CN101924343B - 一种控制与保护开关电器的多功能电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制与保护开关电器的多功能电路，包括微处理器电路、信号采样及处理电路、短路检测电路、脱扣电磁铁驱动电路、控制电磁铁驱动电路以及为上述电路提供电源的电源转换电路，其中，所述短路检测电路的输入端和采样及处理电路相连，输出端和脱扣电磁铁驱动电路相连，其对来自信号采样及处理电路中电流信号进行判定并控制脱扣电磁铁动作。本发明提供的控制与保护开关电器的多功能电路，能够快速输出控制和保护信号，且抗干扰能力强。

Description

一种控制与保护开关电器的多功能电路

技术领域

本发明涉及一种控制与保护开关电器的电路，尤其涉及一种控制与保护开关电器的多功能电路，属于低压电器技术领域。

背景技术

控制与保护开关电器是低压电器领域的一种重要产品，该产品集成了开关电器的控制与保护功能，具有体积小、功能强的优点。

目前，国内一部分控制与保护开关电器采用双金属片的热磁保护，存在保护功能少，精度差，动作不稳定的问题。国内一部分控制与保护开关电器使用了电子方式进行保护，但都没有通过模拟电路检测短路故障并输出，短路判断通过微处理器进行，故存在软件判定输出动作时间长的问题。国外一部分控制与保护开关电器，通过集成电路电子线路实现了故障保护等功能，但功能较为单一。

中国专利CN101217231A（公开日为2008年7月9日）中公开了一种控制与保护开关电器的控制与保护电路，如图1所示，其信号传递方式为：信号采样及处理电路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脱扣电磁铁驱动电路4（即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耦隔离转换成高电平信号，从而驱动磁通变换器，电源转换电路5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。这种传递方式通过微处理器进行短路判定，判定时间长，从而存在导致输出动作信号延时长的问题。此外，该电路不能对控制与保护开关电器的控制电磁铁进行控制，只有保护功能（驱动磁通变换器），无控制功能（控制电磁铁的分、合），故在功能上存在缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种控制与保护开关电器的多功能电路，能够快速输出控制和保护信号，且抗干扰能力强。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种控制与保护开关电器的多功能电路，包括微处理器电路、信号采样及处理电路、短路检测电路、脱扣电磁铁驱动电路、控制电磁铁驱动电路以及为上述电路提供电源的电源转换电路，所述微处理器电路接收信号采样及处理电路的输入，并为脱扣电磁铁驱动电路、控制电磁铁驱动电路提供输出控制信号，其中，所述短路检测电路的输入端和采样及处理电路相连，输出端和脱扣电磁铁驱动电路相连，所述短路检测电路对来自信号采样及处理电路中电流信号进行判定，若超出设定短路动作阈值，则直接输出脱扣信号至脱扣电磁铁驱动，从而控制脱扣电磁铁动作。

上述的控制与保护开关电器的多功能电路，其中，所述多功能电路还包括控制电压反馈电路，所述控制电压反馈电路输入端和控制电磁铁驱动电路相连，输出端和微处理器电路相连，所述控制电压反馈电路检测控制电磁铁驱动电路控制电压信号并传输到微处理器电路，所述微处理器电路判定控制电压信号给出相应的控制信号至控制电磁铁驱动电路，从而对电磁铁实现反馈控制。

上述的控制与保护开关电器的多功能电路，其中，所述短路检测电路包括电压比较器U3A、U3B、U3C、U3D、U4A、U4B和电阻R10，电压比较器U3D的11脚、电压比较器U3A的7脚、电压比较器U4A的7脚与参考电压VR+连接，电压比较器U3C的8脚、电压比较器U3B的4脚、电压比较器U4B的4脚与参考电压VR-连接，电压比较器U3D的10脚、电压比较器U3C的9脚与信号采样电路信号IA1连接，电压比较器U3A的6脚、电压比较器U3B的5脚与信号采样电路信号IB1连接，电压比较器U4A的6脚、电压比较器U4B的5脚与信号采样电路信号IC1连接，电压比较器U3A的13脚、电压比较器U3B的14脚、电压比较器U3C的1脚、电压比较器U3D的2脚、电压比较器U4A的1脚、电压比较器U4B的2脚与电阻R10的1脚连接，电阻R10的2脚与电源VCC1连接。

上述的控制与保护开关电器的多功能电路，其中，所述控制电压反馈电路包括运算放大器U6A、U6B、光耦OP1、OP2、电容C3、电阻R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27、R28，电阻R14的1脚与隔离地连接，2脚与电阻R15的1脚、电阻R21的1脚连接，电阻R15的2脚与电阻R16的1脚、电阻R19的1脚连接，电阻R16的2脚与电源VCC4连接，电阻R17的1脚与控制电磁铁驱动电路的电压信号连接，2脚与电阻R18的1脚、电容C3的1脚、电阻R20的1脚、电阻R22的1脚连接，电阻R18的2脚与隔离地连接，电阻R19的2脚与电阻R23的1脚、运算放大器U6A的3脚连接，电阻R20的2脚与运算放大器U6A的2脚连接，电阻R23的2脚与运算放大器U6A的1脚、电阻R25的1脚连接，运算放大器U6A的11脚与隔离地连接，电阻R25的2脚与光耦OP1的1脚连接，光耦OP1的2脚与隔离地连接，光耦OP1的3脚与电阻R27的1脚连接，光耦OP1的4脚与光耦OP2的4脚、电阻R28的2脚连接，电阻R27的2脚与地连接，电阻R21的2脚与电阻R24的1脚、运算放大器U6B的5脚连接，电阻R22的2脚与运算放大器U6B的6脚连接，电阻R24的2脚与运算放大器U6B的7脚、电阻R26的1脚连接，电阻R26的2脚与光耦OP2的1脚连接，光耦OP2的2脚与隔离地连接，光耦OP2的3脚与地连接。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的控制与保护开关电器的多功能电路，短路检测电路对电流信号进行判断后直接驱动脱扣电磁铁驱动电路，判定时间短，输出动作信号时间迅速，且抗干扰能力强。此外，本发明通过增加控制电压反馈电路，对电磁铁驱动电路实现反馈控制，保证控制的可靠性。

附图说明

图1为现有的控制与保护开关电器的多功能电路结构示意图；

图2为本发明的控制与保护开关电器的多功能电路结构示意图；

图3为本发明的信号采样及处理电路和微处理器电路原理图；

图4为本发明的短路检测电路原理图；

图5为本发明的控制电磁铁驱动电路原理图；

图6为本发明的脱扣电磁铁驱动电路原理图；

图7为本发明的控制电压反馈电路原理图。

图中：

1 微处理器电路           2 信号采样及处理电路   3 短路检测电路

4 脱扣电磁铁驱动电路     5 电源转换电路         6 控制电压反馈电路

7 控制电磁铁驱动电路

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图2为本发明的控制与保护开关电器的多功能电路结构示意图。

请参见图2，本发明提供的控制与保护开关电器的多功能电路包括微处理器电路1、信号采样及处理电路2、短路检测电路3、脱扣电磁铁驱动电路4、控制电磁铁驱动电路7以及为上述电路提供电源的电源转换电路5，所述微处理器电路1接收信号采样及处理电路2的输入，并为脱扣电磁铁驱动电路4、控制电磁铁驱动电路7提供输出控制信号，其中，所述短路检测电路3的输入端和采样及处理电路2相连，输出端和脱扣电磁铁驱动电路4相连，所述短路检测电路3对来自信号采样及处理电路2中电流信号进行判定，若超出设定短路动作阈值，则直接输出脱扣信号至脱扣电磁铁驱动4，从而控制脱扣电磁铁动作。

信号采样及处理电路2采集电流信号并将信号进行放大处理后传输到微处理器电路1，微处理器电路1判定是否发生故障，给出相应的控制信号至脱扣电磁铁驱动电路4，从而控制脱扣电磁铁动作，短路检测电路3对信号采样及处理电路中电流信号进行判定，若超出设定短路动作阈值，则输出脱扣信号至脱扣电磁铁驱动4，从而控制脱扣电磁铁动作，控制电压反馈电路6检测控制电磁铁驱动电路7控制电压信号并传输到微处理器电路1，微处理器电路1判定控制电压信号给出相应的控制信号至控制电磁铁驱动电路7，从而控制电磁铁动作，电源转换电路5将外部高电压电源转换成内部隔离低电压电源，为其他电路工作提供能量。

微处理器电路1不直接接收短路检测电路3的输入，但仍可以通过检测电流和控制电磁铁反馈电压来检测短路是否发生（短路发生后，脱扣电磁铁动作，使得开关内机构动作，从而断开控制电磁铁外部电压输入，使得控制电磁铁电压为0）。此外，微处理器还能完成短路检测电路3不能完成的其他功能：比如过载保护判定、断相保护判定等。

现有的电磁铁驱动电路根据自身电磁铁特性保证标准规定的大于85％额定电压时吸合、小于70％额定电压时释放，但工作的电压范围窄，每次动作的特性不稳定有差异，本发明的多功能电路则可以采用微处理器进行判定、脉宽调制控制和检测反馈电压，使得电磁铁大于75％额定电压时吸合，小于50％额定电压时释放，工作电压范围宽，且电磁铁每次动作稳定、一致性好，电磁铁节能、发热小等优点。

图3为本发明的信号采样及处理电路和微处理器电路原理图。

请参阅图3，本发明的微处理器电路1采用高性能微处理器，带有多路模拟量到数字量转换功能，可对模拟量信号进行采样并转换成数字量处理，做出相应的判定并通过输出管脚给出动作输出。信号采样及处理电路2采用霍尔芯片H1采样A相电流信号（图中以A相为例，B、C相同A相），运算放大器U1A与基准电压Vr1连接并通过R1电阻反馈控制三极管Q1，从而为霍尔芯片H1提供恒流工作电源，运算放大器U1B、U1C将霍尔芯片H1输出的采样差分电压信号进行跟随处理，分别传输到后级电路，电阻R2、R3、R4、R5与运算放大器U2A组成大量程差分放大电路，将电流信号进行小比例放大，输出大量程信号IA1，电阻R6、R7、R8、R9与运算放大器U2B组成小量程差分放大电路，将电流信号进行大比例放大，输出小量程信号IA2。同理，得到B相大量程信号IB1，小量程信号IB2，C相大量程信号IC1，小量程信号IC2。信号IA1、IA2、IB1、IB2、IC1、 IC2分别传输到微处理器进行采样，同时信号IA1、IB1、IC1传输到短路检测电路进行处理。

图4为本发明的短路检测电路原理图。

请参阅图4，本发明的短路检测电路3组成如下：电压比较器U3D根据参考电压VR＋，判定输入信号IA1最大值超出阈值与否，若超出则输出脱扣信号反之则不输出，电压比较器U3C根据参考电压VR-，判定输入信号IA1最小值超出阈值与否，若超出则输出脱扣信号反之则不输出，电压比较器U3A、U4A原理同电压比较器U3D，电压比较器U3B、U4B原理同电压比较器U3C。电压比较器U3A、U3B、U3C、U3D、U4A、U4B输出并联，当有1个或以上电压比较器输出脱扣信号则此短路检测电路输出短路脱扣信号。

图5为本发明的控制电磁铁驱动电路原理图。

请参阅图5，本发明的控制电磁铁驱动电路组成如下：控制信号通过电阻R29传输到光耦OP3，经隔离通过电阻R30、R31控制三极管Q3，从而控制脉宽调制芯片U8、电阻R35、电阻R36的电源开断，外部电源电流从输入AC1、AC2通过整流桥将能量传输到控制电磁铁并通过MOS管Q4、电阻R37、R38返回，脉宽调制芯片U8通过电阻R33控制MOS管Q4的开断，电阻R32与电容C4组成延时电路决定脉宽调制芯片U8的输出频率，电阻R37、R38上产生电压反馈信号经电阻R34反馈到脉宽调制芯片U8，电阻R35、R36、R37、R38、R39、二极管D3、电容C5、运算放大器U7A、MOS管Q5组成控制电磁铁起动、维持区分工作电路，当电阻R35、R36上电时，电阻R35对电容C5进行充电，运算放大器U7A比较电容C5和电阻R39上电压，输出高电平信号至MOS管Q5，MOS管Q5导通，电阻R37、R38并联回路阻值变小，流过Q4的电流同时通过电阻R37、R38，传输到脉宽调制芯片U8的反馈电压变小，从而使得脉宽调制芯片U8输出的脉宽占空比变大，流过控制电磁铁的电流变大，此为控制电磁铁起动电流，当电容C5充电完成，电容C5上的电压大于电阻R39上的电压，运算放大器输出低电平，MOS管Q5关断，电阻R37从回路中断开回路电阻变大，传输到脉宽调制芯片U8的反馈电压变大，从而使得脉宽调制芯片U8输出的脉宽占空比变小，流过控制电磁铁的电流变小，此为控制电磁铁的维持电流，控制电磁铁内电流通过二极管D1反相续流，保证控制电磁铁在MOS管Q5关断瞬间维持恒流，从而使得控制电磁铁维持吸合状态。二极管D3在三极管Q3关断时释放电容C5内的电能，从而使得下次得电时电容C5能正常充电。

图6为本发明的脱扣电磁铁驱动电路原理图。

请参阅图6，本发明的脱扣电磁铁驱动电路组成如下：脱扣信号经电阻R11传输到单稳态芯片U5，单稳态芯片U5产生单脉冲输出经R13传输到MOS管Q2，R12与C1组成延时电路，决定脉冲输出宽度，当Q2导通时VCC2和电容C2同时给脱扣电磁铁提供能量，从而驱动脱扣电磁铁动作，Q2关断时，脱扣电磁铁内电流通过二极管D1反相续流，避免脱扣电磁铁线圈内产生瞬间高压影响电路元件。

图7为本发明的控制电压反馈电路原理图。

请参阅图7，本发明的控制电压反馈电路组成如下：从控制电磁铁驱动电路传输来的电压信号Udc经电阻R17、R18分压，并经电容C3滤波，形成直流电压信号传输到电阻R20、R22，电阻R14、R15、R16组成分压电路，为后级电路提供2个参考电压，电阻R19、R20、R23、运算放大器U6A组成电压迟滞比较电路，将控制电压信号和参考电压进行比较后输出相应高低电平，该电平通过电阻R25驱动光耦OP1，使得光耦OP1导通或关断，输出隔离信号到Uc，电阻R21、R22、R24、运算放大器U6B组成电压迟滞比较电路，将控制电压信号和参考电压进行比较后输出相应高低电平，该电平通过电阻R26驱动光耦OP2，使得光耦OP2导通或关断，输出隔离信号到Uc，隔离信号通过电阻R27、R28在光耦OP1、OP2不同导通、关断状态下输出不同幅值电压信号至微处理器进行采样处理。

本发明所述的电源转换电路将外部接入的高电压电源通过整流滤波电路、隔离变压器、电压斩波控制电路处理后，输出多路与外部电压隔离的低电压电源，为内部其他电路提供能量。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (1)

1.一种控制与保护开关电器的多功能电路，包括微处理器电路（1）、信号采样及处理电路（2）、短路检测电路（3）、脱扣电磁铁驱动电路（4）、控制电磁铁驱动电路（7）以及为上述电路提供电源的电源转换电路（5），所述微处理器电路（1）接收信号采样及处理电路（2）的输入，并为脱扣电磁铁驱动电路（4）、控制电磁铁驱动电路（7）提供输出控制信号，其特征在于，所述短路检测电路（3）的输入端和信号采样及处理电路（2）相连，输出端和脱扣电磁铁驱动电路（4）相连，所述短路检测电路（3）对来自信号采样及处理电路（2）中电流信号进行判定，若超出设定短路动作阈值，则直接输出脱扣信号至脱扣电磁铁驱动电路（4），从而控制脱扣电磁铁动作，信号采样及处理电路（2）采集电流信号并将信号进行放大处理后传输到微处理器电路（1），微处理器电路（1）判定是否发生故障，给出相应的控制信号至脱扣电磁铁驱动电路（4），从而控制脱扣电磁铁动作；

所述多功能电路还包括控制电压反馈电路（6），所述控制电压反馈电路（6）输入端和控制电磁铁驱动电路（7）相连，输出端和微处理器电路（1）相连，所述控制电压反馈电路（6）检测控制电磁铁驱动电路（7）控制电压信号并传输到微处理器电路（1），所述微处理器电路（1）判定控制电压信号给出相应的控制信号至控制电磁铁驱动电路（7），从而对电磁铁实现反馈控制。

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