专利名称：在电力系统设备的控制单元中生成数据信号的信号生成单元和方法
技术领域：
本发明涉及在电力系统设备的控制单元中生成数据信号的信号 生成单元和方法。尤其是，所述控制单元是用于抽头换接器
(tap-changer)马区动单元。
背景技术：
一般而言，继电器在现有技术中广泛公知，它们通常用于将负 载连接到电源，例如在US 4,466,038以及US 6,621,668 Bl中，分别 描述了对负载应用AC功率的机械继电器。为了抑制在打开和关闭 继电器触点期间出现的电弧放电，将固态开关与继电器并联。分别 在打开或者闭合继电器触点之前，闭合该固态开关；并且在打开或 者闭合继电器触点之后，打开该固态开关。相对于作为电力开关工
作的继电器，本发明涉及信号继电器。
在当前的高压和中压电力系统以及电力网络中，生成、传送、
并且处理承载数据信息的不同类型的信号，以便执行测量、控制、 调整、和保护网络的各种电力系统设备的功能，所述设备诸如，发 电机、变压器、母线以及高压切换设备。这些设备是所谓高压和中 压开关装置的一部分。在HennigGremmel所著的"ABB Switchgear Manual",第IO版，ISBN 3464482367，第711-771页中，将执行 不同控制功能的系统称作次级系统。所述次级系统与主系统的区另U 在于如下事实次级系统管理信息而不是管理电力。
通过接触式机电和电磁设备、或者通过无接触电子装置来生成 在次级系统的控制单元中使用的数据信号。本发明涉及具有接触式 设备的控制单元，并且更具体地，涉及具有信号或者轻型(light-duty)
5继电器的控制单元。
通过在两种不同输出电压之间执行切换操作，使用信号继电器 来生成数据信号，其中两种输出电压表示二进制信号的高电平和低 电平。通常，信号继电器通过闭合以及打开其触点之一来简单地仅 将一个输出电压切换为开或者关。这一操作模式还可以描述为在额 定电压以及零伏之间切换。取决于触点的数量，继电器根据其切换 行为可以具有不同数量的输出端子。例如，可以将其分类为具有一 个通常闭合或者通常打开触点的继电器以及具有两个转换触点的继 电器。由于这些基础配置可以翻倍，因而在市场中存在有两个以上 触点以及相应输出端子的继电器。
在电力系统设备的控制单元中使用的信号继电器的输出电压可
以是AC信号形式或者DC信号形式，并且可以在其电压电平中显著 变化，即，从24V至250 V，这取决于在电力网络内控制单元的实 际实现、并且取决于区域性或者本地^见范和标准。
此外，控制单元的输出端口(数据信号输出于此)的电气规范 是依赖于用户的。连接到输出端口的电气电路可以是电容性或者电
来描述)连接至控制单元的输出端口，则当通过打开信号继电器的 触点之一而将电流中断时生成具有高峰值的相反emf (电磁力)。作 为结果，可能在触点的两个触点元件之间产生火花，这可能导致触 点元件之间的物质迁移以及由高温引起的蒸发。在继电器触点上的 电感性负载的负面影响是，在DC电路中比在AC电路中更具破坏性。
在DC的情况下，为了保护继电器触点元件，现有技术中公知的 是将RC电路(也称作緩冲器(snubber))与继电器端子并联连接。 电容器在触点元件打开的时刻抑制放电，这是由于emf导致的电流 被分流至其中，同时串联电阻器限制该电流以防止形成火花。在AC 的情况下，现有技术建议跨过电感性负载使用依赖电压的电阻器(也 称作变阻器)，其在高电压时具有低电阻而在低电压时具有高电阻。
具有控制单元的应用目的的电压电平以及负载特征的变化，导
6致在市场中存在用于电力系统设备的多种不同类型的控制单元。在 用于功率变压器的抽头换接器及其驱动单元的特殊领域中，存在高
达数千种不同配置。例如在WO 01/92978 A1中描述了用于抽头换接 器的驱动单元的现代实现。
发明内容
为了降低不同类型控制单元的数量，本发明的一个目的在于提 供一种用于电力系统设备控制单元的信号生成单元和方法，其可用 于生成不同DC电压的数据信号，并且其允许将控制单元的相应输 出端口连接至不同的电感性负载，而无需任何调整或者改变。由于 用于抽头换接器的控制单元尤其是驱动单元的种类尤其繁多，所以 本发明的又一目的在于提供一种具有上述特征的抽头换接器的驱动 单元的信号生成器单元。
本发明是基于对于如下事实的认识如果可以提供能够有效保 护信号继电器在最大可能的DC电压电平时免受最大可能的感应负 载的影响的装置，则信号生成单元还将适用于所有其他可能的配置。
由此，通过提供根据权利要求1所述的信号生成单元以及根据 权利要求8所述的方法而实现这一目的。
信号生成单元包括如上所述的信号继电器以及与继电器的两个 输出端子并联的保护电路，其中至少 一 个继电器触点对应于输出端 子。根据本发明，保护电路包括晶体管开关，其与两个输出端子 并联；以及开关控制单元，用于在打开对应于至少两个继电器端子 的至少一个继电器触点之前闭合晶体管开关，以及用于在打开至少 一个继电器触点之后打开晶体管开关。晶体管开关可以是任何可能 的类型，即，双极型晶体管、MOSFET或者IGBT。如果继电器包括 多于所述至少一个继电器触点，则保护电路可与对应于多个继电器 触点的多对继电器输出端子中的每一对或者仅其中某些并联。
保护电路进一步包括与至少两个继电器端子并联的整流器单 元，其中所述晶体管开关与整流器单元的DC输出并联，从而整流器单元的DC输出在开关控制单元闭合晶体管开关时被短路。包括 所述整流器单元的同一信号生成电路应用于不同配置(包括AC输 出电压)是可能的。整流器单元将总是向晶体管开关提供DC电压。 根据本发明的方法包括将DC电压应用于两个输出端子的步骤， 在提供AC电压的情况下，将AC电压进行整流以生成DC电压，并 且通过闭合晶体管开关来保护至少一个继电器触点，其中晶体管开 关与整流器的DC输出并联，从而整流器单元的DC输出在开关控制 单元闭合晶体管开关时被短路，接下来是打开至少 一 个继电器触点， 由此在两个不同输出电压之间执行切换操作，并且继而打开晶体管 开关。
闭合晶体管开关允许连续的电流，从而当其后打开继电器触点 时防止出现任何反向emf。晶体管开关的低内阻在继电器触点的一对 触点元件之间产生低电压。由此，当继电器触点打开而晶体管开关 闭合时，在触点元件之间不存在毁坏性电压或者火花。
在打开继电器触点之后，晶体管被断开，从而emf增加在晶体 管开关输出侧的电压，其在双极型晶体管的情况下是集电极-发射极 电压。由此，结合在最大可能DC电压电平处的最大可能感应负载， 当选择晶体管开关时，必须分别考虑针对集电极-发射极电压或者漏-源电压的最大额定值。选择适当的晶体管的其他方面在于晶体管中 的能量损失，该损失可能在超过最大功率耗散额定值时导致过热。 但是，根据本发明，由于晶体管开关在已经打开继电器触点之后又 被断开，所以不需要将晶体管开关处于"接通"状态的时间保持过 长。由此，功率耗散保持处于最小水平，从而在常规情况下不会到 达其最大额定值。
由用于抽头换接器的驱动单元实现本发明的其他目的，该驱动 单元包括用于将抽头换接器自动移动至期望位置的装置，并且其提 供有上述至少一个信号生成单元。
在本发明的优选实施方式中，开关控制单元在闭合至少 一个继 电器触点之前闭合晶体管开关，并且在闭合至少 一个继电器触点之
8后打开晶体管开关。由于之前并不知晓哪种类型的负载将被连接至 信号生成单元，所以在闭合继电器触点期间使用晶体管开关主要防 止出现由电容性负载导致的毁坏性过电流。
在另一实施方式中，只要在信号继电器中出现颤动(chatter), 则开关控制单元保持晶体管开关闭合，以便全面确保对至少一个继 电器触点的保护。
在又一实施方式中，信号生成单元进一步包括至少一个变阻器， 用于保护信号生成单元免受突然和不期望的电压峰值的影响。至少 一个变阻器优选地与整流器单元的AC输入并联，和/或在整流器单 元的AC输入的一个端子和保护性接地之间连接。
将参考附图借助于示例的方式更为全面地描述本发明，在附图
中
图1示出了抽头换接器的传统驱动单元；
图2是涉及本发明的信号生成单元的部分的电路图3分别是晶体管开关和信号继电器的控制信号的时间图4是本发明的一个实施方式的电路图；以及
图5是本发明另一扩展实施方式的电路图。
具体实施例方式
在图1中示出的传统驱动单元l旨在供抽头换接器使用。其包 括电动马达2，用以作为主要部件来经由齿轮单元5驱动输出驱动 轴4;以及控制单元3，用以监^f见和控制马达2的操作，以及由此监 视和控制抽头换接器的操作。在图1中没有示出的实际抽头换接器 将以机械方式连接至输出驱动轴4。
控制单元3从高级控制系统接收控制指令以及从马达2接收传 感器信号。控制指令以及传感器信号继而由控制单元3进行处理以 生成输出信号。输出信号的 一 小部分控制去往马达2的电压供给，从而输出驱动轴4旋转至期望的角度，并且抽头换接器相应地移动
至期望的位置。这些输出信号是内部信号。输出信号的其他主要部分用作用于外部控制单元、以及用于高级控制系统的测量和监控信息。这些信号是外部输出信号。
为了生成外部输出信号，控制单元3包括信号生成单元，其包括机电式继电器。输出信号的电气规格在不同电压电平的AC(50/60Hz)以及DC之间变化，并且在控制单元3的输出端口上的负载可以是电容性或者电感性的。作为结果，驱动单元l,尤其是控制单元3的信号生成单元，必须特别地适用于每个应用，这导致对于当今抽头换接器的驱动单元而言，生产工艺复杂并且高成本。
为了克服这一缺陷，本发明建议使用信号生成单元，其包括根据图2的电气和电子组件。
通过此信号生成单元，可以将同一控制单元3用于不同的DC输出电压，并且能够承受上至电感性负载的最大额定值。
根据图2的信号生成单元包括具有继电器线圏7的信号继电器6。当继电器线圏7由DC来供电时(在此示例中是由24 V来供电)，则对应于继电器输出端子8的继电器触点闭合。继电器触点包括两个触点元件19,在附图中仅示意性地示出。当对应于继电器输出端子8的继电器触点闭合时，跨过信号生成单元的输出端子9的输出电压变为0。如果继电器触点再次打开，则由连接到端子9的外部电路来确定跨过输出端子9的输出电压。此输出电压是DC电压，并且其在从24 V至250 V间变化。连接至端子9的外部电路示出了电感性负载行为，在250 V DC以及100 mA处高达最大额定值L/R = 40mS。
在所有DC输出电压电平以及上至最大额定电感性负载，为确保对应于继电器输出端子8的继电器触点的保护，信号生成单元包括特殊保护电路。晶体管开关IO分别与继电器输出端子8或者输出端子9并联。在此示例中，晶体管开关IO是IGBT。晶体管开关10由开关控制单元ll控制，在此特殊情况下，是光学隔离的光电晶体管
10驱动器。开关控制单元11产生控制信号UG用于根据图3的晶体管
开关10的栅极。
在图3中，绘出了控制信号U(3的时间特征以及控制信号Ur的
时间特征，其中控制信号UG用于晶体管开关10的栅极，以及控制
信号UR控制对继电器线圏7进行加电。在两种情况下，高信号电平表示应当将晶体管开关10或者信号继电器6分别接通，其中接通信号继电器6意味着闭合对应于继电器输出端子8的继电器触点。如
图3中可见，在信号继电器6被接通之前一个时间段tpre, 。n,晶体管
开关IO受控被接通；并且在信号继电器6已经被接通之后一个时段
tpast. 。n，晶体管开关IO受控被断开。类似地，在信号继电器6被断开之前一个时间段tpre, 。ff,晶体管开关IO受控被接通；并且在信号继电器6已经被断开之后一个时段tpast, 。ff，晶体管开关IO受控被断开。在信号继电器6的开关操作之后应用的时间段tpast, 。n和
lpast， off
均被选择得足够长，从而允许将信号继电器6中的颤动抑制在预定义水平之下。
为了将同一信号生成单元应用至DC以及AC输出电压，根据图4,向信号生成单元的组件添加整流器单元12。整流器单元12(在此特定情况下是单相整流器桥)分别与继电器输出端子8或者输出端子9并联。晶体管开关IO直接连接至整流器单元12的DC输出13，从而晶体管开关IO可以实现并联继电器输出端子8的功能，并且由此保护触点元件19，而无论在外部端子9间是AC还是DC。
根据图5,在信号生成单元中包括三个变阻器14、 15以及16，用以保护信号生成单元的不同组件8、 10、 11和12免受电压峰值的影响。变阻器中的两个14和15位于整流器单元12的AC输入18的端子之一与保护性接地17之间。第三变阻器16与输出端子9并联。
ii
权利要求
1. 一种用于在电力系统设备的控制单元(3)中生成数据信号的信号生成单元，包括-信号继电器(6)，用以通过交替地打开以及闭合至少一个继电器触点来生成数据信号，由此在两个不同输出电压之间执行切换操作，其中所述至少一个继电器触点对应于两个继电器输出端子(8)，其与两个输出端子(9)并联；-保护电路，与所述两个继电器端子(8)并联，用于保护所述至少一个继电器触点防止过电压；其特征在于-整流器单元(12)的AC输入(18)与所述两个继电器输出端子(8)以及与所述两个输出端子(9)并联，其中DC电压或者AC电压的任一项应用于所述输出端子(9)；-所述保护电路包括-晶体管开关(10)，与所述整流器单元(12)的DC输出(13)并联，从而当所述晶体管开关(10)被所述开关控制单元(11)闭合时，所述整流器单元(12)的所述DC输出(13)被短路；-开关控制单元(11)，用于在打开所述至少一个继电器触点之前闭合所述晶体管开关(10)，以及在打开所述至少一个继电器触点之后打开所述晶体管开关(10)。
2. 根据权利要求1所述的信号生成单元，其中所述开关控制单 元(11)在闭合所述至少一个继电器触点之前闭合所述晶体管开关(10)，以及在闭合所述至少一个继电器触点之后打开所述晶体管 开关(10)。
3. 根据前述权利要求的任一项所述的信号生成单元，其中只要 在所述信号继电器(6)中出现颤动，则所述开关控制单元(11 )使 所述晶体管开关(10)闭合。
4. 根据前述权利要求的任一项所述的信号生成单元，进一步包括至少一个变阻器(14、 15、 16),用于保护所述信号生成单元免 受电压峰值影响。
5. 根据权利要求5所述的信号生成单元，其中所述变阻器之一 (16)与所述整流器单元(12)的所述AC输入(18)并联。
6. 根据权利要求5或者6所述的信号生成单元，其中所述变阻 器(14、 15 )之一在所述整流器单元(12 )的AC输入(18 )的端 子之一与保护性接地(17)之间连接。
7. —种用于抽头换接器的驱动单元(1 ),包括-装置(2、 3、 4、 5)，用于将所述抽头换接器自动移动至期望 的位置；以及-至少一个根据前述任一权利要求所述的信号生成单元。
8. —种用于在电力系统设备中通过交替地打开和闭合信号继电 器(6)的至少一个继电器触点来生成数据信号的方法，其中所述至 少一个继电器触点对应于两个继电器输出端子(8),其与两个输出 端子(9)并联，并且其中所述至少一个继电器触点被保护免受过电 压影响，其特征在于-DC电压应用于所述两个输出端子(9)，所述两个输出端子(9) 对应于所述信号继电器(6)的至少一个继电器触点，以及其中在提 供AC电压的情况下，所述AC电压^皮整流以生成DC电压；-所述至少 一 个继电器触点依照给出顺序的以下步骤而受到保护-闭合晶体管开关(10),其中所述晶体管开关(10)与所 述整流器的DC输出(13)并联，从而当所述晶体管开关(10) 被所述开关控制单元(11)闭合时，所述整流器单元(12)的所 述DC输出(13)被短路；-打开所述至少一个继电器触点，由此在两个不同输出电压 之间执行切换操作；-打开所述晶体管开关(10)。
9. 根据权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤 -闭合所述晶体管开关(10);-闭合所述至少一个继电器触点； -打开所述晶体管开关(10)。
10. 根据前述权利要求8或者9所述的方法，进一步包括以下步骤-等待直到所述信号继电器(6)中的颤动已经衰减至低于给定 水平，其中在打开或者闭合所述至少一个继电器触点之后执行此步骤。
全文摘要
提供了一种用于在电力系统设备的控制单元中生成数据信号的信号生成单元和方法，其中所述控制单元尤其是抽头换接器驱动单元。所述信号生成单元包括信号继电器(6)，用以交替地打开以及闭合至少一个继电器触点，由此在两个不同输出电压之间执行切换操作；以及保护电路，与所述至少一个继电器触点并联，用于保护所述至少一个继电器触点防止过电压。所述至少一个继电器触点对应于两个继电器输出端子(8)。为了允许信号生成单元用于不同的AC或者DC输出电压，并且能够经受上至最大额定电感负载，保护电路包括整流器单元(12)，与所述两个继电器输出端子(8)并联；晶体管开关(10)，与所述整流器单元(12)的DC输出并联，从而当所述晶体管开关被所述开关控制单元闭合时，所述整流器单元的所述DC输出被短路；以及开关控制单元(11)，用于在打开所述至少一个继电器触点之前闭合所述晶体管开关(10)，以及在打开所述至少一个继电器触点之后打开所述晶体管开关(10)。
文档编号H01H9/54GK101501799SQ200780030150
公开日2009年8月5日 申请日期2007年8月15日 优先权日2006年8月15日
发明者L·科诺维, P·埃里克森 申请人:Abb技术有限公司