专利名称：给电路断路器供电的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种提高电源的效率和性能的方法和系统，更具体地涉及一种将一致的电压电平提供到多电极(multiple-pole)电路断路器中的系统和方法。
背景技术：
保护住宅区环境的电路断路器通常为本领域公知并由电气标准(electrical code)来规范。对住宅区电路断路器的接地故障保护(groundfault protection)以及电弧放电故障电路断流器(arcing fault circuitinterrupter)也为本领域公知。在配电系统中使用电弧放电故障电路断流器以在存在电弧放电故障型电流流动时使电路“跳闸(trip)”。例如，当在载流相位(current-carrying phase)和中线相位(neutral phase)之间形成了超过电气标准中规定的指定阈值的电弧时电弧放电故障的条件存在。
具有接地故障和电弧放电故障电路切断功能的电路断路器依赖于电子跳闸单元(electronic trip unit)，并且通常使用内部电源为其供电。
电气标准规定了故障电路断流器加电后最大时间间隔的限制，在该时间间隔内跳闸单元必须响应于故障条件而起动。包括电源充电时间在内的该时间间隔通常不超过25毫秒。对电源充电通常耗费该时间间隔的大部分，这要求电力接通(turn-on)时间相当快。但是电源的快速充电，结合以电路中的高阻抗水平，会在电路中产生大量不需要的热量。这样，期望的是内部电源对电子跳闸单元加电(power up)尽可能快，而同时减少快速加电后导致的电源内稳态热量产生。
电路断路器内的跳闸单元电源通常可以从配置电路断路器来保护的电力线直接得到电力，或者从电力线周围的变流器间接得到电力。有利的是维持对跳闸单元的一致供电而不管流过电力线的电流如何。由于变压器仅在电流流动期间生成电势，所以其在期望的给跳闸单元电源提供一致电力上无效。因而，通常直接从电力线电压对电路断路器的跳闸单元电源供电。
现有的用于电路断路器的电源没有解决上述有关对快速充电能力同时避免电路内生成过多热量的需要。此外，因为一致供电的电路断路器的优点，所以由于前面所述的原因不应从变流器对其供电。因而，从电路断路器正保护的电力线直接对电路断路器供电是有益的。这样，需要具有对电路断路器的跳闸单元一致供电、减少电路中产生的热量、并且提高电路“接通”(或加电)时间的速度和一致性的电源。
发明内容
因此，本发明的实施例提供了一种用于提高电源的效率和性能的方法和系统，更具体地，提供了一种方法和系统，其将一致的电压电平提供到多电极电路断路器中，减少了生成的热量并且提高了“接通”时间的速度和一致性。
在本发明的一个实施例中，一种用于改变波形的电源包括用于接收至少一个具有第一和第二分量的波形的电路。提供了用于改变第一分量的电压的电路。还提供了用于输出包括来自电压改变电路的输出的波形的装置。
在本发明的另一实施例中，一种用于将交流电转换成直流电的电源包括至少一个第一接线端、至少一个中性点、至少一个第二接线端、至少一个接地点。在至少一个第一接线端、至少一个中性点、至少一个第二接线端、至少一个接地点之间配置了多个二极管。电压调节器具有输入、第一输出和第二输出。该输入和第一输出与多个二极管的至少一个串行连接。第二输出连接到至少一个第一接线端、至少一个中性点、至少一个第二接线端、至少一个接地点中的至少一个。
在另一实施例中，一种用于将交流电转换成直流电的电源桥包括用于接收至少一个交流电波形的至少一个第一接线端、中性点和接地点、用于输出直流电的至少一个第二接线端、布置来从至少一个第一接线端传导电流的第一二极管、布置来从接地点向至少一个第一接线端传导电流的第二二极管。第三二极管被布置来从中性点向至少一个第二接线端传导电流。第四二极管被布置来从接地点向中性点传导电流。电压调节器被布置来当所述交流电波形的电压小于选取值时从所述第一二极管接收电流并向至少一个第二接线端输出电流。该电压调节器还被布置来当该至少一个交流电波形的电压大于选取阈值时向接地点输出电流。
在另一实施例中，一种电路断路器包括外壳和外壳内包括至少一对触点的操作机构。跳闸单元在外壳内并连接到操作单元并被配置成连接到电子电路。跳闸单元还被配置成检测电子电路内的过电流并且一旦过电流发生就分开该至少一对触点。跳闸单元包括连接到电子电路用于给跳闸单元供电的电源。该电源包括用于接收至少一个波形的至少一个第一接线端、至少一个中性点、用于输出直流电的至少一个第二接线端、用作该至少一个第二接线端的电气地的至少一个接地点、配置成对输入到至少一个第一接线端的波形进行全波整流的多个二极管。还包括电压调节器，其具有输入、第一输出和第二输出。所述输入和第一输出与多个二极管中的至少一个串行连接，并且第二输出连接到至少一个第一接线端、至少一个中性点、至少一个第二接线端、至少一个接地点中的至少一个。
在本发明另一实施例中，一种用于将交流电转换成直流电的方法包括下述步骤接收至少一个波形，该至少一个波形具有第一和第二分量；改变第一和第二分量之一的电压极性；以及输出包括来自第一和第二分量中的经改变的一个的输出和该第一和第二分量的另一个的波形。
在本发明另一实施例中，一种用于将交流电转换成直流电的方法包括下述步骤接收至少一个波形，该至少一个波形具有第一和第二分量；改变第一分量的电压从而第一分量的极性与第二分量相同；将包括经改变的第一分量和第二分量的电压输入的电压降低到选取值之下；以及输出经降低的电压。
在本发明另一实施例中，一种在接地故障条件发生时切断电路的电路断流器，包括跳闸机构，被配置成电路内一旦接地故障条件发生就切断通过电路断流器的电流的流动；以及电源，用于给跳闸机构供电。该电源包括用于当将不止一个电极提供给该电源时改变波形输入的分量的电路并且其中给该电源提供基本相等的电压。
从下面的说明书和权利要求并结合附图，对本发明所属领域的普通技术人员来说，本发明的其它特征将变得更清楚。
参考下面的描述和附图，前述优点和特征，以及其它优点和特征将变得清楚，在所述附图中，类似的标号表示类似的元件，其中图1图示了根据本发明一个实施例的电路断路器；
图2图示了根据本发明的电源桥电路的示意图；图3图示了本发明的电路断路器的一个实施例的示意图；以及图4图示了图3所示的本发明的实施例中的在V型桥处的电压输出的波形示意图。
具体实施例方式
本发明一般涉及一种提高电源的效率和性能的方法和系统，更具体地涉及一种将一致的电压电平提供到多电极电路断路器中的方法和系统。用于电路断路器的电源通常具有稳态操作并且耗散一定量的能量以维持所选择的电力或电压输出。在使用低电力的一些方案中，存在所导致的较慢的启动时间。在需要迅速加电的某些应用中，也相应地产生了较高稳态的电力。但是，这经常导致不期望的较高能量耗用。本发明通过由在6-二极管整流方案中放置线性调节器而提供低稳态电力结合以快速启动时间解决了这些折衷(tradeoff)问题。不使用该6-二极管整流配置，当仅一个电极(pole)可用时仅有半波整流是可能的且导致较慢的启动。6-二极管配置当一个或多个电极可得时提供了全波整流。全波形整流将AC正弦波的负分量转换为正，从而对正弦波的每个周期得到了两个正分量。对于单电极电路断路器，可以获得全波整流，而对双电极系统，存在全波整流和两倍电压。
这种配置允许从线电压对住宅区AFCI和GFCI电路断路器供电，而不需首先使用变流器(current transformer，CT)。这允许即使关闭负载且没有电流流动也对电流断路器供电。需要住宅区AFCI和GFCI电路断路器监控故障而不管负载电流如何。为了实现此任务，任何时候只要一个或多个电极可用就必须对该电路供电。CT只能在电流(负载)流过其时才传送电流。因而，CT供电方案将不能无论负载电流如何都监控故障。GFCI可以检测出线路流入和流出之间小到5毫安的差别。如果差别大于5毫安，则将检测到故障。也可以设置故障阈值使得安培数中的更大损失导致以减少的时间使电路跳闸。
参考图1，电路断路器10具有连接到导线线路8、9、12的接线端7，用于接收由具有交替的正、负分量的波形组成的交流电(AC)。在图1中，导线线路12是中线或地线。电路断路器10被容纳在外壳(enclosure)11中，外壳11优选地是模制塑料罩。电路断路器10包括具有连接到线路8、9(常称作“电极”)和中线12的电源14的跳闸单元15。电源14给同样在跳闸单元15内的电子跳闸机构16供电。跳闸机构16被配置成检测其所连接到的电路断路器的接地故障或电弧放电故障(也称作过电流)的发生。一旦检测到这样的事件，跳闸机构16引起触点(contact)操作机构18内的触头20和22的分开，由此切断故障电流并保护以免受故障的副面影响。因而，通过电子跳闸机构16提供了电路断路器10的切断功能。
电气标准限制电源14有关电弧放电或接地故障电路检测的加电后的最大时间量，在该最大时间量内必须使触头操作机构18跳闸。该时间间隔包括电源充电时间并且通常不超过25毫秒。对电源14充电通常耗费该时间间隔的大部分，而仅为加电留有非常小的时间间隔。但是，达到快速加电的方法会导致电路中稳态热量产生增加。因而，对内部电源14的快速加电的需要与减少快速加电之后与稳态操作相关联的热量产生的需要相冲突。本发明通过限制流过晶体管的DC电压以防止过量的热量产生而解决了该冲突。
参考图2，电源14的示意图被图示并称作桥或整流电路。电源14包括图示为D1-D6的6-二极管配置。为了对直流(DC)跳闸单元供电，通常需要对交流电(AC)线路电压进行转换。将交流电转换成直流电需要使用整流器。整流器通常由诸如二极管或晶体管的半导体设备组成。交流电包括具有交替的正、负分量的波形。半波整流桥阻断波形的负分量，从而得到仅具有正分量和半个周期持续时间的波形。全波整流桥使得波形的正分量不受影响地通过桥而将负分量反转成正分量。因而，桥的输出是仅具有正电压的DC波形。通常，使电流通过桥的操作改变电压极性并被称为整流。
在图2中，二极管对与给定的线路相关联。例如，线路18连接到二极管D1和D2，线路29连接到二极管D3和D4，中线12连接到二极管对D5和D6。每个额外的线路应该以类似于D3和D4的路径在电路中添加额外的二极管对。本发明将一致的电压电平提供到多电极(或多线路)电路断路器中，而不管被供电的电极(或线路)的数目(其中每个电极提供一个波形)如何。提供了线性电压调节器13，其可以具有输入(V型跳闸)28、第一输出(V型桥)26和第二输出(AGND)25。V型跳闸28和V型桥26每个与至少一个二极管“串行”连接。第二输出25如图2所示经由二极管D2、D4、D6连接到线路8和9、中线12、接地点24。在图示的实施例中，晶体管31具有连接到V型跳闸28的集电极33和连接到V型桥26的发射极35。电阻器37具有连接到V型跳闸28的第一端和连接到晶体管31的基极39的第二端。齐纳二极管41具有连接到电阻器37的第一端和连接到第二输出25的第二端。如果到V型桥输出26的电压超过齐纳二极管41设置的阈值，则晶体管31阻止或改变到V型桥输出26的电压和电流。该阈值通常在近似线路低(approximately linelow)和线路低峰值(102和145伏特)之间可调整。
在替换性实施例中，齐纳二极管可用其它类型的参考电压设备代替，诸如本领域公知的阻抗性分压器。通过使用齐纳二极管41来控制晶体管31的基极电压，限制了输出电压26，这是因为基极电压决定了发射极35处的电压27。设置齐纳二极管41的阈值或参考电压低于单电极(或线路)的峰值电压。这样，如果中线12之间的电压超过VBRIDGE，则有电流流过二极管D5，而如果VBRIDGE超出齐纳二极管41的电压阈值，则晶体管31截止。二极管D7保护晶体管31以确保发射极35的电压27也不超过晶体管31的基极电压。通常，大多数电路断路器中的基极电压是参考电压。参考电压通常尽可能高以确保快速加电，但是小于低线路(low line)处特定相位的峰值电压以防止晶体管中太多的电力耗散。否则，在多电极操作中，晶体管将永不截止并且将发生大的电力耗散。120VAC到145VAC(低线路RMS到低线路 的参考电压通常用于120VAC的一个电极电压。此外，线性电压调节器13通常与诸如本发明中的二极管桥结合使用。如果发射极电压等于或超过参考电压，则线性调节器将截止。在一个实施例中，线性电压调节器13可以包含在一个集成电路块中。在其它实施例中，整流器可以由可控硅整流器(silicon-controlled rectifier，SCR)而不是二极管组成作为提供对V型桥的电流限制的桥中装置。SCR可以是本领域公知的相位点火(phase-fired)SCR。在其它替换性实施例中，其它类型的线性电子设备可以用于对电压整流，诸如本领域公知的MOSFET和IGBP晶体管。
参考图3，图示了根据本发明的电路断路器10，其包括电源14。在本实施例中，螺线管30包含分别连接到线路8和线路9的两个线圈32和34，并且代表本领域公知的两电极螺线管。接地点36和中性导线12被二极管D6分开。通过激活可控硅整流器(SCR)44感应跳闸电流，可控硅整流器(SCR)44位于跳闸电路中在晶体管31之前。该位置确保SFCI/GFCI电路断路器的激活，因为螺线管30需要比晶体管31将流过的电流更多的电流。此外，为了确保当仅通过单电极供电时螺线管30的激活，可以添加另一二极管D8以提供电流从中线12通过二极管D5通过二极管D8流到SCR 44流到D2或D4至给定电极的通路。
在本发明的该实施例中，SCR 44如同可导通和截止的二极管那样操作。SCR常闭(或常开)。来自跳闸单元15的输入电压45发信号通知SCR 44跳闸，SCR然后导通并如同二极管那样操作。一旦导通，SCR保持在“导通”状态，直到电流流动停止，基于此SCR截止。当SCR 44导通时，相对大的电流将流动，这给与螺线管30能量并触发机械跳闸机构18。
图4图示了通过利用桥电路“限制”或“改变”电压而产生的波形。该波形表示16.6毫秒周期的波形(半周期8.3毫秒)。在“A”中所示的单相(one-phase)配置中，仅对单电极供电，诸如120VAC线路。这里波形“A”中限制的效果在106处示出(不受限制的波形在105处以虚线指示)。在交流电波形的正半周期期间(在101处示出)，从线路电压通过晶体管31对V型桥26的电压(来自图3)供电。当V型桥26的电压达到齐纳二极管41所设置的参考电压时，晶体管31截止，由此如106处所示限制该电压。在100，波形的负半周期，对电压没有限制。这里，中线12加电并且不受限制。
在如图“B”所示的两相(two-phase)配置中的水平分量104由齐纳二极管41的调整来控制。当V型桥26的电压升高到超过参考电压时，晶体管31截止。在波形中将该电压电平图示为水平线104。中性导线12不受限制，因而，当中线电压增加时，波形的V型桥26的电压缓慢升高到一个电极的电压峰值(对120VAC是170V)。在两电极操作期间，设置参考电压小于每个电极的峰值低线路电压(即，每个电极为290VAC或145VAC)。晶体管31截止，并且从中线12提供V型桥26的电压。
在本说明书中，为了说明的目的采用了美国通用的各种参数。但是，本领域技术人员将认识到，可用这些参数的其它值代替。本发明的方法和设备的操作是依赖于周期的，而不是依赖于频率的。有时也使用每个电极100到277伏特的电压，应该理解本发明可适应于与任何这样期望的变更一起使用。此外，虽然就各种特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应认识到，在权利要求的精神和范围内可对本发明进行修改。
权利要求
1.一种用于改变波形的电源(14)，所述电源(14)包括用于接收至少一个波形的电路，所述至少一个波形包括第一和第二分量；用于改变所述第一分量的电压的电路；以及用于输出包括来自所述电压改变电路的输出的波形的装置。
2.根据权利要求1所述的电源(14)，其中所述改变电路包括用于限制所述第一分量的电压小于选取阈值的装置。
3.一种用于将交流电转换成直流电的电源(14)，所述电源包括至少一个第一接线端(7)，用于接收交流电；至少一个中性点(12)，就所述至少一个第一接线端(7)而言是电中性的；至少一个第二接线端(7)，用于输出直流电；至少一个接地点(12)，用作所述至少一个第二接线端(7)的电气地；多个二极管，被配置在所述至少一个第一接线端、所述至少一个中性点(12)、所述至少一个第二接线端(7)、所述至少一个接地点(24)之间，以对所述交流电进行全波整流；以及电压调节器(13)，其具有输入(28)、第一输出(26)和第二输出(25)，所述输入(28)和所述第一输出(26)与所述多个二极管中的至少一个串行连接，并且所述第二输出(25)连接到所述至少一个第一接线端(7)、所述至少一个中性点(12)、所述至少一个第二接线端(7)、所述至少一个接地点(12)中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的电源(14)，其中所述电压调节器(13)还包括具有连接到所述输入(28)的集电极(33)和连接到所述第一输出(26)的发射极(35)的晶体管(31)；具有连接到所述输入(28)的第一端和连接到所述晶体管(31)的基极(39)的第二端的电阻器(37)；以及具有连接到所述电阻器(37)的第二端、所述晶体管的基极(39)的第一端和连接到所述第二输出(25)的第二端的齐纳二极管(41)。
5.根据权利要求3所述的电源(14)，其中所述电压调节器(13)还包括具有发射极(35)和连接到所述输入(28)的集电极(33)的晶体管(31)；具有连接到所述发射极(35)的第一端和连接到所述第一输出(26)的第二端的第一二极管；具有连接到所述输入(28)的第一端和连接到所述晶体管(31)的基极(39)的第二端的电阻器(37)；以及具有连接到所述电阻器(37)的第二端、所述晶体管的基极(39)的第一端和连接到所述第二输出(25)的第二端的齐纳二极管(41)。
6.根据权利要求3所述的电源(14)，其中所述电压调节器(13)被封装在单个集成电路内。
7.一种用于将交流电转换成直流电的电源桥，所述电源桥包括至少一个第一接线端(7)，用于接收至少一个交流电波形；至少一个中性点(12)，就所述至少一个第一接线端(7)而言是电中性的；接地点(24)；至少一个第二接线端(7)，用于输出直流电；第一二极管，布置来从所述至少一个第一接线端(7)传导电流；第二二极管，布置来从所述接地点(12)向所述至少一个第一接线端(7)传导电流；第三二极管，布置来从所述中性点(12)向所述至少一个第二接线端(7)传导电流；第四二极管，布置来从所述接地点(12)向所述中性点(24)传导电流；以及电压调节器(13)，被布置来当所述交流电波形的电压小于选取值时从所述第一二极管接收电流并向所述至少一个第二接线端(7)输出电流，所述电压调节器(13)还被布置来当所述至少一个交流电波形的电压大于选取阈值时向所述接地点(24)输出电流。
8.一种电路断路器(10)，包括外壳(11)；所述外壳(11)内的操作机构(18)，其包括至少一对触点(20，22)；所述外壳(11)内的跳闸单元(15)，其连接到所述操作机构(18)并被配置成连接到电子电路，所述跳闸单元(15)还被配置成检测所述电子电路内的过电流并且一旦所述过电流发生就分开所述至少一对触点(20，22)，所述跳闸单元(15)包括连接到所述电子电路用于给所述跳闸单元(15)供电的电源(14)，所述电源(14)包括用于接收至少一个波形的至少一个第一接线端(7)、至少一个中性点(12)、用于输出直流电的至少一个第二接线端(7)、用作所述至少一个第二接线端(7)的电气地的至少一个接地点(24)、配置成对输入到所述至少一个第一接线端(7)的波形进行全波整流的多个二极管；以及电压调节器(13)，其具有输入(28)、第一输出(26)和第二输出(25)，所述输入(28)和所述第一输出(26)与所述多个二极管中的至少一个串行连接，并且所述第二输出(25)连接到所述至少一个第一接线端(7)、所述至少一个中性点(12)、所述至少一个第二接线端(7)、所述至少一个接地点(24)中的至少一个。
9.根据权利要求8所述的电路断路器(10)，其中所述电压调节器(13)还包括具有连接到所述输入(28)的集电极(33)和连接到所述第一输出(26)的发射极(35)的晶体管(31)；具有连接到所述输入(28)的第一端和连接到所述晶体管(31)的基极(39)的第二端的电阻器(37)；以及具有连接到所述电阻器(37)的第二端、所述晶体管的基极(39)的第一端和连接到所述第二输出(25)的第二端的齐纳二极管(41)。
10.根据权利要求8所述的电路断路器(10)，其中所述电压调节器(13)包括具有发射极(35)和连接到所述输入(28)的集电极(33)的晶体管(31)；具有连接到所述发射极(35)的第一端和连接到所述第一输出(26)的第二端的第一二极管；具有连接到所述输入(28)的第一端和连接到所述晶体管(31)的基极(39)的第二端的电阻器(37)；以及具有连接到所述电阻器(37)的第二端、所述晶体管的基极(39)的第一端和连接到所述第二输出(25)的第二端的齐纳二极管(41)。
11.根据权利要求10所述的电路断路器(10)，其中所述晶体管(31)包括MOSFET和IGBP晶体管之一。
12.根据权利要求8所述的电路断路器(10)，还包括连接到所述跳闸单元(15)的螺线管(30)和整流器(44)，所述整流器(44)适合于给所述螺线管(30)提供电流以触发所述跳闸单元(15)切断所述电路。
13.根据权利要求12所述的电路断路器(10)，其中所述整流器(44)是可控硅整流器。
14.一种用于将交流电转换成直流电的方法，所述方法包括下述步骤接收至少一个波形，所述至少一个波形具有第一和第二分量；改变所述第一和第二分量之一的电压极性；输出包括来自所述第一和第二分量中的所述经改变的一个的输出和所述第一和第二分量的另一个的波形。
15.一种用于将交流电转换成直流电的方法，所述方法包括下述步骤接收至少一个波形，所述至少一个波形具有第一和第二分量；改变所述第一分量的电压以使所述第一分量的极性与所述第二分量相同；将包括所述经改变的第一分量和所述第二分量的电压输入的电压降低到选取值之下；以及输出所述降低的电压。
16.一种在接地故障条件发生时切断电路的电路断流器(15)，包括跳闸机构(16)，被配置成电路内一旦接地故障条件发生就切断通过电路断流器(15)的电流的流动；以及用于给跳闸机构(16)供电的电源(14)，所述电源(14)包括用于当将不止一个电极提供给所述电源(14)时改变波形输入的分量的电路；以及其中给所述电源(14)提供基本相等的电压。
17.根据权利要求16所述的电路断流器(15)，其中所述电源(14)还包括至少一个第一接线端(7)，用于接收至少一个波形；至少一个中性点(12)，就所述至少一个第一接线端(7)而言是电中性的；至少一个第二接线端(7)，用于输出直流电；至少一个接地点(24)，用作所述至少一个第二接线端(7)的电气地；和多个二极管，被配置成对输入到所述至少一个第一接线端(7)的波形进行全波整流。
18.根据权利要求17所述的电路断流器(15)，还包括电压调节器(13)，其具有输入(28)、第一输出(26)和第二输出(25)，所述输入(28)和所述第一输出(26)与所述多个二极管中的至少一个串行连接，并且所述第二输出(25)连接到所述至少一个第一接线端(7)、所述至少一个中性点(12)、所述至少一个第二接线端(7)、所述至少一个接地点(24)中的至少一个。
全文摘要
一种通过将一致的电压电平提供到多电极电路断路器(10)中来提高效率、减少热量产生和提高“接通”时间的速度和一致性从而提高电源(14)的效率和性能的方法和系统。用于改变波形的电源(14)包括用于接收至少一个具有第一和第二分量的波形的电路。提供了用于改变该第一分量的电路，还提供了用于输出包括来自该改变电路的输出的波形的装置。
文档编号H02H9/00GK1729602SQ200380106606
公开日2006年2月1日 申请日期2003年11月10日 优先权日2002年11月12日
发明者小亨利·H·马森, 克雷格·B·威廉斯 申请人:通用电气公司