CN103348256B - 具有电流和电压感测的接线管理器 - Google Patents

Abstract

一种包括电流感测特征的接线管理器提供用于功率测量和管理系统的输入。接线管理器可以是单个接线或者单个束保持设备，该接线或者束保持设备具有集成于其中的电流传感器（诸如霍尔效应传感器），或者可以是多接线管理壳，该多接线管理壳具有设置于内部用于感测经过多个接线的电流的多个电流感测器件。接线可以是功率分布面板或者管线中的多个支路电路，并且接线管理器可以适合于装配于这样的面板或者管线中。也可以通过提供电容耦合到对应接线的电传导板、接线或者其它元件在传感器内并入电压感测。

Description

具有电流和电压感测的接线管理器

技术领域

本发明涉及用于管理一个或者多个电接线的位置的接线管理器，并且更具体地涉及一种包括电流传感器的接线管理器，该电流传感器可以用来检测穿过接线管理器管理的接线的电流。

背景技术

由于对针对商业和住宅位置的能量效率的聚焦而越来越需要测量AC线路供电的系统中的功率消耗。为了测量电路的功率消耗，一般必须测量负载汲取的电流，并且为了精确结果，也可能需要知晓负载的特性。

向功率分布系统添加电流传感器占据空间并且增添复杂性，并且如果必须测量大量电路，则增加的安装难度可能引起功率分布系统中的紊乱。

因此将希望提供一种可以提供隔离的电流汲取信息并且可选地允许考虑负载特性而又提供有组织和高效的安装而针对功率分布系统的附加空间要求少的电流感测方案。

发明内容

在一种包括用于感测穿过接线的电流的传感器的接线管理器及其操作方法中体现本发明。接线管理器可以是管理在单个位置的一个或者多个接线的位置并且测量穿过接线的净电流的单个接线管理器，或者接线管理器可以具有用于将位于每个接线的对应电流传感器与多个接线固着的多个固着机制。电压传感器可以并入于传感器内用于感测接线的电势。

接线管理器可以是适合于安装于功率分布面板或者管线（racyway）内的壳，并且固着机制可以是包含电流传感器的由铁素体圆柱体形成的部分的蛤壳式（clamshell）壳，这些部分在接线周围闭合时形成完整铁素体圆柱体或者沿着圆周具有间隙的铁素体圆柱体，半导体磁场传感器可以插入于该间隙中。电压传感器可以是用于电容耦合到接线以便感测接线的电势的圆柱形板、接线、膜或者其它适当传导元件。电压传感器可以定位在电流感测元件旁边或者定位在电流感测元件内。

将从如附图中所示本发明优选实施例的以下更具体描述中清楚本发明的前述以及其它目的、特征和优点。

附图说明

在所附权利要求中阐述视为本发明的特点的新颖特征。然而将通过参照在结合附图阅读时的本发明的下文具体描述来最好地理解本发明本身及其优选实施方式、更多目的和优点，其中相似标号指示相似部件并且。

图1是图示包括根据本发明的一个实施例的接线管理器10的电功率分布系统的示意图。

图2是示出接线管理器10的进一步细节的图示。

图3是示出接线管理器10的进一步细节的另一图示。

图4A-图4B是示出根据本发明的一个实施例的传感器20的细节的图示。

图5是图示根据本发明的一个实施例的接线管理器10内的电路的电路框图。

图6A-图6D是描绘根据本发明的备选实施例的接线管理器的示意图。

具体实施方式

本发明包括如下接线管理器，这些接线管理器具有用于向功率测量系统提供输入的电流感测和可选电压感测特征。例如本发明可以向计算服务器室中的功率监视设备提供输入，其中多个支路电路向各种电子底盘（chassis）功率供应分布功率，并且其中向计算机操作环境内的功率监视和/或系统控制实用工具提供用于各种支路电路的功率使用信息是有益的。其它应用包括用于商业和/或住宅能量管理的功率监视。

现在参照图1，示出根据本发明的一个实施例的功率分布系统。功率分布面板8接收服务进入布线5，并且经由电路断路器9向支路电路接线3分布功率。对支路电路接线3寻路由以经由管道或者其它管路7向负载供应功率。在功率分布面板8内，安装根据本发明的一个实施例的接线管理器10。接线管理器10控制支路电路接线3的位置并且还包括感测元件，这些感测元件用来确定流过支路电路接线3的电流，并且可选地确定支路电路接线3上的电压的量值和/或相位以提供向支路电路负载递送的实际（复）功率的计算。接线管理器10也包括接口/处理单元12，该接口/处理单元提供与外部处理系统的有线或者无线接口并且一般在向外部处理系统传输之前提供与功率使用有关的信息的计算，但是可以备选地传输原始电流（和可选电压）传感器输出信息而在外部处理系统中执行与功率使用有关的信息的计算。接口/处理单元12可以备选地放置于与如图所示位置不同的位置并且尺度与如图所示尺度不同。例如接口/处理单元12可以物理地从接线管理器10分离，并且由有线、无线、光学或者其它适当接口耦合到接线管理器10。

现在参照图2，示出图1的接线管理器10的细节。经过对应多个传感器20对支路电路接线3寻路由，这些传感器至少提供对流过支路电路接线3中的对应支路电路接线的电流的指示并且可选地提供在支路电路接线3中的对应支路电路接线的电压或者电压的相位。下文将根据本发明的一个示例实施例描述传感器20的细节，并且在上文并入的美国专利申请“NON-CONTACTCURRENTANDVOLTAGESENSOR”中描述传感器20的细节以及可以备选地用来实施传感器20的其它传感器。

现在参照图3，示出图1的接线管理器10的更多细节。向印刷布线板（PWB）30紧固传感器20，该PWB提供从电流感测元件32中的每个电流感测元件到接口/处理单元12的连接，并且如果提供电压感测元件则也有传感器20的电压感测元件。接口/处理单元12包括集成电路34，这些集成电路实施功率使用计算和信息传输以及用于去除噪声并且恰当缩放传感器20的输出的信号处理。如图所示，电流感测元件32在传感器20装配到PWB30时经过传感器20中的孔延伸，并且可以提供柱38以在传感器20装配到PWB30时通过配对柱38与传感器20中的凹陷36来对准和稳定传感器20。可以通过任何适当手段产生传感器20的附着，但是应当提供某一程度的柔性，从而在移动支路接线3时不向在传感器20与PWB30之间的机械连接施加过量力，从而未损坏机械连接。可以使用热焊或者机械键合或者扣合连接的软置位粘合柔性杆36。备选地或者附加地，可以制作电流感测元件32的外体以提供向传感器20的机械附着。提供盖31以将接线管理器10内的电路与功率分布中心或者管路中的电路隔离，接线管理器10安装于该功率分布中心或者管路中。

现在参照图4A，示出图3的传感器20的细节。在闭合传感器体22时，传感器的电流感测部分由在支路电路接线3之一周围形成铁素体圆柱体的三个铁素体件24A、24B形成。顶部铁素体件24A形成半圆柱体，而铁素体件24B限定在铁素体件24B之间并且在铁素体圆柱体的圆周中的间隙，图3的电流感测元件32设置于该间隙中，该电流感测元件一般是半导体磁场传感器，诸如霍尔效应传感器。如图3中所示，经过传感器体22形成用于接收电流感测元件32的孔34。金属板28A、28B形成的电压传感器提供与支路电路接线3的电容耦合，该电容耦合提供至少指示支路电路接线3上的电压的相位的AC波形，并且如果需要则可以被校准以提供对电压的量值的指示。金属板28A包括接触27并且金属板28B包括配对凹陷29以改进在金属板28A与28B之间的电接触，从而需要金属板28A和28B之一到测量系统的连接以提供电压感测。在传感器体22的底表面上提供端子38以提供从金属板28B到PWB的电连接。提供闩锁机构23，从而在支路电路接线3周围钳位传感器体22之后在闭合位置保持传感器体22。可以针对从装配表面延伸的柱提供一对凹陷36，以稳定并且可选地将传感器体22扣合附着到PWB或者其它装配表面。

现在参照图5，示出图2的接口/处理单元12的细节。复用器101A从传感器20内的单独电流感测元件接收信号，并且选择用于测量的传感器，从而向电流测量电路108A提供输入，该电流测量电路是对传感器20的电流通道输出进行适当缩放和滤波的模拟电路。向模数转换器（ADC）106提供电流测量电路108A的输出作为输入，该ADC将电流测量电路108A生成的电流输出波形转换成向根据耦合到CPU100的存储器104中存储的程序指令执行功率计算的中央处理单元（CPU）100提供的采样值。备选地，单独电流测量电路108A和复用器101A可以不是必需的，并且传感器20可以直接耦合到ADC106。可以通过假设支路电路电压恒定（例如115Vrms）并且在电压与电流之间的相位关系（即同相）是对准的来确定与特定传感器关联的支路电路的功率使用。然而，尽管假设恒定电压一般足够，这是因为在恰当设计的分布系统不未让线路电压下降多于小数量（例如<3%），但是在电压与电流之间的相位关系依赖于负载的功率因子并且可以随负载和时间广泛和动态变化。因此，一般希望至少知道在支路电路电压与电流之间的相位关系以便准确地确定支路电路的功率使用。

在实施电压测量时，如果实施电压感测，则提供另一复用器101B以从传感器20中的单独电压感测元件接收信号。复用器101B从传感器20内的单独电压感测元件接收信号，并且选择用于测量的传感器，从而向电压测量电路108B提供输入，该电压测量电路是对传感器20的电压信道输出进行适当缩放和滤波的模拟电路。过零检测器109可以用来向中央处理单元100提供仅相位信息，该中央处理单元取代向ADC106的输入提供电压测量电路的输出或者与之组合执行功率计算。备选地，复用器101B可以不是必需的，并且传感器20的一个或者多个电压传感器输出可以直接连接到ADC106。具体而言，可以不必在每个传感器进行电压测量，例如在感测电压的相位时，单个测量可以足以用于提供然后用来为多个支路电压确定电压到电流相位差的相位参考。另外，如果取得多个电压测量，则电压测量可以用作绝对电压测量或者幅度可以缩放成已知峰值、r.m.s.或者平均值。输入/输出（I/O）接口102提供与外部监视系统的无线或者有线连接，诸如无线局域网（WLAN）连接122A或者有线以太网连接122B。在不考虑功率因子时，每个支路电路使用的瞬时功率可以近似为：

P_BRANCH=V_rms*I_meas

其中V_rms是恒定值，例如115V，并且I_meas是测量的rms电流值。可以随时间积分功率值P_BRANCH以产生能量使用。在电压的相位已知时，可以更准确地计算功率为：

P_BRANCH=V_rms*I_meas*cos(Φ)

其中Φ是在电压与电流波形之间的相位角差。可以比较过零检测器109的输出与过零在电流测量电路108A生成的电流波形中的位置，并且在电流和电压中的过零之间的时间ΔT用来从线路频率（假设线路频率为60Hz）生成相位差Φ：

Φ=2Π*60*ΔT

一般而言，电流波形不是真正地正弦曲线，并且上述近似可能不产生充分准确结果。更准确方法是将以比线路频率高得多的采样率测量的电流和电压采样相乘。采样值因此近似于电流和电压波形的瞬时值，并且可以计算能量为：

Σ(V_n*I_n)

多种算术方法可以用来根据采样的电流和电压测量确定功率、能量和相位关系。

现在参照图6A-图6D，示出根据本发明的其它实施例的接线管理器。图6A的接线管理器包括可以用紧固器（诸如片金属螺丝或者电布线插座）粘附到底盘的体部分40A，或者体部分40A可以包括粘合部，该粘合部具有可以从体部分40A的下侧去除的剥离衬背（backing）而接线管理器被按压到底盘或者其它位置。传感器42集成于体部分40A中，并且可以用于测量经过由穿过体部分40A的接线连结44A固着的一个或者多个接线的净电流的单个霍尔效应器件，但是也可以包括如上文描述的传感器20中那样的电压感测元件。接口接线46提供传感器42到处理单元的连接，该处理单元可以从如图6A-图6D中所示多个接线管理器接收输入，以便以在上文参照图1描述的功率分布系统中运用的方式相似的方式提供关于多个功率分布支路的功率使用的信息。

图6B-图6D的接线管理器与图6A的接线管理器相似，因此下文将仅进一步具体描述在它们之间的不同。图6B的接线管理器包括体部40B，该体部用紧固器（诸如片金属螺丝）粘附到底盘，并且也接受用于固着接线的接线连结44B。传感器42定位于体部分40B的边缘附近，以便提供对装配区域的访问。图6C的接线管理器具有在一个或者多个接线周围卷绕的一体扭转型固着延伸件44C，并且传感器42与固着延伸件44C和体部分40C的联合体相邻集成。图6D的接线管理器具有作为体部分40D的一部分而形成的一体接线保持带。在每个上文描述的接线管理器中，传感器42定位成使得传感器42将与固着接线的接线管理器保持的接线邻近。铁素体或者其它磁材料可以用来通过以与上文描述的在传感器20中集成铁素体件24A、24B相似的方式在接线管理器体中集成磁材料来在接线周围形成回路。也可以在接线周围中使用如上文描述的插入套管以在传感器42内运用电压感测时提供更均匀接线距离。在上文描述的实施例中使用的霍尔效应传感器可以替换为其它电流感测元件而有对传感器的机械特征的适当改变。备选电流感测元件的示例包括电流变换器、Rogowski线圈、各向异性磁阻（AMR）元件、磁通门、巨型磁阻（GMR）元件、光纤电流传感器或者任何其它非接触电流传感器。

尽管已经参照本发明的优选实施例具体示出和描述本发明，但是本领域技术人员将理解可以在本发明中进行形式和细节上的前述和其它改变而未脱离本发明的范围。

Claims (25)

1.一种用于机械地固着接线的接线管理器，所述接线管理器包括：

用于将所述接线管理器固着到结构并且包括机械约束件的本体，所述机械约束件用于让所述接线穿过，其中在所述机械约束件闭合在所述接线周围时，所述接线通过与所述机械约束件接触而被固着，借此所述机械约束件在固定位置固着所述接线；并且

包括在所述接线管理器的所述本体中的传感器，该传感器包括用于感测穿过所述接线的电流并且生成指示所述电流的量值的第一输出的电流感测元件。

2.根据权利要求1所述的接线管理器，其中所述传感器还包括：用于感测在所述接线处的电势并且生成指示所述电势的第二输出的电压感测元件。

3.根据权利要求1所述的接线管理器，其中所述接线管理器包括多个机械约束件和对应的多个传感器，且所述接线为多个，其中所述多个机械约束件中的每个用于固着所述多个接线中的一个，所述多个传感器用于感测穿过所述多个接线的电流并且生成指示穿过所述多个接线的所述电流的多个输出。

4.根据权利要求3所述的接线管理器，其中所述多个传感器还包括：用于感测在所述多个接线处的电势的电压感测元件。

5.根据权利要求3所述的接线管理器，其中所述本体适合于包含于建筑功率分布面板或者管路内，并且其中所述多个接线是所述建筑的多个支路电路。

6.根据权利要求5所述的接线管理器，还包括：集成于所述本体内的处理电路，所述处理电路用于计算所述多个支路电路的功率消耗并用于提供接口，其中该接口用于向外部系统传达所述计算的结果，所述计算是根据指示穿过所述多个接线的所述电流的所述多个输出进行的。

7.根据权利要求6所述的接线管理器，其中所述接口是包含于所述接线管理器的所述本体内的无线接口。

8.根据权利要求6所述的接线管理器，其中所述接口是包含于所述接线管理器的所述本体内并且具有延伸件的有线接口，所述延伸件用于穿透所述功率分布面板或者管路以提供所述有线接口与所述功率分布面板或者管路的其余部分的隔离。

9.根据权利要求3所述的接线管理器，其中所述多个传感器具有用于将所述多个传感器可拆卸地粘附到所述多个接线中的对应接线的单独壳，并且其中所述多个机械约束件是所述多个传感器的所述单独壳。

10.根据权利要求9所述的接线管理器，其中所述多个传感器的所述单独壳形成用于固着所述多个接线中的所述对应接线的单独蛤壳，并且其中所述蛤壳包含对应铁素体圆柱体的部分，每个铁素体圆柱体限定沿着其中心轴的中心空穴，并且其中所述电流感测元件检测所述对应铁素体圆柱体中的由穿过所述多个接线中的对应接线的所述电流引起的磁通。

11.根据权利要求1所述的接线管理器，其中所述接线管理器包括：用于让至少一个接线穿过的仅一个机械约束件和用于感测穿过所述至少一个接线的净电流的单个传感器。

12.根据权利要求11所述的接线管理器，其中所述本体是用于粘附到所述结构的塑料体，并且其中所述接线管理器还包括用于在所述至少一个接线周围卷绕的一个或者多个可移动接线固着延伸件。

13.一种提供负载的能量使用测量的方法，所述方法包括：

利用固着向所述负载递送能量的接线的接线管理设备来控制所述接线的位置，其中该控制包括让所述接线穿过接线管理设备的机械约束件，并且使得在所述机械约束件闭合在所述接线周围时，所述接线通过与所述机械约束件接触而被固着，从而使得所述机械约束件在固定位置固着所述接线；

利用集成于所述接线管理设备的本体内的电流传感器来测量穿过所述接线的电流；以及

从所述测量的结果确定所述负载的能量使用。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：使用集成于所述接线管理设备中的电压感测元件来感测在所述接线的电势，并且其中所述确定还按照与所述电势的所述感测的结果确定所述能量使用。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述控制控制多个接线的位置，其中所述测量是测量穿过所述多个接线的对应电流，并且其中所述确定确定所述多个接线供应的多个负载的能量使用。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：使用集成于所述接线管理设备中的一个或者多个电压感测元件来感测在所述多个接线中的一个或者多个接线处的电势，并且其中所述确定还按照与所述电势的所述感测的结果确定所述多个负载的所述能量使用。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括：在建筑功率分布面板或者管路中安装所述接线管理设备，其中所述多个接线是所述建筑的多个支路电路，并且其中所述测量是测量由所述多个支路电路供应的所述多个负载的所述能量使用。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：从与所述接线管理设备集成的接口向外部系统发送所述确定的结果。

19.根据权利要求15所述的方法，其中所述电流传感器具有用于将所述电流传感器可拆卸地粘附到所述多个接线中的对应接线的单独壳，并且其中所述多个接线的所述位置的所述控制由所述多个传感器的所述单独壳执行。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述控制包括：通过在所述多个接线周围闭合蛤壳来在所述多个接线中的所述对应接线周围固着所述单独壳，其中所述蛤壳提供所述单独壳并且包含形成所述电流传感器的部分的铁素体圆柱体部分。

21.根据权利要求1所述的接线管理器，用于集成于建筑功率分布系统的面板或者管路中，所述本体包含用于控制与所述功率分布系统的多个支路电路对应的多个接线的位置的通道，

所述接线管理器包括：

电流传感器，用于测量所述多个接线中的对应接线中的电流，其中所述电流传感器集成于所述通道中；以及

接口，电连接到所述电流传感器用于将所述电流传感器耦合到外部系统，所述外部系统从所述接口接收指示所述建筑功率分布系统内的能量使用的信息。

22.根据权利要求21所述的接线管理器，还包括：集成于壳内用于感测所述多个接线的电势的电压传感器，并且其中所述接口耦合到所述电压传感器用于提供指示能量使用的所述信息。

23.根据权利要求22所述的接线管理器，其中所述电流传感器和电压传感器具有单独壳，所述单独壳用于将多个传感器可拆卸地粘附到所述多个接线中的所述对应接线，并且所述单独壳机械地耦合到所述接线管理器本体，其中所述多个传感器的所述单独壳形成用于固着所述多个接线中的所述对应接线的单独蛤壳，其中所述蛤壳包含对应铁素体圆柱体的部分，所述铁素体圆柱体形成所述电流传感器的部分，并且其中所述蛤壳还包含用于电容耦合到所述接线以感测其所述电势的电板或者接线。

24.一种测量建筑功率分布系统中的能量使用的方法，所述方法包括：

通过将多个接线引导穿过具有多个对应通道的接线管理本体来控制与所述功率分布系统的多个支路电路对应的多个接线的位置，其中所述控制包括让所述接线穿过接线管理本体的机械约束件，并且使得在所述机械约束件闭合在所述接线周围时，所述接线通过与所述机械约束件接触而被固着，从而使得所述机械约束件在固定位置固着所述接线；

测量所述多个接线中的对应接线中的电流，其中所述电流传感器集成于所述通道中；并且

向外部系统传达所述测量的结果，所述结果指示所述建筑功率分布系统内的能量使用。

25.根据权利要求24所述的方法，还包括：使用集成于所述通道中的电压感测元件来感测在所述多个接线中的每个接线的电势，并且其中所述传达还包括按照所述感测的结果确定的所述测量的结果。