CN109643886B - 配置为确定交流电力线中的直流分量何时超过指定阈值的控制电路 - Google Patents

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Abstract

控制电路(110)包括电流传感器(112)，配置为检测通过电力线(104)传输的交流电。交流电包括交流(AC)分量和直流DC偏移分量。控制电路(110)还包括滤波器子电路(114)，配置为接收来自电流传感器(112)的传感器输出，该传感器输出代表AC分量和DC分量。AC分量的频率高于DC分量的频率。滤波器子电路(114)配置为生成基于DC分量的DC输出。控制电路(110)还包括分析子电路(122)，配置为接收DC输出并确定DC输出已经超过指定阈值。分析子电路(122)配置为：当DC输出超过指定阈值时，使继电器跳闸或输出信号。

Description

配置为确定交流电力线中的直流分量何时超过指定阈值的控 制电路
技术领域
本文主题总体上涉及控制交流电力线。
背景技术
交流电力线将电力从电力供给输送到负载。断路器(或继电器)通常用于控制提供给负载的电力。流过电力线的电流主要是交流电(AC)，但是沿着电力线可能出现一些不需要的DC电流(称为DC偏移)。例如，可能发生一个或多个故障事件，其将DC偏移电流注入电力线。根据不同的因素，DC偏移电流可能导致不必要的功耗、负载故障、连续电弧故障、机械和/或热应力，或其他不需要的电路状况。要解决的问题是当DC偏移电流超过指定阈值时，希望断开电路和/或通知操作者。
发明内容
上述问题的解决方案由一种控制电路提供，该控制电路配置为监控交流电力线。控制电路包括电流传感器，其配置为检测通过电力线传输的交流电。电力线的交流电包括交流(AC)分量和直流DC偏移分量。控制电路还包括滤波器子电路，其配置为接收来自电流传感器的传感器输出，该传感器输出代表AC分量和DC分量。滤波器子电路配置为阻断AC分量并生成基于DC分量的DC输出。控制电路还包括分析子电路，其配置为接收来自滤波器子电路DC的输出，并确定来自滤波器子电路的DC输出已经超过指定阈值。分析子电路配置为，当来自滤波器子电路的DC输出超过指定阈值时，使继电器跳闸或输出信号。
附图说明
现在将参照附图以举例的方式描述本发明，在附图中：
图1是根据实施例的系统的示意图。
图2示出了可以与图1的系统一起使用的控制电路的一部分，包括电流传感器和再调节子电路。
图3示出了可以与图1的系统一起使用的控制电路的另一部分，包括分析子电路。
图4是示出在图1的系统的操作期间的控制电路的各种元件之间的关系的曲线图。
图5是示出在图1的系统的操作期间的控制电路的各种元件之间的关系的曲线图。
图6是示出根据实施例的方法的流程图。
具体实施方式
在实施例中，提供一种控制电路，其配置为监控交流电力线。控制电路包括电流传感器，其配置为检测通过电力线传输的交流电。电力线的交流电包括交流(AC)分量和直流DC偏移分量。控制电路还包括滤波器子电路，其配置为接收来自电流传感器的传感器输出，该传感器输出代表AC分量和DC分量。滤波器子电路配置为阻断AC分量并生成基于DC分量的DC输出。控制电路还包括分析子电路，其配置为接收来自滤波器子电路DC的输出，并确定来自滤波器子电路的DC输出已经超过指定阈值。分析子电路配置为，当来自滤波器子电路的DC输出超过指定阈值时，使继电器跳闸或输出信号。
在一些方面，控制电路可以配置为以标准模式并且还以紧急模式操作。标准模式的指定阈值可以小于紧急模式的指定阈值，使得当控制电路以紧急模式操作时忽略某些故障事件。
在一些方面，控制电路还可以包括再调节子电路，其配置为在分析子电路接收到DC输出之前，修改来自滤波器子电路的DC输出。可选地，控制电路可以配置为以标准模式和紧急模式操作。再调节子电路可以在标准模式期间以第一方式修改DC输出，并在紧急模式期间以第二方式修改DC输出。在紧急模式中修改DC输出，使得当控制电路以紧急模式操作时忽略某些故障事件。
在实施例中，提供一种系统，其包括交流电力线，该交流电力线配置为将电力从电力供给输送到负载。该系统还包括断路器和控制电路，该控制电路配置为监控交流电力线。控制电路包括电流传感器，其配置为检测通过电力线传输的交流电。电力线的交流电包括交流(AC)分量和直流DC偏移分量。控制电路还包括滤波器子电路，其配置为接收来自电流传感器的传感器输出，该传感器输出代表AC分量和DC分量。滤波器子电路配置为阻断AC分量并生成基于DC分量的DC输出。控制电路还包括分析子电路，其配置为接收来自滤波器子电路DC的输出，并确定来自滤波器子电路的DC输出已经超过指定阈值。分析子电路还配置为当来自滤波器子电路的DC输出超过指定阈值时，使断路器跳闸或产生输出信号给操作者。
在实施例中，提供一种方法，该方法包括监控将电力输送到负载的交流电力线。该方法还包括检测交流电中的交流电(AC)分量和直流(DC)偏移分量。该方法还包括产生代表AC分量和DC分量的传感器输出。AC分量的频率高于DC分量的频率。该方法还包括通过阻断AC分量并产生基于DC分量的DC输出来对传感器输出进行滤波。该方法还包括确定DC输出已经超过指定阈值。该方法还包括当DC输出超过指定阈值时使继电器跳闸或输出信号。
在一些方面，该方法还可以包括从标准模式切换到紧急模式。标准模式期间的指定阈值可以小于紧急模式期间的指定阈值，使得在紧急模式中忽略某些故障事件。
在一些方面，该方法还可以包括在确定DC输出已经超过指定阈值之前修改DC输出。可选地，该方法包括从标准模式切换到紧急模式。在标准模式期间，DC输出以第一方式进行修改，并在紧急模式期间以不同的第二方式进行修改。DC输出在紧急模式中被修改，使得当控制电路以紧急模式操作时忽略某些故障事件。
图1是根据一个或多个实施例的系统100的示意图。系统100包括电力供给102、电力线104、具有一个或多个接触器106的断路器105、以及负载108。电力供给102配置为通过电力线104和(多个)接触器106将电力输送到负载108。系统100还包括具有电流传感器112的控制电路110。控制电路110配置为控制断路器105和/或与操作者(未示出)通信。例如，控制电路110可以与计算系统和/或个人通信(例如，通过用户界面或控制面板)。在一些实施例中，电流传感器112是霍尔效应传感器，但是电流传感器112可以是能够检测通过电力线104的电流的其他传感器。可选地，系统100可以配置为三相发电、传输或分配系统。例如，系统100可以包括三相太阳能逆变器。可以通过切换由太阳能电池板提供的DC电力来产生AC输出。该反转过程中的问题可能导致AC输出中的不期望的DC偏移。作为另一示例，系统100可包括连接到三相电力的三相电动机(或负载)。三相接触器可以在电源和电动机之间。
负载108可以是例如机械装置(例如，电动机)或光学装置(例如，灯泡)。在一些实施例中，负载108是较大系统(例如汽车或飞机)的装置。负载108可包括由电力线104馈电的多个装置。
如下所述，控制电路110配置为监控流过电力线104的电流。控制电路110可以通过在电流传感器112处连续地或重复地检测交流电的DC分量来监控电力线104。DC分量表示可以注入电力线104的DC偏移电流，例如当发生一个或多个故障事件时，包括故障事件。如果较大的电路设计不当或误校准，或者一个或多个电路元件退化，也可能发生DC偏移。DC偏移也可能由外部事件引起，例如地磁感应电流(GIC)或电磁脉冲(EMP)。由于用户错误或用户的不正确输入，也可能发生DC偏移。
如果DC分量超过指定阈值，则控制电路110可以通过例如断开断路器105的接触器106来断开电路。作为断开电路的替代或附加，控制电路110可以将信号通信给操作者，使得操作者知道DC分量已经超过阈值。操作者可以是计算系统或人。因此，不需要的电路状况可以被避免和/或可以由操作者考虑。
如本文所使用的，短语“超过指定阈值”和类似短语意味着监控的特性(例如，DC分量)已经满足预定条件。例如，在以下情况下，DC分量可以超过指定阈值：当代表DC分量的值已经超过上限值时，当代表DC分量的值已经低于下限值时，或当代表DC分量的值在预定范围内时。如本文所使用的，当值直接与DC分量相关时(例如，该值是DC分量，是DC分量的因子，或DC分量的一部分)，或者当该值是DC分量的函数时，该值“代表DC分量”或“基于DC分量”。例如，在一些情况下，包括DC分量的预定算法可用于将其他变量或非线性引入到控制电路110的决策中。
代表DC分量或基于DC分量的值可以称为DC输出。在一些情况下，可以在阶段之后修改DC输出，以便例如便于分析或使控制电路更为鲁棒。
在一些实施例中，控制电路110配置为以多个操作模式操作。例如，第一操作模式可以是标准模式，第二操作模式可以是紧急模式。DC分量的指定阈值在标准模式和紧急模式中可以不同。例如，紧急模式可以允许一个或多个故障事件发生而不会断开电力线的电路，但是当在标准模式期间发生这些故障事件时，电路可以被断开。
控制电路110可以基于来自操作者的控制信号在操作模式之间切换。例如，用户可以物理地翻转开关以改变到用于跳闸的阈值或条件。替代地，计算系统可以识别应该切换操作模式并且将控制信号发送到控制电路110以改变用于跳闸的阈值或条件。计算系统可以是用于该决策的硬连线(例如，模拟或数字电路)，或者具有做出决策的处理单元(例如，微处理器)。
在一些实施例中，控制电路110可以分析DC分量以识别哪个故障事件或哪些故障事件已经发生。例如，控制电路110可以基于DC分量的值确定已经发生了某个事件(或多个事件)。该分析可以在任何操作模式下进行，并且可以在DC分量超过指定阈值之前或之后发生。在识别出特定事件时，控制电路110可以将识别的事件通信给操作者。替代地，控制电路110可以将DC分量通信给操作者。
图2和图3更详细地示出了控制电路110。图2中仅示出了控制电路110的一部分，并且图3中示出了控制电路110的不同部分。在一个特定的实施例中，系统100(图1)或断路器105(图1)配置为承载115Vrms，400Hz和270A(最大值)。如果RMS电流是270A，在峰到峰电流是763.68A。控制电路110可以配置为，如果DC偏移电流(或DC分量)超过2A，则使继电器跳闸(例如，断开电路)。然而，系统100可以配置用于不同的参数值。而且，应该理解的是，所示实施例仅是如何设计控制电路110的一个示例，并且可以以其他方式修改或设计所示的实施例。例如，控制电路110被描述为具有多个分立的子电路。应当理解，在其他实施例中，一个或多个子电路可以彼此组合或部分重叠。
如图所示，电流传感器112配置为检测AC分量和DC分量。电流传感器112可以定位为例如距汇流条1.0毫米(mm)。当270A的AC流过汇流条时，AC分量产生的磁场为763.68高斯(G)。当DC偏移电流为2A时，由DC分量产生的磁场为4G。电流传感器112的示例可以是配置为3.125mV/G的Allegro A1325线性霍尔传感器。电流传感器112可以与集成电路一起形成或联接到集成电路。在该灵敏度下，由AC分量产生的磁场可以引起2.39V的峰值幅度，并且DC分量的磁场可以引起12.5mV的峰值幅度。尽管12.5mV与2.39V相比较小，但是AC分量可以由控制电路110进行滤波(例如，阻断)。
同样，这里描述的参数值仅作为示例提供，并且电流传感器112和控制电路110可以配置为在不同参数内操作。
在所示的实施例中，传感器输出由滤波器子电路114接收，该滤波器子电路114是低通滤波器。在其他实施例中可以使用各种滤波器子电路。如图所示，滤波器子电路114包括第一级和第二级，但是可以使用不同数量的级。滤波器子电路114具有预定的截止频率。在上面的示例中，AC的频率是400Hz，其可以被滤波器子电路114显著地阻断。滤波器子电路114提供经滤波的输出。
转到图3，控制电路110可包括再调节子电路116。在所示的实施例中，电流传感器112配置为使得当没有检测到磁场时，来自传感器的输出(称为传感器输出)可以具有指定的基准电压。当检测到强正磁场时，传感器输出可能接近指定的最大电压。当检测到强负磁场时，传感器输出可能接近指定的最小电压。在所示实施例所示的示例中，经滤波的输出可以具有约5V的指定最大电压和约2.5V的指定最小电压。
在所示的实施例中，再调节电路116包括多个级118、120。在第一级118中，经滤波的输出以指定的量被修改。更具体地，经滤波的输出减去2.5V。在第二级120期间，增益被施加到修改的经滤波的输出。例如，来自第一级118的修改的经滤波的输出乘以因子(例如，200)。来自第一级118的修改的经滤波的输出的范围可以是0到12.5mV。使用200的因子，当DC分量为零时，来自第二级120的修改的经滤波的输出为零。然而，当DC分量为2A时，则来自第二级的修改的经滤波的输出为2.5V。这种增益的输出(或来自第二级120的修改的经滤波的输出)可以更容易通过分析子电路122分析。
尽管所示的实施例包括具有两级的再调节电路116，但应该理解，再调节电路116可以具有不同数量的级。而且，应该理解，再调节电路116仅是可选的。在其他实施例中，来自滤波器子电路114的经滤波的输出可以直接传送到分析子电路122。
如图所示，来自第二级120的修改的经滤波的输出被通信到分析子电路122。在所示的实施例中，分析子电路122包括具有滞后和微调的比较器124，以设定跳闸电流。
图4和图5包括示出在系统100(图1)的操作期间的控制电路110(图1)的各种元件之间的关系的曲线图。在图4中，曲线图131示出了由电流传感器112检测到的AC分量的电压。曲线图132示出了由电流传感器112检测到的DC分量的电压。曲线图133示出了图2中的点143处的电流传感器112的电压，其是通信到滤波器子电路114的电压。这可以称为传感器输出。电流传感器112的电压是AC分量、DC分量和预定值或偏移(例如，2.5V)之和。曲线图134示出了比较器124在点144处的电压。在图5中，曲线图136示出了滤波器子电路118在点146处的电压。点146处的电压是移除了AC分量的电流传感器112的电压。这可以称为DC输出。该DC输出可以随后由再调节子电路116的一个或多个级(例如，级118、120)修改。替代地，DC输出可以由分析子电路122直接分析。
曲线图135示出了第二级120的点145处的电压。点145处的电压是经滤波的电压减去由第一级118施加的指定偏移(例如，2.5V)。曲线图137示出了第二级120在点147之后的电压(例如，在施加增益之后)。
如图4和图5所示，电力线104(图1)具有90毫秒(ms)的稳态。该示例中的控制电路110配置为当DC分量超过12.5mV时跳闸。如图所示，一个或多个故障事件可以在大约100ms处发生，这导致DC偏移电流被注入到电力线104中。DC偏移电流导致电流传感器112中的DC分量突然改变。如曲线图132所示，DC分量可以从大约0mV变化到大约17.5mV，其超过12.5mV。143处的电流传感器的电压升高约17.5mV。
点146处的电压在约103ms处开始上升，并且点145和147处的电压此后立即开始上升。在约127或128ms时，点144处的电压从大约3.70V下降到大约0.3V。
当超过阈值电压148时，控制电路110可以激活接触器(或多个接触器)106，从而使继电器跳闸。作为使继电器跳闸的替代或附加，控制电路110可以将状态通信给操作者。在一些情况下，可以通信DC分量。在这种情况下，可以通信精确值(例如，2.3A)或者可以通信超过DC分量的严重程度。例如，可以对灯进行颜色编码，以便用户知道DC分量超过阈值的程度。
在一些实施例中，控制电路可以相对低成本。例如，组件可以仅包括单个霍尔效应传感器、通用四运算放大器(例如，单个芯片)和通用比较器。当AC电流下降时，控制电路可以是鲁棒的，因为DC电流可以显着更低(例如，数百安培到10安培或更小)。此外，滤波器子电路可以提供抗噪性。施密特触发器(或滞后)可以防止由于信号链中的残余纹波而反弹。
可选地，控制电路110可以包括处理单元150。处理单元150可以被配置为基于其他信息来改变指定阈值。例如，如果系统100以紧急模式操作，则处理单元150可以改变指定阈值以使其更难以被超过。处理单元150可以是基于逻辑的装置，其基于存储在有形和非暂时性计算机可读介质(例如存储器)上的指令来执行操作。处理单元150也可以是硬连线的。
在其他实施例中，处理单元150(或其他电路)可以改变再调节子电路116修改DC输出的方式。例如，可以基于操作模式改变再调节子电路116的功能。作为一个示例，可以基于操作模式是标准模式还是紧急模式来改变在级118处施加的偏移或在阶段120处施加的增益。由此，再调节子电路116可以以不同的方式修改DC输出。
图6是示出根据实施例的方法的流程图200。方法200包括在202处监控将负载输送到负载的交流电力线。方法200还包括在204处检测交流电(AC)分量。在一个或多个故障事件之后，可以在204处检测交流电中的直流(DC)偏移分量。然后，方法200可以包括在206处生成表示AC分量和DC分量的传感器输出。AC分量的频率高于DC分量的频率。方法200还包括在208处通过阻断AC分量并生成基于DC分量的DC输出对传感器输出进行滤波。
可选地，方法200可以包括在滤波之后并且在212处确定DC输出是否已经超过指定阈值之前在210处修改DC输出。在212处，方法200可以确定DC输出已经超过指定阈值。在做出该确定时，方法200可以进行以下中的至少一个：在214处使继电器跳闸或在216处输出信号。
可选地，方法200还可以包括在218处从标准模式切换到紧急模式。标准模式期间的指定阈值可以小于紧急模式期间的指定阈值，使得在紧急模式中忽略某些故障事件。替代地，可以通过再调节电路以不同的方式修改DC输出。在218处的切换可以在方法200期间的任何时间发生。在218，可以手动激活切换，或者可以如上所述自动激活切换。

Claims (8)

1.一种控制电路（110），配置为监控交流电力线（104），所述控制电路（110）包括：
霍尔效应电流传感器（112），其配置为检测通过电力线（104）传输的交流电，其中所述电力线（104）的交流电包括AC分量和DC偏移分量；
滤波器子电路（114），其配置为接收来自所述霍尔效应电流传感器（112）的传感器输出，所述传感器输出代表所述AC分量和所述DC偏移分量，所述AC分量的频率高于所述DC偏移分量的频率，所述滤波器子电路（114）配置为阻断所述AC分量并生成基于所述DC偏移分量且不基于所述AC分量的DC输出；以及
分析子电路（122），其配置为接收来自所述滤波器子电路（114）的DC输出、并确定来自所述滤波器子电路（114）的DC输出已经超过指定阈值，所述分析子电路（122）配置为：当来自所述滤波器子电路（114）的DC输出超过所述指定阈值时，使继电器跳闸或输出信号。
2.如权利要求1所述的控制电路（110），其中所述控制电路（110）配置为以标准模式和紧急模式操作，所述标准模式的指定阈值小于所述紧急模式的指定阈值，使得当所述控制电路（110）以所述紧急模式操作时忽略某些故障事件。
3.如权利要求1所述的控制电路（110），还包括再调节子电路（116），其配置为在由所述分析子电路（122）接收所述DC输出之前，修改来自所述滤波器子电路（114）的DC输出。
4.如权利要求3所述的控制电路（110），其中所述控制电路（110）配置为以标准模式和紧急模式操作，所述再调节子电路（116）在所述标准模式期间以第一方式修改所述DC输出且在所述紧急模式期间以第二方式修改所述DC输出，所述DC输出在所述紧急模式中被修改，使得当所述控制电路（110）以所述紧急模式操作时忽略某些故障事件。
5.如权利要求1所述的控制电路（110），其中所述分析子电路（122）包括阈值检测器。
6.如权利要求3所述的控制电路（110），其中所述再调节子电路（116）把来自所述滤波器子电路（114）的输出的值偏移一预定量。
7.如权利要求1所述的控制电路（110），其中所述控制电路（110）配置为分析所述DC偏移分量以识别一个或多个故障事件。
8.如权利要求1所述的控制电路（110），其中当没有检测到磁场时，所述传感器输出具有指定的基准电压。
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