CN102834890B - 用于低压或中压装置的供电和控制单元 - Google Patents

Abstract

用于低压或中压装置(100)的供电和控制单元(1)，所述装置包括至少一对可通过电磁致动器(2)来耦合/分断的电触点，用于为所述装置的操作提供电源的第一电能存储装置(3)，以及用于对第一所述电能存储装置充电的电源装置(40)，其特征在于该供电和控制单元包括：当所述电源装置为可获得状态时，用于管理所述装置的操作的初级控制设备(11)；当所述电源装置为不可获得状态时，用于管理所述装置的操作的次级控制设备(12)，所述次级控制设备可直接从所述第一电能存储装置接收电能。

Description

用于低压或中压装置的供电和控制单元

本发明涉及用于低压或中压装置的供电和控制单元，该低压或中压装置在其性能和功能方面具有改进的特点。

根据本发明，该供电和控制单元可便利的用于低压或中压装置，例如断路器、接触器、开闭器等。

为了本发明的目的，术语中压”是指在1至50kV范围内的应用，术语“低压”是指在低于1kV范围内的应用。

本发明的另一方面涉及用于供电和控制单元的电源电路，该电源电路在减少电源损耗方面性能有所改进。

众所周知，一些在市场上可获得的低压或中压装置包括一对或多对电触点，该一对或多对电触点可通过电磁致动器耦合/断开。

在电磁致动的低压或中压装置中，具有用于提供该装置操作操作所需的电能的电容器组，例如用于操作电磁致动器或对供电和控制单元进行供电。

在通常情况下，这样的电容器组由辅助电源持续充电，该辅助电源典型地电连接至电网。

原则上，当由于某些原因，例如电故障，不能获得电源时，电磁致动的装置不能够再操作。

实际上，没有由辅助电源提供的持续的充电操作，储存在电容器组中的电能被装置中的供电和控制单元极快的消耗掉，很快，电容器组不再能够提供足够操作电磁致动器的电能。

为了克服上述缺陷，一些已知的包括供电和控制单元的电磁致动装置，还具有用于储存电能的额外的电容。

当装置处于正常操作状态时，所述的额外的电容被充电。当辅助电源掉电时，所述额外的电容能够在预定的时间，例如24小时内提供电源以操作电磁致动器。

不幸的是，上述解决方式仅提供了可获得电源以操作电磁致动器的一段额外的时间。一旦超过该额外的时间，该装置就不能够再工作了。

另外，第二电容的实际充电状态完全不被监控。由此，即使命令装置进行断开操作，由于第二电容可能不具有足够操作电磁致动器的剩余存储电能，也可能导致这样的操作可能在不安全的情况下被执行。

本发明的一个目的是提供可解决上述提及的问题的用于低压或中压装置的供电和控制单元。

更具体地说，本发明的一个目的是提供一种供电和控制单元，其允许低压或中压装置即使当辅助电源不可获得时也能够被安全的操作。

本发明的另一个目的是提供一种供电和控制单元，其允许低压或中压装置在辅助电源不可获得时可操作相对较长的时间。

本发明的另一个目的是提供一种供电和控制单元，其能够在具有竞争力的成本下被简单的制造。

由此本发明提供了一种用于低压或中压装置的供电和控制单元，所述装置具有至少一对可通过电磁致动器来耦合/分断的电触点，用于为该装置的操作提供电源的第一电能存储装置，以及用于对第一电能存储装置充电的电源装置。

根据本发明的该供电和控制单元，包括两个不同的控制设备，其意在正常和在紧急情况下，即当电源装置为可获得/不可获得的情况下，管理该装置的操作。

当所述的电源装置为可获得时，初级控制设备管理所述装置的操作。

当所述电源装置由于某些原因，例如由于电故障，从而不可获得时，次级控制设备介入以代替管理所述装置的操作。

为了即使当所述的电源装置不可获得时也能够被供电，该次级控制设备能够直接从第一电能存储装置接收电能。

次级控制设备有利的被设置为提供缩减的功能并且极大的减小了损耗电能的总量。

如果在第一电能存储装置中仍有足够的电量，次级控制设备有利的能够在大多数时间内保持静止并且周期的执行一些紧急操作以保证装置充分操作。

由此，在紧急情况下，即使次级控制单元由第一电能存储装置供电，在第一电能存储装置中存储的电量也会相对较慢的减小并且装置的剩余操作寿命会极大的延长(例如，从辅助电源掉电的时刻后直达60天)。

次级控制设备有利的能够周期性地检查第一电能存储装置的充电状态。

如果存储在所述第一电能存储装置中的电能低于预定阈值，次级控制设备直接命令或者通过初级控制设备命令装置进行“断开”操作，即，装置的电触点被分断的操作。

由此，如果在第一电能储存装置中存储的电量变得已经不足以操作电磁致动器，该装置自身最终被置于安全的电触点被断开的操作状态。

以这种方式，装置的操作总是被管理在安全的状态，即，在第一储存装置中总是具有足够的电量以操作电磁致动器。

在另一方面，本发明涉及用于供电和控制单元的电源电路。

所述电源电路包括DC/DC变换器，其与电源电连接，例如，所述的第一电能存储装置，以用于将由所述电源提供的第一电压变换至比所述第一电压低的第二电压。

所述DC/DC变换器包括开关部件，其包括开关设备，驱动部件和输出部件。

所述DC/DC变换器的驱动部件包括至少一另一开关设备，其可相关于开关部件的开关设备进行操作，从而当所述开关设备被命令断开时，能够立即终止流经所述开关设备的电流。

本发明的其余特征和有利之处将会从优选但非排除性的用于低压或中压装置的供电和控制单元的实施例中得到体现，根据本发明，非限制性的示例在附图中提供，其中：

图1是根据本发明的供电和控制单元的实施例的块原理图；以及

图2是根据本发明的供电和控制单元中的次级控制设备的块原理图；以及

图3是根据本发明的供电和控制单元中的次级控制设备的部分电路图；以及

图4是根据本发明的供电和控制单元的另一实施例的块原理图。

参考引用的附图，本发明涉及用于低压或中压装置100的供电和控制单元1，其部分的在图1中示出。

装置100包括至少一对可由电磁致动器2耦合/分断的电触点(未示出)。

装置100还包括第一电能存储装置3，例如，电力电容C1(图3)，以用于为装置100的操作提供电源。

在装置100中，具有用于对第一电能存储装置3进行充电的电源装置40。

电源装置40优选的包括手动电能充电装置5和/或电连接到电网的辅助电源6。

电源装置40还可包括充电电路4，通过该充电电路4电能传输至第一电能存储装置3。

在装置100的正常操作情况下，电源装置40持续对第一电能存储装置3充电，由此将存储其中的电能保持在最优水平。

根据本发明，供电和控制单元1包括初级控制设备11和次级控制设备12。

初级控制设备11意于在正常情况下，当电源装置40可获得时，即其可供电至装置100时，管理装置100的操作。

次级控制设备12意于在紧急情况下，即，当电源装置40由于某些原因不可获得并且不能够再供电时，代替管理装置100的操作。

优选的，供电和控制单元1还包括主电源驱动电路14，其意于供电至电磁致动器2。

有利的，电源驱动电路14由第一电能存储装置3供电并且由初级控制设备11控制或甚至由次级控制设备12控制。

优选的，供电和控制单元1包括电源电路13，其提供电源至初级控制设备11和次级控制设备12。

电源电路13意于在正常情况下，当第一电能存储装置3可由电源装置40持续的充电时，给控制设备11和12供电。

初级控制设备11有利的包括微控制器(未示出)，其意于当电源装置40可获得时，管理装置100的操作。

例如，在装置100的操作寿命期间，这样的微控制器可管理内部和外部的诊断行为、通过适当的算法控制电源驱动电路14和电磁致动器的操作、提供/接收二进制命令、与外部或内部设备通讯、以及执行其他操作要求。

当电源装置例如由于电故障40不能再获得时，初级控制设备11基本上失效以减少电源的消耗。但是，即使是在失效期间，初级控制设备11也可在需要时由次级控制设备12在短时间内启动。

当电源装置40不可获得时，次级控制设备12作为代替被启用。

优选的，次级控制设备12包括微控制器127，其有利的可在低功耗情况下工作，例如提供所有功能时汲取0.5mA电流(3V)，在深度待机模式下汲取几μA的电流。

为了节省电能，微控制器127在大部分时间内保持在静止模式并且周期性的激活以执行一些紧急的操作，例如，检测第一电能存储装置的充电状态，调节其自身的电源，接收紧急命令，控制/命令装置100的操作，与初级控制设备11交换信息/命令，接收装置100操作状态的信息，提供/接收二进制命令，提供相关于装置的操作状态等的可视化信息。

优选的，微控制器127包括用于管理其自身保持在静止模式期间的软件部件。

当微控制器在静止模式时，其完成主要执行预定时间周期倒数计时的软件程序。

当倒数计时完成，微控制器127自动从静止模式切换到全功能模式，在全功能模式中微控制器127被激活并且可执行上述的紧急操作。

当电源装置40不可再获得时，为了减小电源损耗，次级控制设备有利的能够接收直接来自第一电能存储装置3的电能，即，不通过电源电路13。

为了实现该目标，次级控制设备12包括电源电路，该电源电路包括至少一个DC/DC变换器121，其有利的意于将由第一电能存储装置3提供的第一电压V1(几百伏)转换成比第一电压V1低很多的第二非调节电压V2(几伏)。

DC/DC变换器121优选的包括开关部件1210，其包括开关设备M1(图3)。

优选的，开关设备M1为耗尽型电力MOSFET，其被设计为在开关操作时具有低功率损耗，特别是在开关切换时。

耗尽型MOSFET可便利的通过门极触点控制，直接使用在其源极触点上可获得的电压，而无需极化网络。

而标准增强型MOSFET的工作要求门极电压大于源极电压。

由此，如果M1包括增强型MOSFET，则需要设置直接由第一电能存储装置3持续供电的极化网络。

由此，采用耗尽型MOSFET构成M1(替代标准增强型MOSFET)允许进一步减小DC/DC变换器121的功率损耗。

DC/DC变换器121包括驱动部件1211，其包括具有另外的开关设备Q1，Q2和电阻R3的第一驱动电路1211A，以及具有附加的开关设备M2的第二驱动电路1211B。

DC/DC变换器121还包括输出部件1212，其包括二极管D1和D2，以及电感L1。

驱动部件1211的第一驱动电路1211A和第二驱动电路1211B分别意于使能和禁止开关设备M1的开关操作。

驱动电路1211A和1211B可操作的连接至微控制器127以由此控制DC/DC变换器121的操作。

驱动部件1211有利的设置为有效的减小开关设备M1切换期间的功率损耗。

另一开关设备Q2实际上以当微控制器127命令M1关断时瞬时停止流经M1的电流的方式来可操作的相关于开关设备M1。

理论上，二极管D2的阳极可直接连接至M1的源极触点；但是在这种情况下，当M1关断后，L1中积聚的电流将持续的在M1和D2中循环一段时间，这导致了M1切换期间不期望的高功率损耗。

次级控制设备12优选的包括第二电能存储装置122，其有利的包括电容C2。

第二电能存储装置122电连接至DC/DC变换器121的输出部件1212。

以这种方式，当DC/DC变换器启动时，第二电能存储装置122可由第一电能存储装置3充电。

为了节省功率，第二电能存储装置122可不由第一电能存储装置3持续的充电，而是仅当其电量低于预定阈值时才进行充电。

优选的，次级控制设备12包括第一传感电路124，其意于检测由第一电能存储装置3提供的第一电压V1。

第一传感电路124有利的包括具有电阻R1和R2的与第一电能存储装置3并联的分压电路。

第一传感电路124可操作的连接至微控制器127并且当开关部件1210被驱动时启用。

由此，相关于第一电能存储装置3的充电状态的信息仅当开关部件1210工作时才由微控制器127便利的获得。

在这种方式中，减小了电阻R1和R2的功率损耗。

优选的，第二控制设备12还包括第二传感电路125，其意于检测由第二电能存储装置122提供的第二电压V2。

第二传感电路125有利的包括具有与第二电能存储装置122并联设置的电阻R4和R5的分压电路125A，以及具有开关设备Q3和Q4以及电阻R6的使能电路125B。

使能电路125B使能电流流经电阻R4和R5的通道，由此使能分压电路125A以传感电压V2。

电路125A和125B可操作的连接至微控制器127，从而可选择性的启动电压V2的检测。

在这种方式下，减小了由电阻R4和R5损耗的总功率。

优选的，次级控制设备12包括本地HMI(人机接口)126，其可显示相关于装置100的操作状态的信息。

优选的，HMI 126包括双稳态显示，即使是在完全没有电源的情况下，其也能够将最后的可视化信息片段保持一个不定的时间。

微控制器127还有利的控制本地HMI 126，由此提供相关于装置100的操作状态的信息显示。

优选的，次级控制设备12包括线性调节器123，其电连接在第二电能存储装置122和微控制器127之间。

调节器123有利的意于将由第二电能存储装置122提供的第二电压V2变换为用于给微控制器126和有利的甚至于向本地HMI126供电的第三调节电压V3(典型的为3V)。

调节器123通常是启动的。优选的，其包括汲取小静态电流(例如几μA)的低功率设备。

从上述的详细描述中，可以理解次级控制设备12被设置为专用于在电源装置40不可获得并且由此节省功率成为主要需求时来管理装置100的操作。

当装置100在正常情况下操作时，次级控制设备12即便是可由初级控制设备11在需要时启动，也基本上不再工作。

当装置100在紧急情况下操作时，次级控制设备12启动。

为了节省功率，其基本上在大部分时间内保持在静止模式，并且周期性(例如，1s)的操作，例如由微控制器127的软件计时器，或者在需要时计时。

这使得从第一电能存储装置3汲取的总功率大幅度减小。

当其操作时，微控制器127可激活开关部件1210并且通过第一传感电路124检查第一电能存储装置3的充电状态。

如果存储的电能低于预定阈值，微控制器127可激活初级控制设备11以发送命令至电源驱动电路14以执行装置100的断开操作。

可替代的，微控制器127自己可发送分断命令给电源驱动电路14。

当其操作时，微控制器127也可通过使能电路125B激活分压电路125A来检测第二电能存储装置122的充电状态。

当电压V2低于某个阈值、例如4V时，微控制器使能DC/DC变换器121一段短的时间，例如，20μs。

以这种方式，第二电能存储装置122可被第一电能存储装置3充电。

在DC/DC变换器121工作期间，存在一定的功率损耗，尤其是在驱动电路1211和开关部件1210上存在损耗。

在这种情况下，由于DC/DC变换器121的工作期间非常短，损耗的总功率相对较低。

当然，当其操作时，微控制器127在装置100处于紧急情况时还可执行一些预见性管理操作，例如接收/提供操作命令，与初级控制设备11交换信息/命令，接收装置100操作状态的信息，提供/接收二进制命令，通过本地HMI 126提供装置100的操作状态的可视化信息等。

在替代性示例(图4)中，供电和控制单元不包括在正常情况下向控制设备11和12供电的主电源电路13。

在这种情况下，次级控制设备12的电源电路有利的被设置为在正常情况下提供电源至初级控制设备和次级控制设备12。

优选的，所述电源电路包括电连接至DC/DC变换器121的开关15。

开关15有利的意于在紧急情况下，当电源装置40不可获得时，使初级控制设备11失效。

从上述详细描述中，可清楚的得知涉及电源电路的本发明的另一个方面，其包括专用于减小功率损耗的设置。

所述电源电路包括DC/DC变换器121，其电连接至电源3以将由电源3提供的第一电压V1转换成比第一电压V1小的第二电压V2。

DC/DC变换器包括开关部件1210，其包括开关设备M1，驱动部件1211和输出部件1212.

驱动部件1211包括至少一个额外的开关设备Q2，开关设备Q2以当M1被命令关断时瞬时停止流经开关设备M1的电流的方式来相关于开关设备M1进行可操作的设置。

由此，当功率损耗是必须的需求时，这样的电源电路特别适用于供电和控制单元。

从上述可清楚的得知本发明的供电和控制单元1相对于已知类型的类似单元具有多个优点。

供电和控制单元1在装置100的正常电源不再可获得时在功率节省方面提供了改进的性能。

其极大的延长了装置100在紧急情况下的可操作时间。

供电和控制单元1允许装置100总是操作在安全的方式中。

在最坏的情况下，当辅助电源不可获得并且存储在第一存储装置3中的电能低于一定安全阈值时，装置100操作以呈现安全终端条件，电触点被断开。

可从参考的附图中理解，供电和控制单元1具有相对简单的电路结构，其制造简单并且具有可竞争的成本。

本发明的供电和控制单元1可便利的应用于低压和中压装置(例如，电路断路器、接触器、开闭器等)中，其也能够被看做是本发明的一部分。

Claims (14)

1.一种用于低压或中压装置(100)的供电和控制单元(1)，所述低压或中压装置包括至少一对能通过电磁致动器(2)来耦合/分断的电触点，用于为所述低压或中压装置的操作提供电源的第一电能存储装置(3)，以及用于对所述第一电能存储装置充电的电源装置(40)，其特征在于该供电和控制单元包括：

-当所述电源装置为可获得状态时用于管理所述低压或中压装置的操作的初级控制设备(11)；

-当所述电源装置为不可获得状态时用于管理所述低压或中压装置的操作的次级控制设备(12)，所述次级控制设备能直接从所述第一电能存储装置接收电能；

-主电源驱动电路(14)，该主电源驱动电路供电至所述电磁致动器，所述主电源驱动电路由所述第一电能存储装置供电并且由所述初级控制设备控制或者由所述次级控制设备控制。

2.根据权利要求1的供电和控制单元，其特征在于所述次级控制设备包括具有至少一个DC/DC变换器(121)的电源电路，该DC/DC变换器电连接至所述第一电能存储装置(3)以将由所述第一电能存储装置提供的第一电压(V1)转换成比所述第一电压低的第二电压(V2)。

3.根据权利要求2的供电和控制单元，其特征在于所述次级控制设备包括第二电源存储装置(122)，其电连接至所述DC/DC变换器(121)，由此所述第二电源存储装置能由所述第一电能存储装置充电。

4.根据权利要求3的供电和控制单元，其特征在于所述次级控制设备包括微控制器(127)，其接收来自所述第二电源存储装置的电能。

5.根据权利要求4的供电和控制单元，其特征在于所述DC/DC变换器(121)由所述微控制器(127)控制。

6.根据权利要求5的供电和控制单元，其特征在于所述次级控制设备包括线性调节器(123)，其电连接在所述第二电源存储装置(122)和所述微控制器(127)之间，以将由所述DC/DC变换器(121)提供的第二电压(V2)变换为用于给所述微控制器供电的第三电压(V3)。

7.根据权利要求2-6中的任意一项的供电和控制单元，其特征在于所述次级控制设备包括第一传感电路(124)以检测由所述第一电能存储装置提供的第一电压(V1)。

8.根据权利要求2-6中的任意一项的供电和控制单元，其特征在于所述次级控制设备包括第二传感电路(125)以检测由所述第一电能存储装置提供的第二电压(V2)。

9.根据权利要求8的供电和控制单元，其特征在于所述第二传感电路由微控制器驱动。

10.根据权利要求1-6中的任意一项的供电和控制单元，其特征在于所述次级控制设备包括本地HMI(126)以显示关于所述低压或中压装置的操作状态的信息。

11.根据权利要求10的供电和控制单元，其特征在于所述本地HMI包括双稳态显示。

12.根据权利要求1-6中的任意一项的供电和控制单元，其特征在于所述次级控制设备包括向初级控制设备(11)和次级控制设备(12)供电的电源电路，所述电源电路包括当所述电源装置不可获得时使所述初级控制设备(11)失效的开关(15)。

13.根据权利要求1-6中的任意一项的供电和控制单元，其特征在于该供电和控制单元包括主电源电路(13)，其向初级控制设备(11)和次级控制设备(12)供电。

14.根据权利要求1-6中的任意一项的供电和控制单元，其特征在于所述电源装置(40)包括手动电力充电装置(5)和/或连接至电网的辅助电源(6)。