CN104836222B

CN104836222B - 用作主控制器时断路器内etu中功率管理的方法和设备

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Publication number: CN104836222B
Application number: CN201410044979.2A
Authority: CN
Inventors: C.B.威廉斯; T.R.杰克逊; R.波尔蒂洛
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2019-07-05
Anticipated expiration: 2034-02-07
Also published as: CN104836222A

Abstract

本发明提供配置成用作主控制器的ETU(102)。ETU(102)包括至少一个电流传感器输入(126)、功率分配器(106)(其耦合到至少一个电流传感器输入(126))、存储器(117)、处理器(115)(其耦合到存储器(117)并且耦合到功率分配器(106))以及电力总线端口(122)(其耦合到处理器(115))。存储器(117)包括处理器可执行指令，其在由处理器(115)运行时使ETU(102)确定外围装置(124)连接到电力总线端口(122)，确定充分输入功率可用于使ETU(102)经过电力总线端口(122)向外围装置(124)提供输出功率，以及经过电力总线端口(122)向外围装置(124)提供输出功率。

Description

用作主控制器时断路器内ETU中功率管理的方法和设备

技术领域

一般来说，本发明的领域涉及电子脱扣单元(ETU)，以及更具体来说，涉及ETU中的功率管理。

背景技术

电子脱扣单元是一种装置，其保护电路以及连接到该电路的设备。例如，在工业环境中，ETU用于防止对设备和机器(其在许多情况下代表企业的重大投资，并且企业依靠其运作)的损坏。ETU通过监测线路上的电流来执行这个功能，以及如果电流超过某个阈值，则将断开线路中的开关，由此防止更多的电流到达会被过电流损坏的装置。开关可由例如机电致动器来断开和闭合。

给定ETU在保护与其连接的设备中起到的作用，有益的是，经过诊断和维护来确定ETU是否处于正常工作状态。一般来说，ETU外部的至少一个电气设备用于确定ETU的状态，其中包括任何故障是否已经发生。通常，这种设备由技术人员(“用户”)携带，并且要求外部功率源，用户必须对其定位并且从其中吸取功率，以便继续服务于ETU。在许多情况下，外部功率源不是现成可用的。在ETU中简单地包含用于外围装置的电力总线端口会将ETU置于丢失其保护电路的主要功能性的风险。也就是说，ETU通常是自供电装置，其没有可预测输入功率(其通常与断路器负载电流成比例)。相应地，ETU在低输入功率条件下可能无法向外围装置提供输出功率而不使ETU总线衰弱和危害标准ETU保护。

发明内容

在一个方面，提供一种用于使ETU能够用作主控制器的方法。ETU包括电力总线端口、电流传感器输入以及功率分配器(其耦合到电力总线端口和电流传感器输入)。该方法包括确定外围装置连接到电力总线端口，以及确定充分输入功率是ETU可用的，以经过电力总线端口向外围装置提供输出功率。另外，该方法包括经过电力总线端口向外围装置提供输出功率。

在另一方面，提供一种ETU，其配置成用作主控制器。ETU包括至少一个电流传感器输入、功率分配器(其耦合到至少一个电流传感器输入)、存储器、处理器(其耦合到存储器并且耦合到功率分配器)以及电力总线端口(其耦合到处理器)。存储器包括处理器可执行指令，其在由处理器运行时使ETU确定外围装置连接到电力总线端口，确定充分输入功率可用于使ETU经过电力总线端口向外围装置提供输出功率，以及经过电力总线端口向外围装置提供输出功率。

在另一方面，提供一种用于监测和诊断ETU中的差错的系统。该系统包括ETU，其中包括电力总线端口。该系统还包括ETU诊断装置，其连接到电力总线端口。ETU配置成仅在确定充分功率是ETU可用时，才经过电力总线端口向ETU诊断装置提供功率，以便维持ETU和ETU诊断装置的操作。

附图说明

图1是按照本发明的一个示范实施例、用于使ETU能够用作主控制器的系统的框图；

图2是按照本发明的一个示范实施例、用于使ETU能够用作主控制器的方法的流程图；

图3是按照本发明的一个示范实施例、用于确定充分功率是否可用于使ETU能够用作主控制器的方法的流程图。

具体实施方式

图1是按照本发明的一个示范实施例、用于使ETU 102能够用作主控制器的系统100的框图。在本说明书的上下文中，术语“电力总线”表示一种数据通信介质，其把来自一个电子装置、即主控制器的功率提供给另一个电子装置、即外围装置。电力总线的示例包括依照通用串行总线(USB)标准的电力总线以及按照电气和电子工程师协会(IEEE) 1394标准的电力总线。

ETU 102包括信号调节组件104，其耦合到功率分配器106。功率分配器106耦合到电压调制和电流限制组件108。电压调制和电流限制组件108耦合到开关110。开关110耦合到大容量电容器112。在备选实施例中，大容量电容器112位于ETU 102中的其它位置或者根本没有被包含。功率分配器106还耦合到功率测量组件114。功率测量组件114还耦合到微控制器116。微控制器116还耦合到开关110、保护组件118和主检测组件120。耦合到大容量电容器112、保护组件118和主检测组件120的电力总线端口122提供使外围装置与ETU 102耦合的接口。耦合到信号调节组件104的是电流传感器输入126和辅助功率输入128。在一些实施例中，辅助功率输入128还耦合到功率测量组件114。另外，在一些实施例中，功率测量组件114耦合到开关110。

ETU 102经过至少一个电流传感器输入126从至少一个电流变换器或者其它电流传感器来吸取功率。在一些实施例中，辅助功率源耦合到辅助功率输入128，以便提供附加或备选功率源。如上所述，信号调节组件104耦合到电流传感器输入126和辅助功率输入128。信号调节组件104改进从电流传感器输入126和/或辅助功率输入128提供给ETU 102、更具体来说是功率分配器106的功率质量。在一些实施例中，信号调节组件104可结合在功率分配器106中。功率分配器106从电流传感器输入126和/或辅助功率输入128接收经调节的功率，并且向ETU 102提供功率。例如，在一个实施例中，功率分配器106充当ETU 102的内部功率供应，从而使功率基于按需要和按可用性可用于ETU 102的组件，以便使ETU 102能够按照本文所述来起作用。

电压调制和电流限制组件108用于保持来自电流传感器输入126和/或辅助功率输入128的恒定电压和电流电平，以便保护ETU 102的其它组件免受因不规则电压或电流引起的损坏。在一些实施例中，电压调制和电流限制组件108可结合在功率分配器106中。

开关110至少通过电压调制和电流限制组件108以及微控制器116来控制。在一些实施例中，功率测量组件114还耦合到开关110，以便控制开关110的操作。开关110可闭合以将功率从ETU 102提供给外围装置124，或者可断开以防止功率从ETU 102提供给外围装置124。下面更详细论述向外围装置124提供和不提供功率。在按照本发明的实施例中，开关110可以是例如机械的、机电的继电器或半导体、例如晶体管或者可控硅整流器(SCR)。

耦合在开关110与电力总线端口122之间的是大容量电容器112。大容量电容器112在ETU 102的正常操作期间存储能量，以及在用于外围装置124的功率暂时不可用时释放任何所存储能量。相应地，大容量电容器112用于“消除”外围装置124可用的功率的下降(其例如通过开关110在闭合状态与断开状态之间进行交替所引起)。在备选实施例中，大容量电容器112位于ETU 102中的其它位置或者根本没有被包含。

功率测量组件114确定从与电流传感器输入126耦合的一个或多个电流变换器或其它电流传感器可用的功率是否足以允许ETU 102执行关键功能并且向外围装置124提供功率。ETU 102的关键功能包括例如对电路的状态进行计量和监测、记录差错以及激活机电开关以允许或者阻止电流通过ETU 102所监测的电路。在一些实施例中，ETU 102可要求例如5伏特下的25毫安来维持关键功能，以及外围装置124可要求5伏特下的100毫安来工作在低功率模式。外围装置124可要求附加电流来工作在一个或多个附加模式。例如，外围装置124可要求高达500毫安来工作在第二模式(其提供比低功率模式要大的功能性)。

在一些实施例中，功率测量组件114包含在功率分配器106中。功率测量组件116包括例如用于测量来自电流传感器输入126的模拟电路。模拟电路可耦合到模数转换器(ADC)，以便促进与微控制器116的数据通信。功率测量组件116可配置成添加不同相的电流，以便达到来自耦合到ETU 102的一个或多个电流变换器或其它电流传感器的总可用电流。另外，在一些实施例中，诸如添加多相电流以确定总可用电流的逻辑可改为由微控制器116来执行。另外，在一些实施例中，ETU 102可包括多个功率测量组件114，其各耦合到不同电流传感器输入126，和/或对应于电流的不同相并且耦合到微控制器116。

微控制器116包含处理器115，其耦合到存储器117，存储器117包含用于经过电力总线与外围装置124进行通信的处理器可执行指令。电力总线可以是例如USB 1.0、USB 2.0或USB 3.0或者依照IEEE 1394的总线。另外，微控制器116的存储器117包含用于确定是断开还是闭合向外围装置124提供功率的开关110的处理器可执行指令。包含在处理器可执行指令中的是用于确定充分功率是否从功率分配器106可用以允许ETU 102完成上述关键功能的指令。微控制器116的存储器117中存储的是与要求多少功率来保持ETU 102的关键功能有关的信息。例如，ETU 102可要求5伏特下的25毫安电流来执行关键功能。

另外，外围装置124可要求例如5伏特下的100毫安以进行操作。如果可用电压和可用电流(如由功率测量组件114所确定)大于或等于5伏特下的125毫安，则微控制器116可使开关110闭合，由此向外围装置124提供功率。微控制器116还可与外围装置124进行通信，以便确定外围装置124是否能够工作在一个或多个附加模式(其提供附加功能性并且要求更大功率)。如果是的话，并且如果功率测量组件114指示充分功率可用于使ETU 102保持其关键功能并且允许外围装置124以较高功率、例如5伏特下的500毫安工作在附加模式，则微控制器116将与外围装置124进行通信以工作在附加模式，并且将确保充分功率经过电力总线端口122是外围装置124可用的。

在上述示例中，如果5伏特下的可用电流下降到小于525毫安，则微控制器116可与外围装置124进行通信，以便工作在要求较低功率的模式。但是，如果存在不充分电力来支持外围装置124的任何模式，则微控制器116将指示开关110断开，由此防止外围装置124从ETU 102接收任何功率。如上所述，当大容量电容器112释放所存储能量时，大容量电容器112仍然可使外围装置124工作某个时间段。另外，微控制器116可对用于确定开关110应当是断开还是闭合的通/断阈值采用迟滞。也就是说，不是使用一个阈值来确定充分功率是否可用于使外围装置124进行操作，微控制器116而是可使用上阈值和下阈值。如果可用功率下降到小于下阈值，则微控制器使开关110断开。但是，为了令微控制器116使开关110闭合，可用功率必须大于或等于上阈值。相应地，上与下阈值之间的功率级将不会使开关110从其断开或闭合状态发生变化。如上所述采用迟滞能够降低开关110的断开与闭合状态之间的快速变化的可能性。

如上所述，保护组件118和主检测组件120也耦合到微控制器116。在其它实施例中，保护组件118和主检测组件120的任一个或两者作为处理器可执行指令而不是独立硬件被结合到微控制器116中。主检测组件120检测与电力总线端口122连接的外围装置的存在。如果主检测组件120没有检测到与电力总线端口122连接的外围装置124的存在，则开关110将保持断开。

保护组件118确定故障是否存在于电力总线端口122和/或外围装置124中。也就是说，保护组件118确定经过电力总线端口122提供功率是否可能使ETU 102丧失保持关键功能的能力。保护组件118通过闭合开关110，使功率经过电力总线端口122被瞬间脉冲输送给外围装置124。在经过电力总线端口122向外围装置124脉冲输送功率时，保护组件118监测输出电流，以便确定它是否超过预定阈值，从而指示短路或者其它故障存在。如果故障存在，则保护组件118使开关断开，由此防止附加功率在电力总线端口122处是可用的。保护组件118或者微控制器116可提供关于在电力总线端口122和/或外围装置124中检测到故障的指示。例如，发光二极管(LED)可点亮，可听告警可发声，或者差错消息可出现在人机接口上。此外，保护组件118可使ETU 102在尝试经过电力总线端口122再次向外围装置124提供功率之前等待预定时间量。

外围装置124是配置成经过电力总线进行通信和接收功率的任何装置。在示范实施例中，外围装置124配置成与微控制器116进行通信，以便得到ETU 102的一个或多个组件或者由ETU 102所监测的电路的状态，并且向外围装置124的用户报告该状态。在其它实施例中，外围装置124经过电力总线端口122与ETU 102进行接口，并且与另一个装置无线通信。外围装置124可使用无线通信协议进行通信，例如IEEE 802.11协议或者蓝牙(蓝牙是BLUETOOTH SIG, Inc.(Washington，Delaware)的商标)。经过外围装置124与ETU 102的无线通信允许用户在保持安全距离的同时，执行断路器设置和诊断。例如，用户可以能够保持在国家防火协会(NFPA)所定义的吹弧边界（ARC-Blast boundary）外部。这种无线通信功能性还允许诸如平板、膝上型和移动手持装置之类的其它非专用计算机装置在加载有适当软件时，来与外围装置124和/或ETU 102进行通信。

图2是按照本发明的一个示范实施例、用于使ETU 102能够用作主控制器的方法200的流程图。在步骤202，主检测组件120确定外围装置124是否连接到电力总线端口122。如果主检测组件120确定外围装置124没有连接到电力总线端口122，则开关110断开(若它尚未断开)，并且功率在电力总线端口122处不可用。但是，如果主检测组件120而是确定外围装置124连接到电力总线端口122时，ETU 102进入步骤206，以便确定充分功率是否可用于允许ETU 102保持其关键功能性，同时在电力总线端口122提供充分功率使外围装置124进行操作。如果不充分功率是可用的，则ETU 102使开关110断开(若它尚未断开)。在备选实施例中，ETU 102与外围装置124进行通信，以便确定外围装置124是否能够转变成低功率模式。如果是的话，则ETU 102将确定充分功率是否可用于使外围装置124工作在低功率模式。但是，如果充分功率可用于外围装置124以及ETU 102的关键功能，则ETU 102进入步骤208。

在步骤208，ETU 102确定故障是否存在于电力总线端口122或者外围装置124中。例如，ETU 102可向外围装置124脉冲输送功率，并且测量电流。如果电流大于或等于指示短路或其它故障的预定阈值，如本领域已知，则ETU 102将进入步骤210，在这点上，ETU 102将故障识别为对其保持其关键功能的能力是威胁。然后，ETU 102进入步骤204。在步骤204，ETU 102使开关110断开(若它尚未断开)，并且使功率在电力总线端口122不可用。另一方面，如果ETU 102没有检测到电力总线端口122或者外围装置124中的故障，则ETU 102在步骤212着手闭合开关110，由此使功率在电力总线端口122可用于外围装置124。

图3是按照本发明的一个示范实施例、用于确定充分功率是否可用于使ETU 102能够用作主控制器的方法300的流程图。方法300是示范步骤集合，其可在图2的步骤206中执行。在步骤302，ETU 102确定辅助功率输入128是否从辅助功率源接收功率。如果辅助功率输入128从辅助功率源接收功率，则ETU 102确定充分功率是可用的。也就是说，在大多数情况下，ETU在没有辅助功率源的情况下进行操作，而是从一个或多个电流变换器或者其它电流传感器吸取所需功率。相应地，如果辅助功率源实际上连接到辅助功率输入128，则满足用于支持ETU 102和外围装置124的关键功能的所有功率要求。然后，ETU 102进入步骤304，其中ETU 102允许输入功率到达电压调制和电流限制组件108。

如果在步骤302，ETU 102确定辅助功率源没有连接到辅助功率输入128，则ETU102转到步骤306。在步骤306，ETU 102确定功率分配器106是否提供充分电压以维持ETU102的关键功能和外围装置124。例如，如果在功率分配器106可用的电压为至少5伏特，并且ETU 102的关键功能和外围装置124的操作要求5伏特或以下，则ETU 102确定充分电压是可用的，并且进入步骤308。另一方面，如果不充分电压是可用的，则ETU 102进入步骤310，并且断开开关110。

在步骤308，ETU 102确定充分电流是否在功率分配器106可用于维持ETU关键功能和外围装置124。例如，ETU 102可要求25毫安来保持关键功能，以及外围装置124可要求100毫安来工作在低功率模式。相应地，ETU 102确定至少125毫安的阈值量是否从功率分配器106是可用的。在确定充分电流是否可用中，ETU 102可添加不同相的电流，例如第一相的电流“Ipa”、第二相的电流“Ipb”、第三相的电流“Ipc”以及第四相的电流“Ipd”。如果总和至少与阈值同样大、例如125毫安，则ETU 102确定充分电流是可用的。如果充分电流是可用的，则ETU 102进入步骤304，其中电流经过电压调制和电流感测组件108。但是，如果充分电流不是可用的，则ETU 102在步骤310断开开关110。如本领域的技术人员将会理解，假定功率是电压和电流之积，则ETU 102能够从步骤306和308确定充分功率是否可用于除了外围装置124之外还支持ETU关键功能。

应当理解，在上述方法(其中参照ETU 102执行方法的步骤)中，步骤由参照图1所示和所述的ETU 102的组件来执行。此外，并且如上所述，应当理解，图1所示的组件能够如所示是相互独立的，或者包含在其它组件中。例如，微控制器116可执行原本可能由专用硬件来执行的功能。

虽然本文中论述了微控制器116，但是微控制器116也可以是例如一个或多个简化指令集电路(RISC)、一个或多个专用集成电路(ASIC)、一个或多个逻辑电路和/或能够运行本文所述功能的任何其它电路或处理器。此外，本说明书中提到存储器可包括但不限于诸如动态随机存取存储器(DRAM)或静态RAM(SRAM)之类的RAM、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和非易失性RAM(NVRAM)。上述存储器类型只是示范性的，并且因而并不是限制可用于存储计算机程序的存储器的类型。

本书面描述使用示例来公开本发明，其中包括最佳模式，以及还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构要素，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构要素，则它们意在落入权利要求书的范围之内。

附图标记说明

系统 ........................... 100

ETU ............................ 102

信号调节组件 ....................104

功率分配器 ..................... 106

电流限制组件 ....................108

开关 ........................... 110

大容量电容器 ....................112

功率测量组件 ....................114

处理器 ......................... 115

微控制器 ....................... 116

存储器 ......................... 117

保护组件 ....................... 118

主检测组件 ..................... 120

电力总线端口 ................... 122

外围装置 ....................... 124

电流传感器输入 ................. 126

辅助功率输入 ................... 128

方法 ........................... 200

步骤 ........................... 202

步骤 ........................... 204

步骤 ........................... 206

步骤 ........................... 208

步骤 ........................... 210

步骤 ........................... 212

方法 ........................... 300

步骤 ........................... 302

步骤 ........................... 304

步骤 ............................306

步骤 ........................... 308

步骤 ........................... 310。

Claims

1.一种电子脱扣单元，配置成用作主控制器，所述电子脱扣单元包括：

至少一个电流传感器输入；

功率分配器，耦合到所述至少一个电流传感器输入；

存储器；

处理器，耦合到所述存储器和所述功率分配器；

电力总线端口，耦合到所述处理器和所述功率分配器；

所述存储器包括处理器可执行指令，所述指令在由所述处理器运行时使所述电子脱扣单元：

确定外围装置连接到所述电力总线端口；

确定充分输入功率可用于使所述电子脱扣单元经过所述电力总线端口向所述外围装置提供输出功率；以及

经过所述电力总线端口向所述外围装置提供所述输出功率。

2.如权利要求1所述的电子脱扣单元，其中，所述电子脱扣单元还包括通信地耦合到所述功率分配器的辅助功率输入，以及所述存储器还包括处理器可执行指令，所述指令在由所述处理器运行时使所述电子脱扣单元至少通过确定辅助功率从所述辅助功率输入是可用的，来确定充分输入功率是所述电子脱扣单元可用的。

3.如权利要求1所述的电子脱扣单元，其中，所述存储器还包括处理器可执行指令，所述指令在由所述处理器运行时使所述电子脱扣单元至少通过下列步骤来确定充分输入功率是所述电子脱扣单元可用的：

确定从所述功率分配器可用的电压大于或等于第一阈值；以及

确定从所述功率分配器可用的电流大于或等于第二阈值。

4.如权利要求1所述的电子脱扣单元，其中，所述电子脱扣单元还包括大容量电容器，并且所述存储器还包括处理器可执行指令，所述指令在由所述处理器运行时使所述电子脱扣单元至少通过下列步骤、经过所述电力总线端口向所述外围装置提供所述输出功率：

在所述大容量电容器中存储能量；以及

在确定所述大容量电容器包含所存储能量并且不充分输入功率可用于向所述外围装置提供所述输出功率时，将能量从所述大容量电容器释放到所述外围装置。

5.如权利要求1所述的电子脱扣单元，其中，所述存储器还包括处理器可执行指令，所述指令在由所述处理器运行时使所述电子脱扣单元至少通过下列步骤、经过所述电力总线端口向所述外围装置提供所述输出功率：

在确定所述输入功率大于或等于第一阈值时，向所述外围装置提供所述输出功率；以及

在确定所述输入功率小于或等于第二阈值时，防止所述输出功率被传送给所述外围装置，其中所述第一阈值大于所述第二阈值。

6.如权利要求1所述的电子脱扣单元，其中，所述存储器还包括处理器可执行指令，所述指令在由所述处理器运行时使所述电子脱扣单元确定故障是否存在于所述连接的外围装置中。

7.如权利要求6所述的电子脱扣单元，其中，所述存储器还包括处理器可执行指令，所述指令在由所述处理器运行时使所述电子脱扣单元至少通过下列步骤来确定故障是否存在于所述连接的外围装置中：

向所述外围装置脉冲输送功率；

测量至所述外围装置的输出电流；以及

在确定所述输出电流大于或等于第一安全阈值时，确定故障存在于所述连接的外围装置中。

8.一种用于使电子脱扣单元能够用作主控制器的方法，所述电子脱扣单元包括电力总线端口、电流传感器输入以及耦合到所述电力总线端口和所述电流传感器输入的功率分配器，所述方法包括：

确定外围装置连接到所述电力总线端口；

经过所述电力总线端口向所述外围装置提供所述输出功率。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述电子脱扣单元还包括耦合到所述功率分配器的辅助功率输入，以及所述确定充分输入功率可用于所述电子脱扣单元包括确定辅助功率从所述辅助功率输入可用。

10.如权利要求8所述的方法，其中，所述确定充分输入功率可用于所述电子脱扣单元包括下列至少一个：确定从所述功率分配器可用的电压大于或等于第一阈值，以及确定从所述功率分配器可用的电流大于或等于第二阈值。