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一種斷路器熱記憶電路及其充電調節方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201210009077.6

申請日:

2012.01.12

公開號:

CN102570801B

公開日:

2015.01.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H02M 3/07申請日:20120112|||公開
IPC分類號: H02M3/07 主分類號: H02M3/07
申請人: 上海諾雅克電氣有限公司
發明人: 張佳; 楊興勇; 徐首旗; 徐澤亮
地址: 201614 上海市松江區文合路1255號
優先權:
專利代理機構: 北京卓言知識產權代理事務所(普通合伙) 11365 代理人: 龔清媛;趙國虹
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210009077.6

授權公告號:

102570801B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.21|||2012.09.12|||2012.07.11

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種根據電流獨立調節充電的斷路器熱記憶電路及其充電調解方法。對電容的充電控制完全采用模擬電路實現。電路包括微處理器、電流采樣電路、PWM比較發生電路、充放電電路、電壓采樣電路,當回路電流沒有超過設定閾值時,參考電壓始終大于電流采樣信號,PWM比較發生電路不會驅動電容充放電電路對儲能電容充電;當回路電流超過設定閾值時,PWM比較發生電路驅動充放電電路對儲能電容充電,PWM比較發生電路產生的驅動信號的占空比由回路電流的大小決定,回路電流越大,驅動信號的占空比越大,電容充電越快,電壓反饋電路將充放電電容的電壓信息反饋給微處理器,在斷路器重復上電時提供能量剩余等效值給微處理器處理。

權利要求書

1.一種根據電流獨立調節充電的斷路器熱記憶電路,其特征在于包
括:
電流采樣電路、微處理器、充放電電路、電壓采樣電路、PWM比較發
生電路;
所述電流采樣電路與PWM比較發生電路的輸入相連接,將回路電流的
電流采樣信號提供給PWM比較發生電路;
所述微處理器與PWM比較發生電路連接,將參考電壓提供給PWM比
較發生電路;
所述PWM比較發生電路的輸出與充放電電路連接,用以驅動充放電
電路是否充電;
所述電壓采樣電路的輸入與充放電電路連接,所述電壓采樣電路的
輸出與微處理器連接,將充放電電路的電壓信息反饋給微處理器。
2.如權利要求1所述的斷路器熱記憶電路,其特征在于:所述PWM
比較發生電路包括第一電阻、第二電阻和第一運算放大器;
第一電阻一端連接電流采樣電路的輸出,另一端連接第一運算放大
器的正向輸入端;
第二電阻一端連接微處理器的DA腳,另一端連接第一運算放大器的
反向輸入端,微處理器的DA腳輸出的參考電壓經第二電阻提供給所述PWM
比較發生電路。
3.如權利要求1所述的斷路器熱記憶電路,其特征在于:所述充放
電電路包括第三電阻、第四電阻、第五電阻、開關單元、二極管、儲能
電容;
第三電阻一端連接所述PWM比較發生電路的輸出端,另一端連接開
關單元,當電流過載時,所述PWM比較發生電路通過第三電阻驅動開關
單元導通;
充電電壓VCC在開關單元導通后,經第四電阻和二極管對儲能電容
充電;
所述電壓采樣電路的輸入與儲能電容的正極連接;
儲能電容充電,直到斷路器累積能量達設定值觸發跳閘后,與儲能
電容并聯的第五電阻進行放電。
4.如權利要求3所述的斷路器熱記憶電路,其特征在于:開關單元
采用場效應管MOSFET;
第三電阻的另一端連接MOSFET的門極;
第四電阻一端連接VCC,另一端連接MOSFET的漏極;
二極管陽極連接MOSFET的源極,二極管陰極連接儲能電容的正極;
第五電阻一端連接儲能電容的正極,另一端連接儲能電容的負極并
接地。
5.如權利要求1所述的斷路器熱記憶電路,其特征在于:所述電壓
采樣電路包括第六電阻、第七電阻、第二運算放大器;
第六電阻的一端與所述充放電電路連接,另一端與第二運算放大器
的正向輸入端連接;
第七電阻的一端與第二運算放大器的輸出端連接,另一端與微處理
器的AD連接。
6.如權利要求1所述的斷路器熱記憶電路,其特征在于:所述PWM
比較發生電路包括第一電阻、第二電阻、比較器和上拉電阻;
第一電阻一端連接電流采樣電路的輸出,另一端連接比較器輸入端;
第二電阻一端連接微處理器的DA腳,另一端連接比較器另一輸入端,
微處理器的DA腳輸出的參考電壓經第二電阻提供給所述PWM比較發生電
路;
比較器輸出端連接上拉電阻。
7.如權利要求3或4所述的斷路器熱記憶電路,其特征在于:第四
電阻是充電時的限流電阻。
8.權利要求1至6所述的根據電流獨立調節充電的斷路器熱記憶電
路的充電調節方法,包括:
所述PWM比較發生電路基于回路電流的采用信號及參考電壓驅動充
放電電路充電,當回路電流超過設定閾值時,PWM比較發生電路驅動充放
電電路充電,當回路電流沒有超過設定閾值時,PWM比較發生電路不會驅
動充放電電路充電。
9.如權利要求8所述的充電調節方法,還包括:
當回路電流超過設定閾值時,所述PWM比較發生電路產生的驅動信
號的占空比由回路電流的大小決定,當回路電流越大時,驅動信號的占
空比越大,充放電電路充電越快。
10.如權利要求8所述的充電調節方法,還包括:
所述電壓采樣電路將電壓信息反饋給微處理器,在重復上電時提供能
量剩余等效值給微處理器處理,作為此次能量累積的基數。

說明書

一種斷路器熱記憶電路及其充電調節方法

技術領域

本發明涉及一種智能型斷路器,尤其涉及一種斷路器的熱記憶電路,用
以保護線路及電動機負載等,屬于斷路器技術領域。

背景技術

斷路器的熱記憶功能是指斷路器將主回路的能量(熱量,主要與主回路
電流有關)信息記錄下來并加以保存,以給下次主回路出現過載時的能量累
加提供依據的功能。其包括帶電熱記憶和斷電熱記憶兩種。目前帶電熱記憶
比較容易實現,但需要依賴外部電源。斷電熱記憶則可以在系統完全斷電的
情況下保存能量信息,并在系統斷電后模擬能量衰減,其需要使用外部儲能
器件來實現。

目前斷路器的斷電熱記憶功能普遍采用的是通過控制對外部儲能電容充
電來記錄當前主回路的能量累加,以電容的自然放電過程來模擬在斷電情況
下主回路的釋能,電容兩端的電壓反映了主回路的能量情況。

目前較為普遍采用的斷電熱記憶電路如圖1所示,當電流互感器2檢測
到過載電流時,微處理器4將電流計算為相應的能量,并輸出一定寬度的脈
沖來控制開關單元Q1使其接通,這樣電源電壓VCC就可以通過開關單元Q1
向充電電路的電容C1充電。同時微處理器4檢測該電容C1上的電壓,與當
前計算的相應能量的累積值比較后,調整脈沖寬度來控制該電容上的充電電
壓,做到能量累積與電容電壓的匹配;當能量累積達到斷路器1的動作條件
后,電子脫扣器中的處理器單元驅動磁通變換器3使斷路器1動作,系統斷
電,電源電壓VCC不再對充電電路的電容C1進行充電,此時電容C1將通過
電阻R5開始慢慢放電,用以模擬斷路器斷電情況下能量的衰減過程。當斷路
器1再次合閘上電時,微處理器4通過電壓跟隨電路5讀取電容兩端的剩余
電壓,來計算出衰減后的剩余能量,并將此作為再次能量累積的基數,從而
實現斷電后能量的記憶或重復斷電后能量的連續累積。此電路需要微處理器
4對電容C1上的電壓進行實時監測,并不斷調節脈沖寬度來調節電容充電,
微處理器軟件處理復雜,占用了較大的軟件資源。同時由于充電控制完全依
賴于微處理器,也降低了產品的可靠性。

已知的對斷路器熱記憶改進的技術,比如:中國專利(申請號:
200820185417.X)公開的一種斷路器熱記憶的電路,包括微控制器、充電電
平發生電路、充電控制電路、充放電電路、反饋緩沖電路。當配電系統發生
電流過載時,低壓斷路器中電子脫扣器的微控制器通過電流互感器檢測過載
電流,將電流計算為相應能量,并將該能量換算為一定比例電壓值,由微控
制器的PWM控制輸出,充電電平發生電路根據微控制器的輸出得到一定的電
壓VCC1,由充放電電路中的電容C2充到此電壓值,當能量累積達到斷路器
設定的動作條件后,電子脫扣器的MCU驅動磁通變換器使斷路器動作切斷故
障線路,斷電時,充放電電路中C2電荷通過電阻R2放電,模擬能量衰減,
當斷路器合閘時,微控制器在此工作,MCU通過測量C2上剩余電壓計算衰減
后當前剩余能量,將此作為再次能量累積的基數,實現斷電后能量的記憶或
重復斷電/過載后能量連續累積。但其過載電流檢測、能量轉換、充電控制實
際上仍然完全依賴于微處理器,處理軟件只是相對簡化,要克服其缺陷,需
要新的電路和控制方式。

又比如:美國授權專利US5850330A“Electronic?trip?device?that?
detects?an?imminent?drop?of?the?power?system?voltage?and?comprises?a?
numerical?processing?circuit?and?a?thermal?memory”。公開了一種具有
熱記憶的電子脫扣器,但其針對脫扣器的改進方式與中國專利(申請號:
200820185417.X)類似,也未能克服微處理器的軟件復雜、產品可靠性低的
缺陷。

發明內容

為克服現有技術的上述缺陷,本發明提供了一種根據電流獨立調節充電
的斷路器熱記憶電路,其特征在于包括電流采樣電路、微處理器、充放電電
路、電壓采樣電路、PWM比較發生電路;所述電流采樣電路與PWM比較發生
電路的輸入相連接,將回路電流的電流采樣信號提供給PWM比較發生電路;所
述微處理器與PWM比較發生電路連接,將參考電壓提供給PWM比較發生電路;
所述PWM比較發生電路的輸出與充放電電路連接,用以驅動充放電電路是否
充電;所述電壓采樣電路的輸入與充放電電路連接,所述電壓采樣電路的輸
出與微處理器連接,將充放電電路的電壓信息反饋給微處理器。

進一步的所述PWM比較發生電路包括第一電阻、第二電阻和第一運算放
大器/比較器及與之輸出連接的上拉電阻;第一電阻一端連接電流采樣電路的
輸出,另一端連接第一運算放大器的正向輸入端/比較器一輸入端;第二電阻
一端連接微處理器的DA腳,另一端連接第一運算放大器的反向輸入端/比較
器另一輸入端,微處理器的DA腳提供的參考電壓經第二電阻輸入所述PWM
比較發生電路。

進一步的所述充放電電路包括第三電阻、第四電阻、第五電阻、開關單
元、二極管、儲能電容;第三電阻一端連接所述PWM比較發生電路的輸出端,
另一端連接開關單元,當電流過載時,所述PWM比較發生電路通過第三電阻
驅動開關單元導通;充電電壓VCC在開關單元導通后,經第四電阻和二極管
對儲能電容充電;所述電壓采樣電路的輸入與儲能電容的正極連接;儲能電
容充電,直到斷路器累積能量達設定值觸發跳閘后,與儲能電容并聯的第五
電阻進行放電。

進一步的開關單元采用場效應管MOSFET;第三電阻的另一端連接MOSFET
的門極;第四電阻一端連接VCC,另一端連接MOSFET的漏極;二極管陽極連
接MOSFET的源極,二極管陰極連接儲能電容的正極;第五電阻一端連接儲能
電容的正極,另一端連接儲能電容的負極并接地。

進一步的第四電阻是充電時的限流電阻。

進一步的所述電壓采樣電路包括第六電阻、第七電阻、第二運算放大器;
第六電阻的一端與所述充放電電路的連接,另一端與第二運算放大器的正向
輸入端連接;第七電阻的一端與第二運算放大器的輸出端連接,另一端與微
處理器的AD連接。

進一步的所述PWM比較發生電路包括第一電阻、第二電阻、比較器和上
拉電阻;第一電阻一端連接電流采樣電路的輸出,另一端連接比較器輸入端;
第二電阻一端連接微處理器的DA腳,另一端連接比較器另一輸入端,微處理
器的DA腳輸出的參考電壓經第二電阻提供給所述PWM比較發生電路;比較器
輸出端連接上拉電阻。

所述電流采樣電路的采樣信號提供給所述PWM比較發生電路;當回路電
流超過設定閾值時,所述PWM比較發生電路驅動充放電電路對儲能電容充電,
所述PWM比較發生電路產生的驅動信號的占空比由回路電流的大小決定,當
回路電流越大時,驅動信號的占空比越大,電容充電越快;所述電壓采樣電
路將儲能電容的電壓信息反饋給微處理器,在斷路器重復上電時提供能量剩
余等效值給微處理器處理。當回路電流沒有超過設定閾值時,參考電壓始終
大于電流采樣信號,所述PWM比較發生電路不會驅動電容充放電電路對儲能
電容充電。當斷路器再次合閘上電時,微處理器通過AD檢測儲能電容上的電
壓來直接換算成回路的剩余能量,作為此次能量累積的基數。

還提供一種新的控制方法,根據電流獨立調節充電的斷路器熱記憶電路
的充電調節方法,包括:所述PWM比較發生電路基于回路電流的采用信號及
參考電壓驅動充放電電路充電,當回路電流超過設定閾值時,PWM比較發生
電路驅動充放電電路充電,當回路電流沒有超過設定閾值時,PWM比較發生
電路不會驅動充放電電路充電。當回路電流超過設定閾值時,所述PWM比較
發生電路產生的驅動信號的占空比由回路電流的大小決定,當回路電流越大
時,驅動信號的占空比越大,充放電電路充電越快。所述電壓采樣電路將電
壓信息反饋給微處理器,在重復上電時提供能量剩余等效值給微處理器處理,
作為此次能量累積的基數。

采用上述與之前的電路及控制方式不同的技術方案:斷路器的熱記憶電
路,其具有對斷路器的斷電熱記憶功能,實現對斷路器的斷電熱記憶。本發
明對電容的充電控制完全采用模擬電路實現,具有相對的獨立性。當采用本
方案的斷路器檢測到過載電流時,微處理器只需提供一個參考電壓,對電容
的充電的控制則直接取決于電流采樣信號的大小,即實際電流的大小,微處
理器不需要對累積能量做處理來控制電容充電,對開關單元的PWM控制也完
全采用模擬電路來實現,這就大大減輕了軟件負擔,節省了軟件資源。同時,
這種相對獨立的控制方式,是直接由電流信號來控制電容的充電,避免了中
間環節,提高了熱記憶功能的精度及可靠性。

附圖說明

圖1為現有技術的斷電器熱記憶電路圖。

圖2為本發明電路原理框圖。

圖3為本發明電路原理圖。

圖4為本發明具體實施例的電路圖。

圖5至圖7為本發明仿真波形圖。

圖8至圖11為本發明實驗波形圖。

具體實施方式

本發明的技術方案的一種斷路器的熱記憶電路,其具有對斷路器的斷電
熱記憶功能。本發明對電容的充電控制完全采用模擬電路實現,具有相對的
獨立性,無需完全依賴微控制器的控制。

圖2為本發明的電路原理框圖。一種斷路器的熱記憶電路,包括微處理
器、電流采樣電路、PWM(脈寬調制)比較發生電路、充放電電路(為儲能的
電容充放電)、電壓采樣電路,上述各組成部分的關聯以及工作流程為:微
控制器提供參考電壓給PWM比較發生電路,電流采樣電路的采樣信號提供給
PWM比較發生電路;當回路電流沒有超過設定閾值時,參考電壓始終大于電
流采樣信號,PWM比較發生電路不會驅動電容充放電電路對儲能電容充電;
當回路電流超過設定閾值時,PWM比較發生電路驅動充放電電路對儲能電容
充電,此時,PWM比較發生電路產生的驅動信號的占空比由回路電流的大小
決定,如果回路電流越大,則驅動信號的占空比越大,電容充電越快;電壓
反饋電路將充放電電容的電壓信息反饋給微處理器,在斷路器重復上電時提
供能量剩余等效值給微處理器處理。

圖3為本發明的電路原理圖。本發明的斷路器熱記憶電路,對電流采樣、
微處理器、充放電部分的電路和控制方式進行了改變。其包括PWM比較發生
電路7,實現電容充放電的充放電電路9,電壓采樣電路8,電流采樣,微處
理器。

PWM比較發生電路7包括運算放大器U12、微處理器DA提供的參考電壓
Vref經由電阻輸入運算放大器U12的一輸入端(如反向輸入端),電流采樣
的輸出到運算放大器U12的另一輸入端(如正向輸入端),運算放大器U12
的輸出經過電阻R12控制開關單元Q11的導通狀態(如連接到MOSFET開關單
元Q11的門極)。

電壓采樣電路8包括電阻R14、運算放大器U11、電阻R13,電阻R14一
端與充放電電路的儲能電容C11正極連接、另一端與運算放大器U11的正向
輸入端連接,電阻R13的一端與運算放大器U11的輸出端連接、另一端連接
到微處理器的AD。

充放電電路包括限流電阻,電限流電阻R11一端連接到充電電壓VCC,
限流電阻R11另一端連接到開關單元Q11一端(如場效應管MOSFET漏極),
開關單元Q11另一端(如MOSFET的源極)連接到二極管D11的輸入端(如陽
極),二極管D11的輸出端(如陰極)連接到儲能電容C11一端(如電容的
正極),放電電阻R15與儲能電容C11并聯(如:電阻R15一端與電容正極,
另一端與電容負極連接并且接地)。

當斷路器出現過載電流時,電流采樣的信號會相應的比較大,當其峰值
超過參考電壓Vref時,PWM比較發生電路7的運算放大器U12的輸出端,就
會有驅動充電的PWM輸出,驅動開關單元Q?11導通,VCC經充電限流電阻R11、
開關單元Q11、二極管D11,給充放電電路的儲能電容C11充電;過載電流越
大,電流采樣的信號輸出也越大,其波形超過Vref的部分也越多,所以PWM
的占空比也越大,開關單元Q11的導通時間越長,儲能電容C11充電越快。
充電電路會自動根據實際電流大小來控制儲能電容C11是否充電及充電快
慢,用以反映能量的累積。當斷路器累積能量達到設定值觸發跳閘(脫扣)
后,儲能電容C11會由放電電阻R15放電,來模擬能量的衰減過程。當斷路
器再次合閘上電時,微處理器通過AD檢測儲能電容C11上的電壓來直接換算
成回路的剩余能量,作為此次能量累積的基數。

進一步的,還有其他可替代的方式,使得其方案達到同樣的目的和效果,
如:就電路拓撲而言,以圖3為例,運算放大器U12可以采用運算放大器,
也可以采用比較器,不同之處在于比較器的輸出要加上拉電阻。

如圖4,給出了本發明更具體的實施方式電路圖。電流采樣電路10(電
流采樣電路使用的電壓Vref1采用2.5VDC),將電流采樣的信號提供給PWM
比較發生電路11;微控制器DA提供給PWM比較發生電路11一參考電壓Vref2
(采用2.5VDC+ΔV1);充放電電路12,實現儲能電容C4的充放電,其包括
與儲能電容C4并聯的放電電阻R8;充電由開關單元Q1(如采用場效應管
MOSFET)控制。

電流采樣電路10的輸出端將采樣信號,經PWM比較發生電路11的電阻
R6輸入到PWM比較發生電路11的運算放大器U2的正向輸入端,參考電壓
Vref2則經PWM比較發生電路11的電阻R5提供到PWM比較發生電路11的運
算放大器U2的反向輸入端,運算放大器U2的輸出,經電阻R7連接到開關單
元Q1(如MOSFET的門極)。在如電流過載的情況發生時,驅動開關單元Q1
導通,使得充電電壓VCC經限流電阻、二極管D1向與二極管D1陰極連接的
儲能電容C4(如與儲能電容C4正極連接)充電以反映能量的累積,當斷路
器累積能量達到設定值觸發跳閘后,儲能電容C4經與其并聯的放電電阻R8
放電,來模擬能量的衰減過程。電壓采樣電路的電阻R9一端與儲能電容C4
正極連接,另一端連接電壓采樣電路的運算放大器U3正向輸入端,電壓采樣
電路的運算放大器U?3的輸出端連接電壓采樣電路的電阻R10一端,而電阻
R10的另一端連接微處理器的AD。當斷路器再次合閘上電時,微處理器通過
AD檢測儲能電容C4上的電壓來直接換算成回路的剩余能量,作為此次能量
累積的基數。

需要說明的是,工作原理以及各部分的連接關系,圖4反應的實施方式
與圖2、3的描述相同,電路組成結構和處理方式,圖3與圖4所示的標記雖
然不同,但對應結構和工作流程實質是一樣的。

本發明可以應用于其它任何使用斷電熱記憶電路的保護類產品,比如塑
殼斷路器,電動機保護類產品等。

本發明的仿真/實驗/使用的情況:

對具有電流互感器狀態檢測功能的信號調理電路進行了仿真驗證,仿真
結果如下:

如圖5所示,回路電流超過設定閾值時,電容充電波形;

如圖6所示,回路電流超過設定閾值時,且電流較大時,電容充電波形;
和圖5比較可以看出,其充電速率較快。

如圖7所示,當回路電流超過設定閾值時,電容充電的過程示意。

使用電流采樣信號直接對斷電熱記憶的充放電電容的充電過程進行控
制。當回路電流沒有超過設定閾值時,控制充電的MOSFET(如圖4的Q1或
圖3的Q11)的門極驅動一直為低電位,Q1(或Q11)不導通,VCC也就不給
電容充電;當回路電流超過設定閾值時,控制充電的Q1(或Q11)的門極驅
動占空比的大小由回路電流的大小決定,回路電流越大,驅動信號的占空比
越大,Q1(或Q11)的導通時間也就越長,電容充電越快。

以上過程就直接反映了回路上的能量累積過程,并且此控制是不需要微
處理器參與的,大大節省了軟件資源,提高了控制效率和可靠性,從而解決
了過度依賴微處理器的控制以及處理軟件過度復雜的問題,能根據電流獨立
地調節/控制充電。

對電路設計在控制板上進行了實際電路的實驗,實驗波形如下:

如圖8所示,回路電流超過設定閾值時,電容充電波形。

如圖9所示,回路電流超過設定閾值時,PWM驅動波形。

如圖10所示,回路電流超過設定閾值且比較大時,電容充電波形。

如圖11所示,回路電流超過設定閾值且比較大時,充電MOS驅動波形。

可見,當回路電流大小不一樣時,電容的充電速度是不同的,電流越大,
充電速度越快,符合實際的熱累積效應。

以上描述的僅僅是本發明的優選實施例,以便本領域技術人員能夠實現
或者使用本發明公開的內容。同時對于本領域技術人員來說,對這些公開內
容的各種修改都是顯而易見的。本領域在本發明的精神和范圍之內所得到的
任何修改、變換、替換的技術方案均落入本發明的保護范圍之內。

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一種 斷路器 記憶 電路 及其 充電 調節 方法
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