CN104813556B - 具有测量仪器的开关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关装置，该开关装置具有电流互感器(12)、电流放大器(16)及控制器(20)，所述电流互感器(12)用于无电势测量待由开关装置切换的电流(22)，该电流互感器(12)的未整流的测量电流在输入端供给所述电流放大器(16)，该电流放大器(16)的输出电流在输入端供给所述控制器(20)，并且该开关装置配置成将供给的输出电流数字化并进行一次或多次有关功率的测量且输出测量结果。

Description

具有测量仪器的开关装置
技术领域
本发明涉及一种具有测量仪器的开关装置。
背景技术
美国专利文献US 5,940,257公开一种用于测量多相交流电的仪器，利用该仪器应可尽可能精确地测量交流电，从而能够有效测出针对多相交流电的配电系统中的接地故障并由此更准确地触发负荷隔离开关。测量仪器包括电流互感器，该电流互感器将流经配电系统的待监测线路的交流电转换成测量交流电。测量交流电借助整流电路转换成直流电，该直流电由充当差分放大器运行的运算放大器放大并流向控制器以便检测接地故障。
美国专利文献US 4,672,501公开一种开关装置，在该开关装置中连续检测电压值及电流值并由处理器进行监测，以便确定配电系统的电气状态。在发生过流或低压的情况下，通过控制功率开关切断配电系统。当不再处于过流或低压状态时，功率开关的触点通过控制继电器的控制而闭合。此外，还将处理器配置成执行测量运算，该测量运算可根据数字化的不同方向的测量电流进行有关功率的测量。欧洲专利申请EP 1 388 920 A2公开了类似的电路。
发明内容
本发明的目的是，提供一种开关装置，利用该开关装置能够进行单次或多次有关功率的精确测量。
上述目的通过独立权利要求得以达成。本发明的其它设计方案参阅从属权利要求。本发明的基本概念在于，利用电流检测放大器将未整流的测量电流放大并设置控制器用于提供进一步处理。放大的测量电流包含待切换电流的幅值及电相信息，这些信息连同例如待切换电流的补充电压测量的其它信息可由控制器用于进行有关功率的测量。相较于常规方式，通过采用未整流的测量电流，以对测量电流整流的方式持续获得可用于各种有关功率测量的信息。举例而言，可通过在确定时间段内进行测量以及对能量或功率因数(cos phi)的测量来确定由待切换电流传输的功率。
本发明的实施方案涉及一种开关装置，该开关装置具有电流互感器、电流放大器及控制器，电流互感器用于无电势测量待由开关装置切换的电流，电流互感器的未整流的测量电流在输入端供给电流放大器，电流放大器的输出电流在输入端供给控制器，并且开关装置可这样配置：将供给的输出电流数字化并根据数字化的输出电流中所包含的信息以及其它信息进行一次或多次有关功率的测量且输出测量结果。测量结果的输出在此就本发明而言也可理解为由控制器本身对测量结果的处理，例如控制器通过评估或纳入测量结果而更有效地实施由其执行的主要功能。
开关装置可构造用于切换多种不同电相的电流并且每一电相分别包括各自的电流互感器，所述电流互感器带有处于下游的电流放大器，控制器可这样配置：将各电流放大器的输出电流数字化并进行一次或多次有关功率的测量且输出测量结果。
控制器可进一步配置成：对由电流互感器和/或电流放大器产生的测量容差进行校准。
电流放大器可包括差分放大器，在电流互感器的未整流的测量电流所流经的电阻上降低的电压在输入端施加于该差分放大器。
控制器可进一步配置用以利用在数字化的输出电流中所包含的信息进行故障电流的计算。计算得出的故障电流例如可由控制器评估，以便提高开关装置的防护功能。
此外，控制器还可配置用以执行开关装置的防护功能，特别是执行开关装置的防护功能取决于在数字化的输出电流中所包含的信息。控制器可例如设置且配置成主要用于执行开关装置的防护功能，进行有关功率的测量则作为辅助功能。所述测量也可由控制器来评估，以便更有效地执行开关装置的防护功能，例如更迅速地中断故障情况或在超出功率阈值情况下切断触点。
开关装置可以是三极或四极功率开关。
附图说明
本发明的其他优势及实施方案可参阅下面结合附图中所示实施例的相关描述。在说明书、权利要求书、摘要及附图中，采用下列附图标记列表中所用的术语及相关附图标记。
图1表示根据本发明的具有测量仪器的功率开关的实施例。
具体实施方式
在以下描述中，功能相同及功能一致的相同元件设有相同的附图标记。在下文中，绝对值仅供举例说明而并非旨在限定本发明的范围。
在图1中表示用于切换交流电22的功率开关10。在该附图中仅示出对于理解本发明所必须的电路元件。除设定的电路元件之外，仅出于清晰起见，诸如开关元件、开关元件的电磁驱动器及驱动控制器等在功率开关中常用的电路元件在图1中并未示出。
为了向功率开关供电，设置电流互感器12。电流互感器22由待切换的交流电22(一次电流)产生成正比的二次电流。理想地，在电流互感器12运行得当的情况下，一次电流与二次电流之间的相移角度近似于零。
电流互感器12的二次电流输送至桥式整流器14，该桥式整流器由二次电流生成直流电及直流电压Ub，以便向功率开关10的电路元件供电。
在桥式整流器14之前，通过二次电流所流经的测量电阻13产生与二次电流成正比的交流电压，该交流电压施加于集成电路16的运算放大器18的输入端，该集成电路16具有电流放大器，例如Maxim Integrated(160Rio Robles,San Jose,CA95134,USA)生产的ICMAX9920。
在未采用相移元件的情况下，运算放大器18作为差分放大器使用，以便在保留待切换交流电22原始电相信息的同时放大施加的测量电流或相应的测量电压，从而用于进一步处理。
放大的测量电流输送至微控制器20，该微控制器20除用于执行功率开关10的防护功能以外还配置用于进行功率开关10中的测量任务。对此，设置存储在微控制器20的存储器中的固件，该固件将控制器20配置成其在执行防护功能之外还可进行不同的有关功率的测量，必要时，在执行防护功能的过程中应考虑所述测量的结果。
首先，由控制器20的模数转换器将供给微控制器20的放大测量电流数字化。倘若微控制器20采用了附加的电压测量的数据，则可进行不同的有关功率的测量，诸如功率测量、能量测量(在确定的时间段内观测)及功率因数测量(cos phi)。
在图1中所示的功率开关10设置用于切换单相交流电，但理论上可构造用于切换多相交流电，例如三相或四相(所谓的三极或四极功率开关)。为了能够在待切换多相交流电的情况下进行有关功率的测量，对于每一电相可分别设置各自的电流互感器12及各自的电流放大器16，即对于三相或四相，在功率开关中施放三或四个电流互感器及电流放大器。随后，各电流放大器的输出电流输向微控制器20，用于进行有关功率的测量。
有关功率的测量结果能够从微控制器20输出至例如监测单元、通过显示装置表示出来并且/或者用于功率开关10的功能控制(例如在超出或低于预定功率阈值或所测功率偏离预定功率范围的情况下切断交流电相)。如上所述，测量结果也能够用于提高微控制器20在功率开关中所执行的防护功能。此外，微控制器20可配置用于利用在数字化的输出电流中所包含的信息进行进一步计算，尤其是故障电流的计算。算出的故障电流可用于提高由微控制器20在功率开关10中执行的防护功能。
微控制器20可进一步通过相应的固件程序配置用于进行校准，以便减小由电流互感器12和/或电流放大器16产生的测量容差。举例而言，功率开关10可在校准模块中进行测量，在未施加交流电或施加一定交流电22的情况下，基于该测量的结果存储确定的校正值，所述校正值根据电流互感器12和/或电流放大器16的容差校正该测量结果与理想测量结果存在的偏差并且在进行有关功率的测量时在微控制器20正常工作状态下的其它测量中也应将所述校正值考虑在内。
本发明特别适合用于电流检测的开关装置，其功能范围能够扩展至有关功率的测量或能量测量。
附图标记列表
10 功率开关
12 电流互感器
13 测量电阻
14 桥式整流器
16 具有电流放大器的集成电路
18 运算放大器
20 微控制器
22 交流电

Claims (7)

1.一种开关装置，其具有：
电流互感器(12)，用于无电势测量待由所述开关装置切换的电流(22)；
电流放大器(16)，该电流放大器(16)在输入端供有所述电流互感器(12)的未整流的测量电流；
控制器(20)，该控制器(20)在输入端供有所述电流放大器(16)的输出电流，并且该控制器(20)配置成将供给的输出电流数字化并根据在数字化的输出电流中所包含的信息及其它信息进行一次或多次有关功率的测量且输出测量结果，
其特征在于：
所述电流放大器(16)包括差分放大器，该差分放大器在输入端被提供所述电流互感器(12)的未整流的测量电流流经电阻而降低的电压，以便在保留所述待切换电流(22)的原始电相信息的同时放大该电流；并且
所述控制器(20)配置成根据在数字化的输出电流中所包含的待切换电流的幅值及电相信息进行有关功率的测量。
2.根据权利要求1所述的开关装置，其特征在于：
该开关装置被构造用于切换多种不同电相的电流并且每一电相分别包括各自的电流互感器，所述电流互感器带有处于下游的电流放大器，并且所述控制器配置成将各电流放大器的输出电流数字化并进行一次或多次有关功率的测量且输出测量结果。
3.根据权利要求1或2所述的开关装置，其特征在于：
所述控制器进一步配置成对由电流互感器和/或电流放大器产生的测量容差进行校准。
4.根据权利要求1所述的开关装置，其特征在于：
所述控制器(20)进一步配置用以利用在数字化的输出电流中所包含的信息进行故障电流的计算。
5.根据权利要求1所述的开关装置，其特征在于：
所述控制器进一步配置用以执行所述开关装置的防护功能。
6.根据权利要求1所述的开关装置，其特征在于：
该开关装置是三极或四极功率开关。
7.根据权利要求1所述的开关装置，其特征在于：
所述控制器进一步配置用以根据在数字化的输出电流中所包含的信息执行所述开关装置的防护功能。
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