[发明专利]量测交流电压的装置及方法

说明书

技术领域

本发明是有关用来量测电力干线之交流电压的装置及与之相关的方法。

背景技术

用来量测具有交流电压的电力干线（electric mains lines）上之电压的装置已是众所周知，在某些应用中，这一类的装置采用量测变压器（measuring transformer）将干线上的交流电压转换成一较低的交流电压，以确保量测工具本身与电力干线之间形成电气隔离（galvanic insulation），所取得之电压可给量测电路共同使用。

采用变压器来进行电气隔离避免了在量测工具被连接至外部装置（如，各种类型的探查工具（probes））时可能发生的危险情形。

然而，此种技术的缺点是量测变压器相当昂贵而且庞大。

针对这些缺点或至少部分的缺点，一个解决方案是制造一个电压量测工具，其使用一个已经存在于该量测工具本身、具有电力供应功能的变压器来量测它自己的交流干线电压。采用已存在之变压器连接至电力线可避免该工具连接至外部装置可能导致的风险，特别是如果该量测装置亦执行附加功能时，例如控制功能，则需要更多各式各样的连接。再者，量测变压器不再需要设置在该装置内时，成本可以降低，且该装置更为小巧且轻。

特别是，现有之供应变压器的二次绕组（secondary winding）可被用来同时量测电压及供应电力至量测和控制电路。

采用现有之变压器和直接量测供应阶段所产生之DC电压的缺点是所得出的量测电压不可靠，因其强烈地依非线性（non-linear）方式相依于量测电路本身之电量（electrical quantities）。尤其是，电压的量测相依于该工具本身的非线性特性，若该工具又执行附加功能，则量测到之电压的变化程度更大，例如若该工具对其他负载进行控制的话，各种数目及类型的延迟可能会发生。再者，量测可能相依于其他环境因素，例如温度及/或湿度，或其他。

美国专利第5,546,331A号描述了一种用来量测交流源的电路，其提供了采用系数来校正电压之计算的方案，此量测方法对本发明目的来说太不精确，没有将某些环境变数所导致的非线性效应列入考虑，前述的环境变数如工作温度，并且此方案需要很长的校正时间来估算可靠的系数，因这相依于电路元件实际上的值。

德国专利第4413028A1号（DE'028）揭示了一种能够量测负载上之电流的装置，其采用具有量测电流及供应电力给量测工具双重功能的电流量测转换器。DE'028中有两种不同的整流器，即用来产生供应电压的全波整流器以及具有量测功能的半波整流器。仅采用DE'028所指导的方式不能完全将量测信号及对负载的估算独立化，因其没有提出一个特别的处理程序来对在整流器于供应阶段导通时的量测信号进行处理，此导致对负载效应形成强烈的相依性。对负载效应的相依性使其无法得出精确的量测，而相反地，本发明能够进行精确地量测。

与DE'028类似的，德国专利第102009050806A1号（DE'806）描述了一种能够量测负载上之电流的装置，其采用具有量测电流及供应电力给量测工具双重功能的电流量测转换器。此文件提及采取将用来产生供应电压之电流转换器的二次绕组上的正的信号半波分隔开来以及将与量测功能有关的负的信号半波分隔开来的措施，但DE'806没有对为什么要采取此措施进行仔细的讨论，也没有描述该量测转换器上的负载效应，而且没有对相应于负的半波的信号处理模式进行说明，另外也没有提及与该转换器之磁芯有关的可能产生的磁滞效应。DE'806所描述的量测电流的技术方案，即使可能转换成电压量测，但也不可能达成某些应用要求的精确量测，因为DE'806没有处理精确量测劣化的问题，其起因于该转换器之磁芯产生的滞后现象。相反地，本发明能够进行精确地量测。

必须强调的是，上述提出的两件前案都是有关能够进行电流量测的装置，而非进行电压量测。采取具有供应和量测功能的单一个转换器/变压器基本上在量测电压时和在量测电流时会导致不同的负载效应。为了得出更为精确的量测，将负载效应列入考虑时必须一并考虑变压器之非理想的现象，如绕组之阻抗及变压器之磁芯的滞后现象，这使得量测电流的技术与量测电压的技术不能直接的转换。

我们亦必须强调的是，因这两件引用的前案使用的电流转换器是一种量测转换器，其本质上就具备很高的线性特性且可忽略滞后现象。因此，他们所使用的量测转换器不仅自然地可供量测电流，而且也具有电力供应的功能。本发明适用的应用与之相反，且更为复杂。