CN104620455A - 用于智能电子设备的电源和测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电子设备(例如IED)的电源和测量设备，其被配置成为低压(LV)或中压(MV)电路或装置提供管理、控制、保护、通信和/或监控功能。该电源设备包括电流变压器，其被可操作地关联到主电源线。该电源设备的输入部分包括负荷调节级，其被配置以调节所述电流变压器次级绕组处的等效电负载。该电源设备的输出部分提供适于向所述电子设备馈电的电源电压。

Description

用于智能电子设备的电源和测量设备

技术领域

本发明涉及用于低压(LV)或中压(MV)开关设备或装置的所谓的智能电子设备(IED)的技术领域。

更具体地，本发明涉及电子电源和测量设备，用于向IED提供电力并提供对流经电源线的电流的精确测量。

背景技术

众所周知，IED是被配置成对LV或MV开关设备或装置提供管理、控制、保护、通信和/或监控功能的电子设备，该开关设备或装置例如是诸如断路器、隔离开关、接触器等的开关设备。

在本发明的框架中，术语“低压”或“LV”涉及低于1kV交流的电压，而术语“中压”或“MV”涉及低于72kV交流的电压。

如所了解的，IED通常被布置以便由电子电路馈电，其中该电子电路从主电源线获取电力。

通常地，所述电子电路能够提供对流经所述主电源线的电流的测量。

传统上，这种电子电源和测量设备包括被可操作地关联到主交流电源线的主电流变压器，以获取IED工作所需的电力。

由于由主电流变压器的次级绕组提供的电流通常具有显著失真的波形，所以通常布置另一电流变压器(或另一类型的电流传感器)，以测量流经主电源线的交流电流。

目前可获得的电源和测量设备受到显著缺点的影响。

由于存在多个电流变压器，它们通常具有显著的大小和重量，这使得它们在配电板上的安装/集成变得困难。

此外，它们在工业规模的实现相对昂贵。

进一步地，由于由IED提供的等效电负载在后者(IED)的工作期间可以显著地改变，因此主电流变压器的额定负荷可以很容易被超过，导致所述主电流变压器工作在饱和状态。

在这种情况下，主电流变压器不再线性工作，结果是偏离其理想特性，这可能导致谐波的产生以及供电电流的互调制失真(参见图4)。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种用于电子设备(例如IED)的电子电源和测量设备，所述电子设备用于LV或MV开关设备或装置，其能够克服上述缺陷。

在此主要目的的范围内，本发明的另一目标是提供一种电源和测量设备，其能够使其操作适应供电的电子设备提供的等效电负载的可能变化。

在此主要目的的范围内，本发明的另一目标是提供一种电源和测量设备，其能够精确测量沿主电源线循环的电流，用于给IED供电的电力从所述主电源线获得。

本发明的另一目标是提供一种电源和测量设备，其具有相对轻的重量和相对小的尺寸，并且在工业规模的制造相对容易和成本低。

根据后面的权利要求1及相关从属权利要求，上述主要目的和目标，以及其他将从随后的说明书和附图中变得清晰的目标，根据本发明通过电子电源和测量设备来实现。

根据本发明的电源和测量设备包括输入级，其包括负荷调节级，该负荷调节级能够调节存在于电流变压器的次级绕组处的等效电负载(或负荷)，电流变压器被可操作地关联到主电源线，用于获取向IED供电所需的电力。

这种负荷调节级能够维持所述电流变压器在饱和区域外，从而确保所述电流变压器的线性工作。

通过这种方式，即使由所述电流变压器的次级绕组看到的等效电负载存在显著变化时，例如由于IED的工作状况的变化，电流变压器的额定负荷仍不被超过。

优选地，根据本发明，电源和测量设备的输入部分包括整流级，其接收由该次级绕组提供的变压器电流并且提供整流电流。

优选地，所提及的负荷调节级被配置成将整流电压维持在低于给定的参考电压，所述整流电压产生于所述整流级的输出端处，所述参考电压的值可优选地根据需要被改变。

优选地，根据本发明，电源和测量设备的输入部分包括电流测量级，其被配置成提供感测信号，所述感测信号代表由电流变压器的次级绕组提供的变压器电流。

由于电流变压器一直工作在线性区，因此此感测信号以相对高的精度等级提供对流经主电源线的电流的测量。

有利地，所述电流测量级包括一个或多个感测电阻器，其被配置成在所述整流级处感测变压器电流。

根据本发明，电源和测量设备因而能够提供精确的电流测量功能，而不采用额外的电流变压器或其他电流传感器。这在降低整体的尺寸和重量方面提供了相当大的益处。

根据本发明，电源和测量设备易于工业上制造，与现有技术现状的设备相比成本低得多。

附图说明

本发明进一步的特性和优点将从下面参考附图给出的说明显得更清楚，其中附图作为非限制的例子给出，其中：

-图1示意性地示出了根据本发明的电源和测量设备的一个实施例的电路结构；以及

-图2示意性地示出了根据本发明的电源和测量设备的进一步实施例的电路结构；以及

-图3示意性地示出了根据本发明与电源和测量设备的工作有关的一些电量的特性；以及

-图4示意性地示出了与已知类型的电源设备和测量的工作有关的一些电量的特性。

具体实施方式

参考上述附图，本发明关注用于提供电力到电子设备100的电源和测量设备1。

该电子设备100可以是任意电子装置，其被配置成为LV或MV开关设备或装置提供管理、控制、保护、通信和/或监控功能。例如，电子设备100可以是所谓的IED。

该电源和测量设备1包括电流变压器2，其被可操作地关联到交流主电源线10，母线电流I_BUS沿所述交流主电源线10流动。

电流变压器2被有利地布置从而使得电流变压器2的初级绕组由主电源线10的一个或多个导线形成。这可以通过布置后者的导线而被实现，从而使得它们穿过变压器2的磁芯(未示出)。

电流变压器2具有提供交流变压器电流I_T的次级绕组22，当电流变压器2工作在线性状态时，所述交流变压器电流I_T明显地与沿主电源线10流动的交流电流I_BUS基本成比例。

该电源和测量设备1包括输入部分3，其包括第一端T₁，在第一端T₁其电连接到电流变压器2的次级绕组22，以及第二端T₂，在第二端T₂其提供充电电流I₂和充电电压V₂。

优选地，输入部分3包括整流级31，其在第一端T₁与次级绕组22电连接，以便接收变压器电流I_T。

整流级31包括第四端T₄，在第四端T₄提供整流电流I₁。

优选地，整流级31包括二极管桥，其包括二极管D₁，D₂，D₃，D₄，其被恰当地布置以实现变压器电流I_T的全波整流。

由于从电路结构的观点看，次级绕组22基本作为提供变压器电流I_T＝(1/N)I_BUS(其中N为变压比)的电流发生器而工作，因此直流整流电压V₁在T₄端处产生。

整流电压V₁的值基本取决于从T₄端处看到的等效电负载。

原则上，此等效负载主要取决于由电子设备100提供的等效负载，其可根据后者的工作状况而显著地变化。

优选地，输入部分3包括存储电容器37，其与T₂端并联电连接。

存储电容器37由整流电流I₁的至少一部分充电，并被有利地配置成当由电流变压器2获得的电力太低时，例如可能发生在主电源线10故障状况的情形下，提供(在特定时间段)给电子设备100供电所需的电力。

优选地，输入部分3还包括阻断二极管D₅，其放置在相对于存储电容器37的上游(参考电流I₁，I₂的正常循环方向，如引用的附图中所示)，以便阻止当充电电压V₂高于整流电压V₁时反向电流的流动。

有证据证明，当阻断二极管D₅为导通状态时，除去在二极管D₅上的相对小的电压降，充电电压V₂基本等于整流电压V₁。

在图2所示的本发明的实施例中，输入部分3包括升压开关转换器38，其被布置在T₂端处并被电连接在相对于存储电容器37的上游和相对于阻断二极管D₅的下游。

升压开关转换器38被有利地配置成将整流电压V₁升压，从而将存储电容器37充电到相对于整流级31的T₄端处存在的电压更高的电压值。

升压转换器方便地允许为电容器37充电，即使初级电流I_BUS非常低，从而确定产生相对低的充电电压V₂。

充电电压V₂的值可通过改变开关转换器38的合适的控制量(例如开关占空比和频率)而被控制。

为此目的，通过第四命令信号C₄恰当地调节开关转换器38的工作。

电源和测量设备1包括输出部分4，其与输入部分3在后者的T₂端处电连接。

输出部分4在第三端T₃提供电源电压V_CC，其适于给电子设备100馈电。

优选地，输出部分4包括DC/DC开关转换器41，用于将充电电压V₂转换成电源电压V_CC，V_CC的值可通过改变开关转换器41的合适的控制量(例如开关占空比和频率)而被控制。为此目的，通过第三命令信号C₃恰当地调节开关转换器41的工作。

输入部分3和输出部分4通过控制单元6被有利地控制。如所引用的附图中所示，控制单元6优选地被包括在电源和测量设备1中。

替代地，控制单元6可被包括在电子设备100(即，其为IED的控制单元)中或者为另一电子设备，该另一电子设备相对于电源和测量设备1被远距离放置。

控制单元6优选为数字处理设备，例如，微控制器，其包括被恰当布置的计算机化装置(未示出)，该计算机化装置用于产生用于调节电源和测量设备1的工作的第二、第三和第四命令信号C₂，C₃，C₄。

这种计算机化装置可包括可由控制单元6执行的软件程序和/或模块、和/或例程、和/或指令。

根据本发明，输入部分3包括负荷调节级32，其被配置以调节电流变压器2的次级绕组22处的等效电负载(负荷)。

换言之，负荷调节级32能够调节次级绕组22在T₁端处看到的等效电负载。

通过这种方式，不管由电子设备100提供的等效负载的可能变化或电流I_BUS的突然增加，电流变压器2可被一直保持在饱和区域之外。

电流变压器2的额定负荷因此可以一直被遵守，从而确保后者的基本线性的特性。

根据本发明的优选实施例，负荷调节级32被配置成将在T₄端产生的整流电压V₁维持在低于参考电压V_{1_MAX}。

参考电压V_{1_MAX}的值被有利地确定，以确保不超过电流变压器2的额定负荷。

例如，它可根据关系式V_{1_MAX}＝(1/I_{T_MAX})Bu来计算，其中Bu为电流变压器2的额定负荷，且I_{T_MAX}为可由电流变压器2提供的最大电流I_T。

如下面将要说明的，在特定的工作状况下，参考电压V_{1_MAX}的值可被改变以遵从不同的工作标准，例如，降低负荷调节级32中的功率耗散。

优选地，负荷调节级32包括第一开关设备S₁，其可被转换方向以允许/阻断负荷电流I_B1沿电路通路B₁的流动，电路通路B₁被布置成与整流级31的T₄端并联。

开关设备S₁可为BJT/MOSFET晶体管，其具有与T₄端并联电连接的集电极/漏极和发射极/源极端以及被配置成接收第一命令信号C₁的基极/栅极端。

当开关设备S₁处于导通状态时，负荷电流I_B1被允许流过通路B₁。在这种情况下，从电路结构的观点来看，由次级绕组22在T₁端看到的等效电负载降低，导致T₄端的电压V₁相应降低。

当开关设备S₁处于断开状态时，负荷电流I_B1不被允许流动，并且由次级绕组22在T₁端看到的等效电负载基本由放置于T₄端下游的电路，特别是电子设备100，提供的等效负载来确定。

从上面明显的是，由次级绕组22在T₁端看到的等效电负载(负荷)可以通过恰当地操作开关设备S₁变化。

优选地，负荷调节级32包括驱动电路A₁，其将电压V₁与参考电压V_{1_MAX}进行比较。

驱动电路A₁可包括运算放大器电路，运算放大器电路具有电连接于T₄端的第一输入端以及电连接于第五端T₅或第六端T₆的第二输入端，在第五端T₅或第六端T₆处可获得参考电压V_{1_MAX}。

基于执行的电压比较，驱动电路A₁提供第一命令信号C₁，用于调节第一开关设备S₁的工作，特别是用于在导通状态和禁止状态之间转换第一开关设备S₁的方向，反之亦然。

优选地，负荷调节级32包括偏置电路321，其被配置以提供参考电压V_{1_MAX}。

偏置电路321被优选地相对于T₄端并联电连接并有利地包括偏置电阻器R_B，齐纳二极管D₆和T₅，T₆端。

偏置电路321被优选地布置，以便T₅，T₆端可使得参考电压V_{1_MAX}具有不同值。

T₅端被布置以使参考电压V_{1_MAX}能够位于较低电压(例如0V)。

另一方面，T₆端被布置以使参考电压V_{1_MAX}能够具有值V_{1_MAX}＝(1/I_{T_MAX})Bu，其可通过齐纳二极管D₆有利地确定。

优选地，偏置电路321包括第二开关设备S₂，其可被转换方向以改变参考电压V_{1_MAX}的值，这可以通过将驱动电路A₁的第二输入端与T₅，T₆端之一电连接获得。

有利地，开关设备S₂(例如双稳态开关)通过优选地由控制单元6提供的第二命令信号C₂驱动。

优选地，开关设备S₂的方向转换状态基于与第一开关设备S₁相关的功率耗散值P₁来确定。

如果功率耗散值P₁低于阈值P_{1_MAX}，则开关设备S₂工作从而使得驱动电路A₁的第二输入端与T₆端电连接，T₆端提供基本建立在电流变压器2的结构特性基础上的参考电压V_{1_MAX}。

如果功率耗散值P₁超过阈值P_{1_MAX}，开关设备S₂工作从而使得驱动电路A₁的第二输入端与T₅端电连接，T₅端提供基本用于降低开关设备S₁的功率耗散而建立的参考电压V_{1_MAX}。

事实上，注意到在驱动电路A₁的第二输入端与T₅端电连接的情形下开关设备S₁的功率耗散被显著地降低，因为开关设备S₁被插入其中的通路B₁实际上通过由偏置电阻器R_B、开关S₂和T₅端形成的电路通路短路。

优选地，开关设备S₂的功率耗散值P₁由控制单元6基于充电电压V₂的测量值以及变压器电流I_T的测量值确定，充电电压V₂可以通过电压传感器(未示出)被测量。

优选地，输入部分3包括电流测量级33，其被配置成提供感测信号I_MS，其代表在T₁端处由电流变压器2提供的变压器电流I_T。

电流测量级33提供对电流变压器2的次级绕组22处的电流I_T的测量。

由于电流变压器2一直工作在线性区域，因此感测信号I_MS也代表流经主电源线10的电流I_BUS。

电流测量级33不包括另外的用于测量电流I_T的电流变压器，但它有利地包括一个或多个感测电阻器(或相似类型的分流电路)R₁，R₂，其被配置成感测整流级31处的变压器电流I_T。

感测电阻器R₁，R₂被可操作地布置在包括二极管D₁、D₂、D₃、D₄的二极管桥的不同支路上，所述支路相对于整流级31的同一输出端T₄并列。

在所引用的附图1-2所示的实施例中，电阻器R₁、R₂被分别布置在二极管D₁(第一连接点P₁)和D₂(第二连接点P₂)与相同端T₄(有利的是通常与地电压不同的那个)之间。在连接点P₁、P₂，电阻器R₁、R₂分别与输入部分3的不同端T₁电连接。

作为替代，电阻器R₁、R₂可布置在二极管桥的另一侧。特别的，电阻器R₁可电连接在二极管D₃(第一连接点P₁)与专用地端之间，而电阻器R₂可电连接在二极管D₄(第二连接点P₂)与处于地电压的T₄端之间。

电流测量级33优选地包括比较电路A₂，其与电阻器R₁、R₂的连接点P₁、P₂电连接，并被配置成确定在所述连接点P₁，P₂的电压之间的差别，以及提供代表沿二极管桥支路循环的变压器电流I_T的测量信号I_M。

比较电路A₂可包括具有其输入端与连接点P₁，P₂电连接的差分仪表放大器。

电流测量级33优选地包括滤波电路331，包括例如滤波电阻器R_F和滤波电容器C_F，滤波电路331与比较电路A₂电连接。

滤波电路331被配置成对测量信号I_M滤波，以便获得感测信号I_MS。

滤波电路331的滤波动作有利地允许降低当二极管D₁，D₂，D₃，D₄转换方向时产生的噪声。

优选地，将感测信号I_MS发送到控制单元6，控制单元6可有利地使用其来计算与第一开关设备S₁相关的功率耗散值P₁。

当然，感测信号I_MS也可被提供给电子设备100并用于后者的工作。

参考附图3-4，可以理解电源和测量设备1相对于传统类型设备的优点。

图3-4分别涉及采用电源和测量设备1以及传统设备的P_SPICE^TM仿真模型测量的电量。

在图3中，曲线A、B涉及电流I_BUS在不同工作状况下的不同波形。可以理解，波形B的交流电流I_BUS相对于波形A显著增加。

曲线C1、D1涉及当电流I_BUS分别根据波形A、B表现时测量的电压V_MEAS的特性，V_MEAS代表电源和测量设备1中的交流变压器电流I_T。

清晰的是，在电源和测量设备1中测量的电压V_MEAS是如何一直跟随电流I_BUS的变化的。事实上，由于负荷调节级32的存在，不管电流I_BUS的相关变化，电流变压器2一直工作在线性状态。电流变压器2的额定负荷永远不会被超过，并且次级绕组22处的变压器电流I_T不失真。

在图4中，曲线A、B还涉及电流I_BUS在不同工作状况下的不同波形。

曲线C2、D2涉及当电流I_BUS分别根据波形A、B表现时测量的电压V_MEAS的特性，V_MEAS代表传统设备中的交流变压器电流。

清晰的是，测量的电压V_MEAS如何不跟随电流I_BUS的变化。当电流I_BUS显著增加时(曲线B)，电流变压器工作在饱和区域，并且在次级绕组提供的变压器电流显示出相关的失真(曲线D2)。

实际上已经示出根据本发明的电源和测量设备1完全达到了预期的目的和目标。

电源和测量设备1能够补偿由IED提供的等效负载的可能变化的影响或流经主电源线的电流突然变化的影响，从而确保不超过可操作地与主电源线关联的变压器的额定负荷。

电源和测量设备1提供对沿主电源线循环的电流的精确测量，而不采用专用于这种测量功能的额外的电流变压器。

电源和测量设备1相对于现有技术现状的设备的特征是具有显著更轻的重量和更小的尺寸。

电源和测量设备1被证明相对于现有技术现状的设备其在工业规模上以有竞争力的成本非常易于制造。

因此构思的所述电子电源和测量设备易于修改和变化，所有的修改和变化都如落入在由所附权利要求具体限定的发明构思的范围内；前面公开的实施例的任何可能的组合可被实施并应当理解为在本公开的发明构思内；所有的细节可另外采用技术上等效的元件来替代。

Claims (13)

1.一种用于电子设备(100)的电源和测量设备(1)，其被配置成为低压或中压开关设备或装置提供管理、控制、保护、通信和/或监控功能，其特征在于其包括：

-电流变压器(2)，其被可操作地关联到主电源线(10)并且具有提供变压器电流(I_T)的次级绕组(22)；

-输入部分(3)，其包括第一端(T₁)和第二端(T₂)，在第一端处所述输入部分被电连接到所述电流变压器的次级绕组(22)，在第二端处所述输入部分提供充电电流(I₂)和充电电压(V₂)，所述输入部分包括负荷调节级(32)，其被配置成调节所述电流变压器的次级绕组处的等效电负载；

-输出部分(4)，其与所述输入部分(3)在所述第二端(T₂)处电连接，并且其在第三端(T₃)处提供适于向所述电子设备(100)馈电的电源电压(V_CC)。

2.根据权利要求1所述的电源和测量设备，其特征在于所述输入部分(3)包括整流级(31)，其接收所述变压器电流(I_T)并在第四端(T₄)处提供整流电流(I₁)，所述负荷调节级(32)被配置成将在所述第四端(T₄)处产生的整流电压(V₁)维持在低于参考电压(V_{1_MAX})。

3.根据权利要求2的所述电源和测量设备，其特征在于所述负荷调节级(32)包括第一开关设备(S₁)，其能被转换方向以允许/阻断负荷电流(I_B1)沿电路通路(B₁)的流动，所述电路通路(B₁)与所述整流级(31)的第四端(T₄)并联电连接。

4.根据权利要求2和3的所述电源和测量设备，其特征在于所述负荷调节级(32)包括驱动电路(A₁)，其比较所述整流电压(V₁)与所述参考电压(V_{1_MAX})，所述驱动电路被配置成提供用于调节所述第一开关设备(S₁)的工作的第一命令信号(C₁)。

5.根据权利要求2至4中的一个或多个所述的电源和测量设备，其特征在于所述负荷调节级(32)包括被配置成提供所述参考电压(V_{1_MAX})的偏置电路(321)并且包括能被转换方向以改变所述参考电压(V_{1_MAX})的值的第二开关设备(S₂)。

6.根据权利要求3和5所述的电源和测量设备，其特征在于所述第二开关设备(S₂)由第二命令信号(C₂)驱动，所述第二命令信号(C₂)由控制单元(6)基于与所述第一开关设备(S₁)相关的功滤耗散值(P₁)提供。

7.根据前述权利要求中的一个或多个所述的电源和测量设备，其特征在于所述输入部分(3)包括电流测量级(33)，其被配置成提供代表由所述电流变压器(2)在所述第一端(T₁)处提供的变压器电流(I_T)的感测信号(I_MS)，所述电流测量级(33)包括配置成感测所述整流级(31)处的所述变压器电流(I_T)的一个或多个感测电阻器(R₁、R₂)。

8.根据权利要求7所述的电源和测量设备，其特征在于所述电流测量级(33)包括第一和第二感测电阻器(R₁、R₂)，其与所述第一端(T₁)以及与所述整流级(31)的相同第四端(T₄)电连接。

9.根据权利要求8所述的电源和测量设备，其特征在于所述电流测量级(33)包括比较电路(A₂)，其与所述第一和第二感测电阻器(R₁、R₂)与所述第一端(T₁)的连接点(P₁、P₂)电连接，所述比较电路被配置成比较在所述连接点(P₁，P₂)处检测的电压并且提供代表所述变压器电流(I_T)的测量信号(I_M)。

10.根据权利要求9所述的电源和测量设备，其特征在于所述电流测量级(33)包括滤波电路(331)，其与所述比较电路(A₂)电连接，所述滤波电路被配置成对所述测量信号(I_M)滤波，从而获得所述感测信号(I_MS)。

11.根据前述权利要求中的一个或多个所述的电源和测量设备，其特征在于所述输出部分包括DC/DC开关转换器(41)，用于将所述充电电压(V₂)转换成所述电源电压(V_CC)。

12.根据前述权利要求中的一个或多个所述的电源和测量设备，其特征在于所述输入部分(3)包括存储电容器(37)，其与所述第二端(T₂)并联电连接。

13.根据前述权利要求中的一个或多个所述的电源和测量设备，其特征在于所述输入部分(3)包括升压开关转换器(38)，其被配置成将所述整流电压(V₁)升压。