CN110998476B - 具有综合状态监测的电源连接器 - Google Patents

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Abstract

一种电子电源连接器。所述电子电源连接器包括配置为将电源电连接到负载的至少一个触头、绝缘套管和电子组件。所述绝缘套管包括配置为收容传感器的传感器狭槽并且配置为收容所述至少一个触头。所述电子组件包括变压器绕组，所述变压器绕组配置为收容所述至少一个触头并感测电流。

Description

具有综合状态监测的电源连接器
相关申请
本申请要求于2017年6月13日提交的美国临时专利申请第62/519,031号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
实施例涉及电力电源连接器。
发明内容
电力电源连接器在电源和负载之间提供连接。此类电力电源连接器可以在于2016年3月17日提交的美国专利申请第15/072,672号和于2017年5月11日提交的美国专利申请第15/072,672号中描述，所述美国专利申请通过引用并入本文。
电力测量可被用于监测通过电力电源连接器连接的设备的电力消耗。在一些情况下，能够准确测量电力消耗的能力使操作员能够基于设备的使用为各个用户分配能耗成本。若干因素可能影响此类测量的准确性。
内部监测和环境监测(特别是温度、电流和电压)可以用于识别正常的与异常的运行状况。连续的测量能够识别超出可接受范围的运行参数变化，使得触发警报以通知操作员该状态。此外，数据分析以及了解正常的运行参数有助于在由于环境异常、安装异常或内部硬件异常所引起的潜在故障出现之前为用户提供预测性的或预防性的警报。
特别地，本申请涉及将感测功能和通信集成到电源连接装置的壳体中。一个示例实施例提供了一种电子电源连接器。电子电源连接器包括配置为将电源电连接到负载的至少一个触头、绝缘套管和电子组件。绝缘套管包括配置为收容传感器的传感器狭槽并且配置为收容所述至少一个触头。电子组件包括变压器绕组，所述变压器绕组配置为收容所述至少一个触头并感测电流。
另一个示例实施例提供了一种电源连接器。电源连接器包括套管和位于套管内的触头支架。触头支架包括触头变压器模块，所述触头变压器模块具有：至少一个连接器触头，所述至少一个连接器触头配置为将电源电连接到负载；绝缘套管；和变压器绕组。
另一个示例实施例提供了一种感测电子电源连接器的各种特性的方法。所述方法包括：提供围绕至少一个触头的变压器绕组；提供靠近所述至少一个触头的传感器狭槽，所述传感器狭槽配置为收容传感器；通过所述变压器感测电流；以及通过所述传感器感测特性。
通过考虑详细描述和附图，本申请的其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本申请的一个实施例的电力系统的框图。
图2是根据本申请的一些实施例的图1的电力系统的电力电源连接器的透视图。
图3是根据本申请的一些实施例的图2的电力电源连接器的触头支架的分解视图。
图4是根据本申请的一些实施例的图2的电力电源连接器的触头支架的分解视图。
图5是根据本申请的一些实施例的图2的电力电源连接器的触头支架的分解视图。
图6是根据本申请的一些实施例的图2的电力电源连接器的触头支架的分解视图。
图7是根据本申请的一些实施例的图4的触头支架的触头变压器模块的透视图。
图8是根据本申请的一些实施例的图4的触头支架的触头变压器模块的透视图。
图9是根据本申请的一些实施例的图4的触头支架的触头变压器模块的俯视图。
图10是根据本申请的一些实施例的图4的触头支架的支架触头的透视图。
图11是根据本申请的一些实施例的图4的触头支架的绝缘套管的透视图。
图12是根据本申请的一些实施例的图4的具有电子组件的触头支架的俯视图。
图13是根据本申请的一些实施例的图4的具有电子组件的触头支架的透视图。
图14是根据本申请的一些实施例的图13的电子组件的透视图。
图15是根据本申请的一些实施例的图13的电子组件的透视图。
图16是根据本申请的一些实施例的图2的电力电源连接器的盖的透视图。
图17是根据本申请的一些实施例的定位在图16的盖内的第二电子组件的透视图。
图18是根据本申请的一些实施例的用于图2的电力电源连接器的盖的绝缘盖的透视图。
图19是根据本申请的一些实施例的用于图2的电力电源连接器的盖的帽的透视图。
图20是根据本申请的另一个实施例的变压器绕组的俯视图。
图21是根据本申请的一个实施例的包括图20的变压器绕组的触头支架的俯视图。
图22是根据本申请的一些实施例的示例电力系统。
具体实施方式
在详细解释本申请的任何实施例之前，应理解，本申请的应用不限于在以下描述中阐述或在以下附图中说明的构造细节和部件布置。为了便于描述，以系统的每个组成部分的单个示例示出了本文提出的一些或全部示例系统。一些示例可能未描述或示出系统的所有部件。其他示例性实施例可以包括更多或更少的每个所示部件，可以组合一些部件，或者可以包括附加或替代部件。本申请能够具有其他实施例，并且能够以各种方式实践或实施。
应该理解，尽管所描述的示例系统是电连接器系统，但是本申请可以应用于包括电连接的其他连接器系统。例如，在其他实施例中，还被示为引脚和套管装置，电力系统可以包括插头、插座、入口或其他可分离的电力连接类型。
图1示出了根据一些实施例的电力系统100。电力系统100包括电源105、负载110、电力电源连接器或连接器115，以及电源电缆120。在一些实施例中，电源105为单相电源，其输出在约100伏交流至约240伏交流范围内的电压。在其他实施例中，电源105为三相电源，其输出在约208伏交流至约600伏交流范围内的电压。在一些实施例中，电源105是直流电源，其输出在约350伏直流至约450伏直流(例如400伏直流)范围内的电压。在其他实施例中，电源105是直流电源，其输出在约44伏直流至约60伏直流(例如48伏直流)范围内的电压。在又一个实施例中，电源105是直流电源，其输出在约15伏直流到约30伏直流(例如24伏直流)范围内的电压。负载110可以是配置为接受电力的任何电气设备或系统。
图2示出了根据本申请的一个实施例的连接器115。电力电源连接器115配置为在电源105和负载110之间提供电气连接。连接器115可以配置为处理二十安培、三十安培、六十安培、一百安培等。如图所示，连接器115包括触头支架200和套管连接器205。触头支架200包括位于触头支架200的第一端215上的一个或多个电源端子210。尽管未示出，但是触头支架200可以进一步包括位于触头支架200的第二端220上的一个或多个第二电源端子。尽管示出为具有四个电源端子210，但是连接器115可以包括任意数量的电源端子和第二电源端子，例如一个电源端子和一个第二电源端子、两个电源端子和两个第二电源端子、三个电源端子和三个第二电源端子、四个电源端子和四个第二电源端子、五个电源端子和五个第二电源端子等。在一些实施例中，电源端子210电连接到负载110，而第二电源端子电连接到电源105。
图3至图6示出了根据本申请的各种实施例的触头支架200。如图3的分解视图所示，触头支架200可以包括壳体300、盖305、一个或多个触头变压器(CT)模块310和电子组件315等。壳体300可以由非导电材料形成，诸如但不限于塑料或类似材料。盖305也由非导电材料形成，诸如但不限于塑料或类似材料。壳体300与盖305共同容纳触头支架200的各种部件。
CT模块310各自包括一个或多个连接器触头320和一个或多个变压器绕组325。该一个或多个连接器触头320在电源端子210和第二电源端子之间提供电连接。变压器绕组325配置为收容相应的连接器触头320并感测行进通过相应的连接器触头320的电流。在一些实施例中，可以使用两组变压器绕组325来监测三相电源。在一些实施例中，除了变压器绕组325之外或代替变压器绕组，CT模块310中的至少一个可以配置为收容间隔件312。在此类实施例中，间隔件312可以进一步固定至少一个CT模块310。在一些实施例中，触头支架200还包括一个或多个绝缘套管330。绝缘套管330配置为收容一个或多个连接器触头320。在一些实施例中，绝缘套管330由导热或隔热材料制成。此类实施例可以改进触头320与一个或多个传感器(例如，图7和图8的传感器335)之间的热连通。
电子组件315可以包括用于连接器115的控制电路。例如，电子组件315可以是包括具有电子处理器和存储器的控制器的印刷电路板。电子组件315可以包括一个或多个部件，或者电耦接和/或通信地耦接到一个或多个部件，包括但不限于变压器绕组325、一个或多个传感器335以及一个或多个天线340。
电子组件315的电子处理器(例如，从存储器、传感器335和/或天线340)获取并提供信息，并通过执行一个或多个软件指令或模块来处理信息，软件指令或模块能够存储在例如存储器的随机存取存储器(“RAM”)区域或存储器的只读存储器(“ROM”)或另一个非暂时性计算机可读介质(未示出)中。该软件可以包括固件、一个或多个应用、程序数据、滤波器、规则、一个或多个程序模块以及其他可执行指令。电子处理器可以配置为从存储器中检索并执行与本文所述的控制过程和方法有关的软件等。
存储器可以包括一个或多个非暂时性计算机可读介质，并且包括程序存储区域和数据存储区域。如本文所述，程序存储区域和数据存储区域可以包括不同类型的存储器的组合。存储器可以采取任何非暂时性计算机可读介质的形式。
图7至图9示出了根据一些实施例的包括触头320、绝缘套管330和变压器绕组325的触头变压器(CT)模块310。如图所示，绝缘套管330收容相应触头320的至少一部分。此外，如图所示，变压器绕组325还收容相应触头320的至少一部分。在一些实施例中，变压器绕组325是围绕相应的磁芯缠绕的高匝数比线性绕组，该高匝数比线性绕组配置为定位在相应的触头320周围。通过将触头320的长度定位在相应变压器绕组325的中心内，可以在不超出触头支架200可用的几何结构约束的情况下准确地感测电流。如图所示，在一些实施例中，变压器绕组325是圆形形状。在其他实施例中，变压器绕组325可以是罗戈夫斯基(Ragowski)线圈。在另外的其他实施例中，变压器绕组325可以是磁芯绕组，其具有用来装配在触头320周围和/或在壳体300中的特定几何结构。
变压器绕组325可以经由变压器引线340耦接到电子组件315。电子组件315可以经由变压器引线340向变压器绕组325供应电力并从变压器绕组接收测量。然而，其他实施例，变压器绕组325可以无线地耦接到电子组件315。
接触在触头支架200的壳体300内的CT模块310的量对应于触头支架200的电源端子的量。在一些实施例中，CT模块310可以包括屏蔽件(未示出)。在此类实施例中，屏蔽件可以配置为遮盖变压器绕组325。在一些实施例中，屏蔽绕组325可以进一步改进电流感测。
如图所示，CT模块310的绝缘套管330可以进一步包括传感器狭槽415。传感器狭槽415配置为将相应传感器335耦接至CT模块310。在一些实施例中，一个或多个传感器335配置为感测电源105和负载110之间或连接器115内的电特性(例如电压)和/或连接器115内的温度。在一些实施例中，传感器335配置为感测触头320(或其附近)的温度。如图所示，在一些实施例中，传感器335配置为装配在CT模块310的传感器狭槽415内。在一些实施例中，传感器335是热敏电阻器、热电偶、RTD或任何类似的传感器。例如，传感器335是热电偶丝，其配置为感测相应触头320附近的温度。连接器115内的其他传感器335可以包括但不限于湿度传感器、电流传感器和电压传感器。
在一些实施例中，电子处理器配置为计算有效环境温度。有效环境温度或最小预测工作温度是触头支架200周围环境中的有效温度。电子处理器可以基于来自传感器335的数据来计算有效环境温度。电子处理器可以通过使用当前和先前从连接器115内各个点处的各种其他传感器(例如，其他CT模块310的传感器335)获得的电气测量和温度测量来计算有效环境温度。然后，有效环境温度可以用于确定连接器115内的异常。
例如，在一些实施例中，电子处理器随着时间从与触头320中的一个或多个相对应的传感器335中的每个收集一系列电流测量，以产生触头320和连接器115的温度升高曲线。电子处理器然后可以识别具有最低测量温度的触头320。然后，电子处理器可以计算最小电流的预期温度升高。在正常条件下(例如，在不平衡系统中)，电流最小的触头320可能最冷。当电流最小的触头320未展现出触头320在预定误差阈值内的最低测量温度时，可能出现异常。
可以从测量温度中减去温度升高，以计算有效/预测的环境温度。电子处理器还可以通过将给定电流下每个触头320的温度升高与预期温度升高进行比较，根据预测的有效环境温度计算每个触头320的每个测量温度的温度偏差。
如图所示，在一些实施例中，每个连接器触头320包括触头引线417。触头引线417可以在连接器触头320和电子组件315之间提供电接触和/或通信接触。例如，如下面更详细地描述的，触头引线417被设置为用于感测相应连接器触头320附近的温度的直接触头。图10示出了根据这种实施例的连接器触头320。然而，应当理解，可以实施将传感器335连接至电子组件315的其他方式(例如，无线通信)。
图11示出了根据一些实施例的绝缘套管330。绝缘套管330配置为使用位于支架内部的一个或多个肋来对齐连接器触头320、传感器335和触头引线417。绝缘套管330还可以在部件之间提供电绝缘。
图12至图15示出了包含在触头支架200的壳体300内的电子组件315和天线340。如图12所示，在一些实施例中，电子组件315和天线340位于CT模块310之间，并且由此位于触头320之间。此类布置可以在提供到变压器绕组325和传感器335的简易连接的同时消除干扰。在一些实施例中，除了传感器335之外，电子组件315可以包括或者连接至附加传感器。在此类实施例中，附加传感器可以包括配置为感测连接器115中央温度的附加温度传感器。同样另外在此类实施例中，附加传感器可以感测触头支架200的一个或多个不同点的温度。同样在此类实施例中，附加传感器可以包括用于感测触头支架200和/或连接器115外部的环境温度的环境传感器。
在所示的实施例中，天线340从电子组件315沿着壳体300的外壁(例如，在壳体300的内部和/或外部)进行布线。在一些实施例中，天线340可以通过支撑肋中的一个或多个狭槽和/或邻近外壁的孔保持在适当位置。天线340可以是双极型天线、环形天线、平坦芯片天线或任何其他已知天线。天线340配置为无线地发送触头支架200的各种特性(例如电特性)。例如，天线340可以无线地发送触头支架200的电流、电压和温度。在一些实施例中，特性被无线地发送到一个或多个外部装置(例如，智能电话、平板电脑、远程服务器、基于云的服务器等)。在一些实施例中，不是天线340或除了天线，触头支架200可以包括输入/输出端口。在此类实施例中，可以通过物理耦接(例如，有线连接)来发送上述各种特性。尽管仅示出了一个天线340，但是应当理解，在一些实施例中，连接器115包括多于一个天线340。每个天线340配置为针对不同的通信协议(例如，蓝牙、Zigbee、Wi-Fi等)支持不同的频率范围。
尽管在传感器狭槽415内示出，但是应当理解，在其他实施例中，传感器335可以定位在(替代地或者除了传感器狭槽415内的传感器335之外)连接器115内的任何地方(特别是，触头支架200)。在一些实施例中，当传感器335配置为感测触头320的温度或在其附近的温度时，代替或除了传感器335定位在传感器狭槽415内，传感器335配置为在触头320的附近被定位在盖305内。图16示出了定位在盖305内的温度传感器600。在一些实施例中，电子组件315配置为定位在盖305内(或集成到盖中)。在此类实施例中，温度传感器耦接到电子组件315。在其他实施例中，如图17所示，温度传感器600耦接到第二电子组件602。第二电子组件602可以包括类似于电子组件315的部件和功能。例如，第二电子组件602包括第二电子处理器和配置为无线地发送触头支架200的各种特性的第二天线(未示出)。在一些实施例中，特性被无线地发送至一个或多个外部装置。在一些实施例中，第二电子组件602可以配置为与电子组件315通信。
图18示出了用于盖305的绝缘盖603。绝缘盖603可以耦接或集成至盖305，以均衡整个连接器115的内部温度。绝缘盖603还可以改进连接器115内的温度传感器(例如，温度传感器600)更准确地测量的能力。在一些实施例中，绝缘盖603由导热材料模制而成。如图19所示，在其他实施例中，盖包括具有金属板片605的导热材料包覆成型的帽604。
图20和图21示出了根据本申请的另一个实施例的偏置变压器绕组500。如图所示，偏置变压器绕组500可以配置为收容CT模块310。在此类实施例中，偏置变压器绕组500可以是罗戈夫斯基(Ragowski)螺旋线圈或偏置绕组环形线圈。此类实施例可以使CT模块310能够放置到通常对于完整变压器绕组而言过小的几何结构内。
图22示出了机械式断开连接系统700。本文描述的电源连接器的实施例可以实施为包括机械式断开连接系统700的电源系统的一部分。
因此，除了其他方面，本申请提供了一种改进的用于感测电子电源连接器的各种特性的方法和系统。

Claims (22)

1.一种电子电源连接器，包括：
至少一个触头，所述至少一个触头配置为将电源电连接到负载；
绝缘套管，所述绝缘套管配置为套在所述至少一个触头中的相应者的一部分上，所述绝缘套管包括配置为收容传感器的传感器狭槽，所述传感器位于所述绝缘套管的第一端处；以及
电子组件，所述电子组件包括变压器绕组，所述变压器绕组配置为收容所述至少一个触头，所述变压器绕组配置为感测电流。
2.根据权利要求1所述的电子电源连接器，其中所述传感器为电压传感器。
3.根据权利要求1所述的电子电源连接器，其中所述传感器为温度传感器。
4.根据权利要求3所述的电子电源连接器，其中所述温度传感器配置为感测选自由以下组成的群组的至少一个：所述触头附近的温度、环境温度，和所述电子电源连接器的内部温度。
5.根据权利要求1所述的电子电源连接器，其中所述绝缘套管由导热材料或隔热材料制成。
6.根据权利要求1所述的电子电源连接器，其中所述电源为单相电源，所述单相电源具有100伏交流至240伏交流的电压。
7.根据权利要求1所述的电子电源连接器，其中所述电源具有选自由以下组成的群组的至少一个的电压：24伏直流、48伏直流和400伏直流。
8.根据权利要求1所述的电子电源连接器，其中所述电源为三相电源，所述三相电源具有208伏交流至600伏交流的电压。
9.根据权利要求1所述的电子电源连接器，其进一步包括配置为发送电特性的天线。
10.根据权利要求1所述的电子电源连接器，其中所述变压器绕组围绕所述触头偏置。
11.根据权利要求1所述的电子电源连接器，其中所述电子电源连接器进一步包括：
盖；和
绝缘盖，所述绝缘盖用于所述盖并配置为使整个所述连接器的内部温度均衡。
12.一种电源连接器，包括：
套管；和
触头支架，所述触头支架位于所述套管内，所述触头支架包括触头变压器模块，所述触头变压器模块具有：
至少一个连接器触头，所述至少一个连接器触头配置为将电源电连接到负载，
绝缘套管，其配置为套在所述至少一个触头中的相应者的一部分上，
变压器绕组，以及
传感器狭槽，其配置为接收传感器，所述传感器位于所述绝缘套管的第一端处。
13.根据权利要求12所述的电源连接器，其中所述变压器绕组配置为感测电流。
14.根据权利要求12所述的电源连接器，其中所述传感器为电压传感器。
15.根据权利要求12所述的电源连接器，其中所述传感器为温度传感器。
16.根据权利要求12所述的电源连接器，进一步包括位于所述套管内的至少一个天线，所述天线配置为发送电特性。
17.根据权利要求12所述的电源连接器，其中所述变压器绕组围绕所述触头偏置。
18.根据权利要求12所述的电源连接器，其中所述电源具有选自由以下组成的群组的至少一个的电压：24伏直流、48伏直流，以及400伏直流。
19.一种感测电子电源连接器的各种特性的方法，所述方法包括：
提供围绕至少一个触头的变压器绕组；
提供绝缘套管以使其套在所述至少一个触头中的相应者的一部分上；
提供靠近所述至少一个触头的传感器狭槽，所述传感器狭槽配置为收容传感器，所述传感器位于所述绝缘套管的第一端处；
通过所述变压器感测电流；以及
通过所述传感器感测特性。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述特性为电压。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述特性为温度。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述变压器绕组围绕所述触头偏置。
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