CN100431230C - 用于低压电子剩余电流断路器的电源装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于低压电子剩余电流断路器的电源装置，包括：电子整流器级，适于在输入端接收电源电压并产生其值取决于电源电压值的第一单极电压；以及电子调节级，适于在输入端接收第一单极电压和电流，并在输出端产生具有可调值的第二单极电压。此电源装置具体包括这样的事实，电子调节级包括第一电子部件，适于对输入到电子调节级中的电流进行最好的有源调节，从而将第二单极电压保持在预定的稳定值。

Description

用于低压电子剩余电流断路器的电源装置
本发明涉及一种用于低压电子剩余电流断路器(RCCB)等的电源装置。
具体地说，根据本发明的电源装置适用于在工作电压为1000V左右或更小的单相或多相(两相、三相等)应用中的电子RCCB。
在背景技术中已经知道了低压电子RCCB的许多例子。
图1示意性地显示了已知类型的低压电子RCCB的结构。
通常来说，由标号1表示的低压电子RCCB包括单相或多相型电子网络4中的传感器2，其适于产生表示因接地故障而出现的不平衡电流的信号3。
信号3由电子保护系统5的输入端所接收，电子保护系统5产生控制信号6以便驱动例如电磁释放装置和/或电子信号装置或辅助电子装置(标号8)，其目的是提供与装置或断路器的状态有关的信号。
为了进行正确的操作，必须为电子保护系统5、电磁释放装置7和信号装置8提供给定的电功率电平PAL，通常由在输出端具有电源电压VAL的电子电源装置9来提供。
传统上说，电子电源装置9可按照不同的方法来实现。
根据第一构造方法，电子电源装置9构造成可直接从传感器2中接收电功率(虚线箭头10)，传感器2用于检测电子网络4的各相之间不平衡的电流向量。这种类型的方法在以与电源电压实际上独立的方式保证供电方面(并因此在RCCB的操作方面)具有不容置疑的优点，然而它也具有相当大的缺点。实际上，由电源装置9提供的电功率PAL通常被降低(几百mVA)，从而能够为电子保护系统5或电磁释放装置7供电，所述的电子保护系统5或电磁释放装置7必需是低功率类型。而且，向其它装置即附件或辅助型装置供电也变得较困难。因此可以说，根据所述第一种构造方法提供的电源装置9通常受到了相当大的操作局限性的影响。
在另一构造方法中，电子电源装置9构造成可直接从电子网络4得到电功率(虚线箭头11)。为了能够供应电功率PAL，可通过整流器桥以及阻性和容性无源元件(未示出)的适当网络来得到电子网络4的相电压和电流(VIN和IIN)。通常采用非线性的无源元件网络12，以便拓宽输入电源电压的可用范围。
实践表明，虽然这种构造方法本质上非常坚固且能稳定地提供充足的功率电平PAL，然而它也具有相当大的缺点。
在必须采用相互间非常不同的电源电压范围时，采用无源元件网络使得很难保证在较短的瞬变期达到稳定的供电情况。
此外，在这种情况下，必须将较高电压电源范围的作为热量的过多能量耗散掉。
而且，非线性无源部件的使用通常是十分关键的，这是因为与常用的有源或无源电路元件的成本相比，这些部件通常具有较大的尺寸和相当高的成本。
另外，由于需要根据所提供的电功率对无源元件的电子网络的工作点进行优化，因此通常需要为必须提供的各个不同的电源电压范围提供不同类型的电源装置9。
出于这些原因，实践表明，这种类型的电源装置的使用通常是不灵活的，因而使得电子RCCB的生产成本、安装成本和操作成本增加。
本发明的目标是提供一种可避免上述缺点的用于低压电子RCCB的电源装置。
在此目标的范围内，本发明的一个目的是提供一种用于低压电子RCCB的电源装置，其可允许使用相对高的输入电源电压范围，同时将耗散功率保持在较低的水平。
本发明的另一个目的是提供一种用于低压电子RCCB的电源装置，其能够提供足以供应相当高功率的电磁释放装置的电功率。
本发明的另一个目的是提供一种用于低压电子RCCB的电源装置，其在达到稳态情况之前具有较短的瞬变时间。
本发明的另一个目的是提供一种用于低压电子RCCB的电源装置，其较紧凑、容易制造且成本较低。
因此，本发明提供了一种用于低压电子RCCB的电源装置，包括：
-电子整流器级，它适于在输入端接收电源电压并产生第一单极电压，所述第一单极电压的值取决于所述电源电压的值；以及
-电子调节级，它适于在输入端从所述电子整流器级中接收所述第一单极电压和第一电流，并在输出端产生具有可调值的第二单极电压。
根据本发明的电源装置的特征在于，所述电子调节级包括第一电子部件，它适于对所述第一电流进行有源调节，从而将所述第二单极电压保持在预定的可调值。
根据本发明，输入到所述电子调节级中的所述第一电流的有源调节允许得到可容易地预定成一个选择值的输出电压，这就显著地提高了电源装置的操作灵活性。所述第一电流的“有源调节”的这一用语用于指定调节的类型，其允许采用有源半导体器件来改变所述第一电流。这样，根据本发明的电源装置允许将可变电源电压转换成电源电压，其可以具有最好是稳定的预定义的可调节值。
所述第一电流的有源调节还允许通过选择最适当的调节方式来将功率耗散减少到可忽略的值，最适当的调节方式例如为开关类型的非线性调节方式，其中根据接通/断开方式来改变所述第一电流。
本发明提供一种用于低压电子剩余电流断路器的电源装置，包括：电子整流器级，它在输入端接收电源电压并产生第一单极电压，所述第一单极电压的值取决于所述电源电压的值；以及电子调节级，它在输入端从所述电子整流器级接收所述第一单极电压和第一电流，并在输出端产生具有可调值的第二单极电压，所述电子调节级包括第一电子部件，对所述第一电流进行有源调节，从而将所述第二单极电压保持在预定的可调值，所述第一电子部件对所述第一电流进行有源调节，从而在输出端产生具有可调节的脉冲宽度和重复周期的第二电流；其特征在于，所述第一电子部件包括电子中断电路和电子控制电路，其中所述电子中断电路用于在接收到启动/禁止信号后启动/中断输入到电子调节级中的第一电流；所述电子控制电路包括比较器电路块和启动电路块，所述比较器电路块用于当所述第二单极电压超过预定范围时，产生用于控制所述启动电路块的控制信号，所述启动电路块根据来自所述比较器电路块的控制信号，产生所述电子中断电路的启动/禁止信号；所述电子调节级还包括电连接到所述第一电子部件的第二电子部件，所述第二电子部件使所述第二电流的脉冲的上升/下降沿具有可以调节的斜率
本发明还提供一种低压电子剩余电流断路器，它包括本发明的上述电源装置。
在下文中将参考附图来更详细地介绍根据本发明的电源装置的其它特征和优点，在附图中：
图1是已知类型的低压电子RCCB的示意图；以及
图2是根据本发明的电源装置的示意图；以及
图3是根据本发明的电源装置的优选实施例的示意图；以及
图4示意性地绘出了图3所示的根据本发明的电源装置的实施例中的一些电流和电压。
参考图2，由整体上的标号20表示的根据本发明的电源装置的包括电子整流器级21。电子整流器级21在输入端接收电源电压VNET，并产生值取决于电源电压VNET的值的第一单极电压VIN。有利地是，电子整流器级21可包括相连的二极管电桥，以便得到不必是稳定的单极电压。实际上，第一单极电压VIN例如可包括按照相电压之一的模数而变化的波形。很明显，根据电源的可得类型，电子整流器级可适于从单相或多相电源中获得电压。电源装置20还包括电子调节级24，其可在输入端接收第一单极电压VIN和第一电流IIN。电子调节级24在输出端产生具有可调节值(例如可调节的瞬态值或可调节的平均值等)的第二单极电压VOUT。第二输出电压VOUT实际上构成了电源电压，其由电源装置20在输出端提供。
电源装置20包括第一电子部件27，以便对输入到电子调节级24中的第一电流IIN进行有源调节，从而将第二单极电压VOUT保持在预定的稳定值。
第一电子部件27对输入到电子调节级24中的第一电流IIN进行有源调节。这就允许从第一电子部件27的输出端提供第二电流IOUT，其具有可调节的平均值。
第一电子部件27最好根据非线性调节方式、特别是根据开关类型的调节方式来对第一电流IIN进行有源调节。特别是，最好根据接通/断开方式来改变第一电流IIN。因此在这种情况下，第二电流IOUT可以具有易于调节的脉冲宽度和重复周期的脉冲型波形。
再次参考图2，电子调节级24有利地包括与第一电子部件27电连接的电荷积聚电路23。电荷积聚电路23在输入端接收第二电流IOUT，并在输出端产生第二单极电压VOUT。因此，第二单极电压VOUT的值可根据第二电流IOUT的平均值进行调节。电子调节级24最好包括第三电子部件26，其与第一电子部件27电连接并产生控制信号VCOM，以便将第二电流IOUT保持在预定的最大阈值之下。具体地说，第三电子部件26适用于限制第二电流IOUT的脉冲幅度。这样就防止了由电源电压的突然变化所引起的电压VIN的突然变化不会引起电流IOUT的较高电流脉冲，这个IOUT的高电流脉冲可能因为第二电流IOUT本质上趋于在最短的可能时间内对电荷积聚电路23充电而引起。这一事实意味着在电源装置20中，虽然存在突然的电源电压变化，电压VOUT仍可保持基本稳定值。由于它能够防止对连接在电源装置20下游的电子部件的损害，因此是特别有利的。
电子调节级24最好包括第二电子部件28，其与第一电子部件27电连接并适于提高调节级24的稳定性。有利的是，第二电子部件28将反馈信号VFREQ发送给第一电子部件27，以便调节与第二电流IOUT的脉冲有关的上升/下降沿的斜率。这样就可能减少电磁噪音的发生。
下面将参考图3来示意性地介绍与根据本发明的电源装置20有关的电子调节级24的一个优选实施例。
根据此实施例，第一电子部件27包括电子中断电路41，其可有利地适于在接收到启动/禁止信号VAB后启动/中断输入到调节级24中的第一电流IIN。第一电子部件27还可有利地包括电子控制电路，其包括比较器电路块44和启动电路块45。如果假定电压VOUT为预定范围之下或之上的值，那么比较器电路块44适于产生控制信号47。在接收到控制信号47之后，启动电路块45适于产生用于电子中断电路41的启动/禁止信号VAB。电子中断电路41可有利地包括一个或多个有源电子半导体器件Q1，例如MOSFET、BJT或IGBT型晶体管。有源电子半导体器件Q1例如可通过由元件RP示意性表示的适当偏置网络与电子调节级24的输入端相连，假定电子调节级24具有正电压电位(端子T1)或等于零的电压电位(端子T2)。所选择的连接类型对电子中断电路41所包括的有源电子半导体器件Q1的选择很重要。例如，如果连接在端子T1处进行，那么电子中断电路41可包括N型MOSFET晶体管或NPN型BJT晶体管，然而如果连接在端子T2处进行，那么电子中断电路41可包括P型MOSFET晶体管或PNP型BJT晶体管。比较器电路块44最好包括磁滞比较器46，其适于在输入端接收表示第二单极电压VOUT和基准信号VREF的信号VOUT1。基准电压VREF可用于调节电压VOUT的变化范围的幅度。启动电路块45可有利地包括一个或多个有源电子半导体器件Q2(例如为上述类型)，其可有利地连接在输入端子T1或T2。
根据图3所示的实施例，电荷积聚电路23包括一个或多个容性元件51，其可有利地连接在调节级24的输出端子T3和T4之间。
第三电子部件26最好包括阻性元件53(元件RF1和RF2)的网络，其适于产生表示第二电流IOUT的值的反馈信号VF。第三电子部件26还可有利地包括一个或多个有源半导体器件Q3(例如为上述类型)，它适于根据反馈信号VF来产生用于第一电子部件27的控制信号VCOM。具体地说，有源半导体器件55产生用于电子中断电路41的控制信号VCOM(其可为启动/禁止信号)。
第二电子部件28最好包括容性和/或阻性元件(元件RF3和CF3)的网络，其可连接在输出端子(T3或T4)之一和第一电子部件27之间。
下面将参考图4来示意性地说明调节级24内的一些电压和电流的波形，以便更容易地理解图3所示优选实施例的操作。
参考图4，波形60示意性地绘出了与调节级24的节点“A”有关的电压。与波形60有关的峰61表示由电子启动电路45发出的启动/禁止信号VAB。具体地说，各峰61的上升/下降沿(F1和F2)分别表示电子中断电路41的启动/禁止信号。
波形62绘出了第二电流IOUT。可以清楚地看到在波形60的各个峰61处存在电流脉冲63，其用于对电荷积聚电路23充电。可由第二电子部件28通过将反馈信号VFREQ发送给第一电子部件27来调节与各电流脉冲63有关的上升/下降沿F3和F4的斜率。
考虑绘出了电压VOUT的波形65，可以注意到第二电流IOUT对电荷积聚电路23充电。
如所示，在初始瞬间66之后，电压VOUT可因脉冲形式的第二电流IOUT的作用而基本上保持稳定，其中由连续脉冲63保持对电荷积聚电路23充电。当电压VOUT下降到阈值VS1之下时，就插入波形60的上升沿F1，使得第二电流IOUT的上升沿F3出现，其达到与第一电流IIN的值相对应的值。这就使得电压VOUT出现斜坡式增长R1。一旦电压VOUT超过阈值VS2，就插入波形60的上升沿F1，使得第二电流IOUT的上升沿F3出现，该电流回到零。这样，电压VOUT按照指数规律R2下降，对应于电荷积聚电路23的固有放电瞬间。
因此，电压VOUT具有脉动67，其最大值可通过对磁滞比较器46的基准电压VREF的作用来调节。
实际上已经发现，根据本发明的电源装置20可实现预期的总体目标和目的。
具体地说，电源装置20允许提供足以为包括具有较高功耗的释放装置在内的电磁释放装置供电的电功率电平，同时可限制功率耗散。例如根据开关型方式的第一电流IIN的调节可允许将功率耗散限制在只与第二电流IOUT的各脉冲63的上升/下降沿F3和F4相对应的瞬间。而且，通过第一电流IIN的调节，在相对较短的瞬变期之后就可以实现电压VOUT的稳态情况。而且，已经发现电源装置20可实现为较紧凑的大小。此外，已经发现其易于制造，可实现制造成本、安装成本和操作成本的显著降低。由于电源装置20的灵活性和操作特性，已经证明其对非常宽的输入电压范围有效。
根据本发明构造的电源装置可进行许多修改和变化，这些修改和变化均属于本发明概念的范围内。所有细节均可用其它技术性等效部件来替代。实际上，只要与特定应用相容，所用的材料及其尺寸可以是符合要求和技术水平的任意类型。

Claims (7)

1.一种用于低压电子剩余电流断路器的电源装置，包括：
-电子整流器级，它在输入端接收电源电压并产生第一单极电压，所述第一单极电压的值取决于所述电源电压的值；以及
-电子调节级，它在输入端从所述电子整流器级接收所述第一单极电压和第一电流，并在输出端产生具有可调值的第二单极电压，所述电子调节级包括第一电子部件，对所述第一电流进行有源调节，从而将所述第二单极电压保持在预定的可调值，所述第一电子部件对所述第一电流进行有源调节，从而在输出端产生具有可调节的脉冲宽度和重复周期的第二电流；
其特征在于，所述第一电子部件包括电子中断电路和电子控制电路，其中所述电子中断电路用于在接收到启动/禁止信号后启动/中断输入到电子调节级中的第一电流；所述电子控制电路包括比较器电路块和启动电路块，所述比较器电路块用于当所述第二单极电压超过预定范围时，产生用于控制所述启动电路块的控制信号，所述启动电路块根据来自所述比较器电路块的控制信号，产生所述电子中断电路的启动/禁止信号；所述电子调节级还包括电连接到所述第一电子部件的第二电子部件，所述第二电子部件使所述第二电流的脉冲的上升/下降沿具有可以调节的斜率。
2.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述第一电子部件根据非线性型调节方式来对所述第一电流进行有源调节。
3.如权利要求2所述的电源装置，其特征在于，所述第一电子部件根据开关型调节方式来对所述第一电流进行有源调节。
4.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述电子调节级包括与所述第一电子部件电连接的电荷积聚电路，所述电荷积聚电路在输入端接收所述第二电流，并产生所述第二单极电压，所述第二单极电压的值取决于所述第二电流的平均值。
5.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述第二电流为脉冲型，该第二电流的脉冲幅度等于所述第一电流的幅度，并且该第二电流的脉冲持续时间可由所述电子控制电路来调节。
6.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述电子调节级包括第三电子部件，它与所述第一电子部件电连接并可产生用于所述第一电子部件的控制信号，以便将所述第二电流的脉冲幅度限制在预定的最大阈值。
7.一种低压电子剩余电流断路器，其特征在于，它包括如权利要求1到6中任一项所述的电源装置。
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