具有分级负载容量的智能电源

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1.发明领域\n本发明涉及提供功率给可变负载的电源领域，其具有含多种形式的 功率限制的功率分配系统。尤其是，本发明的电源系统含有内部电路， 其用于监控输入电压以确定什么时候适合于尝试启动，控制启动期间的 功率消耗，并且监控输出电压和系统条件以确定什么时候适合于增加或 减少功率以选择许多负载承受电路的元件。\n2.问题状态\n工业工厂中的功率分配系统经常含有一个中心的恒定的电压电源， 例如电池，其通过长的导线与利用该电源得到功率的各种负载相连。这 些长的功率分配导线具有能够变得很大的固有电阻以致于该导线在功率 利用负载处不能传输一个可工作的输入电压。即使该电源是一个恒定电 压源，功率利用负载因为固有的导线电阻而可以接收一个低的输入电 压。除了导线电阻还存在其他形式的功率分配系统限制。一个例子就是 通过限制最大输出电流或功率的而进行自保护的电源。这些电源也可以 不传输相等的工作功率到该功率利用负载。在这些条件下，功率利用负 载可以重新接收低输入电压。当该功率利用负载具有测量装置，例如科 里奥利流量计、显象密度计、粘度计来测量管道系统中的流体系数时低 输入电压的问题实际上是非常严重的。即使只有一个装置不能达到工作 状态，整个系统就不能工作，因为系统计算可能需要这个从该装置中得 到的失去的值。另外，低输入电压能够引起一个或多个装置提供错误的 读过程。该后者是特别有问题的，因为该错误的读过程难于或不可能检 测到，并且人们一定得探究从工作在低电压条件下的装置得到的测量数 据的综合的问题。\n经常的情况是能够从Boulder，Colorado得到的科里奥利流量计，例 如ELITE模式的CMF300356NU和模式CMF300H551NU能够优选地作为用 于正确地测量注入到有轨内燃机车的液体的流量计进行工作。在此申请 中提供给科里奥利流量计的低输入电压能够中断它的输出读过程并且潜 在地致使有轨过流、溅出该液体。因此，特别重要的是减少用于科里奥 利流量计的低输入电压。\n科里奥利流量计经常安装在远离居民的地方，例如生产原油或燃气 井的沙漠地带，或者覆盖一部分地方的一半的液体容器罐。各种量计安 装在遍布这些大型工厂的指定位置，并且功率通过覆盖长距离的能够是 非常长的功率分配导线提供给这些位置。综合了长的导线长度的事实是 经常使用较小直径的导线，因为它是非常有效的，并且也具有升高的电 阻。所有这些系数提高了导线电阻，该电阻是引起低输入电压问题的原 因之一。另外通过安装新的设备，有时也发生存在的功率分配导线不适 合于它们的任务。存在的功率分配导线的替换或新的功率分配导线的安 装都是非常昂贵的。\n低输入电压问题的最一般形式与用于稳定工作状态的工作条件的启 动条件相结合。启动条件的特征是较大的和偶尔的可变负载条件，其需 要额外的功率来满足例如充电电容的能量存储需求和电路启动时的能电 感等的要求。当电子电动机启动时，相似地需求额外的功率。当功率利 用负载达到稳定状态时这些指令暂时释放额外的输入电流。该另外的流 过高电阻的功率分配导线的启动输入电流引起了相应的提供给功率利用 负载的输入电压的下降。因此，控制在启动期间的额外输入电流的总量 对于满足暂时的启动要求而不会引起输入电压达到不可接受的低水平是 必需的。\n连接到电阻性的功率分配系统的一个电源适合于满足稳定状态的工 作要求，但它不必适合于满足启动期间的尖峰的要求。因此，由该电源 供电的功率消耗电路永远不会达到工作稳定状态，因为该电源不能满足 启动时的额外要求。例如，经过电阻性的功率分配系统达到电子电动机 的高初始启动的输入电流能够引起低输入电压，而不会使该电动机旋转 或达到可接受的旋转速度。\n美国专利号5119014(1992)描述了用于顺序的负载增加的系统。 该系统连续地对多个负载供电，该负载在启动时典型地使用比稳定状态 工作时更多的能量。一个电压斜线上升发生器被使用以提供一个时间变 化的信号到多个电压比较器。每一个根据达到一预定电压最大值的信号 启动。电压比较器的启动引起了一选定的相应于电压比较器的负载的功 率传输。因此，多个电子电动机在一个时间序列内启动。即使这样，该 系统不会当然地监控每一个负载，否则其会在下一个序列负载之前达到 稳定状态。因此时间延迟期间是特别长的，否则其他的预到期的负载启 动会在该电源上连续的产生多余的要求。也应注意到德国专利DE3346773 教导了控制到多个负载的功率的方法。\n在此提出了用于智能电源系统的真实的需要，具有最小时间延迟的 不同电路元件的工厂顺序负载和在启动时不会施加多余的要求在该电源 上。另外，提出了用于智能电源系统的要求，其能够在可能的功率在不 足以提供工作的电压或电流的最大值到负载时从该系统移走负载。\n解决\n本发明通过改进一个智能电源克服了上述问题，该电源能够标志出 各个条件，该条件存在并且确定何时适合于提供功率并且什么速度提供 功率到一特殊的负载，该电源确定何时一定从存在的负载移走功率并且 接下来按照需要依靠这些条件提供和移走功率。\n广义的技术来说，根据本发明的电源系统含有启动控制电路，其通 过以小的启动序列将功率传输到各个负载而进行控制功率加载的速度。 用于对电路第一次充电然后对多个电路加载的功率的顺序或分级应用在 启动时减小了峰值功率要求。该顺序充电然后加载优选的通过模拟电路 自动进行，该模拟电路在各个电流支路中监控工作的电压条件。通过直 流充电的电容是特别优选的器件以提供时间延迟或间隔来分隔开启动期 间的各个电路器件的顺序负载。电压比较器是特别优选的来监控各个电 压，该电压表明了工作状态的各个阶段和初始化下一个合适的动作，例 如提供功率到额外的电路器件。\n该电源系统优选含有一个功率变换器。一个功率分配系统通过功率 分配导线从电源提供功率到该功率变换器。功率利用电路从功率变换器 接收功率。应用控制电路监控输出电压和传输条件并且对增加的负载提 供控制。输入功率控制电路监控到功率变换器输入电压并且当达到预定 的导通阙值或工作输入电压时提供经过控制的速度启动信号到该功率变 换器。该功率变换器含有一个控制单元，其接收该信号并且传输该信号 以导致功率变换器的相应动作。如果通过输入功率控制电路检测到低的 输入电压，该功率变换器阻止到功率应用电路的功率传输。在工作输入 电压不存在的情况下，该功率变换器从功率分配系统传输功率到功率应 用电路。相似的，功率应用电路通过功率变换器从功率分配系统接收所 传输的功率。功率应用电路含有第一负载和第二负载，但是第二负载开 始时与功率应用电路断开。第一电容和第二电容与第一负载并联。第二 电容具有一个串联电阻，其延迟了第二电容相对于第一电 容的充电。一个电压比较器监控第二电容两端的充电，并且提供了表明 何时第二电容两端的电压已经达到阙值的逻辑信号。一旦达到该阙值， 此逻辑信就与表明该系统的剩余条件的逻辑信号相组合。如果所有的条 件是可工作的，一个启动信号引起一个开关闭合。该开关的闭合使第一 负载和第二负载相并联。\n在优选的实施例中，电压比较器连续地监控功率应用电路中的电 压，并且无论何时当该电压低于关断阙值时，例如不足以满足科里奥利 量计或信号传输器的工作的电压时，提供一个去启动信号。相应于去启 动信号的接收，第二负载通过打开开关被断开。\n其他显著的特征、目的和优点下面结合附图的描述本领域的熟练技 术人员会变得明白。\n附图简述\n图1示出了根据本发明的电源系统的示意电路描述，\n图2示出了适合于启动图1的电源的多个依赖于时间的电压和电流 的关系图，\n图3示出了用于图1的系统的一般工作的过程图。\n优选实施例详述\n图1示出了电源系统20。该系统20的主要元件含有一个功率分配 电路21、反馈调节的功率变换电路22、输入功率控制电路24、功率应 用电路26和应用控制电路28。\n功率分配电路21优选含有一个具有正端子32和负端子34的直流 电源30。基本恒定的电压或电势差VS优选存在于端子32和34之间。 导体36和38分别具有固有电阻40和42，是将电源30连接到变换器44 的功率分配导线。变换器44含有调节从变换器44到变压器48的功率 传输的传统的控制单元46。在优选的实施例中，变换器44是线性技术 生产的模块LT1171。当控制单元46在接触端50接收一个信号(例如 反馈信号)时，其调节通过变换器44传输的与该信号成比例的功率的 传输。较大的信号在端子50处则导致变换器44传输较大的功率到变压 器48，并且零电压(例如大地)在端子50处则阻止了变换器44传输任 何功率到变压器48。输出电压64通过导体84反馈到工作放大器80并 且通过工作放大器80减去了参考电压82以在导体86上建立反馈信号。 在工作稳定状态条件下，在导体86上的反馈信号通过电阻87和导体88 传导到接触端50。变压器48含有一个初级绕组52和次极绕组88。一 个整流器58含有与绕组54连接的四个二极管(例如二极管60)。初级 侧的电容66连接在变换器44上游的导体36和38之间。以此功率变换 电路22从电源30通过导体36和38接收功率，在变换器44将功率从DC 变换到AC，在变压器48提供AC电压并且在整流器58将AC整流到DC。 额外的元件(未示出)优选立即安装在变压器48的下游以进一步处理DC 电流。这些额外的元件能够含有例如一个滤波器和一个调节器以平滑整 流器58的输出。\n输入功率控制电路24含有一个低电压锁定输出的比较器68，其通 过导体70连接导体36，并且通过导体72连接到导体38。在导体70和 72之间存在一个电势差，并且此电势差等于初级侧电容66两端的电压。 低电压锁定输出的比较器68含有开关74，其一般时候闭合，但是当导 体70和72之间的电势差达到导体阙值时，例如至少7V，该开关打开。 比较器68具有大的电压滞后，其引起开关74保持导通直到导体70和72 之间的电压降低到低于导体阙值的关断阙值(例如8V)。开关74的闭 合位置通过引起控制单元46通过变换器44停止功率传输的导体78和88 将接触端50接地。在启动之前开关74和低电压锁定输出的比较器68 一般闭合。因此导体78和88接地。当导体70和72之间的电压达到导 体阙值时低电压锁定输出的比较器68将开关74打开。从放大器80的 电流通过电阻87对电容90充电。如同电容90通过电阻87充电一样， 电容90的指数充电从地电压逐渐上升。此充电在接触端50通过导体88 传输逐渐上升的信号到控制单元46，其调节变换器44以逐渐升高到变 压器48的功率传输并且最后到达功率利用电路26。这导致了从零到工 作稳定状态条件的功率的逐渐和平滑的上升，接触端50的信号通过反 馈信号86确定。功率利用电路26含有与第一存储电容96、传输器98 和科里奥利流量计100相并联的一个负导体92和一个正导体94。传输 器98和科里奥利流量计100优选设计为合作使用，例如传输器98传输 由科里奥利流量计100得到的测量信号到一个控制器(未示出)或其他 的此类设备。含有开关102和线圈103的继电器101能够打开以阻止电 流从电路26流经科里奥利流量计100，或者开关102能够闭合以增加科 里奥利流量计100到电路26。科里奥利流量计100优选在电路26上设 置了比传输器98大的负载，即在传输器98处的启动负载是最小的负载 而由科里奥利流量计100增加的负载是最大的负载。如图1所示，传输 器98和科里奥利流量计100具有相应的电阻性负载，然而这些电阻经 常是更加复杂的负载，其还含有电感和电容特性。\n应用控制电路28含有电压比较器104、AND门126和控制逻辑电路 122，这些共同控制何时施加或减少第二负载。电压比较器104通过导 体106和108接收从导体92和94的电压。电阻110与电容112串联。 导体114通过一个二极管116将电容112连接到正的导体94，该二极管 允许从电容112的电流流入到导体94，但是并不允许从导体94的电流 通过导体114流入到电容112。二极管116保证了，在不向功率利用电 路26输入功率时，电容112能够通过存储电荷向电容96和传输器98 的负载的泄漏而进行放电。这是重要的，因为电容112在启动时应该以 低于或等于电容96的电压进行充电，以致其充电水平延迟于电容96的 充电水平。本发明如下解决该问题：延迟施加功率到第二负载(科里奥 利量计100)直到第一负载(和电容96)两端的电压足够于操作第二负 载。电容96、电阻110和电容112作为一个延迟装置工作以保证科里奥 利量计100没有被启动直到存在足够的功率来操作科里奥利量计100。 电压比较器104启动了何时导体106和108的电压达到了足够于操作科 里奥利流量计100的最大值。电压比较器104然后通过导体118提供一 个启动信号到控制逻辑电路122。控制逻辑电路122优选是传输器98的 主要部分，但是它是图1所示的分立元件。导体124流经控制逻辑电路 122到AND门126。AND门126的输出通过导体128连接到开关102， 其并且具有如下逻辑值：\n输入120 输入124 输出128     1     0     0     1     1     1     0     1     0     0     0     0 因此代表逻辑1的启动信号从电压比较器104通过导体118和120提供 到AND门126。此信号也通过导体118提供到控制逻辑电路122。控制 逻辑电路122也接收传输器的状态信息121。传输器状态信息121实际 上可以含有所有的由传输器98产生的表明功率应用电路26的各种元件 的状态的多个逻辑输入信息。例如在完成诊断过程时，传输器98通过 表明科里奥利流量计100不应该供电的传输器状态信息121传输一个信 号到控制逻辑电路122。如果逻辑1被从电压比较器104通过导体118 提供并且传输器状态信息121表明没有问题，则控制逻辑电路122 通过导体124通过一个逻辑1，以使两个逻辑值1提供到输入导体120 和124。AND门126导通并且提供一个代表逻辑1的启动电压到导体 128。。此启动电压提供给延迟101，并且关闭开关102。相似的。在输 入导体120或124没有提供AND门以代表逻辑值1的信号时，AND门126 产生一个逻辑值0(即去启动信号)来打开开关102。\n图2示出了在系统20的启动期间存在的在变换器44的输出端处通 过导体36的输入电流(I1)、在导体36和38之间的变换器44的输出 端处的输入电压(V1)和到导体94和92之间的功率应用电路26的输 出电压(V0)之间的示范性的时间关系图。图3示出了描述系统20的工 作流程图。下面讨论的重点是系统20以图2的时间关系图为内容的工 作，该关系图是从图1中的系统元件的相互作用得出。\n参考图2和3，在步骤P200(t＜t0)电源系统20一开始是不在线 的。在此状态下系统20需要充电，或者因为其与电源30断开或者因为 其从来没有被连接。电源30的断开和重新连接优选通过变换器44或电 源30中的手动开关(未示出)实现。开关74在不在线条件下一般闭合。 功率应用电路26是不工作的，因为导体88通过由开关74到大地的连 接而提供一个逻辑0到接触端50。相似的，到电容90的任何电荷通过 导体78和开关74被放电。开关102在此步骤一般是打开的，以使科里 奥利流量计100与功率应用电路隔开。\n在步骤P202(t0＜t＜t1)中，在时间t0(见图2)，功率首先从电源 30提供到系统20。当初级侧的电容66充电直到在时间t1在导体70和 71达到工作电压时，低电压锁定输出比较器68将开关74保持在关闭状 态。\n在步骤P204(t＝t1)中，锁定输出比较器68在时间t1打开开关74， 这是因为低电压锁定输出比较器68已经确定了导体70和72之间的电 压等于或超过预定的导通阙值电压或最大值。选择此预定的电压阙值以 提供一个工作输入电压(VL)到变换器44。开关74的打开消除了在电 压控制电路24中的到大地76的连接。\n在步骤P206(t1＜t＜t2)中，当功率被传输到功率应用电路26时， 输出电压(V0)逐渐上升。工作放大器80将反馈电压84从参考电压源 82中减去并且产生一个反馈电压86，因为功率应用电路26在此时没有 电压。从工作放大器80的电流通过电阻87和导体88对电容90逐渐充 电。电容90的电压通过导体88传输到接触端50并且提供一个逐渐升 高的电压到控制单元46。控制单元46通过导体36和38从电源30逐渐 传输更多的功率到变压器48。变换器44在导体36和38中将DC电流转 变成AC。变压器48将该电压变换到工作水平以应用于功率应用电路26。 整流器58将AC转变成DC。通过变换器44的功率的逐渐升高引起了输 入电流(II)的逐渐升高。逐渐升高的输入电流(II)通过功率分配系 统40和导体36从恒定电压电源的端子32传导到变换器44。相似的， 同样逐渐上升的输入电流(II)从变换器44通过导体38和功率分配电 阻42反馈到电源30的电阻34。输入电流(II)引起了功率分配电阻40 和42两端的逐渐上升的电压的下降，结果引起了导体36和38之间的 输入电压(VI)的下降。在此P206期间，存储电容96开始充电，并且 提供逐渐上升的输出电压(VI)到功率应用电路26的传输器98，\n在时间t＝t2，第一存储电容96的充电完成。在应用控制电路28中 的第二电容的充电部分地完成。跨过102连续地打开科里奥利流量计100 与功率应用电路的绝缘。第一存储电容96和传输器98接收从导体92 和94的功率。第二电容112接收从导体106和108的功率。如果电容 96和112的尺寸相等，第一存储电容96首先充电，因为第二电容112 的全充电被串联电阻110延迟，该电阻的尺寸能够保证合适的延迟。一 旦通过电容90的输入电压的受控上升完成，输出电压(V0)通过反馈调 节的变换器22保持恒定，该变换器在端子50产生一个信号以使该控制 单元46进行调节变换器44以使功率传输到变压器48。\n在步骤P208(t2＜t＜t3)中，第二电容112的充电过程是连续的，并 且输入电流(II)稍微降低，因为既然电容96被充电，对存储元件充电 的输入功率的要求降低。输入电流(II)的降低稍微引起了输入电压(VI) 的升高。\n在步骤P210(t＝t3)中，电压比较器104在时间t3确定了导体106 和108和第二电容112两端的电压之间的差对于科里奥利流量计100的 工作是足够的，也就是说，功率应用电路26中的电压(开关102打开) 形成了一个预定的阙值，因此电压比较器104在t3通过导体118和120 提供一个到AND门126和控制逻辑电路122的逻辑1。AND门126不能 关闭开关102直到从控制逻辑电路122通过导体124接收一个相应的逻 辑1。\n在步骤P212(t3＜t＜t4)中，功率要求是恒定的，因为所有的存储 电容被充电并且负载恒定。因此一个稳定状态存在于从它同t3到t4的 间隔VI和II中，而控制逻辑电路122从传输状态信息121确定了所有 的满足启动科里奥利流量计100的条件。例如从t3到t4的延迟允许传 输器98进行自我检测算法，或者加热内部元件到工作温度。另外，从t3 到t4的稳定状态能被去掉。\n在步骤P214(t4＜t＜t5)中，在时间t＝t4时，控制逻辑电路提供一 个逻辑1到导体124。因此，AND门126提供一个闭合开关102的输出 电压。功率应用电路26此时被重新设计以包含科里奥利流量计100的 复杂负载。科里奥利流量计100在其开始工作时消耗功率。科里奥利流 量计100含有一个较多作为电动机的内部管状的谐振器装置(未示出)， 也就是说，产生一个大的开始要求用于从t4到t5的输入电流(II)以产 生在电压VI中的相应的电压降。\n从t5到t6，该谐振器达到了最佳频率和幅值，并且用于输入电流(II) 的要求减小了输入电压(VI)的相应的上升。系统20在t6到t7(步骤 P220)的间隔内基本工作在稳定状态。\n在步骤P216中，电压比较器104连续地监控电容112两端的电压 以确定是否该电压低于一个分界值。此分界值优选低于能够引起电压比 较器104传输一个关闭开关102的信号的阙值的30％，但是该电压仍可 用于传输器98和奥利流量计100的工作。如果在步骤P216中，该电压 低于此分界值，那么进行步骤P222，否则进行步骤P218。\n在步骤P222中，电压比较器104改变了沿导体118和120的输出 以反映出一个逻辑信号0。因此，开关102打开以减少从功率应用电路 26的相应于科里奥利流量计100的负载。系统20的模拟电路然后被设 置在存在于步骤P208中的基本相同的状态，而电容112被充电以必要 地关闭开关102。\n在步骤P218中，低电压锁定输出比较器68连续地监控电容36和 38之间的输入电压(V1)以确定是否该电压低于一个关闭阙值。此打开 阙值优选明显地低于使低电压锁定输出比较器68打开开关74和进行启 动的导通阙值，然而其对于传输器98的工作也是可接收的。在步骤P218 中，如果该电压低于此打开阙值则进行步骤P224，否则该系统保持在步 骤P220的稳定条件下。\n在步骤P224中，低电压锁定输出比较器68关闭了将接触端50通 过导体88进行接地(电压为0)的开关74。该接地信号通过使变换器44 停止向变压器48传输功率的控制单元46进行接收。闭合的开关74通 过对电容90进行放电导体78将电容90接地。系统20的模拟电路然后 被设置在存在于步骤P202中的基本相同的状态，而输入电压(V1)低于 一个对于传输器的工作是可接受的电压。\n相似的，步骤P216和P218作为随后的情况示于图3中。然而它们 实际上也进行连续地监控，并且能够在任何时候分别引起随后的步骤 P222和P224。在进行供电之后(P200)，步骤P218和P224能够跨过 所有的步骤。\n有时希望功率变换器电路22与其他负载一起运行。例如本发明试 图将第三负载(未示出)与传输器98和科里奥利流量计100相并联。 在此情况下，应用控制电路28重新用于第三负载。重新应用的应用控 制电路与电路28是一致的，除了重新应用的电路中的开关102控制流 过第三负载的电流。另外重新应用的电路中的电阻110具有大于电路28 中的电阻110的阻值。另外复杂负载，即负载130能够被连接以从变换 器电路22通过路径132和134传输功率。此功率泄漏(尤其是在负载130 启动时)在导体36和38之间产生了相应的输入电压(VI)降。如果输 入电压(VI)保持高于用于低电压锁定输出比较器68的打开阙值，那 么工作是类型不变的。如果输入电压(VI)保持低于用于低电压锁定输 出比较器68的打开阙值，那么系统20的模拟电路设置在存在于步骤P224 中的基本相同的状态中。这导致了步骤P202中的输入电压(VI)低于对 于传输器98的工作是可接受的电压。\n该电源系统20工作在一种与不具有应用控制电路28的现有技术非 常不同的方式下。在现有技术的系统中，应用控制电路28的所有元件 从导体121、106、108和114到延迟101不存在。开关102即使存在也 是一直闭合的。如上所述，科里奥利流量计100含有振动了一对管的谐 振器。该谐振器对于电动机是模拟的，因为该电动机具有非常大的初始 电流波动，但一旦该谐振器达到工作振动的频率和幅值，该电流流过降 低水平的稳定状态。在科里奥利流量计100中的流量管的振动是测量工 作的基本特征。科里奥利流量计100的高功率要求在其启动时在变换器 44的输入端引起了相等的相应功率要求。上升的功率要求引起了输入电 流(II)上升，并且该输入电流从恒定电压源30的端子32流到变换器 44，并且通过功率分配电阻40和导体36进入变换器44。相似的，同样 上升的输入电流(II)从变换器44通过导体38和功率分配电阻42反 馈到电源30的端子34。上升的输入电流(II)引起了功率分配电阻40 和42处的升高的电压下降，以使导体36和38之间的输入电压(VI) 相应下降。高输入电流(II)引起的电压降有时产生一种状态，不够的 输入电压(VI)和输入电流(II)可以在变换器44处通过量计100提供 所需功率以驱使谐振器达到它的谐振频率和幅值。因此，电容96从未 充电到用于传输器94和科里奥利流量计100的工作电压。\n本领域的熟练技术人员应该理解，如上所述的优选实施例能够容易 地被修改而不会超出本发明的范围和精神。因此本发明人在此宣布依靠 平等主义以保护本发明的所有权利。