CN117795803A - 短路检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测在从电压源(2)到电负载(3)的至少一个被监测电流路径中流动的电短路电流的短路检测装置(1)，其中所述短路检测装置(1)连接到所述被监测电流路径，并且包括评估电路(8)，所述评估电路(8)包括至少一个可编程或预编程算术单元(8A)，所述可编程或预编程算术单元(8A)适于对由所述被监测电流路径的电阻元件(6)提供并且与经由所述被监测电流路径流动的电流I成比例的第一电压VR和由所述被监测电流路径的电感元件(7)提供并且取决于经由所述被监测电流路径流动的所述电流的导数dI/dt的第二电压VL执行至少一个算术组合操作ACOP，以提供组合传感器电压，并且包括比较器(8D)，所述比较器(8D)适于将由所述可编程或预编程算术单元(8A)提供的所述组合传感器电压与预设或可调阈值电压进行比较，以在所述组合传感器电压超过所述阈值电压的情况下生成短路检测信号(SCDS)。
Description
本发明涉及一种用于检测在从电压源到电负载的系统的被监测电流路径中流动的短路电流的短路检测装置。
US3593124A描述了一种用于检测和定位相间故障和相间接地故障的方法和装置，其具有适于使断路器跳闸的计算机。
US6724597B1描述了一种用于低压网络的保护设备，其具有适于响应于电流和电流速率的乘积而控制网络开关的比较器。
连接到电压源的负载通常需要过载和/或过电流保护。电压源可以包括AC电压源(诸如电源系统或配电系统)或DC电压源(诸如电池)。流过电导体的电过电流可能导致过多的热量生成，并且因此可能损坏电设备或负载。存在引起过电流的不同场景，包括短路、不正确的电路设计或接地故障。常规的过电流保护设备包括熔断器、机电断路器或固态功率开关。熔断器仅在相对高的电流幅度下熔化，使得在相应的熔断器熔化之前许多电能被传递到所连接的负载，因此增加了损坏相应负载的部件的风险。事实上，需要最小的熔化/电弧能量。这引起高电流流动并且可能花费大量时间。
其他常规电气保护设备包括电流传感器，以测量流到所连接的负载的电流，从而检测临界情况，并且在临界情况确实发生的情况下自动触发电子或机电开关。一些常规保护电路使用诸如MOSFET的半导体开关来保护所连接的负载免受过电流。大多数常规保护电路工作相对较慢，并且需要高电流电平来触发所连接的开关。存在其中需要对沿着电流路径流动的短路电流进行短路检测的许多不同使用情况和场景。由于不同类型的电压源和所连接的负载的多样性，存在需要短路检测装置的不同特性的许多不同使用情况。
因此，本发明的一个目的是提供一种可以灵活地适应不同的应用要求并且提供对在从电压源到所连接的负载的电流路径中流动的短路电流的可靠且有效的检测的短路检测装置。
根据本发明的第一方面，该目的通过一种包括权利要求1的特征的短路检测装置来实现。
所述短路检测装置用于检测在从电压源到电负载的至少一个被监测电流路径中流动的短路电流。
所述短路检测装置连接到所述被监测电流路径，并且包括评估电路，所述评估电路包括至少一个可编程或预编程算术单元，所述可编程或预编程算术单元适于对由所述被监测电流路径的电阻元件提供并且与经由所述被监测电流路径流动的电流成比例的第一电压和由所述被监测电流路径的电感元件提供并且取决于经由所述被监测电流路径流动的所述电流的导数的第二电压执行至少一个算术组合操作，以提供组合传感器电压，并且包括比较器，所述比较器适于将由所述可编程算术单元提供的所述组合传感器电压与预设或可调阈值电压进行比较，以在所述组合传感器电压超过所述阈值电压的情况下生成短路检测信号。
所述第一电压和/或第二电压由所述评估电路的相关联的放大器放大以提供放大电压。
所述评估电路的每个放大器包括可调增益和可调偏移。
由所述评估电路的第一放大器输出第一放大电压和由所述评估电路的第二放大器输出的第二放大电压都作为输入被供应给所述评估电路的所述可编程或预编程算术单元，所述可编程或预编程算术单元适于对所述输入放大电压执行所述至少一个算术组合操作，以提供被施加到所述评估电路的所述比较器的所述组合传感器电压。
如果在所述至少一个被监测电流路径中流动的所述电流包括由AC电压源提供的AC电流，则由所述评估电路的第一放大器输出的所述第一放大电压的第一符号和由所述评估电路的第二放大器输出的所述第二放大电压的符号都被确定和评估，其中如果所述第一符号和所述第二符号不相等，则由所述可编程或预编程算术单元执行的操作被自动禁止以避免所述评估电路的所述比较器的错误触发。
算术单元的编程可以由用户或在产品本身的制造期间完成。用户编程的可能性允许甚至更大的灵活性，包括参数的自动学习或自动调整。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的可能实施例中，所述评估电路的所述可编程或预编程算算术单元适于通过执行至少一个算术求和操作来对所述第一电压和第二电压执行所述至少一个算术组合操作。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的另一可能实施例中，所述评估电路的所述可编程或预编程算算术单元适于通过执行算术乘法操作来对所述第一电压和第二电压执行所述至少一个算术组合操作。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的又一可能实施例中，所述评估电路的所述可编程或预编程算算术单元适于通过执行算术幂或指数操作来对所述第一电压和第二电压执行所述至少一个算术组合操作。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的另一可能实施例中，由所述评估电路的所述比较器输出的所述短路检测信号被供应给控制逻辑，所述控制逻辑适于控制被提供在所述被监测电流路径中的至少一个开关或其他致动器。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的可能实施例中，所述被监测电流路径的所述开关包括特别是MOSFET的半导体开关、或特别是电磁继电器的机电开关。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的另一可能实施例中，所述被监测电流路径的所述半导体开关包括或形成所述被监测电流路径的所述电阻元件。在根据本发明的第一方面的短路检测装置的又一可能实施例中，所述被监测电流路径的所述电感元件包括与所述被监测电流路径中的所述电阻元件串联连接的线圈。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的另一可能实施例中，所述电感元件包括变压器的电感，所述变压器具有被提供在所述被监测电流路径中的初级绕组并且具有连接到所述评估电路的所述算术单元的次级绕组，其中所述变压器的所述电感包括杂散电感和磁化电感，并且其中所述变压器的所述初级绕组的电阻形成被监测电流路径的所述电阻元件。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的另一可能实施例中，连接到所述短路检测装置的所述电压源包括电源系统或配电系统的电压源，所述配电系统或电源系统的电压源包括向所述电负载提供在所述被监测电流路径中流动的AC电流的AC电压源。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的另一可能实施例中，连接到所述短路检测装置的所述电压源包括向所述电负载提供在所述被监测电流路径中流动的DC电流的DC电压源。在根据本发明的第一方面的短路检测装置的又一可能实施例中所述评估电路的所述可编程算术单元包括可编程硬件设备，特别是现场可编程门阵列、数字信令处理器、ASIC或适于执行所述至少一个算术组合操作的另一硬连线电路。算术单元可以被设置有快速/实时异步逻辑设备，以便维持短的反应时间。这提供了短的计算时间。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的另一可能实施例中，所述短路检测装置的所述评估电路还包括微控制器，所述微控制器适于设置所述评估电路的所述可编程或预编程算术单元的操作参数、所述放大器的操作参数和所述比较器的操作参数。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的另一可能实施例中，所述评估电路的所述微控制器能够访问所述短路检测装置的非易失性存储器，其中所述非易失性存储器存储操作参数的多个可选配置设置。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的另一可能实施例中，所述短路检测装置的所述评估电路还包括模数转换器，所述模数转换器适于转换由所述被监测电流路径的所述电阻元件提供的所述第一电压，适于转换由所述被监测电流路径的所述电感元件提供的所述第二电压，和/或适于转换由所述评估电路的所述第一放大器输出的所述第一放大电压和由所述评估电路的所述第二放大器输出的所述第二放大电压，以将由所述模数转换器供应的对应数字电压值提供给所述评估电路的所述微处理器，所述微处理器适于处理所接收的数字电压值以确定实际负载电流值和/或实时地分析所述电源系统或所述配电系统的常规操作行为。
经典控制回路包括传感器数据的提供、被提供在评估单元中的误差放大和动作器。该动作器可以包括例如继电器或半导体设备。
连接到短路检测装置的负载的简单示例是加热器。在这种情况下，可以通过执行向系统提供额定电流、测量有效负载电流以及以有效电流和额定电流变得相等的这种方式向负载执行器供应PWM控制信号的步骤来实施控制回路。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的另一可能实施例中，响应于由所述评估电路的所述微处理器生成的选择控制信号而选择由所述评估电路的可编程或预编程算术单元执行的至少一个算术组合操作，其中所述微处理器经由编程接口和/或数据接口连接到所述短路检测装置的远程或本地控制器和/或本地用户接口。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的另一可能实施例中，所述短路检测装置的评估电路包括连接到所述被监测电流路径的高电压侧，并且包括与所述评估电路的所述高电压侧电流隔离的低电压侧。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的另一可能实施例中，所述评估电路的所述高电压侧包括所述可编程或预编程算术单元、所述比较器、所述模数转换器和所述微控制器。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的另一可能实施例中，所述装置还包括第一分压器和第二分压器电路，所述第一分压器适于将由所述电压源供应的电压分压到被监测电流路径以生成源电压测量，所述第二分压器电路适于将被供应给所述负载的电压分压以生成负载电压测量，其中所生成的源电压测量和所生成的负载电压测量作为输入被供应给所述评估电路的所述高电压侧。
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的另一可能实施例中，所述微控制器适于实时地执行FFT分析以确定所述电负载电流内的谐波
在根据本发明的第一方面的短路检测装置的又一可能实施例中，所述微控制器还适于实时地计算所述电负载电流的I2t值作为应力指标。
在下文中，参考附图更详细地描述根据本发明的短路检测装置的可能实施例。
图1示出了用于图示根据本发明的短路检测装置的可能实施例的示意图；
图2示出了用于图示根据本发明的短路检测装置的可能示例性实施例的电路图；
图3示出了用于图示根据本发明的短路检测装置的可能示例性实施例的另一电路图；
图4示出了用于图示根据本发明的短路检测装置的可能示例性实施例的另一电路图；
图5示出了用于图示根据本发明的短路检测装置的可能示例性实施例的另一电路图；
图6示出了用于图示根据本发明的短路检测装置的可能示例性实施例的另一电路图；
图7示出了被提供在被监测电流路径内并由根据本发明的短路检测装置控制的开关的可能实施方式；
图8示出了用于图示根据本发明的短路检测装置的可能示例性实施例的另一电路图。
如从图1所示的电路图中可以看出的，短路检测装置1被提供用于检测在从电压源2到电负载3的至少一个被监测电流路径中流动的短路电流。短路检测装置1具有连接到电压源2的输入端子4和连接到负载3的输出端子5。负载3可以包括不同类型的负载，包括电阻负载(诸如加热器)、电容负载或电感负载(诸如电动马达)。具有电阻元件6和电感元件7的电流路径被提供在输入端4和输出端5之间，如图1所示。短路检测装置1包括连接到被监测电流路径的评估电路8，如图1所示。短路检测装置1包括具有集成的评估电路8的壳体。
如图2所示的评估电路8包括快速可编程或预编程/硬连线快速算术单元8A，该快速算术单元8A适于对由被监测电流路径的电阻元件6提供并且与经由被监测电流路径流动的电流I成比例的第一电压VR和由被监测电流路径的电感元件7提供并且取决于经由被监测电流路径流动的电流的导数dI/dt的第二电压VL执行至少一个算术组合操作ACOP，以提供组合传感器电压。
评估电路8还包括比较器8D，该比较器8D适于将由可编程或预编程算术单元8A提供的组合传感器电压与预设或可调阈值电压Uth进行比较，以在组合传感器电压超过阈值电压Uth的情况下生成短路检测信号SCDS。在可能的实施例中，可以将由评估电路8的比较器8D输出的短路检测信号SCDS供应给控制逻辑，该控制逻辑适于控制如图6所示的那样被提供在短路检测装置1的输入端子4和输出端子5之间的被监测电流路径中的至少一个开关或另一致动器9。在可能的实施方式中，开关9可以包括半导体开关，特别是MOSFET。在替代实施例中，开关9还可以包括机电开关，特别是电磁继电器。在可能的实施例中，被监测电流路径的半导体开关的漏极-源极沟道可以形成被监测电流路径的电阻元件6。在可能的实施例中，被监测电流路径的电感元件7可以包括与被监测电流路径的电阻元件6串联连接的线圈。电感元件7也可以由部件的寄生电感形成。
在可能的实施例中，连接到短路检测装置1的输入端子4的电压源2可以包括配电系统或电源系统的电压源，包括将在被监测电流路径中流动的AC电流提供给电负载的AC电压源。
输入端子4可以连接到配电系统或电源系统的母线。母线被提供为将由DC电压源生成的AC电压或DC电压供应给短路检测装置1的输入端子4。在可能的实施例中，短路检测装置1包括经由相关联的电流路径连接到对应数量的输出端子5的若干输入端子4。
在替代实施例中，连接到短路检测装置1的至少一个输入端子4的电压源2还可以包括DC电压源，诸如将在被监测电流路径中流动的DC电流提供给电负载3的电池。根据本发明的短路检测装置1位于电压源2和负载3之间，如图1所示。电阻元件6和电感元件7可以包括分立的部件，诸如电阻器和线圈。电阻元件6和电感元件7也可以由在相应的应用或使用情况下已经可用的寄生元件形成。在可能的实施例中，电阻元件6可以由将负载3连接到电压源2的负载电线的欧姆电阻形成。
图2示出了用于图示根据本发明的短路检测装置1的可能示例性实施例的电路图。图2示出了可以用于非隔离DC应用的短路检测装置1。在所图示的实施例中，评估电路8包括可编程算术单元8A。此外，评估电路8包括用于放大所施加的电压的第一放大器8B和第二放大器8C。如图2所示，沿着电阻元件6的电压由第一放大器8B放大，并且沿着电感元件7的电压由第二放大器8C放大。放大器8B、8C的提供是可选的。评估电路8的可编程算术单元8A适于对沿着电阻元件6的第一电压VR和沿着电感元件7的第二电压VL执行至少一个算术组合操作ACOPL。在图2所示的实施例中，可编程算术单元8A对由第一和第二放大器8B、8C输出的放大电压执行算术组合操作ACOP。
可编程算术单元8A适于执行至少一个算术组合操作ACOP，在可能的实施方式中，该至少一个算术组合操作ACOP可以包括算术求和操作(ACOP1)，其中将供应给算术单元8A的两个电压彼此相加以提供组合传感器电压。由可编程算术单元8A执行的算术组合操作还可以包括算术乘法操作(ACOP2)，其中所施加的电压彼此相乘以提供由可编程算术单元输出的组合传感器电压。在又一可能的实施例中，由可编程算术单元8A执行的算术组合操作还可以包括算术幂或指数操作(ACOP3)。
由算术单元8A执行的算术组合操作ACOP可以是预编程的/硬连线的或可编程的，并且适合于该系统或所连接的负载3的相应使用情况和安全要求，特别是灵敏度要求和关断要求，诸如所连接的负载3的关断时段和/或负载类型。
在可能的实施例中，短路检测装置1包括将系统要求或参数转换成在系统操作期间由算术单元8A执行的合适的匹配算术组合操作ACOP的易失性或非易失性配置存储器。系统要求或参数可以从系统的系统控制器接收，或由用户经由被监测系统或短路检测装置1本身的用户接口输入。例如，如果用户确实经由用户接口输入该系统的电压源2是AC源，而不是如果用户确实输入该系统的电压源2是DC电压源，则使用另一算术组合操作ACOP。在又一实施例中，若干预编程算术操作单元8A-1、8A-2、...、8A-8N并联地集成在短路检测装置1的防火壳体中，并且可以响应于所接收的由短路检测装置1的微控制器8H根据当前用户输入设置或存储在配置存储器中的配置生成的内部启用控制信号ENABLE而被激活或启用。同时仅启用一个操作单元8-i。在短路检测装置1的可能实施例中，可以在被监测系统或负载3的操作期间实时地执行从第一集成算术操作单元8A-i到另一集成算术操作单元8A-j的切换。例如，在短路检测装置1或系统的高安全操作模式下，应用算术组合操作ACOP，从而提供对电流斜率dI/dt的更高灵敏度，并且可以使用比短路检测装置1或系统的正常操作模式下更低的用于比较器8D的阈值Uth，例如可以使用算术组合操作ACOP3来代替算术组合操作ACOP1。
由可编程算术单元8A生成的组合传感器电压被供应给所述短路检测装置1的评估电路8的比较器8D。比较器8D适于将所接收的由可编程或预编程算术单元8A提供的组合传感器电压与预设或可调阈值电压Uth进行比较，以在组合传感器电压超过阈值电压Uth的情况下生成短路检测信号SCDS。由评估电路8的比较器8D输出的短路检测信号SCDS可以被供应给控制逻辑或控制器。该控制逻辑可以例如包括微控制器、PLC或PC系统。控制逻辑进而可以适于控制被提供在被监测电流路径中的至少一个开关或另一致动器9。该开关或致动器9可以被提供为在短路检测信号SCDS由比较器8D输出到控制逻辑的情况下分开(即关断负载3)。在可能的实施例中，还可以使用双位开关9，其中在第一位置中，电源2连接到负载3，并且其中在第二位置中，电源2断开并且负载3被切换到接地。
在可能的实施例中，被监测电流路径可以包括由控制逻辑响应于所接收的由比较器8D输出的短路检测信号SCDS而被控制的半导体开关(特别是MOSFET)或机电开关(特别是电磁继电器)。图2所示的评估电路8的算术单元8A可以适于对从信号放大器8B、8C接收的输出值或输出信号执行逻辑或代数操作。算术单元或算术块8A的输出可以由比较器8D与可调或预设阈值电压Uth进行比较。如果经处理的信号超过阈值Uth，则将该信号被传递到系统控制逻辑。
根据广泛范围的可能算术组合操作ACOP，在下文中更详细地描述三个示例。在这些情况下，由算术块8A输出并施加到比较器8D的经处理的信号Ucomp_in总是大于输入信号。这与确保来自从电阻元件6和电感元件7接收的电压的影响不能被忽略或滤除相关。
由算术单元8A输出的经处理的信号Ucomp_in与阈值电压Uth的比较被描述为：
在可能的实施例中，算术组合操作包括算术求和操作ACOP1，其中由放大器8B、8C输出的两个输入信号由算术单元8A求和如下：
其中两个放大器8B、8C包括偏移和增益。偏移不是强制性的，并且可以是零(OffsetsL、OffsetR＝0)。等式的GainL、GainR项允许微调输入信号的哪些信息(电流I的幅度或斜率)确实对由算术单元8A输出到比较器8D的组合传感器电压具有主要影响。根据本发明的短路检测装置1允许电阻元件6和电感元件7的值根据应用需求而不是根据用于适当评估的所需信号范围来选择或配置。在可能的实施方式中，电阻元件6的电阻R和电感元件7的电感L也可根据使用情况调整或调谐。电阻元件6和电感元件7也可以由寄生元件形成。
在另一可能的实施例中，由可编程算术单元8A执行的算术组合操作还可以包括乘法操作ACOP2。如果该算术组合操作被编程，则两个输入信号彼此相乘：
在这种情况下，至少1的偏移值的提供是有利的，因为否则轻负载信号可能变得非常小。
在又一可能的实施例中，由可编程算术单元8A执行的算术组合操作包括算术幂或指数操作ACOP3。将从电感元件7接收的信号的值置于指数中允许提供对流过被监测路径的电流I的电流斜率dI/dt非常敏感的短路检测装置1。
短路检测装置1的操作块或算术单元8A被实施为硬件电路以满足实时响应要求。在优选实施例中，预编程或可重编程算术单元8A的响应时间小于1毫秒。在优选实施例中，算术块8A的响应时间小于10微秒。算术块8A的响应时间在某种程度上取决于用于算术块8A的硬件平台。在可能的实施例中，可编程算术单元8A可以包括现场可编程门阵列FPGA。在另一可能的实施例中，评估电路8的可编程算术单元8A包括数字信号处理器DSP。在又一可能的实施例中，评估电路8的可编程算术单元8A被实施在ASIC(专用集成电路)中。它也可以被实施在混合信号FPGA中。在可能的实施例中，由算术单元8A执行的可编程算术组合操作ACOP可以响应于由算术单元8A或由微控制器8H经由接口从本地或远程控制单元接收或作为用户命令CMD从用户接口接收的选择控制信号SEL-ACOP-CRTL而从预编程算术组合操作ACOP的集合或组中选择。在又一实施例中，预编程算术单元8A是硬连线的，并且可以由用户根据现场或短路检测电路1的生产期间的使用情况进行交换。在该实施例中，算术单元8A集成在芯片或其他壳体中，并且可以插入到短路电流检测装置1的印刷电路板PCB的对应接收插座中。在可能的实施方式中，由插入式算术单元8A执行的算术组合操作ACOP(SUM＝ACOP1，MULT＝ACOP2，EXP＝ACOP3)可以经由用户接口显示给用户和/或经由控制接口发信号通知给系统的本地或远程控制器。图3示出了用于图示根据本发明的短路检测装置1的另一可能示例性实施例的电路图。如图3所示的短路检测装置1可以用于AC应用。对于AC应用，考虑由电阻元件6和电感元件7提供的各个电压分量UL、UR的符号。这还提供了立即检测电负载电流I的斜率变化的可能性。这在从负载3向源2的反向供电是可能的任何种类的系统中是特别感兴趣的。在这样的情况下，由电阻元件6提供的电压UR的符号可能仍然是正的，而由电感元件7提供的电压UL已经是负的。取决于具体应用或使用情况，这确实有助于更早地检测危险状态。在图3所示的实施例中，评估电路8还包括第一计算块8E和第二计算块8F。块8E、8F在将UR、UL馈送到算术单元8A之前取UR、UL的绝对值。如果两个符号UR、UL相等，则算术单元8A执行如上所述的编程的算术组合操作和求值。然而，如果两个符号UR、UL不相等，则禁止UR、UL的组合操作以避免比较器8D的错误触发。在这种情况下，可以将个体符号信息超越到系统控制逻辑。在图3的实施例中，在从短路检测装置1的输入端子4到输出端子5的至少一个被监测电流路径中流动的电流I包括由AC电压源2提供的AC电流。由评估电路8的第一放大器8B输出的第一放大电压VRamp的第一符号和由评估电路8的第二放大器8C输出的第二放大电压VLamp的符号两者都被确定和评估。如果第一符号和第二符号不相等，则自动禁止由可编程算术单元8A执行的算术组合操作以避免评估电路8的比较器8D的错误触发。
图4示出了根据本发明的短路检测装置1的另一可能示例性实施例。在所图示的实施例中，非易失性存储器8G被包括在评估电路8中。此外，在所图示的实施例中，评估电路8包括访问非易失性存储器8G以便进行读取或写入操作的微控制器8H。在图4的所图示的实施例中，短路检测装置1还包括模数转换器81，在所图示的实施方式中，该模数转换器81连接到第一放大器8B和第二放大器8C的输出端。微处理器8H可以适于设置可编程算术单元8A的操作参数、放大器8B、8C的操作参数以及评估电路8的比较器8D的操作参数。微控制器8H访问非易失性存储器8G，在可能的实施例中，该非易失性存储器8G存储操作参数的多个可选配置设置。评估电路8的模数转换器81可以适于转换由第一放大器8B输出的第一放大电压VRamp和由第二放大器8C输出的第二放大电压VLamp，以提供由模数转换器81供应给微处理器8H的对应数字电压值，如图4所示。评估电路8的微处理器8H适于处理所接收的由模数转换器81生成的数字电压值，以确定实际负载电流值和/或实时地分析相应系统的常规操作行为。
在可能的实施例中，响应于由评估电路8的微处理器8H生成的选择控制信号而选择由评估电路8的算术单元8A执行的至少一个可编程算术组合操作ACOP。微处理器8H可以经由编程接口或数据接口连接到短路检测装置1的远程或本地控制器和/或本地用户接口。在可能的实施例中，微处理器8H可以适于实时地执行FFT分析以确定电负载电流I内的谐波。在另一可能的实施例中，微处理器8H还可以适于实时地计算流向电负载3的电负载电流I的I2t值作为应力指标。例如，特定评估时间段内的所计算的I2t值可以和与集成在系统中的熔断器或断路器相关联的极限值进行比较。以这种方式，可以在熔断器已经熔断或即将熔断的情况下通知用户。由微控制器8H执行的负载电流I的FFT分析可以揭示谐波信息。通过将模数转换器81添加到由放大器8B、8C的输出端提供的原始值，建立第二信号路径。该路径比硬件算术块8A慢，但是允许通过微控制器8H的附加评估。如果模数转换器81集成在评估电路8中，则实际负载电流值是已知的，并且可以被进一步处理以向系统的用户或其他设备提供附加信息。换句话说，在图4的所图示的实施例中，评估电路8还能够分析整个系统的常规操作而不仅仅是错误状态。微控制器8H的功能可以由连接到PC系统的编程接口P-INT访问，其中图形用户接口GUI可以帮助和引导用户通过评估电路8的评估电路设置。此外，可以将测量的数据提供给PC系统以便进行扩展分析。
图5示出了用于图示根据本发明的短路检测装置1的另一可能实施例的另一电路图。在图5所示的实施例中，评估电路8被分成高电压侧8-1和低电压侧8-2。评估电路8的高电压侧8-1连接到包括电阻元件6和电感元件7的被监测电流路径。高电压侧8-1利用隔离边界与低电压侧8-2电流隔离，如图5所示。根据本发明的短路检测装置1通常可以用于配电系统。在配电系统中，通常需要分析多个相，并且可能从相到相或从相到中性线出现高电压差。在图5所示的实施例中，短路检测装置1因此集成了电流隔离和辅助电源。为了避免任何准确度损失，仅数字数据从高电压侧8-1交换到低电压侧8-2。在可能的实施例中，高电压侧8-1可以包括可编程算术单元8A、比较器8D和模数转换器81以及微控制器8H。源自高电压侧8-1的任何信息或数据可以经由数字接口(数据接口)传输到低电压侧8-2。在低电压侧8-2，这些数据信息可以涉及通用数据接口或编程接口，如图5所示。图5所示的设置表示多相应用中的单相。在多相应用中，短路检测装置1可以用于同时监测若干被监测电流路径。在该实施例中，也如图1所示的评估电路8可以例如连接到三个并联的被监测电流路径，每个被监测电流路径具有输入端子4和输出端子5，其中每个电流路径可以传输电流相L。由图5所示的实施例提供的电流隔离简化了与标准控制设备的连接。诸如三相电动马达的一些三相负载3对一个相L的损失非常敏感。意外地或在一个相L中的故障之后被断路器中断，则可能发生这种情况。如果作为负载3的典型AC感应马达在两个相L处操作，则转矩失去其预定方向。如果负载迫使AC感应马达3现在停止，则马达电流达到其启动值，该启动值是比操作值更大的量值。如果电流在剩余相L中未被中断，则马达绕组将失效。
图6图示了根据本发明的短路检测装置1的另一示例性实施例。虽然电流隔离简化了与标准控制装置的连接，但是在被监测电流路径内添加负载接触器或开关9增加了由短路检测装置1提供的可能功能。为了实现开关9的最佳开关性能，可以添加两个电压测量路径，如图6所示。在图6所示的实施例中，短路检测装置1包括第一分压器电路10和第二分压器电压电路11。第一分压器电路10包括连接到短路检测装置1的输入端子4的两个电阻器10A、10B，如图6所示。第二分压器电路11还包括连接到短路检测装置1的输出端子5的两个电阻器11A、11B，如图6所示。第一分压器电路10适于将由电压源2经由输入端子4供应的电压分压到被监测电流路径，以生成被施加到评估电路8的高电压侧8-1的源电压测量，如图6所示。第二分压器电路11适于对在输出端子5处供应给负载3的电压进行分压以生成负载电压测量，也如图6所示。由第一分压器电路10提供的所生成的源电压测量和由第二分压器电路11提供的所生成的负载电压测量都作为输入被供应给评估电路8的高电压侧8-1。评估电路8的高电压侧8-1适于生成被供应给开关9的控制输入端的控制信号CRTL，如图6所示。
开关9可以以不同的方式实施，而下面更详细地描述两种实现方式。实施开关9的有效方式是使用接触器。这提供了低传导损耗和宽范围的额定负载电流的优点。然而，接触器相当缓慢地起作用。因此，它必须被选择为承受最大期望误差电流。另一可能的实施例可以使用半导体开关(特别是碳化硅MOSFET)作为开关9。使用碳化硅MOSFET作为开关9允许几乎实时的致动。在该实施例中，短路电流可以在它达到高幅度之前(即在超过预定义幅度阈值之前)在小于10微秒的短关断时间内关断。使用碳化硅MOSFET的优点是漏极端子和源极端子之间的低电阻RDSon在10毫欧姆的范围内，同时维持大于1200伏的高阻断电压。RDSon是当晶体管导通时漏极端子(D)和源极端子(S)之间的有效欧姆电阻。这样的晶体管仍然适合典型的D2PAK壳体以简化PCB(印刷电路板)集成。
图7示出了其中AC开关9由具有由评估电路8的高电压侧8-1的控制信号CRTL控制的栅极端子的两个MOSFET晶体管实施的可能实施方式。由于电负载电流的斜率的评估，关于常规负载电流或短路电流的信息是可用的。开关控制信号CRTL可以由两个不同的源提供。第一控制源可以是用户发起的开关命令CMD，其经由数据接口被超越到图6所示的评估电路8的高电压侧8-1。被提供在评估电路8的高电压侧8-1上的本地微控制器8H可以自动检查是否存在错误，并且可以根据用户可设置的条件接通或断开开关9。例如，电感性负载3应当在电流过零点处被关断，并且在电压峰值处被接通。由于所有电压和电流信息可用于被提供在评估电路8的高电压侧8-1处的本地微控制器8H，因此可以设置任何任意条件。
可以使用由第二分压器电路11提供的负载电压测量来进一步监测开关9的实际状态。可以与实际编程的开关控制信号相关地设置负载电压。因此，这允许开关或致动器9的开关状态和接通时间期间的电压降的一种自诊断。短路检测装置1形成还可以永久地监测其自身的状态以及负载电流和负载电压的开关系统的构建块。因此，添加这种智能开关块而不是标准开关给予任何应用对其当前状态的多得多的透明度和洞察。此外，这还允许维护被规划--特定元件已经看到的压力和切换周期是已知的，并且可以用于确定是否需要维护服务。在常规系统中，接触器的被允许的切换周期在PLC内部被硬编码。如果计数器达到例如被允许的周期的90％，则服务被规划。这没有考虑到更早地发生的错误或替换仍然完全起作用的设备。相比之下，根据本发明的包括短路检测装置1的系统能够连续地监测所有参数，并且可以根据实际需求指示对于服务的需要。这更有效并且节省资源。
在评估电路8检测到任何异常状态的情况下，可以触发评估电路8的比较器8D。比较器输出信号可以用于迫使开关9断开而不管用户发起的控制命令CMD。在可能的实施例中，开关的断开状态可以被闩锁，直到它被用户的另一用户命令清除。
在可能的实施例中，如所描述的参数硬件中的特殊信号路径允许附近的实时操作。作为低短路电流幅度与针对错误触发的一些抗扰度的提供之间的折衷，可以实施10微秒至20微秒的响应时间。在另一可能的实施例中，可以执行负载开关的温度测量以提供附加的自诊断特征。
图8图示了根据本发明的使用电流变压器TR的短路检测装置1的另一示例性实施例。变压器可以包括无损变压器。在所图示的实施例中，电感元件7可以包括变压器的电感，该变压器具有被提供在被监测电流路径中的初级绕组并且具有连接到评估电路8的算术单元8A的次级绕组。变压器TR的电感可以包括杂散电感和磁化电感。在所图示的示例性实施例中，变压器TR的初级绕组的电阻可以形成被监测电流路径的电阻元件。
Claims (15)
1.一种用于检测在从电压源(2)到电负载(3)的至少一个被监测电流路径中流动的短路电流的短路检测装置(1)，
其中所述短路检测装置(1)连接到所述被监测电流路径，并且包括评估电路(8)，所述评估电路(8)包括：
至少一个可编程或预编程算术单元(8A)，所述可编程或预编程算术单元(8A)适于：对由所述被监测电流路径的电阻元件(6)提供并且与经由所述被监测电流路径流动的电流I成比例的第一电压VR和由所述被监测电流路径的电感元件(7)提供并且取决于经由所述被监测电流路径流动的所述电流的导数dI/dt的第二电压VL，执行至少一个算术组合操作ACOP，以提供组合传感器电压，并且包括
比较器(8D)，所述比较器(8D)适于：将由所述可编程或预编程算术单元(8A)提供的所述组合传感器电压与预设或可调阈值电压进行比较，以在所述组合传感器电压超过所述阈值电压的情况下生成短路检测信号(SCDS)，
其中所述第一电压VR和/或第二电压VL由所述评估电路(8)的相关联的放大器(8B、8C)放大以提供放大电压，其中所述评估电路(8)的每个放大器包括可调增益和可调偏移，其中由所述评估电路(8)的第一放大器(8B)输出第一放大电压VRamp和由所述评估电路(8)的第二放大器(8C)输出的第二放大电压VLamp都作为输入被供应给所述评估电路(8)的所述可编程或预编程算术单元(8A)，所述可编程或预编程算术单元(8A)适于对所述输入放大电压执行所述至少一个算术组合操作ACOP，以提供被施加到所述评估电路(8)的所述比较器(8D)的所述组合传感器电压，
其中如果在所述至少一个被监测电流路径中流动的所述电流包括由AC电压源提供的AC电流，则由所述评估电路(8)的第一放大器(8B)输出的所述第一放大电压VRamp的第一符号和由所述评估电路(8)的第二放大器(8C)输出的所述第二放大电压VLamp的符号都被确定和评估，其中如果所述第一符号和所述第二符号不相等，则由所述可编程或预编程算术单元(8A)执行的操作被自动禁止以避免所述评估电路(8)的所述比较器(8D)的错误触发。
2.根据权利要求1所述的短路检测装置，其中所述评估电路(8)的所述可编程算术单元(8A)适于：通过至少执行算术求和操作ACOP1、算术乘法操作ACOP2和/或算术幂或指数操作ACOP3，来对所述第一电压VR和第二电压VL执行所述至少一个算术组合操作ACOP。
3.根据权利要求1或2所述的短路检测装置，其中由所述评估电路(8)的所述比较器(8D)输出的所述短路检测信号(SCDS)被供应给控制逻辑，所述控制逻辑适于控制被提供在所述被监测电流路径中的至少一个开关或其他致动器(9)，其中所述被监测电流路径的所述开关(9)包括特别是MOSFET的半导体开关、或特别是电磁继电器的机电开关。
4.根据权利要求3所述的短路检测装置，其中所述被监测电流路径的所述半导体开关(9)包括所述被监测电流路径的所述电阻元件(6)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的短路检测装置，其中所述被监测电流路径的所述电感元件(7)包括：与所述被监测电流路径中的所述电阻元件(6)串联连接的线圈。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的短路检测装置，其中所述电感元件包括变压器(TR)的电感，所述变压器(TR)具有被提供在所述被监测电流路径中的初级绕组并且具有连接到所述评估电路(8)的所述算术单元(8A)的次级绕组，其中所述变压器(TR)的所述电感包括杂散电感Ls和磁化电感Lm，其中所述变压器(TR)的所述初级绕组的电阻形成被监测电流路径的所述电阻元件。
7.根据前述权利要求中任一项所述的短路检测装置，其中所述电压源(2)包括配电系统或电源系统的电压源，所述配电系统或电源系统的电压源包括向所述电负载(3)提供在所述被监测电流路径中流动的AC电流的AC电压源，或包括向所述电负载(3)提供在所述被监测电流路径中流动的DC电流的DC电压源。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的短路检测装置，其中所述评估电路(8)的所述可编程或预编程算术单元(8A)包括可编程硬件设备，特别是现场可编程门阵列(FPGA)、数字信令处理器DSP、ASIC或适于执行所述至少一个算术组合操作ACOP的另一硬连线电路。
9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的短路检测装置，其中所述短路检测装置(1)的所述评估电路(8)还包括微控制器(8H)，所述微控制器(8H)适于设置所述评估电路(8)的所述可编程或预编程算术单元(8A)的操作参数、所述放大器(8B、8C)的操作参数和所述比较器(8D)的操作参数，并且能够访问所述短路检测装置(1)的非易失性存储器(8G)，其中所述非易失性存储器(8G)存储操作参数的多个可选配置设置。
10.根据权利要求9所述的短路检测装置，其中所述短路检测装置(1)的所述评估电路(8)还包括模数转换器ADC(81)，所述模数转换器ADC(81)适于转换由所述被监测电流路径的所述电阻元件(6)提供的所述第一电压VR、由所述被监测电流路径的所述电感元件(7)提供的所述第二电压VL，和/或适于转换由所述评估电路(8)的所述第一放大器(8B)输出的所述第一放大电压VRamp和由所述评估电路(8)的所述第二放大器(8C)输出的所述第二放大电压VLamp，以将由所述模数转换器ADC(8l)供应的对应数字电压值提供给所述评估电路(8)的所述微处理器(8H)，所述微处理器(8H)适于处理所接收的数字电压值以确定实际负载电流值和/或实时地分析所述电源系统或所述配电系统的常规操作行为。
11.根据权利要求9或10所述的短路检测装置，其中响应于由所述评估电路(8)的所述微处理器(8H)生成的选择控制信号，而选择由所述评估电路(8)的可编程或预编程算术单元(8A)执行的至少一个算术组合操作，其中所述微处理器(8H)经由编程接口和/或数据接口连接到所述短路检测装置(1)的远程或本地控制器和/或本地用户接口。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的短路检测装置，其中所述短路检测装置(1)的评估电路(8)包括连接到所述被监测电流路径的高电压侧(8-1)，并且包括与所述评估电路(8)的所述高电压侧(8-1)电流隔离的低电压侧(8-2)，其中所述评估电路(8)的所述高电压侧(8-1)包括所述可编程或预编程算术单元(8A)、所述比较器(8D)、所述模数转换器ADC(8l)和所述微控制器(8H)。
13.根据权利要求12所述的短路检测装置，还包括第一分压器(10)和第二分压器电路(11)，所述第一分压器(10)适于将由所述电压源(2)供应的电压分压到被监测电流路径以生成源电压测量，所述第二分压器电路(11)适于将被供应给所连接的负载(3)的电压分压以生成负载电压测量，其中所生成的源电压测量和所生成的负载电压测量作为输入被施加到所述评估电路(8)的所述高电压侧(8-1)。
14.根据权利要求9至13所述的短路检测装置，其中所述微控制器(8H)适于实时地执行FFT分析以确定所述电负载电流内的谐波，和/或适于实时地计算所述电负载电流的I2t值作为应力指标。
15.一种系统，包括根据前述权利要求1至14中任一项所述的至少一个短路检测装置(1)，所述短路检测装置(1)具有致动器(9)并且适于执行所述致动器(9)的瞬时开关状态的自诊断。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |