CN101217231A

CN101217231A - 控制与保护开关电器的控制与保护电路

Info

Publication number: CN101217231A
Application number: CNA2008100191319A
Authority: CN
Inventors: 张志刚; 季春华; 焦志刚
Original assignee: Changshu Switchgear Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Changshu Switchgear Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-01-14
Filing date: 2008-01-14
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2028-01-14
Also published as: CN100588062C

Abstract

一种控制与保护开关电器的控制与保护电路，属电工技术领域。包括信号采样电路、短路检测电路、微处理器电路、磁通变换器控制电路、电源转换电路；信号采样电路将电流信号进行放大及电位抬升后送入微处理器电路，短路检测电路对信号采样电路中的电流采样电路大量程信号进行处理后送给微处理器电路，由微处理器电路判断是否发生短路故障，给出相应的控制信号送至磁通变换器控制电路，磁通变换器控制电路将微处理电路发出的低电平信号经光隔转换成高电平信号，驱动磁通变换器，电源转换电路将交流高电压转换成直流低电压，为电路提供电源。电路传递方式简约，结构简单，动作可靠性好且抗干扰能力强，使用在控制与保护开关电器内具有体积小，可靠性高的优点。

Description

控制与保护开关电器的控制与保护电路

技术领域

本发明涉及控制与保护开关电器的控制与保护电路，其作低压配电及控制系统中应用，属电工技术领域。

背景技术

控制与保护开关电器将断路器、接触器、热继电器及隔离器的功能很好的融为一体，合理的做好了各分立元器件保护特性、控制特性配合的协调工作，可广泛应用于自动化集中控制系统和基于现场总线的分布式生产线的控制系统等场合，例如冶金、煤矿、钢铁、石化、港口、船舶、铁路等领域的电动机控制与保护系统和现代化建筑中的照明、电源转换、泵、风机、空调等电气控制与保护系统。

现阶段研究和探讨控制与保护开关电器具有非常重要的社会意义。

中国专利文献CN 1996695A(公开日为2007年7月11日)中公开了一种控制与保护开关电器的多功能电路，其信号传递方式为：信号处理电路(1)处理电流采样信号，进行信号放大及电位抬升；微处理器电路(2)进行模拟量到数字量转换，时而将数字量信号进行运算分析，判定故障，及给出相应输出动作，同时进行通讯报文的接收发送；短路检测电路(3)通过对输入电流信号的处理，判定短路故障发生与否，给出相应动作信号；输出驱动电路(4)将低电平信号转换成高电平信号，从而驱动磁通转换元件；电源转换电路(5)将交流高电压转换成直流低电压，从而给上述电路提供电源，其如附图2所示。这种传递方式比较繁锁、电路结构比较复杂。

中国专利文献CN 1996695A中还公开了信号处理电路是通过模拟开关切换控制信号放大比例，使得信号进行模拟量到数字量转换前获得最佳放大比例。这种电路存在电流检测的不连续性问题，测量精度差，测量范围小。专利文献中的短路检测电路，对电流波进行整流后通过跟域值电压比较可判定短路故障的发生，并能通过延时输出。这种短路检测电路的动作可靠性差，动作缓慢且抗干扰能力差。再有专利文献中的驱动电路，将小电流信号转换成大电流信号，从而驱动磁通转换元件。这种电路中的微处理器的电源与磁通变换器的电源并不隔离，工作可靠性差、抗干扰能力差。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种控制与保护开关电器的控制与保护电路，其电路传递方式简约，电路结构简单，动作可靠性好且抗干扰能力强，使用在控制与保护开关电器内时，体积小，可靠性高。

本发明的目的是这样来完成的，一种控制与保护开关电器的控制与保护电路，其特征在于包括信号采样电路、短路检测电路、微处理器电路、磁通变换器控制电路、电源转换电路；信号采样电路将电流信号进行放大及电位抬升后送入微处理器电路，短路检测电路对信号采样电路中的电流采样电路大量程信号进行处理后送给微处理器电路，由微处理器电路判断是否发生短路故障，给出相应的控制信号送至磁通变换器控制电路，磁通变换器控制电路将微处理电路发出的低电平信号经光隔转换成高电平信号，从而驱动磁通变换器，电源转换电路将交流高电压转换成直流低电压，从而为上述电路提供电源。

本发明所述的微处理器电路由微处理器U1、晶振CT、复位芯片IC2、电容C2、C3组成，晶振CT一端与电容C2的一端和微处理器U1的12脚连接，晶振CT的另一端与电容C3的一端和微处理器U1的10脚连接，电容C2的另一端与电容C3的另一端相连接后接地，复位芯片IC2的2脚与微处理器U1的6脚连接，微处理器U1的13脚、78脚、复位芯片IC2的3脚接直流电源VCC，微处理器U1的69、70、71、73、74、76脚与信号采样电路连接，微处理器U1的77、39、17脚分别与基准电源Vref、磁通变换器控制电路、短路检测电路连接，微处理器U1的11脚、75脚、复位芯片IC3的1脚接地。

本发明所述的微处理器电路中的U1采用自带A/D转换电路，输入输出口多的16位单片机作为微处理器。

本发明所述的信号采样电路由电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、电容C1、运算放大器IC1组成，电阻R1与电流互感器I-A并联，电阻R1的一端与电容C1、电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与运算放大器IC1的3脚连接，电阻R1的另一端与电容C1的另一端、电阻R4的一端、基准电压COM连接，电阻R4的另一端与电阻R6的一端、运算放大器IC1的6脚连接，电阻R6的另一端与电阻R7的一端、运算放大器IC1的7脚连接，运算放大器IC1的2脚与1脚连接后与电阻R5、R3的一端连接，电阻R3的另一端与运算放大器IC1的5脚连接，电阻R5、R7的另一端分别与微处理器U1的71脚、76脚连接，运算放大器IC1的11脚接地，运算放大器IC1的4脚接直流电源VCC。

本发明所述的短路检测电路由电阻R8、R9、R10、电压比较器IC3、电容C4、C5、二极管D1、D2、或门U2、U3组成，电阻R8一端与信号采样电路电阻R5的另一端的和微处理器U1的71脚连接，电阻R8的另一端与电压比较器IC3的3脚、6脚连接，电压比较器IC3的2脚接上限阀值电压Vref1，电阻R9的一端与电容C4的一端、二极管D1的阳极、电压比较器IC3的1脚连接，电压比较器IC3的5脚接下限阀值电压Vref2，电阻R10的一端与电容C5的一端、二极管D2的阳极、电压比较器IC3的7脚连接，二极管D1、D2的阴极与或门U2的1脚连接，或门U2的3脚与或门U3的1脚连接，或门U3的3脚接微处理器U1的17脚，电压比较器IC3的8脚、电阻R9、电阻R10的另一端接直流电源VCC，电压比较器IC3的4脚、电容C4、电容C5的另一端接地。

本发明所述的磁通变换器控制电路4由电阻R11、R12、R13、R14、电容C6、C7、C8、光耦O1、二极管D3、三极管Q1、Q2组成，电阻R11的一端与电容C6的一端、二极管D3阴极、磁通变换器KM的一端连接，三极管Q1的集电极与二极管D3的阳极、三极管Q2的集电极、磁通变换器KM的另一端连接，三极管Q1的发射极与三极管Q2的基极连接，三极管Q1的基极与电容C8、电阻R14的一端、光耦O1的E脚连接，电阻R12的一端与光耦O1的C脚连接，电阻R12、R11的另一端接电源VDD，电阻R13的一端与电容C7的一端、光耦O1的A脚连接，电容C7的另一端与光耦O1的K脚连接后接至微处理器U1的39脚，电阻R13的另一端接直流电源VCC，三极管Q2的发射极与电容C6、C8、电阻R14的另一端接地。

本发明由于采用了上述电路，电路传递方式简约，电路结构简单，动作可靠性好且抗干扰能力强，使用在控制与保护开关电器内具有体积小，可靠性高的优点。

附图说明

图1为控制与保护开关电器的控制与保护电路原理框图。

图2为原控制与保护开关电器电路硬件的原理框图。

图3为信号采样电路及微处理器电路的原理图。

图4为短路检测电路的原理图。

图5为磁通变换器控制电路的原理图。

图6为电源转换电路的原理图。

具体实施

通过申请人对实施例的描述，将更加有助于理解本发明，并且使本发明的积极效果更加体现，但实施例不应视为对本发明方案的有所限制。

请参阅图1本发明的电路原理框图。信号采样电路2将电流信号进行放大及电位抬升后送入微处理器电路1，短路检测电路3对信号采样电路2中的电流采样电路大量程信号进行处理后送给微处理器电路1，由微处理器电路1判断是否发生短路故障，给出相应的控制信号送至磁通变换器控制电路4，磁通变换器控制电路4将微处理电路发出的低电平信号经光隔转换成高电平信号，从而驱动磁通变换器KM，电源转换电路5将交流高电压转换成直流低电压，从而为其他电路提供电源。

请参阅图3信号采样电路2及微处理器电路1，本发明是采用16位单片机作为微处理器U1(M16C28)，其功能强，自带A/D转换电路，输入输出口多，因此省去模拟选择开关电路，信号采样电路2是采用大小两个量程进行电流测量，使得电流信号模拟量到数字量转换前获得最佳的放大比例，信号采样电路2将从电流互感器I-A中检测信号(本发明以A相为例)，经R1交流取样，由基准电压COM进行电位抬升得电流信号Ia，电流信号Ia先通过电阻R2、运算放大器IC1A(TLV2254A)跟随，一路经电阻R5得到大量程信号Iamax，另一路经运算放大器IC1B(TLV2254A)、电阻R3、R4、R6、放大并由基准电压COM进行电位抬升，经电阻R7得到小量程信号Iamin，同时将大小两个量程的信号输入微处理器电路1的微处理器U1的71脚与76脚进行A/D转换，微处理器U1对其进行有效值计算。其中IC2(MAX809)为复位芯片，CT1为晶振，大小量程之间存在交叉部分，保证了电流采样的连续性，微处理器根据转换值确定采用哪一量程的值进行计算，使测量精度及范围大大提高。同理，B相、C相的大量程信号Ibmax、Icmax分别输入微处理器U1的70、69脚，小量程信号Ibmin、Icmain分别输入微处理器U1的74、73脚。

请参阅图4本发明的短路检测电路3，短路检测电路3取信号采样电路2的大量程电流信号与上限域值电压、下限域值电压比较产生电平信号至微处理器电路1，由微处理器电路1通过软件滤波技术判定短路故障的发生。以A相为例，将信号采样电路2中得到大量程信号Iamax经电阻R8通过电压比较器IC3A(LM293D)与上限阀值电压Vref1、与下限阀值电压Vref2进行比较。当电流在正半波发生短路时，电流采样信号Iamax大于上限阀值电压Vref1经电压比较器IC3A、电阻R9、电容C4和二极管D1输出高电平信号Iaint；当电流在负半波发生短路时，电流采样信号Iamax小于下限阀值电压Vref2经比较器IC3B、电阻R10、电容C5和二极管D2输出高电平信号Iaint，两者为或的关系，当满足任一条件时即输出高电平，B、C相亦是如此，高电平信号Iaint、Ibint、Icint经或门U2、U3后得到短路信号Iint送至微处理器电路1的微处理器U1的17脚，由微处理器U1对该短路信号Iint进行软件滤波后判断是否发脱扣信号至磁通变换器控制电路4，该方式由于采用微处理器来设计软件滤波技术，因此软件设计灵活方便且减少了电子器件，既能满足动作的快速性，又能满足抗干扰性高的要求，且动作可靠性好。

参阅图5本发明的磁通变换器控制电路4，磁通变换器控制电路4将微处理器电路1发出低电平控制信号经光耦隔离转换成高电平信号，从而驱动磁通变换器。微处理器U1的39脚发出低电平信号TRIP，通过光耦O1将小电流信号转换为大电流信号，从而驱动磁通变换器KM，磁通变换器KM的电源由电容C6来供电，防止大电流对电源VDD的影响。电阻R13起限流作用、电容C7起滤波作用，防止光耦O1误触发。VDD经电阻R12、电阻R14分压后提供一电平信号驱动由三极管Q1、Q2组成的达林顿输出电路，此时电容器C6经磁通变换器KM及达林顿输出电路进行放电，磁通变换器KM动作，放电的时间由微处理器U1发出的低电平信号TRIP的宽度来决定。二极管D3为磁通变换器KM的续流二极管。上述电路由于微处理器的电源与磁通变换器的电源隔离，通过光耦来实现，提高了系统的工作可靠性。

参阅图6本发明的电源转换电路5，交流电源由L、N端输入并通过AC/DC转换芯片T1(LD03)将交流高电压转换为直流低电压VDD，给磁通变换器控制电路4供电，直流低电压VDD再通过DC/DC转换芯片T2(PWB2405)转换成更低的电源电压VCC，给其它电路供电。电阻R15为假负载，电容C9、C10、C12、C13、C14、C15、C16、磁珠L1、L2，电感L3均起滤波作用。电源电压VCC经高精度稳压芯片IC4(MAX6104)输出基准电源Vref，基准电源Vref作微处理器U1进行A/D转换的参考电压，并且基准电源Vref经高精度电阻R16、R18、R17、R19分压后得到上限阀值电压Vref1、下限阀值电压Vref2。基准电压COM用于对电流互感器信号进行抬升，该电压由高精度稳压芯片IC6(REF3020)输出基准电源Vref3并经电压跟随电路IC5A(LM258)输出基准电压COM，电阻R20、电容C17、C18、C19起滤波作用。

Claims

1.一种控制与保护开关电器的控制与保护电路，其特征在于包括信号采样电路、短路检测电路、微处理器电路、磁通变换器控制电路、电源转换电路；信号采样电路将电流信号进行放大及电位抬升后送入微处理器电路，短路检测电路对信号采样电路中的电流采样电路大量程信号进行处理后送给微处理器电路，由微处理器电路判断是否发生短路故障，给出相应的控制信号送至磁通变换器控制电路，磁通变换器控制电路将微处理电路发出的低电平信号经光隔转换成高电平信号，从而驱动磁通变换器，电源转换电路将交流高电压转换成直流低电压，从而为上述电路提供电源。

2.根据权利要求1所述的控制与保护开关电器的控制与保护电路，其特征在于所述的微处理器电路由微处理器(U1)、晶振(CT)、复位芯片(IC2)、电容(C2、C3)组成，晶振(CT)一端与电容(C2)的一端和微处理器(U1)的12脚连接，晶振(CT)的另一端与电容(C3)的一端和微处理器(U1)的10脚连接，电容(C2)的另一端与电容(C3)的另一端相连接后接地，复位芯片(IC2)的2脚与微处理器(U1)的6脚连接，微处理器(U1)的13脚、78脚、复位芯片(IC2)的3脚接直流电源(VCC)，微处理器(U1)的69、70、71、73、74、76脚与信号采样电路连接，微处理器(U1)的77、39、17脚分别与基准电源(Vref)、磁通变换器控制电路、短路检测电路连接，微处理器(U1)的11脚、75脚、复位芯片(IC3)的1脚接地。

3.根据权利要求2所述的控制与保护开关电器的控制与保护电路，其特征在于所述的微处理器电路中的(U1)采用自带A/D转换电路，输入输出口多的16位单片机作为微处理器。

4.根据权利要求1所述的控制与保护开关电器的控制与保护电路，其特征在于所述的信号采样电路由电阻(R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7)、电容(C1)、运算放大器(IC1)组成，电阻(R1)与电流互感器(I-A)并联，电阻(R1)的一端与电容(C1)、电阻(R2)的一端连接，电阻(R2)的另一端与运算放大器(IC1)的3脚连接，电阻(R1)的另一端与电容(C1)的另一端、电阻(R4)的一端、基准电压(COM)连接，电阻(R4)的另一端与电阻(R6)的一端、运算放大器(IC1)的6脚连接，电阻(R6)的另一端与电阻(R7)的一端、运算放大器(IC1)的7脚连接，运算放大器(IC1)的2脚与1脚连接后与电阻(R5、R3)的一端连接，电阻(R3)的另一端与运算放大器(IC1)的5脚连接，电阻(R5、R7)的另一端分别与微处理器(U1)的71脚、76脚连接，运算放大器(IC1)的11脚接地，运算放大器(IC1)的4脚接直流电源(VCC)。

5.根据权利要求1所述的控制与保护开关电器的控制与保护电路，其特征在于所述的短路检测电路由电阻(R8、R9、R10)、电压比较器(IC3)、电容(C4、C5)、二极管(D1、D2)、或门(U2、U3)组成，电阻(R8)一端与信号采样电路电阻(R5)的另一端的和微处理器(U1)的71脚连接，电阻(R8)的另一端与电压比较器(IC3)的3脚、6脚连接，电压比较器(IC3)的2脚接上限阀值电压(Vref1)，电阻(R9)的一端与电容(C4)的一端、二极管(D1)的阳极、电压比较器(IC3)的1脚连接，电压比较器(IC3)的5脚接下限阀值电压(Vref2)，电阻(R10)的一端与电容(C5)的一端、二极管(D2)的阳极、电压比较器(IC3)的7脚连接，二极管(D1、D2)的阴极与或门(U2)的1脚连接，或门(U2)的3脚与或门(U3)的1脚连接，或门(U3)的3脚接微处理器(U1)的17脚，电压比较器(IC3)的8脚、电阻(R9)、电阻(R10)的另一端接直流电源(VCC)，电压比较器(IC3)的4脚、电容(C4)、电容(C5)的另一端接地。

6.根据权利要求1所述的控制与保护开关电器的控制与保护电路，其特征在于所述的磁通变换器控制电路4由电阻(R11、R12、R13、R14)、电容(C6、C7、C8)、光耦(O1)、二极管(D3)、三极管(Q1、Q2)组成，电阻(R11)的一端与电容(C6)的一端、二极管(D3)阴极、磁通变换器(KM)的一端连接，三极管(Q1)的集电极与二极管(D3)的阳极、三极管(Q2)的集电极、磁通变换器(KM)的另一端连接，三极管(Q1)的发射极与三极管(Q2)的基极连接，三极管(Q1)的基极与电容(C8)、电阻(R14)的一端、光耦(O1)的E脚连接，电阻(R12)的一端与光耦(O1)的C脚连接，电阻(R12、R11)的另一端接电源(VDD)，电阻(R13)的一端与电容(C7)的一端、光耦(O1)的A脚连接，电容(C7)的另一端与光耦(O1)的K脚连接后接至微处理器(U1)的39脚，电阻(R13)的另一端接直流电源(VCC)，三极管(Q2)的发射极与电容(C6、C8)、电阻(R14)的另一端接地。