專(zhuān)利名稱(chēng)：數(shù)字電路斷流器的判定電路的制作方法
由約翰·J·多爾蒂(John·J·Dougherty)于1984年7月17日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第163，708號(hào)描述了應(yīng)用大規(guī)模集成電路技術(shù)能夠完全實(shí)現(xiàn)的數(shù)字電路斷流器。此電路用數(shù)字方式執(zhí)行過(guò)流判定和斷流延時(shí)，是在與預(yù)先設(shè)定的電流值進(jìn)行比較后實(shí)現(xiàn)的。此電路使用一峰值檢測(cè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中復(fù)合的檢測(cè)電路電流與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出比較，同時(shí)一個(gè)固定的時(shí)鐘脈沖又與該比較而得的輸出相比較。由復(fù)合電流峰值控制的I2t數(shù)字值被用來(lái)量度流經(jīng)保護(hù)電路的電流。
在工業(yè)應(yīng)用中，當(dāng)保護(hù)電路內(nèi)測(cè)到峰值電流時(shí)，已經(jīng)出現(xiàn)由電流波形畸變而產(chǎn)生的故障跳閘，那里畸變的電流波形的第五和第七諧波可加到峰值上，使峰值超過(guò)預(yù)設(shè)的長(zhǎng)時(shí)和短時(shí)檢測(cè)值，導(dǎo)致所謂的“有害跳閘”，造成生產(chǎn)量的損失。該電路必須單獨(dú)測(cè)試以保證在電路電閘重新閉合和工業(yè)設(shè)備運(yùn)行前實(shí)際上不存在故障電流。這個(gè)措施在易引起正弦波畸變的、用大容量
網(wǎng)校正功率因素的輸電和配電系統(tǒng)中已較為普遍使用。使用高容量感應(yīng)負(fù)載，諸如大感應(yīng)爐時(shí)，檢測(cè)電流波形諧變，使第七諧波疊加到峰電流值上從而產(chǎn)生明顯的過(guò)流狀態(tài)。但其時(shí)真正的均方根(RMS)電流值尚在可接受的限度以?xún)?nèi)?，F(xiàn)已確認(rèn)，如果測(cè)得的是電流RMS而不是象現(xiàn)在大多數(shù)工業(yè)供電電路中定制的峰值，那么電流波形畸變就不是一個(gè)問(wèn)題。RMS值檢測(cè)還較現(xiàn)實(shí)地評(píng)估了供電總線(xiàn)的實(shí)際熱效應(yīng)，因?yàn)檫@些總線(xiàn)是受保護(hù)電路中的電路中斷設(shè)備保護(hù)的。
因此，本發(fā)明提出了一個(gè)電路保護(hù)用的數(shù)字電路斷流器，在此數(shù)字電路中連續(xù)進(jìn)行著RMS值計(jì)算，以度量流經(jīng)保護(hù)電路的復(fù)合電流。
數(shù)字過(guò)流保護(hù)作用系來(lái)自其頻率與模擬電流信號(hào)振幅的平方成正比的電流脈沖流，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)累計(jì)平方了的電流值，從而確定一個(gè)均方根值。


圖1是本發(fā)明的倍頻電路的框圖;
圖2是在圖1電路內(nèi)產(chǎn)生的頻率脈沖的計(jì)時(shí)圖的圖示;
圖3是本發(fā)明的頻率平方電路的框圖;
圖4是本發(fā)明的倍頻交流電路框圖;
圖5是本發(fā)明的頻率平方交流電路框圖;
圖6是本發(fā)明RMS值保護(hù)電路框圖;
圖7是本發(fā)明的功率計(jì)算電路框圖;
圖8是本發(fā)明的RMS值計(jì)算電路框圖;
圖9是本發(fā)明的四位RMS值計(jì)算電路框圖;
圖10是本發(fā)明的多位RMS值計(jì)算電路框圖。
圖1繪出一個(gè)倍頻電路10，該電路包括與頻率為fA的電源A連接的輸入線(xiàn)11。電源可提供一個(gè)電壓給這樣一種變頻器(V/F)，它把電流或電壓模擬信號(hào)的大小變換成頻率，從而可以數(shù)字狀態(tài)工作。例如模擬輸入信號(hào)能控制變?nèi)荻O管的偏壓，后者用作振蕩器內(nèi)共振電路的定頻元件，這樣，振蕩頻率將決定于輸入信號(hào)值。電壓到頻率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的好處在于在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)輸入平均值用數(shù)字表示。頻率為fA的輸入線(xiàn)11接到“與”門(mén)12的一個(gè)輸入端。另一個(gè)獨(dú)立的頻率為fB的電源B由輸入線(xiàn)13連到1∶N計(jì)數(shù)器14，計(jì)數(shù)器的輸出則與RS觸發(fā)器15的置“1”(S)輸入端相連。復(fù)位(.R)輸入端則接到固定定時(shí)器17，定時(shí)器的允許ENABLE(EN)輸入端與觸發(fā)器的Q輸出端相連，同時(shí)經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)16接到“與”門(mén)12的另一個(gè)輸入端。觸發(fā)器置“1”時(shí)定時(shí)器啟動(dòng)運(yùn)行，即此時(shí)Q輸出端是在“高電平”狀態(tài)。輸出線(xiàn)18提供頻率fO，此頻率是fA，fB乘積的函數(shù)，如圖2各定時(shí)框圖所示。對(duì)于倍頻電路10中每一個(gè)端點(diǎn)，這些方框表示在一個(gè)共同時(shí)間軸上的單周波定時(shí)圖。每一個(gè)脈沖波表示電壓信號(hào)的存在(1)或不存在(0)，即指出的“高”或“低”狀態(tài)。此周波在二進(jìn)制計(jì)數(shù)器14結(jié)束其計(jì)數(shù)時(shí)開(kāi)始。一個(gè)高的輸出使觸發(fā)器置“1”，然后一個(gè)高Q信號(hào)施加于“與”門(mén)的一個(gè)輸入端。在連線(xiàn)18上的“與”門(mén)輸出，由于有高輸入，將跟隨另一輸入端的狀態(tài)而變化，并且是輸入線(xiàn)11上的頻率fA的函數(shù)。在觸發(fā)器置“1”時(shí)，開(kāi)始另二個(gè)處理過(guò)程。固定定時(shí)器17被啟動(dòng)，同時(shí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器14自其最大值開(kāi)始計(jì)數(shù)。經(jīng)一個(gè)時(shí)間增量t以后，定時(shí)器使觸發(fā)器復(fù)位，從而在輸出線(xiàn)18上不再出現(xiàn)自“與”門(mén)來(lái)的信號(hào)。fA在輸入線(xiàn)11上高、低狀態(tài)間的關(guān)系示于19，以與20所示的輸入線(xiàn)13上fB從脈沖1到n逐個(gè)增加脈沖寬度的脈沖輸入相比較。觸發(fā)器的Q輸出狀況示于圖21，以與22所示的恒定定時(shí)器狀態(tài)相比較。延時(shí)t就是Q輸出停留在高位時(shí)的時(shí)間。二進(jìn)制計(jì)數(shù)器14是一個(gè)1∶N計(jì)數(shù)器，其性能示于23，輸出線(xiàn)18載有來(lái)自“與”門(mén)12的輸出頻率fO的條件表示在24中。
在輸出線(xiàn)18上表示頻率fO的若干脈沖P間的數(shù)學(xué)關(guān)系由以下表達(dá)式給出P = (t)/(1/fa) = fat
觸發(fā)器保留在復(fù)位狀態(tài)，在周期由二進(jìn)制計(jì)數(shù)器14完成前它一直存貯著一些脈沖。在載有頻率fB的輸入線(xiàn)13上接收到n個(gè)脈沖以后，二進(jìn)制計(jì)數(shù)器啟動(dòng)一個(gè)新的周期。整個(gè)周期時(shí)間由下列表達(dá)式計(jì)算出T = n × 1/(fb) = (n)/(fb)輸出頻率fO在周期中的值由下面表達(dá)式給出fO＝ (P)/(T)將上述結(jié)果代入該式，得下式fO= (fat)/(n/fb) = (t)/(n) fafb圖3示出一頻率平方電路26，其中省去了已在圖1中繪出的頻率源B，并且二進(jìn)制計(jì)數(shù)器14與載有單頻率fA的輸入線(xiàn)11相連。相同元件均標(biāo)以共用的標(biāo)號(hào)。此電路在前述方式下運(yùn)行其結(jié)果如下全周期時(shí)間現(xiàn)用下面表達(dá)式給出T = (n)/(fa)代入后得fO＝ (t)/(n) f2a一個(gè)簡(jiǎn)化的倍頻電路87示于圖4，其頻率源A經(jīng)輸入線(xiàn)11接到1∶N計(jì)數(shù)器88的輸入端，頻率源B則由公共線(xiàn)13與DSQ觸發(fā)器89和DQ觸發(fā)器90的CLK端點(diǎn)連接。時(shí)鐘頻率通過(guò)輸入線(xiàn)9供給UP計(jì)數(shù)器91的輸入端。1∶N計(jì)數(shù)器之預(yù)置(PRESET)端和UP計(jì)數(shù)器的允許(ENABLE)端經(jīng)導(dǎo)體93
接到DQ觸發(fā)器90之輸出端Q。DSQ觸發(fā)器89之Q輸出端被接到DQ觸發(fā)器之D輸入端;DSQ觸發(fā)器的S輸出端則經(jīng)導(dǎo)體92與輸出線(xiàn)18相連接。來(lái)自UP計(jì)數(shù)器的m個(gè)數(shù)據(jù)位經(jīng)多導(dǎo)線(xiàn)94供給1∶N計(jì)數(shù)器的輸入端。
當(dāng)1∶N計(jì)數(shù)器88等于“φ”脈沖時(shí)，UP計(jì)數(shù)器能使輸入頻率fA完成一個(gè)周期。在這個(gè)周期中UP計(jì)數(shù)器累計(jì)到fcLk/fB個(gè)脈沖，在那里fcLk既大于fA也大于fB的最大值。“φ”脈沖間的時(shí)間t由下面的表達(dá)式給出t = (fc L K/ fB)(1/fA)= 1/(fo U T) ；因此foUT＝KfAfB，式中K = 1/(fC L K)一個(gè)簡(jiǎn)化了的頻率平方電路95示于圖5，圖中頻率電源A經(jīng)由導(dǎo)線(xiàn)11連接到1∶N計(jì)數(shù)器88的輸入端，固定時(shí)鐘脈沖經(jīng)輸入導(dǎo)線(xiàn)9連到UP計(jì)數(shù)器91的一個(gè)輸入端。1∶N計(jì)數(shù)器的預(yù)置(PRESET)端與UP計(jì)數(shù)器的ENABLE輸入端經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)96相連，并經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)97與輸出線(xiàn)18相連。來(lái)自UP計(jì)數(shù)器的m位數(shù)據(jù)輸出經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)98輸入到1∶N計(jì)數(shù)器。
頻率平方電路95在與上述倍頻電路87類(lèi)似的情況下運(yùn)行，但在1∶N計(jì)數(shù)器88等于“φ”脈沖時(shí)輸入頻率fA的一個(gè)周期中UP計(jì)數(shù)器累計(jì)到fcLk/fA的情況例外。在“φ”脈沖后沿，1∶N計(jì)數(shù)器被預(yù)置到UP計(jì)數(shù)器的值(fcLk/fA)。UP計(jì)數(shù)器被清除。此時(shí)“φ”脈沖間的時(shí)間t由下面的表達(dá)式給出t＝(fcLk/fA)(1/fA)并且fo= (1脈沖)/(fc L K/ f2A) 秒這可簡(jiǎn)化為fO＝Kf2A，式中K = 1/(fC L K)頻率平方函數(shù)的一個(gè)應(yīng)用是在圖6的57繪出的RMS過(guò)流保護(hù)電路中由V/F轉(zhuǎn)換器27和頻率平方電路26組成一個(gè)電流調(diào)節(jié)電路。該保護(hù)電路已應(yīng)用在如前面提到的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)案的數(shù)字電路斷流器中。數(shù)字I2t函數(shù)和峰值檢測(cè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器電路在引用的數(shù)字電路斷流器中被平方電路26和V/F轉(zhuǎn)換器27所替換，從而提供電流調(diào)節(jié)功能。檢拾電路29和解扣電路30與前述的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中所描述的是一樣的，其中三個(gè)檢測(cè)變流器各插入保護(hù)電路中的三相電中之一相中，它們連續(xù)供電給負(fù)載電阻，使之產(chǎn)生一個(gè)與檢測(cè)電流的絕對(duì)值成正比的電壓值。此電壓值經(jīng)輸入線(xiàn)85供給電壓頻率轉(zhuǎn)換器27，從而產(chǎn)生與檢測(cè)電流成正比變化的頻率fI。此值經(jīng)輸入線(xiàn)11供給平方電路26，26所含的元件已在圖3繪出，它導(dǎo)出一個(gè)輸出頻率fO，其值正比于f2I，fO經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)18輸送給平均計(jì)數(shù)器28，并經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)31送給檢拾電路29。檢拾電路響應(yīng)于檢測(cè)電流的預(yù)定值，該值可用f2I表示，而平均計(jì)數(shù)器28經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)32供給一延時(shí)，如圖所示，此時(shí)間與電流平方平均值之倒數(shù)成正比。在解扣電路30中，在運(yùn)轉(zhuǎn)解扣機(jī)構(gòu)之前，這個(gè)延時(shí)值被用來(lái)確定長(zhǎng)、短延時(shí)之特征值。注意，在均方根值保護(hù)電路中均方根值是通過(guò)平方來(lái)提供確定解扣前的過(guò)流時(shí)間即I2t的時(shí)間因素的。由于這樣定義均方，平均計(jì)數(shù)器28的輸出可如圖示直接被使用。檢拾電路29也必須將平方頻率輸出f2I加以平均，才能確定基于解扣-檢拾調(diào)節(jié)電流平方的檢拾，這在前面提到的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中已詳細(xì)描述。
圖1的倍頻電路10用于功率計(jì)算電路86，如圖7所示。電路電壓值V由整流器33加以整流，其輸出的直流電壓輸入V/F轉(zhuǎn)換器27A，同時(shí)一個(gè)與輸入電壓信號(hào)極性相應(yīng)的極性信號(hào)施加于“同”門(mén)35的一個(gè)輸入端。保護(hù)電路中的電流值在另一整流器34中整流，其直流電流供給另一個(gè)V/F轉(zhuǎn)換器27B。相應(yīng)于輸入電流極性的極性信號(hào)再被施加于“同”門(mén)35的另一個(gè)輸入端。整流電路電壓的頻率fV經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)36供給倍頻器10，同時(shí)整流電路電流的頻率fI經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)37供給倍頻器。在倍頻器中這兩種頻率被連續(xù)倍增后提供輸出頻率fO。fO與二種輸入頻率的乘積成正比。它經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)18作用于可逆計(jì)數(shù)器39的CT端。電壓和電流極性信號(hào)在“同”門(mén)35中同時(shí)倍增，該“同”門(mén)被用作同相檢測(cè)器。同相信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)38連接可逆計(jì)數(shù)器的U/D端以控制可逆計(jì)數(shù)器的狀態(tài)?？赡嬗?jì)數(shù)器的進(jìn)位(CARRY)輸出C經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)40提供平均正向功率脈沖，借位(BORROW)輸出B則經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)41提供反向功率指示。
電路電流和電壓的RMS值在保護(hù)電路中還可有其他的應(yīng)用，例如用于計(jì)量。圖8中的RMS計(jì)算電路57可取圖3頻率平方電路26提供的頻率值fO，并將此值作為電路電流平方頻率f2I，f2I經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)18輸送，并經(jīng)互連的1∶N計(jì)數(shù)器42、UP計(jì)數(shù)器44、M+1位鎖存器49以及M位全加器50在多重輸出線(xiàn)56上產(chǎn)生一個(gè)m位的RMS值。在詳述RMS判定電路以前，敘述一下其中的一些數(shù)學(xué)函數(shù)是有所裨益的。計(jì)算任何數(shù)的方根的已知疊代法，由下式給出Ai+1＝ (Ai)/2 + (X)/(2Ai) ＝ 1/2 (Ai+ (X)/(Ai) )式中i是一串表達(dá)式的迭代指數(shù);Ai則代表方根值的前一估計(jì)值;X表示等于平方值的那個(gè)數(shù)。在具有A合理起始值的方根值上級(jí)數(shù)很快收斂。在前述時(shí)間T上的電信號(hào)的均方根值由下面的表達(dá)式給出RMS=(XAVG/T2)12]]>式中X2AVG等于信號(hào)X平方的平均值，RMS則等于均方根值。
再參照?qǐng)D8的RMS電路57，前面提到的數(shù)學(xué)函數(shù)按以下方式完成數(shù)字計(jì)算。輸入信號(hào)頻率正比于輸入電流I的平方，如圖3頻率平方電路26所示，經(jīng)輸入導(dǎo)線(xiàn)18送至1∶N計(jì)數(shù)器42的輸入端。此計(jì)數(shù)器的比例因子是一個(gè)m位的數(shù)字值，它與上面描述的符號(hào)“Ai”有關(guān)。1∶N計(jì)數(shù)器的輸出通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)43加于簡(jiǎn)單二進(jìn)制UP計(jì)數(shù)器44。UP計(jì)數(shù)器的m位輸出經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)51施加至一個(gè)m位全加器上，相當(dāng)于公式X÷Ai。取樣信號(hào)是來(lái)自一時(shí)鐘(圖上未示出)的計(jì)時(shí)脈沖，它用來(lái)完成RMS信號(hào)的計(jì)算，其周期相當(dāng)于前述RMS計(jì)算表達(dá)式中的時(shí)間T。取樣定時(shí)脈沖通過(guò)輸入線(xiàn)45經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)46與1∶N計(jì)數(shù)器42的PR端相連接;同時(shí)又經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)47接到M+1位鎖存器49的一個(gè)輸入端。取樣定時(shí)脈沖經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)48與UP計(jì)數(shù)器的CLR輸入相接。來(lái)自m位全加器50的m+1個(gè)數(shù)據(jù)位經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)53輸入到m+1位鎖存器49中。m+1位鎖存器輸出的m個(gè)最高有效數(shù)據(jù)位加到1∶N計(jì)數(shù)器42的一個(gè)輸入;而該最低有效位數(shù)據(jù)位則經(jīng)線(xiàn)52施加于m位全加器50的一個(gè)CARRy-IN輸入端。m位全加器50的另一輸入是經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)54和55提供的m個(gè)最高有效的數(shù)據(jù)位。聯(lián)接導(dǎo)線(xiàn)54、55的輸出線(xiàn)56載荷最終的RMS二進(jìn)制值。
在完成RMS計(jì)算過(guò)程中，RMS電路運(yùn)行在以下?tīng)顟B(tài)。在接收到取樣脈沖時(shí)UP計(jì)數(shù)器44的存數(shù)被清除，一新的Ai值被置入1∶N計(jì)數(shù)器42中。在時(shí)間T的周期內(nèi)，UP計(jì)數(shù)器44累計(jì)脈沖數(shù)達(dá)到下列速率fRMs＝f2I÷Ai在經(jīng)過(guò)時(shí)間為T(mén)的周期以后，UP計(jì)數(shù)器44已累計(jì)到f2I×T÷AI個(gè)脈沖數(shù)，經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)51加到m位全加器50的一個(gè)輸入端。m位全加器的另一輸入端接收到前一估計(jì)值A(chǔ)i。在接收到取樣脈沖后，m位全加器的兩個(gè)輸入和自m+1位鎖存器49最低有效位輸入的CARRY-IN位三者疊加，從而其輸出為m位+CARRY位(即m+1)，這可由下列表達(dá)式表示Ai+f2I×T÷Ai將此式除以2可得均方根值的一個(gè)新估計(jì)值。在二進(jìn)制表示中這可通過(guò)將被除數(shù)Ai+1移一個(gè)二進(jìn)位而得到。在本發(fā)明的均方根值電路中，這可使用m+1全加器的CARRY位作為新估計(jì)值的最高有效位(MSB)，及使用m位全加器級(jí)的m-1個(gè)最高有效的輸出來(lái)完成。取樣脈沖的后沿被用來(lái)鎖住新的均方根值估計(jì)值，清除UP計(jì)數(shù)器44的殘數(shù)及預(yù)置1∶N計(jì)數(shù)器42。
4位均方根值計(jì)算電路58示于圖9，圖8的均方根值電路57中的1∶N計(jì)數(shù)器42、UP計(jì)數(shù)器44、m+1位鎖存器49和m位全加器50均分別由1∶N計(jì)數(shù)器59、4位UP計(jì)數(shù)器60、4位鎖存器65及4位全加器83所代替。電流平方頻率(f2i)通過(guò)輸入線(xiàn)18接到1∶N計(jì)數(shù)器59，而1∶N計(jì)數(shù)器的輸出由導(dǎo)線(xiàn)61接至UP計(jì)數(shù)器60的一個(gè)輸入上。取樣脈沖通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)63接到1∶N計(jì)數(shù)器的引出端P9，又經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)62接到鎖存器65的LC端和可逆計(jì)數(shù)器60的CLR端。鎖存器輸出端分別經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)64，66，67，68接到1∶N計(jì)數(shù)器的引出端P10、P11、P12、P13。鎖存器的幾個(gè)輸入端則如圖所示與四位全加器83的CY(CARRY)和輸出端A0-A3連接。四位全加器的輸入端CYIN(CARRY-IN)與鎖存器65的一個(gè)輸出端相接，以通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)84將最低有效數(shù)據(jù)位(LSB)建立到四位全加器上去。最高有效數(shù)據(jù)位(MSB)是自UP計(jì)數(shù)器60經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)69提供給四位全加器83的，而最低有效數(shù)據(jù)位(LSB)則經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)72提供給四位全加器，四位全加器的其余輸入端經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)73和74與計(jì)數(shù)器輸出端連接，連接鎖存器65和四位全加器的導(dǎo)線(xiàn)66、67和68包括四位的均方根值輸出。四位全加器83輸出最低有效位(LSB)通過(guò)與CYIN輸入端形成迴路而用于計(jì)算下一個(gè)結(jié)果，這個(gè)回路輸入包括最低有效加法器級(jí)，使已取消的數(shù)據(jù)位“集合”。出于實(shí)用，UP計(jì)數(shù)器60必須防止轉(zhuǎn)過(guò)頭，也就是說(shuō)，防止超出最大計(jì)數(shù)而回復(fù)到零。有些整體電路既要求使計(jì)數(shù)器保持一最大計(jì)數(shù)，也要求把四位全加器的所有輸入置于最大值。最終的二進(jìn)位數(shù)的選擇是與這個(gè)重要的最大輸入信號(hào)和周期P聯(lián)系的，而周期P要求先求出均方根值。在穩(wěn)定狀態(tài)條件下，下面的數(shù)學(xué)表面式是適用的
Ai+1＝(f2I×T÷Ai+Ai)÷2圖8的m位全加器50在f2I最大時(shí)出現(xiàn)飽和，這可從下列表達(dá)式導(dǎo)出AI＝2m-1＝f2Imax×T÷(2m-1)這可以簡(jiǎn)化為(2m-1)2＝f2Imax×T圖9中的四位均方根值電路58的真實(shí)解是2m-1，其中m＝4。假如要求均方根值在一單相60赫上，周期T為16.6毫秒，則圖3中頻率平方電路26在滿(mǎn)標(biāo)模擬輸入時(shí)應(yīng)按下列公式給出的脈沖率設(shè)計(jì)f2I max＝(2m-1)2÷T＝152÷0.1666＝13500赫茲由于均方根值電路不改變輸入信號(hào)，若干可變周期電路可以在不同時(shí)間段上并行地測(cè)量均方根值，以獲取甚至更高的分辨率。
圖10是一個(gè)多均方根值計(jì)算電路75，圖中一個(gè)八位均方根值電路78被并接一個(gè)十一位均方根值電路79。正比于電路電流平方的頻率f2I經(jīng)線(xiàn)18輸入到八位均方根值電路78，并經(jīng)線(xiàn)77輸入到均方根值電路79。一個(gè)頻率為60赫的取樣脈沖經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)76輸入到八位均方根值電路，同時(shí)還有一個(gè)周期T為一秒的附加取樣脈沖經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)82輸入到十一位的均方根值電路。一個(gè)有效的7.5位均方根值信號(hào)出現(xiàn)在導(dǎo)線(xiàn)80上，并每隔16.6毫秒更改一次;而一個(gè)有效的10.4位的均方根值信號(hào)出現(xiàn)在導(dǎo)線(xiàn)81上，它每隔一秒改變一次。此組合電路的數(shù)學(xué)表達(dá)式是在每赫16.6毫秒、最大平方頻率f2I為2兆赫時(shí)給出的，即在60赫時(shí)有下列結(jié)果(2m-1)2≌22m＝f2maxT
對(duì)m求解，得出下列式子m = 1/2 (ln(fi2m a xT))/(ln2) = (ln(2×106/ 60))/(2(0.693))在給定的例子中m值等于7.5，最終的分辨率為0.5%。雖然此解適于控制用，但T為1秒時(shí)更適用于測(cè)量，1秒周期時(shí)的m值由下列式子解出m = 1/2 (ln(2×106))/0.693 = 10.4，分辨率為0.07%這表示應(yīng)用倍頻電路產(chǎn)生了模擬電壓和電流的均方根值。本發(fā)明的電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路與倍頻器和可逆計(jì)數(shù)器組合使用，產(chǎn)生了精確指示正、反功率的手段。均方根值電路與數(shù)字過(guò)流檢測(cè)和中斷裝置配給使用，有效地提供了均方根值的計(jì)算。把均方根值分電路的多個(gè)運(yùn)行結(jié)果加以串接，可達(dá)到非常精確的解，足以用于要求電路的電壓和電流值很精確的測(cè)量。
上面已敘述了我的發(fā)明，我要求由專(zhuān)利許可證獲得新的和所希望的保護(hù)內(nèi)容列入所附的權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1.用于數(shù)字電路斷流器的計(jì)算電功率和功率反相的一種電力判定電路(86)，其特征在于包括與整流電壓源(33)相連的第一電壓/頻率轉(zhuǎn)換器(27A)，用以產(chǎn)生與輸入電壓成正比的第一頻率(fv)；與整流電流源(34)相連的第二電壓/頻率轉(zhuǎn)換器(27B)，用以產(chǎn)生與輸入電流成正比的第二頻率(fr)；具有與所述第一、第二頻率轉(zhuǎn)換器相連的第一和第二輸入端的一個(gè)倍頻器電路(10)，用來(lái)在一個(gè)輸出端產(chǎn)生第一、第二頻率的乘積成正比的第三頻率(f)；一個(gè)邏輯門(mén)(35)，其一個(gè)輸入端與來(lái)自所述整流電壓源(33)的極性信號(hào)(VPOL)相連，另一個(gè)輸入端則與來(lái)自所述整流電流源(34)的極性信號(hào)(IPOL)相連，以在所述輸入電流和電壓同相時(shí)在邏輯門(mén)輸出端輸出一個(gè)信號(hào)；一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器(39)，它具有與所述倍頻器(10)的輸出連接的一個(gè)計(jì)數(shù)[COUNT(CT)]輸入端，用以接收所述第三頻率(fo)，可逆[UP/DOWN(U/D)]輸入端與所述邏輯門(mén)(35)的輸出端連接，以接收所述邏輯門(mén)輸出信號(hào)并提供一個(gè)表示功率的進(jìn)位[CARRY(C)]輸出信號(hào)，同時(shí)提供一個(gè)表示逆功率的借位[BORROW(B)]端輸出信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電力判定電路，其特征在于，所述邏輯門(mén)(35)包括一個(gè)“同”門(mén)。
3.一種均方根值判定電路，其特征在于包括一個(gè)1∶N計(jì)數(shù)器(42)，它與倍頻器連接，并接收第一輸入頻率，此頻率與電力電路所通過(guò)的電流的倍數(shù)成正比，1∶N計(jì)數(shù)器(42)還與取樣頻率源連接以接收第二輸入頻率，該頻率在PR輸入端具有一個(gè)預(yù)置計(jì)數(shù)并在輸出端產(chǎn)生一個(gè)小于所述第一頻率的輸出頻率;一個(gè)與1∶N計(jì)數(shù)器(42)相連的UP計(jì)數(shù)器(44)，用來(lái)在第一輸入端接收所述第二頻率并在消除(CLEAR)輸入端接收所述取樣頻率，所述UP計(jì)數(shù)器(44)在一個(gè)輸出端輸出表示所述第一頻率的m位數(shù);一個(gè)m+1位鎖存器(49)，第一輸入端與所述取樣頻率源連接，其一個(gè)輸出端連接1∶N計(jì)數(shù)器(42)的第二輸入端;一個(gè)均方根值輸出端輸出所述電路電流的均方根值并提供給m位全加器(50)的輸入端〔CARRY-IN(CI)〕，所述m位全加器(50)的另一個(gè)輸入端與所述UP計(jì)數(shù)器(44)的輸出相連，而所述m位全加器(50)的一個(gè)輸出端則連接到m+1位鎖存器(49)的第二輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的均方根值判定電路，其特征在于，所述輸出頻率等于所述第一輸入頻率除以m位二進(jìn)位值，此m位二進(jìn)位值來(lái)自m+1位鎖存器(49)的m個(gè)最高有效位。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的均方根值判定電路，其特征在于，所述m+1位鎖存器(49)提供給所述1∶N計(jì)數(shù)器(42)一個(gè)表示最高有效數(shù)據(jù)位的m數(shù)據(jù)位，并輸出給所述m位全加器(50)表示最低有效數(shù)據(jù)位的一個(gè)1數(shù)據(jù)位。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的均方根值判定電路，其特征在于，所述m位全加器(50)提供給所述m+1位鎖存器(49)一個(gè)m+1數(shù)據(jù)位。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的均方根值判定電路，其特征在于，所述m+1位鎖存器(49)在所述均方根值輸出提供相當(dāng)于所述電路電流均方根值的m個(gè)數(shù)據(jù)位。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的均方根值判定電路，其特征在于，還包括第二個(gè)1∶N計(jì)數(shù)器、第二個(gè)UP計(jì)數(shù)器、第二個(gè)m+1位鎖存器和第二個(gè)m位全加器，它們均各自平行地與所述1∶N計(jì)數(shù)器、所述UP計(jì)數(shù)器、所述m+1位鎖存器和所述m位全加器連接，并且和具有第二預(yù)置計(jì)數(shù)的第三輸入頻率連接，用以給第二均方根值輸出端提供一個(gè)相當(dāng)于所述電路電流均方根值的第二數(shù)據(jù)位。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的均方根值判定電路，其特征在于，所述第一m位全加器包括一個(gè)8位全加器，而所述第二m位全加器包括一個(gè)11位全加器，所述第一數(shù)據(jù)位包括在所述均方根值輸出端的一個(gè)8數(shù)據(jù)位，而所述第二數(shù)據(jù)位包括在所述第二均方根值輸出端的一個(gè)11數(shù)據(jù)位。
全文摘要
保護(hù)電路中檢測(cè)電流的均方根(RMS)值被用來(lái)確定過(guò)電流狀態(tài)。一個(gè)倍頻電路產(chǎn)生一脈沖流，此脈沖流的頻率與電路模擬信號(hào)之電流振幅的平方成正比。在規(guī)定區(qū)間內(nèi)均方根值是由此平方電流值計(jì)算出來(lái)的。此RMS值需在一集成電路解扣裝置內(nèi)處理后才能確定過(guò)流狀態(tài)并操作一對(duì)可分離的觸點(diǎn)使電路斷開(kāi)。
文檔編號(hào)H02H3/093GK1034834SQ89100750
公開(kāi)日1989年8月16日 申請(qǐng)日期1989年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1985年6月10日
發(fā)明者約翰·詹姆斯·多爾蒂 申請(qǐng)人:通用電氣公司