用於測量電功率的裝置和方法

2023-06-12 02:19:11

專利名稱：用於測量電功率的裝置和方法
用於測量電功率的裝置和方法本發明涉及一種依照權利要求1的前序部分用於測量電功率的裝置。本發明還涉及一種用於測量電功率的方法。本發明的應用還可以是一種用於電能的觀糧裝置和方法。每年製造1億個千瓦時電度表。近年來看到，重點轉移到所謂的感應式電 子千瓦時電度表。此外，遠程讀取的重要性提高。除了實際的千瓦時電度表， 功率測量還發生在多種機器和設備中。雖然存在將功率測量弓l入幾乎所有裝置 的壓力，由於功率計的價格以及缺乏經濟的接口而仍然無法實現。如果對於工 廠中和住宅中的機器和裝置都可獲得通用的並且經濟的接口和功率測量構件， 這種構件的潛在市場將是每年數十億項等級的。現有的千瓦時電度表仍然沒有 集成為構件等級。這是由於高電壓和大電流的限制，以及對於精確性和寬動態 範圍的需求。當前，生產能量計的公司會將其產品銷售給電力公司，後者將其安裝在企 業和家庭住宅中。如果生意發生變化，從而構件製造商將功率測量單元銷售給例如家庭應用製造商，功率測量將非常迅ili也集皿單個電路中。當前，如果遠程讀取例如與其不連接，在家庭住宅中使用的新千瓦時電度表花費電力公司大約30歐元。最普遍的技術是使用電流變換器。這個方案是昂 貴的，因為電流變換器隨著其關於直流飽和而不能如此使用(當前的規則需要 電度表經得住直流)。 一種所用的方案是將兩個電流變換器串聯，但這提高了電 度表的價格。另一個方案是將抵抗式分流器安裝在電流變換器中，在這種情況 下交流電和直流電都減弱了並且直流電不會使變換器飽和。在本申請的申請人 先前開發的一種方法中，以感應方式執行電流測量。這個方法是經濟的並且有 效的，但需要昂貴的IC電路用於乘法。此外，感應線圈必須足夠大以保證由磁 場弓胞的電壓是充分強大的。電阻分路器也己經用於千瓦時電度表中，但問題 存在於使用大電流在電阻上產生充分電壓而不使電阻過熱。這已經成為普通的 方案，尤其在單相千瓦時電度表中。在所有前述方案中，將IC電路用於乘法。 霍爾傳感器已經用於千瓦時電度表中很長時間，但其巨大的熱相關性和差劣的敏感性使得這個方法困難。在霍爾傳感器中，乘法直接發生在構件中，因 為霍爾電壓使磁場和傳播M霍爾構件的電流的乘積。
在1978-1980期間，本申請的申請人開發了一種稱為瓦特衛士 (wattguard)
的電子千瓦時電度表。這個產品意圖為家庭住宅提供用於監測各種裝置中功率 消耗的經濟電度表。電流觀糧基於電阻分路器，而使用脈衝寬-高變換器進行乘 法。在1984-1987期間，本申請的申請人開發了一種基於微處理器技術的千瓦時 電度表。這是世界上第一個基於微處理器的電度表，現在用在電量計中。在 1996-1998期間，本申請的申請人開發了一種基於梯度測量感應線圈的千瓦時電 度表。與其相連接，還開發了一種集成電路，其中使用西格馬-德耳塔變換器和 數字式乘法器進行電流和電壓的乘法。
本發明意圖消除上面公開的現有技術的缺點，並且為此目的創造一種全新 類型的用於測量電功率的設備和方法。
本發明基於將傳感器構件實現為矽微機械結構，ffl31這種方式直接在測量 構件中進行電流和電壓相互的乘法。
在本發明的一個優選實施例中，產生功率的時間積分，以便確定能量消耗。 更特別的，依照本發明的設備由權利要求l的特徵部分中的陳M表徵。 依照本發明的方法反過來由權利要求12的特徵部分中的陳述來表徵。 ilil本發明的幫助取得了相當可觀的優點。
通過依照本發明的方法的幫助，使用彈性係數並且通過在線圈中傳播的電 流的幫助可以改變敏感性。電流的測量沒有電流接觸。使用單個構件，構件直 接測量有功功率。當前的方法不需要昂貴的IC電路，相反廉價的CMOS電路 是足夠的。電度表的動態範圍是寬的。根據構件可以開發出用於不同精確度等 級的電度表。傳感器對於直流電不敏感，如果4頓梯度測量數取貝樹於外部交 流場也是不敏感的。本發明不僅允許測量有功功率，而且可以測量無功功率。 如果在MEMS構件中傳播的電流產生來自直流，構件將稱為磁強計，並且可以 用於測量電流。此外，依照本發明的裝置是方便於大量生產的。
在下面，ffiii例子的幫助並且參考附圖來審視本發明。
圖la顯示了依照本發明的一個功率計的示意性頂視圖。 圖lb顯示了依照圖la的功率計的側視橫截面圖。 圖2顯示了依照本發明的第二能量計的示意圖。圖3顯示了依照本發明的第三測量裝置的示意圖。
圖4a顯示了依照本發明的測量裝置的示意性頂視圖。 圖4b顯示了圖4a方案的A-A平面的橫截面圖。
本發明公開了一種製造千瓦時電度表的新方式，其對直流不敏感並且其中 電流和電壓直接在觀糧構件中相乘。
圖la和lb顯示了微機械功率計的示意圖。依照圖la的方案意圖測量在相 導體3中傳播的功率。所測量的電壓、即相導體3和中性導體7之間的電勢取 自線圈的接線端8和9之間的電壓分配器50，進而轉換為線圈2中的電流。開 關51和反相器52可以用於機械地穩定傳感器構件，允許周期性地改變電流在 線圈2中的傳播方向。在圖中，畫出了搖杆式移動板l，在其兩側集成有產生磁 場所需的線圈2。因而搖杆在其底部支撐在橫梁5上。作為測量目標的電流導體 3延伸^5所述線圈，在傳麟構件4處產生磁場梯度。通過圖lb中所示電極 6的幫助，電容性地觀懂所述板1相對於導體3和7的位置，並且一旦搖杆l、 5的彈性係數已知，正比例於在電流導體3中傳播的功率的力作用可以根據改變 的位置直接確定。從下文中將描述的意義來講，電極6可以選擇性用於力反饋， 在這種情況下所述力作用艦反饋幅度(電流或電壓)獲得。
依照圖2，第二選擇是使用金屬層27覆蓋所述板21 ，並且利用構件中的固 定線圈22在內部產生渦流，其位於離開所述板21—定距離的基板26上。所述
線圈22以相同於圖i中線圈2的方式連接。所用構件aa的選擇基於精確性需
求、動態範圍、以及構件的製造方式。如果放置電流導體23靠近所述構件，電 流將在所述板21中感應產生磁場。在所述板21中傳播的電流在被測電流中感
應產生磁偶極子。作用在所述板上的力為矢量積# =(><為，其中(為穿過所述 線圈22傳播的電流而，為磁場。如果把最終結果看作標量，注意到在正弦信號 情況下，力^=6^"0^，其中p為電流和電壓之間的相差而"為常數。換句話 說，通過及時測量所述力的積分，可以測量電能。本發明的實質特徵是，功率 測量所需的兩個量的積分操作直接發生在測量構件內。另一方面，高靈敏度消 除了以化學方法將大電流弓l入測量構件的需要，因為對於電流導體來說延伸靠 近所述構件已經是足夠的。關於這個發明還存在其他有吸引力的性質，在下文 中描述所述電度表的電子裝置時將可以看出。
後面描述了一種可能的傳感器實現。例如通過將結構構成為搖杆來測量力，在所述搖杆的兩側存在產生磁偶極子的線圈2，例如依照圖l。在兩個都存在若
乾電極6，通過所述電極的幫助電容性地測量所述搖杆4的位置，同時另一方面 所述搖杆的位置通過電反饋保持恆定。被觀U功率^^f述搖杆中感應產生力，但 反饋電壓調整使得所述搖杆4平均起來保持在平衡點處。當所述搖杆處於平衡 時，補償電壓的平均有效值將與被測的有功功率相同。電容性地測量所述搖杆 的位置。如果在反饋中存在不同尺寸的電極，可以衡量反饋電壓。這意味著， 如果被測功率為低，所述反饋通過具剤氐電容量的電極發送到所述搖杆。小的 電極意味著需要高電壓以達到平衡。在高功率情況下，所述反饋發送到大的電 極。不同尺寸的反饋電極以附參考標記25顯示在例如圖2中，而測量電極以參 考標記24顯示。這允許動態範圍的擴展。換句話說，M使用例如具有恆定電 壓的脈衝以及用於補償的恆定持續時間，根據脈衝隊列的頻率直接獲得所述功 率。此外，無功功率迫使將脈衝運行到所述搖杆的相對側。相對所述接地平面 28進行所述測量和反饋。最終結果的差別描述了有功功率，而'負'脈衝的數 量描述了無功功率的份額。這意味著相同的構件既可以用於測量有功功率也可 以用於測量無功功率。此外，通過使用不同持續時間或者不同電極的脈衝，可 以擴展電度表的動態範圍。
在微機械構件中，由於漂移經常出現表面充電和機械不穩定性。如果反轉 電壓的方向，磁偶極子的方向也將反轉，並且力通過它作用於所述搖杆上。如 果以例如20個周期的間隔反轉電壓方向，將會,基本上完全消除漂移。使用例 如微機械或半導體開關來改變電壓的方向。在圖la中同樣顯示用於改變電壓方 向的電路。
如果允許用於漂移和力反饋兩者的消除，所獲得功率計的精確性僅取決於 參考基準的穩定性。此外，由於直接以數字方式進行所述力反饋，將不存在由 於信號數位化帶來的電度表不精確性的上升。如果電流導體和構件的相互位置 不改變，可以容易地構造具有甚至0.1規格的經濟型電度表。
圖3顯示了一種裝置，其中電流導體構成為這樣的方式，在傳感器處磁場 的梯度是微小的。由於電流導體的對稱性，第二磁強計的場是相同的但具有相 反的符號。這個裝置意味著，這兩個功率計的和是獨立於外部均勻的50 Hz磁 場的。電流導體的成形也意味著，在第一階功率讀數將不會變化，即使在所述 構件例如由於熱膨脹相對於所述電流導體移動的情況下。千瓦時電度表應當經得起非常強大的50Hz (或60Hz)外部磁場而電度表 不顯示錯誤讀數。消除外部磁場的一種方式是使用依照

圖1的搖杆式MEMS構 件4，但將電流線圈2放置在搖杆的兩側(如圖所示)，Mi^種方式僅電流導 體3感應產生場的梯度導致產生使搖杆轉動的力，而消除外部均勻場。為了使 敏感性充分並且構件對電流導體與構件的相互位置不敏感，所述構件應當相當 大。也可以依照圖3進行布置。其中，兩個同樣的MEMS千瓦時電度表31以 及與其連接的IC電路34方爐在位於電流導體33附近的殼體30中。儘管MEMS 構件31的尺寸小於lmm X lmm，將獲得充分的敏感性。因為梯度測量的元 件處於不同的構件中，我們可以將遮蓋物延伸至少5mm-8mm，而構件成本沒 有實質增加。還應當注意，MEMS構件31不需要包裝在真空中，因為在這個應 用中可以接受空氣散布。圖4a和4b顯示了依照本發明的第四方案，其中微機械構件41位於電流導 體43內部。電流導體1，為細的，鄰近A-A線，以便增加磁場的強度。線圈 45儘可能精確地處於電流導體43的中心，此時延伸穿過線圈45的磁場的總通 量將為零，並且線圈45可以用作參考線圈以消除外部幹擾。線圈46由於其角 色，意圖位於磁場的最大點。元件41通常類似於圖la和lb中顯示的搖杆構件 4，並且也可以使用相同的方式電連接。測量和控制IC電路44ttt製造在與微 機械電路41相同的基片上，例如使用SOI (絕緣體上矽結構)工藝。在圖4b 中更力瞎細地顯示了製造在導體43中的封閉式元件40的位置。如果該構件用於單相千瓦時電度表中， 地將整個功率測量放置在構件 內部的IC電路中，但在三相電度表中優選地僅將對於功率測量重要的電子器件 放置在單個IC電路中，並且將處理器與千瓦時電度^^接，該處理器收集來自 三個構件的數據並且控制所述構件的操作。單個梯度測量功率計的生產成本可 能為0.3-0.5歐元，相應的售價為1.5-2歐元的等級。單相千瓦時電度表的成本是 合理的，因為功率的觀懂不要求大量的外部元件，但三相電度表的總成本己經 是相當大的。然而如果製造可遠程讀取的千瓦時電度表，其包含處理和存儲， 則從整體來看瞎況仍然是經濟的。本發明公開了一種在功率計和千瓦時電度表中使用微機械構件的方法。在該方 法中，電流和電壓輸入轉換為可以通過電容性方式觀糧的力。所述力雌地有脈衝隊列補償，使用不同尺寸的反饋電極。該方法補償可能的非線性，同時使 得動態範圍非常寬。M改變與搖杆中傳播的電壓成比例的交流的相位，補償MEMS構件可能相關的漂移。可以消除外部磁場對於電度 作的影響，例如 通過將兩個構件放置在相同的殼體裡，通皿種方式均勻場將在兩個傳感器中 都有效地感應產生單一的巨大力。
權利要求
1.一種用於測量在導體(3)中傳播的電功率的設備，在設備中存在用於同時測量電壓(U)和電流(I)的裝置，其特徵在於它包括在機械元件(1、21)中用於將所述電壓(U)轉換為電流量的裝置(2、22、27)，其相對於所述導體(3)符合力-效果(force-effect)的關係，以及用於確定所述機械元件(1、21)和所述導體(3、23)之間力-效果關係的裝置，從而所述力效果正比例於所述電壓(U)和所述電流(I)的乘積。
2. 如權利要求l所述的設備，其特徵在於它包括用於根據所述電壓和所 述電流的乘積形成時間積分的裝置。
3. 如權利要求1或2所述的設備，其特徵在於根據所述機械元件(1、 21)的偏差測量所述力效果。
4. 如權利要求1或2所述的設備，其特徵在於它包括通過反饋力的幫助 保持所述機械元件(1、 21)就位的裝置以及用於根據所述反饋力的控制量確定 所述力效果的，。
5. 如權利要求4所述的設備，其特徵在於它包括用於i柳脈衝隊列補償 力的裝置。
6. 如權利要求4或5所述的設備，其特徵在於其中存在具有不同尺寸的 反饋電極(25)，用於不同的功率等級。
7. 如il^權利要求任一項所述的設備，其特徵在於它包括用於反轉所述電壓(U)的極性進而改變所述電流的方向的裝置(50、 51、 52)，以便消除機 械元件(1、 21)中的不穩定性。
8. 如，權利要求任一項所述的設備，其特徵在於所述用於將所述電壓 (U)轉換為電流量的裝置(2、 22、 27)是線圈(1)。
9. 如J^權利要求任一項所述的設備，其特徵在於所述用於將所述電壓 (U)轉換為電流量的裝置(2、 22、 27)是導電平面(27)。
10. 如上述權利要求任一項所述的設備，其特徵在於它包括用於將所述 導體(3)的磁場梯度轉換為力大小的裝置(4、 2)，其繼而成比例於在所述導 體(3)中傳播的電功率。
11. 如J^權利要求任一項所述的設備，其特徵在於所述在機械元件0、21)中用於將所述電壓(U)轉換為電流量的裝置(2、 22、 27)位於所述導體 (3、 43)的內部。
12. —種用於測量在導體(3)中傳播的電功率的方法，該方法中同時測量 電壓(U)和電流(1)，其特徵在於在機械元件(1、 21)中將電壓(U)轉換為電流量，其相對於所述導體G) 符合力-效果的關係，以及fflil所述力效果正比例於所述電壓(U)和所述電流(I)的乘積的方式， 確定所述機械元件(1、 21)和所述導體(3、 23)之間的力-效果關係。
13. 如權禾腰求12所述的方法，其特徵在於根據所述電壓和所述電流的 乘積形成時間積分。
14. 如權禾腰求12或13所述的方法，其特徵在於根據所述機械元件(l、 21)的偏差測量所述力效果。
15. 如權利要求12或13所述的方法，其特徵在於艦反饋力的幫助保 持所述機械元件0、 21)就位並且根據所述反饋力的控制量確定所述力效果。
16. 如權利要求15所述的方法，其特徵在於j頓脈衝隊歹掛償力。
17. 如權禾腰求15或16所述的方法，其特徵在於具有不同尺寸的反饋 電極(25)用於不同功率等級。
18. 如上述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於反向所述電壓(U) 的極性進而改^^f述電流的方向，以便消除所述機械元件(1、 21)中的不穩定 性。
19. 如上述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於將線圈(l)用作所述用於將所述電壓(U)轉換為電流量的裝置(2、 22、 27)。
20. 如上述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於將導電平面(27) 用作所述用於將所述電壓(U)轉換為電流量的裝置(2、 22、 27)。
21. 如上述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於將所述導體(3)的 磁場梯度轉換為力大小，其繼而成比例於在所述導體(3)中傳播的電功率。
22. 如上述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於所述在所述機械元 件(1、 21)中用於將所述電壓(U)轉換為電流量的裝置(2、 22、 27)位於所 述導體(3、 43)的內部。
全文摘要
本發明涉及一種用於測量在導體(3)中傳播的電功率的方法和設備。在所述設備中存在用於同時測量電壓(U)和電流(I)的裝置。依照本發明的設備包括在機械元件(1、21)中用於將所述電壓(U)轉換為電流量的裝置(2、22、27)，其相對於所述導體(3)符合力-效果的關係，以及用於確定所述機械元件(1、21)和所述導體(3、23)之間力-效果關係的裝置，從而所述力效果正比例於所述電壓(U)和所述電流(I)的乘積。
文檔編號G01R11/02GK101410717SQ200780008351
公開日2009年4月15日 申請日期2007年3月8日 優先權日2006年3月9日
發明者H·塞帕 申請人:芬蘭技術研究中心