(57)【要約】【課題】  モジュラー型接触器装置の接触器の開閉をそれぞれ独立に制御する方法及び装置を提供する。【解決手段】  この装置は、１つの接触器がそれ以外の接触器を閉じることなく閉じられるように各接触器が別個に制御される、多数の接触器を有する接触器装置を含む。これらの接触器は、一対の接触器が電力信号のゼロ電圧交差後に閉じるように構成されている。第３の接触器は一対の接触器が閉じた後に閉じられる。【選択図】  図１
2005158749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の接触器装置の内部に収容された複数の固定接点及び複数の可動接点と、
各々が少なくとも１つの可動接点と連動する複数の作動組立体と、
複数の作動組立体と連動し、閉路命令信号を受けると複数の可動接点の一部を複数の固定接点の一部に係合させるように構成されたコントローラとより成るモジュラー型接触器システム。
【請求項２】
複数の固定接点及び複数の可動接点は、接触器装置が多相電源の各相につき１組の接点組立体を含むように接点組立体のセットに編成されている請求項１のモジュラー型接触器。
【請求項３】
一部の可動接点及び一部の固定接点は単一セットの接触器装置に対応する請求項２のモジュラー型接触器。
【請求項４】
コントローラはさらに、一部の可動接点及び一部の固定接点が互いに係合した後においてのみ別のセットの接点組立体の複数の固定接点と複数の可動接点とを係合させるように構成されている請求項３のモジュラー型接触器。
【請求項５】
コントローラはさらに、系統電圧の特定の位相角により決まる瞬間に別のセットの接点組立体を閉じるように構成されている請求項４のモジュラー型接触器。
【請求項６】
特定の位相角は約６５°と約９０°との間にある請求項５のモジュラー型接触器。
【請求項７】
コントローラは、
電気系統の前のゼロ電圧後の第１の瞬間に第１の接触器閉路信号を一対の接触器の複数の作動組立体のうちの少なくとも１つの作動組立体に送信して一対の接触器を閉じるようにし、
第１の瞬間後の第２の瞬間に第２の接触器閉路信号を第３の接触器の作動組立体に送信して電気系統における大きい過渡電流及びその結果としての負のトルク振動のうちの少なくとも１つが最小限に抑えられるように構成されている請求項１のモジュラー型接触器。
【請求項８】
一対の接触器及び第３の接触器は、単一の接触器装置ハウジング内に配置されている請求項７のモジュラー型接触器。
【請求項９】
単一の接触器ハウジングは、多層負荷の各相につき１つの接触器を有する請求項８のモジュラー型接触器。
【請求項１０】
コントローラはさらに、遅延期間が切れるまで一対の接触器への閉路命令信号の送信を遅延させるように構成されている請求項７のモジュラー型接触器。
【請求項１１】
コントローラはさらに、第１の接触器閉路信号を一対の接触器に送信してその接触器対がゼロ電圧の約６０°後に閉じるように、また、第２の接触器閉路信号を第３の接触器の少なくとも１つの作動組立体に送信して第３の接触器がゼロ電圧の約９０°後に閉じるように構成されている請求項７のモジュラー型接触器。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、一般的に、電気開閉装置にかかわり、さらに詳細には、モジュラー型接触器装置の接触器をそれぞれ独立に閉じる方法及び装置にかかわる。
【０００２】
接触器は、通常、始動用として使用され、負荷を開閉するだけでなくモーターまたは他の電気的装置のような負荷を電流過負荷状態から保護する。典型的な接触器は３つの接触器装置、即ち、三相装置の各相または各極について１つの接触器装置を備えている。各接触器装置は、通常、一対の固定接点と可動接点とを有する。一方の固定接点はライン側接点であり、もう一方の固定接点は負荷側接点である。可動接点はアーマチャと磁石の組立体より成る作動組立体により制御されるが、この組立体はコイルにより付勢されると可動接点を移動させて固定接点間を橋絡する。可動接点が両方の固定接点に係合すると、電流が電源またはラインから負荷または電気的装置へ流れる。可動接点が固定接点から開離すると、開放回路が形成され、ラインと負荷が電気的に互いに隔離される。
【０００３】
一般的に、３つの接点組立体全てに共通のキャリアを作動するために単一のコイルが使用されるが、その結果、三相入力の任意の１極または１相について故障状態またはスイッチ開路命令を受けると、接触器は必ずその接触器の全ての接点組立体を一斉に開くように構成されている。同様に、閉路または導通状態が望まれる時は、全ての接点組立体を一斉に閉じるように制御される。簡単に言うと、接点組立体はそれぞれ独立に制御されるのではなくて１つのグループとして制御される。
【０００４】
この接触器構成には、特に高電力用の場合に問題点が幾つかある。三相入力の各相に１つの接点組立体があるため、その接点組立体の接点要素は故障（高電流）または異常スイッチング状態の下で高電流状態または溶着の危険に耐える必要がある。従って、接点を溶着に耐える複合材料で製造する必要がある。これらの複合材料は高価で、接触器の製造コストを増加させることになりかねない。種々の故障状態の下で接点の「ブローオープン」を制御する複雑な付勢機構を備えた他の接触器が設計されているが、この付勢機構により接触器の複雑さ及びコストが増加する。あるいは、高価な複合材料を使用せずに接点要素の耐溶着性を向上させようとすると、大型の接点要素が必要となる。大型接点は大きな熱シンクを提供し、電流搬送能力を増加させる。しかしながら、接点要素を大型化するには大型の作動機構、コイル、付勢ばねなどが必要となり、これら全ては製品サイズの大型化及び製品コストの上昇につながる。
【０００５】
さらに、全ての接点組立体が一斉に開く接触器は、開路時に接点間にアークが形成されるため、接点の侵蝕が生じることがある。全ての接点組立体または全ての接点セットが一斉に制御されると、接点組立体はブリッジまたはクロスバーを共有するため、三相入力の任意の相の故障状態のような異常状態により、全ての接点組立体が開くことになる。そのため、１つの接点組立体の接点が開路すると、それ以外の接点組立体の接点も開く。その結果、接点は理想的でない電流状態のときに開いてしまう。例えば、接触器は、三相入力の第１相に故障状態が検知されると、対応の組立体の接点は、第１相の電流のゼロ交差時に開くように、制御される。三相入力の第２相及び第３相は第１相からそれぞれ１２０°及び２４０°遅れているため、第１相の接点組立体の接点開路時に第２相及び第３相の接点組立体の接点を開くと、接点を流れる電流がゼロでない時に第２及び第３の接点組立体が開くことになる。このようにゼロでない時開路すると、第２及び第３の接点組立体の接点要素間にアークが発生するため、接点の侵蝕が生じ、これが接触器の早期故障につながることがある。これは、上述したような異常なスイッチング状態時だけでなく通常の仕事を行う時でもそうである。
【０００６】
この一斉制御式構成には、電源と負荷の間に大きな過渡電流を導通させる接点の閉路に付随する問題がある。全ての接点を一斉に閉じると、負であることが多い機械的トルク振動が生じることがある。その結果、モーター巻線だけでなく系統の機械的コンポーネントは応力にさらされて損傷を受ける。さらに、この大きな過渡電流による望ましくない、またはわずらわしいトリップを回避するには、モーター回路保護用断路器（遮断器または溶着）のサイズを過大にする必要があるかもしれない。
【０００７】
従って、負のトルク振動を最小限に抑えるようにそれぞれ独立に制御可能な、多数の接触器を備えたモジュラー型電磁接触器を設計することが望ましい。さらに、各接触器がその複雑さ及びサイズを増加させることなく、故障状態の下で高電流に耐えるように構成された、かかるモジュラー型接触器を設計することがさらに望ましい。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、上述の問題点を克服する、モジュラー型接触器装置の接点をそれぞれ独立に制御する方法及び装置を提供し、また、それと共に利用可能な制御方式を提供する。接触器装置は、電気的装置の各相または各極につき１つの接触器を有する。接触器装置は、開閉装置だけでなく隔離または保護装置として利用可能である。そのように、各接触器は多数の接点組立体を有するように構成されている。さらに、単一の接触器装置またはハウジング内の接触器は、その接触器装置の１つの接触器の接点を他の接触器の接点を閉じることなく閉じることができるようにそれぞれ独立して制御することができる。
【０００９】
従って、本発明は、１つの局面において、電源と負荷を有する電気系統の電圧をモニターするステップを含む接触器の開閉を制御する方法を包含する。複数接触器構成の少なくとも第１の接触器は、その系統の電圧がゼロ交差した後第１の位相角で閉じられる。その後、別の接触器は第１の接触器の閉路後所定の瞬間に閉じられる。１つの特定の局面において、それ以外の接触器は全て、第１の接触器の閉路後その所定の瞬間に閉じられる。
【００１０】
本発明の別の局面によると、モジュラー型接触器装置は、単一の接触器装置内に収容された複数の固定接点及び複数の可動接点を有する。複数の作動組立体が設けられており、その各々は少なくとも１つの可動接点と連動する。コントローラは、複数の作動組立体と作動的に関連し、閉路命令信号を受けると一部の可動接点を一部の固定接点に係合させるように構成されている。
【００１１】
本発明の別の局面によると、コントローラは、モジュラー型接触器装置の接触器の閉路をそれぞれ独立に制御するために設けられている。コントローラは、電気系統における前の電圧ゼロ交差の後の第１の瞬間に第１の接触器閉路信号を一対の接触器の少なくとも１つの作動組立体に送信して、その接触器対を閉じるようにプログラムされている。そのコントローラはさらに、第１の瞬間の後の第２の瞬間に第２の接触器閉路信号を第３の接触器の作動組立体に送信して、電気系統の負のトルク振動が最小限に抑えられるようにプログラムされている。
【００１２】
本発明の種々の特徴、目的及び利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明らかになるであろう。
【実施例】
【００１３】
本発明を、負荷の開閉だけでなくモーターのような負荷の電流過負荷状態からの保護のような始動用途に用いる電磁接触器装置に関連して説明する。本発明の電磁接触器装置及び制御装置は、熱負荷接触器装置、オンデマンドモジュラー型接触器装置、モジュラー型大型フレーム接触器装置などに等しく利用可能である。本発明はまた、開路時におけるアーク及び接点閉路時におけるはね返りアークにより生じる接点の侵蝕を減少することを望ましい他のタイプの接触器装置にも利用可能である。さらに、三相電気的装置における利用に関連して説明するが、本発明は他の電気的装置にも利用可能である。
【００１４】
図１を参照して、該図はモジュラー型接触器装置１０の斜視図である。モジュラー型接触器装置１０は、三相電気系統の電磁接触器１２Ａ−Ｃを有する。各接触器１２Ａ−Ｃは、モーターまたは他の電気的装置への電流を開閉するように設計されている。図示の構成では、接触器１２Ａ−Ｃは、各接触器と共にオプションとしてのカバー（図示せず）を支持するように構成されたプレート１１に取り付けられている。図示の実施例において、接触器装置１０の各接触器１２Ａ−Ｃは、モーター制御のような産業制御用として動作する始動装置に用いる過負荷継電器１３Ａ−Ｃに接続されている。この装置１０には、継電器１３Ａ−Ｃなしに実現可能な他の用途もある。各継電器１３Ａ−Ｃにある開口１４Ａ−Ｃはそれぞれ、リード線の接触器装置への電気的接続を容易にする。各接触器／過負荷継電器には３つの開口があるが、エンドユーザーは、単一点で配線を取り付けるために、３つの開口全てにわたって延びてこれらをジャンプする共通バスプレート（図示せず）を開口に挿入できる。バスプレートは、エンドユーザーがワイヤを装置に接続するためのラグまたはリング端子を有する。以下に詳述するように、各相のこの三路接続は故障状態下で有益であるが、その理由は、各相Ａ−Ｃの電流が各接触器の内部で均等に分布されるため、接点のアーク及び接点の侵蝕が、特に閉路時に最小限に抑えられるからである。各接触器１２Ａ−Ｃは、ねじ１８Ａ−Ｃにより接触器フレームに固定される上部カバー１６Ａ−Ｃを有する。各継電器１３Ａ−Ｃにはカバー２０Ａ−Ｃもあるが、これらのカバーは、継電器フレームにスナップ接続され、ヒンジ連結されているため、ＦＬＡ調整ポテンシャメータ（図示せず）にアクセスすることができる。各継電器１３Ａ−Ｃはリセットボタン２２Ａ−Ｃを有する。
【００１５】
図２を参照して、該図は、図１の線２−２に沿うモジュラー型接触器装置１０の接触器１２Ａ−Ｃのうちの１つを示す縦方向断面図である（過負荷継電器１３Ａ−Ｃは図１から省略）。詳述すると、接触器１２Ａは断面図で示されているが、接触器１２Ｂまたは１２Ｃの断面も同様である。接触器１２Ａは、電磁コイル２４の付勢前の、接点２６、２８が開離した通常の開位置で示す。コイル２４は、接触器ハウジング３０により固定され、アーマチャ３２を磁石組立体３５に引き寄せる作動エネルギーしきい値またはそれより大きいエネルギー源または突入パルスを受けるように設計されている。アーマチャ３２に固定された可動接点キャリアも、磁石組立体３５の方へ引き寄せられる。ばね３４により固定接点２６の方へ付勢される接点２８は、ここでは固定接点２６上の閉位置にあり、電流経路を提供する。以下に詳述するように、コイル２４が付勢されると、そのコイル２４にはコイルの減少した保持エネルギーしきい値以上の第２のエネルギーが供給されるが、このエネルギーは、取り除かれるまでは、または大きい故障電流が発生するまでは、磁石組立体３５に対するアーマチャ３２の位置を保持し、減少したエネルギーしきい値を克服してアーマチャを磁石組立体から引き離し、接点を開離させる。
【００１６】
磁石組立体３５は、磁石フレーム８６にしっかり固定された磁石ポスト３６を有する。磁石ポスト３６、磁石フレーム８６、アーマチャ３２は、通常は中実の鉄製部材である。コイル２４は、銅製磁石ワイヤを巻回した成形プラスチックボビンを有し、磁石フレーム８６の内部で磁石ポスト３６の上方中央に位置している。コイル２４は、直流により駆動し、パルス幅変調により制御して電流を制限し、コイルにおける熱の発生を減少させるのが好ましい。磁石組立体３５は、付勢されると、可動接点キャリア３９に接続されたアーマチャ３２を引き寄せる。可動接点キャリア３９は、アーマチャ３２と共に、磁石組立体３５の方へ案内ピン４０及び成形ハウジング３０の壁４６、４８により案内される。
【００１７】
案内ピン４０は、可動接点キャリア３９に固着されたアーマチャ３２に圧入または固定される。案内ピン４０は、磁石組立体３５内で案内表面４２に沿って摺動可能である。単一の案内ピン４０は、中央にあって、可動接点キャリア３９が磁石組立体３５の方へ、またはそれから遠ざかる方向に移動する際、アーマチャ３２と可動接点キャリア３９のための滑らかで平坦な経路を提供するよう使用される。可動接点キャリア３９は、接点ハウジング３０の内壁４６、４８によりその上端部４４において案内される。案内ピン４０の一部はアーマチャ付勢機構または可撓性アーマチャ戻りバネ５０により覆われており、このばねは可動接点キャリア３９が磁石組立体３５の方へ移動すると圧縮される。アーマチャ戻りバネ５０は、磁石ポスト３６とアーマチャ３２との間に位置して可動接点キャリア３９及びアーマチャ３２を磁石組立体３５から離れる方向に付勢する。一対の接点ブリッジ停止部材５２は、大きい故障電流発生時にアーク遮蔽体５６の方への接点ブリッジ５４の移動を制限する。案内ピン４０とアーマチャ戻りバネ５０の組み合わせにより、可動接点キャリア３９の平坦な下方運動が促進され、接点閉路時に発生する可能性のある傾斜またはウィンドウロックの防止に役立つ。可動接点キャリア３９とアーマチャ３２とは、付勢状態の磁石組立体３５の方に引き寄せられると、アーマチャ３２の可撓性アーマチャ戻しバネ５０に対して圧縮力を及ぼす。可動接点キャリア３９及びアーマチャ３２は案内ピン４０と共に案内表面４２に沿って移動して、可動接点キャリア３９に実質的に平坦な移動経路を提供する。接触器毎に３対のクリンプ用ラグ５８が設けられており、これらはリード線の接触器への固定に使用される。あるいは、エンドユーザーがリング端子または適当な大きさのラグの何れかによりワイヤを接続するためのベースとして固定接点を含む共通のバスバー（図示せず）を用いてもよい。
【００１８】
図３を参照して、該図は、電磁コイル２４の付勢前の通常の開位置にある接触器１２Ａの横方向断面図である。最初に、アーマチャ３２は可撓性アーマチャ戻しバネ５０により磁石組立体３５から離れる方向に且つハウジング６０の方へ付勢されているため、アーマチャとコアとは開離している。接点キャリア組立体も、アーマチャ付勢機構５０により磁石組立体３５から離れる方向に移動しているため、可動接点２８と固定接点２６とが開離し、接点２６、２８を介する電流の流れを阻止される。付勢ばね３４は、可動接点６４の上側表面６２に接続されているため、延伸して、ばねの頂部と可動接点６４との間に最大の空間６３が生じている。
【００１９】
図４を参照して、該図は、ソフト始動装置７０に接続された隔離装置としての一対のモジュラー型接触器装置６６及び６８を示す。接触器装置６６は、三相用として、それぞれラインＡ、Ｂ及びＣを介してライン電源７４からの電力を搬送する３つの接触器７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃを有する。同様に、接触器装置６８は、三相負荷７８のための３つの接触器７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃを有する。図示のように、単一の接触器装置の内部においてソフト始動装置の前後に３つの接触器が存在する接触器装置６６及び６８は、ソフト始動装置が回路を遮断した後、あるいはソフト始動装置のＳＣＲが短絡状態にある場合は負荷それ自体を遮断した後（故障状態）に、それらの接触器を独立に「ブレークオープン」することにより、ソフト始動装置に対して電流隔離するように設計されている。接触器装置６６、６８の各接触器は多数の接点を有する。各接触器は３つの接点組立体を有し、各接点組立体は１つのライン側接点、１つの負荷側接点及びライン側接点と負荷側接点を互いに接続するための１つの接続用または橋絡用接点を有するのが好ましい。例えば、橋絡用接点は上述したような可動接点でよい。
【００２０】
コントローラ８０は、各接触器の接点組立体を開位置と閉位置との間で一斉に移動させるように構成された、各接触器の作動組立体（図示せず）に接続されている。各作動組立体は、上述したように、接点を「ブレーク」及び「メイク」するためのコイル、アーマチャ及び磁気コンポーネントを有する。コントローラ８０は、接触器の動作を独立して制御するために制御信号を作動組立体に送るように設計されている。コントローラは電流感知ユニット８２からの電流データに基づき作動組立体をトリガーするが、この感知ユニットは、図４の実施例では、三相ライン入力の第１相または極Ａから電流データを取り出すように構成されている。電流感知ユニット８２を第１相または極Ａから電流データを取り出すものとして示すが、電流感知ユニット８２を三相ライン入力の第２または第３相または極Ｂ、Ｃに関連させてもよい。
【００２１】
各接触器７２Ａ−Ｃ及び７６Ａ−Ｃにはそれ自身の作動組立体があるため、各接触器は独立して開閉することができる。この独立性により、モジュラー型接触器装置の１つの接触器を、残りの接触器を開路させずに開くことができる。例えば、第１の接触器７２Ａ、７６Ａを開き、残りの接触器７２Ｂ−Ｃ、７６Ｂ−Ｃを、第１の接触器７２Ａ、７６Ａの接点がクリアされるまで開かないように制御することが可能である。この遅延及びその後の接触器の開路により後で開く接触器の接点のアークによる侵蝕が減少するが、その理由は、各接触器をその接触器の相がゼロ電流点かそれに近い時に開くように制御できるからである。従って、アーク時間は最小である。上述したように、各接触器７２Ａ−Ｃ、７６Ａ−Ｃは、３つの接点組立体８４Ａ−Ｃ、８６Ａ−Ｃを有する。各接点組立体は可動接点と固定接点より成る。各接触器内の接点組立体は、一斉に開くように構成されているため、共通のクロスバーまたはブリッジにより制御される。このように、単一の接触器内の接点組立体は一斉に動作するが、これらの接触器は互いに非同期的にまたは独立に作動される。以下に述べるように、コントローラ８０は接触器７２Ａ及び７６Ａに直接接続されているが、接触器７２Ｂ−Ｃ及び７６Ｂ−Ｃには並列に接続されている。このように、接触器７２Ｂ−Ｃ及び７６Ｂ−Ｃは同時に制御することが可能である。
【００２２】
図５を参照して、接触器装置８８は、それに接続された負荷８９を制御し保護するための開閉装置として実現可能である。接触器８８には３つの接触器９０Ａ−Ｃがある。接触器の数はライン入力９２と共に負荷８９の相数に一致する。従って、図５の例では、三相ライン９２及び負荷８９の各相につき１つの接触器が設けられている。各接触器９０Ａ−Ｃには３つの接点組立体９４Ａ−Ｃがある。各組立体９４Ａ−Ｃは、多数のライン側接点９６Ａ−Ｃと多数の負荷側接点９８Ａ−Ｃとを有する。各接触器は、コントローラ１０２に接続されそれにより制御される作動組立体１００Ａ−Ｃを有する。コントローラ１０２は、接触器の作動組立体を変換器１０４Ａ−Ｃから受ける故障データに基づいてトリガーすることにより各接触器の接点のブレーク及びメイクを制御する。あるいは、別法として、接点のブレーク及びメイクをオーバーライド制御またはスイッチ１０６により制御することが可能である。
【００２３】
各接触器のブレークのタイミングは、変換器１０４Ａ−Ｃから受ける電流データに基づき決定される。三相入力環境では、３つの変換器１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃを使用する。各相に１つの変換器を用いると、各接触器を以下に詳述するように「第１」極の接触器として特定することが可能である。逆に、ただ１つの変換器を用いて１つの相から電流データを収集し、その相に対応する接触器を「第１」極の接触器と考える。しかしながら、任意の接触器が「第１」極の接触器となりうる。
【００２４】
図６を参照して、該図は、電源ライン１１０と三相モーター１１２との間の典型的なモーター制御用接触器装置１０８を示す。この接触器装置１０８はモジュラー型接触器装置であり、上述した接触器と同様の４つの接触器１１４Ａ、Ａ´、Ｂ、Ｃを有する。各接触器１１４Ａ−Ｃは１組の接点組立体１１４Ａ−Ｃを有する。詳述すると、各接触器装置は１組のライン側接点１１８Ａ−Ｃ及び負荷側接点１２０Ａ−Ｃを有する。各接触器はまた、それぞれの接触器の接点組立体を一斉にブレークまたはメイクする作動組立体１２２Ａ−Ｃを有する。しかしながら、各接触器にはそれ自身の作動組立体があるため、これらの接触器をそれぞれ独立に制御することができる。
【００２５】
各作動組立体に接続されて接触器をそれぞれ独立に制御するのは、コントローラ１２４である。コントローラ１２４は、対応の相Ａ−Ｃが特定の電流値または電圧値を交差するとそれに基づき各接触器を開閉する。１つの実施例において、各接触器は対応相の電流がほぼゼロの時に開くように制御される。接触器の接点をゼロ電流またはそれに近い値の時に開くと、接触器の接点間のアークによる侵蝕の可能性が減少する。しかしながら、コントローラ１２４は、対応相の電流が特定の非ゼロ値に到達する／交差するとそれに基づき接触器をそれぞれ独立して開くように構成することが可能である。電流データは、ライン１１０と接触器１１４Ａ−Ｃとの間に接続された少なくとも１つの電流センサー（図示せず）により取り出される。
【００２６】
引き続き図６を参照して、接触器１１４Ａ及び１１４Ａ´は互いに直列接続の形で示されている。この構成は、特に高電圧（即ち、６００ボルトより高い）用途で多数の利点を有する。２つの接触器を直列に接続し、故障が検出されるかまたは開路命令が出されると開くようにその２つの接触器を第１の接触器と指定すると、これら２つの直列接続の接触器１１４Ａ及び１１４Ａ´は大きな開閉エネルギー応力を共有することができる。その結果、接触器１１４Ａ及び１１４Ａ´においてより多くのエネルギーが放散され、接触器１１４Ｂ、Ｃのエネルギー吸収負担が減少する。さらに、接触器１１４Ａ及び１１４Ａ´も互いに並列にコントローラに接続されているため、コントローラにより接触器１１４Ａ及び１１４Ａ´を同時に開くことが可能である。これにより、従来の二点切りシステムとは異なり４つのアークが大きなアーク電圧を発生させ、電流及び接点の侵蝕が減少する。多数の接点ギャップもまた、電流がゼロになった後の再点弧の可能性を減少させる。
【００２７】
図６に本発明の一実施例の構成を示すが、図示しないさらに別の構成も本発明の範囲内で実現される。例えば、ジョギング用途において、２つの直列接続接触器より成る３つのセットを並列に構成して、それぞれ独立に制御することが可能である。
【００２８】
上述したように、モジュラー型接触器装置は、１またはそれ以上の電流センサーからの電流データに基づきコントローラが制御する作動機構によりそれぞれ独立して開かれる多数の接触器を有する。接触器は特異な作動組立体を備えているため、これらの接触器を多数の制御方式またはアルゴリズムに従って制御することが可能である。これらの制御方式の一部を図７−９を参照して説明する。
【００２９】
図７を参照して、該図は、本発明によるモジュラー型接触器装置のための制御方式またはアルゴリズムのステップを示す。方式１２６に従って実行されるステップは、モジュラー型隔離接触器、モジュラー型熱負荷接触器、モジュラー型オンデマンド開閉接触器などに等しく適用可能である。これらのステップは１２８においてスタートし、開いた状態が望ましいという指定１３０が発生する。所望の開いた状態の指定は、専用スイッチ開路命令かまたは故障状態が存在し少なくとも１つの接触器を開く必要があることを示す故障指示信号の何れかの結果である。開いた状態が望しくない場合（１３０、１３２）、開いた状態が望ましくなるまで（１３４）リサイクルする。開いた状態が望まれると（１３０、１３４）、１３６において入力電力の１つの相の電流が電流センサーによりモニターされる。電流は、特定の電流状態１３８が発生する時を確定するためにモニターされる。その電流状態が発生するまで（１３８、１４０）、その相の電流がモニターされる。その電流状態が一旦発生すると（１３８、１４０）、待機ステップ１４４が実行される。
【００３０】
１つの実施例において、その電流状態は、三相入力のモニターされる相が電流ゼロの状態である。待機ステップ１４４は電流遅延であり、これは作動組立体がスイッチ開路信号を受ける時から対応の接触器の実際の接点開離までに必要な時間に基づく。時間遅延が満了すると（１４４）、ステップ１４６において、単一の接触器の作動組立体にスイッチまたはブレークオープン信号が送られる。その後、接触器の多数の接点組立体が開き、このようにして、三相入力の対応相のラインと負荷との間が開路状態となる。
【００３１】
ステップ１４６においてその単一の接触器が開いた後、再び単一ステップ１４８が実行される。ステップ１４８における待機期間は、接触器装置の残りの接触器が１５０において開く前にその単一の接触器が確実に開いているようにするための十分な長さを有する。単一の接触器の接点は電流ゼロの１乃至２ミリ秒前に開くのが好ましい。残りの接触器がステップ１５０において開いた後、全ての接触器が開いた状態となり、ラインと負荷との間に開路状態が発生する（１５２）。
【００３２】
図８を参照して、単一の接触器装置のモジュラー型接触器を制御する別の方式１５４は、ステップ１５６でスタートし、ステップ１５８において所望の開路または故障命令を待つ。開いた状態が望ましくない場合（１５８、１６０）、この方式は開いた状態が望ましくなるまでリサイクルする（１５８、１６２）。開いた状態が望ましくなると、三相入力信号の各相の電流が１６４でモニターされる。このように、この方式１５４は、各相が図５に関連して述べたものと同じ専用の電流センサーまたは変換器を有する開閉制御専用のモジュラー型接触器装置に特に適用可能である。
【００３３】
各相の電流は、その相のある電流状態が発生する時を確定するためにモニターされる（１６６）。このモニター動作は、その相の電流が特定の点または値と交差するまで継続される（１６６、１６８）。この電流状態は、開閉または故障指示信号を受けた後その相の次の電流ゼロ状態と定義するのが好ましい。しかしながら、この電流状態はその電流波形上の任意の非ゼロ点にすることも可能である。その電流状態を単一の相で特定すると（１６６、１７０）、この方式１５４は１７２において待機またはホールドステップを経験する。待機ステップ１７２の期間は、作動組立体がその接触器の開路信号を受けた時からその接触器の接点が実際にブレークするまでに要する時間に基づく遅延時間である。遅延時間が満了すると、電流ゼロの状態が指定されたその相の接触器がステップ１７４で開かれる。その接触器の接点組立体は、それに対応する相が次に電流ゼロになる１乃至２ミリ秒前に一斉に開かれる。
【００３４】
接触器が一旦開かれると（１７４）、開いていないさらに別の接触器があるか否かの判定が行われる（１７６）。もしそうであれば（１７６、１７８）、この方式は、電流が閉じた接触器の相でモニターされるステップ１６２へ戻る。このようにして、各接触器は互いに独立に開かれる。第２及び第３の相電流は第１の相がクリアされた後は同じ位相角を有するため、最後の２つの相の接触器は同時に開く。全ての接触器が開くと（１７６、１８０）、プロセスはステップ１００で終了し、全ての接触器が開路またはブレーク状態となる。
【００３５】
図９を参照して、モジュラー型隔離接触器装置の接触器の独立制御に特に適用可能な方式またはプロセス１８４は、１８６でスタートし、ステップ１８８において所望の開路状態を指示する開閉または故障命令が特定される。開路状態が望ましくない場合（１８８、１９０）、このプロセスはかかる命令を受け取るまでリサイクルする。かかる命令を受け取らないということは、ラインと負荷との間の継続的な電気的接続が望ましいということである。開閉または故障指示信号または命令を受けると（１８８、１９２）、三相入力信号の１つの相で電流センサーにより電流がモニターされる。三相入力の任意の相をモニターしてもよいが、実際はただ１つの相をモニターするのが好ましい。その相の電流は特定の電流状態が発生する時を確認するためにモニターされる（１１４）。この電流状態は、モニターされる相の電流ゼロ点の交差に基づき電流センサーから受け取る電流ゼロ信号として定義される。しかしながら、電流信号の非ゼロ点も特定の電流状態と考えることが可能である。電流状態を受け取らない場合（１９６、１９８）、このプロセスは選択された相の電流を引き続きモニターする。その電流状態が発生しコントローラにより特定されると（１９６、２００）、このプロセスは、コントローラがモニターされるそれに対応する単一の接触器の作動部材にブレークオープン信号を送信する前に待機ステップ２０２を実行する。この待機または遅延期間は、作動組立体のその信号の受信から対応の接触器のブレークオープンまでに要する時間インターバルに基づく。
【００３６】
遅延期間が満了すると（２０２）、モニターされる相に対応する接触器が開かれる（２０４）。接触器は、対応相の次の電流ゼロ点の１乃至２ミリ秒前の点で開かれる。ステップ２０６において、プロセスは、ステップ２０８において残りの接触器が開く前に多数の接点が開くまで待機する。残りの接触器は同時に開くのが好ましい。例えば、三相環境では、第１極の接触器が開き、それに続いて第２極及び第３極の接触器がそれぞれそれらの作動組立体により同時に開かれる。全ての接触器が開くと、ラインと負荷は互いに隔離状態となり、プロセスが２１０で終了する。
【００３７】
本発明を、モジュラー型接触器装置の接触器の独立開路に関して説明した。しかしながら、独立して制御される接触器を開閉する本発明には多数の利点が存在する。本発明のモジュラー型接触器装置では、特定波形点（ポイントオンウェーブ）開閉または制御が特に有意である。特定波形点開閉により、接触器の接点を電圧センサーから得られる電圧データに基づき閉じ、また電流センサーから得られる電流に基づき開くことができる。特定波形点開閉は接点の侵蝕を減少させ、従って、接点間に形成されるアークを最小限に抑えるか防止するように接触器の接点をブレークオープンして、接点の開閉を改善する。接点の閉路につき、特定波形点開閉は、接点を正確な電圧点で閉じることによりモーター（負荷）の負のトルク振動を減少する上で有利である。
【００３８】
図１０を参照して、該図は、三相電力信号の単一相の典型的な正弦電流波形２１２を示す。電流値は、負の最大電流値２１４から正の最大電流値２１６の波形の各点に沿って変化する。逐次発生する最小値（または最大値）間において、波形はゼロ点２１８を交差する。点２１８において、負荷に印加中の対応相の電流は最小値にあるかまたはそれに近いところにある。上述したように、電流波形が点２１８かそれに近い時に接触器を開いて接触器の接点間に形成されるアークを減少させるのが望ましい。
【００３９】
波形２１２は、電力が負荷に供給される時はほぼ一定である。大きさ、周波数及び位相の変動が経時的に発生するが、波形２１２はほぼ一定である。本発明の１つの局面によると、開路状態が望ましい時、開閉命令または故障指示信号２１０が受信される。図１０において、開閉信号を電流波形に関連して示すが、これは波形が点２１４にある時に対応する。しかしながら、例示的な目的で示すにすぎず、開閉または開路信号は電流の任意の点で受けることができる。開路状態が望まれる瞬間（開閉信号受信時）に接点が開く場合、その点における電流の大きさは最大値かそれに近い値である。これによりブレークアーク時間及びそれに続く接点の侵蝕が増加する。従って、コントローラは接触器の開路をインターバルｔdだけ遅延させる。点２２２においてその接触器の接点が開く。その相のラインと負荷との間の開路状態は直ちに発生しない。接点の開離と開路状態との間には期間Δｔが存在する。このΔｔにおいて、ブレークアークの継続時間は短かく、上述したように、これにより接点の侵蝕が最小限に抑えられ、電流ゼロの後での再点弧が防止される。波形上の点２２６において、接触器は開き、ラインと負荷との間の開路状態が発生する。
【００４０】
特定波形点開閉は本発明の１つの利点である。特定波形点閉路の目的は、メイク電流の非対称成分を最小限に抑えて、モーターの負のトルク振動を減少すると共にはね返りアークによる侵蝕及び接点の溶着を最小限に抑えることである。図１１を参照して、該図は、本発明による接触器の「メイク」または閉路動作を説明するために、三相電力信号の単一相の１組の電圧及び電流波形２２８、２２９をそれぞれ示す。閉じるように指定された第１極は、接触器を流れる電流が存在しないため系統電圧の任意特定の位相角で「メイク」する必要はない。しかしながら、第２極及び第３極は電圧波形の特定の点で閉じて、大きな過渡電流とそれに起因する負のトルク振動とを減少させる。第２及び第３の接触器のそれぞれの接点のメイクは、電圧センサーからの少なくとも１つの電圧データ値に基づくが、図示の例では、波形上の点２３０において接触器閉路信号が受信される。それと同時に、指定の第１極接触器が閉じられた後においてのみ遅延期間ｔdが観察される。時間遅延が経過した後、第２の接触器の接点が点２３２で閉じられるが、この点は負荷の力率に応じて系統電圧の位相角６５乃至９０°内にあるのが好ましい。接点のはね返りによるアークも、各接触器に複数セットの接点を用いることにより最小限に抑えるかなくすことができる。はね返りアークの減少２３４は、それが接点の侵蝕及び接点の溶着つながるため有利である。接点をいつ閉じるかを制御することにより、モーターの負のトルク振動も減少する。
【００４１】
図１２は、モジュラー型または複数接触器装置とは独立に接触器の開閉を行う方式またはプロセスを示す。この方式２３６は、２３８において、開閉命令がコントローラから指定された第１極接触器の作動組立体に送られるとスタートする。上述したように、指定された第１極接触器は、閉路前に接触器には電流が流れないため、系統電圧の特定の位相角とは無関係に閉じることができる。指定された第１極接触器の作動組立体は、開閉命令に基づきその接触器内の接点を２４０において閉じる。この方式２３６は、単一の作動組立体または２以上の作動組立体を有する接触器により実現できることを注意されたい。さらに、各接触器が複数セットの接触器を備えるのが好ましいが、この方式２３６は単一セットの接点を有する接触器により実現可能である。
【００４２】
指定された第１極接触器が閉じた後（２４０）、第１極でない接触器に対応する相の系統電圧の所定の位相角がモニターされる（２４２）。第１極でない接触器の位相をモニターすると、この第１極でない接触器を波形上の特定の点で閉じることができる。第１極でない接触器に対応する系統電圧の所定の位相角を示す信号は、２４４においてコントローラへ送られる。この所定の位相角信号は、電圧センサーまたは他の検知または感知装置から送ることができる。所定の位相角信号を受信すると、コントローラは遅延時間の満了するまで待機する（２４６）。上述したように、この遅延時間は、接触器の作動組立体が開閉信号を受ける時から接触器の接点閉路までに要する時間に基づく。時間遅延が満了すると、コントローラは、接点閉路信号を第１極でない接触器の作動組立体に送信し（２４８）、それにより第１極でない接触器の接点が２５０において閉じるようにする。上述したように、第１極でない接触器は、負荷の力率に応じて、系統電圧の位相角の約６５°と約９０°の間で閉じるのが好ましい。
【００４３】
第１極でない接触器が２５０において閉じた後、２５２においてさらに別の接触器が開いた状態にあるか否かが判定される。全ての接触器が閉じていない場合（２５２、２５４）、この方式またはプロセスはステップ２４２へ戻り、上述したステップまたは機能を実行する。しかしながら、接触器装置の全ての接触器が閉じている場合（２５２、２５６）、この方式２３６は２５８で終了し、電流が各接触器を流れる。この方式２３６が終了すると、コントローラは図７、８または９を参照して上述した方式またはプロセスの１つを実行して、開路状態が望ましい時に接触器装置の接触器の開路をそれぞれ独立に制御するのが好ましい。
【００４４】
図１３を参照して、該図は、大きな過渡電流及びそれに起因する負のトルク振動を最小限に抑えるようにモジュラー型接触器装置の接触器の閉路を独立して制御する別の方式またはプロセスのステップを示す。この方式２６０は三相電源に適用可能であり、３つの独立した単極接触器または単一の接触器装置ハウジング内に収容するのが好ましい２極接触器及び単極接触器と共に用いることができる。この方式２６０は、２６２でスタートし、２６４において交流電力信号の電圧をモニターする。交流電力信号は、電力会社からのライン電源またはエンジン駆動電源のような他のタイプの電源から出力させることが可能である。電源の電圧をモニターすることにより、接触器の閉路を波形上の正確な点で実行できる。即ち、電力信号の電圧をゼロ交差点を求めるためにモニターする。その後、一対の接触器が、共通のまたは別個の作動組立体により、特定の位相、好ましくは、ゼロ交差点から約６０°過ぎた所で閉じるようにする（２６６）。一対の接触器が閉じた後、電力信号の電圧を再びモニターして（２６８）、第３の接触器が特定の瞬間で閉じるようにする（２７０）。指定する瞬間はその一対の接触器の閉路後約９０°の点であるのが好ましい。第３の接触器の閉路を第３の接触器の閉路後まで遅延させると、システムの負のトルク振動が減少し、それによりシステムにかかる応力が減少する。
【００４５】
本発明を、三相入力または負荷の１つの極または相の接触器が残りの接触器が開く前に開くようにする、指定された第１極の開閉動作に関連して説明した。この構成の利点は、任意の接触器をその「第１」極の接触器と指定できることである。さらに、この指定は、「第１」極の指定が全ての接触器の間でローテーションするように選択的に変更することができる。接触器間で「第１」極の指定をローテーションすると接触器間の接点侵蝕が均等になり、それにより接触器の一定のそして首尾一貫した動作が可能となる。ローテーションの指定は、所定数の開閉事象の後に指定が変更されるようにコントローラをプログラミングして自動的に行うか、または、リード線が接触器装置に接続される順序を手動で変更することにより行える。
【００４６】
従って、一実施例において、本発明は、電源及び負荷を有する電気系統の電圧をモニターするステップを含む接触器の開閉制御方法を包含する。複数接触器装置の少なくとも第１の接触器を、系統の電圧ゼロ交差後の第１の位相角で閉じる。その後、別の接触器を第１の接触器の閉路後の所定の瞬間に閉じる。
【００４７】
本発明の別の実施例によると、モジュラー型接触器装置は単一の接触器装置内に収容された複数の固定接点及び複数の可動接点を含む。複数の作動組立体が設けられており、その各々は少なくとも１つの可動接点と連動する。コントローラは、複数の作動組立体と作動的に関連し、一部の可動接点が一部の固定接点と係合するように構成されている。
【００４８】
本発明の別の実施例によると、コントローラは、モジュラー型接触器装置の接触器の閉路動作をそれぞれ独立に制御するために設けられている。このコントローラは、電気系統の前の電圧ゼロ交差後の第１の瞬間に第１の接触器閉路信号を一対の接触器の少なくとも１つの作動組立体に送信して、その接触器対を閉じるようにプログラムされている。コントローラはさらに、第１の瞬間後の第２の瞬間に第３の接触器の作動組立体に第２の接触器閉路信号を送信して第３の接触器を閉じることにより、大きな過渡電流及びそれに起因する電気系統の負のトルク振動が最小限に抑えられるようにプログラムされている。
【００４９】
本発明を好ましい実施例に関連して説明したが、上述したものとは別に均等例、変形例及び設計変更が頭書の特許請求の範囲から逸脱することなく可能であることが認められる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明によるモジュラー型接触器装置の斜視図である。
【図２】図１の線２−２に沿うモジュラー型接触器装置の１つの接触器を示す断面図である。
【図３】図１の線３−３に沿うモジュラー型接触器装置の１つの接触器を示す断面図である。
【図４】ソフト始動装置に接続された本発明のモジュラー型接触器装置の概略図である。
【図５】本発明の別の局面によるモジュラー型接触器装置の概略図である。
【図６】モーターコントローラとしての本発明によるモジュラー型接触器装置を示す概略図である。
【図７】本発明の１つの局面によるモジュラー型接触器装置の接触器をそれぞれ独立に制御する方法のステップを示すフローチャートである。
【図８】本発明の別の局面によるモジュラー型接触器装置の接触器をそれぞれ独立に制御する方法のステップを示すフローチャートである。
【図９】本発明の別の局面によるモジュラー型接触器装置の接触器をそれぞれ独立に制御する方法のステップを示すフローチャートである。
【図１０】本発明による接触器の開路時における単一相の電流波形図である。
【図１１】本発明による接触器の閉路時における単一相の電流波形図である。
【図１２】本発明の別の局面によるモジュラー型接触器装置の接触器をそれぞれ独立に制御する方法のステップを示すフローチャートである。
【図１３】本発明の別の局面によるモジュラー型接触器装置の接触器をそれぞれ独立に制御する方法のステップを示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【外国語明細書】
METHOD AND APPARATUS TO INDEPENDENTLY CONTROL CONTACTORS IN A MULTIPLE CONTACTOR CONFIGURATION
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to an electrical switching device, and more particularly, to a method and apparatus of independently closing contactors of a modular contactor assembly. 
Typically, contactors are used in starter applications to switch on/off a load as well as to protect a load, such as a motor, or other electrical devices from current overloading.  As such, a typical contactor will have three contact assemblies; a contact assembly for each phase or pole of a three-phase electrical device.  Each contact assembly typically includes a pair of stationary contacts and a moveable contact.  One stationary contact will be a line side contact and the other stationary contact will be a load side contact.  The moveable contact is controlled by an actuating assembly comprising an armature and magnet assembly which is energized by a coil to move the moveable contact to form a bridge between the stationary contacts.  When the moveable contact is engaged with both stationary contacts, current is allowed to travel from the power source or line to the load or electrical device.  When the moveable contact is separated from the stationary contacts, an open circuit is created and the line and load are electrically isolated from one another.
Generally, a single coil is used to operate a common carrier for all three contact assemblies.  As a result, the contactor is constructed such that whenever a fault condition or switch open command is received in any one pole or phase of the three-phase input, all the contact assemblies of the contactor are opened in unison.  Similarly, when a closed circuit or conducting condition is desired, all the contacts assemblies are controlled to close in unison.  Simply, the contact assemblies are controlled as a group as opposed to being independently controlled.
This contactor construction has some drawbacks, particularly in high power applications.  Since there is a contact assembly for each phase of the three-phase input, the contact elements of the contact assembly must be able to withstand high current conditions or risk being weld together under fault (high current) or abnormal switching conditions.  The contacts must therefore be fabricated from composite materials that resist welding.  These composite materials can be expensive and contribute to increased manufacturing costs of the contactor.  Other contactors have been designed with complex biasing mechanisms to regulate “blow open” of the contacts under variable fault conditions, but the biasing mechanisms also add to the complexity and cost of the contactor.  Alternately, to improve contact element resistance to welding without implementation of more costly composites can require larger contact elements.  Larger contacts provide greater heat sinking and current carrying capacity.  Increasing the size of the contact elements, however, requires larger actuating mechanisms, coils, biasing springs, and the like, which all lead to increased product size and increased manufacturing costs.
Additionally, a contactor wherein all the contact assemblies open in unison can result in contact erosion as a result of arcs forming between the contacts during breaking.    When all the contact assemblies or sets of contacts are controlled in unison, a detected abnormal condition, such as a fault condition, in any phase of the three-phase input causes all the contact assemblies to break open because the contact assemblies share a bridge or crossbar.  Therefore, breaking open of the contacts of one contact assembly causes the contacts of the other contact assemblies to also open.  As a result, the contacts may open at non-ideal current conditions.  For example, the contactor may be controlled such that a fault condition is detected in the first phase of the three phase input and the contacts of the corresponding assembly are controlled to open when the current in the first phase is at a zero crossing.  Since the second and third phases of a three phase input lag the first phase by 120 and 240 degrees, respectively, breaking open of the contacts for the contact assemblies for the second and third phases at the opening of the contacts of the contact assembly of the first phase causes the second and third contact assemblies to open when the current through the contacts is not zero.  This non-zero opening can cause arcing between the contact elements of the second and third contact assemblies causing contact erosion that can lead to premature failure of the contactor.  This holds true for both abnormal switching as stated above as well as normal duty.
This unison-controlled construction also has disadvantages associated with the closing of contacts to cause high transient current conduction between a power source and a load.  The closing in unison of all the contacts can cause mechanical torque oscillations that are often negative.  As a result, the windings of a motor as well as the mechanical components of the system are subjected to damaging stresses.  Additionally, the motor circuit protection disconnect (breaker or fusing) may have to be oversized to avoid unwanted, or “nuisance”, tripping by this high transient current.
It would therefore be desirable to design a modular electromagnetic contactor assembly having multiple contactors that can be independently controlled such that negative torque oscillations may be minimized.  It would be further desirable to design such a modular contactor assembly wherein each contactor is constructed in such a manner as to withstand higher currents under fault conditions without increased contactor complexity and size.
BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention provides a method and apparatus of independently controlling contactors of a modular contactor assembly overcoming the aforementioned drawbacks and provides a control scheme that is applicable therewith.  The contactor assembly includes a contactor for each phase or pole of an electrical device.  The contactor assembly is applicable as both a switching device and an isolation or load protection device.  As such, each contactor is constructed so that each includes multiple contact assemblies.  Moreover, the contactors within a single contactor assembly or housing can be independently controlled so that the contacts of one contactor can be closed without closing the contacts of the other contactors in the contactor assembly.
Accordingly, in one aspect, the present invention includes a method of controlling contactor switching that includes the step of monitoring voltage in an electrical system having a power source and a load.  At least a first contactor of a multi-contactor assembly is closed at a first phase angle following a voltage zero-crossing in the system.  Thereafter, another contactor is closed at a prescribed moment following the closing of the first contactor.  In one particular aspect, all other contactors are closed at the prescribed moment following the closing of the first contactor.
In accordance with another aspect of the present invention, a modular contactor system includes a plurality of stationary contacts and a plurality of movable contacts housed within a single contactor assembly.  A plurality of actuating assemblies are provided and each of which is in operable association with at least one movable contact.  A controller is in operable association with the plurality of actuating assemblies and is configured to cause less than all the plurality of movable contacts to engage less than all the stationary contacts when a closed circuit path command signal is received.
According to another aspect of the invention, a controller is provided to independently regulate closing of contactors of a modular contactor assembly.  The controller is programmed to transmit a first contactor close signal to at least one actuating assembly for a pair of contactors at a first moment after a preceding voltage zero-crossing in an electrical system so as to close the pair of contactors.  The controller is further programmed to transmit a second contactor close signal to an actuating assembly for a third contactor at a second moment after the first moment so as to close the third contactor such that negative torque oscillations in the electrical system are minimized.
Various other features, objects and advantages of the present invention will be made apparent from the following detailed description and the drawings.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
The drawings illustrate one preferred embodiment presently contemplated for carrying out the invention.
In the drawings:
Fig. 1 is a perspective view of a modular contactor assembly in accordance with the present invention.
Fig. 2 is a cross-sectional view of one contactor of the modular contactor assembly taken along line 2-2 of Fig. 1.
Fig. 3 is a cross-sectional view of one contactor of the modular contactor assembly taken along line 3-3 of Fig. 1.
Fig. 4 is a schematic representation of a pair of modular contactor assemblies in accordance with the present invention connected to a soft starter.
Fig. 5 is a schematic representation of a modular contactor assembly in accordance with another aspect of the present invention.
Fig. 6 is a schematic representation of a modular contactor assembly in accordance with the present invention as a motor controller.
Fig. 7 is a flow chart setting forth the steps of a technique of independently controlling contactors of a modular contactor assembly in accordance with one aspect of the present invention.
Fig. 8 is a flow chart setting forth the steps of a technique of independently controlling contactors of a modular contactor assembly according to another aspect of the present invention.
Fig. 9 is a flow chart setting forth the steps of a technique for independently controlling contactors of a modular contactor assembly in accordance with another aspect of the present invention.
Fig. 10 is a waveform for a single phase of current during opening a contactor in accordance with the present invention.
Fig. 11 is a waveform for a single phase of current during closing of a contactor in accordance with the present invention.
Fig. 12 is a flow chart setting forth the steps of a technique for independently controlling the closing of contactors of a modular contactor assembly in accordance with a further embodiment of the invention.
Fig. 13 is a flow chart setting forth the steps of another technique for independently controlling the closing of contactors of a modular contactor assembly in accordance with a further embodiment of the invention.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT
The present invention will be described with respect to an electromagnetic contactor assembly for use in starter applications such as, the switching on/off of a load as well as to protect a load, such as a motor, from current overload.  The electromagnetic contactor assembly and controls of the present invention are equivalently applicable to heating load contactor assemblies, on-demand modular contactor assemblies, modular large frame contactor assemblies, and the like.  The present invention is also applicable with other types of contactor assemblies where it is desirable to reduce contact erosion resulting from arcs during breaking and bounce arcs during making of the contacts.  Additionally, the present invention will be described with respect to implementation with a three-phase electrical device; however, the present invention is equivalently applicable with other electrical devices.
Referring now to Fig. 1, a modular contactor assembly 10 is shown in perspective view.  The modular contactor assembly 10 includes electromagnetic contactors 12A-C for a three phase electrical system.  Each contactor 12A-C is designed to switch current to a motor or other electrical device.  In the shown configuration, contactors 12A-C are mounted to plate 11 configured to support each of the contactors as well as an optional cover (not shown).  In the illustrated embodiment, each of the contactors 12A-C of contactor assembly 10 is connected to an overload relay 13A-C for use in a starter that operates in industrial control applications, such as motor control.  Assembly 10 could equivalently be implemented without relays 13A-C for other applications. Apertures 14A-C located in each relay 13A-C, respectively, facilitate electrical connection of lead wires to the contactor assembly.  Since each contactor/overload relay includes three apertures; a common bus plate (not shown) jumping all three apertures could be inserted for the end user to attach single point wiring.  The bus plate may include lugs or ring terminals for the end user to connect wires to the assembly.  As will be described in greater detail below, this three-way connection for each phase is beneficial under fault conditions as the current for each phase A-C can be distributed evenly within each contactor to assist with minimizing contact arcing and contact erosion, especially on make.  Each contactor 12A-C includes a top cover 16A-C that is secured to the contactor frame via screws 18A-C.  Each relay 13A-C also includes a cover 20A-C that is snapped to the relay frame and is hinged to allow access to an FLA adjustment potentiometer (not shown).  Each relay 13A-C includes a reset button 22A-C.
Referring to Fig. 2, a longitudinal cross-sectional view of one of the contactors 12A-C of the modular contactor assembly 10 taken along line 2-2 of Fig. 1 is shown (without overload relay 13A-C from Figure 1).  Specifically, contactor 12A is cross-sectionally shown but a cross-sectional view of contactors 12B or 12C would be similar.  Contactor 12A is shown in a normally open operating position prior to energization of an electromagnetic coil 24 with contacts 26, 28 separated and open.  Coil 24 is secured by the contactor housing 30 and is designed to receive an energy source or an in-rush pulse at or above an activation power threshold that draws armature 32 into the magnet assembly 35.  A movable contact carrier, secured to the armature 32, is also drawn towards magnet assembly 35.  Contacts 28, which are biased by spring 34 towards stationary contacts 26, are now positioned to close upon stationary contacts 26 and provide a current path.  After energization of coil 24, a second energy source at or above a reduced holding power threshold of the coil 24 is provided to the coil and maintains the position of the armature 32 to the magnet assembly 35 until removed or a high fault current occurs thereby overcoming the reduced power threshold to disengage the armature from the magnet assembly causing the separation of the contacts, as will be described in greater detail hereinafter.
Magnet assembly 35 consists of a magnet post 36 firmly secured to magnet frame 86. Magnet post 36, magnet frame 86, and armature 32 are typically solid iron members. Coil 24 includes a molded plastic bobbin wound with copper magnet wire and is positioned centrally over magnet post 36 and inside magnet frame 86.  Preferably, coil 24 is driven by direct current and is controlled by pulse width modulation to limit current and reduce heat generation in the coil.  When energized, magnet assembly 35 attracts armature 32 that is connected to a movable contact carrier 39.  Moveable contact carrier 39 along with armature 32 is guided towards magnet assembly 35 with guide pin 40 and molded housing 30 walls 46, 48.   
Guide pin 40 is press-fit or attached securely into armature 32 which is attached to movable contact carrier 39.  Guide pin 40 is slidable along guide surface 42 within magnet assembly 35.  The single guide pin 40 is centrally disposed and is utilized in providing a smooth and even path for the armature 32 and movable contact carrier 39 as it travels to and from the magnet assembly 35.  Movable contact carrier 39 is guided at its upper end 44 by the inner walls 46, 48 on the contactor housing 30.  Guide pin 40 is partially enclosed by an armature biasing mechanism or a resilient armature return spring 50, which is compressed as the movable contact carrier 39 moves toward the magnet assembly 35.  Armature return spring 50 is positioned between the magnet post 36 and the armature 32 to bias the movable contact carrier 39 and armature 32 away from magnet assembly 35.  A pair of contact bridge stops 52 limits the movement of the contact bridge 54 towards the arc shields 56 during a high fault current event.  The combination of the guide pin 40 and the armature return spring 50 promotes even downward motion of the movable contact carrier 39 and assists in preventing tilting or window-locking that may occur during contact closure.  When the moveable contact carrier 39, along with armature 32, is attracted towards the energized magnet assembly 35, the armature 32 exerts a compressive force against resilient armature return spring 50.  Together with guide pin 40, the moveable contact carrier 39 and the armature 32, travel along guide surface 42 in order to provide a substantially even travel path for the moveable contact carrier 39.  Three pairs of crimping lugs 58 are provided per contactor and used to secure lead wires to the contactor.  Alternatively, a common busbar containing stationary contacts (not shown) may be used as a base for end user wire connection either through ring terminals or appropriately sized lug.
Referring to Fig. 3, a lateral cross-sectional view of the contactor 12A is depicted in the normal open operating position prior to energization of the electromagnetic coil 24.  Initially, the armature 32 is biased by the resilient armature return spring 50 away from the magnet assembly 35 toward the housing stops 60 resulting in a separation between the armature and core.  The contact carrier assembly also travels away from the magnet assembly 35 due to the armature biasing mechanism 50 which creates a separation between the movable contacts 28 and the stationary contacts 26 preventing the flow of electric current through the contacts 26, 28.  Biasing springs 34 are connected to a top surface 62 of movable contact 64 and are extended such that a maximum space 63 results between the top of the spring and the movable contact 64.
Referring now to Fig. 4, a pair of modular contactor assemblies 66 and 68 is shown as isolation devices connected to a softstarter 70.  Contactor assembly 66 includes, in a three-phase application, three contactors 72A, 72B, 72C that carry power from a line power source 74 via lines A, B, and C, respectively.  Similarly, contactor assembly 68 also includes three contactors 76A, 76B, 76C for a three-phase load 78. As illustrated, there are three contactors within a single contactor assembly before and after the soft starter. Contactor assemblies 66 and 68 are designed to provide galvanic isolation to the soft starter by independently “breaking open” their contactors after the soft starter interrupts the circuit, or in the case of a shorted SCR in the softstarter, interrupts the load themselves (fault condition).  Each contactor of contactor assembly 66, 68 includes multiple contacts.  Preferably, each contactor includes three contact assemblies and each contact assembly includes one line side contact, one load side contact, and one connecting or bridge contact for connecting the line and load side contacts to one another.  For example, the bridge contacts may be moveable contacts such as those previously described.
Controller 80 is connected to an actuating assembly (not shown) in each contactor that is arranged to move the contact assemblies of each contactor in unison between an open and closed position.  Each actuating assembly comprises a coil, armature, and magnetic components to effectuate “breaking” and “making” of the contacts, as was described above.  Controller 80 is designed to transmit control signals to the actuating assemblies to independently regulate the operation of the contactors.  The controller triggers the actuating assemblies based on current data received from a current sensing unit 82, that in the embodiment shown in Fig. 4, is constructed to acquire current data from first phase or pole A of the three-phase line input.  While current sensing unit 82 is shown to acquire current data from first phase or pole A, current sensing unit 82 could be associated with the second or third phases or poles B and C of the three-phase line input.
Since each contactor 72A-C and 76A-C has its own actuating assembly, each contactor may be independently opened and closed.  This independence allows for one contactor to be opened without opening the remaining contactors of the modular contactor assembly.  For example, a first contactor 72A, 76A can be opened and the remaining contactors 72B-C, 76B-C can be controlled to not open until the contacts of the first contactor 72A, 76A have cleared.  This delay and subsequent contactor opening reduces arc erosion of the contacts of the subsequently opened contactors since each contactor can be controlled to open when the phase for that contactor is at or near a zero current point.  Thus, arcing time is at a minimum.  As described above, each contactor 72A-C, 76A-C includes three contact assemblies 84A-C, 86A-C.  Each contact assembly is made up of movable contacts and stationary contacts.  The contact assemblies within each contactor are constructed to open in unison and are therefore controlled by a common crossbar or bridge.  As such, the contact assemblies within a single contactor operate in unison, but the contactors are asynchronously or independently operated with respect to another.  As will be described below, controller 80 is connected to contactors 72A and 76A directly but is connected to contactors 76B-C and 76B-C in parallel.  As such, contactors 72B-C and 76B-C can be controlled simultaneously.
Referring now to Fig. 5, contactor assembly 88 may be implemented as a switching device to control and protect a load 89 connected thereto.  Contactor assembly 88 includes three contactors 90A-C.  The number of contactors coincides with the number of phases of the line input 92 as well as load 89.  Therefore, in the example of Fig. 5, a contactor is provided for each phase of the three-phase line 92 and load 89.  Each contactor 90A-C includes three contact assemblies 94A-C.  Each assembly 94A-C includes multiple line side contacts 96A-C and multiple load side contacts 98A-C.  Each contactor includes an actuating assembly 100A-C that is connected to and controlled by a controller 102.  Controller 102 controls breaking and making of the contacts of each contactor by triggering the actuating assembly in the contactor based on fault data received from transducers 104A-C.  Alternately, breaking and making of the contacts could be controlled by an override control or switch 106.  
The timing of the breaking of each contactor is determined based on current data received from transducers 104A-C.  In a three-phase input environment, three transducers 104A, 104B, and 104C are used.  By implementing a transducer for each phase, each contactor may be identified as the “first” pole contactor, as will be described in greater detail below.  Conversely, only one transducer may be implemented to collect current data from one phase and the contactor corresponding to that phase would be considered the “first” pole contactor.  However, any contactor can be the “first” pole contactor.
Referring now to Fig. 6, a contactor assembly 108 is shown in a typical motor control application configuration between a power line source 110 and a three-phase motor 112.  Contactor assembly 108 is a modular contactor assembly and includes four contactors 114A, A' B, C similar to the contactors heretofore described.  Each contactor 114A-C includes a set of contact assemblies 116A-C.  Specifically, each contact assembly includes a set of line side contacts 118A-C and load side contacts 120A-C.  Each contactor also includes an actuating assembly 122A-C that breaks and makes the contact assemblies of each respective contactor in unison.  However, since each contactor has its own actuating assembly, the contactors can be independently controlled.
Connected to each actuating assembly and constructed to independently control the contactors is controller 124.  Controller 124 opens and closes each contactor based on the corresponding phase A-C of the contactor crossing a particular current value or voltage value.  In one embodiment, each contactor is controlled to open when the current in the corresponding phase is approximately zero.  Opening of the contacts of the contactor at or near a zero current reduces the likelihood of arc erosion between the contacts of the contactor.  However, controller 124 can be configured to independently open the contactors based on the current in the corresponding phase reaching/crossing a particular non-zero value.  Current data is acquired by at least one current sensor (not shown) connected between the line 110 and the contactors 114A-C.
Still referring to Fig. 6, contactors 114A and 114A' are shown as being serially connected to another.  This configuration has a number of advantages, particularly for high voltage applications (i.e. greater than 600 V).  Connecting two contactors in series and designating the two contactors as the first contactors to open when a fault is detected or open command is issued allows the two serially connected contactors 114A, A' to share high switching energy stress.  As a result, more energy is dissipated in the contactors 114A, A' thereby reducing the energy absorption burden of contactors 114B,C.  Additionally, since contactors 114A, A' are also connected to the controller in parallel with another, the controller can cause contactors 114A, A' to open simultaneously.  This results in a greater arc voltage being generated by the four arcs as opposed to a conventional double break system and reduces the current and contact erosion.  The multiple contact gaps also reduce the likelihood of re-ignitions after current zero.
The configuration illustrated in Fig. 6 shows an embodiment of the present invention; however, additional configurations not shown are contemplated and within the scope of this invention.  For example, in jogging applications, three sets of two serially connected contactors may be arranged in parallel and independently controlled.
As stated above, the modular contactor assembly includes multiple contactors that are independently opened by an actuating mechanism controlled by a controller based on current data acquired from one or more current sensors.  Since the contactors have a unique actuating assembly, the contactors can be controlled in accordance with a number of control techniques or algorithms.  Some of these control schemes will be described with respect to Figs. 7-9.
Referring now to Fig. 7, the steps of a control technique or algorithm for a modular contactor assembly in accordance with the present invention is shown.  The steps carried out in accordance with technique 126 are equivalently applicable with a modular isolation contactor, a modular heating load contactor, a modular on-demand switching contactor, and the like.  The steps begin at 128 with identification that an open condition is desired 130.  Identification of a desired open condition may be the result of either a dedicated switch open command or a fault indicator signal indicating that a fault condition is present and at least one contactor should be opened.  If an open condition is not desired 130, 132, the technique recycles until an open condition is desired 134.  When an open condition is desired 130, 134, current in a phase of the input power is monitored at 136 using a current sensor.  Current is monitored to determine when a specified current condition 138 occurs.  Until the current condition occurs 138, 140, current in the phase is monitored.  Once the current condition occurs 138, 142, a wait step 144 is undertaken.
The current condition, in one embodiment, is a current zero in the monitored phase of the three-phase input.  Wait step 144 is a time delay and is based on the time required from the actuating assembly receiving the switch open signal to the actual contact separation of the corresponding contactor.  After the time delay has expired 144, a switch or break open signal is sent to the actuating assembly for a single contactor at step 146.  The multiple contact assemblies for the contactor are then caused to open and, as such, an open circuit is created between the line and load for the corresponding phase of the three-phase input.
After the single contactor is opened at step 146, a wait step 148 is once again undertaken.  The waiting period at step 148 is of sufficient length to insure that the single contactor has opened before the remaining contactors of the contactor assembly are opened at 150.  Preferably, the contacts of the single contactor are opened one to two milliseconds before current zero.  After the remaining contactors are opened at step 150, all of the contactors are opened and an open circuit between the line and load is created 152.
Referring now to Fig. 8, another technique 154 for controlling modular contactors in a single contactor assembly begins at step 156, and awaits a desired open switching or fault command at step 158.  If an open condition is not desired 158,160, technique 154 recycles until an open condition is desired 158,162.  When an open condition is desired, current in each phase of the three-phase input signal is monitored at 164.  As such, technique 154 is particularly applicable with a modular contactor assembly dedicated for controlled switching wherein each phase has a dedicated current sensor or transducer, similar to that described with respect to Fig. 5.
Current is monitored in each phase to determine when a current condition in that phase occurs 166.  Monitoring continues until current in the phase crosses a specific point or value 166, 168.  The current condition is preferably defined as the next current zero in the phase following receipt of the switching or fault indicator signal.  However, the current condition could also be any non-zero point on the current wave.   Once the current condition is identified in a single phase 166, 170, technique 154 undergoes a wait or hold step at 172.  The time period of the wait step 172 is a delay time based on the time required from an actuating assembly receiving an open contactor signal for that contactor to the actual breaking of the contacts in the contactor.  Once the delay time has expired, the contactor for the phase in which the current zero condition was identified is opened at step 174.  Preferably, the contact assemblies of the contactor are opened in unison one to two milliseconds before the next current zero in the phase corresponding thereto.
Once the contactor is opened 174, a determination is made as to whether there are additional contactors that are unopened 176.  If so 176, 178, technique 154 returns to step 162 wherein current is monitored in the phases of the closed contactors.  As such, each contactor is independently opened with respect to one another.  Because the second and third phase current will have the same phase angle after the first phase is cleared, the contactors in the last two phases will open simultaneously.  Once all the contactors are opened 176, 180, the process concludes at step 100 with all of the contactors being in an opened or broken state.
Referring now to Fig. 9, a technique or process 184 particularly applicable to independently controlling contactors of a modular isolation contactor assembly begins at 186, and at step 188 a switching or fault command indicative of a desired open condition is identified.  If an open condition is not desired 188, 190, the process recycles until such a command is received.  Failure to receive such command is indicative of a desire for continued electrical connection between a line and a load.  Once a switching or fault indicator signal or command is received 188, 192, current is monitored using a current sensor in one phase of a three-phase input signal.  Any phase of a three-phase input may be monitored but, preferably, only one phase is, in fact, monitored.  Current in the phase is monitored to determine when a specified current condition occurs 114.  Preferably, the current condition is defined as a current zero signal being received from the current sensor based on the monitored phase crossing a current zero point.  However, a non-zero point on the current signal could also be considered the specified current condition.  If a current condition is not received 196, 198, the process continues monitoring current in the selected phase.  Once the current condition occurs and is identified by the controller 196, 200, the process implements a wait step 202 before the controller transmits a break open signal to an actuating assembly for the single contactor corresponding to the monitored phase.  The wait or delay period is based on a time interval required from the actuating assembly receiving the signal to the breaking open of the corresponding contactor.
Once the delay time has expired 202, the contactor corresponding to the monitored phase is opened at 204.  Preferably, the contactor is broken at a point one to two milliseconds before the next current zero in the corresponding phase.  At step 206, the process waits until the multiple contacts have opened before opening the remaining contactor at step 208.  Preferably, the remaining contactors are opened simultaneously.  For example, in a three-phase environment, a first pole contactor would be opened and subsequent thereto the contactors for the second and third poles, respectively, would be simultaneously opened by their respective actuating assemblies.  Once all the contactors are opened, the line and load are isolated from each other and the process ends 210.
The present invention has been described with respect to independently breaking contactors of a modular contactor assembly.  However, there are a number of advantages of the present invention with respect to making or closing of independently controlled contactors.  Point-on-Wave (POW) switching or control is particularly advantageous with the modular contactor assembly of the present invention.  POW switching allows the contacts of a contactor to be closed based on voltage data acquired from a voltage sensor and be opened based on current data acquired from a current sensor.  POW switching reduces contact erosion and therefore improves contact switching by breaking open the contacts of the contactor in such a manner as to minimize or prevent an arc being formed between the contacts.  For closing of the contacts, POW switching is also beneficial in reducing negative torque oscillations in the motor (load) by closing the contacts at precise voltage points.
Referring now to Fig. 10, a typical sinusoidal current waveform 212 for a single phase of a three-phase power signal is shown.  The value of the current varies along each point of the waveform from a maximum negative current value 214 to a maximum positive current value 216.  Between successive minimum values (or maximum values), the waveform crosses a zero point 218.  At point 218, the current for the corresponding phase being applied to the load is at or near a minimum.  As discussed above, it is desirable to open a contactor when the current waveform is at or near point 218 to reduce an arc being formed between the contacts of the contactor. 
Waveform 212 is generally constant as power is supplied to the load.  Variations in magnitude, frequency, and phase will occur over time, but waveform 212 is generally constant.  According to one aspect of the present invention, when an open condition is desired, a switching command or fault indicator signal 220 is received.  In Fig. 10, the switching signal is shown relative to the current waveform and corresponds to when the waveform is at point 214.  However, this is for illustrative purposes only and the switching or open signal can be received at any point in the current continuum.  If the contacts were opened the moment the open condition was desired (switching signal received), the magnitude of the current at that point would be at or near a maximum.  This would increase the break arcing time and subsequent contact erosion.   Therefore, the controller delays the opening of the contactor by an interval td.  At point 222 the contacts of the contactor are opened.  An open circuit condition between the line and the load for that phase does not immediately occur.  There is a period Δt between the separation of the contacts and an open circuit condition.  At Δt, the short duration of break arc occurs and helps to minimize contact erosion and to prevent re-ignition after current zero, as was discussed above.  At point 226 on the waveform, the contactor is opened and an open condition between the line and load is achieved.
Point-on-wave switching is an advantage of the present invention.  The purpose of point-on-wave closing is to minimize the asymmetric component in the make currents so to reduce negative torque oscillations in a motor (load) as well as to minimize the bounce arc erosion and contact welding.  Referring now to Fig. 11, a set of voltage and current waveforms 228, 229, respectively, for a single phase of a three phase power signal is shown to illustrate “making” or closing of a contactor in accordance with the present invention.  The designated 1st pole to close does not need to “make” at any specific phase angle of the system voltage since there will be no current flow through the contactor.  The 2nd and 3rd poles, however, close at a specific point on the voltage wave form to reduce high transient current and the resultant negative torque oscillations.  Making of the contacts in each of the 2nd and 3rd contactors is based on at least one voltage data value from a voltage sensor, and in the illustrated example, a close contactor signal is received at point 230 on the waveform.  A delay period td is observed whereupon only after the designated first pole contactor is closed.  After the time delay has lapsed, the contacts of a second contactor are closed at point 232 which is preferably within a 65 to 90 degree phase angle of the system voltage depending on the power factor of the load.  Arcing due to contact bounce can also be minimized or eliminated by using multiple sets of contacts in each contactor.  Reducing bounce arc 234 is advantageous as it also leads to contact erosion and contact welding.  Controlling when the contacts are closed also reduces negative torque oscillations in the motor.
The steps of a technique or process of “making” or closing contactors independently of a modular or multi-contactor assembly are set forth in Fig. 12.  The technique 236 begins at 238 with a switching command being sent from the controller to the actuating assembly or assemblies for the designated first pole contactor 238.  As stated above, the designated first pole contactor may be closed independent of the specific phase angle of the system voltage because there is no current flowing through the contactor prior to its closing.  Based upon the switching command, the actuating assembly for the designated first pole contactor causes the contacts within the contactor to close at 240.  It should be noted that the present technique 236 may be implemented with a contactor having a single actuating assembly or more than one actuating assembly.  Additionally, while it is preferred that each contactor includes multiple sets of contacts, the present technique 236 may be implemented with a contactor having a single set of contacts.
After the designated first pole contactor has closed 240, a defined phase angle of the system voltage in the phase corresponding to a non-first pole contactor is monitored at 242.  By monitoring the phase in a non-first pole contactor, the non-first pole contactor may be closed at a specified point on the waveform.  A signal indicative of the defined phase angle in the system voltage corresponding to the non-first pole contactor is transmitted to the controller at 244.  The defined phase angle signal may be transmitted from a voltage sensor or other detection or sensory device.  Upon receipt of the defined phase angle signal, the controller waits until expiration of a delay time at 246.  The delay time, as discussed previously, is based on the amount of time required from the actuating assemblies of a contactor receiving a switching signal to the closing of the contacts in a contactor.  Upon expiration of the time delay, the controller sends a close contact signal to the actuating assemblies of the non-first pole contactor 248 thereby causing the contacts of the non-first pole contactor to close at 250.  As stated above, the non-first pole contactor is preferably closed between approximately 65 degrees to approximately 90 degrees of the phase angle of the system voltage depending upon the power factor of the load.
After the non-first pole contactor is closed at 250, a determination is made as to whether additional contactors remain open at 252.  If all the contactors have not been closed 252, 254, the technique or process returns to step 242 and carries out the steps or functions previously described.  However, if all the contactors of the contactor assembly have closed 252, 256, technique 236 ends at 258 with current flowing through each of the contactors.  Preferably, at the conclusion of technique 236, the controller implements one of the techniques or processes previously described with respect to Figs. 7, 8, or 9 to independently control the opening of the contactors of the contactor assembly when an open condition is desired.
Referring now to Fig. 13, the steps of an alternate technique or process of independent controlling the closing of contactors of a modular contactor assembly in such a way as to minimize high transient current and the resultant negative torque oscillations is set forth.  Technique 260 is applicable with a three-phase power source and may be used with a contactor assembly having three independent single pole contactors or, alternately, a two-pole contactor and a single-pole contactor preferably housed within a single contactor assembly housing.  Technique 260 begins at 262, and at 264, voltage in an AC power signal is monitored.  The AC power signal may be output from a utility line source or other type of power source, such as engine driven power sources.  By monitoring voltage in the power source, precise point-on-wave closing of contactors may be achieved.  That is, voltage of the power signal is monitored to determine a zero-crossing point.  A pair of contactors is then caused to be closed by a common, or separate, actuating assembly, at a specified phase, preferably, approximately sixty degrees after the zero-crossing point 266.  After the pair of contactors is closed, voltage in the power signal is again monitored at 268 such that a third contactor may be caused to close at a prescribed moment 270.  Preferably, the prescribed moment is approximately ninety degrees after the closing of the pair of contactors.  Delaying the closing of the third contactor until after the closing of the third contactor reduces negative torque oscillations in the system thereby reducing stress on the system.
The present invention has been described with respect to designated first pole switching wherein the contactor for one pole or phase of a three-phase input or load is broken or opened before the remaining contactors are opened.  An advantage of this construction is that any contactor may be designated the “first” pole contactor.  Further, this designation can be selectively changed such that the “first” pole designation is rotated among all the contactors.  Rotating the “first” pole designation between the contactor evens out contact erosion between the contactors thereby achieving constant and consistent operation of the contactors.  The rotation designation can be automatically done by programming the controller to change designation after a specified number of makes and break events or manually by changing the order the lead wires are connected to the contactor assembly.
Accordingly, in one embodiment, the present invention includes a method of controlling contactor switching that includes the step of monitoring voltage in an electrical system having a power source and a load.  At least a first contactor of a multi-contactor assembly is closed at a first phase angle following a voltage zero-crossing in the system.  Thereafter, another contactor is closed at a prescribed moment following the closing of the first contactor.
In accordance with another embodiment of the present invention, a modular contactor system includes a plurality of stationary contacts and a plurality of movable contacts housed within a single contactor assembly.  A plurality of actuating assemblies is provided and each of which is in operable association with at least one movable contact.  A controller is in operable association with the plurality of actuating assemblies and is configured to cause less than all the plurality of movable contacts to engage less than all the stationary contacts.
According to another embodiment of the invention, a controller is provided to independently regulate closing of contactors of a modular contactor assembly.  The controller is programmed to transmit a first contactor close signal to at least one actuating assembly for a pair of contactors at a first moment after a preceding voltage zero-crossing in an electrical system so as to close the pair of contactors.  The controller is further programmed to transmit a second contactor close signal to an actuating assembly for a third contactor at a second moment after the first moment so as to close the third contactor such that high transient current and the resultant negative torque oscillations in the electrical system are minimized.
The present invention has been described in terms of the preferred embodiment, and it is recognized that equivalents, alternatives, and modifications, aside from those expressly stated, are possible and within the scope of the appending claims.
CLAIMS
What is claimed is:
1.  A modular contactor system comprising:
a plurality of stationary contacts and a plurality of movable contacts housed within a single contactor assembly;
a plurality of actuating assemblies, each in operable association with at least one movable contact ; and
a controller in operable association with the plurality of actuating assemblies and configured to cause less than all the plurality of movable contacts to engage less than all the plurality of stationary contacts when the controller receives a closed circuit command signal.
2.  The modular contactor system of claim 1 wherein the plurality of stationary contacts and the plurality of movable contacts are arranged into sets of contact assemblies such that the contactor assembly includes a set of contact assemblies  for each phase of a poly-phase power source.
3.  The modular contactor system of claim 2 wherein the less than all the movable contacts and the less than all stationary contacts correspond to a single set of contact assemblies.
4.  The modular contactor system of claim 3 wherein the controller is further configured to engage the plurality of stationary contacts and the plurality of movable contacts in another set of contact assemblies only after the less than all the movable contacts and the less than all the stationary contacts have engaged one another.
5.  The modular contactor system of claim 4 wherein the controller is further configured to close the another set of contact assemblies at a moment that is defined by a specified phase angle of system voltage.
6.  The modular contactor system of claim 5 wherein the specified phase angle is between approximately 65°and approximately 90°.
7.  The modular contactor system of claim 1 wherein the controller configured to:
transmit a first contactor close signal to at least one actuating assembly of the a plurality of actuating assemblies for a pair of contactors at a first moment after a preceding zero voltage in an electrical system so as to close the pair of contactors ; and
transmit a second contactor close signal to an actuating assembly for a third contactor at a second moment after the first moment so as to close the third contactor such that at least one of high transient current and resultant negative torque oscillations in the electrical system are minimized.
8.  The modular contactor system of claim 7 wherein the pair of contactors and the third contactor are arranged in a single contactor assembly housing.
9.  The modular contactor system of claim 8 wherein the single contactor housing  includes a contactor for each phase of a poly-phase load.
10.  The modular contactor system of claim 7 wherein the controller is further configured to delay transmission of the close circuit command signal to the pair of contactors until expiration of a delay period.
11.  The modular contactor system of claim 7 wherein the controller is further configured transmit the first close contactor signal to the pair of contactors  such that the pair of contactors is closed approximately 60°after the zero voltage and transmit the second close contactor signal to the at least one actuating assembly for the third contactor such that the third contactor is closed approximately 90°after the zero voltage.
1. ABSTRACT
A method and apparatus to independently control the closing or making of contactors in a modular contactor assembly (10, 66, 68, 88, 108) is disclosed.  The apparatus includes a contactor assembly (10, 66, 68, 88, 108) having multiple contactors (12A, 12B, 12C, 72A, 72B, 72C, 76A, 76B, 76C, 90A, 90B, 90C, 114A, 114A114B, 114C ) such that each contactor (12A, 12B, 12C, 72A, 72B, 72C, 76A, 76B, 76C, 90A, 90B, 90C, 114A, 114A114B, 114C ) is separately controlled such that one contactor (12A, 12B, 12C, 72A, 72B, 72C, 76A, 76B, 76C, 90A, 90B, 90C, 114A, 114A114B, 114C ) may be closed without the other contactors (12A, 12B, 12C, 72A, 72B, 72C, 76A, 76B, 76C, 90A, 90B, 90C, 114A, 114A114B, 114C ) of the assembly (10, 66, 68, 88, 108) being closed.  The contactors (12A, 12B, 12C, 72A, 72B, 72C, 76A, 76B, 76C, 90A, 90B, 90C, 114A, 114A114B, 114C ) are arranged such that a pair of contactors (12A, 12B, 12C, 72A, 72B, 72C, 76A, 76B, 76C, 90A, 90B, 90C, 114A, 114A114B, 114C ) is caused to close following a zero-voltage crossing of a power signal (226).  A third contactor (12A, 12B, 12C, 72A, 72B, 72C, 76A, 76B, 76C, 90A, 90B, 90C, 114A, 114A114B, 114C ) is caused to close after the pair (12A, 12B, 12C, 72A, 72B, 72C, 76A, 76B, 76C, 90A, 90B, 90C, 114A, 114A114B, 114C ) of contactors has closed.  
2.Representing drawing
Fig. 1
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