CN105594095A - 电气系统的远程转换和保护装置 - Google Patents

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Abstract

一种在至少一个直流电源供电系统中的远程控制的电子通用转换器，用于确保切换功能以及控制供电电流和供电电压的功能，包括电子模块，具有：-控制器或处理器(4)，一方面连接至转换电路(2)和测量电路(1)，控制器(4)和测量电路(1)之间的连接为双向的，控制器(4)被配置以当其接收到测量电路(1)的电压和电流测量结果时，分别适于核实输入电压是否在预定区间内并且在一定持续期间根据所述电流测量结果的数值通过转换电路(2)而控制电流断路，另一方面连接至通信接口(3)，在连接至通信总线(8)的通信接口(3)和控制器(4)之间的连接是双向的，以便于使得控制器(4)能够被远程编程；-寻址总线(5)，控制器(4)也连接至寻址总线(5)上，使得能够在多个供电系统中选择与通用转换器相连的特别供电系统。

Description

电气系统的远程转换和保护装置
技术领域
本发明涉及装甲车内电源功率的控制系统的技术领域。
但是，根据本发明的系统适用于在应当保护电气和/或电子系统或电缆的任意处的任意直流(DC)电源系统或使用这种类型电源的工业电气应用中。
背景技术
已知的是，对装甲车的回转炮塔中的电气和电子系统进行保护的需求日益增大。事实上，在这种类型的系统中，在数微秒期间形成电流，而诸如保险丝、自动断路器和/或机电式继电器的保护装置仅适用于毫秒数量级的反应时间。
目前，采用功率分配。在该范围内，最先进的系统已知例如是热磁式断路器或其与保险丝的组合，反应较慢，因为其根据要求的反应时间而引起电流的可变响应。
热磁式断路器所表现的启动时间/过载电流的曲线是部件的固有特性，并且不可编程。因此，必须确定随着时间推移的平均电流的可允许最大值，仅在实际电流超过该最大值时，使得系统处于保护中。由于应当考虑到故障峰值，该值通常应当足够高(例如几十安培)。随之而来，应当增大电缆的尺寸(电缆越耐用，直径越大)，这使得重量及其硬度更大，而因此不利于安装在例如装甲车辆的回转炮塔中。
用于避免电流可随时间改变的方案是放弃使用机电式断路器的保护系统，而采用不带机械式断路器的电子保护。
现有技术中已知一些电子断路器，但是这些电子断路器并不测量流过其中的电流。
文献US2013/113451公开了一种功率转换电路，其包括电压估算电路、电流估算电路以及脉冲宽度调制电路。电压估算电路被配置以接收功率转换电路的电感的输入电压，并且基于所述电压生成对功率转换电路的输出电压的估计值。电流估计电路被配置以接收对应于与电感串联的转换器的电流，并且基于所述电流生成对功率转换电路的输出电流的估计。脉冲宽度调制被配置以基于输出电压的估计和输出电流的估计而产生脉冲宽度调制信号。
文献WO2008/057386公开了一种远程管理和监控功率的系统，用于控制由电源供电的电气装置。该系统可以包括断路器箱，其结构被设计用于通过中心数据总线和中心功率总线而控制和管理供给电气装置的功率。断路器箱可以包括用于监视和管理电气装置的供电的至少一个远程启动的固态电子电路断路开关(CCE)，以及连接至CCE且能够远程使得CCE变形的转换器。该系统还可以包括显示器和控制器，能够远程监视并且通过远程启动CCE而控制电气装置。
文献US2006/0049694公开了一种控制供电系统中负载的系统，其中配置一个或多个负载控制装置以控制提供至电器设备的功率。远程网络管理的管理处，诸如电力公司、政府机构或者电力传输企业，发送一个或多个命令到数个负载控制装置，以调节供电系统上的负载。
在一个实施方式中，所述管理处发送停止命令。在一个实施方式中，该管理处发送命令，使得供电装置以低功率模式运作。
在一个实施方式中，命令是时间受限的，因此能够允许供电系统在确定的时间段之后恢复正常运行。
在一个实施方式中，命令包括引起控制装置发出功能特征信号(例如，收益、运行时间等)的请求，通过返回到所述管理处。
该应用涉及一种通过电力网向住宅或工业领域内的功率应用提供交流电，并且使用了机电式断路装置。
文献US2009/0225483公开了一种防止电路过载的电气断路装置。用于远程启动可编程电路断路器的第一装置接收具有可编程电流阈值的外部命令，检测电路中的电流水平，并且能够根据与存储的可编程电流阈值相关联的电流第一持续时间相关地检测到的电流水平而引起电气电路的断路。设置启动电路断路器的第二装置，若在电气电路中的电流在大于电流的第二持续时间的持续时间期间超过预定的标称电流，则应根据电流的第二持续时间而在电气电路中引起断路，其中第二持续时间与第一持续时间不同，例如更短。该技术还旨在用于电力分配网上，实现多级启动，但是由于使用热磁式断路器电路，反应较慢。
发明内容
本发明旨在提供一种方案，使得能够克服机电式断路器和/或保险丝的保护系统的不足。
本发明还旨在使用一种保护系统，使得能够根据时间而改变对电流的保护，用于调节保护更接近转换器的实际消耗。
本发明还旨在在过载或短路情况下提高电流断路的速度和准确度。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种在至少一个直流电源供电系统中的远程控制的电子通用转换器，用于确保切换功能以及控制供电电流和供电电压的功能，其包括电子模块，具有：
-功率输入；
-功率输出；
-电子的转换电路或电路断路器，连接至功率输入；
-测量电路，配置有非接触式电流传感器和电压传感器，所述测量电路串联在转换电路和功率输出之间；
-通信接口，连接至双向通信总线；
-控制器或处理器，一方面连接至转换电路和测量电路，控制器和测量电路之间的连接为双向的，控制器被配置以当其接收到测量电路的电压和电流测量结果时，分别适于核实输入电压是否在预定区间内并且在一定持续期间根据所述电流测量数值通过转换电路而控制电流断路，另一方面连接至通信接口，在连接至通信总线的通信接口和控制器之间的连接是双向的，以便于使得控制器能够被远程编程；
-寻址总线，控制器也连接至寻址总线上，使得能够在多个供电系统中选择与通用转换器相连的特别供电系统。
根据本发明的优选实施方式，前述通用转换器还包括下列特征的一个或多个适当组合：
-控制器包含特定微代码，适于管理可编程/可配置以及在预先确定的数值范围内动态可调节/可校准的运行参数，即在运行之前和运行期间；
-在预先确定的数值范围内可编程/可配置和可调节/可校准的参数分别包括多个过载电流的阈值、对应于这些不同阈值的多个断路持续时间、以及转换器的输出电压范围和电流传感器的精确度；
-电流测量电路还包括与控制器协作的装置，用于测试和自动校准非接触式电流传感器；
-用于测试和自动校准非接触式电流传感器的所述与控制器协作的装置，适于应用于每次供电系统加电时；
-测量电路包括与电流传感器并联的至少两个比较器，分别与作为相应比较器的参考输入的过载电流阈值(I1、I2、IOV、……)相关联，而比较器的输出由控制器使用以在所述电流测量数值大于至少一个所述阈值时在一定持续期间控制由转换器形成的电流断路；
-通信总线是多路复用总线，优选是CAN型，其速度高达10Mbits/s；
-电子转换电路或电子断路器是晶体管型的。
本发明的第二方面涉及使用上文所述的通用转换器的应用，用于保护直流电气应用和/或防止电缆系统过载或过电流。
附图说明
图1示出了根据本发明的电气系统的转换和保护装置的原理图。
图2示出了本发明的功能实例，其中在保护系统中的已编程过载电流阈值不同。
具体实施方式
根据本发明的保护装置应当具有如下特征：
-使用电子晶体管，即静态部件，无需运动以通过电流；
-使用通过通信“总线”进行控制；
-使用非接触式(非接触)电流测量，以避免或最小化能量损耗
-使用自动校准系统，这是因为电流测量是非接触式的：每次启动，系统自校准；
-使用可编程功能参数。
根据本发明的优选实施方式，所推荐的系统基于处理器(逻辑控制器)，其分别与如下相连：
-用于测量电流的传感器；
-晶体管断路器系统，用于允许电流通过或停止；
-高速双向通信信道，用于通信运行参数，例如CAN型的多路复用串行总线(用于控制器区域网络)，实际可达10Mbits/s；
-选择装置，用于能够对同一总线上的多个供电模块寻址。
图1示意性地示出了根据本发明的电气转换和保护系统的一个实施方式。
“传感器”电路(传感器1)同时包括非接触式测量电流的模拟传感器，例如霍尔效应型，以及校准和测试传感器运行所需的元件。其向控制器(控制器4)返回采集得的信息，由控制器确定应当切断电流的时刻以及多长持续时间，并且向转换器或断路器装置(开关2)发送相应的命令。有利的是，实施非接触式电流测量，以最小化系统内的能量损耗。传感器电路1还包括电压传感器(未示出)。
使用CAN型总线8的系统尤为有利，则是因为其不用作为外部计算器而具有较快的速度。
转换器2切断电流或允许其流过。
寻址5示出了能够由在启动时提供的指令而区分不同供电模块的入口。本发明的装置还允许模块化应用。与热磁式断路器的现有技术或者其中应当选择特定断路器以保护每个功率装置、诸如烤炉、泵、发动机等(例如参见US2006/0049694)的通常非晶体管方式相反，可以使用和编程相同的保护装置，以适于每种特定的供电系统。
控制器(控制器4)包括特定微代码，其管理运行参数。
下文参考图2给出使用根据本发明的保护装置的实例。在该图中，限定了系统中允许的过载电流的多个最大值。I1是可允许的最大故障电流(直接故障)，I2是相对于标称电流可允许的平均故障电流，而IOV是暂时可允许的最大过载电流。最大值的过载电流I1的断路持续时间是t1，tx和ty是允许的临时过载电流的持续时间的实例，而tOV是临时过载电流IOV的可允许最大持续时间(tx、ty、……＜tOV)。保护区域(I，t)由虚点所示。本发明的保护装置的参数可以设置有I1(例如120A)、I2(例如15A)、IOV、t1、tOV的数值。因而，根据本发明的装置能够通过紧密关注转换器的实际消耗而确保保护。相反，在现有技术中，如上所讨论的，这样精细的调整是不可能的。
该系统考虑多层次的过载电流阈值，如上的实例所述，可以始终根据本发明以如下方式实现。电流传感器提供的模拟信号输入至并联的至少两个比较器中(未示出)，每个比较器具有上文提及的过载电流数值中之一(I1、I2、IOV)作为参考值。比较器的输出连接至控制器4，其包括一系列指令，以在超过阈值中之一时实施(I1、I2、IOV、……)。
此外，所采用的电流传感器是模拟型的，并且其精确度随着时间或随着温度而改变。自此，电路传感器1包括附加线圈(未示出)，其允许向控制器输入测试信号，其将由电流传感器检测得，并且将能够核实每次启动系统时传感器是否运行良好或者确定传感器的精度(校准)。
本发明具有下列优点：
-其涉及参数可编程且可调解的电路断路器，使得能够最大程度的减少风险，并且为电气/电子系统、尤其是电缆提供最好的保护；
-其涉及的静态系统不发生移动、振动，这提供了在任意环境中工作的能力；
-参数为动态可编程/可配置和可调节/可校准的，即不仅在使用之前，而且在使用期间(一个模型用于整个范围)；
-在电流范围方面，电路元件相对于使用具有灵活性；
-执行速度远大于(数字采样在微秒的数量级)热磁式系统(反应在毫秒数量级)，其与电流水平的调节相结合，使得能够最大程度的减少电缆的直径或横截面以及连接器的尺寸；
-耐用性和测量精确性与传统的部件相比大大可靠。
缺点是与保险丝和分离的断路器相比，消耗更大(但是数值极小)。
附图标记
1传感器
2开关
3通信
4控制器
5寻址
6功率IN
7功率OUT
8多路复用串行总线(CAN总线)

Claims (9)

1.一种在至少一个直流电源供电系统中的远程控制的电子通用转换器，用于确保切换功能以及控制供电电流和供电电压的功能，包括电子模块，具有：
-功率输入(6)；
-功率输出(7)；
-电子的转换电路或电路断路器(2)，连接至功率输入(6)；
-测量电路(1)，配置有非接触式电流传感器和电压传感器，所述测量电路串联在转换电路(2)和功率输出(7)之间；
-通信接口(3)，连接至双向通信总线(8)；
-控制器或处理器(4)，一方面连接至转换电路(2)和测量电路(1)，控制器(4)和测量电路(1)之间的连接为双向的，控制器(4)被配置以当其接收到测量电路(1)的电压和电流测量结果时，分别适于核实输入电压是否在预定区间内并且在一定持续期间根据所述电流测量结果的数值通过转换电路(2)而控制电流断路，另一方面连接至通信接口(3)，在连接至通信总线(8)的通信接口(3)和控制器(4)之间的连接是双向的，以便于使得控制器(4)能够被远程编程；
-寻址总线(5)，控制器(4)也连接至寻址总线(5)上，使得能够在多个供电系统中选择与通用转换器相连的特别供电系统。
2.根据权利要求1所述的通用转换器，其特征在于控制器(4)包含特定微代码，适于管理可编程/可配置以及在预先确定的数值范围内动态可调节/可校准的运行参数，即在运行之前和运行期间。
3.根据权利要求2所述的通用转换器，其特征在于在预先确定的数值范围内可编程/可配置和可调节/可校准的参数分别包括多个过载电流的阈值、对应于这些不同阈值的多个断路持续时间、以及转换器的输出电压范围和电流传感器的精确度。
4.根据权利要求1所述的通用转换器，其特征在于电流测量电路(1)还包括与控制器(4)协作的装置，用于测试和自动校准非接触式电流传感器。
5.根据权利要求4所述的通用转换器，其特征在于用于测试和自动校准非接触式电流传感器的所述与控制器(4)协作的装置，适于应用于每次供电系统加电时。
6.根据权利要求1所述的通用转换器，其特征在于测量电路(1)包括与电流传感器(1)并联的至少两个比较器，分别与作为相应比较器的参考输入的过载电流阈值(I1、I2、IOV、......)相关联，而比较器的输出由控制器(4)使用以在所述电流测量数值大于至少一个所述阈值时在一定持续期间由转换器(2)控制电流断路。
7.根据权利要求1所述的通用转换器，其特征在于通信总线(8)是多路复用串行总线，优选是CAN型的，其速度高达10Mbits/s。
8.根据权利要求1所述的通用转换器，其特征在于电子转换电路或电子断路器是晶体管型的。
9.根据前述任意一项权利要求所述的通用转换器的应用，用于保护直流电气应用和/或防止电缆系统过载或过电流。
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