專利名稱：利用非活躍變流器在電服務(wù)中獲得電壓和測量電壓的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及可用于測量流入電服務(wù)(本發(fā)明適用于單相或多相，根據(jù)用戶需要決定)中的電壓信號(hào)的電壓獲取技術(shù)。具體地說，該電壓獲取技術(shù)對應(yīng)于非活躍變流器，其提供在大輸入電壓范圍內(nèi)檢測的有效電壓。本發(fā)明的不同實(shí)施例方面可以同等地采取裝置或方法的形式。
背景技術(shù)：
公用服務(wù)(utility)提供商采用各種儀表和對應(yīng)的測量電路來監(jiān)控由各個(gè)服務(wù)點(diǎn)產(chǎn)生的或向各個(gè)服務(wù)點(diǎn)發(fā)送的電能量。這些服務(wù)點(diǎn)的特征可能分別是很多不同單相或多相服務(wù)類型中的一種，對應(yīng)于諸如120、240、277、480伏特的通用計(jì)量電壓。一些傳統(tǒng)的量電計(jì)已經(jīng)在所有這些通用計(jì)量電壓下發(fā)揮作用，由此可以在大輸入電壓范圍內(nèi)操作。由于采用了具有通常需要在從小于最小計(jì)量電壓值大約20％到大于最大計(jì)量電壓大約20％的范圍內(nèi)的電表精度的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以在全部大輸入電壓范圍內(nèi)操作的電表對應(yīng)于可在大約96伏特-576伏特的全部動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)完全起作用的電表。
量電計(jì)典型地包括某種用于接收電服務(wù)(electrical service)的電壓和電流信號(hào)的輸入電路。用于接收電服務(wù)電流信號(hào)的輸入電路在此稱為電流獲取電路，而用于接收電服務(wù)電壓信號(hào)的輸入電路稱為電壓獲取電路。
很多不同的組件通常用于電表電壓獲取電路，包括相應(yīng)的電壓變壓器、活躍的變流器和電阻分壓器配置。用于測量電壓服務(wù)的電壓的電壓變壓器配置典型地只能以一個(gè)電壓電平來測量，而不是在96-576伏特的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍上。利用活躍變流器的公知電壓獲取電路需要至少3個(gè)繞組來精確測量動(dòng)態(tài)輸入電壓范圍內(nèi)的電壓信號(hào)。這兩種公知的示例性電壓獲取電路配置還可能比較大和昂貴，由此使它們不能實(shí)際用于一些電利用儀表的實(shí)施例。電表變壓器、包括在電計(jì)量應(yīng)用中通常使用的電壓和電流變壓器的其它方面公開在Handbook forElectricity Metering，Ninth Edition，1992 by Edison Electric Institute，273-362頁，其為了所有目的通過引用而合并于此。
這樣，期望提供一種在可實(shí)現(xiàn)大小和成本的限制條件內(nèi)而同時(shí)還可在大輸入電壓范圍上完全操作的電壓獲取電路。盡管各個(gè)方面和替換實(shí)施例可能在電計(jì)量的領(lǐng)域內(nèi)公知，但沒有一種設(shè)計(jì)普遍包含與獲取電服務(wù)中的電壓和計(jì)量技術(shù)相關(guān)的上述特征和其它期望特征。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明認(rèn)識(shí)到并針對上述各種缺點(diǎn)，以及其它涉及獲取電服務(wù)計(jì)量應(yīng)用中電壓的特定方面的缺點(diǎn)。由此，寬泛地說，本發(fā)明的一個(gè)原理性目的是改善用于測量流入電壓服務(wù)中的電壓的電壓獲取技術(shù)(裝置和方法)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于在相對大的輸入電壓范圍內(nèi)精確測量電服務(wù)的輸入電壓的系統(tǒng)和方法。由于典型的示例性計(jì)量電壓包括120、240、277和480伏特，因此在一些實(shí)施例中優(yōu)選在包括96-576伏特的范圍內(nèi)進(jìn)行功能操作。在其它實(shí)施例中優(yōu)選該動(dòng)態(tài)范圍的子集或更大的相容范圍。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是在用于測量輸入電壓的電路中采用變流器，其中這種變流器被配置為只需要第一和第二繞組的非活躍方式。通過消除對第三繞組的需要來調(diào)節(jié)變流器中不期望的磁通量級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)更小且成本更為低廉的解決方案。為了克服對第三繞組的需要，所選擇的用于變流器的鐵芯材料要具有作為可以增加磁通量級(jí)函數(shù)的可預(yù)測的磁特性。變流器的可預(yù)測操作簡化了對電壓獲取電路中任何相移的精確補(bǔ)償。
本發(fā)明電壓獲取技術(shù)的這些目的以及其它各種特征和方面提供了大量優(yōu)點(diǎn)。由于采用變流器檢測較小的電流，因此鐵芯的尺寸可以很小。由于鐵芯的成本占變流器成本的大部分，因此這使得該變壓器本身可以比傳統(tǒng)的變流器解決方案便宜得多。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在公開的非活躍變流器配置中的變壓器元件受到輸入電阻的保護(hù)以免被加載上電源電壓，由此簡化了對變壓器的保護(hù)。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是所公開的設(shè)計(jì)采用能小得足以容易地安裝在量電計(jì)電路板上的變壓器元件，由此降低了整個(gè)解決方案的成本。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在變流器中既為電壓獲取電路又為電流獲取電路采用具有可預(yù)測響應(yīng)特性的鐵芯材料。在該例中，整個(gè)量電計(jì)的頻率響應(yīng)更加精確并且可預(yù)測。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)將從下面的詳細(xì)描述中給出，或?qū)Ρ绢I(lǐng)域的技術(shù)人員來說變得明顯。同樣，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，通過下面的參考對特別說明的、參考的和討論的特征和部件的修改和變動(dòng)可以在各個(gè)實(shí)施例中和本發(fā)明的使用中實(shí)踐。這些變動(dòng)可以包括但不限于等價(jià)裝置和特征或其所示、所參考或所討論的材料的替換，以及各種部件、特征等等的功能、操作或位置的顛倒。
此外，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的不同實(shí)施例以及不同的當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例可以包括當(dāng)前公開的特征或元件的各種組合或配置，或其等價(jià)物(包括沒有在附圖中示出或在詳細(xì)說明中申明的特征或配置的組合)。
本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例涉及用于量電計(jì)的電壓獲取電路。這種示例性的電壓獲取電路優(yōu)選可以包括具有第一和第二繞組的非活躍變流器配置、輸入電阻和負(fù)載電阻。這種示例性變流器配置可以例如具有極小結(jié)晶(nanocrystalline)的鐵芯(或其它根據(jù)本發(fā)明選擇的鐵芯)，并且輸入電阻可以是阻值較高的電阻，如大約1MΩ的數(shù)量級(jí)。
在上述示例性配置中，電壓(如待測量的)可施加到非活躍變流器配置上，使得通過該變壓器的初級(jí)繞組感應(yīng)出電流。這種輸入電流產(chǎn)生變壓器次級(jí)繞組中的電流，然后又轉(zhuǎn)換為施加在與該次級(jí)繞組并聯(lián)的負(fù)載電阻上的電壓信號(hào)。施加在該負(fù)載電阻上的電壓信號(hào)是實(shí)際計(jì)量電壓的縮小表示，并能由量電計(jì)的其它部件測量和處理，以確定功耗和相關(guān)的量。
當(dāng)前公開的技術(shù)的另一個(gè)示例性實(shí)施例對應(yīng)于一種量電計(jì)，包括對單相或多相電服務(wù)中的每一相都設(shè)置如上所述的非活躍變流器的電壓獲取電路。該示例性量電計(jì)實(shí)施例還可以包括用于檢測電服務(wù)中的輸入電流信號(hào)的電流獲取電路，后者也可以包括變流器配置。該量電計(jì)還可以包括模擬數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器，用于將檢測的電壓信號(hào)和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為采樣的表示。這種示例性量電計(jì)實(shí)施例的另一個(gè)元件相當(dāng)于微處理器，其被配置為計(jì)算能量的多少并提供針對所檢測電壓和/或電流信號(hào)的任意相位補(bǔ)償(例如通過數(shù)字濾波器來實(shí)施)。
本發(fā)明等價(jià)于與公開的電壓獲取電路和計(jì)量系統(tǒng)相關(guān)的方法，因此本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例對應(yīng)于一種測量電服務(wù)中電壓信號(hào)的方法。在該實(shí)施例中的第一示例性步驟對應(yīng)于將給定電服務(wù)中的每個(gè)電壓相位通過輸入電阻施加到非活躍變流器配置的初級(jí)繞組上。該初始步驟有效地將輸入電壓通過變流器的初級(jí)繞組轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。設(shè)置在變壓器初級(jí)繞組之前的輸入電阻可以較大，使得通過初級(jí)繞組的電流較小。該實(shí)施例中的第二示例性步驟是獲得與變流器的次級(jí)繞組耦合的負(fù)載電阻上的輸出電壓。該負(fù)載電阻可以與次級(jí)繞組并聯(lián)，使得該第二步驟有效地將通過第一繞組的初級(jí)電流而在變壓器的次級(jí)繞組中感應(yīng)出的電流轉(zhuǎn)換為電壓值。然后，在該第二示例性步驟中獲得的每個(gè)縮小的電壓信號(hào)可以從其模擬信號(hào)形式轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字表示。然后對該數(shù)字信號(hào)作進(jìn)一步處理，以便提供相位補(bǔ)償來考慮變流器中的任何相移。本方法的其它實(shí)施例可以包括附加步驟，例如涉及后續(xù)計(jì)算能量多少的步驟。
本發(fā)明的其它實(shí)施例不一定在該概括部分提到，可能包含和合并了在上述概括目的中引用的特征、步驟或部件和/或在本申請其它部分討論的特征、步驟或部件的各個(gè)方面的組合。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過考察本說明書的其余部分可以更好地理解這些和其它實(shí)施例的特征和方面。


在說明書中給出針對本領(lǐng)域技術(shù)人員的在此公開的技術(shù)(包括其最佳實(shí)施方式)的完整和有效描述，并參考附圖，其中圖1示出采用電壓變壓器配置的公知示例性電壓獲取電路實(shí)施例；圖2示出采用活躍變流器配置的公知示例性電壓獲取電路實(shí)施例；圖3A和3B分別示出根據(jù)在此公開的技術(shù)的相應(yīng)電壓獲取電路實(shí)施例；圖4示出量電計(jì)配置的示例性方面，包括根據(jù)在此公開的技術(shù)的電壓獲取電路；圖5提供了與測量電服務(wù)中電壓信號(hào)的方法相關(guān)的示例性步驟的框圖。
整個(gè)說明書和附圖中附圖標(biāo)記的重復(fù)使用是為了表示本發(fā)明相同和相似的特征、步驟或元件。
具體實(shí)施例方式
如在發(fā)明內(nèi)容部分引用的，本發(fā)明針對電壓獲取電路，具體地說針對用于測量流入電服務(wù)中的電壓的系統(tǒng)和方法以及對應(yīng)的量電計(jì)。
盡管對于量電計(jì)和電服務(wù)應(yīng)用特別有用，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不限于該用途。本發(fā)明的方面可與其它裝置一起使用，或用于非電利用服務(wù)的環(huán)境。這些用途對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說可能是公知或顯而易見的，并且落入本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。為說明起見，根據(jù)本發(fā)明的公開技術(shù)的實(shí)施例解釋為涉及電服務(wù)計(jì)量應(yīng)用。
圖1和圖2示出公知電壓獲取電路的示例性實(shí)施例，而圖3A和圖3B示出根據(jù)本發(fā)明的電壓獲取電路的示例性實(shí)施例。圖4示出根據(jù)在此公開的技術(shù)的電壓獲取電路如何與量電計(jì)的其它元件組合。圖5示出與用于測量流入電服務(wù)中的電壓的當(dāng)前公開方法相關(guān)的示例性步驟和方面。
應(yīng)當(dāng)注意，在此公開和討論的示例性實(shí)施例不應(yīng)當(dāng)暗示著本發(fā)明的限制。作為一個(gè)實(shí)施例的部分示出或描述的特征可與其它實(shí)施例方面組合使用，以產(chǎn)生其它實(shí)施例。此外，特定的特征可以與沒有在此提到但可執(zhí)行相同或相似功能的相似裝置或特征互換。
參考圖1，示意性示出的現(xiàn)有技術(shù)的電壓獲取電路10包括具有初級(jí)繞組14和次級(jí)繞組16的電壓變壓器(通常也稱為電位變壓器)12。輸入電壓Vin對應(yīng)于在給定電服務(wù)中接收的計(jì)量電壓，如對應(yīng)于120、240、277、480伏特中的一個(gè)。電壓變壓器的輸出電壓Vout由關(guān)系式VoutVin=N]]>確定，其中N等于電壓變壓器12的次級(jí)繞組16與初級(jí)繞組14的匝數(shù)之比。
多年來量電計(jì)一直采用電壓變壓器來測量供給電服務(wù)的電壓。但是，這些裝置通常很大而且很昂貴，并只能以一種計(jì)量電壓測量。設(shè)計(jì)成用于一個(gè)特定計(jì)量電壓的電壓變壓器會(huì)在變壓器中的磁場增大時(shí)變得飽和。因此，電壓變壓器對測量諸如96-576伏特的大動(dòng)態(tài)輸入范圍上的電壓來說可能不是特別可行的解決方案。此外，這種通常具有大量繞組的電壓變壓器的尺寸可能使得其不容易組裝到預(yù)定區(qū)域中，如量電計(jì)電路板上。
用于測量流入電服務(wù)中電壓的另一種公知技術(shù)對應(yīng)于采用活躍變壓器配置，如圖2中示意性示出的電壓獲取電路20。公知一種示例性的現(xiàn)有技術(shù)活躍變流器用于Schlumberger Electricity公司出售的QUANTUM Q-1000牌量電計(jì)的一些版本。示例性公知電壓獲取電路20包括具有第一繞組24、第二繞組26和第三繞組28的變流器22。來自電服務(wù)的輸入電壓Vin施加到輸入電阻30和變壓器22的初級(jí)繞組24上，使得電流Iin流過初級(jí)繞組24。輸出電流Iout在變壓器22的次級(jí)繞組26中產(chǎn)生，而另一個(gè)電流Ifeedback在第三繞組28中產(chǎn)生。然后提供給給定電服務(wù)并由相應(yīng)的量電計(jì)測量的電壓信號(hào)是Vout，是在負(fù)載電阻32上測量的。輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系由關(guān)系式VoutVin=Iout*R32Iin*R30]]>確定，其中R30和R32分別是輸入電阻30和負(fù)載電阻32的相應(yīng)電阻值。該電壓關(guān)系式對應(yīng)于電流關(guān)系式IinIout=N]]>其中，N等于變壓器22的次級(jí)繞組26與初級(jí)繞組24的匝數(shù)之比。
這種圖2所示的具有3個(gè)繞組的變壓器22公知為活躍變壓器。變壓器22采用第三繞組28來保持變壓器不至于飽和，并驅(qū)使讓鐵芯中的磁通量場無效的電流Ifeedback流入變壓器22，從而磁通量保持為接近于0。標(biāo)準(zhǔn)變壓器的磁通量變化會(huì)對信號(hào)的測量產(chǎn)生問題。當(dāng)鐵芯中的磁通量增加時(shí)，初級(jí)和次級(jí)電壓信號(hào)之間的相位差改變。示例性電壓獲取電路20的第三繞組28抵消了磁通量場，平穩(wěn)了從初級(jí)繞組24到次級(jí)繞組26的相位關(guān)系。這種活躍變流器22需要通過采用外部電路的第三繞組來測量和反饋輸入電流Iin，同樣也增加了該解決方案的尺寸和成本。如果沒有第三繞組28，則圖2的裝置不能精確測量電壓信號(hào)Vin。
根據(jù)在此公開的技術(shù)的電壓獲取電路克服了對圖2的公知示例性電路所需的第三變壓器繞組和任何關(guān)聯(lián)外部電路的需要。通過消除第三繞組，根據(jù)本發(fā)明的電壓獲取電路提供了更小、成本更低廉的電壓測量解決方案。
現(xiàn)在參考圖3A和3B，相應(yīng)的根據(jù)在此公開的技術(shù)的電壓獲取電路40和40’采用變流器42來測量輸入電壓Vin。來自電服務(wù)的輸入電壓Vin施加到輸入電阻44和變壓器42的初級(jí)繞組46上，使得電流Iprimary流過初級(jí)繞組46。輸入電阻44的阻值通?？梢员容^高(例如在大約1MΩ的數(shù)量級(jí))，使得流過初級(jí)繞組46的電流較小。較大的輸入電阻也更為有效地保護(hù)變壓器42免受更高的電壓電平。輸出電流Isecondary在變壓器42的次級(jí)繞組48中產(chǎn)生。然后提供給給定電服務(wù)并由相應(yīng)量電計(jì)測量的電壓信號(hào)是Vout，是在負(fù)載電阻50上測量的。在該技術(shù)的一些實(shí)施例中，電壓獲取電路40可以設(shè)計(jì)為使得Vout在大約0.5-3.0V峰值到峰值之間。輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系由關(guān)系式VoutVin=Isecondary*R50Iprimary*R44]]>確定，其中R44和R50分別是輸入電阻44和負(fù)載電阻50的相應(yīng)電阻值。該電壓關(guān)系式對應(yīng)于電流關(guān)系式IprimaryIsecondary=N]]>其中，N等于變壓器42的次級(jí)繞組48與初級(jí)繞組46的匝數(shù)之比。
在此公開的電壓獲取電路可以提供電路絕緣，如在圖3A的示例性電路實(shí)施例40中實(shí)現(xiàn)的。但是，當(dāng)前公開的非活躍變流器技術(shù)的其它實(shí)施例可能不提供絕緣。當(dāng)圖3B的電路40’中定義輸入電壓和輸出電壓的相應(yīng)負(fù)終端通過導(dǎo)線52連接在一起時(shí)就是這種情況。應(yīng)當(dāng)理解，兩個(gè)示例性配置都是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的。
變流器42的獨(dú)特性在于其不需要第三反饋繞組。變流器42中的鐵芯材料優(yōu)選對應(yīng)于具有作為增加的變壓器中磁通量級(jí)的函數(shù)的高可預(yù)測磁特性的滲透材料。這種鐵芯材料的例子對應(yīng)于晶體NiFe、極小結(jié)晶和非晶體鐵芯，特定的例子包括德國Vacuumschmelze公司生產(chǎn)和銷售的VITROPERM和VITROVAC牌材料。具體地說，VITROPERM對應(yīng)于基于Fe的極小結(jié)晶材料(Fe73.5CU1Nb3Si13.5B9)，具有非常低的損耗和線性磁化曲線。
極小結(jié)晶材料可以特別好地適用于特定的變流器實(shí)施例。極小結(jié)晶材料典型的特征是兩相結(jié)構(gòu)，其中平均直徑例如大約為10到20nm的細(xì)晶粒嵌入在非晶體的剩余相中。極小結(jié)晶狀態(tài)是由在超過約500攝氏度的溫度下進(jìn)行熱處理而從原始非晶體的材料狀態(tài)下變化來的。該結(jié)構(gòu)使得這些材料可以在最低矯頑力的條件下達(dá)到最高的滲透性。極小結(jié)晶鐵芯的高電阻系數(shù)導(dǎo)致特別低的渦流損耗以及優(yōu)秀的頻率特性和可滲透性。
其它鐵芯特性對應(yīng)于大約1.2特斯拉的飽和磁通量密度，和一般期望的熱特性。鐵芯材料可以例如形成為環(huán)形繞帶式鐵芯配置。
具有根據(jù)本發(fā)明的非活躍變流器的電壓獲取電路存在優(yōu)于其它使用變壓器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的地方。由于這里采用變流器檢測非常小的電流，因此變流器鐵芯的尺寸可以較小。由于鐵芯成本占據(jù)變流器成本的大部分，因此這使得變壓器本身可以比傳統(tǒng)變壓器便宜得多。同樣，本發(fā)明的電壓獲取電路40、40’的變流器和其它元件的尺寸可以保持得較小，由此使得電路40和40’可以安裝在量電計(jì)電路板上，降低了整個(gè)電壓獲取解決方案的成本。此外，如果既在電壓獲取電路又在電流獲取電路的變流器中采用具有可預(yù)測響應(yīng)特性的鐵芯材料，則整個(gè)量電計(jì)的頻率響應(yīng)將更為精確和可預(yù)測。
根據(jù)在此公開的技術(shù)的電壓獲取電路(其例子已在圖3A和3B中示出)可用于測量電服務(wù)的每個(gè)相位上的電壓。圖4示出示例性電壓獲取電路40或40’如何組合到量電計(jì)實(shí)施例60中。量電計(jì)60的示例性組件在三相電服務(wù)環(huán)境中示出，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的電壓獲取電路還可以按照類似方式用于單相或其它多相環(huán)境。
更具體地參考圖4，三相電服務(wù)在三個(gè)相(A，B，C)上產(chǎn)生電壓信號(hào)和電流信號(hào)。這三個(gè)輸入電壓信號(hào)稱為VA，VB，VC，而三個(gè)輸入電流信號(hào)稱為IA，IB，IC。對應(yīng)的電壓獲取電路40a，40b，40c分別接收輸入電壓信號(hào)VA，VB，VC和用于檢測進(jìn)入量電計(jì)60的輸入電壓的無極線(neutral line)輸入(N)。每個(gè)電壓獲取電路40a-40c分別包括在圖3A或圖3B中所示的至少一個(gè)非活躍變流器和其它電路。電流獲取電路62a，62b，62c分別接收輸入電流信號(hào)IA，IB，IC以及用于檢測進(jìn)入量電計(jì)60的輸入電流的無極線輸入(N)。電流獲取電路62a-62c還可以對應(yīng)于在本領(lǐng)域公知的用于測量流入電服務(wù)中的電流信號(hào)的變流器配置。
在圖4的電壓獲取電路和電流獲取電路之前可以設(shè)置額外的保護(hù)裝置(未示出)，如金屬氧化物變阻器(MOV)、齊納二極管、過涌保護(hù)器等等，以保護(hù)輸入電路不受例如由閃電或其它現(xiàn)象引起的、高電壓瞬時(shí)尖峰的影響。當(dāng)每個(gè)相應(yīng)的電壓和電流輸入信號(hào)由相應(yīng)的電壓和電流獲取電路40a-40c、60a-60c檢測，并由此縮小到適用于另一個(gè)量電計(jì)電路60的電平，然后每個(gè)縮小的電壓和電流信號(hào)可以中繼到模擬數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器64中，在這里每個(gè)相應(yīng)的模擬電壓和電流信號(hào)被采樣為數(shù)字信號(hào)表示。A/D轉(zhuǎn)換器64的特征優(yōu)選為至少有6個(gè)信道，但是應(yīng)當(dāng)理解根據(jù)本發(fā)明也可以使用更少或更多的信道。如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的，多路復(fù)用器可以與具有更少信道的A/D轉(zhuǎn)換器一起使用。
仍然參考圖4，當(dāng)電壓和電流信號(hào)VA，VB，VC、IA，IB，IC通過A/D 64轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式之后，將該數(shù)字信號(hào)中繼到至少一個(gè)微處理器66中，在這里可以按照本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的方式計(jì)算出能量的多少。各種計(jì)量計(jì)算，包括那些涉及實(shí)際功率計(jì)算、無功功率計(jì)算和/或視在功率計(jì)算、使用時(shí)間、需求計(jì)量和其它數(shù)量的計(jì)算都可以在微處理器66中根據(jù)輸入電壓信號(hào)和電流信號(hào)計(jì)算出來。
數(shù)字信號(hào)處理還可以由微處理器66執(zhí)行，以補(bǔ)償在本發(fā)明的電壓獲取電路中的任意相移。電壓獲取電路40a-40c中的各變流器可能包括輸入電壓信號(hào)和輸出電壓信號(hào)之間的相移。例如可以采用為檢測的電壓和/或電流信號(hào)提供領(lǐng)先/滯后補(bǔ)償控制、狀態(tài)空間控制、或其它控制類型的數(shù)字濾波器來進(jìn)行相位補(bǔ)償。由于選擇電壓獲取電路40a-40c中每個(gè)變流器的鐵芯材料的原因是因?yàn)樗鼈兊目深A(yù)測特性，因此可以在與微處理器66關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器中建立轉(zhuǎn)移函數(shù)，其可以由處理器66實(shí)施，以提供補(bǔ)償整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)(如大約96-576伏特)各輸入電壓和輸出電壓之間相移的濾波函數(shù)。通過數(shù)字濾波或其它方式的類似相位補(bǔ)償可以針對在電流獲取電路62a-62c中的各輸入電流信號(hào)和輸出電流信號(hào)之間的潛在相移，其可能發(fā)生在50mA-25A的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。當(dāng)被檢測的電壓信號(hào)和電流信號(hào)中都發(fā)生了相移時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解可以對電流信號(hào)和電壓信號(hào)都采用相位補(bǔ)償，或者只對一組相對于另一組信號(hào)發(fā)生已知相移的信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償。
圖4的量電計(jì)電路包括示例性量電計(jì)部件，但應(yīng)當(dāng)理解更多或不同的部件也可以包含在量電計(jì)中，而且本發(fā)明的電壓獲取電路可以在各種不同量電計(jì)類型和配置中使用。在量電計(jì)60中可以存在多個(gè)微處理器，以實(shí)施對不同功能級(jí)別的信號(hào)處理。同樣，諸如內(nèi)部供能、量電計(jì)存儲(chǔ)和通信特征，包括光學(xué)端口、調(diào)制解調(diào)器、LED、LCD顯示器、RF模塊等等的附加量電計(jì)部件也可以包含在內(nèi)。
圖3A、3B和4所示的根據(jù)在此公開的技術(shù)的系統(tǒng)可以對應(yīng)于諸如涉及相關(guān)技術(shù)的其它實(shí)施例。在圖5中功能性地示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例、即用于測量電服務(wù)中電壓信號(hào)的方法70。在該實(shí)施例中的第一示例性步驟72對應(yīng)于將給定電服務(wù)中的每個(gè)電壓相通過輸入電阻施加到非活躍變流器配置的初級(jí)繞組。步驟72有效地將輸入電壓通過變流器的初級(jí)繞組轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。設(shè)置在變壓器初級(jí)繞組之前的該輸入電阻可以較大，使得通過初級(jí)繞組的電流較小。圖5的方法70中的第二示例性步驟74是獲得與變流器的次級(jí)繞組耦合的負(fù)載電阻上的輸出電壓。該負(fù)載電阻可以與次級(jí)繞組并聯(lián)，使得步驟74有效地將通過第一繞組中的初級(jí)電流而在變壓器的次級(jí)繞組中感應(yīng)出的電流轉(zhuǎn)換為電壓。然后，在步驟74中獲得的每個(gè)縮小的電壓信號(hào)可以在步驟76中從其模擬信號(hào)格式轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字表示。然后在步驟78中對該數(shù)字信號(hào)作進(jìn)一步處理，以便實(shí)施領(lǐng)先/滯后相位補(bǔ)償來考慮變流器中的任何相移。本方法的其它實(shí)施例可以包括附加步驟，例如涉及后續(xù)計(jì)算能量多少的步驟。
雖然本發(fā)明就其特殊的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在理解了上述說明之后可以容易地作出這些實(shí)施例的替換、更改和等價(jià)。因此，本公開物的范圍是通過示例的方式而非限制性的方式，本公開物不排除對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的本發(fā)明的修正、更改和/或添加。
權(quán)利要求
1.一種用于在大輸入范圍內(nèi)測量電壓時(shí)獲取電壓的方法，包括步驟提供非活躍變流器，所述變流器包括初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，每個(gè)所述繞組都具有第一和第二連接端子；提供第一和第二電阻，所述電阻分別具有第一和第二連接端子；將所述第一電阻的第一端子連接到所述變流器的初級(jí)繞組的第一端子；將所述第二電阻的所述第一和第二連接端子分別連接到所述變流器的次級(jí)繞組的所述第一和第二連接端子；以及將待測量的電壓施加到所述第一電阻的所述第二連接端子和所述初級(jí)繞組的所述第二連接端子上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟選擇較高阻值的電阻作為所述第一電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述選擇步驟包括選擇具有約為一百萬歐姆(MΩ)阻值的電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述提供非活躍變流器的步驟還包括提供其鐵芯材料，該鐵芯材料從晶體NiFe、極小結(jié)晶材料和非晶體材料中選出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括步驟提供具有第一和第二輸入端子的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器；將所述次級(jí)繞組的第一和第二端子分別耦合到所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的第一和第二端子。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括步驟提供微處理器，所述微處理器包括處理器部分和存儲(chǔ)器部分；和在所述存儲(chǔ)器部分中存儲(chǔ)涉及所述鐵芯材料的微處理器參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括步驟計(jì)算預(yù)定的電壓值；和根據(jù)涉及所述鐵芯材料的所述參數(shù)調(diào)整所述預(yù)定電壓值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法用于在多相環(huán)境中測量電壓，以及其中，為該多相環(huán)境的每一相都提供相應(yīng)的非活躍變流器和相關(guān)的電阻及連接。
9.一種與量電計(jì)一起使用的電壓獲取裝置，包括非活躍變流器，所述非活躍變流器包括初級(jí)繞組和次級(jí)繞組；輸入電阻，其與所述非活躍變流器的初級(jí)繞組串聯(lián)耦合；負(fù)載電阻，其與所述非活躍變流器的次級(jí)繞組并聯(lián)耦合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電壓獲取裝置，還包括具有輸入端和輸出端的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以及其中，所述轉(zhuǎn)換器輸入端與所述非活躍變流器的所述次級(jí)繞組耦合。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電壓獲取裝置，還連接到用于大輸入范圍計(jì)量的量電計(jì)，該量電計(jì)包括與所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的所述輸出端耦合的微處理器，所述微處理器包括處理器部分和存儲(chǔ)器部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電壓獲取裝置，其中所述非活躍變流器還包括包含預(yù)定材料的鐵芯；以及所述微處理器的存儲(chǔ)器部分配置為存儲(chǔ)涉及所述預(yù)定材料的參數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電壓獲取裝置，其中，所述微處理器的處理器部分配置為部分地根據(jù)涉及所述預(yù)定材料的所述參數(shù)計(jì)算預(yù)定電壓值。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電壓獲取裝置，其中，所述處理器配置為根據(jù)涉及所述預(yù)定材料的所述參數(shù)計(jì)算相移的值。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電壓獲取裝置，其中所述裝置和多相量電計(jì)一起使用，用于測量多相環(huán)境中的電壓；以及所述裝置包括多個(gè)非活躍變流器和相關(guān)的電阻及連接，對所述非活躍變流器及其相關(guān)的電阻和連接而言，每一個(gè)都分別與該多相環(huán)境的所述多相中的一相相關(guān)聯(lián)。
16.一種用于在大輸入范圍內(nèi)的輸入電壓操作的量電計(jì)，包括非活躍變流器，所述非活躍變流器包括初級(jí)繞組和次級(jí)繞組；輸入電阻，其與所述非活躍變流器的初級(jí)繞組串聯(lián)耦合；負(fù)載電阻，其與所述非活躍變流器的次級(jí)繞組并聯(lián)耦合；具有輸入端和輸出端的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其輸入端與所述非活躍變流器的所述次級(jí)繞組耦合；與所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出端耦合的微處理器，所述微處理器包括處理器部分和存儲(chǔ)器部分。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的量電計(jì)，其中，所述非活躍變流器還包括包含預(yù)定材料的鐵芯；所述微處理器的存儲(chǔ)器部分配置為存儲(chǔ)涉及所述預(yù)定材料的參數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的量電計(jì)，其中，所述微處理器的處理器部分配置為部分地根據(jù)涉及所述預(yù)定材料的所述參數(shù)計(jì)算預(yù)定的電壓值。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的量電計(jì)，其中，所述處理器配置為根據(jù)涉及所述預(yù)定材料的所述參數(shù)計(jì)算相移的值。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的量電計(jì)，其中所述量電計(jì)是用于測量多相環(huán)境中的電壓的多相電表；以及所述量電計(jì)組合包括多個(gè)非活躍變流器和相關(guān)的電阻及連接，對所述非活躍變流器及其相關(guān)的電阻和連接而言，每一個(gè)都分別與該多相環(huán)境中多相中的一相相關(guān)聯(lián)。
21.一種用于在大輸入范圍內(nèi)測量電壓的方法，包括步驟提供非活躍變流器，所述變流器包括初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，每個(gè)所述繞組都具有第一和第二連接端子；提供第一和第二電阻，所述電阻分別具有第一和第二連接端子；將所述第一電阻的第一連接端子連接到所述變流器的初級(jí)繞組的第一連接端子；將所述第二電阻的所述第一和第二連接端子分別連接到所述變流器的次級(jí)繞組的所述第一和第二連接端子；將待測量的電壓施加到所述第一電阻的所述第二連接端子和所述初級(jí)繞組的所述第二連接端子上；提供具有第一和第二輸入端子的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器；將所述次級(jí)繞組的第一和第二端子分別耦合到所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的第一和第二端子；提供微處理器，所述微處理器包括處理器部分和存儲(chǔ)器部分；以及在所述微處理器的存儲(chǔ)器部分中存儲(chǔ)涉及所述非活躍變流器的參數(shù)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括步驟選擇較高阻值的電阻作為所述第一電阻。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述選擇步驟包括選擇具有約為一百萬歐姆(MΩ)阻值的電阻。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括步驟計(jì)算預(yù)定的電壓值；以及根據(jù)涉及所述非活躍變流器的所述參數(shù)調(diào)整所述預(yù)定電壓值。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述提供非活躍變流器的步驟還包括提供鐵芯材料，該鐵芯材料從晶體NiFe、極小結(jié)晶材料和非晶體材料中選出。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述在微處理器的存儲(chǔ)器部分存儲(chǔ)參數(shù)的步驟包括存儲(chǔ)涉及所述非活躍變流器的所述鐵芯材料的參數(shù)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括步驟計(jì)算預(yù)定的電壓值；根據(jù)涉及所述鐵芯材料的所述參數(shù)調(diào)整所述預(yù)定電壓值。
28.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述方法用于在多相環(huán)境中測量電壓，其中，為該多相環(huán)境的每一相都提供相應(yīng)的非活躍變流器和相關(guān)的電阻及連接。
全文摘要
一種用于檢測電服務(wù)每一相的輸入電壓信號(hào)的電壓獲取電路，其包括可以在大輸入電壓范圍內(nèi)操作的非活躍變流器配置。該變流器配置包括初級(jí)和次級(jí)繞組、輸入電阻和負(fù)載電阻，在該負(fù)載電阻上定義輸出電壓。輸入電阻可以較大，如約為1MΩ數(shù)量級(jí)，并且變流器鐵芯可以具有極小結(jié)晶鐵芯，其特征是對可變的變壓器磁通量級(jí)具有可預(yù)測的磁特性。該可運(yùn)行的可預(yù)測性簡化了通過針對變流器的輸入電壓和輸出電壓之間感應(yīng)出的任何相移的數(shù)字濾波或其它方式進(jìn)行的相位補(bǔ)償。本發(fā)明的電壓獲取電路可以檢測單相或多相電服務(wù)的每一相，由此所檢測的電壓隨后提供給量電計(jì)的附加部件，如電源或其它處理部件，包括A/D轉(zhuǎn)換器和用確定能量多少的微處理器。
文檔編號(hào)G01R15/18GK1816749SQ200480019062
公開日2006年8月9日 申請日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月1日
發(fā)明者布倫特·T·馬丁, 邁克爾·E·穆爾, 丹尼爾·M·拉基克 申請人:伊特倫電學(xué)計(jì)量公司