스위칭 장치의 안전 동작을 위한 방법 및 장치

스위칭 장치의 안전 동작을 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR THE SECURE OPERATION OF A SWITCHING DEVICE}

본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 스위칭 장치의 안전 동작 방법 및 청구항 제 8 항의 전제부에 따른 대응 장치에 관한 것이다.

스위칭 장치들, 특히 저전압 스위칭 장치들에서, 전원 장치와 로드들 사이의 전류 경로들 및 이에 따른 동작 전류들은 스위칭될 수 있다. 이것은 전류 경로들이 스위칭 장치에 의해 개방 및 폐쇄됨으로써, 접속된 로드들이 안전하게 스위칭 온 및 오프될 수 있는 것을 의미한다.

예를들어, 접촉기, 회로 차단기 또는 소형 스타터(starter) 같은 전기 저전압 스위칭 장치는 전류 경로들을 스위칭하기 위하여 하나 또는 그 이상의 제어 자석들에 의해 제어될 수 있는 하나 또는 그 이상의 소위 메인 접촉부들을 가진다. 본래, 이 경우 메인 접촉부들은 이동 접촉 링크(movable contact link) 및 고정된 접촉편(contact piece)들을 포함하고, 상기 메인 접촉부들에 로드 및 전원 장치가 접속된다. 메인 접촉부들을 페쇄 및 개방하기 위하여, 대응하는 스위칭 온 또는 스위칭 오프 신호는 제어 자석들에 제공되고, 이에 따라 상기 제어 자석들은 접촉 링크들이 고정된 접촉편들에 관련하여 상대적 이동을 완료하고 스위칭될 전류 경로가 폐쇄 또는 개방되는 방식으로 이동 접촉 링크들상 접극자(armature)와 함께 작동한다.

접촉편들 및 접촉 링크들 사이의 보다 우수한 접촉을 제공하기 위하여, 대응하여 설계된 접촉면들은 두 개가 서로 만나는 포인트들에 제공된다. 이들 접촉면들은 예를들어 은 합금들 같은 재료들로 구성되고, 상기 은 합금들은 이들 포인트들에서 접촉 링크 및 접촉편들 양쪽에 제공되고 특정 두께를 가진다.

접촉면들의 재료들은 각각의 스위칭들시 마모된다. 이런 마모에 영향을 미칠 수 있는 요소들은 증가하는 스위칭 온 및 스위칭 오프 동작들의 수, 증가하는 변형들, 아크들, 또는 증기들 또는 부양 재료 같은 환경 영향들의 효과로 인해 증가하는 접촉부 부식과 함께 증가하는 접촉부 부식 또는 접촉부 마멸이다. 결과적으로, 동작 전류들은 더 이상 안전하게 스위칭되지 못하고, 전류 중단들, 접촉부들의 가열 또는 접촉부 용착을 유발할 수 있다.

따라서, 접촉면들에 제공된 재료들의 두께는 특히 접촉부 부식의 증가와 함께 감소될 것이다. 그러므로 접촉 링크 및 접촉편들의 접촉면들 사이의 스위칭 경로는 보다 길어지고, 궁극적으로 폐쇄 동안 접촉 힘을 감소시킨다. 결과적으로, 스위칭 동작들의 수 증가로 인해 접촉부들은 더 이상 올바르게 폐쇄되지 못한다. 결과적인 전류 중단들 또는 접촉부들의 증가된 스위칭 온 바운싱(bouncing)으로 인해, 접촉부들은 가열되고 그러므로 접촉부 재료는 증가된 범위까지 녹을 수 있고, 차례로 메인 접촉부들의 접촉면들의 용착(welding)을 유발할 수 있다.

만약 스위칭 장치의 메인 접촉부가 마모되었거나 심지어 용착되었다면, 스위칭 장치는 더 이상 안전하게 로드를 스위칭 오프하지 못한다. 따라서, 정확하게 접촉부가 용착된 경우, 적어도 용착된 메인 접촉부를 가진 전류 경로는 스위칭 오프 신호에도 불구하고 전류 또는 전압을 계속하여 운반할 것이고, 그러므로 로드는 전원 장치로부터 완전히 절연되지 못한다. 그러므로, 로드가 안전하지 못한 상태에 있기 때문에, 스위칭 장치는 잠재적인 결함 원인을 나타낸다.

결과적으로, 부가적인 보호 메카니즘이 스위칭 동작 동안 제어 자석과 동일한 메인 접촉부들에 작용하는 IEC 60 947-6-2에 따른 소형 스타터들의 경우, 보호 기능은 방해될 수 있다.

스위칭 장치들의 안전한 동작, 및 로드 및 전기 시스템을 보호하기 위하여, 상기 결함 원인들은 제거될 필요가 있다.

본 발명의 목적은 상기 잠재적인 결함 원인들을 식별하여 대응하는 방식으로 상기 원인들에 응답하는 것이다.

이 목적은 청구항 제 1 항의 특징부들을 가진 방법 및 청구항 제 8 항의 특징부를 가진 장치에 의해 달성된다.

그러므로, 본 발명은 거의 복잡하지 않게 스위칭 오프동안 접촉부 용착을 식별하고 따라서 더 이상 안전하지 않은 스위칭 장치의 동작을 식별하여 대응하는 방식으로 상기 동작에 응답하는 것이다.

본 발명에 따라, 이런 목적을 위하여 적어도 하나의 메인 접촉부의 이동 접촉부 링크가 개방 포인트를 초과하였는지 여부가 스위칭 오프 동안 스위칭 장치의 동작 동안 식별되고, 스위칭 장치의 계속되는 동작은 미리 결정된 시간 기간 후, 개방 포인트가 초과되지 않으면 중단된다.

이 경우 미리 결정된 개방 포인트는 접촉 링크의 이전에 결정된 개방 경로에 해당하고, 상기 포인트에서 상기 접촉 링크는 접촉편들에 여전히 접속된다. 그 다음, 스위칭 오프 후, 즉 적어도 하나의 메인 접촉부의 목표된 개방 후, 개방 경로가 미리 결정된 개방 포인트 보다 작거나 또는 적어도 작거나 같으면, 용착이 있고 이에 따라 스위칭 장치의 동작이 안전하지 않다는 것이 가정된다.

스위칭 장치들에서 이동 접촉 링크들은 이 경우 종종 활 형태이고, 각각의 경우 하나의 접촉면은 상기 활의 두 개의 대향 단부들에 제공된다. 스위칭 장치가 스위칭 온될 때, 접촉 링크는 상기 접촉 링크의 접촉면들이 두 개의 연관된 고정 접촉편들의 대응하는 접촉면들과 만나고 그러므로 로드를 전원 장치에 접속하는 방식으로 이동된다. 그러나, 스위칭 오프 동안, 접촉 링크는 상기 접촉 링크의 대응하는 접촉면들이 절연되는 방식으로 이동되고, 따라서 메인 접촉부는 개방되고 그러므로 로드는 전원 장치로부터 절연된다. 순서적으로, 특히 스위칭 온 동안, 두 개의 접촉편들이 고정된 접촉편들의 대응하는 접촉면들과 만나는 것을 확실하게 보장하기 위하여, 접촉 링크들은 단단한 것이 아니고, 특정한 허용 가능한 가요성을 가지도록 설계된다. 만약 대응하는 고정 접촉편들의 접촉면들과 접촉 링크의 접촉면들 중 적어도 하나의 용착 또는 본딩이 발생하면, 스위칭 오프 동안 접촉 링크는 우선 가요성으로 인해 구부러지고 개방 상태에서 스위칭 장치의 안전 동작을 나타내지 않는 위치에 남아있는다.

만약 계속되는 동작 동안 상기 안전하지 않은 동작의 발생이 모니터되고 식별되면, 스위칭 장치의 계속된 동작은 적당한 때 억제될 수 있다.

따라서, 예를들어 접촉기, 회로 차단기 또는 소형 브랜치 같은 스위칭 장치의 안전한 동작 및 특히 3개의 극 스위칭 장치의 안전한 동작은 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치를 사용하여 보장된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예들 및 바람직한 개선들은 종속항들에 제공된다.

본 발명 및 그것의 바람직한 실시예들은 다음 도면들을 참조하여 하기에 보다 상세히 기술될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 방법의 간략화된 흐름도이다.

도 2는 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예를 도시한다.

도 3은 본 발명에 따른 장치의 제 2 실시예를 도시한다.

도 4는 본 발명에 따른 장치의 제 3 실시예를 도시한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법에서 필수적으로 두 개의 다음 단계들은 스위칭 오프 신호 이후 수행된다:

단계 a) 스위칭 오프 후 적어도 하나의 메인 접촉부의 이동 접촉 링크가 개방 포인트를 초과하였는지 여부를 식별하는 단계,

단계 b) 미리 결정된 시간 기간 후, 개방 포인트가 초과되지 않으면 스위칭 장치의 계속된 동작을 중단하는 단계.

따라서, 스위칭 오프 동작 후, 즉 특히 3개의 극 스위칭 장치의 3개의 메인 접촉부들을 개방하기 위한 스위칭 오프 신호 후, 스위칭 장치의 메인 접촉부들 모두가 개방되었는지 여부를 조사하기 위한 검사가 수행된다.

이 경우, 메인 접촉부는 이동 접촉 링크를 통하여 서로 접속되는 두 개의 접촉편들을 포함한다. 즉, 메인 접촉부는 스위칭 온 또는 오프될 수 있고, 따라서 로드는 전원 장치에 접속되거나 분리될 수 있다. 일반적으로, 스위칭 장치들에서 이동 접촉 링크들은 그들이 활 모양을 가지도록 설계되고, 각각의 경우 하나의 접촉면은 상기 활의 두 개의 대향 단부들에 제공된다. 스위칭 장치가 스위칭 온될 때, 이들 접촉 링크들은 상기 접촉 링크들의 접촉면들이 접촉편들의 대응하는 접촉면들과 만나고 그러므로 전원 장치에 로드를 접속시키도록 이동된다. 그러나, 스위칭 오프 동안, 접촉편들은 대응하는 접촉편들이 분리되고 그러므로 로드가 전원 장치로부터 분리되는 방식으로 이동된다. 순서적으로, 특히 스위칭 온 동안, 두 개의 접촉면들이 고정 접촉편들의 대응하는 접촉면들과 만나는 것을 확실하게 보장하기 위하여, 이들 접촉 링크들은 단단하게 설계되는 것이 아니고, 특정하게 허용 가능한 가요성을 가진다. 이런 가요성은 예를들어 적당한 재료의 선택 또는 접촉 활의 성형에 의해 이루어진다.

따라서, 각각의 이동 가능하고 가요적인 접촉 링크는 한 쌍의 접촉면들을 가지며 그러므로 두 개의 스위칭 포인트들을 가진다. 만약 이들 접촉면들이 연관된 접촉 활들의 대응하는 접촉면들에 용착되면, 스위칭 포인트들은 상기 용착으로 인해 더 이상 개방되지 않고, 스위칭 장치의 잘못된 기능이 발생한다. 이 경우, 스위칭 장치의 가능한 결함은 접촉부 활의 한 측면상 단지 하나의 접촉면이 용착될 때 제공될 수 있다. 이 경우, 개방 동안, 접촉 링크는 단지 한쪽에서만 접촉편들로부터 멀리 이동할 것이다. 다른 측면에서의 본딩으로 인해, 접촉 링크는 미리 결정된 가요성의 범위 내에서 이동할 수 있을 것이고, 따라서 개방 상태에서 스위칭 장치의 안전한 상태에 해당하지 않는 위치에 남아있을 것이다. 다른 가능한 결함의 경우, 접촉 링크의 두 개의 접촉면들은 접촉 부분들의 대응하는 접촉면들에 용착된다. 이 경우, 양쪽 측면들상의 용착으로 인해, 접촉 링크는 차례로 미리 결정된 가요성 범위 내에서만 구부려질 것이고, 따라서 개방 상태에서 스위칭 장치의 안전한 동작 상태를 나타내지 않는 위치에 남아있을 것이다.

본 발명에 따라, 이동 접촉 링크들이 개방 동안 특정한 개방 경로를 커버하는지 여부를 조사하기 위하여 검사가 수행되고, 상기 개방 경로는 미리 지정되고 그러므로 미리 결정된 개방 포인트 보다 크다. 심지어 미리 결정된 시간 기간이 경과된 후 조차, 만약 접촉 링크들 중 하나의 식별된 개방 경로가 개방 후 여전히 개방 포인트 이하에 있으면, 접촉 용착이 있다는 것이 가정될 수 있고, 그 결과 스위칭 장치의 계속적인 동작은 중단될 필요가 있다.

만약 결함이 있는 경우, 계속된 동작의 중단은 예를들어 리던던트 추가 장치 내부 스위칭 엘리먼트 개방에 의해 발생할 수 있고, 상기 스위칭 엘리먼트는 메인 접촉부들과 직렬로 접속된다. 메인 접촉부들이 개방되었는지 폐쇄되었는지 여부와 무관하게, 스위칭 엘리먼트는 전원 장치로부터 로드를 분리한다. 스위칭 엘리먼트가 더 이상 쉽게 폐쇄되지 못한다는 결과로 인해, 스위칭 장치의 계속된 동작은 확실히 억제된다. 결함의 경우 이런 부가적인 스위칭 엘리먼트를 개방하는 것에 대한 대안으로서, 리셋될 때까지 제어 자석의 구동은 중단되고 그러므로 차단될 수 있다. 게다가, 대응하여 제공된 에너지 저장 메카니즘은 다시 멀리 분리되고 그러므로 개방되는 방식으로 용착된 메인 접촉부(들)에 내부적으로 작동하는 장치를 트리거할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 장치를 가진 스위칭 장치(110)의 제 1 실시예를 개략적으로 도시한다. 메인 접촉부들(10)을 스위칭 온 및 오프하기 위한 스위칭 온 및 스위칭 오프 제어 신호들은 단자들(A1 및 A2) 및 제어 장치(16)를 통하여 제어 자석들(12)에 제공된다. 스위칭 오프 동안, 메인 접촉부들에 대한 전자석 드라이브(12)로서 작동하는 제어 자석은 제어 장치(16)를 통하여 에너지가 분리된다. 이 경우, 접촉 로드 스프링(17)에 대한 카운터 힘은 접속부(18)를 통하여 접촉 링크들에 작용한다. 메인 접촉부들(10)은 이런 방식으로 개방되고 그러므로 로드(M)는 이 경우 3개의 라인들(L1-L3)에 의해 식별되는 전원 장치로부터 분리된다.

제어 자석(12)에 에너지가 분리되면, 부가적으로 접촉 링크들이 미리 결정된 개방 포인트를 초과하였는지 여부를 조사하기 위하여 전극들(11 및 11')을 통해 평가 장치(15)에 의해 검사가 수행된다. 메인 접촉부들(10) 양단의 전압 강하를 측정하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예에서 메인 접촉부(10)의 하나의 상류쪽 및 메인 접촉부의 하나의 하류쪽에 정확하게 두 개의 전극들(11 및 11')은 각각의 전류 경로에 제공된다. 본 발명에 따라, 일단 메인 접촉부들(10)이 스위칭 오프되면, 메인 접촉부들(10)을 통한 전압 검사는 전극들(11 및 11')을 통하여 평가 장치(15)에 의해 수행된다. 만약 메인 접촉부들(10) 중 하나에서 전압 강하가 너무 낮으면, 이것은 상기 메인 접촉부가 충분히 개방되지 않았다는 사실의 표시이다. 즉, 스위칭 오프 동안 접촉 링크에 의해 커버된 개방 경로는 미리 결정된 값을 초과하지 않고, 용착 가능성이 높다.

예를들어 100ms의 미리 결정된 시간 기간 후, 스위칭 오프 신호가 트리거되기 때문에, 여전히 너무 작은 개방 경로가 식별되면, 스위칭 장치의 계속된 동작이 중단되는 것이 보장될 필요가 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 평가 장치(15)는 설계에 제공되지 않은 접속부를 통하여 제어 장치(16)에 접속된다. 만약 상기 결함이 평가 장치(15)에 의해 식별되면, 이런 결함은 제어 장치(16)에 통신되고, 상기 제어 장치(16)는 적어도 하나의 제어 라인들을 차단시킨다.

게다가, 본 발명의 예시적인 실시예에서 트립핑 메카니즘(즉, 트리거링 메카니즘)(14)은 활성화되어 스프링 에너지 저장소(13)는 언래치(unlatch)된다. 상기 스프링 에너지 저장소들은 예를들어 회로 차단기들 또는 소형 스타터들로 이전에 공지된 스위칭 메카니즘들일 수 있다. 그 다음 상기 스위칭 메카니즘은 용착된 메인 접촉부들을 떨어뜨리기 위하여 스위칭 장치의 스위칭 포인트들 중 개방되지 않은 메인 접촉부들(10)에 기계적으로 강한 힘을 가한다. 메인 접촉부들을 떨어뜨리기 위하여, 스프링 저장소(13)의 힘은 대응하여 높은 크기일 필요가 있다. 그 다음 스프링 저장소(13)는 언래치된 위치에 남아있고 더 이상 리셋되지 않거나, 상기 스프링 저장소(13)는 스프링이 다시 텐션(tension)되고 트립핑 메카니즘(14)이 다시 래치될 수 있는 메카니즘을 가진다. 상기 메카니즘들(13 및 14)이 수동으로만 리셋될 수 있기 때문에, 조작자는 결함을 인식하게 되고 예를들어 스위칭 장치를 되돌림으로써 대응하여 상기 결함에 대해 응답할 필요가 있다.

본 발명에 따른 방법이 사용되는 도 2에 도시된 본 발명의 실시예는 만약 메인 접촉부들(10) 각각이 특히 단지 하나의 메인 접촉부를 가진 단일 위상 스위칭 장치들의 경우 독립적으로 모니터될 필요가 있으면 특히 적당하다. 만약 접촉 링크의 접촉면들 모두가 본딩되면, 더 이상 안전하지 않은 메인 접촉부(10)의 상태는 예를들어 전극 쌍(11 및 11')을 통하여 메인 접촉부(10)에 인가된 보조 전압을 사용하여 식별될 수 있다. 이 경우, 개방 후, 보조 전압은 본딩된 메인 접촉부를 가로질러 계속 존재할 것이다. 메인 접촉부의 등가 저항으로 인해 발생하는 이런 보조 전압 또는 전류를 모니터링하는 평가 장치(15)에 의해, 이런 메인 접촉부(10)의 접촉 링크가 용착으로 인해 개방 포인트를 초과하지 않은 것을 식별하는 것은 가능하다. 그 다음 평가 장치는 이런 식별된 결함을 제어 장치(16)로 전달하고 그러므로 발생된 결함으로 인한 스위칭 장치의 계속된 동작을 차단할 것이다. 보조 전압을 사용하는 상기된 방법에 대한 대안으로서, 다른 실시예들은 생각될 수 있다. 따라서, 예를들어 전극(11)의 로드측 및 전극(11')의 시스템측 사이의 전압들의 차이는 평가 장치를 통하여 평가될 수 있다. 또는 매우 간단히 로드측 전극(11)의 시스템 전압의 존재는 검사된다.

보다 상세히 도시되지 않은 다른 예시적인 실시예에서, 전류 경로 당 하나의 전류 센서만이 제공될 수 있다. 이것은 특히 두 개의 위상 또는 다수의 위상 스위칭 장치들에 사용된다. 그 다음, 스위칭 오프 후 개방 포인트가 초과되었는지 여부가 각각의 전류 경로들에서 전류 측정을 통하여 식별된다. 전류 측정으로 인해, 만약 개방 포인트가 초과되지 않은 것이 식별되면, 스위칭 장치의 계속된 동작은 중단된다.

도 3은 본 발명에 따른 장치의 다른 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하고, 여기서 스위칭 포인트(20)의 접촉 링크들에서 식별될 개방 경로는 평가 장치(25)에 의해 직접 질문된다. 이것은 예를들어 도 3에 더 이상 상세히 도시되지 않은 대응하는 수단(21)에 의해 발생한다. 따라서 예를들어 만약 메인 접촉부들이 스위칭 온 동안 폐쇄되면 제 1 상태로 변화되게 되고 그리고 만약 적어도 하나의 메인 접촉부들이 용착되면 스위칭 오프후 조차 제 1 상태에 남아있는 스위칭 모니터링 수단이 제공되는 것은 가능하다.

이 경우, 만약 이들 수단이 스위칭 오프 후 제 1 상태에 남아 있는다면 식별된 개방 경로가 미리 결정된 값 아래로 떨어지는 것이 가정되고, 상기 상태는 개방 후 미리 결정된 상태에 해당하지 않는다.

본 발명에 따른 방법이 사용되는 도 3에 도시된 본 발명의 실시예는 만약 접촉면의 용착 또는 본딩이 접촉 링크의 한쪽 측면에서만 식별되면 특히 적당하다. 정확하게 결함의 경우, 메인 접촉부(20)는 로드가 스위칭 오프될 때 개방되지만, 접촉 링크는 스위칭 장치의 안전 상태를 보장하지 않는 경로만을 커버할 것이다. 대신, 상기 결함의 경우, 제 2 접촉면이 증가하는 부식으로 인해 접촉 링크의 반대 측면상에서 곧 용착이 이루어진다는 것이 예상된다. 만약, 스위칭 오프 동안, 메인 접촉부(20)의 접촉 링크가 안전한 개방 상태에 대한 개방 포인트 아래인 경로만을 커버하는 것을 수단(21)을 통하여 평가 장치(25)가 식별하면, 한측면상 용착으로 인해 스위칭 장치의 계속된 동작은 차단될 수 있다.

바람직하게, 도 3에 도시된 이런 실시예는 도 2와 관련하여 기술된 방법들과 결합된다. 따라서, 한측면 용착은 예를들어 스위칭 장치의 결함이 메인 접촉부로 인해 긴급하게 더 이상 개방되지 않는 제 1 표시를 트리거링하는 수단(21)에 의해 식별될 수 있다. 그러나, 스위칭 장치의 계속된 동작의 중단은 계속된 동작 동안, 예를들어 메인 접촉부가 양쪽 측면들상에서 본딩으로 인해 전혀 개방되지 않는 것이 전극들(11 및 11') 같은 부가적인 전극들에서 보조 전압을 통하여 식별될 때만 발생한다.

메인 접촉부들의 개방 경로를 식별하는 다른 예시적인 실시예로서, 제어 자석 코일에서 직접적으로 인덕턴스의 측정은 고려될 수 있다. 제어 자석은 스위치 오프 상태와 다른 정규적인 스위칭 온 상태에서의 인덕턴스를 가진다. 만약 스위칭 오프 후 스위칭 오프 상태의 이런 인덕턴스에 도달되지 않으면, 개방 포인트가 초과되지 않고 스위칭 장치가 분리될 것이라는 것이 가정된다.

도 4는 본 발명에 따른 장치의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 여기서, 결함의 경우, 계속된 동작을 차단하기 위하여, 추가 스위칭 엘리먼트(39')는 제공되어 실제로 스위칭 메인 접촉부들(30)과 직렬로 개별 전류 경로들에 배열된다. 메인 접촉부들(30)중 하나가 용착되는 경우, 평가 장치(35)는 전극들(31 및 31')에 의해 너무 낮은 이런 메인 접촉부 양단 전압 강하를 식별한다. 결과적으로, 평가 장치(35)는 트립핑 메카니즘(34)이 활성화되게 하여 스프링 에너지 저장소(33)가 언래치되게 한다. 이런 스프링 에너지 저장소(33)는 동작 가능 접속부(39)를 통하여 스위칭 엘리먼트(39')에 작용하고 상기 스위칭 엘리먼트를 개방한다. 결과적으로, 전류 경로들은 메인 접촉부들이 개방되는지 여전히 폐쇄되는지 여부에 무관하게 안전하게 차단되고 스위칭 장치의 계속된 동작은 억제된다.