相对于初始参考曲线或线25的差24，初始参考曲线或线25是针对在一温度范围(例如，-25℃到85℃)内定义的新单元的第二关注点21，P-25、P25、P85，而定义的。所述第二关注点21对应于在测量曲线CM上诸如信号变化的符号改变的值的变化，所述信号在第二关注点附近减小然后增加相对值。在图9和图10中，新单元的第二关注点P-25、P25、P85分别用三个温度值-25℃、25℃和85℃定义。通过使用取决于一温度范围内的新单元的参考线25，并且通过验证待监控单元的关注点21在参考曲线上的位置，表示差24的描述符D2变得对温度相对不敏感，因为温度变化的影响被自动补偿。

在作为获取测量的完整视图的图9中以及在作为详细视图的图10中，曲线CM-25、CM25和CM85分别对应于不同温度-25℃、25℃和85℃的学习期间的曲线。在不同温度分别为-25℃、25℃和85℃的学习阶段中，新单元的关注点21，P-25、P25、P85，允许定义参考线25。优选地，该线是线性的，但其可以采取各种更复杂的形式。差24通过比较可能磨损的待监控单元的第二关注点21的值与参考线25而产生第二描述符D2。在图10中，在时间t3，检测到磨损单元的第二关注点21；然后将该点与同一时间t3附近的参考曲线25的值26进行比较。在此时t3，差24的值允许确定描述符D2的值。

图11示出了根据本发明的一个实施例的设备和方法的第二描述符D2随温度的变化曲线，以及关注点21单独随温度的变化曲线。该比较表明，通过待监测单元的点21相对于在不同温度下预先记录的新单元的点21的参考线的差来确定的描述符D1，在从-20℃至100℃的温度范围内具有小于±1％的精度，而点21单独可以达到±8％。确定描述符D2的这种模式提供了温度的自动补偿。

选择对温度、温度差或温度变化不敏感的描述符D1和D2，以便描述符D1和D2在-20℃和80℃之间的差值小于5％。因此，根据本发明的一个实施例，对温度不敏感的至少一个描述符D1、DL1、D2、DL2在-20℃和80℃之间的差值小于5％。

图12示出了在学习阶段期间生成并且在根据本发明一个实施例的设备和方法中使用的第二描述符D2的表现曲线。

曲线CD1和CD2表示描述符D1和D2随时间的变化，该描述符D1和D2来自在学习阶段期间用大量测量建立的学习曲线。随后，这些许多值被建模为直线段，以产生描述符的表现曲线CD1和CD2，这些曲线将被加载到待监控单元中。图8和图12中示出的这些曲线包括例如几段。段的数量不受限制，并且有利地在1和20之间的范围内。然而，其他建模模式也是可能的，例如使用逐步或多项式方法。因此，加载的学习数据表示描述符表现曲线CD1、CD2，所述描述符表现曲线表示所述电信号在电气单元的生命期间的预定义特性。

在描述符的表现曲线CD1、CD2的开始处，描述符与新的或测试(beingrun in)的单元的全局等级CL1相关联，而在曲线的末尾，描述符与磨损单元的等级CL3相关联。在等级CL1和CL3之间，描述符与正常操作中单元的等级CL2相关联。

使用至少两个或更多个描述符D1、D2允许更精确或更确定地检测待监控电气单元的磨损状态。上文描述的描述符取决于电量。然而，也可以通过结合电量和环境量(诸如温度或单元的水平或垂直位置)来使用其他描述符。这种量可用于根据环境选择描述符。描述符的曲线也可以根据电气单元的使用类型来选择。允许定义产品或电气单元的类型以及所述单元的使用的参数设置也在加载阶段期间通过相应的学习数据被加载。

当学习数据被加载到准备运行对电气单元(诸如接触器)的磨损的诊断监控的设备中时，初始化阶段允许在存储器中存储特定于待监控的单元的初始数据。在这些初始特性中，有利地是获取特定参考曲线CRP。该参考曲线优选地在与预定数量的首次断开相对应的单元的“测试(running in)”之后和/或当测量曲线CM的变化变得稳定时被存储在存储器中。

图13示出了曲线的两个示例：新单元的第一测量曲线CM，其也可以是特定参考曲线CRP，以及磨损单元的测量曲线CM，其也可以是可以被预加载的磨损单元的参考曲线CRU。单元生命期间的其他测量曲线CM将落入这两条参考曲线CRP和CRU之间。

图14示出了表示用于确定所述初始化数据的初始化阶段14的流程图，所述初始化数据包括待监控产品的所述特定参考曲线CRP，监控设备被安装在该产品上，或监控设备与该产品相关联。步骤30显示初始化阶段的开始。用于确定特定参考曲线CRP的过程31包括获取连续测量曲线的处理步骤32和用于监控曲线稳定性的步骤33。在预定数量Nstable的测量之后，和/或当测量曲线CM在两个连续测量CMn和CMn-1之间变化很小时，曲线CM被认为是稳定的。

在步骤34，当每次断开后曲线之间的差异变得较小时，在最小数量的演练之后，测量曲线CM被记录为特定参考曲线CRP。该曲线表示在“测试”后产品生命开始时的电压或电流的电气特性。该电气特性在产品生命结束前一直有效。在另一实施例中，为了进一步改进待记录曲线的稳定性，特定参考曲线CRP也可以是几条稳定曲线CM的平均。步骤35表示产品的监控阶段。

图15示出，在加载阶段13和初始化阶段14之后，当电气单元断开时，监控阶段15运行监控，其中在加载阶段13，与表示所述电气单元的产品类型相对应的学习数据被预先加载，而在初始化阶段14，与所述待监控单元相对应的初始化数据被存储在存储器中。

在该特定实施例中，步骤36检测电气单元的断开。当检测到断开时，步骤37执行对单元的监控。这种检测可以通过设备外部的信号或者通过对测量信号或其变化的分析来执行。监控阶段优选地在电气单元每次断开时运行。然而，它也可以以间隔更大的方式运行，例如在预定数量的断开之后运行。监控还可以取决于单元的生命，例如，为了更高的精度，监控可以在测试阶段后的生命开始时不太频繁，而在生命结束时更加频繁。

图16示出了根据本发明一个实施例的监控阶段15的流程图，其中具有监控步骤37的细节。

所述监控阶段包括：

-在步骤40，在所述电气单元断开时进行测量并获取测量曲线CM，

-在步骤41，根据所述测量曲线CM的值、所记录的初始化数据CRP的值和第一次加载的学习数据的值来确定所述测量曲线CM的局部描述符DL1、DL2的值，所述局部描述符DL1、DL2中的至少一个是对温度差不敏感的描述符，并且取决于所述测量曲线CM的关注点20和/或21，

-在步骤42，确定测量曲线CM的对温度差不敏感的局部描述符DL1、DL2的值相对于第二学习数据CD1、CD2的位置，以及

-在步骤43-45，根据测量曲线CM的描述符DL1、DL2的值相对于已加载的第二学习数据的所述位置值来确定全局状态等级。

优选地，全局状态等级的确定包括：

-在步骤43，确定测量曲线CM的局部描述符DL1、DL2的值和相应的描述符表现曲线CD1、CD2之间的点或最接近的差，

-在步骤44，根据描述符相对于所述描述符表现曲线的最接近的位置来确定中间状态等级CLI，

-在步骤45，根据所述中间等级的结果来选择所述全局等级，以及

-在步骤46，发信号传递或通信传达单元的全局磨损等级。

在步骤43，确定最接近的差可以优选地以全局方式来执行，例如利用由所有描述符的值定义的点。然而，也可以在每个描述符上单独执行，或者以其中一部分描述符被分组而另一部分描述符为单独的混合方式或半全局方式执行。

在步骤46，用于发信号传递电气单元的状态的设备8可以用用于该等级值的可视指示或单独通道来显示全局磨损等级。然而，等级值可以被分组，尤其是用于测试的单元的等级和用于正常操作的等级可以以分组的方式或在单个信号上一起用信号传递。

根据本发明的一个实施例，用于诊断电气开关单元的磨损状态的设备连接到用于致动电气开关单元的触头的电磁线圈。该设备包括用于实施上述诊断方法的处理电路。

根据本发明的包括由控制电磁线圈致动的高功率电触头的电气单元包括用于诊断电气开关单元的磨损状态的设备，该电气开关单元连接到所述电磁线圈，用于致动所述触头以实施上述诊断方法。

该设备和方法可以永久地或临时地在待监控的单元上实施。它们也可以在已经安装的电气单元上实施。此外，该方法的某些步骤可以以接近该单元的本地方式执行，而其他步骤可以远程或以集中方式执行。例如，曲线CM的获取可以是本地的，而其余的处理可以远程执行，以进行更精细的计算。在这种情况下，处理任务在如图1所示的本地模块7和远程模块9之间共享。

在学习和监控阶段期间识别了几种类型的负载或使用类别。负载类型的处理优选地在学习阶段期间以考虑不同情况的方式全局地执行。例如，几个单元将在不同类型的负载下使用一段时间。描述符表现曲线将表示具有不同负载或使用条件的单元的曲线。

电气单元(诸如电接触器)的使用类别主要取决于：

-负载类型：非感应式、感应式、滑环式电机、鼠笼式电机；

-控制命令类型：通电、关闭、启动、制动、微动；

-应用类型：配电、加热、压缩机、通风、电梯、泵、各种机器；和/或

-几种标准的组合。

还可以识别负载类型或特定用途，并可以相应地表征该方法。例如对于电容性负载或其他。

每种用途的磨损类别由描述符定义。它们允许表征产品的状态，并提供产品生命的指示。

主要等级的非限制性列表可以是：

-等级1：新产品或测试的产品，

-等级2：使用中的产品，

-等级3：磨损产品，

-等级4：报废产品。

在上文描述的优选实施例中，基于对接触器线圈上电压的测量，有利地执行对接触器磨损的评估。然而，也可以使用其他信号，尤其是表示线圈中流动的电流的信号。