CN102110550B - 框架断路器智能控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种框架断路器智能控制器，包括：微控制器和执行机构驱动模块；该执行机构驱动模块包括：电磁铁驱动电路和倍压电路；电磁铁驱动电路包括：第一三极管和第一二极管；倍压电路包括：第二三极管、电容、第一电阻和第二二极管；当触发信号为低电平时，第一、第二三极管截止，直流电源通过第一电阻向电容充电，电容两端的电压为直流电源的输出电压与所述第二二极管的阳极电压的压差V。当触发信号为高电平时，第二三极管饱和导通，使第二三极管的电流输入端的电压接近0.6V，使得瞬间施加在电磁铁的电源端的电压所述直流电源的输出电压与所述压差V之和。从而将瞬时注入电磁铁的电压提高了接近一倍，提高了电磁铁的动作速度。

Description

框架断路器智能控制器

技术领域

本发明涉及一种框架断路器智能控制器。

背景技术

断路器作为配电保护的基础设备，对电网的安全、稳定运行起到十分重要的作用。可靠性是配电保护系统的四大基本要求之一，需要比电网本身可靠性指标更高的设备来实现，所以断路器的可靠性尤为重要。智能控制器是断路器正确完成功能的核心部件，因此，对智能控制器的可靠性要求尤为严格。

框架断路器智能控制器中的执行机构驱动模块中具有电磁铁，它是一种典型的电能-机械能转换装置。图10是一个传统的典型电磁铁驱动电路，它通过三极管Q3的开关作用将电能注入电磁铁L2，完成电能-磁能-机械能的转换。

框架断路器智能控制器的执行机构驱动模块中，要求电磁铁具有较高、甚至很高的动作速度。典型的做法是提高电磁铁的驱动电压。但在图10所示的典型电磁铁驱动电路中，驱动电压往往受到电源电压的限制而不能随意升高。如何在电源电压一定的条件下有效提升电磁铁的驱动电压以达成其高速动作的目标，是本发明解决的问题。

在电源电压一定条件下，提升电磁铁驱动电压有多种途径。如采用升压型DC/DC电路，但这样的电路结构复杂、成本偏高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适于完成电磁铁高速驱动的框架断路器智能控制器。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种框架断路器智能控制器，包括：微控制器、与微控制器相连的执行机构驱动模块；所述执行机构驱动模块包括：电磁铁驱动电路和倍压电路；所述电磁铁驱动电路包括：第一三极管和第一二极管；第一二极管的阴极接直流电源，第一二极管的阳极与第一三极管的电流输入端相连，第一二极管的阴极和阳极分别与电磁铁的电源端相连；所述倍压电路包括：第二三极管、电容、第一电阻和第二二极管；第二三极管的控制端与一限流电阻的一端相连，该限流电阻的另一端为触发信号输入端，第二三极管的电流输入端分别与第一电阻的一端和电容的阳极相连，第一电阻的另一端接直流电源；电容的阴极与第二二极管的阳极相连，第二二极管的阴极接地，第二三极管的电流输出端接地；第一三极管的控制端与第二三极管的控制端相连，第一三极管的电流输出端与电容的阴极相连。

当从所述触发信号输入端输入的触发信号为低电平时，第一三极管和第二三极管截止，所述直流电源通过第一电阻向电容充电，电容两端的电压为所述直流电源的输出电压与所述第二二极管的阳极电压的压差V。

当从所述触发信号输入端输入的触发信号为高电平时，第二三极管饱和导通，使第二三极管的电流输入端的电压接近0.6V，由于电容C1两端的电压不能突变，及第二二极管D2对电容C1放电回路的阻断及第一三极管Q1导通的共同作用，使得瞬间施加在电磁铁的电源端的电压所述直流电源的输出电压与所述压差V之和。从而将瞬时注入电磁铁的电压比只有所述直流电源供电时提高了接近一倍，从而提高了电磁铁的动作速度。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：(1)、本发明与传统的框架断路器智能控制器采用的典型电磁铁驱动电路相比，明显的优势就是提高了电磁铁动作速度。与采用升压DC/DC电路的方案相比，具有电路简洁、成本低的优势。

附图说明

图1为实施实例中的框架断路器智能控制器的电路框图；

图2本发明实施实例中电流信号调理电路的模块图。

图3本发明实施实例中电压信号调理电路的模块图。

图4本发明实施实例中分割器电路的原理图。

图5本发明实施实例中反混叠滤波器原理图。

图6为实施实例中具有滞回特性的DC/DC稳压电路的原理图。

图7为实施实例中的可变增益反馈电路的原理图。

图8为实施实例中通过DFT算法来识别电流互感器断线检测方法的流程框图。

图9为实施实例中通过数值积分和数字高通滤波器相结合的方法对电流互感器输出信号进行相位校正的流程图。

图10为传统的典型电磁铁驱动电路原理图；

图11为本发明的执行机构驱动模块(也即电磁铁高速驱动电路)的原理图。

具体实施方式

见图1-11，本实施实例的框架断路器智能控制器包括：微控制器MCU，与微控制器MCU相连的电流信号调理模块、电压信号调理模块、互感器断线检测模块、频率检测模块、键盘及显示模块、执行机构驱动模块和继电器输出模块；电流信号调理模块与电流互感器输出端相连；电压信号调理模块与电压互感器M5的输出端相连。

所述执行机构驱动模块包括：电磁铁驱动电路和倍压电路。

所述电磁铁驱动电路包括：第一三极管Q1和第一二极管D1；第一二极管D1的阴极接直流电源，第一二极管D1的阳极与第一三极管Q1的电流输入端相连，第一二极管D1的阴极和阳极分别与电磁铁L1的电源端相连；所述倍压电路包括：第二三极管Q2、电容C1、第一电阻R1和第二二极管D2；第二三极管Q2的控制端B与一限流电阻R2的一端相连，该限流电阻R2的另一端为触发信号输入端Vin，第二三极管Q2的电流输入端C与第一电阻R1的一端和电容C1的阳极相连，第一电阻R1的另一端接直流电源；电容C1的阴极与第二二极管D2的阳极相连，第二二极管D2的阴极接地，第二三极管Q2的电流输出端接地GND；第一三极管Q1的控制端G与第二三极管Q2的控制端B相连，第一三极管Q1的电流输出端S与电容C1的阴极相连。

当从所述触发信号输入端Vin输入的触发信号为低电平时，第一三极管Q1和第二三极管Q2截止，所述直流电源通过第一电阻R1向电容C1充电，使电容C1两端的电压为所述直流电源的输出电压VDD与所述第二二极管D2的阳极电压的压差V。压差V＝VDD-0.6伏。

当从所述触发信号输入端Vin输入的触发信号为高电平时，第二三极管Q2饱和导通，使第二三极管Q2的电流输入端C的电压接近0.6V，由于电容C1两端的电压不能突变，以及在第二二极管D2对电容C1放电回路的阻断和第一三极管Q1导通的共同作用下，使得瞬间施加在电磁铁L1的电源端的电压所述直流电源的输出电压VDD与所述压差V之和，即2VDD-0.6伏。从而将瞬时注入电磁铁的电压比只有所述直流电源供电时提高了接近一倍，从而提高了电磁铁的动作速度。

所述第一三极管Q1为场效应管或双极型晶体管。所述第二三极管Q2为双极型晶体管或场效应管。

作为最佳的实施方式，所述第一三极管Q1采用场效应管，所述第二三极管Q2采用双极型晶体管。其中，第一三极管Q1的控制端G即为场效应管的栅极，第一三极管Q1的电流输入端D即为场效应管的漏极，第一三极管Q1的电流输出端S即为场效应管的源极。第二三极管Q2的控制端B即为双极型晶体管的基极，第二三极管Q2的电流输入端C即为双极型晶体管的集电极，第二三极管Q2的电流输出端E即为双极型晶体管的发射极。所述第一三极管Q1的漏源电流Ids应大于电磁铁L1的驱动电流，漏源耐压Vds应大于3VDD。第一二极管D1起到反向续流作用，其正向导通电流应大于电磁铁L1的驱动电流，反向耐压宜大于3VDD。

电容C1的容量需要根据电磁铁L1的驱动能量来确定，第一电阻R1的阻值则需根据电容C1的充电时间来确定，第二二极管D2的正向导通电流应大于电磁铁L1的驱动电流，反向耐压应大于所述直流电源的输出电压VDD。第二三极管Q2的集射极耐压Vce应大于2VDD。

作为另一种实施方案，第一三极管Q1的控制端G与第二三极管Q2的控制端B之间串联有第三电阻R3。

作为替代所述第三电阻R3的一种方案，第一三极管Q1的控制端G与第二三极管Q2的控制端B之间串联一稳压二极管。

作为其他的实施方式，所述第一二极管D1可以用压敏电阻、电阻电容串联电路、TVS管等来替代。

所述电流信号调理电路包括：互感器断线检测模块M1、增益可调信号放大模块M2、第一反混叠滤波器M3和第一分割器电路M4；电流互感器的输出信号SI经增益可调信号放大模块M2和第一反混叠滤波器M3后送入微控制器MCU的电流采样信号输入端ADLS；微控制器MCU通过控制端CH调节增益可调信号放大模块M2的增益；互感器断线检测模块M1包括一个电阻上拉电阻或下拉电阻，设于所述增益可调信号放大模块M2的电流信号输入端，微控制器MCU通过DFT算法来识别电流互感器是否与被测信号电路处于良好连接状态；所述的电压信号调理电路包括：电压互感器M5、放大电路M6、第二反混叠滤波器M7和第二分割器电路M8；电压互感器M5的输入电压信号SV经电压互感器M5、放大电路M6和第二反混叠滤波器M7后送入微控制器MCU的电压采样信号输入端ADV；所述第一反混叠滤波器M3的截止频率等于所述电流互感器输出信号SI的32次谐波频率，第二反混叠滤波器M7的截止频率等于所述输入电压信号SV的32次谐波频率，微控制器MCU的采样频率依据奈奎斯特定律确定，这样设计可以消除测量的系统误差，提高采样精度和真实性。所述电流互感器采用罗果夫斯基线圈；电流互感器的输出信号SI经电流信号调理电路后接入微控制器MCU的输入端ADLS，微控制器MCU通过对该信号依次进行模数转换、数值积分和数字高通滤波，来校正该信号的相位差。

如图6，所述第一、第二分割器电路M4和M8都包括：第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，选择合适的阻值，以使分割器电路的输出电压正好等于微控制器MCU模数转换(ADC)参考电压的1/2，以简化整个系统电源电路的结构，将典型的双极性电源变成了单极性电源；另外还简化了电流、电压输出信号与ADC的接口电路。所述的第一、第二分割器电路(M4和M8)可以为同一个电路。

见图11，所述微控制器MCU通过DFT算法判断互感器是否断线的步骤是：微控制器MCU通过AD转换将输入的模拟信号转换成数字信号，然后通过DFT算法将该数字信号分离成直流分量和基波分量，将分离出来的直流分量和基波分量分别与微控制器MCU中预存的相应的预设值进行比较，如果所述直流分量大于直流分量的预设值，且基波分量小于基波分量的预设值，则判断所述电流互感器断线；反之，则判断所述电流互感器连接良好。

所述预设值由实验获得并预先存于微控制器中；该实验方法为：将所述电流互感器断开，测出当前输入信号中的直流分量和基波分量的数值分别设为直流分量和基波分量预设值。

微控制器MCU还配置了两套监控电路，以两个不同的周期监控微控制器MCU的运行，且这两个监控周期之比不等于整数，两套监控电路有效保障了微控制器MCU的正常运行。在实现时，两套监控电路采用不同的结构和驱动方式，即：一个采用计数方式，另一个采用边沿触发方式。

微控制器MCU还配置了两套时钟电路，两套时钟电路形成互为备用的结构。为保证可靠性，两套时钟电路采用失效率不同的电子元器件构成。

本实施例的断路器智能控制器，采用了两个互为备用的独立电源。一路电源来自速饱和互感器，是电流型电源。另一路来自断路器的辅助电源，是电压型电源。在结构和参数设计时，应确保两路电源均正常时优先使用电流源。为了降低电源功率管的温升，两种电源均采用具有滞回特性的DC/DC稳压电路。

Claims (4)

1.一种框架断路器智能控制器，其特征在于包括：微控制器(MCU)、与微控制器(MCU)相连的执行机构驱动模块；

所述执行机构驱动模块包括：电磁铁驱动电路和倍压电路；

所述电磁铁驱动电路包括：第一三极管(Q1)和第一二极管(D1)；第一二极管(D1)的阴极接直流电源，第一二极管(D1)的阳极与第一三极管(Q1)的电流输入端相连，第一二极管(D1)的阴极和阳极分别与电磁铁(L1)的电源端相连；

所述倍压电路包括：第二三极管(Q2)、电容(C1)、第一电阻(R1)和第二二极管(D2)；第二三极管(Q2)的控制端(B)与一限流电阻(R2)的一端相连，该限流电阻(R2)的另一端为触发信号输入端(Vin)，第二三极管(Q2)的电流输入端(C)分别与第一电阻(R1)的一端和电容(C1)的阳极相连，第一电阻(R1)的另一端接直流电源；电容(C1)的阴极与第二二极管(D2)的阳极相连，第二二极管(D2)的阴极接地，第二三极管(Q2)的电流输出端接地(GND)；

第一三极管(Q1)的控制端(G)与第二三极管(Q2)的控制端(B)相连，第一三极管(Q1)的电流输出端(S)与电容(C1)的阴极相连。

2.权利要求1所述框架断路器智能控制器，其特征在于：当从所述触发信号输入端(Vin)输入的触发信号为低电平时，第一三极管(Q1)和第二三极管(Q2)截止，所述直流电源通过第一电阻(R1)向电容(C1)充电，使电容(C1)两端的电压为所述直流电源的输出电压VDD与所述第二二极管(D2)的阳极电压的压差V；

当从所述触发信号输入端(Vin)输入的触发信号为高电平时，第二三极管(Q2)饱和导通，使第二三极管(Q2)的电流输入端(C)的电压接近0.6V，由于电容(C1)两端的电压不能突变，及第二二极管(D2)对电容(C1)放电回路的阻断及第一三极管(Q1)导通的共同作用，使得瞬间施加在电磁铁(L1)的电源端的电压所述直流电源的输出电压VDD与所述压差V之和。

3.权利要求1或2所述框架断路器智能控制器，其特征在于：所述第二三极管(Q2)为双极型晶体管或场效应管。

4.权利要求3所述框架断路器智能控制器，其特征在于：所述第一三极管(Q1)为场效应管或双极型晶体管。

Images