测量和/或开关设备

摘要

本申请涉及一些方法，即当从初级电流产生次级电流时铁芯的磁化达到饱和时，如何从带有铁芯的电流互感器的次级电流的实际有效值中通过计算来算出校正的有效值。该校正的值模拟了未达到饱和时的情况。这可以为此而被充分利用，即在具有带有铁芯的电流互感器的测量和/或开关设备中，例如在低压断路器中应用一种比通常情况更小的带有铁芯的电流互感器。

权利要求

1.一种测量和/或开关设备，具有：用于输入初级电流(ip(t))的装置；带有铁芯的电流互感器(12)，所述电流互感器将所述初级电流转换成次级电流(is(t))；以及用于对所述次级电流进行分析评估的装置(14，16，18)，其特征在于，用于对所述次级电流(is(t))进行分析评估的所述装置(14，16，18)设计用于在分析评估时考虑到：当所述初级电流(ip(t))如此地高，即由所述初级电流所产生的磁场引起在所述铁芯的磁化中达到饱和的区域。

2.根据权利要求1所述的测量和/或开关设备，其特征在于，用于进行分析评估的所述装置(14，16，18)求出所述次级电流的校正的有效值(Iseff，korr)，当所述铁芯的磁化曲线看起来在所述铁芯的磁化中没有达到饱和时，在实际的次级电流中会得到所述校正的有效值。

3.一种测量和/或开关设备，其特征在于，所述测量和/或开关设备是低压断路器，其中，当校正的有效值(Iseff，korr)超出所述低压断路器的设定参数时，磁执行元件(20)使初级电路中断。

4.根据权利要求2或3所述的测量和/或开关设备，其特征在于，定义一个阈值(30，30′)，通过随时间变化的所述次级电流的数值求出超出所述阈值的持续时间，并随后由所述持续时间推导出所述校正的有效值(Iseff，korr)。

5.根据权利要求4所述的测量和/或开关设备，其特征在于，设置在所述电流互感器的次级侧下游的电路产生矩形脉冲曲线，在所述矩形脉冲曲线中，矩形脉冲的持续时间等于超出所述阈值的所述持续时间，其中将所述矩形脉冲曲线提供给模拟-数字-转换器，并由微控制器来记录所述矩形脉冲的持续时间。

6.根据权利要求4所述的测量和/或开关设备，其特征在于，所述电流互感器(12)的次级侧与模拟-数字-转换器(16)连接，并在设置在所述模拟-数字-转换器(16)下游的微控制器(18)中实现次级电流值与所述阈值(30，30′)的比较，从而所述微控制器推导出超出所述阈值的所述持续时间(α)。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的测量和/或开关设备，其特征在于，Iseff，korr＝Iseff，real·K(α)，其中Iseff，real为所述次级电流的有效值，并且Iseff，korr是所述次级电流的校正的有效值，其中K(α)是取决于所求出的所述持续时间α的校正系数，所述校正系数优选根据以下公式求出：$K\left(\alpha \right)=\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{\pi }(\alpha -\frac{\sin (2·\alpha )}{2})}}.$

8.根据权利要求2或3所述的测量和/或开关设备，其特征在于，求出用于所述次级电流(is(t))的波形系数(F)，作为所述次级电流的有效值Iseff，real与所述次级电流的数值平均值|is(t)|之比，并且根据组合特性曲线32为所述波形系数(F)分配校正系数K，并根据以下公式算出所述次级电流的校正的有效值Iseff，korr：Iseff，korr＝Iseff，real·K。

说明书

技术领域

本发明涉及一种设备，其使用了带有铁芯的电流互感器。带有铁芯的电流互感器将初级电流转换成次级电流。用于输入初级电流的装置相应地属于该设备。次级电流被以任意一种形式进行分析评估。为了满足该设备的目的，所记录的测量值或者次级电流被作为开关动作的基准数值来应用。与之相应地，该设备就是一种测量和/或开关设备。典型的应用情况是低压断路器。

背景技术

通过用于进行分析评估的装置，由次级电流倒推出初级电流。迄今为止都认为：次级电流的有效值与初级电流的有效值基本成线性。然而只有当初级电流用于铁芯的一种与其值成比例的磁化时，这才可能实现。因此铁芯不允许达到饱和磁化。处于饱和的区域完全不允许被达到。由于这种原因，在所述种类的设备中通常使用一种足够大尺寸的电流互感器。可能值得追求的是：人们可能应用更小的电流互感器。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种所述种类的、结构紧凑的测量和/或开关设备。
该目的通过以下途径来实现，即，用于对次级电流进行分析评估的装置设计用于，在分析评估时考虑到：当初级电流如此地高，即由该初级电流所产生的磁场引起在铁芯的磁化中达到饱和的区域。这种情况正好是磁化不再(基本上)与初级电流成线性地相关联的情况。所有这些情况导致了，次级电流的曲线形状与初级电流的曲线形状相偏离。
由此，即用于对次级电流进行分析评估的装置考虑到在铁芯的磁化中达到饱和的区域，因此在铁芯的磁化中不必再回避饱和的区域。因此电流互感器可以设计成比通常情况更小。
对于具有电流互感器的测量和/或开关设备来说重点问题是次级电流的有效值。通过应用更小的电流互感器，在一定的初级电流值的情况下铁芯的磁化达到饱和，并且该有效值与在次级电流的有效值和初级电流的有效值之间的更小的初级电流的情况下的线性特征相比是过小的。优选地通过如下方法来考虑这种效果，即用于进行分析评估的装置求出(尤其是计算出)次级电流的校正的有效值，当铁芯的磁化曲线看起来在铁芯的磁化中没有达到饱和时，在实际的次级电流中会得到该校正的有效值。通过校正的有效值也就模拟了以下情况，即应用带有铁芯的如此大尺寸的电流互感器，以至于次级电流还(基本上)与初级电流成线性地相关联。
如前所述，根据本发明的原理的优选应用是，根据本发明的设备是低压断路器，其中，磁执行元件使初级电路中断。取代应用实际的有效值作为脱扣标准的基础，现在应用校正的有效值，也就是说，当校正的有效值超出了低压断路器的设定值(例如至少一个极限值)，那么使磁执行元件激活。
校正的有效值的产生基于以下事实：铁芯，如果其处于饱和，则表现出一种规定的特性，以至于根据次级电流事实上可以倒推出初级电流，即使次级电流不再具有如同初级电流那样相同的曲线形状。业已表明，可以将次级电流看作为相位部段控制的次级电流：次级电流在一定的持续时间上也就跟随初级电流，并在铁芯的磁化中达到饱和的情况下突然降低。现在可以这样地规定一个阈值，从而通过次级电流的数值求出的超出阈值的持续时间基本上正好等于在次级电流线性地跟随初级电流期间的持续时间。
在一个实施方式中，通过模拟式电子装置与阈值进行对比，并这样地产生矩形脉冲信号，即矩形脉冲的持续时间等于超出阈值的持续时间。这种矩形脉冲信号则可以在通过模拟-数字-转换器的转换之后由微型控制器来分析评估，其方法是简单地测量矩形脉冲的长度。
可替换地，整个分析评估可以数字化地进行。次级电流值和阈值的对比随后同样也在微控制器中在通过模拟-数字-转换器对次级电流进行转换之后进行。随后不必特地产生矩形脉冲曲线。
如果由实际的有效次级电流与取决于所求出的超出阈值的持续时间的系数的乘积被用作为校正的有效次级电流，那么就可以最简单地用计算方法来进行处理。该带有求出的持续时间α的校正系数K(α)优选地通过以下公式给出：
$K\left(\alpha \right)=\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{\pi }(\alpha -\frac{\sin (2·\alpha )}{2})}}$
在正弦形初级电流中，该校正系数K(α)变成1，如果实际的次级电流也近似于正弦形的话，那么α也就正好为π。在这种情况下，实际的有效次级电流也就不必校正一个与1不同的系数。
通过次级电流的数值求出的超出阈值的持续时间并不是可以考虑用来求出用于实际的有效次级电流的校正系数的唯一数值。因此也可以可替换地规定一种用于次级电流的波形系数。该波形系数是次级电流的有效值与次级电流的数值平均值(也称为整流平均值)之比。这种测量值波形系数可以借助于组合特性曲线而分配有校正系数，利用该校正系数由次级电流的实际的有效值计算出次级电流的校正的有效值。

附图说明

以下根据附图对本发明的优选实施方式加以说明。图中示出：
图1：根据本发明的低压断路器的电子脱扣单元；
图2：当电流互感器的铁芯未进入饱和时，次级电流的随时间变化曲线；
图3：当电流互感器的铁芯进入饱和时，次级电流的随时间变化曲线；
图4：在根据图3的曲线上设定阈值标准；
图5：根据阈值标准而得到的具有矩形脉冲的曲线；
图6：组合特性曲线，其描述了校正系数与测量的波形系数的关系；
图7是由根据本发明的一个实施方式的次级电流的随时间变化曲线来推导出校正的有效值。

具体实施方式

在低压断路器中，从电流的某一特定的有效值起，使该电流能够流动的电路应该被中断。根据本发明的低压断路器包括电子脱扣单元，其在图1中在整体上用10表示。现在并不将在要中断的电路中流动的电流直接应用作为用于中断电路的标准，而是将其作为初级电流ip(t)输送给电流互感器12，该电流互感器应该具有铁芯。电流互感器在次级侧上产生次级电流is(t)，而且该次级电流用作为使电路脱扣的标准。次级电流is(t)在连接电阻(负载)14处下降并被输送给模拟-数字-转换器16。这样地获得被输送给微控制器18的数字值，该微控制器进行真正的分析评估。根据某一特定的标准，微控制器18对数字化的次级电流进行分析，并在一定条件下通过磁执行元件20对低压断路器的锁扣机构发出指令，机械地打开流动有初级电流ip(t)的电路。
在传统的低压断路器中应用这样的电流互感器，在该电流互感器中，次级电流对于所期望的初级电流来说具有相同的形状。对于这种情况，图2示出了用于正弦形的初级电流的次级电流is(t)的随时间变化曲线22。次级电流同样也是正弦形，这是因为电流互感器的铁芯没有达到饱和。
图3现在示出了另一种情况，在此，电流互感器与图2中用于产生次级电流曲线22而应用的电流互感器相比较是更小的。在初级电流相同的情况下，铁芯的磁化进入饱和状态。随后取代曲线22得到了图3所示的次级电流曲线24。如由图3可见，在图3中用26标出的曲线24的部分差不多设计成如同曲线22的一个对应部分一样，也就是说经过了正弦曲线的一个部分。自达到某一个特定的初级电流起，铁芯磁化就进入饱和状态，而曲线迅速下降，见部段28。可以将图3中的次级电流看作为相位部段控制的次级电流。
通过曲线部段26和28所限定的尖峰的宽度是磁化曲线的影响程度的一个尺度，这是由于以下事实，即达到了它们的非线性的饱和区域。现在，确定一个阈值30并求出尖峰的宽度α。宽度α的单位是时间。然而也可以将其看做为相位，而α称作为导通角。类似于阈值30也可以确定其负值30′，并且对于低于该负值的情况，同样也求出所属尖峰的宽度α。
现在可以将曲线24与阈值30和30′的比较结果汇总成一条曲线，其在图5中示出。当超出阈值时，曲线处于逻辑高(“比较结果＝1”)，而只要在数值上低于阈值30或30′，那曲线处于逻辑低(“比较结果＝0”)。在图5中，宽度α也就是矩形脉冲的持续时间。铁芯的磁化饱和越少，α就越大，并且曲线连续地越接近逻辑高，而且如果越来越多地达到铁芯磁化的饱和，那么α就越小。
可以由次级电流的实际有效值Iseff，real和参量α计算出次级电流的校正有效值Iseff，korr，其中校正的有效值是在电流互感器更大而且在通过同一个初级电流进行激励时可能没有达到铁芯磁化中的饱和区域时所可能得出的值。当阈值30或30′足够低时，可以推导出以下公式：
$I_{\mathrm{seff},\mathrm{korr}}=I_{\mathrm{seff},\mathrm{real}}·K\left(\alpha \right)=I_{\mathrm{seff},\mathrm{real}}·1/\sqrt{\frac{1}{\pi }(\alpha -\frac{\sin (2·\alpha )}{2})}$
设计为：由微控制器18求出参量α，其方法是在那里进行数字化数据与阈值30或30′的对比；也在微控制器中求出Iseff，real；并且求出Iseff，korr。当次级电流强度的校正的有效值Iseff，korr超出一个预定的阈值时，就通过微控制器18来使磁执行元件20脱扣。由于校正的有效值大于次级电流的实际有效值，因此比通常情况更快地实现了脱扣，如同其在初级电流和次级电流之间为一种纯线性的关系时所可能实现的那样。
取代这种方法，即根据阈值30和30′的定义来规定参量α，然后求出它并用于计算出校正值K(α)，校正值K也可以以其它途径来求出。在这种可替换的解决方法中，应用次级电流的波形系数。该波形系数定义为有效值与整流平均值、也就是说数值平均值之比，其中有效值为：
$I_{\mathrm{seff},\mathrm{real}}=\sqrt{\frac{1}{T}{\int }_0^T{i}_s^2\left(t\right)\mathrm{dt}},$
整流平均值|is(t)|为：
$\left|\overline{i\left(t\right)}\right|=\frac{1}{T}{\int }_0^T\left|i_s\left(t\right)\right|\mathrm{dt}.$
该波形系数可以如下近似地与导通角α建立关系式：
$F=\frac{I_{\mathrm{seff},\mathrm{real}}}{\left|\overline{i\left(t\right)}\right|}=\frac{\sqrt{\frac{1}{\pi }·(\alpha -\frac{\sin (2·\alpha )}{2})}}{\frac{\sqrt{2}}{\pi }·(1-\cos \left(\alpha \right))}.$
如果应用如在上述的可替换方案中同样的校正值K(α)，
$K\left(\alpha \right)=\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{\pi }(\alpha -\frac{\sin (2·\alpha )}{2})}},$
那么就可以求出在波形系数F和校正系数K之间的关系，例如通过计算出用于不同的α的上述公式。可以求出组合特性曲线或者说特性曲线，在其中使校正系数K(α)与波形系数F＝F(α)建立关系式。该特性曲线在图6中示出，并在那里用32标出。如果应用特性曲线32，那就完全不必再求出值α。特性曲线32尤其是也可以与通过上述方程式不同地来求出，例如根据对电流互感器的试验或者借助于有限元进行模拟。
图7总结了应用组合特性曲线32的方法：由is(t)一方面求出有效值iseff，real，和另一方面求出整流平均值|is(t)|，它们相互存在一种关系，以便确定波形系数F，并由波形系数F根据组合特性曲线32推导出校正系数K。该校正系数K接着乘以以前求出的Iseff，real，以得到Iseff，korr。
对于两种实施方式来说相同的是：根据次级电流的实际有效值借助于校正系数K计算出校正的有效值。在根据本发明的方法中也可以考虑用其它的方法，如可以考虑以任意一种形式来达到铁芯的饱和磁化的区域。这种考虑的后果是：带有铁芯的电流互感器不必过大。那么在现有技术中就不再需要：将带有铁芯的电流互感器设计成如此之大，从而使次级电流与初级电流成线性地相关联。