專利名稱：為受保護裝置保護的低壓負載供電的方法和電子電源設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電子電源設備，尤其是一種切換模式電源，用于為受保護裝置保護的低壓負載進行供電，還涉及一種為此所采用的方法。本發(fā)明還涉及一種用于保護低壓負載以避免過電流的裝置，以及與這種保護裝置一起使用的輔助電源設備。
背景技術：
在工業(yè)設備中，例如控制器、放大器等的低壓負載被優(yōu)選地提供24伏的直流電壓，該電壓對人體無害。提供該直流電壓的適合的電源設備可供應20安以及更高的輸出電流。在這種高電流下，例如保險絲或斷路器等保護裝置必須與各個負載串聯(lián)連接，以保護這些負載，特別是保護饋電線免受熱過載和短路電流的損傷。為了能夠在發(fā)生例如短路等電氣故障時可靠地用磁力方式使斷路器跳閘，需要跳閘電流達到電源設備指定的標稱電流的7.5倍。斷路器的跳閘特性是它們的時間/電流跳閘特性，例如B類特征的結果。對于通常的尺寸，用于斷路器的這種高跳閘電流可在短路時由用作電源設備的常規(guī)的50Hz變壓器來提供。
由于高電氣損耗和較大的重量，這種50Hz變壓器越來越多地被電子電源設備所取代，例如工業(yè)電源中在高頻率上計時的切換模式電源和變壓器電源。但是，電子電源設備在電氣故障發(fā)生時通常非常迅速地限制輸出電流，即在10至100微秒內(nèi)限制到標稱電流值的1.1至1.5倍，以便于保護負載和饋電線免受熱過載和短路電流的損傷。雖然市場上的電子電源設備在短時間內(nèi)(即短至4秒)可產(chǎn)生高達2.5倍于標稱電流的輸出電流，但是這些低電流不足以可靠而安全地用磁力方式使斷路器跳閘。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明所基于的目的是提供一種電子電源設備，一種保護裝置，一種輔助電源設備，以及一種為受保護裝置保護的低壓負載供電的方法，其使得保護裝置——尤其是電磁斷路器——即使是在電子電源設備被使用時仍能迅速跳閘。
本發(fā)明的核心概念在于提供了這樣的措施即確保在檢測到例如輸出端短路的故障之后，在例如15毫秒的短時間間隔內(nèi)提供電流，該電流的大小使得保護裝置能夠可靠而快速地跳閘。以這樣的方式來選擇這里的時間間隔即使得與負載和饋電線相連接的電子元件不會受到損傷和破壞。
一方面，上面提到的技術問題通過本發(fā)明由權利要求1中的特征來解決。
因此，提供了一種為低壓負載供電的電子電源設備，尤其是在高頻率上計時的切換模式電源或變壓器電流裝置。該電子電源設備包括變壓器、用于檢測例如短路的電氣事故或故障的裝置，以及分配給該檢測裝置的用于將該裝置的輸出電流限制到第一個預定值的裝置，即把輸出電流近似限制到電源設備的標稱電流的1.1至2倍。此外，還提供了一種在響應檢測到故障時將輸出電流在預定時間內(nèi)設置為大于第一個預定值的第二個預定值的裝置，使得分配給該電子電源設備的保護裝置能夠可靠地跳閘。所述限制裝置被構造為使其在經(jīng)過預定時間之后把輸出電流限制到第一個預定值。
該保護裝置以本身已知的方式在外部連接到電子電源設備，從而與低壓負載串聯(lián)連接。為了能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊的、用于為受保護的低壓負載供電的電子電源設備，所述保護裝置還可設置在電子電源設備內(nèi)。
所述保護裝置最好是可通過電磁方式跳閘的斷路器。
要實現(xiàn)保護裝置在出現(xiàn)故障時安全可靠的跳閘，電流設置或調(diào)節(jié)裝置提供在電源設備的標稱電流的大約5倍到10倍之間的輸出電流。通常，該限制裝置提供在電子電源設備的標稱電流的大約1.1倍到1.5倍之間的第一預定電流值。
為了避免低壓負載和饋電線在出現(xiàn)例如短路的故障時發(fā)生過載，電流設置裝置提供增大的輸出電流，例如持續(xù)5到15毫秒。所述增大的輸出電流還可在更短或更長的時間內(nèi)流通。
作為一種電路來考慮，所述電流設置裝置提供增大的輸出電流，并可與限制裝置一起形成一個電流控制裝置。在這種情況下，這種針對上述技術問題的解決方案還在于，通常用在電子電源設備內(nèi)的電流控制裝置具有兩級電流限制特性。這樣該電流控制裝置確保在出現(xiàn)電氣故障時，最初在一段較短的時間內(nèi)流通的是例如7倍于標稱電流的增大的輸出電流，然后流通的是大約1.1倍于標稱電流的“正?！钡南拗戚敵鲭娏?。
用于檢測電氣故障的檢測裝置最好包括用于檢測輸出電壓下降到一個門限值以下的第一檢測器，和/或用于檢測輸入電壓下降到一個門限值以下的第二檢測器。這使得可以檢測到短路電流，因為正如眾所周知的，在發(fā)生短路時電壓將下降。
上面提到的技術問題還通過權利要求8所述的用于保護低壓負載免受過載電流損傷的裝置來解決。
相應地，該保護裝置包括具有變壓器的主電源設備，用于檢測電氣故障的裝置，以及分配給該檢測裝置的、用于在響應檢測到故障時限制輸出電流的裝置。此外，所述主電源設備與一個輔助電源設備相關聯(lián)，該輔助電源設備可接通，并具有一個用于檢測電氣故障、尤其是檢測主電源設備的輸出電壓下降到一個門限值以下的裝置，還具有一個用于在一段可調(diào)的時間內(nèi)提供預定電流的裝置。此外，提供了一個可電連接到所述輔助電源設備的保護裝置，由所述輔助電源設備提供的電流的大小通過以下方式來確定即使得在檢測到故障時，保護裝置可靠地跳閘。
根據(jù)一種特別的實施例，輔助電源設備在主電源設備中實現(xiàn)，或者外部連接到主電源設備。
該輔助電源設備可以是任何的儲能器，但最好是至少一個電容式和/或電感式的儲能器。
為了在發(fā)生故障時使輔助電源設備自動地連接到主電源設備，該輔助電源設備具有一個切換裝置，該切換裝置在響應于檢測到故障時、尤其是響應于主電源設備的輸出電壓下降到一個門限值以下時被激活。
一種有利的改進規(guī)定，輔助電源設備具有一個用于對電容式和/或電感式的儲能器進行充電的裝置。該充電裝置通過以下方式來構造即使其在不發(fā)生故障時對儲能器進行充電。
主電源設備最好是一個切換模式電源。
用于檢測電氣故障的檢測裝置最好包括一個用于檢測輸出電壓下降到一個門限值以下的第一檢測器，和/或一個用于檢測輸入電壓下降到一個門限值以下的第二檢測器。這樣就可以檢測到短路。
上面提到的技術問題還可通過權利要求8至14中任一項所述的、與保護裝置一起使用的輔助電源設備來解決。
該輔助電源設備包括用于檢測主電源設備的輸出電壓下降到一個門限值以下的裝置，在響應檢測到的輸出電壓下降時，在一段可調(diào)的時間內(nèi)提供預定電流，以使得保護裝置能夠可靠地跳閘。
另外，上面提到的技術問題還可由權利要求18所述的方法來解決。
相應地，受保護裝置保護的負載借助于電子電源設備、尤其是切換模式電源用低電壓來供電。根據(jù)該方法，對電源設備的輸入和/輸出電壓進行監(jiān)控，從而檢測輸入和/輸出電壓下降到一個門限值以下。如果檢測到輸入和/輸出電壓下降到該門限值以下，則在一段預定的時間內(nèi)提供電流，該電流的大小通過以下方式來確定即使得保護裝置能夠可靠地跳閘。經(jīng)過預定的時間之后，該電流被限制到一個較低的值。


在隨后的正文中，將結合附圖通過多個示例性實施例更具體地說明本發(fā)明，其中圖1顯示了根據(jù)第一個實施例保護性地為低壓負載供電的電源系統(tǒng)，圖2顯示了用于圖1中所示的電流控制器的兩級電流限制特性，圖3顯示了以受保護的方式為低壓負載饋電的可選的電源系統(tǒng)，圖4顯示了在根據(jù)圖3的電源系統(tǒng)中使用的電容式輔助電源設備，以及圖5顯示了在根據(jù)圖3的電源系統(tǒng)中使用的電感式輔助電源設備。
具體實施例方式
圖1示出了一個示例性的電源系統(tǒng)，其包括一個電子電源設備10，在所述電子電源設備的輸出端20和21處連接有一個用電阻器30來符號化表示的低壓負載。至低壓負載30的饋電線的電阻被考慮為電阻器40。此外，一個保護裝置，在本例中為電磁式斷路器50，與所述低壓負載30串聯(lián)連接。例如，所述電子電源設備10在輸出端20、21處提供24伏的直流電壓ua。雖然圖1中僅有一個低壓負載30連接到電子電源設備10，但是顯然多個負載也可以優(yōu)選地并聯(lián)連接到電子電源設備10?？梢詾槊恳粋€負載分配一個單獨的斷路器。
電子電源設備10可以是經(jīng)由線路電壓uy供電的切換模式電源。電源設備10通常包括一個與輸入端70和71相關聯(lián)的線路變壓器60、一個整流電路70和一個斷路器80。此外，還提供了一個根據(jù)本發(fā)明可進行改動的電流控制器90。電流控制器90通常用于在出現(xiàn)故障時、例如在輸出端短路時，把輸出電流ia限制到電源設備10的標稱電流的1.1倍到1.5倍。該受限輸出電流依照改動后的電流控制器90的電流/電壓輸出特性被稱為ikmin如圖2所示。
斷路器50用于保護電阻器所代表的饋電線以及低壓負載30，使其免受熱過載或短路電流的損傷。常規(guī)的電子電源設備的問題在于，在出現(xiàn)故障時，例如在出現(xiàn)短路時，電源設備10的輸出電壓ua可能會發(fā)生崩潰，這樣通常由電流控制器90所提供的受限輸出電流ikmin將不足以使斷路器50以電磁方式跳閘。
因此，本發(fā)明的目的是以這樣一種方式來改進常規(guī)的電源設備，使得在出現(xiàn)故障時，尤其是在輸出端出現(xiàn)短路時，它可以在短時間內(nèi)提供標稱電流的5至7倍的輸出電流。該受限輸出電流依照改進后的電流控制器90的電流/電壓輸出特性被稱為ikmax，如圖2所示。此外，電源設備10必須這樣來構造，以使得過載輸出電流ikmax僅能在饋電線40和低壓負載30不被損傷的時間內(nèi)流通。
為此目的，根據(jù)一個優(yōu)選的實施例，通過下述方式來改動電流控制器90，以使其具有兩級特性，該特性具有如圖2所示的變化。為此目的，電源設備10以下述方式來實現(xiàn)，以使得在出現(xiàn)故障時，尤其是在出現(xiàn)短路時，輸出電壓在例如5至15毫秒的短時間內(nèi)保持在工作電壓ua上，以便能夠提供電流ikmax。需要該輸出電流ikmax能夠使短路器50可靠而快速地跳閘。增大的輸出電流ikmax流通的時間可用相應的RC元件進行調(diào)節(jié)。根據(jù)斷路器30、低壓負載和饋電線的大小設置，該時間也可選得更短或更長。在經(jīng)過該時間間隔后，限流器90進入其通常的保護機制，并把輸出電流ia限制到輸出電流ikmin，如上所述，該輸出電流ikmin大約對應于標稱電流的1.1至1.5倍。這一功能由圖1中的功能塊95簡要示出。
要實現(xiàn)圖2中所示的特性，可以想到對于電子電源設備10、尤其是電流控制器90進行大量不同的電路修改。例如，所述的兩級電流/電壓輸出特性可通過用附加的運算放大器來擴展常規(guī)電流控制器的模擬受控系統(tǒng)來實現(xiàn)，該運算放大器用于把輸出電流限制到值ikmax；以及通過集成其他的延遲元件來實現(xiàn)，這樣的延遲元件確保了在出現(xiàn)故障時對輸出電流的限制重新降低到正常值ikmin。由于現(xiàn)今電子電源設備還用微處理器控制來操作，圖2中所示的電流/電壓輸出特性也可用合適的軟件來實現(xiàn)。在這種配置中，通常由微處理器生成用于最大輸出電流ikmax的標稱信號。
低壓負載30和相連的線路并未由僅持續(xù)幾毫秒的幅值為ikmax的電流脈沖造成熱過載。電源設備10的元件，例如整流電路70的開關80和整流二極管，還以下述方式進行選擇，即使得短時間的電流增加不會引起該組件和纜線的任何明顯的熱負載。但是，如果電流控制器90被周期性地控制，則該元件可能會被由于元件的周期性加載而產(chǎn)生的過量短路電流ikmax而過載。例如可以用一個未示出的微處理器相應地限制或控制用于電流控制器90的周期性觸發(fā)時間。
在本例中，通過一個連接到輸出端20和21的檢測器100檢測到故障情況，例如輸出端的短路。檢測器100以下述方式實現(xiàn)即使其能夠監(jiān)控電源設備10的輸出電壓ua，并且能夠在輸出電壓ua已經(jīng)下降到一個預定的門限值以下時通知電流控制器90。出現(xiàn)在輸入端70和71的電源設備10的輸入電壓uN最好也通過一個檢測器105來監(jiān)控。檢測器105例如被如此構造，以使其能夠在輸入電壓uN下降到一個門限值以下時進行檢測。一旦檢測器105檢測到輸入電壓已經(jīng)下降到該門限值以下時，則電流控制器90被激活。
在下面的正文中，將結合圖2更具體地說明如圖1所示的電子電源設備10的操作。
假定電壓檢測器105已經(jīng)在電源設備10的輸入端檢測到電源內(nèi)的短路，這是由于輸入電壓uN已經(jīng)下降到該門限值以下。此時檢測器105激活電流控制器90，該電流控制器依照其電流/電壓輸出特性提供輸出電流ikmax。輸出電流ikmax被提供大約5至15毫秒，并確保電子斷路器50由于低壓負載30從電源設備10的斷開而可靠地跳閘。在此之后，電流控制器90的正?？刂撇僮鏖_始，把輸出電流限制到值ikmin。
圖3非常概括地示出了用于為低壓負載30供電的可選系統(tǒng)，相同的附圖標記用于表示與圖1所示的元件相對應的元件。相應地，一個常規(guī)的電子電源設備110再次將其輸入端連接到線路電壓uy。在電子電源設備110的輸出端20和21，斷路器50和低壓負載30串聯(lián)連接。至低壓負載的饋電線通過饋電線電阻40來符號化表示。圖3中所示的可選系統(tǒng)再次用于實現(xiàn)這樣一種目的，即在出現(xiàn)特別是短路的電路故障時，斷路器50能夠快速而可靠地跳閘。首先應提到的是，本身已知的電子電源設備110表示為線路變壓器、整流電路、斷路器和相應的用作限流器的電流控制器，如在圖1中已經(jīng)示出的。此外，類似于圖1中所示的檢測器100和105的檢測器可在該電子電源設備中提供，用來檢測例如短路的電氣故障。為了能夠在出現(xiàn)電氣故障時確保斷路器50以磁力方式可靠地跳閘，則一個輔助電源設備120與電子電源設備110的輸出端20和21并聯(lián)連接。如圖所示，輔助電源設備120包括可具有一個或多個電容和/或電感的儲能裝置121，對儲能裝置121進行充電的充電裝置122，以及在檢測到電氣故障時使存儲器121放電以便能夠在短時間內(nèi)產(chǎn)生一個總和電流ig的切換裝置123，該總和電流的大小使得斷路器50跳閘。總和電流ig最好是電源設備110的標稱電流的5至7倍。
圖4示出了圖3中所示的輔助電源設備120的技術實現(xiàn)。相應地，輔助電源設備120具有一個用作切換裝置的二極管。電容器132經(jīng)由一個開關131與輸入端并聯(lián)連接。一個線圈134經(jīng)由另外一個開關133與用作儲能器的電容器132并聯(lián)連接。線圈134可通過一個開關135經(jīng)由二極管130放電。
在下面的正文中，將結合圖4中所示的輔助電源設備120更具體地說明圖3所示裝置的操作。
在正常操作中，開關135閉合。開關131與開關132相互交替地閉合和斷開，使得最初電容器132經(jīng)由電源設備110的輸出電壓ua充電，然后通過閉合開關133向線圈134中放電。閉合的開關135確保線圈電流僅流入到輔助電源設備120中。連接在輔助電源設備120的輸入端之間的一個檢測器136監(jiān)控電源設備110的輸出電壓ua。一旦檢測器136檢測到電源設備110的輸出電壓已經(jīng)下降到一個門限值以下，則檢測器136啟動開關135的斷開，使線圈134可被消磁，其結果是存儲的能量可作為輔助電流ih流出到斷路器30。為了響應輸出端20和21處的電壓下降，電源設備110的電流控制器90通過已知的方式把輸出電流ig限制到標稱電流的1.1至1.5倍。但是由于輔助電源設備120，由受限輸出電流ikmin和輔助電源設備120的輔助電流ih形成的總和電流ig在短時間內(nèi)提供。該總和電流ig足以使斷路器30可靠地跳閘。大約15毫秒之后，輔助電源設備120的開關135再次閉合，相應地線圈134被充電。如果需要的話，輔助電源設備120可以周期性地被接通。
圖3中所示的輔助電源設備120也可用電容式的儲能器來實現(xiàn)。為此目的，圖5示出了一種相應的電路結構。相應地，一個電容器140經(jīng)由二極管141連接到電源設備110的輸出端20和21。至電容器140的饋電線通過饋電線電阻器142來符號化表示。一個充電裝置143被用于相應地為電容器140充電。為了能夠提供使斷路器50可靠跳閘所需的電流，所使用的電容器具有很高的電容，例如大約為350法的電容。二極管141被用作受控的開關，它確保了一旦電源設備110的輸出電壓ua變得小于電容器140兩端出現(xiàn)的電壓，就使電容器140放電。二極管141的陰極連接到電源設備110的輸出端20，其陽極連接到電容器140，從而確保了在檢測到電源設備110的輸出端出現(xiàn)短路時，電容器140自動地連接到電源設備110。同時，二極管141防止了電容器140在正常操作中被放電。重要的是，這里需要指出，圖4和圖5中所示的關于圖3中顯示的輔助電源設備120的兩種電路變體以下述方式來構造，以使得在檢測到電氣故障后，它們在短時間內(nèi)、即例如5至15毫秒內(nèi)連接到電源設備110，以便產(chǎn)生一個總和電流ig，該總和電流例如為電源設備110的標稱電流的5至7倍，從而確保了在出現(xiàn)故障時使斷路器50可靠地跳閘。
權利要求
1.一種電子電源設備(10)，特別是切換模式電源，用于為低壓負載(30)供電，其包括變壓器(60)、用于檢測電氣故障的裝置(100、105)，以及分配給該檢測裝置(100、105)的、用于把該電源設備的輸出電流限制到第一個預定值的裝置(90)，其中提供了響應于檢測到的電氣故障，在一段預定時間內(nèi)將輸出電流設置為大于第一個預定值的第二個預定值的裝置(95)，其中以下述方式進行設置即使得一個分配給所述設備(10)的保護裝置能夠可靠地跳閘，并且所述限制裝置(90)被構造為使其在經(jīng)過所述預定時間后把輸出電流限制到所述的第一個預定值。
2.如權利要求1所述的電子電源設備，其中所述保護裝置(50)被設置在電源設備內(nèi)，或者可以從外部連接到該電源設備。
3.如權利要求2所述的電子電源設備，其中所述保護裝置(50)是可通過電磁方式跳閘的斷路器。
4.權利要求1至3中任一項所述的電子電源設備，其中第一個預定的電流值大約介于電源設備的標稱電流的1.1倍至1.5倍之間，第二個電流值大約介于標稱電流的5倍至10倍之間。
5.權利要求1至4中任一項所述的電子電源設備，其中所述電流設置裝置(95)在例如5至15毫秒的時間內(nèi)提供增大的輸出電流。
6.權利要求1至5中任一項所述的電子電源設備，其中所述限制裝置和電流設置裝置是一個電流控制裝置(90)的一部分。
7.權利要求1至6中任一項所述的電子電源設備，其中所述檢測裝置包括用于檢測輸出電壓下降到一個門限值以下的第一檢測器(100)，和/或用于檢測輸入電壓下降到一個門限值以下的第二檢測器(105)。
8.一種用于保護低壓負載(30)以避免過電流的裝置，包括以下特征-具有變壓器的主電源設備(110)，用于檢測電氣故障的裝置，以及分配給該檢測裝置、用于響應于檢測到的故障來限制輸出電流的裝置；-與主電源設備(110)相關聯(lián)的輔助電源設備(120)，該輔助電源設備可以被接通，并且包括用于檢測電氣故障的裝置(136；141)，以及可在一段可調(diào)的時間內(nèi)提供預定電流的裝置(134；140)，以及-可電連接到所述輔助電源設備(120)的保護裝置(50)，由該輔助電源設備(120)所提供的電流的大小通過以下方式來確定，使得在檢測到故障時，保護裝置(50)可靠地跳閘。
9.如權利要求8中所述的保護裝置，其中所述輔助電源設備(120)被設置在主電源設備(110)內(nèi)，或者外部連接到主電源設備(110)。
10.如權利要求8或9中所述的保護裝置，其中所述輔助電源設備(120)的電流提供裝置包括至少一個電容式和/或電感式的儲能器(134；140)。
11.如權利要求10中所述的保護裝置，其中所述輔助電源設備(120)包括一個切換裝置(135；141)，該切換裝置響應于檢測到的電氣故障，在輔助電源設備(120)中自動地切換。
12.如權利要求10或11中所述的保護裝置，其中所述輔助電源設備(120)包括用于對電容式和/或電感式的儲能器進行充電的裝置(132；143)。
13.如權利要求8至12中任一項所述的保護裝置，其中所述主電源設備(110)是一個切換模式電源。
14.如權利要求8至13中任一項所述的保護裝置，其中所述檢測裝置包括用于檢測輸出電壓下降到一個門限值以下的第一檢測器，和/或用于檢測輸入電壓下降到一個門限值以下的第二檢測器。
15.一種與權利要求8至14中任一項所述的保護裝置一起使用的輔助電源設備，其包括用于檢測主電源設備的輸出電壓下降到一個門限值以下的裝置(136；141)，以及響應于檢測到的輸出電壓的下降、在一段可調(diào)的時間內(nèi)提供預定電流以使得保護裝置(50)能夠可靠地跳閘的裝置(134；140)。
16.如權利要求15中所述的輔助電源設備，包括至少一個電容式和/或電感式的儲能器(134；140)。
17.如權利要求16中所述的輔助電源設備，包括用于對電容式和/或電感式的儲能器進行充電的裝置(132；143)。
18.一種借助于電子電源設備(10；110)、尤其是切換模式電源為受保護裝置(50)所保護的低壓負載(30)供電的方法，根據(jù)該方法，電源設備的輸入和/輸出電壓被監(jiān)控，以檢測輸入和/輸出電壓下降到一個門限值以下；其中，當檢測到輸入和/輸出電壓下降到該門限值以下時，在一段預定的時間內(nèi)提供電流，該電流的大小通過以下方式來確定，使得保護裝置(50)可靠地跳閘；并在經(jīng)過所述預定的時間之后，該電流被限制到一個較低的值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電子電源設備，尤其是切換模式電源，用于對受保護裝置保護的低壓負載供電，還涉及一種相應的方法。本發(fā)明還涉及一種用于保護低壓負載以避免過載電流的裝置，以及與這種保護裝置一起使用的輔助電源設備。本發(fā)明的核心概念在于提供了以下措施，其確保了在檢測到例如輸出端短路的故障之后，在例如15毫秒的短時間間隔內(nèi)提供電流，該電流的大小使得保護裝置能夠可靠而快速地跳閘。通過以下方式來選擇這里的時間間隔，以使得與負載和饋電線相連的電子元件不會被損傷和破壞。
文檔編號H02H1/06GK1917318SQ20061010316
公開日2007年2月21日 申請日期2006年7月6日 優(yōu)先權日2005年7月6日
發(fā)明者約亨·措伊昔, 哈特穆特·亨克爾, 邁克爾·海因曼 申請人:弗尼克斯-康泰克有限及兩合公司