CN101416134A - 用于抽头变换器的通用输入装置 - Google Patents

Abstract

一种提供通用输入(20)的控制系统(10)，用以接收用于致动抽头转换设备(40)的控制信号。该系统(10)实际上容纳任何通常用于控制抽头变换设备(40)的信号电压电平，把接收到的信号更改为需要的形式，并将更改后的信号输入到控制器(30)用于解码和致动抽头变换电机。该系统(10)是全电子式的，排除了使用机电接触件来控制抽头变换器，并提供一种灵活的方法进行监视和诊断，即使从远离抽头变换设备的位置处也是如此。

Description

用于抽头变换器的通用输入装置

技术领域

本发明涉及用于抽头变换器的信号转换系统，更具体地说，本发明涉及一种能够用同一设备接收多种不同信号电平的电子信号转换装置。

背景技术

高压技术领域缺乏针对所使用的各种高压设备的一致的、通用的标准。因此目前各国存在相对多种的国家标准，对高压设备制造商是一种真正的挑战，在高压抽头变换设备领域尤其如此。

例如，用于改变商业变压器上的抽头设置的抽头变换器利用输入信号进行控制和监视。已知的抽头变换器利用机电接触件进行控制。

用户通常将其设备(例如变压器)连接到抽头变换器电机驱动装置。数字信号是控制和监视抽头变换器功能的有效手段。在数字领域，“1”和“0”描述了全电压(On)或零电压(Off)的状态。在高压应用中，这两种状态通常由例如50-60Hz、110-240V±15％的额定电压的交流电，或者24-48V±10％的额定电压的直流电来描述。在传统的电机驱动装置中，这是用户的选择，其中电机驱动装置需要配备有专门的装备以与特殊电压接口，用于机电接触件的转换。因此，不同的装备需要被用于不同的电压电平。

上述的每一种电压电平和配置单独来说其设计都相对容易，但不是变化的全部组合。例如，问题可以被描述如下：(抽头变换器的)致动应该仅在接收到有效信号时发生，但是，利用上述如此大范围的有效信号电平，220V交流的干扰信号对于例如其它电压方案来说很可能是有效信号电平。因此，准确的信号识别是重要的问题。

另外，如果数字输入(DI)被构造成用于相对低的电压电平以及(在相对低的电平)消耗几个毫安的电流，则其对于较高电压相应地会消耗相对大量的能量。此外，DI通常需要被隔离并被进行过压保护。有时系统可能需要在相对短的时间段内消耗相对大量的电流。这对于能量节约的DI来说尤其如此。在其是继电器的情况下，更大的电流有助于氧化物在数字输出(DO)上的燃烧。

此外，信号需要被转换为具有相对高分辨率的、合适的数字信号。

另外，传统的控制系统使用机电接触件，其被限制在可施加于其上的电压电平内，但是也不利地遭受机械磨损和断裂。

因此，所希望的是一种用于准确地处理所有普通电压变化的系统和方法，该电压变化通常在用于抽头变换器的同一设备的开关装置内发生。

还希望提供一种用于减少和/或排除使用机电接触件来控制抽头变换器的系统和方法。

更进一步希望提供一种系统和方法，其可提供灵活的方法来监视和诊断抽头变换器，即使是从远端位置。

发明内容

这些以及其他的目的可以通过提供能够识别和接受用作用户设备和抽头变换器电机驱动装置之间的连接的多电压(通用)数字输入信号的系统来实现。在一个有利的实施例中，该系统可以接受约10V-390V范围内的交流电压或直流电压。另外，到电子装置的电力来自于输入信号自身(自供电解决方案)。因此，由于该系统能够接受多种不同的电压电平，以前的多个装备的变化被缩减为单一的解决方案。

这为设备制造商和用户都提供了显著的优势。例如，该通用输入系统使得制造商能够提供装备来生产仅一种类型的单元，用户也不必存储专属于具体电压电平的不同系统和系统部件。

本发明的目的还通过排除机电接触件而得以实现，该机电接触件已通过使用电子装置被替代。遭受机械故障的机电接触件的数量的减少和/或排除增强了系统的可靠性。

电子装置还提供大大改进的、对于特别是通过网络连接的来自远端位置的监视和诊断。另外，编程和设置也可通过电子系统远程执行。

例如，输入通道使用电子装置，其电压变化在微处理器的软件内进行操控。用以区别逻辑“0”或逻辑“1”的电平在软件中被设置和控制。

对于该应用，以下术语和限定将被使用：

这里使用的术语“数据”意为任何标记、信号、记号、符号、域、符号序列、表达，以及任何其它的物理形式或代表信息的形式，不论是永久的还是临时的，不论是可见的、可听的、声学的、电的、磁的、电磁的，或其它形式表明的。用于以一种物理形式表示预定信息的术语“数据”被认为包括具有不同物理形式或各形式的同一预定信息的任何和所有的表达。

这里使用的术语“网络”包括所有种类的网络和互联网，包括因特网，其不限于任何特定网络或内部网络。

这里使用的术语“耦合”、“耦合到”以及“与......耦合”中的每个意为两个或更多个装置、装备、文件、程序、媒体、组件、网络、系统、子系统和/或手段之间的关系，该关系包括以下任意之一或更多种：(a)连接，无论是直接或是通过一个或更多个其他的装置、装备、文件、程序、媒体、组件、网络、系统、子系统或手段；(b)通信关系，无论是直接或是通过一个或更多个其他的装置、装备、文件、程序、媒体、组件、网络、系统、子系统或手段；和/或(c)操作功能关系，其中任何一个或更多个装置、装备、文件、程序、媒体、组件、网络、系统、子系统或手段的操作全部或部分地依赖于它们中的其他任何一个或更多个的操作。

在一个有利的实施例中，提供了一种用于抽头变换器的信号转换系统，包括：用于驱动抽头变换器电机驱动装置的输入信号，和用于接收输入信号和输出与该输入信号对应的数字信号的电压转换装置。

该系统使得输出的数字信号可以控制抽头变换器电机驱动装置，随后能够基于输入的信号或其他普通控制任务如电机驱动装置的操作约束、电机驱动装置的外部紧急停止或到第n个位置(抽头选择)的行进来将所连接的抽头变换器移动到抽头选择。该系统还使得电压转换装置能够接收从约10V到约390V范围内的不同的输入信号电压，以便于单个的电压转换装置可以被用于不同的输入信号电平。

在另一个有利的实施例中，提供了一种用于抽头变换器的信号转换系统，包括：用于驱动抽头变换器电机驱动装置的输入信号，和用于接收输入信号和输出与该输入信号对应的数字信号的电压转换装置。电压转换装置可被配置成具有：用于提供过压保护和电压整流的电压保护器和电压整流器，和用于在输入信号的电压电平增加时提供电流负载的电流控制器。电压转换装置还具有用于提供参考电压的电压调节器，和用于转换输入信号的频率和占空因数的电压至占空转换器(voltage to duty converter)。该系统还包括用于处理接收到的信号的处理单元。该系统被配置成使得输出的数字信号可以控制抽头变换器电机驱动装置，能够基于输入信号或其他普通控制任务如电机驱动装置的操作约束、电机驱动装置的外部紧急停止或到第n个位置(抽头选择)的行进来将所连接的抽头变换器移动到抽头选择。

根据以下附图和所附的详细描述，本发明的其它目的和其具体特征以及优点将变得更加明显。

附图说明

图1是本发明的一个有利的实施例的框图；

图2是根据图1的框图；

图3是根据图1的框图；

图4是根据图2的流程图。

具体实施方式

现在参见附图，其中相同的附图标记在所有图中指示相应的结构。

图1总体上描述了系统10，该系统10包括用户输入信号20、电压转换装置100、控制器30和抽头变换器电机驱动装置40。

用户输入信号20事实上可以包括任何从约10V到约390V±10-15％的交流电或直流电以及50-60Hz的交流电范围内的普通商业输入信号。这一点是很希望的，因为系统10提供一种包括能够接收所有普通商业信号电平的基本通用输入的装置。这使得用户能够逐渐熟悉和储备仅单个系统的各部分，该系统可以被用于用户的不同开关应用中的每一种。

用户输入信号20被耦合到电压转换装置100，该电压转换装置100被提供用于在向控制器30输出信号之前接收和转换信号。电压转换装置100具有通用输入能力，能够接收和转换如前所述的从约10V到约390V±10-15％的交流电或直流电以及50-60Hz的交流电范围内的用户输入信号20。将结合图2和图3更加详细地讨论电压转换装置100。

控制器30被耦合到电压转换装置100，其接收对应于用户输入信号20的、被转换了的输出信号。而后，控制器30“解码”或解释接收到的信号以致动抽头变换器电机驱动装置40，用以例如改变变压器上的抽头设置。可以考虑控制器30可包括但不限于中央处理单元(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)，及其组合。

抽头变换器电机驱动装置40可以包括任何通常用于工业的典型电机驱动单元，用于例如实现抽头变换或其他普通控制任务，如电机驱动装置的操作约束、电机驱动装置的外部紧急停止或到第n个位置(抽头选择)的行进。

现在转到图2和图3，在该有利的实施例中，电压转换装置100通常包括电压保护/整流装置110、电流控制装置120、电压调节器130、电压至占空转换器140和发射器150。

电压保护/整流装置110用于提供过压保护以及接收到的对用户输入信号20进行整流。可以考虑过压保护装置可包括例如变阻器112，该变阻器112用于在过压情况下将超额电压分路到地，以防止设备被损害。

变阻器112被耦合到电压整流器114(图3)，该电压整流器114事实上可以包括可用于转换用户输入信号20的任何商业上可得到的整流器。值得注意的是，当所接收到的信号在这一级被整流时，不对其进行过滤。

电压保护/整流装置110被耦合到电流控制装置120。电流控制装置120用于保护系统10以避免过流的情况。例如，由于用户输入信号20可以在从约10V到约390V±10-15％的交流电或直流电以及50-60Hz的交流电范围内变化，因此用户数入信号20的电压电平越高，相关联的电流越大。为了阻碍这种过程，电流控制装置120监视电流负载，使得当所测量的电流达到大约0.4mA时，电流控制装置120在几微秒内建立或形成电流负载以维持对整个电路电流的控制。

电流控制装置120被进一步耦合到电压调节器130。这里，信号电压根据需要而被操作和改变。例如，系统10可被描述为自供电系统，这是因为用于运行电子装置的电力来自于接收到的信号。这一点是很希望的，因为向位于用户的开关装置内的抽头变换设备供电可能并不总是方便的。

在该具体实施例中，电压调节器130接收信号并产生参考电压160，该参考电压可以进一步被系统10使用。在一个有利的实施例中，可以考虑电压调节器130可包括串联调节器。

电压调节器130被耦合到电压至占空转换器140。在这一级，接收到的信号可以被进一步转换为相对低频的信号，例如但不限于约1.5KHz。该信号可以进一步具有从约50％到约99％的可变占空因数，典型地为至少为8比特的分辨率。应该注意的是，直流电流相对低，典型地在大约40μA范围内。

在一个有利的实施例中，电压至占空转换器140可以被耦合到发射器150。当电压转换装置100对接收到的信号进行了适当的修改，信号可以由发射器150输出给控制器30用于解码和处理。

在一个尤其有利的实施例中，发射器150可以包括例如，光电耦合装置，该装置有利地具有相对低的电流消耗。输出信号还可以包括与用户输入信号20对应的脉冲宽度调制(PWM)信号。这样，事实上任何商业上可用的输入都可以被耦合到电压转换装置100，而无须根据具体的电压输入信号来特定地选择设备。另外，系统10是全电子式的，充分地排除了现有系统中普遍使用的机电接触件，从而减小了由于众所周知的机电接触件所带来的磨损和断裂而造成的系统故障的可能性。

另外，由于系统10是全电子式的，这为例如通过网络连接(未示出)来进行系统10的监视提供了便利。

参见图4，图4示出了结合图1-3所讨论的有利实施例的流程图。

首先，系统10接收输入信号202，该输入信号对应于所需要的用于抽头变换器的致动。系统10监视收到的信号，以确定所接收到的信号是否超出阈值电压电平204。如果接收到的信号超出了阈值电平，则过压保护装置会消除超额电压以防止系统被损害204。

如前所述，过压保护装置可以包括变阻器，该变阻器可以从系统中将超额电压分路出去。可以考虑过压保护装置可具有反比时延(inverse timedelay)特性，使得在电压急增时过压保护装置可以较快地从系统中分路出超额电压。

如果接收到的信号未超出阈值，或者超额电压已被从系统中分路出去，则剩余信号随后被整流208。

系统接下来确定接收到的信号电流是否超出阈值210，若果超出阈值，则系统将生成电流负载以限制信号电流212。如结合图1-3所述的，该阈值可以是约0.4mA。如果该电流未超出阈值或者系统已经通过电流负载限制了该电流，则系统就会为信号提供电压调节214。这样，可以生成参考电压来供系统使用，使得不需要外部电源或单独的电源来为电子装置供电。

系统随后可以将收到的信号的频率转换为需要的频率216。如前所述，在一个有利实的施例中，频率被转换为大约1.5KHz。

当信号频率被转换后，系统可以把改变的信号传送给控制器218。随后系统可以对信号进行翻译或解码以确定要利用抽头变换器设备采取的正确的动作220。当这一点被确定后，抽头变换器被致动以完成期望的动作222。

虽然该描述主要针对抽头转换设备的控制，但是考虑到由于系统是全电子式的，因此可以对抽头变换设备进行监视以及对控制设备自身进行控制。这样，大大地增强了对系统的监视和诊断的可能性，且例如可以通过网络连接以远程方式通过设备实现系统的监视和诊断的可能性。

应该注意到，虽然在图4的一系列步骤中描述和呈现了各种功能和方法，但该系列步骤仅作为一个有利实施例的说明，并且不需要以所述特定顺序执行这些功能。而且可以考虑，这些步骤中的任何步骤可以相对于任何其它步骤而被移动和/或合并。另外，还可以考虑，根据应用，利用这里所描述的所有功能或任何部分功能是有利的。

系统10提供了一种全集成的单一的解决方案，用以准确处理通常在用于抽头变换器的开关装置内发生的普通电压变化。另外，系统10有效的排除了使用机电接触件来控制抽头变换器，由此增加了系统的整体可靠性。最后，系统10提供了一种用于监视和诊断抽头变换器的高度灵活的方法，即使从远端位置处也是如此。

尽管已结合具体组成部分和陈述等对本发明进行了描述，但并旨在穷尽所有可能的安排或特征，而实际上本领域的技术人员可探知对本发明的其它修改和变化。

Claims (18)

1.一种用于抽头变换器的信号转换系统，包括：

用于驱动抽头变换器电机驱动装置的输入信号；

用于接收所述输入信号和输出与所述输入信号对应的数字信号的电压转换装置；

所述输出的数字信号基于所述输入信号控制抽头变换器电机驱动装置；和

所述电压转换装置能够接收从约10V到约390V范围内的不同的输入信号电压，使得单个的电压转换装置可以被用于不同的输入信号电压电平。

2.根据权利要求1所述的信号转换系统，其中所述电压转换装置能够转换交流输入信号和直流输入信号两者。

3.根据权利要求1所述的信号转换系统，其中所述电压转换装置包括电压保护器和电压整流器。

4.根据权利要求3所述的信号转换系统，其中所述电压保护器包括变阻器。

5.根据权利要求1所述的信号转换系统，其中所述电压转换装置包括电流控制器。

6.根据权利要求5所述的信号转换系统，其中所述电流控制器在电压增加时在确定的时间段内增加电流负载。

7.根据权利要求6所述的信号转换系统，其中所述电流负载在电流处于约0.1mA到约2mA的范围内建立。

8.根据权利要求1所述的信号转换系统，其中所述电压转换装置包括电压调节器。

9.根据权利要求8所述的信号转换系统，其中所述电压调节器包括串联调节器。

10.根据权利要求1所述的信号转换系统，其中所述电压转换装置包括用于转换所述输入信号的频率和占空因数的电压至占空转换器。

11.根据权利要求10所述的信号转换系统，其中所述输入信号被转换为约0.5KHz到约5KHz范围内的频率。

12.根据权利要求1所述的信号转换系统，其中所述电压转换装置包括光电发射器。

13.根据权利要求12所述的信号转换系统，其中所述光电发射器使用脉冲宽度调制。

14.根据权利要求1所述的信号转换系统，还包括处理单元。

15.根据权利要求14所述的信号转换系统，其中所述处理装置选自由中央处理单元CPU，现场可编程门阵列FPGA及其组合所构成的组。

16.一种用于抽头变换器的信号转换系统，包括：

用于驱动抽头变换器电机驱动装置的输入信号；

用于接收所述输入信号和输出与所述输入信号对应的数字信号的电压转换装置，所述电压转换装置包括：

用于提供过压保护和电压整流的电压保护器和电压整流器；

用于在所述输入信号的电压电平增加时提供电流负载的电流控制器；

用于提供参考电压的电压调节器；

用于转换所述输入信号的频率和占空因数的电压至占空转换器；

以及

用于处理接收到的信号的处理单元；

基于所述输入信号，所述输出的数字信号将抽头变换器电机驱动装置控制到抽头选择。

17.根据权利要求16所述的信号转换系统，其中所述电压转换装置能够接收从约10V到约390V范围内的不同的输入信号电压，使得单个的电压转换装置可以被用于不同的输入信号电压电平。

18.根据权利要求16所述的信号转换系统，其中所述输入信号包括控制任务，该控制任务选自由电机驱动装置的操作约束、电机驱动装置的外部紧急停止、到第n个位置的行进及其组合所构成的组。

Images