CN104237618A - 使用用于ac/dc敏感型剩余电流测量的数字方法的集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于剩余电流(ΔI)的电隔离AC/DC敏感型测量的方法和设备，包括振荡器电路，该振荡器电路具有对磁场敏感的、在振荡过程中在至少两个状态之间切换的部件，由于剩余电流(ΔI)而在对磁场敏感的部件的作用范围中形成磁场，并且振荡器电路生成在状态1与状态2之间切换的振荡器信号。根据剩余电流驱动磁场来确定振荡器信号在状态1和状态2下出现的停留时间，并从所述停留时间之比来获得与剩余电流成比例的输出信号。

Description

使用用于AC/DC敏感型剩余电流测量的数字方法的集成电路
技术领域
本发明涉及用于剩余电流的电隔离AC/DC敏感型测量的方法和设备，包括振荡器电路，所述振荡器电路具有对磁场敏感的、在振荡过程中在至少两个状态之间切换的部件，由于剩余电流而在对磁场敏感的部件的作用范围中形成磁场，并且振荡器电路生成在状态1与状态2之间切换的振荡器信号。
背景技术
存在用于监视电气系统的公知测量方法和测量设备，例如剩余电流测量设备(RCM)或剩余电流保护设备(RCD)。这些公知的方法和设备主要是基于电隔离剩余电流测量的原理，在该电隔离剩余电流测量中，待监视的电力线路的所有有源导体被引导作为通过如下测量电流互感器的一次绕组：该测量电流互感器具有由铁磁材料制成的电流互感器芯并且具有至少一个二次绕组。在电气系统的无故障操作中，在线路的所有有电导体上的电流的矢量和为零，因此在所述线路周围不存在磁场。如果在电气系统中由于绝缘故障而出现故障电流，例如流经在线路外部的主体或者流至地的故障电流，则结果产生剩余电流。所述剩余电流的可变磁场在二次侧感生出如下电流：该电流可以被评估并且可以触发报告(RCM)或激活使故障线路断开的切换构件(RCD)。
在最简单的版本中，由于感生原理，该类设备仅能够检测磁通量的时间变化，并因此在实际中仅能够检测纯交变故障电流或交变剩余电流。然而，连接至电气系统的负载，例如具有像整流器或频率转换器中的二极管或晶闸管等的电子半导体部件的电气机器，还可能导致如下剩余电流：该剩余电流不具有纯正弦形而是具有脉冲时间进程，或者形成纯直流(剩余)电流。为了同样能够检测这些类型的剩余电流，开发了用于AC/DC敏感型剩余电流测量的方法。
这些开发包括如下公知的方法和设备：其中测量电流互感器被集成作为推挽振荡器中的振荡生成元件，并且其中直流磁化由在二次侧处施加的振荡器电流补偿。
同样地，如下方法是公知的：在该方法中，将具有非线性磁化曲线的电流互感器芯在被实现为弛张振荡器电路(弛张振荡器)的振荡器电路中用作对磁场敏感的部件。弛张振荡器电路使非线性磁化曲线由于受控的二次侧电流流动而以振荡的方式在正向饱和与负向饱和之间行进，其中在振荡过程中，电流互感器芯在两个容易区分的磁性状态之间切换。可以从二次(振荡器)电流的时间进程取得在时间上调制的振荡器信号，所述振荡器信号在状态1与状态2之间切换，并且其中各信号部分在状态1和状态2下的持续时间(停留时间)根据剩余电流而发生。例如，借助于在评估电路中通过经由模拟低通滤波而求平均的适当解调来确定与剩余电流成比例的直流部分。
证明用于AC/DC敏感型剩余电流测量的公知方法的缺点在于：在振荡器电路的部件和评估电路中不可避免的生成相关容差导致测量误差，并且危害测量的可靠性。特别地，通过模拟低通滤波进行的解调造成对所使用部件的质量具有高要求，这通常仅可以通过成对选择部件来满足，其提高了成本。为了实现精确的测量结果，公知的方法还需要观察用于对磁场敏感的部件的明确指定参数。此外，通过挑选部件来严格地预定义动态范围使得应用的范围常常受到限制。
发明内容
因此，本发明的目的是开发用于剩余电流的电隔离AC/DC敏感型测量的方法和设备，其以较低的设备生产成本提供了具有宽应用范围的可靠测量。
关于结合权利要求1的前序部分的方法在以下方面实现了该目的：根据剩余电流驱动磁场来确定振荡器信号在状态1和状态2下出现的停留时间，并从所述停留时间之比来获得与剩余电流成比例的输出信号。
本发明的构思基于：确定在时间上调制的振荡器信号在状态1和状态2下的相应停留时间，所述停留时间受剩余电流驱动磁场影响；以及从所述停留时间之比来获得与剩余电流成比例的输出信号。
关于这一点，振荡器电路的具体实现对发明的适用性是无关紧要的。重要方面是存在对磁场敏感的、能够在振荡过程中呈现彼此可清楚区分的两种状态的部件。这种对磁场敏感的部件可以作为确定振荡器信号的进程的部件集成在弛张振荡器电路中，使得生成在(电气)状态1与2之间切换的振荡器信号。
通过示例，将在振荡器电路实现为弛张振荡器电路的基础上结合测量电流互感器和两个电感耦合二次绕组来说明该方法的过程。关于这一点，采用可以由与饱和区邻近的分段线性进程近似表示的、电流互感器芯的非线性磁化曲线。在振荡过程中，即在使整个磁化特性曲线行进时，对磁场敏感的部件——此处为电流互感器——呈现两个容易区分的(磁性)状态：一方面为在线性范围内的状态，而另一方面为在饱和范围内的状态。
待监视的线路用作一次绕组，其中由剩余电流的值和类型预定的操作点出现在磁化曲线上。操作点可以在时间上恒定(直流剩余电流)，并且还可以在剩余电流在时间上可变时在磁化曲线上行进。
由于基于电感耦合的二次线圈的正反馈电路，振荡器在饱和点处切换，在两个二次电路中的一个二次电路中的稳步增加电流切换成稳步下降电流，而相应地在另一个二次电路中的稳步下降电流切换成稳步增加电流。因此，经微分的(在时间上求导的)二次电流的变号在电流互感器芯的饱和状态下发生，其中从由剩余电流预定的操作点开始直到达到饱和点为止的电流流动时间根据操作点的位置而不同，并且引起对施加于各个经微分的二次电流的符号函数的时间调制。
因此，在振荡器信号的停留时间内借助于尽可能线性的函数来表示磁化特性曲线的行进，其中与在磁化曲线上的行进距离相对应的停留时间根据操作点而发生。例如，如果由于相对较高的剩余电流而使操作点接近磁化曲线的线性部分上的上饱和点，则与在出现较小剩余电流和较短停留时间的情况相比，在由二次(振荡器)电流引起的振荡的过程中直到达到上饱和点为止在线性部分上行进较短距离。因而，取决于操作点的位置并因而根据剩余电流，在时间上调制的振荡器信号具有在长度上不同的高/低阶段(状态1/状态2)。
因此，不论振荡器电路的具体实现如何，必须使可评估的电信号(振荡器信号)可用于实现后续方法步骤，该信号包括与对磁场敏感的部件在其时间进程中的状态改变有关的信息。
为了恢复所述信息并因而获得与剩余电流成比例的期望输出信号，根据本发明确定了振荡器信号在状态1和状态2下的停留时间并使其相关连。
以此方式，可以独立于振荡器电路的具体实现来提供使得能够进行快速且可靠的剩余电流测量的高度普遍适用方法。
在又一有利的设计中，经由计数脉冲来确定停留时间，该计数脉冲源自于振荡器频率并且该计数脉冲的时钟速率为振荡器频率的许多倍。
借助于源自于振荡器频率的计数脉冲，对在状态1和状态2下的停留时间进行计数并由此确定脉冲/周期比。在很大程度上线性的背景下，所述比在相关剩余电流测量范围内与剩余电流成比例。将计数脉冲耦合至振荡器频率引起测量结果对温度和长期漂移的较少依赖性。振荡器频率的实际上始终存在的漂移不影响测量的准确度。此外，许多倍高的时钟速率引起较高精确度的测量以及提高的测量动态。
有利地，通过集成电路中的数字信号处理的方法在数字水平上生成振荡器信号、确定停留时间以及获得与剩余电流成比例的输出信号。
该方法的这种实现形式允许以相互关连的方式记录在振荡器电路内部和外部出现的物理值(例如，振荡器信号的电流、电压和频率；对磁场敏感的部件的特征值；温度)的依赖关系，并允许在确定可靠测量结果的过程中计入它们。通过积分途径，该方法适用于相应的测量任务，同时减小干扰，能够在大动态范围内实现高准确度的测量。
数字信号处理方法使得能够在增加测量准确度的同时拓宽动态测量范围。这伴随有对严格执行用于外部部件的明确指定参数的较少依赖性；特别地，对磁场敏感的部件可以具有较大的容差范围，并因而有助于降低成本。此外，该数字评估原理可以有效地处理由温度和长期漂移引起的干扰。
如果与剩余电流成比例的输出信号作为模拟信号输出，则是有利的。因而，可以在模拟水平上对测量结果直接进一步处理。
优选地，与剩余电流成比例的输出信号还作为数字信号经由数字接口输出。因而，除了模拟输出信号之外，还提供了与剩余电流成比例的数字输出信号，该数字输出信号根据定义的接口协议经由数字接口传送。
有利地，该方法被设计成使得能够在集成电路中处理模拟和数字信号。该设计允许该方法在不具有昂贵外部部件的电路中的高度集成实现。
有利地，振荡器电路由监视和控制单元控制。监视和控制单元能够核查参数值并且根据需要进行更正。例如，如果弛张振荡器电路被实现成具有测量电流互感器，则可以以此方式来优化用于二次电路的供电单元的参数。
通过监视和控制单元对振荡器电路的控制优选地基于所使用的对磁场敏感的部件的模型。这引起在对磁场敏感的部件的生产过程中的产品质量变化的容差的增加，使得还可以用对磁场敏感的简单部件来实现充分的测量结果。此外，提高了测量的精确度、稳定性和可靠性。
可以借助于诊断单元来测试和监视振荡器电路的功能。该方法被有利地设计成使得其无故障实现由诊断单元连续监视。结合执行功能测试的能力，因而能够获得使该方法可用于安全关键测量任务的有效仪器。
优选地，该方法意在被实现为专用集成电路。
关于用于剩余电流的电隔离AC/DC敏感型测量的设备，结合权利要求11的前序部分通过如下评估电路来实现该目的，该评估电路用于根据剩余电流驱动磁场来确定振荡器信号在状态1和状态2下出现的停留时间，并用于从所述停留时间之比来获得与剩余电流成比例的输出信号。
关于方法所描述的有利技术效果同样适用于实现该方法的设备。
在实现根据发明的方法步骤中，根据本发明的对应设备包括如下评估电路：该评估电路确定在时间上调制的振荡器信号在状态1和状态2下的相应停留时间，并从所述停留时间之比来获得与剩余电流成比例的输出信号。与待确定的剩余电流的值有关的信息在于经调制振荡器信号的高/低阶段的不同长度，即在状态1和状态2下的相应停留时间的差别。评估电路确定所述停留时间并从停留时间之比来获得与剩余电流的值有关的陈述。
在另一有利的实施方式中，用于确定停留时间的评估电路包括用于生成计数脉冲的计数电路，该计数脉冲源自于振荡器频率并且该计数脉冲的时钟速率为振荡器频率的许多倍。
因而，经由快速计数脉冲来确定停留时间。快速计数脉冲被耦合至振荡器频率，有利地使得振荡器频率的漂移不影响测量的准确度。
此外，振荡器电路和评估电路被实现为集成电路中的数字电路。
相比于从现有技术水平公知的作为分立电子部件的实现，功能块在集成电路中的集成及其实现允许剩余电流测量的增加可靠性以及测量设备的低生产成本，原因是不存在对部件的广泛选择并且不需要校准工作。因为集成电路可以被配置成用于各测量任务并产生较准确的测量，所以数字振荡器电路与分立部件的组件相比具有基本上较大的应用范围。数字评估电路基于精确比较器、具有宽动态范围的快速数字计数器、快速分割运算单元和数字平均的组合。
另外，因为考虑到其他依赖关系而将干扰作为整体进行记录、评估和补偿，所以集成电路证明其对外部干扰显著更加不敏感。
此外，数字评估电路具有用于与剩余电流成比例的、被转换成模拟量的输出信号的信号输出。
在数字评估电路中生成并以数字形式存在的、与剩余电流成比例的输出信号被转换成模拟输出信号并输出，以允许在模拟水平上进一步处理测量结果。
除了由数字评估电路提供的D/A转换模拟输出信号之外，还提供了数字接口以用于输出与剩余电流成比例的数字输出信号。
提供测量结果的这种双通道(即模拟和数字)冗余形式在安全关键应用中提供了提高的安全性。
在另一有利的实施方式中，集成电路包括用于处理模拟和数字信号的电路元件。集成电路因而表示高度集成形式的振荡器电路，其能够接收并处理模拟和数字形式的外部信号。外部部件的昂贵组件在很大程度上是不必要的，使得结合对磁场敏感的外部部件来提供用于AC/DC敏感剩余电流测量的普遍适用设备。
在有利的实施方式中，集成电路具有用于控制振荡器电路的监视和控制单元。监视和控制单元监视与预定义值的顺应性，并且根据需要对其进行更正。例如，监视和控制单元用于监视和更正用于对磁场敏感的外部部件的供电单元中的可接受电流和电压值，并且确保维持振荡器频率。
有利地，集成电路包括用于存储所使用的对磁场敏感的部件的模型的存储装置。因而，将分别使用的对磁场敏感的部件的模型进行存储，监视和控制单元可以访问该模型以基于所存储的数据来监视参数并根据需要对其进行更正。因而，例如当将测量电流互感器用作对磁场敏感的部件时，确保了振荡器操作可靠且精确地工作，即使磁芯材料具有高容差也如此。特别地，还可以补偿在对磁场敏感的低质量部件的使用过程中出现的缺点，或者一般可以满足较高的测量要求。
优选地，集成电路包括用于测试和监视振荡器电路的功能的诊断单元。集成诊断单元使测量设备的可靠性提高为超过常规解决方案。结合输出信号的双通道供应，测量设备还特别适合于安全关键应用。
在优选实施方式中，集成电路被实现为专用集成电路。集成电路作为专用集成电路(ASIC)的实现证明其在低生产成本方面特别是在大量生产的情况下是有利的。由于集成电路处理模拟信号和数字信号二者，因此其实现表示“混合信号”ASIC。
根据通过示例示出本发明的优选实施方式的以下描述和附图产生另外的有利设计特征。关于这一点，结合测量电流互感器作为对磁场敏感的部件，振荡器电路被实现为弛张振荡器电路。
附图说明
图1示出了弛张振荡器电路的电路原理图；
图2示出了通过磁化曲线的行程；
图3示意性地示出了源自于图2的磁化曲线的振荡器信号和后续低通滤波；以及
图4示出了作为集成电路的测量设备的功能框图。
具体实施方式
图1示出了包含测量电流互感器4和被实现为弛张振荡器电路6的振荡器电路的测量设备2的电路原理图。待监视的线路的两个有源导体8a、8b被引导通过测量电流互感器4的环形电流互感器芯10。有源导体8a、8b形成在电气系统故障的情况下其上出现剩余电流ΔI的一次绕组。以相反指向缠绕的两个二次绕组12a、12b经由电流互感器芯10彼此电感耦合。二次绕组12a、12b形成包括两个二次电路14a、14b的弛张振荡器电路的电感部件，其中两个二次绕组12a、12b的连接在不同情况下经由共同的限流串联电阻R连接至作为供电单元的公共电压源16。在二次电路14a、14b中的二次电流的振荡是通过包括两个二次电路14a、14b的正反馈电路的控制逻辑18、经由互补工作的开关元件S1、S2来控制的，使得电流互感器芯10的磁化曲线完全根据在二次电路14a、14b流动的且由电压源16驱动的电流而行进。
为了示出弛张振荡器电路6的功能的模式，图2示出了通过磁化曲线的行程。非线性磁化曲线被设计成使得软磁电流互感器芯10可以借助于二次电路14a、14b中之一的增加的电流而进入饱和状态。如图2a所示，通过二次电路中之一的增加的电流，磁化曲线首先沿正饱和状态的方向从由剩余电流ΔI预定义的操作点AP开始行进，其中正反馈使两个二次电路14a、14b中的仅一个二次电路携载在不同情况下流动的电流的主要部分，而对应的另一二次电路几乎被阻断。由于在此状态下由二次电流引起的磁通量彼此抵消，所以操作点AP仅由在一次侧流动的剩余电流ΔI确定。磁化曲线的行进由在二次电路14a、14b中流动的电流引起。当达到正饱和状态时，由于正反馈电路而发生二次电流的受控切换，其中增加的二次电流变为下降的电流而对应的另一二次电路14a、14b中的电流增加，并且磁化曲线再次从正饱和状态沿由剩余电流ΔI预定义的操作点AP的方向(图2b)行进且进入负饱和状态(图2c)。在负饱和状态下，电流再次沿反向(图2d)切换。从增加/下降的二次电流到下降/增加的电流的切换与经微分的二次电流的符号变化相对应，增加/下降的二次电流的持续时间(电流流动时间)取决于操作点AP在磁化曲线上的位置。符号变化的过程与用于开关S1和S2的控制信号序列相对应。开关S1和S2的这些互补信号序列因而为在时间上调制的振荡器信号，其在时间上表示状态的磁性改变。
图3示意性地示出了源自于根据图2的磁化曲线的振荡器信号，该振荡器信号由开关S1、S2的两个信号序列构成并经受后续低通滤波。根据由剩余电流ΔI确定的操作点AP的位置，出现经调制振荡器信号的具有不同长度的高/低阶段，其引起可以在后续低通滤波中确定的、与剩余电流成比例的直流部分。关于这一点，开关S1、S2的信号序列被并行地评估以实现加倍的灵敏度。
在图4中，示出了包含被实现为集成电路20的弛张振荡器电路6的测量设备2的功能框图。集成电路20包括：与图1中的控制逻辑18相对应的、具有用于控制振荡的两个开关元件S1、S2的受控振荡器22；以及与电压源16相对应的、二次电路14a、14b的受控电源24。集成电路20处理在功能框受控振荡器22和受控电源24中的模拟信号以及在以下描述的功能框中的数字信号二者。
在数字评估电路26中，从由开关S1和S2的互补信号序列形成的经调制振荡器信号获得与剩余电流ΔI成比例的信号，接着以数字处理方法对其进行A/D转换。所述与剩余电流ΔI成比例的信号作为被转换成模拟量的输出信号而提供给评估电路26的模拟输出28。数字评估电路26基于精确比较器、具有宽动态范围的快速数字计数器和快速分割运算单元的互连，并实现数字平均。
此外，集成电路20包括监视和控制单元30，该监视和控制单元30在所存储的测量电流互感器模型32的基础上监视受控供电单元24和受控振荡器22的一些参数，并且根据需要做出更正。例如，存储在测量电流互感器模型32中的数据可以描述测量电流互感器4的传递函数或者可以是测量电流互感器4的T型等效电路。
监视和控制单元30具有用于结合接口协议进行通信的数字接口34。与剩余电流成比例的输出信号可以作为数字信号经由所述接口34输出。
包含在集成电路20中的、用于测试和监视弛张振荡器电路6的功能的诊断单元36提高了测量设备2的可靠性，并且还允许其用于安全关键应用。此类应用选项由警告信号输出38支持。

Claims (20)

1.一种用于剩余电流(ΔI)的电隔离AC/DC敏感型测量的方法，包括振荡器电路，所述振荡器电路具有对磁场敏感的、在振荡过程中在至少两个状态之间切换的部件，由于所述剩余电流(ΔI)而在所述对磁场敏感的部件的作用范围中形成磁场，并且所述振荡器电路生成在状态1与状态2之间切换的振荡器信号，
其特征在于，
根据剩余电流驱动磁场来确定所述振荡器信号在所述状态1和所述状态2下出现的停留时间，并且从所述停留时间之比来获得与所述剩余电流成比例的输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
借助于计数脉冲来确定所述停留时间，所述计数脉冲源自于振荡器频率并且所述计数脉冲的时钟速率为所述振荡器频率的许多倍。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
借助于集成电路(20)中的数据信号处理的方法来在数字水平上生成所述振荡器信号、确定所述停留时间以及获得与所述剩余电流成比例的所述输出信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，
将与所述剩余电流成比例的所述输出信号作为模拟信号输出。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，
将与所述剩余电流成比例的所述输出信号另外地作为数字信号经由数字接口(34)输出。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述集成电路(20)处理模拟信号和数字信号。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其特征在于，
由监视和控制单元(30)控制所述振荡器电路。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
由所述监视和控制单元(30)对所述振荡器电路的所述控制基于所使用的对磁场敏感的部件的模型(32)。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的方法，其特征在于，
能够借助于诊断单元(36)来执行对所述振荡器电路的功能的测试和监视。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的方法，其特征在于实现为专用集成电路。
11.一种用于剩余电流(ΔI)的电隔离AC/DC敏感型测量的设备，包括振荡器电路，所述振荡器电路具有对磁场敏感的、在振荡过程中在至少两个状态之间切换的部件，由于剩余电流(ΔI)而在所述对磁场敏感的部件的作用范围中形成磁场，并且所述振荡器电路生成在状态1与状态2之间切换的振荡器信号，
其特征在于，
评估电路，所述评估电路用于根据剩余电流驱动磁场来确定所述振荡器信号在所述状态1和所述状态2下出现的停留时间，并且用于从所述停留时间之比来获得与所述剩余电流成比例的输出信号。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，
对于确定所述停留时间，所述评估电路具有用于生成计数脉冲的计数电路，所述计数脉冲源自于振荡器频率并且所述计数脉冲的时钟速率为所述振荡器频率的许多倍。
13.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，
所述振荡器电路和所述评估电路被配置成集成电路(20)中的数字电路。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的设备，其特征在于用于与所述剩余电流成比例的且被转换为模拟量的输出信号的信号输出(28)。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的设备，其特征在于用于与所述剩余电流成比例的数字输出信号的冗余输出的数字接口(34)。
16.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，
所述集成电路(20)具有用于处理模拟信号和数字信号的电路元件。
17.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，
所述集成电路(20)具有用于控制所述振荡器电路的监视和控制单元(30)。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，
所述集成电路(20)具有用于存储所使用的对磁场敏感的部件的模型(32)的存储装置。
19.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，
所述集成电路(20)具有用于测试和监视所述振荡器电路的功能的诊断单元(36)。
20.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，
所述集成电路(20)被实现为专用集成电路。
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