專利名稱:向與電路斷路器相關(guān)聯(lián)的電氣或電子設(shè)備供電的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于給一個(gè)或多個(gè)可操作地與低壓電路斷路器相關(guān)聯(lián)的電氣/電子設(shè)備供電的設(shè)備，即，用于使電壓逐漸達(dá)到1kV的設(shè)備。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于交流(AC)和直流(DC)應(yīng)用的高性能電源設(shè)備。
背景技術(shù)：
根據(jù)已知的技術(shù)發(fā)展水平，根據(jù)刀(pole)數(shù)(即，單刀或多刀)，或者根據(jù)操作類型(例如，電力線電路斷路器、用于檢測到地的故障電流的剩余電流電路斷路器、斷開連接器電路斷路器等等)，存在各種低壓電路斷路器。通常，這些電路斷路器特征在于它們與電氣或電子設(shè)備相關(guān)聯(lián)，這些電氣或電子設(shè)備諸如是如果特定條件(過載、短路或異常)發(fā)生就自動(dòng)打開電路斷路器的保護(hù)設(shè)備、信號(hào)設(shè)備、通信設(shè)備、或諸如釋放設(shè)備、彈簧加載(spring-loading)設(shè)備、開關(guān)線圈等等的通用附件。
為了正確工作，所述電氣或電子設(shè)備通常需要具有一般允許容限的、以給定電壓提供的電源，該電源必須確保電源Ps的可用度與所有設(shè)備或者有關(guān)的輔助負(fù)載(Aux.Loads)的吸收相適應(yīng)。所述電源Ps可以由適當(dāng)?shù)妮o助網(wǎng)絡(luò)或電池傳送，或者由能夠從電路斷路器安裝于其上的網(wǎng)絡(luò)直接獲取電力的特定電源單元傳送。
傳統(tǒng)上，存在用于從電路斷路器和相關(guān)設(shè)備安裝于其中的網(wǎng)絡(luò)直接獲取能量的各種類型的電源設(shè)備。
在第一種中，電源設(shè)備借助于變壓器和/或整流橋從主電網(wǎng)獲取電力，隨后借助于適合的無源和/或離散元件網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)所述電源。實(shí)際上，這種方法是非常強(qiáng)健的，并且能夠提供通常適當(dāng)?shù)碾娫碢s，但是其具有某些缺陷。無源和/或離散元件網(wǎng)絡(luò)的使用使其難以在不確定的時(shí)間段內(nèi)保證穩(wěn)定的電源條件，特別是在輔助負(fù)載所需的電源Ps和/或相位電壓VPH的可變性變化的情況下。
事實(shí)上，該解決方案依賴于如下設(shè)備的使用總是以特定切換頻率fSW管理該設(shè)備，并且將該設(shè)備設(shè)計(jì)成將具有接近優(yōu)選參考電壓(VR)的值的電壓提供給基于所謂的占空比中的變化進(jìn)行操作的電路，即通過用于充電諸如電容的電池的過程的、切換頻率為fSW的周期性“開-關(guān)”序列進(jìn)行操作的電路。在電容端子處的電壓根據(jù)以下公式依賴于其電荷是常識(shí)V＝Q*C其中，V是例如用伏特[V]表示的電壓；Q是例如用庫倫[C]表示的電荷；而C是例如用法拉[F]表示的電容的電容。
此外，根據(jù)公式IC＝dQ/dt＝C dV/dt或者，相反地V(t)=1C·∫0tI(t)dt]]>我們可以看出每當(dāng)電流ICL在電容CL中循環(huán)時(shí)，電荷Q和隨后在其端子處的電壓改變；例如這發(fā)生在正給其供電的設(shè)備(輔助負(fù)載)的吸收變化或者相位電壓(VPH)改變的情況下。因此，該方法包括測量所述電壓和周期性控制電容CL中具有特定的固定切換頻率fSW的電流脈沖序列，直到在該電容CL的端子處恢復(fù)了優(yōu)選電壓，從而使電容基本服從以固定切換頻率fSW循環(huán)充電的過程，并且調(diào)節(jié)相應(yīng)的占空比。更準(zhǔn)確地，假定根據(jù)已知的關(guān)系式TSW＝1/fSW，以秒表示的時(shí)間周期TSW物理上等于以赫茲表示的切換頻率fSW的倒數(shù)，那么給電容充電的過程在反饋振蕩器的每個(gè)周期TSW中，經(jīng)過從實(shí)質(zhì)上為0的最小值到最大值并再次返回到最小值(Clock & Duty循環(huán)控制)。實(shí)際上，當(dāng)電壓低于優(yōu)選值時(shí)，占空比獲得高值(即，周期TSW中“開”的部分長)，然而，當(dāng)電壓太高時(shí)，占空比采取技術(shù)上允許的最低值。
然而，如已經(jīng)表明的，所使用的組件的容限和物理限度以及隨后的慣性、滯后、轉(zhuǎn)變和熱漂移現(xiàn)象意味著在“開”和“關(guān)”狀態(tài)之間的交替切換沒有恰好發(fā)生在正確的時(shí)間其不是即時(shí)的，而是發(fā)生在周期TSW的決非可以忽略的部分中。從而，不可能獲得即時(shí)的開-關(guān)循環(huán)的事實(shí)為調(diào)節(jié)所述占空比設(shè)置了下限，該占空比通常在出現(xiàn)在10％和98％之間的理論值之間足夠有效地變化。結(jié)果，基于具有給定切換頻率fSW的占空比的即時(shí)校正，僅可以部分地限制電壓，并且所述調(diào)節(jié)不可能足夠地精確。
在窄的工作范圍之外，其他特定的耗散設(shè)備通過從電容獲取能量并將其轉(zhuǎn)換成熱，防止在電容端子處的電壓的任何不受控制的增加。但是，就整體尺寸和成本而言，所需的大量無源和離散組件也可能變?yōu)殛P(guān)鍵問題。實(shí)際上，已經(jīng)示出了防止系統(tǒng)的正確操作遭受僅在相位電壓VPH的受限動(dòng)態(tài)內(nèi)，大約在額定值的-30％和+100％之間的這些解決方案的基本上無效率，結(jié)果必須提供不同尺寸的電源設(shè)備以適合正在使用的網(wǎng)絡(luò)電壓。結(jié)果，基于這種方法的電源設(shè)備的使用相對于網(wǎng)絡(luò)電壓極不靈活，從而需要制造、安裝和操作成本的隨之增加。此外，由于耗散而導(dǎo)致的統(tǒng)計(jì)上可觀察到的高能耗導(dǎo)致了可觀的發(fā)熱以及更大的組件惡化，以及與由于為輔助負(fù)載實(shí)際傳送的電源所導(dǎo)致的副作用相比，在主網(wǎng)絡(luò)的能量平衡方面具有更大的負(fù)面副作用。該不足的能量效率可能在某些有關(guān)組件中導(dǎo)致高達(dá)140℃的溫度。
前述類型的電源設(shè)備的另一缺陷涉及所謂的啟動(dòng)時(shí)間TSU，即到達(dá)穩(wěn)態(tài)所花費(fèi)的時(shí)間相對長，例如當(dāng)涉及給保護(hù)設(shè)備供電時(shí)，這可能變?yōu)殛P(guān)鍵問題。例如，當(dāng)在潛在的短路條件下關(guān)閉電路斷路器時(shí)，可能發(fā)生問題，在這種情況下，電源到保護(hù)設(shè)備的任何延遲趨向于被轉(zhuǎn)化為對于系統(tǒng)和電路斷路器的破壞。
構(gòu)造第二種電源設(shè)備以便傳導(dǎo)直接來自用于記錄線電流IL的值的傳感器的電力。例如，在基于變流器(CT)傳感器的使用的電路斷路器的情況下，該解決方案是可應(yīng)用的，其中該CT傳感器適合于同時(shí)提供指示在該階段中循環(huán)的電流值的信號(hào)以及給與該電路斷路器相關(guān)聯(lián)的電氣和電子設(shè)備供電。
例如，如在德國專利DE19819149中所描述的第二種解決方案提供了不依賴于相位電壓VPH的不可否認(rèn)的優(yōu)點(diǎn)，但是其仍然暴露了相當(dāng)多的缺陷。事實(shí)上，可以由電源設(shè)備傳送的電源電壓VPS在此情況下受線電流IL的值影響，電流IL的值被認(rèn)為是一般電路中最易變的參數(shù)。結(jié)果，從網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)的電力在此情況下也不能被直接傳送到輔助負(fù)載。以與第一種設(shè)備的上述方式幾乎相同的方式，在該第二種情況下在此再次將以恒定的切換頻率fSW控制移相器與用于耗散任何過多能量的單元一起使用，從而補(bǔ)償線電流IL和由輔助負(fù)載吸收的電源PS中的任何變化。這樣，與具有恒定頻率的所謂的占空比的無效率相關(guān)的缺陷保持幾乎相同。
上述類型的電源設(shè)備的另一缺陷在此再次在于冗長的啟動(dòng)時(shí)間TSU。事實(shí)上，由于線電流IL的初始值通常是未知的，所以不可能有任何實(shí)際保證；最多，最小時(shí)間總是在16ms至20ms的范圍內(nèi)，并且出于前面解釋的原因，該時(shí)間很難被認(rèn)為是令人滿意的，特別是為了保護(hù)設(shè)備的目的。
在變流傳感器的使用中固有的另一限制在于它們只能工作于以AC供電的網(wǎng)絡(luò)中，而不能工作于DC應(yīng)用中。
上述兩種解決方案共有的另一缺陷得自于如下事實(shí)移相器的最佳切換頻率fSW大約為幾千赫茲，因此遠(yuǎn)高于主頻率(其一般為50或60Hz)，并且該情形被轉(zhuǎn)化為相當(dāng)大的例如與由保護(hù)設(shè)備控制的信號(hào)相關(guān)、且以到主電網(wǎng)的不需要的逆流形式的電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)。在圖1中的示波圖中示出了該現(xiàn)象。
上述兩種已知解決方案共有的另一缺陷在于其低的一般性能和能量效率(當(dāng)耗散器起作用時(shí)，其甚至變得更差)；所述電源的能耗可能甚至足以導(dǎo)致該段電力網(wǎng)能量平衡中的相當(dāng)大的破壞，在該段電力網(wǎng)中給電路斷路器安裝有用于供電的其相關(guān)設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要技術(shù)目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)用于可操作地與低壓電路斷路器相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)電氣或電子設(shè)備的電源設(shè)備，其使得前述缺陷能夠被克服，并且更具體地，在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(VPH或IL)和正給其供電的設(shè)備的吸收參數(shù)(PS)的很寬范圍中適當(dāng)?shù)毓ぷ鳌?br> 在該技術(shù)目標(biāo)的情況下，本發(fā)明的一個(gè)目的是要實(shí)現(xiàn)一種用于給可操作地與低壓電路斷路器相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)電氣或電子設(shè)備供電的設(shè)備，該設(shè)備具有高的能量效率并且急劇減少了需要消極地耗散任何過多電力的情況。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于實(shí)現(xiàn)一種用于可操作地與低壓電路斷路器相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)電氣或電子設(shè)備的電源設(shè)備，該電源設(shè)備能夠減少過熱現(xiàn)象，從而減少使組件受到迅速隨之而來的惡化。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于實(shí)現(xiàn)一種用于可操作地與低壓電路斷路器相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)電氣或電子設(shè)備的電源設(shè)備，該電源設(shè)備不產(chǎn)生極大的電磁類型干擾。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于實(shí)現(xiàn)一種用于可操作地與低壓電路斷路器相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)電氣或電子設(shè)備的電源設(shè)備，該電源設(shè)備具有受限的整體尺寸并且可靠且易于以相對低的成本制造。
前述技術(shù)目標(biāo)以及自以下描述顯現(xiàn)的上述和其他目的通過根據(jù)所附權(quán)利要求
所述的電源設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。
更準(zhǔn)確地，與電路斷路器相關(guān)聯(lián)的電器/電子設(shè)備的定義用于意指一種實(shí)際上作為獨(dú)立主體耦接至電路斷路器的結(jié)構(gòu)上獨(dú)立的設(shè)備，以便給后者安裝已為其構(gòu)思了前者的功能，或者一種被開發(fā)為集成部件且直接合并在電路斷路器的物理結(jié)構(gòu)中的設(shè)備，或者甚至是一種借助于上述兩種選擇的組合而實(shí)現(xiàn)的設(shè)備，即包括多個(gè)部件，其中一些已經(jīng)被集成在電路斷路器中，隨后在實(shí)際應(yīng)用中將其可操作地相互連接以便服務(wù)于所需目的。
從以下對于根據(jù)本發(fā)明的電源設(shè)備的優(yōu)選但不唯一的實(shí)施例的描述中顯現(xiàn)本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中提供了本發(fā)明的非限制性示例，其中-圖1是圖示已知類型的電源設(shè)備的典型網(wǎng)絡(luò)干擾現(xiàn)象的示波圖；-圖2示意性地圖示根據(jù)本發(fā)明的電源設(shè)備的第一實(shí)施例；-圖3示意性地圖示根據(jù)本發(fā)明的電源設(shè)備的第二實(shí)施例；-圖4示意性地圖示根據(jù)本發(fā)明的電源設(shè)備中使用的保護(hù)設(shè)備；-圖5示出了圖示源于根據(jù)本發(fā)明的任一實(shí)施例的電源設(shè)備的使用的網(wǎng)絡(luò)干擾現(xiàn)象的顯著減少(通過與圖1所示的情況相比較)的示波圖；-圖6示出了表示假設(shè)正給其供電的設(shè)備恒定吸收時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的電源設(shè)備的一些典型工作參數(shù)的各種示波圖。
具體實(shí)施方式圖2示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的電源設(shè)備的第一實(shí)施例，其始終由附圖標(biāo)記100指示，包括適于從電源線獲取電力的裝置1；電子調(diào)節(jié)裝置，接收由用于獲取電力的裝置1收集的電力作為輸入，所述電力優(yōu)選地為電流形式，并將具有出現(xiàn)在相對于預(yù)設(shè)參考電壓(VR)建立的范圍內(nèi)的值的電源電壓(VOUT)傳送到正給其供電的電氣/電子設(shè)備，所述設(shè)備由附圖標(biāo)記20示意性地指示。
為了便于描述，盡管明顯可以由根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備同時(shí)給多個(gè)電氣/電子設(shè)備20供電，但是在圖中僅圖示了用于供電的單個(gè)設(shè)備20。
此外，附圖僅圖示了來自電源線的單個(gè)導(dǎo)體1；這是以通過適當(dāng)?shù)剡m配或配置該導(dǎo)體，可以將以下描述的內(nèi)容同等地應(yīng)用于任意數(shù)量的電力線導(dǎo)體為條件的。
在圖2所示的實(shí)施例的示例中，配置用于獲取電力的裝置，使得以電流形式從線路中收集電力，并且其例如包括變流器(CT2)，其直接傳送電流信號(hào)IO作為輸出；根據(jù)方法并且為了在以后進(jìn)行更詳細(xì)的解釋，將所述電流信號(hào)傳送到電子調(diào)節(jié)裝置。
可替換地，在圖3的實(shí)施例中，可以設(shè)計(jì)用于獲取電力的裝置，使得例如通過直接耦接到線路1的連接端子直接從電力線1收集電壓信號(hào)(相位電壓VPH)形式的能量，或者通過插入變壓器為了引入適宜的變換比率和/或使能線路和電源設(shè)備的電流去耦(galvanicuncoupling)，間接從電力線1收集電壓信號(hào)(相位電壓VPH)形式的能量。
優(yōu)選地，該實(shí)施例涉及用于變換電壓信號(hào)的合適的電阻3的使用；以此方式，在此再次通過電流信號(hào)表示要傳送給電子調(diào)節(jié)裝置的具有能量內(nèi)容的信號(hào)。
不考慮或者除了以下將變得更清楚的上述和其他功能和目的，例如，通過在兩個(gè)預(yù)設(shè)參考點(diǎn)之間，例如其兩個(gè)末端之間，具有預(yù)先建立的值的電阻抗(RSENSE)的至少一段電導(dǎo)體元件，在任何情況下都可以設(shè)置在設(shè)備100中使用電阻。例如，電阻3可以是適當(dāng)加載有諸如6％的Ni的受控比例的其他化學(xué)元素的一段銅條。根據(jù)本發(fā)明的變體，在需要或必要的情況下，可以使電阻，并且尤其是在其末端的阻抗值大小適當(dāng)，以便省略變換器的使用；在此情況下，沿著線路導(dǎo)體1順序放置電阻，并且線電流流經(jīng)所述電阻，從而其用作電力輸出。
此外，可以有利地將電源設(shè)備100與DC和AC電力線二者一起使用。在后一種情況下，安排使用諸如二極管橋的整流單元30，如圖中所示，這使得—如圖3的實(shí)施例中那樣—能夠獲得非必要的恒定直流I1，該直流I1具有基本上等于電流I0的模的趨勢。更具體地，整流單元30接收具有通常交替的趨勢的電流I0作為輸入，并且產(chǎn)生表示I0的整流后的電流I1作為輸出，該電流I1具有基本上為正的雙半波趨勢。如前所述，在以電壓形式收集電力的情況下，可以通過電阻3將所述電壓轉(zhuǎn)換成電流。
在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中，電子調(diào)節(jié)裝置有利地包括—能量存儲(chǔ)單元，例如包括至少一個(gè)可通過由用于獲取電力的裝置傳送的電力充電的電容4，在其端子處，建立表示傳送到正給其供電的電氣/電子設(shè)備20的電源電壓(Vout)的電壓(VCL)；—電路40，用于使能/禁用存儲(chǔ)單元充電過程；—反饋電路50，其輸入是表示在存儲(chǔ)單元的端子處的電壓(VCL)的信號(hào)，而其輸出是給使能/禁用電路40的命令信號(hào)，該使能/禁用電路40適合于禁用或使能充電過程，以便將在存儲(chǔ)單元的端子處的電壓(VCL)的值保持在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。為了更具體，反饋電路使能電力存儲(chǔ)單元的連續(xù)充電，直到在其端子處的電壓值(VCL)在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，具體地，直到所述電壓值達(dá)到預(yù)設(shè)范圍的上限。
有利地，通過扼流傳送給電子調(diào)節(jié)裝置的電流的波形，即反饋電路50使能充電以便打開窗口，并且連續(xù)且完全地利用所傳送的電力而不考慮其參數(shù)，連續(xù)地實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元的充電。具體地，如果到來的電力是電流形式，則進(jìn)行充電，而與其強(qiáng)度或者波形無關(guān)；換言之，作為輸入所接收的電流的波形被完全利用，并且在已經(jīng)達(dá)到與預(yù)設(shè)的電壓范圍的上限相對應(yīng)的適當(dāng)電荷時(shí)，切斷該波形。
根據(jù)特別優(yōu)選的實(shí)施例，根據(jù)與任何控制頻率無關(guān)的非線性模式，更優(yōu)選地為“切換”或開/關(guān)模式，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元的充電的即時(shí)反饋調(diào)節(jié)，具體地，實(shí)現(xiàn)電容4的充電的即時(shí)反饋調(diào)節(jié)。
在附圖中所示的實(shí)施例中，反饋電路50包括比較單元，例如，比較器51、相加節(jié)點(diǎn)形式的相加單元52和例如包括時(shí)鐘和存儲(chǔ)器的采樣和保持單元53；所述單元51-53可以被例如集成在微控制器中。此外，優(yōu)選地預(yù)先安排使用低通濾波器54，該低通濾波器54例如包括公共的RC電路。
使能/禁用電路40有利地包括至少一個(gè)半導(dǎo)體電子器件41，其可以如圖2所示并行連接到能量存儲(chǔ)單元4，或者如圖3所示串行連接到能量存儲(chǔ)單元4；半導(dǎo)體電子器件41可以優(yōu)選地具有例如一個(gè)或多個(gè)“MOSFET”、“BJT”或者“IGBT”晶體管等的形式。
電子調(diào)節(jié)裝置還包括第一二極管9，其被放置在存儲(chǔ)單元的上游，從而防止該存儲(chǔ)單元不適當(dāng)?shù)南蛏嫌畏烹?，并且如果必要的話，第二二極管10被放置在存儲(chǔ)單元的下游，以防止來自正給其供電的設(shè)備20的能量逆流。
根據(jù)特別優(yōu)選的實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的電源設(shè)備包括多個(gè)保護(hù)單元，適于對由于例如在電源線1中出現(xiàn)的條件而導(dǎo)致的、或者由正給其供電的設(shè)備造成的、或者由于在電源設(shè)備中固有的工作條件而導(dǎo)致的異常工作條件的出現(xiàn)做出反應(yīng)，其中電源設(shè)備從該電源線1收集能量。
這些保護(hù)單元包括限制單元(Tz)，用于當(dāng)給存儲(chǔ)單元的端子的電壓超過預(yù)設(shè)的安全閾值時(shí)切斷該電壓；如圖2和3中所示，這些限制單元連接到第一節(jié)點(diǎn)7，并且例如包括至少一個(gè)快速動(dòng)作(rapid-acting)功率齊納二極管8，用于包含由熱耗散而在電容4的端子處出現(xiàn)的任何短暫的電壓峰值。
所述保護(hù)單元有利地還包括至少一個(gè)電阻(Rsense)，該電阻優(yōu)選地與前述電阻3相一致，適合于可操作地耦接到電源線。具體地，電阻3可以被耦接到線路1，以便表示在所述電源線1中循環(huán)的電流的電流流經(jīng)所述電阻，從而在電阻3的端子處提供表示線路1中的電流的電壓?？梢詫⒅甘驹陔娮?的端子處的電壓的信號(hào)直接傳送給反饋電路50，或者到并行連接到電阻3的、如圖4中用附圖標(biāo)記5示意性地示出的電路保護(hù)器件，或者出于下面將詳細(xì)解釋的目的，可操作地耦接到反饋電路50。如圖4所示，例如，保護(hù)設(shè)備5可以包括差分放大器。
根據(jù)本發(fā)明的另一變體，在設(shè)備100中可以安排電阻3(Rsense)的使用，該電阻3可操作地耦接到電源線，從而在其端子處建立表示所述電源線的相位電壓的電壓；出于下面將進(jìn)一步解釋的目的，因此將對應(yīng)于所述電壓的信號(hào)傳送到電路保護(hù)器件5。
實(shí)際上，在諸如圖2的實(shí)施例中的工作條件下，用于獲取電力的裝置的下游存在著在正常工作條件下與流經(jīng)二極管9的電流I2相一致的電流I1。在第二節(jié)點(diǎn)11處，電流I2被分為分別流經(jīng)電容4(CL)和正給其供電的設(shè)備20的電流ICL和ILOAD，在可用的情況下二極管10與設(shè)備20串行連接。電流ICL充電電容4，在電容4的端子處存在著電壓VCL；所述電壓VCL指示傳送給設(shè)備20的電源電壓(Vout)，并且基本上與其相一致；事實(shí)上，如果有的話，在第二二極管10的端子處的電壓降落一般可以忽略不計(jì)。
表示在電容4的端子處的瞬時(shí)電壓VCL的信號(hào)作為輸入由反饋電路40接收；更具體地，所述信號(hào)經(jīng)過低通濾波器54，從而產(chǎn)生表示VCL但是清除了任何背景噪聲或者諧波的值VCL1。隨后通過采樣和保持單元53以及相加單元52使該信號(hào)與比較器51相適應(yīng)，其中該采樣和保持單元53采樣和記錄所接收的信號(hào)，而相加單元52例如計(jì)算在預(yù)設(shè)的參考值VR和值VCL1之間的差值，從而產(chǎn)生信號(hào)Δ＝VR-VCL1。例如，通過將正號(hào)賦予VR而將負(fù)號(hào)賦予VCL1來完成該計(jì)算。最后，比較器51接收信號(hào)Δ作為輸入，并且產(chǎn)生控制使能/禁用電路40的相應(yīng)的使能/禁用信號(hào)。
進(jìn)行更詳細(xì)討論，在圖2的實(shí)施例中，對于值Δ≤0-ε1，半導(dǎo)體電子器件41進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，從而關(guān)閉在限制單元的端子處的短路電路，并因此分流了到來的電流，結(jié)果中斷電容4的充電，從而將其恢復(fù)到工作范圍內(nèi)的可接受條件；對于值Δ≥0+ε2，設(shè)備41進(jìn)入打開狀態(tài)，從而使得充電電流能夠流經(jīng)電容4。
因此，對于值VCL1＜VR，即，直到預(yù)設(shè)的閾值，使能電容充電過程，而對于值VCL1＞VR，即，超過了預(yù)設(shè)閾值，反饋電路40允許電容4獨(dú)自瞬間提供的電流ILOAD，從而隨后的放電過程將電壓值VCL恢復(fù)到期望的值VR。當(dāng)然，倘若保留一般邏輯從而使得充電能夠與VCL1的減少相一致并且當(dāng)VCL1變得過大時(shí)能夠暫停充電，則對符號(hào)“+”或“-”的選擇以及對符號(hào)“＜”或“＞”的選擇取決于用戶。選擇閾值ε1和ε2以便適合正在使用的組件的特性和用戶期望獲得的、正在傳送的電力的電壓值的容限。具體地，必須建立為反饋過程作為參考而采用的閾值ε1和ε2，以便將由電源設(shè)備產(chǎn)生的電壓保持在所需的有效容限內(nèi)，例如該有效容限由與上限值VR+ε10和下限值VR-ε20相對應(yīng)的容限值對ε10和ε20來表征。參考值對ε1和ε2通常比容限值對ε10和ε20更受限制，以便說明一般的慣性現(xiàn)象?？梢苑治鲂缘鼗蚪?jīng)驗(yàn)性地建立所選擇的容限值ε10和ε20和相應(yīng)的閾值ε1和ε2之間的一致性。
在圖3的實(shí)施例中，設(shè)備41根據(jù)就像在圖2的實(shí)施例中描述的解決方案一樣有效的、可替換類型的安裝解決方案工作，其中設(shè)備41關(guān)閉以便使能存儲(chǔ)單元的充電，并且打開以便中斷所述過程。
可替換地，根據(jù)圖2的配置的反饋電路40(并行連接的設(shè)備41)也可以用在圖3的實(shí)施例中，從而適當(dāng)?shù)匦?zhǔn)電阻(RSENSE)的阻抗。
優(yōu)選地，配置根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備100，從而使基本上是恒定的但可以預(yù)先調(diào)節(jié)的值VR服從正在使用的電氣和電子組件的電參數(shù)，以使其盡可能的通用；使用所述調(diào)節(jié)，由兩個(gè)閾值ε1和ε2定義的容限的限制可以保持幾乎不變。
在正常工作條件下，沒有電流流經(jīng)連接到節(jié)點(diǎn)7的限制單元(TZ)8；不為零的電流ITZ流經(jīng)限制單元僅僅是偶然的，例如在線路1上的相位電壓(VPH)突然變化，或者設(shè)備20的吸收突然變化的情況下。假若電流ICL意欲盡可能快地充電存儲(chǔ)單元，則電子限制單元TZ建立有關(guān)電壓VCL的任何脈沖(即傳送給設(shè)備20的電壓)的安全限制。
有利地，計(jì)算限制單元TZ的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)在電壓VTZ處的切斷，電壓VTZ是稍高于所需的VR的值；計(jì)算這些參數(shù)以便VTZ略微超過設(shè)備正常操作的容限上限。例如，對于VR＝12V±10％(工作裕度)，可以使用限制單元將電壓VTZ切斷在值13.4V處。對VTZ的正確設(shè)置(安全裕度)使得設(shè)備100的正確操作能夠例行地委托給反饋電路40，并且對限制單元TZ的干涉能夠僅在異常條件下被發(fā)起。這意味著在根據(jù)本發(fā)明的電源設(shè)備中，將電壓VCL維持在幾乎恒定的值，不管例如主電壓或輔助負(fù)載的吸收中的任何突然變化，諸如在啟動(dòng)時(shí)可能發(fā)生的任何突然變化，該值從不高于預(yù)設(shè)值VTZ。由于避免了對連接在電源設(shè)備的下游的所述輔助電路的破壞的風(fēng)險(xiǎn)，所以這是特別有利的。
隨后，保護(hù)設(shè)備5接收表示在電阻3的端子處的電壓的信號(hào)輸入(其還表示在線路1上的導(dǎo)體中循環(huán)的電流IO)，并將表示在電源線1中循環(huán)的電流的、對應(yīng)的調(diào)節(jié)和/或去耦后的信號(hào)發(fā)送到反饋電路50。反饋電路50處理該信號(hào)，例如，通過濾波器56、采樣和保持單元57、分流器58和將該信號(hào)與其他預(yù)設(shè)閾值比較的比較器59當(dāng)表示在電源線中循環(huán)的電流的所述輸入信號(hào)的值高于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，電路50將對應(yīng)信號(hào)發(fā)送到使能/禁用電路40以禁用充電過程。
在電路50直接接收指示在電阻3的端子處的電壓的信號(hào)的情況下(即，沒有流經(jīng)熔斷器5)操作是類似的。圖2和3中所示的元件60是邏輯OR運(yùn)算器，該運(yùn)算器接收來自比較器51或59的信號(hào)，然后使電路40可以得到對應(yīng)的命令信號(hào)。
在圖3所示的解決方案中，保護(hù)設(shè)備5根據(jù)類似原理工作，但是在電阻3的端子處的、指示在其中循環(huán)的電流IO的電壓在該情況下基本上與相位電壓VPH相關(guān)。
這使得在例如電流I0快速增長的情況下能夠預(yù)見存儲(chǔ)單元4的任意充電，從而進(jìn)一步改善本發(fā)明任一實(shí)施例的穩(wěn)定性和性能，并進(jìn)一步限制產(chǎn)生對環(huán)境的電磁干擾。
類似地，如果在電阻3的端子處存在指示線路1的相位電壓的電壓，則電路保護(hù)器件5接收指示在電阻3的端子處的所述電壓的輸入信號(hào)，并將相應(yīng)的調(diào)節(jié)和/或去耦后的信號(hào)傳送到反饋電路50，該信號(hào)指示電源線1的相位電壓；反饋電路50以與前述方式幾乎相同的方式處理所述信號(hào)，并且如果指示該電源線的相位電壓的輸入信號(hào)的值超過預(yù)設(shè)閾值，則將禁用信號(hào)發(fā)送到使能/禁用電路40，從而預(yù)見其對線路上的電壓峰值的反應(yīng)。
已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上表明，根據(jù)本發(fā)明的電源設(shè)備完全滿足前述的技術(shù)目標(biāo)和目的，從而在已知的技術(shù)發(fā)展水平上提供大量的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)功能上的改進(jìn)。事實(shí)上，通過實(shí)現(xiàn)高能、非線性的充電過程調(diào)節(jié)，尤其是開/關(guān)類型的充電過程調(diào)節(jié)，即通過打開/關(guān)閉能量輸入窗口，設(shè)備100使得可用能量能夠僅以所需的量度且在達(dá)到工作狀態(tài)所花費(fèi)的時(shí)間中被利用，從而以基本上獨(dú)立于任何特定控制頻率的方式，確保在從其獲取能量的線路的參數(shù)以及正給其供電的設(shè)備的吸收參數(shù)的很寬范圍內(nèi)最佳運(yùn)作。結(jié)果，如在已知的電源設(shè)備中，特別是在前述的第一種電源設(shè)備中那樣，對熱耗散的需求被唯一地限制于偶然的發(fā)生，簡直可以說是異常工作條件的發(fā)生，并且正在使用的部件的散熱和磨損隨之減少，以及電源設(shè)備的工作期更長且可靠性更高。
此外，如圖5的示波圖總體所示出的，并且如在圖6所示的一組示波圖中更詳細(xì)示出的，如下事實(shí)減少或者甚至消除了相關(guān)的電磁干擾不必再借助于特定頻率的連續(xù)脈沖實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，而是通過最佳利用瞬間的能量可用性來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。
進(jìn)行更詳細(xì)討論，圖6示出了在節(jié)點(diǎn)7處電壓(V7)的電流I1(不可控制的參數(shù))的趨勢，該趨勢指示隨后的充電過程，設(shè)備41的狀態(tài)(斷或通)，即在與圖2的實(shí)施例有關(guān)的使能/禁用命令的情況下，其中打開位置對應(yīng)于充電使能階段，而最終對應(yīng)于VCL相對于參考電壓VR的恒定值的趨勢(即，實(shí)際上，由設(shè)備100產(chǎn)生該電壓)。
更具體地，示出V7的趨勢的曲線圖清楚示出了甚至在來自網(wǎng)絡(luò)的能量適當(dāng)可用(例如，與時(shí)間0.14相一致，其中I1接近0)的情況下，可以在長時(shí)間段內(nèi)維持充電過程，而沒有中斷，從而在網(wǎng)絡(luò)能量峰值(例如，與時(shí)間0.16相一致)的情況下，單個(gè)充電階段具有更加受限的持續(xù)時(shí)間，并且更不頻繁。
立刻變得明顯的特定優(yōu)點(diǎn)包括基于來自正給其供電的負(fù)載的實(shí)際能量需求和來自網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際能量可用度在充電和不充電周期的持續(xù)時(shí)間中能夠具有不確定的可變性，從而產(chǎn)生幾乎無限數(shù)量的可能組合。同樣突出的是甚至在來自網(wǎng)絡(luò)的能量的可用性突然變化的情況下，將電壓VCL異常好地保持在期望的限制內(nèi)。
設(shè)備100還具有受限的短暫時(shí)間(或啟動(dòng)時(shí)間TSU)，從而快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
最后，但是當(dāng)然不是最不重要的，可以與任何低壓電路斷路器相結(jié)合使用根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，并且如前所述，該設(shè)備可以耦接到多種電氣系統(tǒng)中的DC或者AC低壓電源線，并且特別是用于工業(yè)應(yīng)用的那些電源線。因此，本發(fā)明的另一個(gè)目的包括低壓電氣系統(tǒng)或者低壓電路斷路器，特別是用于工業(yè)應(yīng)用的低壓電氣系統(tǒng)或者低壓電路斷路器，其每一個(gè)特征在于，它們包括根據(jù)上述描述以及所要求的電源設(shè)備100。
權(quán)利要求
1.一種用于向可操作地與低壓電路斷路器相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)電氣/電子設(shè)備供電的電源設(shè)備，包括用于從電源線獲取能量的裝置，電子調(diào)節(jié)裝置，用于接收由所述用于獲取能量的裝置收集的能量作為輸入，并將具有在相對于參考電壓(VR)的預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的值的電源電壓(Vout)傳送給所述電氣/電子設(shè)備作為輸出，其特征在于，所述電子調(diào)節(jié)裝置包括能量存儲(chǔ)單元，可通過由所述用于獲取能量的裝置收集的能量充電，其端子攜帶表示被傳送到所述電氣/電子設(shè)備的電源電壓(Vout)的電壓(VCL)；用于使能/禁用所述能量存儲(chǔ)單元的充電的電路；反饋電路，接收表示在所述能量存儲(chǔ)單元的端子處的電壓(VCL)的輸入信號(hào)，并將命令信號(hào)發(fā)送給所述使能/禁用電路，使得后者禁用或使能充電過程，以便將在所述能量存儲(chǔ)單元的端子處的電壓保持在所述預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，所述反饋電路使能充電階段，以便給所述能量存儲(chǔ)單元連續(xù)供電，直到在其端子處的電壓在所述預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的電源設(shè)備，其特征在于，將由所述用于獲取能量的裝置收集的能量以電流的形式傳送給所述電子調(diào)節(jié)裝置，并且通過扼流輸入到所述電子調(diào)節(jié)裝置的電流的波形，連續(xù)實(shí)現(xiàn)所述能量存儲(chǔ)單元的充電。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的電源設(shè)備，其特征在于，根據(jù)非線性反饋調(diào)節(jié)模式實(shí)現(xiàn)所述能量存儲(chǔ)單元的充電。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3的電源設(shè)備，其特征在于，根據(jù)切換反饋調(diào)節(jié)模式實(shí)現(xiàn)所述能量存儲(chǔ)單元的充電。
5.根據(jù)一個(gè)或多個(gè)前述權(quán)利要求
中的電源設(shè)備，其特征在于，所述電子調(diào)節(jié)裝置包括適于在異常工作條件發(fā)生的情況下采取動(dòng)作的保護(hù)單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1的電源設(shè)備，其特征在于，所述反饋電路包括比較單元，用于接收指示在所述參考電壓(VR)的值和指示在所述能量存儲(chǔ)單元的端子處的電壓(VCL)的值之間的差值的信號(hào)作為輸入，并且將對應(yīng)的使能/禁用命令信號(hào)發(fā)送到所述使能/禁用電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6的電源設(shè)備，其特征在于，所述反饋電路包括相加單元，用于接收指示在所述能量存儲(chǔ)單元的端子處的電壓(VCL)的信號(hào)以及指示所述參考電壓(VR)的信號(hào)作為輸入，并且將指示這些信號(hào)之間的差值(Δ)的信號(hào)作為輸出發(fā)送到所述比較單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7的電源設(shè)備，其特征在于，所述反饋電路包括低通濾波器，用于接收指示在所述能量存儲(chǔ)單元的端子處的電壓(VCL)的信號(hào)作為輸入，并且清除任何諧波，以及采樣和保持單元，用于采樣和記錄從所述低通濾波器接收的信號(hào)，并將其發(fā)送到所述相加單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1的電源設(shè)備，其特征在于，所述使能/禁用電路包括至少一個(gè)半導(dǎo)體電子器件。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9的電源設(shè)備，其特征在于，所述至少一個(gè)半導(dǎo)體電子設(shè)備并行連接到所述能量存儲(chǔ)單元。
11.根據(jù)權(quán)利要求
9的電源設(shè)備，其特征在于，所述至少一個(gè)半導(dǎo)體電子器件串行連接到所述能量存儲(chǔ)單元。
12.根據(jù)一個(gè)或多個(gè)前述權(quán)利要求
中的電源設(shè)備，其特征在于，包括至少一個(gè)串行安裝的電阻(Rsense)，其中在所述電線中循環(huán)的電流流經(jīng)所述電阻。
13.根據(jù)權(quán)利要求
5的電源設(shè)備，其特征在于，所述保護(hù)單元包括至少一個(gè)電阻(Rsense)，用于與所述電源線可操作地耦接，使得指示在其中循環(huán)的電流的電流流經(jīng)所述電阻，并且將指示在所述電阻(Rsense)的端子處建立的電壓的信號(hào)直接傳送給所述反饋電路。
14.根據(jù)權(quán)利要求
5的電源設(shè)備，其特征在于，所述保護(hù)單元包括至少一個(gè)電阻(Rsense)，用于與電源線可操作地耦接，使得指示在其中循環(huán)的電流的電流流經(jīng)所述電阻；以及電路保護(hù)器件，用于接收指示所述電阻的端子處的電壓的信號(hào)作為輸入，并將對應(yīng)的調(diào)節(jié)和/或去耦后的信號(hào)發(fā)送給所述反饋電路，其中所述信號(hào)指示在所述電源線中循環(huán)的電流，只要所述反饋電路接收的信號(hào)的值(其指示在電源線中循環(huán)的電流)超過預(yù)設(shè)閾值，所述反饋電路隨后將禁用信號(hào)發(fā)送給所述使能/禁用電路。
15.根據(jù)權(quán)利要求
5的電源設(shè)備，其特征在于，所述保護(hù)單元包括至少一個(gè)電阻(Rsense)，用于與所述電源線可操作地耦接，在所述電阻的端子處建立指示電源線的相位電壓的電壓；以及電路保護(hù)器件，用于接收指示在所述電阻的端子處的電壓的信號(hào)，并將指示所述電源線的相位電壓的、對應(yīng)的調(diào)節(jié)和/或去耦后的信號(hào)發(fā)送給所述反饋電路，其中如果指示所述電源線的相位電壓的信號(hào)的值超過預(yù)設(shè)閾值，所述反饋電路將禁用信號(hào)發(fā)送給所述使能/禁用電路。
16.根據(jù)權(quán)利要求
5的電源設(shè)備，其特征在于，所述保護(hù)單元包括限制單元，用于只要提供給所述能量存儲(chǔ)單元的端子的電壓超過預(yù)設(shè)的安全閾值，就切斷所述電壓。
17.根據(jù)一個(gè)或多個(gè)前述權(quán)利要求
中的電源設(shè)備，其特征在于，所述電子調(diào)節(jié)裝置包括第一二極管，安裝在所述能量存儲(chǔ)單元的上游，用于防止所述能量存儲(chǔ)單元向上游放電；以及第二二極管，安裝在所述能量存儲(chǔ)單元的下游，用于防止來自所述電氣/電子設(shè)備的能量逆流。
18.一種低壓電路斷路器，其特征在于，其包括根據(jù)一個(gè)或多個(gè)前述權(quán)利要求
中的電源設(shè)備。
19.一種低壓AC/DC電氣系統(tǒng)，其特征在于，其包括根據(jù)權(quán)利要求
1至17中的一個(gè)或多個(gè)的電源設(shè)備。
專利摘要
一種向與低壓電路斷路器相關(guān)聯(lián)的電氣/電子設(shè)備供電的電源設(shè)備，包括從電源線獲取能量的裝置，電子調(diào)節(jié)裝置，接收由獲取能量的裝置收集的能量作為輸入，將具有在相對于參考電壓的預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的值的電源電壓傳送給電氣/電子設(shè)備作為輸出，電子調(diào)節(jié)裝置包括能量存儲(chǔ)單元，通過由獲取能量的裝置收集的能量充電，其端子攜帶表示被傳送到電氣/電子設(shè)備的電源電壓的電壓；使能/禁用能量存儲(chǔ)單元的充電的電路；反饋電路，接收表示在能量存儲(chǔ)單元的端子處的電壓的輸入信號(hào)，將命令信號(hào)發(fā)送給使能/禁用電路，使得后者禁用或使能充電過程，以便將在能量存儲(chǔ)單元的端子處的電壓保持在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，反饋電路使能充電階段，以便給能量存儲(chǔ)單元連續(xù)供電，直到在其端子處的電壓在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。
文檔編號(hào)G05F1/10GK1992491SQ200610156239
公開日2007年7月4日 申請日期2006年12月27日
發(fā)明者安東尼奧·M·加貝羅, 保羅·格里蒂 申請人:Abb服務(wù)有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan