CN102246373A - 降压器件的过载保护 - Google Patents

Abstract

一种为了提高能效而降低AC电源供给负载的电压的系统，所述系统包括变压器、整流器、和旁路开关S，所述变压器和整流器在电路中位于AC电源和负载之间，而在变压器持续过载的情况下，所述旁路开关S可将变压器从电路中除去，将电源直接连接到负载。所述系统包括测量变压器的温度的装置(14)、测量电路中的电流的装置(17)、和从传感器(14、17)接收信号，从而操作旁路开关S绕开变压器并使其温度下降的控制装置(15)。保险丝F2和热断路装置(16)与变压器的次级绕组接成电路，保险丝F2和热断路装置(16)作为防故障装置，在旁路开关失灵而未能工作的情况下，所述防故障装置中断电源和变压器的连接。

Description

降压器件的过载保护

技术领域

本发明涉及一种为了提高能效而降低AC电源供给负载的电压的系统。应当认识到，降低施加给负载的电压会降低负载的功率。本系统将包含变压器。然而，在家庭应用或小型商业应用中，希望将这种变压器的成本降到最低，以总体上实现系统的能效增高，同时维持低成本的原则。

背景技术

已知家用性质或小型商业性质的平均负载或基本负载通常非常低，但是当负载在短时间内牵引高电流电平时，会产生峰值。在这些应用中，希望使用具有额定为上述性质的平均负载或基本负载的连续负载能力，又可在过载的情况下在其热额定范围内工作很短的时间段、而不会使变压器绕组过热至可烧坏变压器的程度的变压器。此外，还存在这种性质下的负载超出了变压器的长期和短期额定值的情况，在这些情形下，为了仍旧使用低成本的变压器，本发明的目的是提供一种可绕开变压器从而避免过热的系统。

本发明的另一个目的是提供这种系统，其具有防故障装置用于防止在万一旁路失败时变压器受损和潜在的火险。

发明内容

根据本发明，提供了一种为了提高能效而降低AC电源供给负载的电压的系统，本系统包括：

a)在AC电源和负载之间的电路中、具有初级绕组和次级绕组的变压器，以及

b)如果达到变压器的预定过载，则使得从电路中去除变压器、从而使电源直接连接到负载的旁路装置；

其特征在于：

c)该旁路装置包括：

i)将电源直接转向负载的旁路开关，

ii)确定变压器的温度的装置，

iii)测量通过负载的电流的装置，

iv)接收来自温度确定装置和电流测量装置的信号，以及在温度和电流中任一个达到最大预定水平时操作旁路开关的控制装置；以及其特征在于该系统进一步包括：

d)当旁路开关在任一个预定最大水平下失灵的情形下，中断通过变压器的次级绕组的电流的防故障装置，其中，该防故障装置包括：

i)热断路装置，其连接到变压器的次级绕组，适合在预定期间之后达到变压器的预定增高温度时，中断变压器的次级绕组至电源的连接；以及

ii)保险丝，其与电源和热断路装置串联连接，适合在低于热断路装置的最大电流额定值的预定增加电流水平时，中断变压器的次级绕组至电源的连接。

电源可连接到变压器的次级绕组。

保险丝可通过电流测量装置防止错误中断，经由控制装置，该电流测量装置适合于在低于保险丝的最大额定电流的电流水平时操作旁路开关。因此，当保险丝具有比负载的最大允许电流低的额定值时，如果系统正确运转，那么在峰值电流期间通过正常操作旁路开关将使得保险丝与负载隔绝。保险丝具有较低的额定值从而保护热断路装置，热断路装置被设定为只在次级绕组的高温持续上升时才切断，尽管超过该断路装置的最大额定电流，但并不总是达到高温。然而，该电路能够使用额定值高于电流负载的保险丝，如果高于电流负载的电流持续不断，那么在旁路开关并不起作用的情况下，这将引起次级绕组的温度上升并超过热断路装置的跳闸温度。因此，热断路装置和保险丝互相结合地工作，从而在旁路开关未能起作用的情形下保护次级绕组。

本文中使用的术语“保险丝”包括任意具有与电阻保险丝相同或相似特性的断路开关，就是说，在高的过载电流或在持续较低的过载电流之后，电阻保险丝可迅速起作用。

电源保险丝可连接在电源和负载之间，当变压器被绕开时其适合于保护负载。

整流器可连接在电源和变压器的初级绕组之间。

附图说明

现在将通过例子并参考所附附图描述本发明的实施方式，在附图中：

图1是简单的常规变压器保护器件的电路图；

图2是经过改进但仍是常规的变压器保护器件的电路图；

图3是示出了使用变压器调节电压的电路图；

图4是经过改进的包含温度控制的变压器保护器件的电路图；

图5是与图4相比进一步改进的器件的电路图；

图6是示出变压器的热特性曲线图；

图7是类似于图6示出了与已知实例相比具有保险丝保护的变压器热特性的曲线图；

图8是类似于图7示出了与已知实例相比不同的实例的曲线图；

图9是提供变压器热保护的器件的电路图；

图10是示出了这种热保护限度的曲线图；

图11是结合本发明实施方式在电路中电源和负载之间的电压调节变压器的电路图；

图12是示出了图11中电路的变压器保护特性的示图；以及

图13是示出了图11中电路的组合变压器保护的曲线图。

具体实施方式

通常用于改变AC电源系统中电压大小的变压器被选择、运行在其连续额定功率范围内，从而确保变压器不会过热或出故障从而可能引起火灾。这种设置通常可保护电路免受过电流和由图1中10所示保险丝引起的短路。

在某些情形中，电路中使用的变压器在超过连续额定值的情况下工作，但工作分布图和环境条件都是已知的。在工作超过连续额定值期间，应当认识到，变压器将加热、继续加热。这些情况下将无法达到热平衡，但如果过载没有及时地被加强到可引起变压器出故障的点，那么变压器将不会出故障。在这些情况下保护变压器是通过具有热过载特性和短路特性的断路开关或保险丝实现的。断路开关特性或保险丝特性必须在变压器超过发热极限之前确保供电中断。

如果不能规定和确保变压器的工作分布图或环境条件，那么在没有额外的热保护的情况下变压器就不能超过其连续额定值工作。在较小的变压器中，额外的热保护通常实施为热熔断路(TCO)跳闸与变压器初级绕组串联，初级绕组通常是较低的电流绕组。在较大、较高电流的变压器中，额外的热保护可通过使用热监控器来实现，该热监控器远程触发置于电源中的断路开关。这种电路在图2中示出，在其中热熔断路跳闸装置示为11，并与保险丝10串联置于变压器初级绕组的电路中。在该情形中，如果热断路器的温度达到跳闸温度，那么TCO中断向变压器初级绕组的功率供应。

如图3中所示，在为了提高能效而降低AC电源供给负载的电压的系统中，使用变压器产生反相位电压，变压器与整流器一起用于电路中的简单电压调节。在该电路中，由AC电源供给负载的电流V_IN是通过变压器次级绕组V_s提供给负载的。整流器12在电路中连接到初级绕组V_p。电压在次级绕组V_s中形成，该电压与施加于初级绕组V_p的电压成比例，在V_s中形成的电压被认为与电源电压反相位，因此从电源电压中减去该电压。因此，电负载接收电压V_L，该电压V_L等于电源电压V_IN减去次级绕组V_s的电压大小。这将在以下例子中进一步说明。

假定电源电压是250伏特，变压器比率为10∶1，那么次级绕组的电压V_s将是25伏特。可使用整流器改变供应给初级绕组的电压，变化范围为0伏特到250伏特。该电路的优势是整流器和变压器的额定功率可以远远低于负载的额定功率。实际额定功率是由变压器的匝数比确定的，如匝数比为10∶1，那么整流器和变压器的额定功率只须是10％。在图3所示的电路中，过载和短路保护通过保险丝F₁实现。

在家用中，为了提高能效，可采用诸如图3所示的电压调节电路。此性质的负载分布图可示出长时间的极低负载和较短持续时间内罕见的高峰值负载的实例。在这种情形中，达到的峰值负载远远高于性质的平均负载。应当提出，这种电路可额定为性质的平均负载，并允许在较高的功率峰值期间短时间地在过载的情况下工作。这种电路可包括热控旁路器件，如果达到该电路的发热极限时，那么该热控旁路器件可使电流绕过电压调节电路。在专利说明书EP 1913454中描述了这种系统。

图4中电路包括热控旁路开关S。在该电路中，整流器12和变压器13被额定为达到系统期望的平均负载。提供了温度传感器14，其连续地或间歇地测量变压器的温度。来自传感器14的信号输入到电控器件15，当达到某一温度时，该电控器件15输出信号关闭开关S，从而将负载经由保险丝F₁直接连接到电源。

尽管图4中所示的系统保护变压器免受一段时间的持续过高温度的影响，但旁路开关S、或任何其他间接操作热断路装置存在出故障的风险，在这种情况下变压器将不受保护，变压器可能达到某一温度使其出故障甚至可能引起火灾风险。国内立法或国际立法可确定这样的风险是不可接受的。

在该系统中，由于保险丝F₁的额定功率必须达到性质期望的最大可能峰值负载，因此保险丝F₁无法为整流器和变压器提供充分的保护。

现在参考图5，附加的保险丝F₂可与变压器的电源串联放置，保险丝F₂的额定电流低于保险丝F₁的额定电流。实际上，应选择保险丝F₂的跳闸额定值等于变压器的连续额定值，且必须串联放置保险丝F₂与变压器次级绕组，以中断通过变压器流向负载的电流。与变压器初级绕组串联放置的保险丝不能中断流经次级绕组的电流。然而，不能选择与变压器特性相称的保险丝，因为这些特性随负载情况而变化。在图6中示出了典型变压器的热特性，图6中，在10amps处，变压器的连续额定值可无限持续，但是在相关期间之后高于某一电流的区域变压器被绕开。在以下的例子中最佳地描述了这种情况。

假定环境温度是20℃，在最大负载下稳态温度为60℃的变压器在过载时的最大工作温度为100℃。如果变压器已经在空负载的情况下工作了数小时，那么变压器的温度将是环境温度，如20℃。假定施加两倍于变压器连续额定值的负载，那么变压器将以通过其热容量决定的速度加热。希望变压器应当在该过载情况下运转，直到其温度增加到80℃至100℃。在正常的工作状态下，图4中的电控器件15可检测到100℃温度并闭合旁路开关S，这样变压器上的负载停止，使变压器温度下降。如果旁路开关S出故障，那么保险丝F₂将保护变压器免受连续负载情况的影响。在图7中将示出这种情况，其中保险丝F₂被选择在超过变压器发热极限之前清除(clear)负载。例如，保险丝F₂在，比如说，0.1秒钟之后的30amps、或在100秒钟之后的20amps将断电。

在另一个例子中，变压器已经在最大连续负载的情况下工作了数小时，变压器的温度已经达到60℃。如果施加两倍于变压器连续额定值的负载，那么变压器将以通过其热容量决定的速度加热，在过载情况下运转，在该例子中，直到其温度达到40℃至100℃。在正常的工作情形下，电控器件15可检测到100℃温度并闭合旁路开关S，一旦闭合开关，变压器的负载将被移除，于是变压器温度下降。然而，在该例子中，由于更高的初始温度60℃而不是环境温度20℃，因此，变压器在先前例子的一半时间内已经达到了100℃。

这种情况在图8中示出，其中超过100秒的一段时间内保险丝F₂不会中断电源，所以需要具有迅速反应特性的保险丝。该例子示出了简单保险丝不能为变压器提供热保护的原因。

现在参考图9，作为保护变压器的另一种方法，直接连接的热断路装置16(TCO)可与变压器的次级绕组串联连接，如果变压器超过预置温度，那么该热断路装置将中断电流，可将预置温度设定为高于旁路开关S的正常热控制，但是温度仍在安全界限内。

如之前关于图2所描述的，变压器一般采用热断路装置(TCO)形式的热保护，该热断路装置一般与初级绕组一起置于电路中。在匝数比是10∶1的变压器的情形中，初级电流是次级电流的十分之一。在图3所示的电路中，对于电压调节，在初级绕组中不能采用TCO，因为在那种情形中如果产生过高的温度，TCO则中断电源，结果电流可继续从源经由次级绕组流入负载。这会引起两个问题，即次级绕组将继续变得过热并失灵，以及次级绕组中的电流会设法在开路初级绕组中产生感应电流，结果在初级绕组中会产生非常大的感应电压，将导致绕组绝缘崩溃。

解决方法是如图9所示将电路中的热断路装置16与次级绕组连接，这样TCO可中断负载电流从而使变压器温度下降。

然而，TCO的问题在于，当断开但并未引入复杂且昂贵的弧发射或远切(remote tripping)器时，TCO限制在其可处理的载流量内。这通常不会成为一个问题，因为TCO一般位于更低的电流初级绕组中，但在TCO必须连接到更高的电流次级绕组的电路中，这是一个相当大的问题。

用简单的双金属片制成的直动(direct-acting)TCO已经可达大约45amps的额定值。然而，超过该额定值则需要更复杂的热保护装置，其包括复杂的弧发射或遥控接触器，对于使用目的这些遥控接触器太笨重、太昂贵，并可将进一步的可能故障引入到电路中。

如所述，包括负载和热断路装置16的闭合电路是由保险丝F₁保护的。在家用电压调节的应用中，F₁的特性可允许正常和过载电流远远高于TCO的接受能力(capability)。如果TCO试图在超过其额定值的电流水平工作，那么TCO可失灵而无法打开，于是引起变压器变得过热。如果保险丝F₁的额定值降低到可保护TCO的水平，那么峰值负载电流可引起保险丝出现误跳闸(‘nuisance’trip)。图10示出了TCO载流量的极限值。TCO在大约45amps可充分地工作连续十秒钟，但是如果电流继续增加，那么TCO可能无法工作，因为TCO的接触点可变成熔接的。

根据本发明，上述围绕着保险丝、旁路开关、和热断路装置问题的解决方法是如图11中的电路所示，以电路利用每个保护部件的优势并消除单独电路元件的不需要的和潜在的错误跳闸特性的方式提供保护部件的组合。在这种情况下，电路包括保险丝F₂和TCO 16，连同共同作用从而操作旁路开关S的变压器次级绕组、温度传感器14、和电控器件15，测量电源的电流以及为了将描述的目的被连接到电控器件15的电流测量传感器17，以及最后在旁路开关S闭合的情况下保护负载的保险丝F₁。

图12示出了图11的电路中的组合变压器保护特性。在图12的区域1内，变压器在其连续工作功率范围内工作，其中，负载水平引起变压器中可承受且有限的温度升高。区域2a表示有限时间段的变压器的容许过载区域，该区域受热控旁路开关S的作用限制。因此，在某一温度及某一段时间之后，温度传感器14可发送信号给电控器件15从而闭合开关S，于是通过直接将电源连接到负载而绕过整流器和变压器。从而，变压器可降温。

如果开关S因某些原因失灵而未能关闭，那么变压器在图2中标为2b的区域内可安全地工作一段时间，即，以更高温度工作相同的时间界限，之后TCO将跳闸以保护变压器。TCO热断路装置具有最大可承受额定电流，如果高于该电流那么保险丝F₂则中断电源，从而保护变压器。然而，保险丝F₂被设定为在低于TCO 16的最大额定电流的水平中断电源。在正常工作情况下，可产生非常大的电涌，在变压器达到其热断路装置水平之前，该电涌可中断保险丝F₂。为了防止保险丝F₂的这种误(nuisance)操作，需要执行第二个旁路控制。这是一种电流激活的旁路控制，其包括连接到电控器件15的电流传感器17，在电流水平低于保险丝F₂的最大额定值时，该电控器件运转以闭合开关S。

在通过闭合开关S绕开变压器的情况下，保险丝F₁保护负载。

图13示出了图11中电路的作用，可如下表述图13。

正常工作区域

在区域A，达到变压器的连续工作功率(continuous operatingcapability)而没有变得过热。在为过载区域的区域B，通过限制操作旁路开关S的热控制或由电流读出传感器17实现的电流极限控制限制来操作开关S。

非正常工作区域

在区域C，如果旁路开关S失灵，变压器在该区域可安全工作，变压器可通过操作保险丝F₂或通过切断串联连接的TCO 16而得到缓解。

不可接受的工作区域

在区域D，变压器将变得过热，在该区域内不能正常工作，在该区域通过激活串联连接的TCO 16保护变压器。

在区域E，变压器在该区域不能工作，变压器由保险丝F₂保护。

在区域F中，电流水平超过TCO 16的额定值，因此该电流水平是不可靠的，由于保险丝F₂中断，因此在该区域变压器将不能工作。

在区域G，变压器可变得过热，并可通过中断保险丝F₂而防止其过热。

因此，图11中的电路为变压器提供整体保护，主要通过旁路开关S的操作，除此之外还通过TCO 16和保险丝F₂在它们的适当额定值的防故障操作，以及通过17的电流测量实现。

Claims (6)

1.一种为了提高能效而降低AC电源供给负载的电压的系统，所述系统包括：

a)在所述AC电源和所述负载之间的电路中具有初级绕组和次级绕组的变压器；以及

b)如果达到所述变压器的预定过载，则使所述变压器被从电路中去除并使所述电源直接连接到所述负载的旁路装置；

其特征在于：

c)所述旁路装置包括：

i)将所述电源直接转向到所述负载的旁路开关，

ii)确定所述变压器的温度的装置；

iii)测量通过所述负载的电流的装置；

iv)控制装置，接收来自温度确定装置和电流测量装置的信号，以及在所述温度和所述电流中任一个达到预定最大水平时操作所述旁路开关；以及其特征在于，所述系统进一步包括：

d)防故障装置，在所述旁路开关在任一个所述预定最大水平下失灵的情况下，中断通过所述变压器的所述次级绕组的电流，其中，所述防故障装置包括：

i)热断路装置，连接到所述变压器的所述次级绕组，适合于在预定期间之后达到所述变压器的预定增高温度时，中断所述变压器的所述次级绕组至所述电源的连接；以及

ii)保险丝，与所述电源和所述热断路装置串联连接，适合于在低于所述热断路装置的最大额定电流的预定增加电流水平，中断所述变压器的所述次级绕组至所述电源的连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电源被连接到所述变压器的所述次级绕组。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，通过连续电流测量装置防止所述保险丝错误中断，经由所述控制装置，所述连续电流测量装置适合于在低于所述保险丝的最大额定电流的电流水平时操作所述旁路开关。

4.根据权利要求1、2或3所述的系统，包括连接在所述电源和所述负载之间的电源保险丝，所述电源保险丝适合于在所述变压器被绕开时保护所述负载。

5.根据前述的任一权利要求所述的系统，包括连接在所述电源和所述变压器的所述初级绕组之间的整流器。

6.主要如说明书中参考附图中的图11描述的系统。

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