CN105703322A - 具有电力质量事件保护的电装置及其相关方法 - Google Patents

Abstract

一种电装置(100，200，300，300′，400，500，600)，包括：第一端子(102)，其被构造成电连接到电源(1，1′)；第二端子(104)，其被构造成电连接到负载(2)；电压传感器(106)，其电连接到在第一端子和第二端子之间的点，并且被构造成感测在第一和第二端子之间的点处的电压；开关(110)，其在第一端子和第二端子之间电连接；以及控制单元(108)，其被构造成基于所感测的电压来检测在第一端子和第二端子之间流动的电力中的电力质量事件，并且基于所检测的电力质量事件来控制开关的状态。

Description

具有电力质量事件保护的电装置及其相关方法

技术领域

所公开的概念一般涉及电装置，以及更特别地涉及提供免受电力质量事件(powerqualityevent)的保护的电装置。所公开的概念同样涉及提供免受电力质量事件的保护。

背景技术

存在在配电网络和导体上发生的可对负载及相关联的电力转换器造成损坏的各种类型的电力质量事件。该电力质量事件中的一些示例为瞬变、中断、骤降、骤升、波形失真、电压波动以及频率变化。

瞬变是脉冲式过电压事件，而骤升是更长的过电压事件。瞬变和骤升两者可能损坏负载。电涌保护装置通常用于保护防止瞬变。然而，电涌保护装置不能保护防止骤升。事实上，电涌保护装置本身可以由于骤升而损坏。

不间断电源(UPS)或电力调节器可以限制负载的电压量，这提供一定程度的防止骤升的保护。UPS或电力调节器同样可以保护防止中断和骤降。然而，UPS或电力调节器是昂贵的装置，并且因此通常仅用于需要连续电力的关键负载。

存在用于提供免受电力质量事件的保护的电装置的需要。同样存在用于提供免受电力质量事件的保护的方法的需要。

发明内容

通过所公开概念的实施例来满足这些和其它需求，该实施例涉及包括控制单元的电装置，该控制单元被构造成检测电力质量事件并且基于所检测的电力质量事件来打开开关。

根据所公开概念的方面，一种电装置包括：第一端子，其被构造成电连接到电源；第二端子，其被构造成电连接到负载；电压传感器，其电连接到在第一和第二端子之间的点，并且被构造成感测在第一和第二端子之间的点处的电压；开关，其在第一端子和第二端子之间电连接；以及控制单元，其被构造成基于所感测的电压来检测在第一和第二端子之间流动的电力中的电力质量事件，并且基于所检测的电力质量事件来控制开关的状态。

根据所公开概念的其它方面，一种用于提供免受电力质量事件的保护的方法包括：感测在可电连接到电源的第一端子和可电连接到负载的第二端子之间的点处的电压；基于所感测的电压，检测在第一端子和第二端子之间流动的电力中的电力质量事件；以及基于所检测的电力质量事件，打开在第一和第二端子之间电连接的开关。

根据所公开概念的其它方面，一种电装置包括：第一端子，其被构造成电连接到电源；第二端子，其被构造成电连接到负载；电压传感器，其电连接到在第一和第二端子之间的点，并且被构造成感测在第一和第二端子之间的点处的电压；降压变换器，其在第一端子和第二端子之间电连接；以及控制单元，其被构造成基于所感测的电压来检测在第一和第二端子之间流动的电力中的电力质量事件，并且基于所检测的电力质量事件来控制降压变换器的占空比。

附图说明

当结合附图阅读时，可从以下优选实施例的描述中获得所公开概念的充分理解，在附图中：

图1是包括根据所公开概念的示例实施例的电压传感器和控制单元的电装置的示意图；

图2是包括根据所公开概念的示例实施例详细示出的电压传感器的电装置的示意图；

图3和图4是包括根据所公开概念的示例实施例的电容器的电装置的示意图；

图5至图7是包括根据所公开概念的示例实施例的降压变换器的电装置的示意图；

图8是包括根据所公开概念的示例实施例的电压传感器和控制单元的电路中断器的示意图。

具体实施方式

本文中使用的方向短语，诸如例如左，右，前，后，上，下及其衍生词，与附图中所示的元件取向相关并且除非在其中明确陈述外不作为对权利要求的限制。

如本文中所使用的，将两个或更多部件“耦接”到一起的陈述将意为将部件直接连接到一起或通过一个或多个中间部件连接。

如本文中所使用的，术语“数量”将意为一或大于一的整数(即，多个)。

如本文中所使用的，术语“故障状态”将意为产生火灾或人员触电的风险的基于电流的故障。故障状态可以包括但不限于过电流状态、电弧故障状态以及接地故障状态。故障状态不包括瞬变、中断、骤降、骤升、波形失真、电压波动或频率变化。

如本文中所使用的，术语“电力质量事件”将意为在电力线(例如导体)上基于电压的干扰，其可能造成连接到电力线的电装置和电子装置(即负载)的损坏、寿命降低、中断操作或数据损失。电力质量事件包括但不限于瞬变、中断、骤降、骤升、波形失真、电压波动以及频率变化。

如本文中所使用的，术语“瞬变”将意为由但不限于闪电、静电放电，或者电感性或电容性负载的切换引起的电压脉冲。典型的电压脉冲是短持续时间(例如但不限于50ns)的高电压(例如但不限于10kV)。

如本文中所使用的，术语“中断”将意为电力损失。电力损失可能是由于但不限于打开的开关、设施失效或组件失效。在典型的中断中，存在超过一个半周期的零电压。

如本文中所使用的，术语“骤降”将意为电力线的电压降低。骤降可能是由于但不限于负载的启动或故障的存在。典型的骤降是但不限于在超过一个半周期内小于70％的额定电压，或持续欠压(例如但不限于小于90％的额定电压)。

如本文中所使用的，术语“骤升”将意为在电力线的电压中的增加。骤升可能是由于但不限于负载变化或设施故障。典型的骤升是但不限于在超过一半周期内大于120％的额定电压，或持续过电压(例如但不限于大于110％的额定电压)。

如本文中所使用的，术语“波形失真”将意为在基本电力频率(即直流(DC)、50Hz、60Hz等)外部的任何电压容量的存在。波形失真可以包括但不限于，由于非线性电子负载(例如但不限于功率转换器)产生的谐波，由于有故障的整流器产生的DC偏移，以及由于例如功率转换器的切换产生的高频噪声。

如本文中所使用的，术语“电压波动”将意为随时间的推移而变化的电压超出基本电力频率的预期电压周期。电压波动可以由例如负载设备的间歇操作引起。典型的电压波动是但不限于在95％和105％的额定电压之间小于25Hz速率的电压波动。

如本文中所使用的，术语“频率变化”将意为未保持在恒定值处的频率(例如但不限于50Hz或60Hz)。频率变化可能是由于但不限于未被正确支配的待机或备用发电机。

图1是根据所公开概念的示例实施例的电装置100的示意图。电装置100包括被构造成电连接到电源1(例如但不限于AC或DC电源)的第一端子102，以及被构造成电连接到负载2的第二端子104。

电装置100包括电连接到在第一端子102和第二端子104之间的点的电压传感器106。电压传感器106被构造成感测在第一端子102和第二端子104之间的点处的电压。

电装置100同样包括控制单元108。控制单元108被构造成基于由电压传感器106所感测的电压，确定电力质量事件是否在第一端子102和第二端子104之间流动的电力中发生。电力质量事件包括例如瞬变、中断、骤降、骤升、波形失真、电压波动以及频率变化。应该理解的是，控制单元108可以能够在不脱离所公开概念的范围情况下，检测一个电力质量事件、电力质量事件的子集，或所有的电力质量事件。例如但不限于，在所公开概念的一个示例实施例中，控制单元108能够检测瞬变和骤升。在所公开概念的另一个示例实施例中，控制单元108能够检测瞬变、中断、骤降以及骤升。在所公开概念的又一个示例实施例中，控制单元108能够检测瞬变、中断、骤降、骤升、波形失真、电压波动以及频率变化。

控制单元108可包括处理器和存储器。处理器可以是例如但不限于微处理器、微控制器，或与存储器通过接口连接的一些其它合适的处理装置或电路。存储器可以是各种类型的内部和/或外部存储介质中的一个或多个的任何一个，该存储介质诸如但不限于提供存储寄存器的RAM、ROM、EPROM、EEPROM、FLASH等，即机器可读介质，用于诸如以计算机的内部存储区域的方式的存储数据；并且可以是易失性存储器或非易失性存储器。同样设想，可以在不使用处理器或存储器的电路中实施控制单元108。

电装置100进一步包括在第一端子102和第二端子104之间电连接的开关110。当开关110打开时，将第一端子102和第二端子104电断开。当开关110闭合时，将第一端子102和第二端子104电连接。控制单元108被构造成基于所检测的电力质量事件来控制开关110的状态。例如但不限于，控制单元108可被构造成当检测到骤升时打开开关110，并且在骤升完成之后闭合开关110。

开关110可以是任何适当类型的电控开关。在所公开概念的一些示例实施例中，开关110是固态开关(例如但不限于晶体管)。固态开关提供快速的切换时间，其允许开关110在电力质量事件的情况下迅速打开，因此保护负载2免受损坏。

常规电涌保护装置可以提供防止其中电压大于140％的额定电压长达3ms的瞬变的保护。然而，常规电涌保护装置不提供防止大于120％的额定电压超过3ms或大于110％的额定电压超过0.5s的骤升的保护。这些类型的骤升处于可对设备造成损坏的范围中。图1的电装置100可以提供在检测到骤升时通过打开开关110来避免这些类型骤升的低成本保护。虽然在某些情况下由于打开开关110导致的中断可能是不方便的，但是电装置100防止对负载2的损坏。

参考图2，示出根据所公开概念的示例实施例的电装置200。图2的电装置200类似于图1的电装置100。然而，在图2的电装置200中，更详细地示出根据所公开概念的示例实施例的电压传感器106′。

电压传感器106′包括第一电阻器112和第二电阻器114。第一电阻器112具有电连接到在第一端子102和第二端子104之间的点的第一端，以及电连接到第二电阻器114的第一端的第二端。如上所述，第二电阻器114的第一端电连接到第一电阻器112的第二端。第二电阻器114的第二端电连接到中性点。将第一电阻器112的第二端和第二电阻器114的第一端电连接到控制单元108，以使得控制单元108可以接收由电压传感器106′感测的电压。

图3是根据所公开概念的另一个示例实施例的电装置300的示意图。图3的电装置300类似于图1的电装置100。然而，图3的电装置300包括在开关110和第二端子104之间电连接的电容器116，以及直流电源1′。电容器116被构造成在开关110打开之后向负载2提供一段时间的电力。电容器116允许即使开关110由于中断或其它电力质量事件被简单地打开，负载2继续运行。在一个示例实施例中，电容器116能够支持15A的电流20ms。然而，可以设想的是，可以使用任何合适的电容器116。如前所述，由于打开开关110导致的中断可能是不方便的。因此，电容器116的添加可消除不便。

图4是根据所公开概念的另一示例实施例的电装置300′的示意图。图4的电装置300′类似于图3的电装置300。然而，图4的电装置300′进一步包括第二电容器116′和与电容器116、116′相关联的开关117、117′。电容器116、116′以及开关117、117′形成开关电容电路。开关117、117′可以由控制单元108来控制。开关电容电路促进AC应用中电装置300′的使用。在正半周期期间，开关117在升高电压期间闭合并且另一开关117′打开，而在负半周期期间，开关117打开并且另一开关117′在升高电压期间闭合。这允许电容器116、116′充电。当开关110基于电力质量事件打开时，控制单元108然后控制开关117、117′在适当的时间打开和闭合，从而向负载2提供AC电力。因此，图3的电装置300允许即使开关110由于在DC应用中的中断或其它电力质量事件而被简短地打开时负载2继续运行，并且电装置300′允许即使开关110由于AC应用中的中断或其它电力质量事件而被简短地打开时负载2继续运行。

图5是根据所公开概念的另一个示例实施例的电装置400的示意图。图5的电装置400类似于图1的电装置100。然而，图5的电装置400包括在第一端子102和第二端子104之间电连接的降压变换器118。控制单元108被构造成基于所检测的电力质量事件来控制降压变换器118的占空比。例如但不限于，当未检测到电力质量事件时，控制单元108可以以100％的占空比控制降压变换器118。另一方面，当检测到骤升时，控制单元108可以降低降压变换器118的占空比，这降低了降压变换器118的输出电压。可以设想的是，图5的电装置400可以响应于骤升来降低降压变换器118的占空比，而不是打开开关110，从而避免由于骤升导致的电力中断。同样可以设想，在电力质量事件保证切断到负载2的电力的情况下，控制单元108可以降低降压变换器的占空比为0％。进一步设想的是，在所公开概念的一些实施例中，开关110可设置在降压变换器118和第二端子104之间。相对于图6将更详细地描述根据所公开概念的示例实施例的降压变换器118′。

图6是根据所公开概念的示例实施例的电装置500的示意图。图6的电装置500类似于图5的电装置400。然而，图6的电装置500包括根据更详细示出的示例实施例的降压变换器118′。

降压变换器118′包括第一开关120和第二开关121，第一电感器122和第二电感器124，第一二极管126、第二二极管128、第三二极管130和第四二极管132，以及电容器134。第一开关120和第二开关121是固态开关(例如但不限于晶体管)。第一开关120和第二开关121电连接到第一端子102，并且由控制单元108来控制它们的状态。

降压变换器118′包括并联支路。第一支路包括第一开关120、第一电感器122以及第一二极管126和第二二极管128。第二支路包括第二开关121、第二电感器124以及第三二极管130和第四二极管132。电容器134对于支路两者是公用的。

在第一并联支路中，第一二极管126在第一开关120和中性点136之间电连接。第一二极管126用作为回扫器(flyback)，以便当第一开关120关断时保护第一开关120免受极端电压。第一电感器122和电容器134用作为滤波器，以便使降压变换器118′的电流流动和输出电压平滑。当第一开关120关断时，第一电感器122从中性点136吸取电流。当降压变换器118′电连接到AC电源时，在AC周期的正半周期期间，电流从第二二极管128流向降压变换器118′的输出。

在第二并联支路中，第三二极管130在第二开关121和中性点136之间电连接。第三二极管130用作为回扫器，以便当第二开关121关断时保护第二开关121免受极端电压。第二电感器124和电容器134用作为滤波器，以便使降压变换器118′的电流流动和输出电压平滑。当第二开关121关断时，第二电感器124从中性点136吸取电流。当降压变换器118′电连接到AC电源时，在AC周期的负半周期期间，电流从第四二极管132流向降压变换器118′的输出。

降压变换器118′的并联支路允许其当电连接到AC电源时有效地运行。然而，当降压变换器118′电连接到DC电源时，可省略一些组件。特别地，当降压变换器118′电连接到DC电源时，第二开关121、第二电感器124以及第三二极管130和第四二极管132(即第二支路)，以及第二二极管128也可以省略，因为不需要降压变换器118′的第二支路。

图7是根据所公开概念的示例实施例的电装置400′的示意图。图7的电装置400′类似于图5的电装置400。然而，在图7的电装置400′中，省略开关110。控制单元108可以基于电力质量事件来降低降压变换器118的占空比。此外，降低降压变换器118的占空比至0％以切断到负载2的电力。

图8是根据所公开概念的示例实施例的电路中断器600的示意图。电路中断器600包括类似于图1的电装置100的第一端子102和第二端子104、电压传感器106、控制单元108以及开关110。然而，电路中断器进一步包括可分离触点138、操作机构140以及跳闸单元142。

可分离触点138在第一端子102和第二端子104之间电连接，并且可在闭合位置和打开位置之间移动。当可分离触点138和开关110两者闭合时，将第一端子102和第二端子104电连接。当可分离触点138和开关110中任一者打开时，将第一端子102和第二端子104电断开。操作机构140是被构造成跳闸打开可分离触点138的装置。

跳闸单元142被构造成基于来自电流传感器144或其它传感器的输入来检测故障状态。故障状态可以包括但不限于过电流、短路、接地故障或电弧故障。基于故障状态的检测，跳闸单元142控制操作机构140跳闸打开可分离触点138。

跳闸单元142可包括处理器和存储器。处理器可以是例如但不限于微处理器、微控制器，或与存储器进行接口连接的一些其它合适的处理装置或电路。存储器可以是各种类型的内部和/或外部存储介质中的一个或多个的任何一个，该存储介质诸如但不限于提供存储寄存器的RAM、ROM、EPROM、EEPROM、FLASH等，即机器可读介质，用于诸如以计算机的内部存储区域的方式来存储数据；并且可以是易失性存储器或非易失性存储器。同样可以设想，跳闸单元142可以在不使用处理器或存储器的电路中实施。同样可以设想，诸如但不限于热或磁性跳闸机构的其它类型的跳闸机构可以用于对跳闸单元142的代替或补充。

借助于可分离触点138、操作机构140以及跳闸单元142，电路中断器600能够提供免于故障状态的保护。借助于电压传感器106、控制单元108以及开关110，电路中断器600同样能够提供免于电力质量事件的保护。

在所公开概念的一些实施例中，跳闸单元142不是控制操作机构140在检测到故障状态时立即跳闸打开可分离触点138，而是在控制操作机构140跳闸打开可分离触点138之前等待与该类型的故障状态相关联的一段时间。基于电力质量事件的检测，控制单元108可改变在跳闸单元142中与故障状态相关联的一段时间。例如但不限于，控制单元108检测大的频率波动，这可指示电源是诸如发电机的不太可靠的源。作为响应，控制单元108可以降低在跳闸单元142中用于引发跳闸单元142的与故障状态相关联的一段时间。

虽然电路中断器600相对于一相被公开，但可以设想的是，电路中断器600可用于相对于多相，并且可分离触点可与每个相彼此相关联。

可以设想，可以在诸如但不限于断路器、仪表、插座以及电源板的各种类型装置中采用本公开的概念。

在已经详细描述的本公开概念的具体实施例同时，本领域的技术人员将理解鉴于本公开的整体教导将可以对那些细节作出多种修改和替代。因此，所公开的特定设置关于所公开概念的范围仅意为说明性的而不是限制，该所公开概念的范围由所附权利要求及其任意和全部等效的全部范围给出。

参考标记列表

1电源

1′电源

2负载

100电装置

102第一端子

104第二端子

106电压传感器

106′电压传感器

108控制单元

110开关

112第一电阻器

114第二电阻器

116电容器

116′电容器

117开关

117′开关

118降压变换器

118′降压变换器

120第一开关

121第二开关

122第一电感器

124第二电感器

126第一二极管

128第二二极管

130第三二极管

132第四二极管

134电容器

136中性点

138可分离触点

140操作机构

142跳闸单元

144电流传感器

200电装置

300电装置

300′电装置

400电装置

400′电装置

500电装置

600电路中断器

Claims (22)

1.一种电装置(100，200，300，300′，400，500，600)，包括：

第一端子(102)，其被构造成电连接到电源(1，1′)；

第二端子(104)，其被构造成电连接到负载(2)；

电压传感器(106，106′)，其电连接到在所述第一端子和第二端子之间的点，并且被构造成感测在所述第一端子和第二端子之间的所述点处的电压；

开关(110)，其在所述第一端子和所述第二端子之间电连接；以及

控制单元(108)，其被构造成基于所感测的电压来检测在所述第一端子和第二端子之间流动的电力中的电力质量事件，并且基于所检测的电力质量事件来控制所述开关的状态。

2.根据权利要求1所述的电装置(100，200，300，300′，400，500，600)，其中所述控制单元被构造成当检测到所述电力质量事件时控制所述开关打开，并且在所述电力质量事件已经结束之后闭合。

3.根据权利要求1所述的电装置(100，200，300，300′，400，500，600)，其中所述开关是固态开关。

4.根据权利要求1所述的电装置(100，200，300，300′，400，500，600)，进一步包括：

电容器(116，116′)，其在所述开关和所述第二端子之间的点处电连接，

其中所述电容器被构造成当所述开关打开时向所述负载提供一段时间的电力。

5.根据权利要求1中所述的电装置(100，200，300，300′，400，500，600)，其中所述电装置是断路器、仪表、插座以及电源板中的一个。

6.根据权利要求1所述的电装置(600)，进一步包括：

可分离触点(138)，其在所述第一端子和所述第二端子之间电连接，并且可在闭合位置和打开位置之间移动；

操作机构(140)，其被构造成跳闸打开所述可分离触点；以及

跳闸单元(142)，其被构造成基于在所述电源和所述负载之间流动的电力来检测故障状态，并且基于所检测的故障状态来控制所述操作机构跳闸打开所述可分离触点，

其中打开所述可分离触点或所述开关使所述第一端子和第二端子电断开。

7.根据权利要求6所述的电装置(600)，其中所述故障状态是过电流、短路、接地故障以及电弧故障中的一个。

8.根据权利要求6所述的电装置(600)，其中所述跳闸单元被构造成在在控制所述操作机构打开所述可分离触点之前，在检测到所述故障状态之后等待与所检测的故障状态相关联的预定时间；以及其中所述控制单元被构造成基于所检测的电力质量事件来改变与所检测的故障状态相关联的所述预定时间。

9.根据权利要求1所述的电装置(400，500)，进一步包括：

降压变换器(118，118′)，其在所述第一端子和所述第二端子之间电连接，

其中所述控制单元被构造成基于所检测的电力质量事件来控制所述降压变换器的占空比。

10.根据权利要求9所述的电装置(500)，其中所述电源是交流电源(1)；以及其中所述降压变换器包括在所述电源的正半周期期间可操作的第一支路(120，122，126，128)，以及在所述电源的负半周期期间可操作的第二支路(121，124，130，132)。

11.根据权利要求1所述的电装置(200)，其中所述电压传感器包括第一电阻器(112)和第二电阻器(114)；其中所述第一电阻器具有电连接到在所述第一和第二端子之间的点的第一端，以及电连接到所述第二电阻器的第二端；以及其中所述第二电阻器具有电连接到所述第一电阻器的第一端以及电连接到中性点的第二端。

12.根据权利要求1所述的电装置(100，200，300，300′，400，500，600)，其中所述控制单元被构造成感测瞬变和骤升。

13.根据权利要求1所述的电装置(100，200，300，300′，400，500，600)，其中所述控制单元被构造成感测瞬变、中断、骤降以及骤升。

14.根据权利要求1所述的电装置(100，200，300，300′，400，500，600)，其中所述控制单元被构造成感测瞬变、中断、骤降、骤升、波形失真、电压波动以及频率变化。

15.一种方法，用于提供免受电力质量事件的保护，所述方法包括：

感测在可电连接到电源(1，1′)的第一端子(102)和可电连接到负载(2)的第二端子(104)之间的点处的电压；

基于所感测的电压，检测在所述第一端子和所述第二端子之间流动的电力中的电力质量事件；以及

基于所检测的电力质量事件，打开在所述第一和第二端子之间电连接的开关(110)。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

在所述电力质量事件已经结束之后闭合所述开关。

17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

提供在所述开关和所述第二端子之间的点处电连接的电容器(116，116′)，

其中所述电容器被构造成当所述开关打开时向所述负载提供一段时间的电力。

18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

检测在所述第一端子和第二端子之间流动的所述电力中的故障状态；以及

基于所检测的故障状态，打开在所述第一端子和第二端子之间电连接的一组可分离触点(138)。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：

在打开所述可分离触点之前，在检测所述故障状态之后，等待与所检测的故障状态相关联的预定时间；以及

基于所检测的电力质量事件，改变与所检测的故障状态相关联的所述预定时间。

20.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

提供在所述第一端子和所述第二端子之间电连接的降压变换器(118，118′)；以及

基于所检测的电力质量事件，控制所述降压变换器的占空比。

21.一种电装置(400′)，包括:

第一端子(102)，其被构造成电连接到电源(1)；

第二端子(104)，其被构造成电连接到负载(2)；

电压传感器(106)，其电连接到在所述第一端子和第二端子之间的点，并且被构造成感测在所述第一端子和第二端子之间的所述点处的电压；

降压变换器(118)，其在所述第一端子和所述第二端子之间电连接；以及

控制单元(108)，其被构造成基于所感测的电压来检测在所述第一端子和第二端子之间流动的电力中的电力质量事件，并且基于所检测的电力质量事件来控制所述降压变换器的占空比。

22.根据权利要求21所述的电装置(400′)，其中所述电源是交流电源；以及其中所述降压变换器包括在所述电源的正半周期期间可操作的第一支路，以及在所述电源的负半周期期间可操作的第二支路。