專利名稱：用于光學(xué)探測電源中的電弧的系統(tǒng)的制作方法
用于光學(xué)探測電源中的電弧的系統(tǒng) 相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求于2006年5月19日提交的美國臨時專利申請 No.60/801，929的優(yōu)先權(quán). 背景
本申請所公開的發(fā)明在各實施例中通常涉及用于光學(xué)探測電源中 電弧的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用于具有多個功率單元的電源.具有多個功 率單元的電源的各實施例比如在對Hammond的美國專利5,625,545 ("、545專利")中進行了闡述.
用于光學(xué)探測電弧的系統(tǒng)在本領(lǐng)域中是已知的.通常，當產(chǎn)生電 弧時，由弧產(chǎn)生的光被光學(xué)探測，并且這種探測可以用于中斷提供電 弧的功率.然而，已知的用于光學(xué)探測電孤的系統(tǒng)并不是必定適用于 很多的應(yīng)用.
已知的用于光學(xué)探測電孤的系統(tǒng)通常易受單點故陣(single point of failure)影響，并從而尤其不適合于需要特定冗余等級的應(yīng)用。同 樣，在不同的裝置中，電弧可能發(fā)生在很多位置。對于這種裝置，電 弧可能在通過已知的光學(xué)弧探測系統(tǒng)不被快速探測的位置出現(xiàn).因此， 這些弧的探測總是被延遲，從而致使電弧在其被探測之前對裝置造成 大的損害.在很多情況下，這種損害足以使該裝置不能工作.

發(fā)明內(nèi)容
在一個一般方面，本申請公開了用于光學(xué)探測電源中電弧的系統(tǒng). 根據(jù)各實施例，該系統(tǒng)包括光導(dǎo)管、光學(xué)耦合到該光導(dǎo)管的光電探測 器、以及連接到該光電探測器的信號處理器.
在另--般方面，本申請公開了電源.根據(jù)各實施例，該電源包
括多個功率單元.至少一個功率單元包括光導(dǎo)管、光學(xué)耦合到該光導(dǎo)
管的光電探測器、以及連接到該光電探測器的信號處理器的至少一部 分，
所公開的本發(fā)明的方面可以通過計算機系統(tǒng)和/或通過存儲在計算 機可讀介質(zhì)上的計算機程序來實施.該計算機可讀介質(zhì)可以包括磁盤、 裝置、和/或所傳播的信號.


本發(fā)明的各實施例在此通過示例結(jié)合附圖來進行闡述.
圖l示出了用于光學(xué)探測電弧的系統(tǒng)的各實施例；
圖2示出了圖1的系統(tǒng)的光導(dǎo)管的各實施例；
圖3示出了圖1的系統(tǒng)的信號處理電路的各實施例；
圖4示出了圖1的系統(tǒng)的數(shù)字信號處理器的各實施例；
圖5示出了圖1的系統(tǒng)的數(shù)字信號處理器的各實施例；
圖6示出了包含有圖1系統(tǒng)的電源的各實施例；
圖7示出了圖6的電源的功率單元的各實施例；
圖8示出了困6的電源的功率單元的各實施例；
圖9示出了包含有圖1系統(tǒng)的電源的各實施例；
圖IO示出了用于光學(xué)探測電弧的方法的各實施例。
具體實施例方式
應(yīng)該理解的是，至少一些圖以及本發(fā)明的描述已經(jīng)進行了簡化，
以便著重于對于本發(fā)明的清晰理解有關(guān)的元素，而為了清晰起見，去除本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的其他元素也可以構(gòu)成本發(fā)明的一部
分。然而，因為這些元素在本領(lǐng)域中是所公知的，并且因為它們不是必定有助于更好地理解本發(fā)明，所以在此沒有提供對這些元素的描述。
圖1示出了用于光學(xué)探測電弧的系統(tǒng)10的各實施例。系統(tǒng)10包括光導(dǎo)管12、與光導(dǎo)管12光學(xué)耦合的光電探測器14、電連接到光電探測器14的信號處理器16,系統(tǒng)IO可以用于在很多應(yīng)用中光學(xué)探測電弧。比如，系統(tǒng)IO可以用于在具有多個功率單元的電源中光學(xué)探測電弧。具有多個功率單元的電源的各實施例比如在對Hammond的美國專利5，625，545 ( "，545專利")中進行了描述，從而其整體通過引用結(jié)合與此.為便于解釋，系統(tǒng)10將關(guān)于在電源中對電弧的光學(xué)探測來進行闡迷，其中電源與在、545專利中所述的電源相類似。但是，系統(tǒng)IO還可以用于在不同于電源的應(yīng)用中光學(xué)探測電孤.
在圖2中示出了光導(dǎo)管12的各實施例。光導(dǎo)管12包括第一端18和第二端20，并且可以是任何合適的長度.根據(jù)各實施例，光導(dǎo)管12被配置用以捕捉在其第一端18處存在的光，并把所捕捉的光沿著光導(dǎo)管12的長度傳輸?shù)狡涞诙?0。根據(jù)各實施例，光導(dǎo)管12還被配置用以捕捉沿其長度存在的光，并把所捕捉的光沿著光導(dǎo)管12的長度傳輸?shù)狡涞诙?0。因此，在運行中，當與電孤有關(guān)的光靠近光導(dǎo)管12 的任何部分時，光被捕捉，并沿著光導(dǎo)管12的長度被傳輸?shù)狡涞诙?20,
回到圖l，如上文所述，光導(dǎo)管12與光電探測器14光學(xué)耦合.這 種光學(xué)輛合可以通過把光導(dǎo)管12的端(比如該光導(dǎo)管12的第二端20) 靠近光電探測器14安置來實現(xiàn).對于光導(dǎo)管12的第二端靠近光電探 測器14安置的應(yīng)用(比如見圖X)，在光導(dǎo)管12的第一端18和/或沿 其長度所捕捉的光通過光導(dǎo)管12的第二端20被傳輸?shù)焦怆娞綔y器14。
光電探測器14可以是任何合適類型的光電探測器。比如，根據(jù)各 實施例，如在本領(lǐng)域中所公知的，光電探測器14是具有陽極和陰極的 光電二極管.對于光電探測器14是光電二極管的實施例，光電二極管 可以是P-N光電二極管、P-I-N光電二極管等，并且可以具有約350至 1100納米的光謙范圍。根據(jù)其他實施例，光電探測器14是光電晶體管，
對于光電探測器14是光電二極管的某些實施例，光電二極管反偏 壓的，以光電導(dǎo)模式運行，并且可以生成可測量級的暗電流，對于這 種實施例，光電探測器14的陰極連接到功率源22，光電探測器14的 陽極連接到信號處理器16.功率源22可以構(gòu)成系統(tǒng)10的一部分，或 者可以位于系統(tǒng)10外部.對于光電探測器14是光電二極管的其他實 施例，光電二極管是零偏壓的，并且以光伏模式(photovoltaic mode) 運行。對于這種實施例，光電探測器14不連接到功率源22，光電探測 器14的陰極連接到信號處理器16,
在運行中，當光電探測器14光學(xué)探測與電弧相關(guān)的光時(比如當 與電弧相關(guān)的光通過光導(dǎo)管12被捕捉，并被傳輸?shù)焦怆娞綔y器14時)， 光電探測器14生成電流，所述電流代表了所探測的光的強度.所生成 的電流可以包括光電流成分和暗電流成分.光電流成分可以認為是所 生成電流的弧成分，暗電流可以認為是所生成電流的非弧成分.
如上文所述，信號處理器16電連接到光電探測器14。信號處理器 16可以以任何合適的方式來實現(xiàn).比如，根據(jù)各實施例，信號處理器 16作為信號處理電路來實現(xiàn)。在圖3中示出了這種信號處理電路的各 實施例.圖3的信號處理電路30包括RC濾波器電路32和跳閘電路 (trip circuit) 34，其分別電連接光電探測器14, RC濾波器電路32 運行用以從由光電探測器14所生成的信號中移除不需要的信息(比如代表暗電流成分的信息)，跳閘電路34運行用以當施加到跳閘電路34 的電壓達到或超過預(yù)定的門限時輸出信號.
根據(jù)其他實施例，信號處理器16作為數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)。在 圖4和5中示出了這種數(shù)字信號處理器的各實施例。圖4的數(shù)字信號 處理器40包括濾波器模塊42以及與濾波器模塊42相通信的比較器模 塊44.濾波器模塊42被配置用以生成信號，該信號代表了由光電探測 器14所生成的信號的光電流成分.比較器模塊44被配置用以把所過 濾的信號的值與門限值相比較，并根據(jù)所述兩個值(也即所過濾的信 號的值或門限值)哪個較大而生成榆出。模塊42、 44可以以硬件、固 件、軟件、或其任何組合來實施.根據(jù)各實施例，模塊42、 44的功能 可以組合為單獨的模塊，或者分布于多于兩個的模塊。
圖5的數(shù)字信號處理器50包括濾波器模塊52、幅度模塊54和頻 率模塊56.濾波器模塊52被配置以生成信號，所述信號代表了由光電 探測器14所生成的信號的光電流成分，幅度模塊54與濾波器模塊52 相通信，并被配置用以分析所過濾的信號的幅度。頻率模塊56也與濾 波器模塊52相通信，并被配置用以分析所過濾的信號的頻率。幅度模 塊54和頻率模塊56共同地運行，用以在頻謙上分解所過濾的信號。 通過分析所過濾信號的幅度和頻率，數(shù)字信號處理器50可以確定所發(fā) 生的電弧的特定類型，并根據(jù)分析而生成輸出.模塊52、 54、 56可以 以硬件、固件、軟件、或其任何組合來實施。根據(jù)各實施例，模塊52、 54、 56的功能可以組合到單獨的模塊中，或者分布于多于三個的模塊.
在系統(tǒng)10的一些實施例中，可以在困4和5的數(shù)字信號處理器外 部來實施過濾功能(比如通過RC濾波器)。對于由光電探測器14搜 生成的信號是模擬信號的實施例，系統(tǒng)IO也可以包括電連接到光電探 測器14和數(shù)字信號處理器的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(未示出)，用以把由光 電探測器14所產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換為適用于數(shù)字信號處理器的數(shù)字信 號.
圖6示出了電源60的各實施例.電源60可以類似于在、545專利 中所述的電源.電源60包括多繞組裝置62 (諸如變壓器或變壓器類的 裝置)、連接到多繞組裝置62的多個功率單元64、以及連接到每個功 率單元64的主控制器66.電源60還可以包括主接觸器68，其中所迷 主接觸器連接到電源60的電源輸入端、多繞組裝置62、以及主控制器66。主接觸器76可以是連接到三相配電系統(tǒng)的三個電力線的三相接觸器，并且可以包括有任意數(shù)目的輔助接觸器，如在本領(lǐng)域中已知的.根據(jù)各實施例，主接觸器68可以是真空接觸器，并且可以為連接到電源60的負栽(比如電機)的全電流和電壓被定額。
電源60可用于把三相AC電壓輸送給電機，并且電壓可以從應(yīng)用到應(yīng)用而不同.比如，根據(jù)各實施例，電源60可用于把4160伏(vac)輸送給電機、把6600伏(vac)輸送給電機、把10000伏(vac)輸送給電機、或者把其他的AC電壓電平輸送給電機。
每個功率單元64都是包括AC-DC整流器、平滑濾波器、輸出DC-AC轉(zhuǎn)換器、以及本地控制器70的裝置，根據(jù)各實施例，本地控制器70可以包括比如圖1的信號處理器16,每個功率單元64的本地控制器70都與主控制器66相通信.每個功率單元64都可以按照低壓標準來構(gòu)造，接受三相AC輸入電功率，并輸出單相AC電壓.電源60的至少一個功率單元64還包括圖1的系統(tǒng)IO,為了清晰起見，圖6的部分以常規(guī)的單線格式來示出，并且在圖6中示出了功率單元64的僅僅一些部件(比如本地控制器70).比如，盡管至少一個功率單元64包含如關(guān)于圖1的系統(tǒng)IO所述的光電探測器14和信號處理器16，但是這些部件在圖6中未示出.盡管電源60在圖6中示出為具有九個功率單元64,但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的是，電源60可以包括任意數(shù)目的功率單元64，并且在電源60中所包括的功率單元64的數(shù)目可以從應(yīng)用到應(yīng)用而不同.
圖7示出了功率單元64之一的各實施例.如在圖7中所示，光導(dǎo)管12的笫一端18安置在功率單元64外部，光導(dǎo)管12的第二端20靠近光電探測器14安置.因為電弧可能在位于功率單元64外部的區(qū)域中出現(xiàn)，所以光導(dǎo)管12的在功率單元64外部的部分可以捕捉由這樣的弧所產(chǎn)生的光，并把光沿著其長度傳輸?shù)焦怆娞綔y器14.根據(jù)其他實施例，光導(dǎo)管12的笫一端18安里于功率單元64內(nèi)部，并且光導(dǎo)管12的第二端20靠近光電探測器14安置。
圖8示出了功率單元14之一的各實施例。如圖8所示，功率單元64包括功率電子裝置72和多個電容器74。光電探測器14被安置用以在功率單元64內(nèi)定義視場76.當以這種方式來安置時，光電探測器14能夠光學(xué)探測在視場76內(nèi)的任意點所發(fā)生的電弧.由于電孤很可能在功率電子裝置72所被安置的區(qū)域中發(fā)生，并且視場76包括功率電 子裝置72所被安置的區(qū)域，所以光電探測器76能夠直接或間接地通 過光導(dǎo)管12來光學(xué)探測來自功率電子裝置72的電弧.為了清晰起見, 光導(dǎo)管12在圖8中未示出.
圖9示出了電源80的各實施例.電源80可以類似于圖6的電源 60，但不同之處在于電源80可以包括旁路控制器82、連接到旁路控制 器82的至少一個接觸器84、以及連接到旁路控制器82的至少一個旁 路開關(guān)86.所迷至少一個接觸器84以及所述至少一個旁路開關(guān)86還 連接到單獨的功率單元64.根據(jù)各實施例，功率單元80包括多個接觸 器84，其中每個相應(yīng)的接觸器84連接到不同的功率單元64.
旁路控制器82以及主控制器66被配置，用以通過通信鏈路88相 互通信.通信鏈路88可以實施為比如有線連接或光纖鏈路，在主控制 器66與旁路控制器82之間的通信可以以任何合適的形式.旁路控制 器82可以以任何合適的方式來實現(xiàn)。比如，根據(jù)各實施例，旁路控制 器82被實施為可編程邏輯裝置.旁路控制器82可運行用以從主控制 器66接收通信，并且響應(yīng)于此把信號傳輸至接觸器84和旁路開關(guān)86 中的至少一個.傳輸?shù)浇佑|器84和/或旁路開關(guān)86的信號可以是低壓 信號(比如36伏).根據(jù)各實施例，電源82可以包括多個旁路控制 器82，其中每個旁路控制器82都與主控制器66相通信，并連接到與 特定功率單元64相關(guān)的接觸器84和/或旁路開關(guān)86.
根據(jù)各實施例，接觸器84包括連接到多繞組裝置62的次級繞組 的接觸90、以及連接到旁路控制器82的電磁線圍92.接觸90的數(shù)目 可以根據(jù)電源配置而變化。電磁線困92可運行，用以響應(yīng)于從旁路控 制器82所接收的信號來打開以及閉合每個接觸90.接觸器84可以實 施為三相接觸器，并且可以包括任意數(shù)目的輔助接觸，如在本領(lǐng)域中 所已知的.根據(jù)各實施例，接觸器84可以是真空接觸器，并且可以為 其所連接到的功率單元64的全電流和電壓被定額(rate).
旁路開關(guān)86可以以任何合適的方式來實施.比如，根據(jù)各實施例， 旁路開關(guān)86可以包括連接至功率單元64的輸出端的開關(guān)94、以及連 接至另一功率單元的輸出端的開關(guān)96，其中所述另一功率單元與功率 單元64相串聯(lián).根據(jù)各實施例，開關(guān)94、 96可以是互鎖的，并且旁 路開關(guān)86還可以包括可運行用以響應(yīng)于從旁路控制器82所接收的信號來打開開關(guān)94并閉合開關(guān)96的裝置(例如電磁線圏)。
圖IO示出了用于光學(xué)探測電弧的方法100的各實施例.方法100可以通過圖1的系統(tǒng)10來實現(xiàn)，并且可以用于在多種應(yīng)用中光學(xué)探測電弧，比如，方法100可用于光學(xué)探測在電源中功率單元內(nèi)部或外部的電弧.為便于解釋起見，方法100將在光學(xué)探測困9的電源80中的電孤的上下文中來闡述.然而，方法100也可以用于光學(xué)探測在其他電源(比如圖6的電源60)中以及在不同于電源的應(yīng)用中的電孤.
過程開始于塊102，其中光電探測器14光學(xué)探測至少部分地來自于在電源80中所發(fā)生的電弧的光.電弧可以發(fā)生于電源80的功率單元64的內(nèi)部或外部。因此，可以通過光電探測器14直接地或通過光導(dǎo)管12來光學(xué)探測所述光.
過程從塊102進行到塊104，其中光電探測器14生成電流(也即信號)，其中所述電流代表所探測的光的強度.所生成的電流包括光電流成分和暗電流成分.光電流成分與來自電弧的光相關(guān)聯(lián)，暗電流與不同于電弧的某物(比如環(huán)境光)相關(guān)聯(lián).
過程從塊104進行到塊106，其中信號處理器16接收由光電探測器14所生成的信號的至少一部分，處理所接收的信號，并生成輸出。如上文所述，信號處理器16可以構(gòu)成本地控制器70的一部分。信號在塊106處的處理可以包括比如過濾由光電探測器14所生成的信號的暗電流成分、把信號或過濾的信號與門限值相比較、并分析信號或過濾的信號的幅度和/或頻率.由信號處理器16所生成的輸出可以指示沒有探測到孤、已探測到孤、已探測到特定類型的弧.
過程從塊106進行到塊108，其中本地控制器70把消息傳送至主控制器66.消息可以指示比如沒探測到弧、已探測到弧、已探測到特定類型的孤.
過程從塊108進行到塊110，其中主控制器66接收消息，并確定適當?shù)膭幼鬟M程.所述適當?shù)膭幼鬟M程可以是比如中斷至所有功率單元的功率、中斷至特定功率單元(比如包括有探測到弧存在的光電探測器的功率單元)的功率、或不采取動作。
如果在塊110處所進行的確定是中斷至所有功率單元的功率，那么過程就從塊110進行到塊112.在塊112處，主控制器66輸出信號，所述信號致使接觸器68中斷至電源80的輸入端的功率，從而中斷至每個功率單元64的功率.
如果在塊110處所進行的確定是中斷至特定功率單元(比如包括 有探測到孤存在的光電探測器的功率單元)的功率，那么過程就從塊 110進行到塊114.在塊114處，旁路控制器82接收中斷消息，處理中 斷消息，并把中斷信號發(fā)送給與所述特定功率單元64相關(guān)聯(lián)的接觸器 84.中斷信號致使至所述特定功率單元64的功率中斷。另外，旁路控 制器82也可以發(fā)送旁路信號至與所述特定功率單元64相關(guān)聯(lián)的旁路 開關(guān)86.旁路信號致使開關(guān)94打開以及開關(guān)96閉合，從而防止所述 特定功率單元64貢獻于電源80的輸出電壓，而同時允許電源80保持 運行，
如果在塊110處所進行的確定是不采取進一步動作，那么過程就 從塊IIO進行到塊116.在塊116處，方法IOO然后就等待下一電孤發(fā) 生，當電源80運行時，上述的過程流可以被重復(fù)任意次.
雖然在此通過示例的方式闡述了本發(fā)明的幾個實施例，但是本領(lǐng) 域技術(shù)人員應(yīng)理解的是可以實現(xiàn)對所述實施例的各種修改、變化、 以及改編，而不脫離由后附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明精神和范疇.
權(quán)利要求
1. 用于光學(xué)探測電源中的電弧的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括光導(dǎo)管；光學(xué)耦合到所述光導(dǎo)管的光電探測器；以及連接到所述光電探測器的信號處理器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述光導(dǎo)管的至少一部分被 安置于所述電源的功率單元內(nèi).
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所迷光導(dǎo)管的至少一部分被安置于所述功率單元外部，
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述光電探測器是光電晶體管.
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光電探測器是光電二極管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述光電探測器靠近所述光 導(dǎo)管的端來安置.
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述信號處理器包括信號處 理電路，所述信號處理電路包括至少以下之一濾波器電路；以及 跳閘電路，
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述信號處理器包括數(shù)字信 號處理器.
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)字信號處理器包括過 濾模塊，所述過濾模塊被配置用以過濾由所述光電探測器所生成的信 號。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)字信號處理器包括 比較器模塊，所述比較器模塊被配置用以把由所述光電探測器所生成 的信號的至少一部分的值與門限值相比較，
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)字信號處理器包括 至少以下之一幅度模塊，其被配置用以分析由所述光電探測器所生成的信號的 至少一部分；以及頻率模塊，其被配置用以分析由所述光電探測器所生成的信號的至少一部分.
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括連接到所述電源的主控 制器的旁路控制器.
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括 連接到所述旁路控制器和所述功率單元的接觸器；以及 連接到所述旁路控制器的旁路開關(guān).
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述旁路開關(guān)包括 連接到所述功率單元的輸出端子的笫一開關(guān)；以及 連接到所述電源的另一功率單元的輸出端子的第二開關(guān)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括連接到所迷電源的主控 制器的主接觸器.
16. 電源，包括多個功率單元，其中所述功率單元中的至少一個包括 光導(dǎo)管的至少一部分；光學(xué)耦合到所迷光導(dǎo)管的光電探測器；以及 連接到所述光電探測器的信號處理器.
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的電源，還包括與所迷功率單元相通信 的主控制器。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的電源，還包括與所述主控制器相通信 的旁路控制器。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的電源，還包括至少以下之一 連接到所述旁路控制器和所述功率單元之一的接觸器；以及 連接到所述旁路控制器的旁路開關(guān).
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述旁路開關(guān)包括 連接到所述功率單元之一的輸出端子的笫一開關(guān)；以及 連接到所述電源的所述功率單元中的另一功率單元的輸出端子的第二開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于光學(xué)探測光源中的電弧的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括光導(dǎo)管、光學(xué)耦合到所述光導(dǎo)管的光電探測器、以及連接到所述光電探測器的信號處理器。
文檔編號H02M7/48GK101461124SQ200780018348
公開日2009年6月17日 申請日期2007年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月19日
發(fā)明者E·A·奇斯曼, M·F·艾洛, X·張 申請人:西門子能量及自動化公司