CN213275752U

CN213275752U - 用于电压不存在检测器的连接系统

Info

Publication number: CN213275752U
Application number: CN202020619841.1U
Authority: CN
Inventors: W·巴利德; M·博洛里-萨拉恩萨尔
Original assignee: Panduit Corp
Current assignee: Panduit Corp
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2030-04-22
Also published as: TW202104911A; EP3734311A1; US11946954B2; AU2020202694A1; US20200348343A1; US20220120790A1; JP2020177023A; US11215646B2; CA3078886A1

Abstract

一种用于电压不存在检测器的连接系统，该连接系统具有连接至第一端子的第一端子导线和也连接至第一端子的第二端子导线。将RF信号放置在第一端子上，并且然后在第二信号线上检测到它的存在。此系统也可以放置在三相系统的每个相位上。

Description

用于电压不存在检测器的连接系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年4月22日提交的美国临时申请序列第 62/836,931号的优先权，该申请的主题通过引用整体并入本文。

技术领域

本申请涉及用于电压不存在检测器的连接系统。

背景技术

本实用新型描述了一种新颖的系统和方法，该系统和方法使用永久安装的电压测试仪来提供电气装备中电压的存在和不存在的可靠指示和验证，该电压测试仪将在不直接接入装备的情况下指示装备是否处于电气安全状态。在接入电气装备之前完成对电压不存在的可靠验证在若干方面极大地增强了安全性。如果装备实际上通电，它可以防止与装备交互的人无意地接触电路的非预期部分或短路导体。它还会增加人与潜在通电的导电部件之间的距离，并且可能在发生电弧闪光时包含任何可能产生的影响。

实用新型内容

一种用于检测电压不存在检测器与要检测的电源的连接的系统和方法，该系统和方法具有连接至第一端子的第一端子导线和也连接至第一端子的第二端子导线。将RF信号放置在第一端子上，并且然后在第二信号线上检测到它的存在。此方法和系统也可以放置在三相系统的每个相位上。

一种用于电压不存在检测器的连接系统，所述连接系统包括：第一端子导线，所述第一端子导线连接至第一端子；第二端子导线，所述第二端子导线连接至所述第一端子；RF信号发生器，所述RF信号发生器连接至所述第一端子导线；以及RF信号检测器，所述RF信号检测器连接至所述第二端子导线。

所述连接系统进一步包括：第三端子导线，所述第三端子导线连接至第二端子；第四端子导线，所述第四端子导线连接至所述第二端子；解复用器，所述解复用器连接至所述信号发生器；以及复用器，所述复用器连接至所述RF 信号检测器。

所述连接系统进一步包括逻辑定序器，所述逻辑定序器用于使用所述复用器和解复用器来运行测试过程。

附图说明

图1示出了电压不存在检测器的整体系统框图。

图2a和图2b是示出了图1的电压不存在检测器在确定电压的存在或不存在时所使用的步骤的流程图，且图2示出图2a和图2b的组合。

图3图示了图1的电压不存在检测器的系统架构。

图4示出了图1的电压不存在检测器的电源框图。

图5示出了图1的电压不存在检测器的功率管理和系统单元的框图。

图6示出了图1的电压不存在检测器的电压存在单元的框图。

图7示出了由电压存在单元控制器生成的脉冲波调制信号。

图8示出了图1的电压不存在检测器的联网接口框图。

图9是电压不存在检测器单元的共模的示意图。

图10是电压不存在检测器单元的差模的示意图。

图11是“测试-测试仪”过程的流程图。

图12示出了连接至电压不存在检测器单元的共模的“测试-测试仪”单元。

图13示出了连接至差模“测试-测试仪”单元的“测试-测试仪”单元。

图14示出了自诊断过程的预定义的测试顺序以及由电压不存在检测器单元的预期验证响应。

图15是示出图1的电压不存在检测器的冗余通道的框图。

图16示出了图1的电压不存在检测器的连接系统架构。

图17示出了图16的连接系统架构的测试定序器。

图18是示出连接系统测试的预期的测试序列和结果的图表。

图19是系统诊断控制器的框图。

图20是信号评估决策电路的框图。

具体实施方式

图1图示了整体系统框图。该系统具有电压不存在检测器、电压存在检测器、电压指示器模块、和联网模块400。该系统实现电压存在检测技术，该技术测量电源线电压，并利用现有的电压指示器技术来指示单相或多相电源线AC/DC系统中的电压的存在。如果电源线电压大约为40V，则系统将经由安装在装备/面板的安全且隔离侧的指示器模块指示电压的存在。通常，取决于电源线(单相或多相)的数量和应用(AC/DC)，一个或多个红色LED 被点亮。指示器模块用作存在危险电压的警告。如果未检测到危险电压存在并且指示器不被点亮，则可以通过指示器模块中的按钮来发起电压不存在的验证过程，以确定并证明电压是不存在的。

电压不存在检测电路需要次级电源(电池)，该次级电源(电池) 完全独立于电压存在监测电路中使用的初级电源。它还需要执行非常关键的过程，以通过验证已安装的电压检测设备和被监测的装备之间的连接以及基于初级侧的A.V.的电压不存在指示而不是因为安装失败，来防止对电压不存在的灾难性假指示。随后通过检测方案验证电压不存在，该检测方案采用初级电压的直接测量，并且电压电平低于预定义的断电电平(即，±3V)。图2a 和图2b描绘了详细的电压不存在验证过程。

该过程还采用了一系列自诊断，以验证电压检测设备完全起作用并确实按预期工作，并且在任何测试条件下都没有能触发假结果的内部故障。为了增加用于验证安全状态的电压不存在检测结果的置信度，对电压不存在检测器和测试仪自诊断电路两者采用冗余电路。如果该过程中两个冗余通道中每个步骤的标准被满足，则可以得出结论，电压不存在已经被验证，并且被监测的装备处于安全状态。

图3图示了电压存在检测器和电压不存在检测器的系统架构。该系统主要由以下子系统和模块组成：

A.超宽输入范围隔离式电源

B.系统功率管理和分配

C.电压存在检测器

D.联网接口

E.电压不存在检测器I

F.系统自诊断电路I

G.电压不存在检测器II

H.系统自诊断电路II

I.连接检测器

J.系统诊断控制器

K.信号评估与决策电路

L.指示器模块

以下各节提供了针对上述每个子系统的详细描述。

超宽输入范围隔离式电源

图4图示了隔离式电源(IPS)框图。IPS 500用于从AC和DC电源系统中的电源线向电压存在指示电路加电。支持的电压范围为0～1KV AC/DC。IPS实现限制阻抗电阻器网络和瞬态保护510，在单个故障状况下(例如，输入短路)将最大输入电压的110％时的输入功率限制为15W，以满足 UL 1436中定义的功能安全要求。电阻器网络由8个额定500V/2W的金属膜大功率电阻器的链组成。等式1和等式2定义了单个故障状况和最大输入电压的110％下的总阻抗和功耗。

图4是电压存在电路电源框图。

对IPS实施了瞬态保护，以允许防止雷击、电感负载切换、静电放电(ESD)和电快速瞬变(EFT)。电压整流器被实现以支持AC和DC电源系统，并在DC电源系统的情况下提供反极性保护。由于输入电压是超宽的 (即0到1000V)，所以具有过压保护的低损耗降压电路被实现以在电源线电压超过此限制时将该级的输出处的电压限制为58V。降压电路主要由两个高压功率MOSFET晶体管、两个瞬态电压抑制器(TVS)、和高压电阻器串组成。另一层保护被集成以防止在组件故障的情况下在该级的输出处的电压超过60V。在接下来的级中，采用电磁干扰(EMI)Pi平衡滤波器来最小化由 DC-DC同步降压转换器生成的频率谐波引起的差模EMI开关噪声的影响。降压转换器以超低IQ和脉冲频率调制(PFM)方案为特征，该超低IQ和脉冲频率调制(PFM)方案允许电源电路在由于82KΩ限制阻抗网络和DC-DC降压转换器前面的其他限制电路引起的转换器输入端处的能量非常受限时以非常低的输入电压(通常为50V)操作。PFM模式允许最佳的轻载效率。欠压锁定(UVLO)被设置为分别以11V和9V激活和去激活DC-DC内部开关电路。这允许输出电容器在低至30V的低输入电压状况下充电并打开电压指示 LED。DC-DC转换器输出端处的电压被调节为3.8V并且用于为频率合成器加电，该频率合成器生成用于IPS的隔离隔栅(isolation barrier)的振荡频率。频率合成器是具有受控输出阻抗的双输出、对称交叉耦合正弦波振荡器。该合成器生成高达1MHz的差分正弦波形，这些差分正弦波形180°相移至隔离隔栅，该隔离隔栅由额定为760VAC/1500VDC的X1Y1电容器组成，这些X1Y1电容器在初级电路与次级电路之间形成具有8KV强制隔离的差分电容耦合。电容器输出端处的差分输出电压使用形成全桥的超低正向电压二极管进行整流。二极管桥输出由系统功率管理和分配单元管理(请参阅图3的框B)。

B.系统功率管理和分配

系统功率管理和分配单元(PMDU)转换、隔离、和调节每个子系统中使用的各种供应电压。它还控制IPS与用于为电压存在检测器(PVD) 电路供电的隔离式辅助电源(AUX)之间的优先级，以及次级电源(BAT)与用于为电压不存在检测器(AVD)电路供电的隔离式AUX之间的优先级。图 5描绘了PMDU框图。

AUX是一种备用电源，可以在整个联网接口中给系统供电。该系统被设计成通过隔离式RS-485接口与外部模块进行通信，其中电源通过同一双绞线被集成——通过RS485供电。该接口还支持将外部12～24V DC电源适配器连接到同一RS485接口连接器。RS485接口除了采用差分LC滤波器来传递功率并且隔离数据之外，还采用差分电容耦合来隔离功率和传递数据。在将电力转发到DC-DC降压转换器之前，电力随后被整流以保护系统免受 RS485总线上的反极性的影响，该DC-DC降压转换器将分布在RS485总线上的电压(通常为12V或24V DC)转换为5V DC输出。除了具有5KVrms增强隔离的隔离变压器之外，AUX电压隔离电路还采用160KHz低噪声推挽 (Push-Pull)变压器驱动器。变压器的输出为5V隔离式AUX。

5V隔离式AUX被分配到两个独立的自动切换功率复用器中。第一功率MUX在IPS与隔离式AUX之间切换，相对IPS，对AUX具有优先级。开关的输出进入DC-DC降压转换器以生成±1V6，从而为PVD电路加电。第二功率MUX在BAT和隔离式AUX之间切换，相对AUX，对BAT具有优先级。开关的输出进入DC-DC降压-升压转换器以生成±3V3，从而为AVD电路加电。

电压存在检测器

图6描绘了PVD电路框图。它在一次线电压和电压检测电路之间实现了电阻隔离(高阻抗)技术。使用六个电阻器(每个750KΩ)的链来减小单个电阻器的物理尺寸，分配功耗并覆盖单个故障状况，使得一个电阻器短路失败。电阻器链形成分压器，该分压器使用欧姆定律，并且具有设置为容差为1％的1000:1.5的比率，使得分压器输出端处的最大感测的电压是无危险的并且在感测电路组件的工作范围内。动态范围由以下边界定义：

-对于1000V的最大线电压，分压器输出为1.5V

-对于1V的最小线电压，分压器输出为1.5mV

在分压器输出端处还集成了超低电容、低钳位电压ESD保护二极管，以提供另一层保护来免受ESD(IEC 61000-4-2)、EFT(IEC 61000-4-4)、和浪涌(IEC 61000-4-5)的影响。受保护的输出连接到纳功率、轨到轨输入和输出运算放大器，该运算放大器用作分压器兆欧阻抗和模数转换器(ADC) 输入阻抗之间的信号调节器/隔离器。在运算放大器之后采用了低通滤波器，并将其连接到PVD超低功率控制器上的12位ADC输入。12位ADC提供 244μV分辨率，该分辨率对于来自初级侧的输入电压的163mV测量精度是足够的。

通常，每个电压检测器仅使用一个指示器模块。该系统还支持次级指示器模块，该次级指示器模块增加了要从IPS照亮的三个更多相位指示 LED。PVD相位指示器(L1、L2、和L3)通常在存在被认为非危险的电压(通常为30V至50V)时开始照亮。在该低电压下，由于初级侧的限制性阻抗， ISP侧的可用能量非常有限(以微安培的速率)。当40V下的可用能量仅小于4mW时，照亮所有六个LED需要4.5mW。除了相位指示LED之外，4mW 的能量还供应所有PVD电路。

为了节省一些能量，超低功率控制器首先测量所有三个相位上的电压。如果电压超过预定义的阈值，则控制器使LED的激活周期交替(仅那些线电压超过阈值的LED)，使得一次仅激活一个LED。如图7所图示，这是通过生成具有16％占空比的1KHz脉冲调制信号(PWM)来实现的。当打开所有六个LED时，这允许节省多于50％的能量。

联网接口

几种工业应用需要在主单元和远程单元之间分配数据和功率。随着单元之间距离增加，布线的成本趋于被禁止。通过将功率和数据通信组合到共同的单对线上，可以显著减少布线数量、尺寸、和重量，从而显著节约系统成本。当将新设备放置在功率接入受限的位置时，这也有帮助。

图8中图示了联网接口框图。该设计使用偏置器(bias-tee)结构来组合功率和数据。在整个具有适当滤波的电源注入器中，主设备将DC 电源注入双绞线电缆中。联网接口上的功率提取器(由两个功率电感器、滤波、和桥式整流器组成)从总线提取功率，并阻止数据传递到内部电源。DC 电源返回路径穿过同一差分双绞线。如果L1和L2提供足够高的阻抗，则它们对于高频信号会表现为开路，并且不会影响信号保真度。因为DC电源和返回路径可以穿过差分对的两条线，因此来自电源的任何开关噪声都可能以差分方式出现并叠加在高速差分信号上。出于这个原因，将电源设计为具有超低噪声，并使用降噪电路来最小化噪声，以防止由于潜在的信噪比腐蚀而导致的任何性能降级是至关重要的。电感器具有高的自谐振频率(数据速率的10 倍)和高的饱和电流也是至关重要的。

电容耦合级由形成单极、高通滤波器的串联电容组成，该单极、高通滤波器被设置以使得最低信号频率高于滤波器截止频率。电容器允许数据通过，同时阻止总线上的DC电势以保护收发器。根据预定义的高频信号选择电感器，使得在传输数据时，电感器将对总线上的数据信号充当很高的阻抗。实施曼彻斯特编码以通过使总线上每个数据字节中的0和1的数目相等来消除数据信号的DC部分。

耦合的数据直接连接到高速RS-485收发器，该高速RS-485收发器直接从总线上所提取和调节的功率来被供电。该收发器在整个三通道数字隔离器中与PVD控制器对接，该三通道数字隔离器提供5KVrms增强隔离和EMC 保护。出于功能安全原因，AVD控制器通过单向通信接口与PVD连接，使得仅AVD可以将数据发送到PVD。数据可以包括内部电压、温度、自诊断结果、连接故障代码等。PVD在整个联网接口中进行通信以接收数据命令或发送AVD数据以及关于线路电压、频率、相移和相位平衡的信息。因为AVD 和PVD控制器电路使用不同的电压电平，因此实施了电压调节电路，以将信号电压电平从3.3V转换为±1.6V。

电压不存在检测器I

传达与功能安全应用直接相关的电压不存在状态可能是危险的假设。因此，AVD必须提供肯定且可靠的验证，其中电压检测器试图确保所有结果均处于故障安全(fail-safe)状况。尽管PVD可以提供在非危险电压 (40～50V)下电压存在的指示，但是它不能用于验证设备已断电并且安全接入。另外，AVD必须在设备在安装中可能会暴露于的整个电压范围内可靠运行，对于本RS中描述的系统，该电压范围为0～1000V AC/DC。

图9和图10中描绘了AVD电路架构。输入缓冲器在整个高压电阻器串中与电源线连接，该高压电阻器串在初级侧与次级侧之间提供高阻抗。使用六个电阻器(每个1.26MΩ并且总共10MΩ)的链来减小单个电阻器的物理尺寸，分配功耗并覆盖单个故障状况，使得一个电阻器短路失败。轨到轨输入和输出运算放大器被用作高阻抗电阻器链与窗口比较器之间的缓冲器/信号调节器。为了限制缓冲器输入上的电压并保护电路免受指定工作电压以外的任何电压的影响，采用了超低正向电压和漏电流肖特基(Schottky)二极管。二极管将输入电压限制为±3V，从功能安全角度来看，这被认为是危险电压。缓冲器输入端处的陶瓷电容器用于将峰值电压转换为RMS。缓冲器输出连接到窗口比较器，该窗口比较器检测在电压的特定窗口内的输入电压电平。窗口边界被设置为“参考＝±2.95V”。超出±2.95V边界的任何电压均被认为危险电压。

AVD电路检查共模(图9所图示)和差模(图10所图示)两者。 CM电路包括三个窗口比较器，以检查相对于地面的每个相位(L1、L2、和 L3)上的电压电平。除了三个差分放大器之外，DM电路还包括三个窗口比较器，以检查相对于彼此的三个相位(L1-L2、L1-L3、和L2-L3)。所有窗口比较器均具有漏极开路输出，如果相位中的任何相位呈现超出非危险范围的电压电平，则该漏极开路输出将为低态有效(active-low)。

系统自诊断电路I

在设计功能安全应用时，确保以故障安全的方式提供结果的有效性并可能容忍某些类型的故障或状况是至关重要的。自诊断过程可以被实现为验证方法。自诊断过程可以被认为是“测试测试仪(Test-the-Tester)”，其中一系列检查和验证(参见图11)被执行以确保在决策结果被确认时(例如，电压不存在安全状态指示)的过程中的点之前和之后，所有关键组件、电路、或过程均是可操作的并按预期的那样执行。另外，此过程有助于确保系统的功能不会受到已安装测试仪的环境中可能存在的任何不期望的因素(例如，极端温度、老化、噪声、静电释放等)的不利影响。因此，确认系统的功能对于增加对结果的置信度并确保结果的有效性至关重要。

通过以预定义的顺序生成并向电源线上注入若干个已知的向外参考信号/电压来执行自诊断过程。参考信号符合AVD的功能安全标准所定义的非危险以及危险边界。即，任何从±3V起的电压电平都被认为是危险的。此外，参考信号是从派生的源生成的，该派生的源独立于被监测的源。在整个由诊断控制器直接控制的超低泄漏电流模拟开关中，注入点涉及电源线的高阻抗侧。如果AVD正确地检测到生成的信号的状态(安全或不安全)，则确认AVD电路是可操作的并按预期的那样执行。本文所描述的技术可以被应用于 DC电源系统以及单相或多相AC电源系统。图12和图13图示了参考信号注入电路及其与AVD电路输入的连接。图14显示了自诊断过程的预定义的测试顺序以及由AVD的预期验证响应(状况)。

电压不存在检测器II

冗余是另一种验证方法，该方法有助于增加系统的决策结果中的置信度水平，并确保以故障安全方式提供结果的有效性。冗余采用添加至少另一个子系统(通常称为通道)的方式，该子系统在设计方面完全相同，并且在功能执行方面完全独立。两个独立通道同时以相同方式发生故障的可能性相对较小。

AVD-II是AVD-I的冗余通道。AVD-I和AVD-II两者并行运行，从而得到两个独立的决策结果。然后将结果一起相“与(AND)”。仅当两个通道产生相同结果时，最终决策才得到安全状态。否则，由于决策结果的差异，将报告故障-安全状态。图15图示了AVD冗余通道及其功能独立性。

系统自诊断电路II

自诊断电路II是专用于AVD-II电路的自诊断电路I的冗余通道。这允许对所有系统关键元素进行双重验证和确认，并有助于增加对系统的功能和结果的有效性的甚至更多的置信度。

连接检测器

连接检测是设计中实现的另一个验证步骤以验证和确认已安装的 AVD系统是否按预期那样直接耦合并直接连接到被监测的设备，并且从而确保设备安装是完整的—AVD正在测量电源线上的实际电压，并且由于不知不觉地断开连接错误或安装故障而尚未注册无电压状况，使得每个相位的引线均短接在一起并留下麻刺感。在工业电气设备中，安装故障通常是由于故障的端接、热膨胀、或振动引起的松动或断开的连接。通过验证从AVD到主电源线的整个系统是否存在连续性，可以验证AVD系统的引线与电路导体之间是否存在连接。

图16描绘了用于连接检测(CD)的新颖设计概念。CD电路主要由三部分构成：1)RF信号发生器，2)RF信号检测器，和3)逻辑定序器。CD 电路旨在验证属于同一相位的两条线之间的连续性。导线在CD电路上物理上分开，并连接到电源线侧的同一端子(即相位)。每个相位都需要两条导线；三相系统除需要两条导线以用于安全接地之外，还需要六条导线。每个相位的一条导线连接到整个6极LC谐振滤波器的307KHz RF生成电路，该滤波器由两个信号电感器和两个X1Y1电容器串联构成。X1Y1电容器的额定电压为760VAC/1500VDC，并在初级电路(即电源线)和次级电路(即CD)之间形成具有8KV强制隔离的电容耦合。采用模拟解复用器对连接到电源线的所有三条导线上的所生成的频率进行排序。每个相位的其他导线通过另一个6 极LC谐振滤波器连接到频率检测器，该滤波器也由两个信号电感器和两个X1Y1电容器串联构成。这表示从电源线端子处的连接返回的RF信号。信号连接到耦合变压器的初级侧。变压器的次级侧通过RC偏置电压网络连接到模拟复用器。RF包络检测器用于检测信号幅度，该信号幅度将在下一级中与预定义的参考阈值进行比较。仅当属于同一相位的两条导线连接在电源线端子处时，检测到的信号幅度才会高于参考阈值。第一条安全接地导线连接到耦合变压器的初级侧。另一条导线连接到次级侧。在接地导线中的任何一条接地导线断开连接的情况下，在变压器初级电路和次级电路之间将不会存在 RF耦合，并且CD过程将无法通过连接验证。

图17图示了逻辑定序器框图。图18中示出了测试序列和预期结果的真值表。CD测试序列过程首先验证是否存在具有与由CD RF发生器生成的频率分量相似的频率分量(参见图18中的Cnt-Out 0—4(Cnt-输出0—4)) 的任何不想要的信号。接下来，该过程验证是否属于同一相位的导线中的任何导线与来自其他相位的导线进行交换。当且仅当Cnt-Out＝5、10和15时检测到307KHz RF信号时，CD测试将通过。

系统诊断控制器

诊断控制器(DMCU)负责为自诊断电路或测试测试仪生成序列顺序。DMCU对ADV-1、AVD-2、和CD子系统的功能或决策结果没有控制或影响。它仅读取自诊断过程的结果，以生成“诊断决策”，从而将另一个验证级别添加到安全状态指示。另外，DMCU会验证次级电源(电压电平)和操作温度。图19图示了DMCU输入和输出的概览。

信号评估与决策电路

信号评估是在级联设计中使用5个PMOS晶体管构建的。每个晶体管由五个子系统中的一个子系统生成的一个信号来驱动，如图20所示。当且仅当所有五个信号都具有逻辑“LOW(低)”时，安全信号输出才有效。意味着，两个通道的AVD被验证、连接被验证、两个通道的自诊断被验证、并且所有电源的电源检查被验证。

Claims

1.一种用于电压不存在检测器的连接系统，其特征在于，所述连接系统包括：

第一端子导线，所述第一端子导线连接至第一端子；

第二端子导线，所述第二端子导线连接至所述第一端子；

RF信号发生器，所述RF信号发生器连接至所述第一端子导线；以及

RF信号检测器，所述RF信号检测器连接至所述第二端子导线。

2.根据权利要求1所述的连接系统，其特征在于，进一步包括：

第三端子导线，所述第三端子导线连接至第二端子；

第四端子导线，所述第四端子导线连接至所述第二端子；

解复用器，所述解复用器连接至所述信号发生器；以及

复用器，所述复用器连接至所述RF信号检测器。

3.根据权利要求2所述的连接系统，其特征在于，进一步包括逻辑定序器，所述逻辑定序器用于使用所述复用器和解复用器来运行测试过程。