УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ НЕИСПРАВНОСТЕЙ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ Российский патент 2021 года по МПК G01R31/327 

Область техники, к которой относится изобретение

Варианты осуществления настоящего изобретения в общем относятся к автоматическому выключателю и, более конкретно, к устройству и способу диагностики неисправностей для автоматического выключателя.

Уровень техники

Автоматический выключатель, широко используемый в промышленности и для бытового применения, хорошо известен. Автоматический выключатель представляет собой электрический выключатель с автоматическим управлением, предназначенный для защиты электрической цепи от повреждений, вызванных перегрузкой по току, как правило, в результате перегрузки или короткого замыкания. Как только обнаруживается неисправность цепи, контакты прерывателя цепи должны размыкаться, чтобы прерывать цепь, что обычно выполняется с использованием механически накопленной энергии, содержащейся в прерывателе цепи, такой как пружина или сжатый воздух, для разделения контактов. Автоматические выключатели могут также использовать более высокий ток, вызванный неисправностью, для разделения контактов, например, посредством теплового расширения или магнитного поля. В автоматических выключателях обычно используется отключающая катушка для отключения исполнительного механизма и заряжающий электродвигатель для восстановления энергии в пружинах.

Таким образом, можно увидеть, что стабильность выключателя в основном определяется состоянием работоспособности исполнительного механизма, отключающей катушки и заряжающего электродвигателя. При длительном использовании исполнительного механизма, трансмиссионного механизма между исполнительным механизмом и отключающей катушкой, а также трансмиссионного механизма между пружинами и заряжающим электродвигателем их состояние работоспособности может ухудшиться. Например, компоненты в вышеупомянутом исполнительном механизме или трансмиссионных механизмах могут быть изношены, деформированы или сломаны, или соединения между компонентами могут быть затруднены в отношении вращения вследствие деформации или увеличенного интервала.

Вышеупомянутые проблемы могут привести к ухудшению работы автоматического выключателя и в конечном итоге привести к его неисправности. В традиционных решениях вышеуказанные проблемы могут быть обнаружены или выявлены только после того, как проблемы вызвали неисправность автоматического выключателя. Это может привести к повреждению электрического прибора в цепи. Кроме того, в этом случае автоматический выключатель может обслуживаться только пассивно, например, путем замены, для решения вышеуказанных проблем. Таким образом, время замены автоматического выключателя увеличивается по сравнению со случаем замены выключателя в активном режиме или заранее.

Сущность изобретения

Варианты осуществления настоящего раскрытия изобретения обеспечивают решение для предоставления устройства и способа диагностики неисправностей для автоматического выключателя.

В первом аспекте предложено устройство диагностики неисправностей для автоматического выключателя. Устройство содержит по меньшей мере один датчик, связанный по меньшей мере с одним механизмом, установленным в автоматическом выключателе и выполненный с возможностью получения данных формы сигнала с течением времени, причем данные формы сигнала относятся к рабочему состоянию по меньшей мере одного механизма; и блок обработки, связанный с по меньшей мере одним датчиком и выполненный с возможностью анализа данных формы сигнала для получения по меньшей мере одного характерного значения; вычисления различия между по меньшей мере одним характерным значением и матрицей порогового значения; и определения, что по меньшей мере один механизм имеет неисправность, при обнаружении, что различие превышает пороговое значение различия.

В некоторых вариантах осуществления изобретения блок обработки определяет различие на основе способа оценки нелинейного состояния.

В некоторых вариантах осуществления изобретения матрица порогового значения фиксирует характерные значения, соответствующие состоянию нормальной работы по меньшей мере одного механизма.

В некоторых вариантах осуществления изобретения по меньшей мере один механизм содержит исполнительный механизм автоматического выключателя, и по меньшей мере один датчик содержит датчик вибраций, расположенный на исполнительном механизме, причем датчик вибраций выполнен с возможностью получения данных формы сигнала вибрации, относящихся к размыканию/замыканию исполнительного механизма.

В некоторых вариантах осуществления изобретения по меньшей мере один механизм содержит отключающую катушку автоматического выключателя, и по меньшей мере один датчик содержит первый датчик Холла, связанный с отключающей катушкой, причем первый датчик Холла выполнен с возможностью получения первых данных формы сигнала тока, связанных с операцией отключения отключающей катушки.

В некоторых вариантах осуществления изобретения по меньшей мере один механизм содержит заряжающий электродвигатель автоматического выключателя, и по меньшей мере один датчик содержит второй датчик Холла, соединенный с заряжающим электродвигателем, причем второй датчик Холла выполнен с возможностью получения вторых данных формы сигнала тока, связанных с операцией зарядки заряжающего электродвигателя.

В некоторых вариантах осуществления изобретения блок обработки дополнительно выполнен с возможностью фильтрации данных формы вибрационного сигнала на основе вейвлет-преобразования (Wavelet Transform).

В некоторых вариантах осуществления изобретения блок обработки выполнен с возможностью анализа отфильтрованных данных формы вибрационного сигнала, чтобы получить по меньшей мере одно характерное значение вибрации, причем по меньшей мере одно характерное значение вибрации содержит пиковое значение, вычисленное из отфильтрованных данных формы вибрационного сигнала.

В некоторых вариантах осуществления изобретения блок обработки выполнен с возможностью анализа первых данных формы сигнала тока, чтобы получить по меньшей мере одно характерное значение отключения, при этом по меньшей мере одно характерное значение отключения содержит пиковое значение рабочего режима и/или время срабатывания, определенное из первых данных формы сигнала тока.

В некоторых вариантах осуществления изобретения блок обработки выполнен с возможностью анализа вторых данных формы сигнала тока для получения по меньшей мере одного характерного значения зарядки, причем по меньшей мере одно характерное значение зарядки содержит ток запуска, ток отключения, средний зарядный ток и/или время зарядки, определенные из вторых данных формы сигнала тока.

Во втором аспекте предложен автоматический выключатель, содержащий вышеупомянутое устройство диагностики неисправностей.

В третьем аспекте предложен способ диагностики неисправности для автоматического выключателя. Способ включает прием по меньшей мере от одного датчика, связанного по меньшей мере с одним механизмом, установленным в автоматическом выключателе, данных о форме сигнала параметра с течением времени, при этом данные формы сигнала относятся к рабочему состоянию по меньшей мере одного механизма; анализ данных формы сигнала для получения по меньшей мере одного характерного значения; вычисление различия между по меньшей мере одним характерным значением и матрицей порогового значения; и определение, что по меньшей мере один механизм имеет неисправность, при обнаружении, что различие превышает пороговое значение различия.

В некоторых вариантах осуществления изобретения различие определяется на основе способа оценки нелинейного состояния.

В некоторых вариантах осуществления изобретения способ дополнительно содержит установление матрицы порогового значения с характерными значениями, соответствующими состоянию нормальной работы по меньшей мере одного механизма.

В некоторых вариантах осуществления изобретения способ содержит прием от датчика вибраций, расположенного на исполнительном механизме автоматического выключателя, данных формы сигнала вибрации, относящихся к размыканию/замыканию исполнительного механизма.

В некоторых вариантах осуществления изобретения способ содержит прием от первого датчика Холла, связанного с отключающей катушкой автоматического выключателя, первых данных формы тока, относящихся к операции отключения отключающей катушки.

В некоторых вариантах осуществления изобретения способ содержит прием от второго датчика Холла, связанного с заряжающим электродвигателем автоматического выключателя, вторых данных формы сигнала тока, относящихся к операции зарядки заряжающего электродвигателя.

В некоторых вариантах осуществления изобретения способ дополнительно содержит фильтрацию данных формы сигнала вибрации на основе вейвлет-преобразования.

В некоторых вариантах осуществления изобретения способ содержит анализ отфильтрованных данных формы сигнала вибрации для получения по меньшей мере одного характерного значения вибрации, причем по меньшей мере одно характерное значение вибрации содержит пиковое значение, определенное из данных формы сигнала вибрации.

В некоторых вариантах осуществления изобретения способ содержит анализ первых данных формы сигнала тока, чтобы получить по меньшей мере одно характерное значение отключения, при этом по меньшей мере одно характерное значение отключения содержит пиковое значение срабатывания и/или время срабатывания, определенные из первых данных формы сигнала тока.

В некоторых вариантах осуществления изобретения способ содержит анализ вторых данных формы сигнала тока для получения по меньшей мере одного характерного значения отключения, причем по меньшей мере одно характерное значение отключения содержит ток запуска, ток отключения, средний ток зарядки и/или время зарядки, определенные из вторых данных формы сигнала тока.

Следует принимать во внимание, что краткое изложение не предназначено для идентификации ключевых или существенных признаков вариантов осуществления настоящего раскрытия, и при этом оно не предназначено для ограничения объема настоящего раскрытия. Другие признаки настоящего раскрытия станут легко понятными благодаря приведенному ниже описанию.

Краткое описание чертежей

Вышеуказанные и другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными благодаря более подробному описанию вариантов осуществления настоящего изобретения в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых в вариантах осуществления настоящего изобретения используются те же самые ссылочные цифровые позиции, которые обычно представляют одинаковые компоненты.

На фиг. 1 показана упрощенная блок-схема автоматического выключателя с устройством диагностики неисправностей, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 2 показан вид в перспективе автоматического выключателя с устройством диагностики неисправностей, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 3 показан вид в перспективе исполнительного механизма с расположенным на нем датчиком вибраций, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 4А и 4В показаны упрощенные блок-схемы отключающей катушки и заряжающего электродвигателя, связанных с датчиками Холла, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 5А и 5В показаны графические представления, соответственно, данных формы сигнала вибрации и отфильтрованных данных формы сигнала вибрации, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

фиг. 6 показывает графическое представление характерного значения вибрации в зависимости от числа операций включения исполнительного механизма;

фиг. 7 показывает вид в перспективе отключающей катушки, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

фиг. 8 показывает графическое представление первых данных формы сигнала тока, относящихся к отключающей катушке, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

фиг. 9 показывает графическое представление характерного значения отключения в зависимости от количества операций отключения отключающей катушки;

фиг. 10 показывает графическое представление вторых данных формы сигнала тока, относящихся к заряжающему электродвигателю, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

фиг. 11 показывает графическое представление характерного значения зарядки в зависимости от количества операций зарядки заряжающего электродвигателя;

фиг. 12 показывает блок-схему последовательности операций способа диагностики неисправности для автоматического выключателя, в соответствии с некоторыми другими вариантами осуществления настоящего изобретения.

На всех чертежах одинаковые или аналогичные ссылочные символы используются для обозначения одинаковых или аналогичных элементов.

Подробное описание

Настоящее раскрытие теперь будет обсуждаться со ссылкой на несколько типовых вариантов осуществления изобретения. Следует принимать во внимание, что эти варианты осуществления изобретения обсуждаются только с целью предоставления специалистам в данной области техники возможности лучше понять и, таким образом, реализовать настоящее изобретение, а не предлагать какие-либо ограничения в объеме предмета изобретения.

Используемый здесь термин «содержит» и его варианты следует понимать как открытые термины, которые означают «содержит, но не ограничивается этим». Термин «на основе» следует понимать, как «основанный, по меньшей мере, частично на». Термины «один вариант осуществления изобретения» и «вариант осуществления изобретения» следует понимать как «по меньшей мере один вариант осуществления изобретения». Термин «другой вариант осуществления изобретения» следует понимать как «по меньшей мере один другой вариант осуществления изобретения». Термины «первый», «второй» и подобные термины могут относиться к разным или одинаковым объектам. Другие определения, явные и неявные, могут содержаться ниже. Определение термина является соответствующим по всему описанию до тех пор, пока контекст явно не указывает на иное.

В автоматическом выключателе исполнительный механизм и трансмиссионные механизмы, относящиеся к отключающей катушке и заряжающему электродвигателю, могут выйти из строя при длительном использовании. Неисправность вышеуказанных механизмов может привести к неисправности автоматического выключателя. В традиционных решениях вышеуказанные проблемы могут быть обнаружены или выявлены только после того, как проблемы вызвали неисправность автоматического выключателя. Это может привести к повреждению электрического прибора в цепи и продлению времени замены автоматического выключателя.

Для обнаружения или определения неисправности в вышеупомянутых механизмах до возникновения неисправности варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют устройство 100 диагностики неисправности для автоматического выключателя 200. Теперь некоторые типовые варианты осуществления будут описаны со ссылкой на фиг. 1-11.

На фиг. 1 показана упрощенная блок-схема автоматического выключателя 200 с устройством 100 диагностики неисправностей, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения; а фиг. 2 показывает вид в перспективе автоматического выключателя 200 с устройством 100 диагностики неисправностей в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

В общем, как показано на фиг. 1 и 2, устройство 100 диагностики неисправностей содержит по меньшей мере один датчик 101 и блок 102 обработки, соединенный с по меньшей мере одним датчиком 101. Датчик 101 соединен с по меньшей мере одним механизмом 201, установленным в автоматическом выключателе 200, для обнаружения и получения данных о форме сигнала некоторого параметра с течением времени. Данные о форме сигнала относятся к рабочему состоянию по меньшей мере одного механизма 201.

Авторы изобретения обнаружили, что форма сигнала параметра, такого как вибрация, ток или подобного параметра, с течением времени может изменяться до возникновения неисправностей в вышеупомянутых механизмах. Хотя никаких нарушений нормальной работы не произошло, состояние работоспособности механизма ухудшается вследствие деформации или подобного явления. Плохое состояние работоспособности может вызвать нарушение нормальной работы автоматического выключателя 200 в любое время.

Авторы также обнаружили, что плохое состояние работоспособности может быть обнаружено путем анализа вышеуказанных данных о форме сигнала. Следовательно, блок 102 обработки выполнен с возможностью анализа вышеуказанных данных о форме сигнала, чтобы получить по меньшей мере одно характерное значение. Затем блок 102 обработки определяет несоответствие между по меньшей мере одним характерным значением и матрицей порогового значения. В ответ на то, что различие превышает пороговое значение различия, блок 102 обработки определяет, что по меньшей мере один механизм 201 имеет неисправность.

Следует принимать во внимание, что посредством анализа данных формы сигнала, относящихся к рабочему состоянию механизма 201 в автоматическом выключателе 200, неисправность в механизме 201 может быть определена заранее. Пользователь может заранее предпринять действия для решения проблемы до того, как внезапно возникнет плохое состояние работоспособности автоматического выключателя 200. Например, когда блок 102 обработки определяет, что по меньшей мере один механизм 201 имеет неисправность, это означает, что необходимо заменить автоматический выключатель 200, пользователь может заранее отключить электроприборы в цепи, чтобы предотвратить повреждения электроприборов вследствие внезапно возникшего плохого состояния работоспособности выключателя 200.

Кроме того, устройство 100 диагностики неисправностей, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, может быть легко применено к полностью новому автоматическому выключателю 200 или дает возможность модернизировать существующий автоматический выключатель 200. Диагностика неисправностей может быть выполнена путем соединения датчиков 101 с механизмами 201, расположенными в автоматическом выключателе 200 экономически эффективным образом.

В некоторых вариантах осуществления изобретения блок 102 обработки может предпринимать действия, когда, по меньшей мере, на механизме 201 возникла неисправность. Например, блок 102 обработки может отправлять сигнал тревоги на устройство тревожной сигнализации (не показано), чтобы вызывать подачу устройством тревожной сигнализации предупреждающего сигнала пользователю о неисправности. Кроме того, блок 102 обработки также может активно отключать ток в цепи, чтобы избежать ненужных потерь.

В некоторых вариантах осуществления изобретения блок 102 обработки может быть компьютером, поддерживающим связь по меньшей мере с одним датчиком 101, как показано на фиг. 2. В таком случае блок 102 обработки может подавать предупреждающий сигнал пользователю, отображая предупреждающий сигнал на экране компьютера. Альтернативно, в некоторых вариантах осуществления блок 102 обработки может быть модулем управления, установленным в автоматическом выключателе 200. Модуль управления может быть блоком управления самого автоматического выключателя, или, альтернативно, это может быть другой независимый блок 200 управления.

Следует принимать во внимание, что вышеприведенный вариант реализации блока 102 обработки приведен только для иллюстрации, не предполагая каких-либо ограничений в отношении объема настоящего раскрытия. Любые другие подходящие устройства или компоненты также возможны. Например, блок 102 обработки может быть сотовым телефоном или персональным цифровым помощником (PDA). Кроме того, блок 102 обработки может быть связан по меньшей мере с одним датчиком 101 проводным или беспроводным способом.

В некоторых вариантах осуществления изобретения матрица порогового значения может фиксировать характерные значения, соответствующие состоянию нормальной работы по меньшей мере одного механизма 201. Например, n характерных значений (n относится к натуральному числу, большему 0) могут быть получены за одну операцию путем анализа данных формы сигнала, эти характерные значения могут быть представлены в виде следующей матрицы:

X(i) = [x₁ x₂ …x_n]^T… (1)

В приведенной выше матрице «Т» означает транспозицию матрицы. Матрица порогового значения может записывать m характерных значений (m относится к натуральному числу, большему 0), соответствующих m нормальным операциям по меньшей мере одного механизма 201, которые могут быть представлены следующим образом:

(2)

В вышеприведенном уравнении x_n(m) означает n-е характерное значение среди характерных значений, полученных в m-й операции автоматического выключателя 200.

Следует принимать во внимание, что чем больше значение m, тем точнее результат различия. Значение m может быть выбрано по мере необходимости. После того как характерные значения были получены, в некоторых вариантах осуществления изобретения различие может быть вычислено на основе способа оценки нелинейного состояния (NSET), который будет обсуждаться далее, как показано ниже. Алгоритм NSET является простым алгоритмом, который позволяет блоку 102 обработки легче выполнять алгоритм, тем самым увеличивая скорость отклика устройства 100 диагностики неисправностей.

В частности, только в качестве примера, предполагая, что были получены n характерных значений, относящихся к рабочему состоянию по меньшей мере одного механизма 201, x₁, x₂,…, x_n, они могут быть записаны в следующей матрице:

X_obs = [x₁ x₂ …x_n]^T… (3)

Различие ε может быть определено с использованием следующего уравнения:

ε = X_obs - X_est … (4)

Значение X_est может быть определено путем умножения матрицы порогового значения на матрицу W коэффициентов. Матрица W коэффициентов может быть получена с использованием следующего уравнения:

(5)

В приведенном выше уравнении относится к нелинейному оператору. Нелинейный оператор может быть реализован различными способами. Например, может относиться к:

(6)

После того, как матрица W коэффициентов получена с помощью вышеприведенного уравнения (5), X_est может быть определено с использованием следующего уравнения:

(7)

Таким образом, различие ε может быть определено с использованием приведенного выше уравнения (4). Выше описан пример способа определения различий на основе способа оценки нелинейного состояния (NSET). Следует принимать во внимание, что вышеприведенный вариант реализации определения различий предназначен только для иллюстрации, не предполагая каких-либо ограничений в отношении объема настоящего изобретения. Также возможны любые другие подходящие способы и/или алгоритмы. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения для определения различий можно использовать регрессионный анализ или подобный способ.

После того как различие определено, блок 102 обработки сравнивает различие ε с матрицей порогового значения. С одной стороны, если различие ε больше, чем матрица порогового значения, это означает, что состояние работоспособности механизма 201 ухудшается, и механизм 201 или автоматический выключатель 200 следует заменить, чтобы избежать внезапного ухудшения состояния работоспособности автоматического выключателя 200.

С другой стороны, если различие ε меньше матрицы порогового значения, это означает, что механизм 201 находится в режиме нормальной работы. В этом случае состояние работоспособности может быть определено путем вычисления близости между различием ε и матрицей порогового значения. Например, если различие ε очень близко к пороговой матрице, но не превышает его, это означает, что механизм 201 находится в режиме нормальной работы, но не идеален. Блок 102 обработки может в этом случае уменьшить интервал обнаружения и анализа, чтобы чаще определять различие. Таким образом, различие может быть получено и проанализировано регулярно, а интервал обнаружения может быть отрегулирован. В дальнейшем описывается, как приведенный выше способ выполняется посредством нескольких вариантов осуществления изобретения.

В некоторых вариантах осуществления изобретения по меньшей мере один механизм 201 может содержать исполнительный механизм 2011. По меньшей мере один датчик 101 может быть связан с исполнительным механизмом 2011 различными способами. Например, датчик 101 может содержать датчик 1011 вибрации, расположенный на исполнительном механизме 2011. Датчик 1011 вибрации может быть расположен в любом подходящем местоположении исполнительного механизма 2011, например, датчик 1011 вибрации может быть расположен на монтажном кронштейне исполнительного механизма 2011, как показано на фиг. 3.

Датчик 1011 вибрации может получать данные формы вибрации, такие как абсолютное значение вибрации, относящиеся к размыканию/замыканию исполнительного механизма 2011. Следует принимать во внимание, что любой подходящий датчик 1011 вибрации может использоваться для получения данных формы вибрации. Например, датчик 1011 вибраций может иметь диапазон измерения более 300g («g» относится к гравитационному ускорению) и иметь диапазон частот более 5 кГц, предпочтительно 10-30 кГц.

Фиг. 5А показывает графическое представление данных формы сигнала вибрации, полученных датчиком 1011 вибрации. Как показано на фиг. 5А, абсолютное значение вибрации изменяется во времени при замыкании исполнительного механизма 2011. Чтобы облегчить анализ данных формы сигнала вибрации, в некоторых вариантах осуществления изобретения данные формы сигнала вибрации могут фильтроваться. Например, в некоторых вариантах осуществления данные формы сигнала могут быть отфильтрованы на основе вейвлет-преобразования (WT), такого как алгоритм Маллата. Следует принимать во внимание, что вышеупомянутый вариант реализации фильтрации данных формы сигнала вибрации представлен только для иллюстрации, не предполагая каких-либо ограничений в отношении объема настоящего изобретения. Также возможны любые другие подходящие способы и/или алгоритмы. Например, фильтрация нижних частот или подобный тип фильтрации может использоваться для фильтрации данных формы сигнала вибрации.

Следовательно, отфильтрованные данные формы сигнала вибрации могут быть получены путем фильтрации для удаления шума в данных формы сигнала вибрации. Изобретатели обнаружили в ходе экспериментов, что, когда исполнительный механизм 2011 находится в плохом состоянии работоспособности, некоторые характерные значения, такие как пиковое значение для абсолютного значения вибрации, могут быть изменены по сравнению с нормальным рабочим состоянием исполнительного механизма 2011. В этом случае пиковое значение, определенное из отфильтрованных данных формы сигнала вибрации, может быть выбрано в качестве характерного значения вибрации, как показано на фиг. 5В. Соответственно, матрица порогового значения вибрации может записывать пиковые значения, полученные, когда исполнительный механизм 2011 находится в нормальном рабочем состоянии, например, когда автоматический выключатель 200 был только что введен в эксплуатацию.

Различие в характерном значении вибрации может быть определено вышеупомянутым способом. Например, характерное значение вибрации, соответствующее одной нормальной операции исполнительного механизма 2011, равно 1225,4. Тогда характерное значение вибрации может быть представлено в виде следующей матрицы:

.

Матрица порогового значения может фиксировать 50 таких характерных значений вибрации и может быть представлена, как показано ниже:

В целях обсуждения предполагается, что одно характерное значение вибрации, соответствующее одной операции исполнительного механизма 2011, равное 1005, представлено ниже:

.

Тогда значение X_est может быть определено вышеприведенным уравнением (7). После вычисления:

..

Тем самым, различие ε может быть определено с использованием приведенного выше уравнения (4). Различие затем сравнивается с пороговым значением различия. Как упомянуто выше, если различие больше, чем пороговое значение различия, это означает, что исполнительный механизм 2011 может иметь неисправность или находиться в плохом состоянии работоспособности.

Фиг. 6 показывает графическое представление характерного значения вибрации в зависимости от количества срабатываний исполнительного механизма, где пороговое значение различия задано как 0, как указано пунктирной линией. Как показано на фиг. 6, с увеличением количества замыканий различие постепенно приближается к пороговому значению различия и в конечном итоге превышает пороговое значение различия после примерно 3900 срабатываний. Это означает, что исполнительный механизм 2011 находится в плохом состоянии работоспособности и нуждается в замене после 3900 срабатываний.

Следует принимать во внимание, что автоматический выключатель 200 может работать для выполнения своей функции в это время. Если этот автоматический выключатель 200 дополнительно используется без замены, различие будет все больше и больше превышать пороговое значение различия, пока исполнительный механизм 2011 не будет полностью поврежден после примерно 4200 срабатываний, например, один из компонентов в исполнительном механизме 2011 может быть сломан. Следует принимать во внимание, что чем хуже состояние работоспособности, тем больше разница между различием и пороговым значением различия.

Кроме того, из вышесказанного видно, что неисправность может быть прогнозирована примерно 300 раз, прежде чем она возникнет в исполнительном механизме 2011. В этом случае пользователь может заменить автоматический выключатель 200 или исполнительный механизм 2011 более активно или заранее. Это эффективно предотвращает повреждение электрического прибора в цепи вследствие внезапной неисправности исполнительного механизма 2011 или автоматического выключателя 200. Следует принимать во внимание, что вышеупомянутый вариант реализации, где значение «0» выбрано в качестве порогового значения различия только для иллюстрации, не предполагает каких-либо ограничений в отношении объема настоящего изобретения. Также возможны любые другие подходящие значения. Например, пороговое значение различия может быть выбрано большим, чтобы экономить затраты, или пороговое значение различия может быть выбрано меньшим, чтобы определить неисправность на более ранней стадии.

Также следует принимать во внимание, что вышеупомянутый вариант реализации порогового значения различия для характерного значения вибрации, содержащего пиковое значение, предназначен только для иллюстрации, не предполагая каких-либо ограничений в отношении объема настоящего изобретения. Любые другие подходящие значения, являющиеся характерным значением, также возможны. Например, значение в низшей точке кривой или время работы, определенное из отфильтрованных данных формы сигнала вибрации, также может быть выбрано в некоторых вариантах осуществления изобретения.

В некоторых вариантах осуществления изобретения по меньшей мере один механизм 201 может содержать отключающую катушку 2013. По меньшей мере один датчик 101 может быть связан с отключающей катушкой 2013 различными способами. Например, датчик 101 может содержать датчик Холла (называемый первым датчиком 1012 Холла для простоты обсуждения), связанный с отключающей катушкой 2013, как показано на фиг. 4A. Первый датчик 1012 Холла может быть связан с электрическим проводом 2012 подключения отключающей катушки 2013 к источнику 2016 электропитания. Следует принимать во внимание, что вышеупомянутый вариант реализации первого датчика 1012 Холла, связанного с электрическим проводом 2012, предназначен только для иллюстрации, не предполагая каких-либо ограничений в отношении объема настоящего изобретения. Любые другие подходящие компоновки также возможны. Например, в некоторых вариантах осуществления первый датчик 1012 Холла может быть связан с самой отключающей катушкой или любым подходящим местоположением, связанным с отключающей катушкой 2013.

Первый датчик 1012 Холла может получать данные о форме сигнала тока (для простоты обсуждения это относится к первым данным о форме сигнала тока), относящиеся к отключению отключающей катушки 2013. Следует принимать во внимание, что для получения данных формы сигнала, относящихся к отключению отключающей катушки 2013, можно использовать любой подходящий датчик. Например, датчик 101 может содержать датчик нагрузки (не показан) для получения нагрузки на передающий механизм, соединенный с отключающей катушкой 2013.

Авторы изобретения обнаружили, что при длительном использовании нагрузка на трансмиссионный механизм, присоединенный к отключающей катушке 2013, увеличивается вследствие деформации, увеличения зазора между компонентами, износа компонентов или подобных явлений. Соответственно, мощность, необходимая отключающей катушке 2013 для выполнения отключения через трансмиссионный механизм, также постепенно увеличивается. Чтобы смоделировать это явление, в трансмиссионный механизм, соединенный с катушкой 2013 отключения, загружаются противовесы 300 с различным весом (например, 100 г, 200 г и 300 г) как показано на фиг. 7. Различный вес соответствует нагрузке на трансмиссионный механизм вследствие деформации, увеличивающей зазор между компонентами, или подобных факторов.

В ходе экспериментов авторы изобретения также обнаружили, что, когда нагрузка на трансмиссионный механизм, присоединенный к отключающей катушке 2013, увеличивается, некоторые значения, такие как пиковое рабочее значение и/или время работы, определенные из первых данных формы сигнала тока, могут быть измененными по сравнению с состоянием нормальной работы, как показано на фиг. 8. Пиковое значение отключения соответствует пиковому значению тока, проходящего через электрический провод 2012 в операции отключения, а время отключения соответствует времени отключения исполнительного механизма 2011.

Фиг. 8 показывает графическое представление первых данных формы сигнала тока, соответствующих различным нагрузкам, приложенным к трансмиссионному механизму. Как видно из фиг. 8, с увеличением нагрузки пиковое значение отключения и/или время отключения увеличивается. Нагрузка на трансмиссионный механизм может соответствовать состоянию работоспособности трансмиссионного механизма. Чем больше нагрузка на трансмиссионный механизм, присоединенный к отключающей катушке 2013, тем хуже состояние работоспособности трансмиссионного механизма.

В этом случае пиковое значение отключения и/или время отключения, определенные из первых данных формы сигнала тока, как показано на фиг. 8, могут быть выбраны в качестве характерных значений отключения. Соответственно, матрица порогового значения отключения может фиксировать пиковые значения отключения и/или время отключения, полученные во время, когда отключающая катушка 2013 и связанный с ней трансмиссионный механизм находятся в нормальном рабочем состоянии, например, когда автоматический выключатель 200 был только что задействован в работе.

Различие характерных значений отключения может быть определено вышеупомянутым способом. Полученное различие затем сравнивается с пороговым значением различия. Как упомянуто выше, если различие больше, чем пороговое значение различия, это означает, что трансмиссионный механизм, присоединенный к отключающей катушке 2013, может иметь неисправность или находиться в плохом состоянии работоспособности.

Фиг. 9 показывает графическое представление характерного значения отключения в зависимости от количества отключений отключающей катушки 2013, в которой пороговое различие задано как 3, как указано пунктирной линией. Как показано на фиг. 9, с увеличением нагрузки на трансмиссионный механизм, подключенный к отключающей катушке 2013, различие все больше и больше превышает пороговое значение различия. Это означает, что трансмиссионный механизм, присоединенный к отключающей катушке 2013, находится в плохом состоянии работоспособности и нуждается в замене.

Следует отметить, что автоматический выключатель 200 может работать для выполнения своей функции, когда нагрузка находится на трансмиссионном механизме, присоединенном к отключающей катушке 2013 вследствие деформации или подобного явления. Если этот автоматический выключатель 200 дополнительно использовать без замены, различие все больше и больше будет превышать пороговое значение различия, пока трансмиссионный механизм не будет полностью поврежден. То есть увеличение нагрузки на трансмиссионный механизм, присоединенный к отключающей катушке 2013, может вызвать неисправность в трансмиссионном механизме 2011.

Когда нагрузка увеличивается до тех пор, пока различие характерных значений отключения не превысит пороговое значение различия, блок 102 обработки определяет, что трансмиссионный механизм находится в плохом состоянии работоспособности и нуждается в замене. В этом случае пользователь может заменить автоматический выключатель 200 или трансмиссионный механизм, присоединенный к отключающей катушке 2013, более активно или заранее. Следует принимать во внимание, что вышеприведенный вариант реализации, в котором значение «3» выбрано в качестве порогового значения различия, приведен только для иллюстрации, не предполагая каких-либо ограничений в отношении объема настоящего раскрытия. Также возможны любые другие подходящие значения. Например, пороговое значение различия может быть выбрано большим, чтобы экономить затраты, или пороговое значение различия может быть выбрано меньшим, чтобы определить неисправность на более ранней стадии.

Кроме того, следует принимать во внимание, что приведенный выше вариант реализации порогового значения различия в отношении характерного значения отключения, содержащего пиковое значение отключения и/или время отключения, приведена только для иллюстрации, не предполагая каких-либо ограничений в отношении объема настоящего изобретения. Также возможны любые другие подходящие значения. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения также может быть выбрано общее время работы отключающей катушки, определенное из первых данных формы сигнала тока.

В некоторых вариантах осуществления изобретения по меньшей мере один механизм 201 может содержать заряжающий электродвигатель 2015. По меньшей мере один датчик 101 может быть связан с заряжающим электродвигателем 2015 различными способами. Например, датчик 101 может содержать датчик Холла (для простоты обсуждения второй датчик 1013 Холла), связанный с заряжающим электродвигателем 2015, как показано на фиг. 4В. Второй датчик 1013 Холла может быть связан с электрическим проводом 2014, подключающим заряжающий электродвигатель 2015 к источнику 2016 питания. Следует принимать во внимание, что вышеуказанный вариант реализации второго датчика 1013 Холла, связанного с электрическим проводом 2014, предназначен только для иллюстрации, не предполагая каких-либо ограничений в отношении объема настоящего изобретения. Любые другие подходящие компоновки также возможны. Например, в некоторых вариантах второй датчик 1013 Холла может быть связан с самим заряжающим электродвигателем 2015 или любым подходящим местоположением, связанным с заряжающим электродвигателем 2015.

Второй датчик 1013 Холла может получать данные о форме сигнала тока (для простоты обсуждения это относится ко вторым данным о форме сигнала тока), относящиеся к операции зарядки заряжающего электродвигателя 2015. Следует принимать во внимание, что для получения данных формы сигнала, относящихся к операции зарядки заряжающего электродвигателя 2015, можно использовать любой подходящий датчик. Например, датчик 101 может содержать датчик нагрузки (не показан) для получения нагрузки на трансмиссионный механизм, присоединенный к заряжающему электродвигателю 2015.

Аналогично вышеописанному процессу определения характерных значений отключения отключающей катушки 2013, который здесь не будет повторяться, авторы изобретения также обнаружили, что когда нагрузка на трансмиссионный механизм, присоединенный к заряжающему электродвигателю 2015, увеличивается, некоторые значения, такие как ток запуска, ток отключения, средний зарядный ток и/или время зарядки, определенные из вторых данных формы сигнала тока, могут быть изменены по сравнению с состоянием нормальной работы, как показано на фиг. 10.

Как показано на фигуре, ток запуска соответствует пиковому значению тока, проходящего через электрический провод 2014, когда начинается зарядка; ток отключения соответствует значению тока, проходящего через электрический провод 2014, когда зарядка заканчивается; средний зарядный ток соответствует среднему значению тока, проходящего через электрический провод 2014 во время зарядки, а время зарядки соответствует времени для зарядки пружины.

Как упомянуто выше, по меньшей мере одно из вышеуказанных значений может быть изменено по сравнению с нормальным рабочим состоянием, как показано на фиг. 10, когда нагрузка на трансмиссионный механизм, присоединенный к заряжающему электродвигателю 2015, увеличивается. Например, в нормальном рабочем состоянии заряжающего электродвигателя 2015, когда процесс зарядки закончен, ток может быть отключен, и, таким образом, ток отключения может быть равным «0». Однако если некоторые механизмы, такие как трансмиссионный механизм, присоединенный к заряжающему электродвигателю 2015, находятся в плохом состоянии работоспособности, ток отключения может быть не равен «0», а может оставлять другие значения.

В этом случае ток запуска, ток отключения, средний зарядный ток и/или время зарядки, определенные из вторых данных формы сигнала тока, как показано на фиг. 10, могут быть выбраны в качестве характерных значений зарядки. Соответственно, матрица порогового значения зарядки может фиксировать ток запуска, ток отключения, средний ток зарядки и/или время зарядки, полученные, когда заряжающий электродвигатель 2015 и связанный с ним трансмиссионный механизм находятся в нормальном рабочем состоянии, например, когда автоматический выключатель 200 был только что введен в эксплуатацию.

Фиг. 11 показывает график характерного значения зарядки в зависимости от количества отключающих операций заряжающего электродвигателя 2015, причем пороговое различие задано как 2, как указано пунктирной линией. Как показано на фиг. 11, с увеличением количества операций зарядки различие постепенно приближается к пороговому значению различия и в конечном итоге превышает пороговое значение различия после примерно 780 операций. Это означает, что трансмиссионный механизм, присоединенный к заряжающему электродвигателю 2015, находится в плохом состоянии работоспособности и нуждается в замене.

Если выбрано подходящее пороговое значение различия, неисправность может быть спрогнозирована до того, как она возникнет в трансмиссионном механизме, присоединенном к заряжающему электродвигателю 2015. В этом случае пользователь может заменить автоматический выключатель 200 или трансмиссионный механизм, присоединенный к заряжающему электродвигателю 2015 более активно. Это эффективно предотвращает повреждение электрического устройства в цепи вследствие внезапной неисправности трансмиссионного механизма, присоединенного к заряжающему электродвигателю 2015 или автоматическому выключателю 200.

Следует принимать во внимание, что вышеприведенный вариант реализации, где значение «2» выбрано в качестве порогового значения различия, является только иллюстративным, не предполагая каких-либо ограничений в отношении объема настоящего изобретения. Также возможны любые другие подходящие значения. Например, пороговое значение различия может быть выбрано большим, чтобы экономить затраты, или пороговое значение различия может быть выбрано меньшим, чтобы определять ошибку раньше.

Кроме того, следует принимать во внимание, что вышеприведенный вариант реализации порогового значения различия в отношении характерных значений зарядки, включающих ток запуска, ток отключения, средний ток зарядки и/или время зарядки, приведен только для иллюстрации, не предполагая любые ограничения в отношении объема настоящего изобретения. Также возможны любые другие подходящие значения. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения также может быть выбрано значение в низшей точке кривой или время работы, определенное из вторых данных формы сигнала тока.

Выше описаны варианты осуществления изобретения устройства 100 диагностики неисправностей в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, применяемыми к исполнительному механизму 2011, отключающей катушке 2013 и/или заряжающему электродвигателю 2015 соответственно. Следует принимать во внимание, что вышеприведенные варианты применения устройства 100 диагностики неисправностей к исполнительному механизму 2011, отключающей катушке 2013 или заряжающему электродвигателю 2015 приведены только для иллюстрации, не предполагая каких-либо ограничений в отношении объема настоящего изобретения. Также возможны любые другие подходящие механизмы, к которым возможно применять эти варианты. Например, устройство 100 диагностики неисправностей может быть применено к приводному механизму (не показан).

Фиг. 12 показывает блок-схему последовательности операций способа диагностики неисправности для автоматического выключателя, в соответствии с некоторыми другими вариантами осуществления настоящего раскрытия. Способ 1200 может быть реализован с помощью блока 102 обработки для выполнения диагностики неисправностей. Как показано на фигуре, на этапе 1210 данные формы сигнала параметра с течением времени принимаются по меньшей мере от одного датчика 101, связанного по меньшей мере с одним механизмом 201, расположенным в автоматическом выключателе. Данные формы сигнала относятся к рабочему состоянию по меньшей мере одного механизма 201.

На этапе 1220 данные формы сигнала анализируются, чтобы получить по меньшей мере одно характерное значение. На этапе 1230 определяется различие между по меньшей мере одним характерным значением и матрицей порогового значения. На этапе 1240 в ответ на то, что значение различия превышает пороговое значение различия, определяется по меньшей мере один механизм 201, имеющий неисправность.

Как можно увидеть из вышеприведенных вариантов осуществления настоящего изобретения, неисправность по меньшей мере в одном механизме 201 автоматического выключателя 200 может быть определена заранее. В этом случае пользователь может заменить автоматический выключатель 200 или исполнительный механизм 2011 более активно. Это эффективно предотвращает повреждение электрического устройства в цепи вследствие внезапной неисправности исполнительного механизма 2011 или автоматического выключателя 200.

Следует принимать во внимание, что вышеприведенные подробные варианты осуществления настоящего изобретения предназначены только для иллюстрации или объяснения принципов настоящего изобретения, а не для ограничения настоящего изобретения. Следовательно, любые модификации, эквивалентные альтернативы и улучшения и т.д., не выходящие за пределы сущности и объема настоящего изобретения, должны входить в объем защиты настоящего изобретения. В то же самое время, прилагаемая формула изобретения имеет целью охватить все варианты и модификации, подпадающие под объем и границу формулы изобретения, или эквивалентов объема и границы.

Изобретения относятся к диагностике неисправностей для автоматического выключателя. Сущность: устройство содержит по меньшей мере один датчик (101), связанный по меньшей мере с одним механизмом (201), установленным в автоматическом выключателе (200), и выполненный с возможностью получения данных формы сигнала параметра с течением времени, при этом данные формы сигнала относятся к рабочему состоянию указанного по меньшей мере одного механизма (201). Блок (102) обработки соединен с по меньшей мере одним датчиком (101) и выполнен с возможностью анализа данных формы сигнала для получения по меньшей мере одного характерного значения, определения различия между указанным по меньшей мере одним характерным значением и матрицей порогового значения и определения того, что по меньшей мере один механизм (201) имеет неисправность при выявлении, что различие превышает пороговое значение различия. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство (100) диагностики неисправностей для автоматического выключателя (200), содержащее:

по меньшей мере один датчик (101), связанный по меньшей мере с одним механизмом (201), установленным в автоматическом выключателе (200), и выполненный с возможностью получения данных формы сигнала параметра с течением времени, причем указанные данные формы сигнала относятся к рабочему состоянию указанного по меньшей мере одного механизма (201); и

блок (102) обработки, связанный с указанным по меньшей мере одним датчиком (101) и выполненный с возможностью:

анализировать указанные данные формы сигнала для получения по меньшей мере одного характерного значения;

вычислять различие между указанным по меньшей мере одним характерным значением и матрицей порогового значения; и

определять, что указанный по меньшей мере один механизм (201) имеет неисправность, при обнаружении, что указанное различие превышает пороговое значение различия.

2. Устройство (100) диагностики неисправностей по п. 1, в котором блок (102) обработки выполнен с возможностью вычислять указанное различие на основе способа оценки нелинейного состояния (NSET).

3. Устройство (100) диагностики неисправностей по п. 1, в котором матрица порогового значения фиксирует характерные значения, соответствующие состоянию нормальной работы указанного по меньшей мере одного механизма (201).

4. Устройство (100) диагностики неисправностей по п. 1, в котором указанный по меньшей мере один механизм (201) является исполнительным механизмом (2011) автоматического выключателя (200), и указанный по меньшей мере один датчик (101) является датчиком (1011) вибрации, расположенным на исполнительном механизме (2011), при этом датчик (1011) вибрации выполнен с возможностью получения данных формы сигнала вибрации, относящихся к размыканию/замыканию исполнительного механизма (2011).

5. Устройство (100) диагностики неисправностей по п. 1, в котором указанный по меньшей мере один механизм (201) содержит отключающую катушку (2013) автоматического выключателя (200), и указанный по меньшей мере один датчик (101) содержит первый датчик (1012) Холла, связанный с отключающей катушкой (2013), при этом первый датчик (1012) Холла выполнен с возможностью получения первых данных формы сигнала тока, относящихся к отключению отключающей катушки (2013).

6. Устройство (100) диагностики неисправностей по п. 1, в котором указанный по меньшей мере один механизм (201) содержит заряжающий электродвигатель (2015) автоматического выключателя (200), и указанный по меньшей мере один датчик (101) содержит второй датчик (1013) Холла, связанный с заряжающим электродвигателем (2015), при этом второй датчик (1013) Холла выполнен с возможностью получения вторых данных формы сигнала тока, относящихся к зарядке указанного заряжающего электродвигателя (2015).

7. Устройство (100) диагностики неисправностей по п. 4, в котором блок (102) обработки дополнительно выполнен с возможностью фильтрации данных формы сигнала вибрации на основе вейвлет-преобразования (WT).

8. Устройство (100) диагностики неисправностей по п. 7, в котором блок (102) обработки выполнен с возможностью анализа отфильтрованных данных формы сигнала вибрации для получения по меньшей мере одного характерного значения вибрации, причем указанное по меньшей мере одно характерное значение вибрации содержит пиковое значение, вычисленное из отфильтрованных данных формы сигнала вибрации.

9. Устройство (100) диагностики неисправностей по п. 5, в котором блок (102) обработки выполнен с возможностью анализа первых данных формы сигнала тока для получения по меньшей мере одного значения параметра отключения, причем указанное по меньшей мере одно значение параметра отключения содержит рабочее пиковое значение и/или время срабатывания, вычисленные из первых данных формы сигнала тока.

10. Устройство (100) диагностики неисправностей по п. 6, в котором блок (102) обработки выполнен с возможностью анализа вторых данных формы сигнала тока для получения по меньшей мере одного характерного значения зарядки, причем указанное по меньшей мере одно характерное значение зарядки содержит ток запуска, ток отключения, средний зарядный ток и/или время зарядки, вычисленные из вторых данных формы сигнала тока.

11. Автоматический выключатель (200), содержащий устройство (100) диагностики неисправностей по любому из пп. 1-10.

12. Способ (1200) диагностики неисправности для автоматического выключателя (200), характеризующийся тем, что

принимают (1210) по меньшей мере от одного датчика (101), связанного по меньшей мере с одним механизмом (201), установленным в автоматическом выключателе (200), данные формы сигнала параметра с течением времени, при этом данные формы сигнала относятся к рабочему состоянию указанного по меньшей мере одного механизма (201);

анализируют (1220) данные формы сигнала для получения по меньшей мере одного характерного значения;

вычисляют (1230) различие между указанным по меньшей мере одним характерным значением и матрицей порогового значения; и

определяют (1240), что указанный по меньшей мере один механизм (201) имеет неисправность, при обнаружении, что различие превышает пороговое значение различия.

13. Способ (1200) диагностики неисправности по п. 12, в котором различие вычисляют на основе способа оценки нелинейного состояния (NSET).

14. Способ (1200) диагностики неисправностей по п. 12, в котором устанавливают матрицу порогового значения с характерными значениями, соответствующими нормальному состоянию работы указанного по меньшей мере одного механизма (201).

15. Способ (1200) диагностики неисправности по п. 12, в котором получают от датчика (1011) вибраций, расположенного на исполнительном механизме (2011) автоматического выключателя (200), данные формы сигнала вибрации, относящиеся к размыканию/замыканию исполнительного механизма (2011).

16. Способ (1200) диагностики неисправности по п. 12, в котором принимают от первого датчика (1012) Холла, связанного с отключающей катушкой (2013) автоматического выключателя (200), первые данные сигнала тока, относящиеся к операции отключения отключающей катушки (2013).

17. Способ (1200) диагностики неисправности по п. 12, в котором принимают от второго датчика (1013) Холла, связанного с заряжающим электродвигателем (2015) автоматического выключателя (200), вторые данные формы сигнала тока, относящиеся к операции зарядки заряжающего электродвигателя (2014).

18. Способ (1200) диагностики неисправности по п. 12, в котором дополнительно фильтруют данные формы сигнала вибрации на основе вейвлет-преобразования (WT).

19. Способ (1200) диагностики неисправности по п. 18, в котором анализируют отфильтрованные данные формы сигнала вибрации, чтобы получить по меньшей мере одно характерное значение вибрации, причем указанное по меньшей мере одно характерное значение вибрации содержит пиковое значение, вычисленное из данных формы сигнала вибрации.

20. Способ (1200) диагностики неисправности по п. 16, в котором анализируют первые данные формы сигнала тока, чтобы получить по меньшей мере одно характерное значение отключения, при этом указанное по меньшей мере одно характерное значение отключения содержит пиковое значение срабатывания и/или время срабатывания, вычисленные из первых данных формы сигнала тока.

21. Способ (1200) диагностики неисправности по п. 18, в котором дополнительно анализируют вторые данные формы сигнала тока для получения по меньшей мере одного характерного значения зарядки, при этом указанное по меньшей мере одно характерное значение зарядки содержит ток запуска, ток отключения, средний ток зарядки и/или время зарядки, вычисленные из вторых данных формы сигнала тока.