CN102709876B - 一种零电压延时脱扣器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脱扣器领域，尤其涉及一种零电压延时脱扣器。包括滤波电路、启动电源电路、用于脱扣控制的电磁铁、开关电路、用于控制延时脱扣的延时电路、用于控制开关电路通断的控制电路，以及用于给开关电路和控制电路提供电源的稳压电源电路，所述的滤波电路的电源输入端与电网相连，所述的滤波电路的电源输出端与启动电源电路的电源输入端相连，所述的启动电源电路的电源输出端、开关电路与电磁铁线圈构成串联回路。本发明一种零电压延时脱扣器，电路简单、启动力矩大、吸合可靠，线圈发热量小、充电速度快、零电压后维持线圈功率（衔铁保持力）恒定、延时时间长。

Description

一种零电压延时脱扣器

技术领域

本发明涉及脱扣器领域，尤其涉及一种零电压延时脱扣器。

背景技术

欠压脱扣器是低压开关中的核心部件，欠压脱扣器驱动顶杆的工作方式有电磁型和永磁型两种类型。与永磁型欠压脱扣器相比，电磁型欠压脱扣器电路简单，断电后，顶杆在弹簧力的作用下，具有“自复位”能力。但是现有电磁型欠压脱扣器普遍存在线圈发热量高，欠压脱扣器启动力矩小或电路过于复杂等问题。

根据GB14148.1-2006《低压开关设备和控制设备总则》规定，欠压脱扣器的动作范围为额定电压的35%～70%，零电压（失压）脱扣动作电压是在额定电压的10%～35%。欠压脱扣器的一般工作原理为：当线路电压正常（85%～110%额定电压）时，欠压脱扣器的衔铁被其铁芯吸住（吸合），断路器处于运行（闭合）状态，当线路电压降低到70%额定电压以下时，衔铁脱扣器的铁芯电磁力减小，直至不能吸住衔铁，衔铁脱开并带动拉杆撞击断路器的脱扣杆（脱扣），使断路器跳闸。对于延时欠电压继电器或脱扣器，其延时的测定应从电压达到动作值瞬时开始，至继电器或脱扣器等操动电器的脱扣器件（脱扣机构）动作瞬时为止。

参考上述总则，零电压（失压）脱扣器除了满足零电压瞬时脱扣之外，采用零电压后带有延时脱扣的零电压（失压）延时脱扣器，可以进一步保证用电安全。但是，如何采用最小容量的后备充电电容器以实现最长时间的延时且电路简单成为研究瓶颈，目前还未见有较为成熟的零电压（失压）延时脱扣器方案与产品出现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中，为实现零电压（失压）后延时脱扣，通过增加电路、变换控制方式来解决电磁型欠压脱扣器正常工作时线圈发热量大、启动力矩小、常有不吸合现象、电路过于复杂等问题，本发明提供一种电路简单、启动力矩大、吸合可靠、线圈发热量小、充电速度快、零电压后维持线圈功率（衔铁保持力）恒定、后备充电电容量为最小或延时时间为最长的零电压延时脱扣器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种零电压延时脱扣器，包括滤波电路、启动电源电路、用于脱扣控制的电磁铁、开关电路、用于控制延时脱扣的延时电路、用于控制开关电路通断的控制电路，以及用于给开关电路和控制电路提供电源的稳压电源电路，所述的滤波电路的电源输入端与电网相连，所述的滤波电路的电源输出端与启动电源电路的电源输入端相连，所述的启动电源电路的电源输出端、开关电路与电磁铁线圈构成串联回路；

所述的控制电路包括用于采集启动电源电路中输出电源电压的SB信号采样电路、用于采集电网电压的SA信号采样电路和微处理器电路；所述的延时电路包括放电电路、充电电路和后备电容，所述的放电电路的电源输出端与微处理器电路、开关电路和电磁铁相连，所述的充电电路具有用于发送代表充电电压是否达到预定值的SC信号的SC信号发送端，所述的微处理器电路具有用于控制开关电路通断的第一信号发送端和用于控制放电电路是否工作的第二信号发送端；

所述的后备电容正极接于充电电路与放电电路之间，负极接地；所述的SB信号采样电路的SB信号发送端、SA信号采样电路的SA信号发送端以及SC信号发送端均与微处理器电路连接，所述的第一信号发送端与开关电路连接，所述的第二信号发送端与放电电路连接。

所述的微处理器电路包括微处理器：当SA信号大于电网额定电压的80%，且SB信号满足预定值时，使开关电路接通，即开关电路与电磁铁构成串联回路；当SA信号小于电网额定电压的30%，和/或延时时间到后，使开关电路断路。

为了确定延时时间，以及保证电磁铁可靠吸合，所述的微处理器电路包括

BCD拨码开关：在需要延时脱扣的场合，设置不同的拨码开关组合，所述的微处理器读取此信号后，确定延时脱扣的延时时间；

微处理器：如果BCD拨码开关表示的延时时间不为零，且当SA信号小于电网额定电压的30%后开始延时，直到延时结束，使开关电路断路。

作为优选，所述的滤波电路为EMC电路，双向抑制来自电网与脱扣器内部产生的干扰信号。

为了实现大力矩高可靠强启动，又使得脱扣器整体发热量小，所述的启动电源电路包括与滤波电路的电源输出端相连的降压电容、与降压电容的电源输出端相连的整流电路、正极与整流电路的直流输出端相连且负极接地的启动电容；启动电容的正极为所述启动电源电路的电源输出端。

进一步地，所述的SB信号采样电路由依次设于启动电容的正极和地之间的第三分压电阻、第四分压电阻串联组成，所述的SB信号为第三分压电阻和第四分压电阻之间引出的电压。

为了降低功耗，滤波电路后连接有半波整流二极管，所述的半波整流二极管的正极与滤波电路的电源输出端连接。所述的充电电路的电源输入端与半波整流二极管的负极连接，电源输出端与放电电路连接。所述的稳压电源电路的电源输入端与半波整流二极管的负极连接。SA信号采样电路包括依次串联后设于半波整流二极管的负极和地之间的第一分压电阻和第二分压电阻，还包括一个与第二分压电阻并联的滤波电容，所述的SA信号为第一分压电阻和第二分压电阻之间引出的电压。

一般地，所述的稳压电源电路可以是开关形式的电源电路、串联降压形式的电路或脉冲宽度调制形式的降压电路。所述的开关电路可以是功率MOS管组成的电路、继电器电路、晶闸管电路或三极管电路。

所述的微处理器电路中的微处理器可以是单片机（MCU）、片上系统（SOC）、CPLD、FPGA或DSP。

所述的充电电路可以是三极管、MOS管或晶闸管组成的快速充电电路。所述的放电电路可以是三极管或MOS管组成的恒电流放电电路。所述的后备电容为电解电容或无极限电容。

本发明的有益效果是，

1、设置启动电源电路，开关电路接通后，启动电容上电荷全部释放于电磁线圈，电磁线圈上的电压，由降压电容容量的大小决定，且降压电容不产生有功功率，既实现了大力矩启动，又使得脱扣器整体发热量小；

2、本发明中先行判断SA信号是否满足吸合条件，然后判断SB信号是否达到了预充值。仅当二个条件同时满足后，才有单片机电路控制开关电路接通电磁铁，确保了百分之百吸合；

3、启动电源电路中设有EMC电路，双向抑制来自电网与脱扣器内部产生的干扰信号；

4、稳压电源电路、SA信号采样电路和充电电路连接于半波整流电路之后，可显著降低功耗；

5、当外部电压没有电或断开后（零电压，低于30%），依靠预先充电的能量，按照设定的时间，延时后脱扣；通常这样的延时断开时间为1～20秒；

6、采用快速充电电路，确保充电时间很短，迅速可零压延时脱扣，可以大大缩短脱扣器单次工作周期；这在短时断电又迅速上电的场合，优势特别明显；

7、采用恒电流放电电路，确保线圈功率恒定，也即确保脱扣器活动衔铁的保持力，防止衔铁因自行维持力降低而自行脱扣。并且，恒电流放电电路的电流与充电电压VH成“或”的关系，在放电电容容量一定时，放电时间最长。同理，零压（失压）后延时时间、电磁铁线圈和电磁铁维持功率均为一定值时，可计算得到最小的后备电容器的容量参数。

综上所述，本发明一种零电压延时脱扣器，电路简单、启动力矩大、吸合可靠，线圈发热量小、充电速度快、零电压后维持线圈功率（衔铁保持力）恒定、延时时间长。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一种零电压延时脱扣器最优实施例的电路原理图。

图中1、EMC电路，2、稳压电源电路，3、微处理器电路，4、电磁铁，5、开关电路，6、充电电路，7、放电电路。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，本发明一种零电压延时脱扣器最优实施例的电路原理图。由EMC电路1、降压电容CK、桥式整流电路BG、启动电容CS1、检测启动电容CS1电压的SB信号采样电路、检测电网电压的SA信号采样电路、稳压电源电路2、快速充电电路6、后备电容CB1、恒电流放电电路7、单片机电路3以及控制电磁铁4通断的开关电路5组成。EMC电路1双向抑制来自电网与脱扣器内部产生的干扰信号。电容CK在电磁铁4被接通动作之前，通过桥式整流电路BG整流后向启动电容CS1充电。

SB信号采样电路由依次设于启动电容CS的正极和地之间的第三分压电阻R3、第四分压电阻R4串联组成。

SA信号采样电路包括依次串联后设于半波整流二极管D0的负极和地之间的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，还包括一个与第二分压电阻R2并联的滤波电容CD1。单片机接收采样信号SA后，采用上升沿触发捕获电网周期并利用Hanning窗插值FFT方法计算出电网过零点后，当前电网电压的有效值。接于半波整流之后的SA信号采样电路，电路简单，自身功耗可以显著降低。

电网电压接于本发明的一种零电压延时脱扣器的输入端L与N之间。经EMC电路1滤波后L1接降压电容CK，降压电容CK的另一端接到接桥式整流电路BG的一输入端，N1接桥式整流电路BG的另一输入端。桥式整流电路BG的正输出端定义为VH，负输出端接地。

上电后，桥式整流电路BG将交流电路整流为脉动直流向启动电容CS1充电，启动电源电路电源输出端VH的充电电压为输入交流电压的倍，一般为80%的电网额定电压Ue的倍，如248V。充电电压VH由SB信号采样电路，产生采样信号SB送入单片机电路3。充电电压VH同时接到电磁铁4的一端。

由整流二极管D0半波整流后的电压，加载到稳压电源电路2，SA信号采样电路，以及快速充电电路6。稳压电源电路2产生的15V（12V）电压为开关电路5提供电源，产生的5V（3.3V）电压为单片机电路3工作提供电源。SA信号采样电路产生的采样信号SA，设计有效监测范围为0～120%Ue，则可满足零电压（失压）延时监控的要求。快速充电电路6对后备电容器CB1充电。

可以是瞬时脱扣，也可以是延时脱扣。如果需要延时脱扣，则单片机电路3由单片机和包括BCD拨码开关在内的辅助电路组成，在需要延时脱扣的场合，设置不同的拨码开关组合，单片机读取此信号后，确定延时脱扣的延时时间。

单片机电路3首先判断SA信号的大小，当SA信号达到80%Ue时，进一步判断SB信号是否达到预充值，一旦达到，单片机控制开关电路5接通电磁铁4，启动电容CS上电荷全部释放于电磁线圈，实现了高可靠强启动。接着，单片机读取BCD拨码开关状态，确定是否延时脱扣或延时多长时间脱扣。开关电路5接通电磁铁4后，工作于交流回路中的电容CK承担降压任务，为工作在直流回路中的电磁铁4提供一合适的工作电压，例如为35V，此时，CS1转变为滤波电容。当SA信号小于30%Ue时，根据BCD拨码开关设置的状态，确定延时时间，如果延时时间为零，单片机控制开关电路5瞬时断开电磁铁4，实现断路器的瞬时分闸。如果延时时间不为零，单片机现行判断SC信号是否表示充电完成，SC信号表示充电完成时，单片机控制恒流放电电路7向电磁铁线圈恒流放电，确保活动衔铁保持一定力矩，避免自行释放。放电电路6同时向单片机电路3、开关电路5供电，维持其正常工作。一旦延时时间到，单片机控制开关电路5断开电磁铁4，实现零电压（失压）延时脱扣（分闸）。如果SC信号表示充电未完成时，仍然执行瞬时断开分闸。

开关电路5接通后，启动电容CS上电荷全部释放于电磁线圈，电磁线圈上的电压，约为35V，由降压电容CK容量的大小决定，且降压电容CK不产生有功功率，既实现了大力矩启动，又使得脱扣器整体发热量小。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种零电压延时脱扣器，其特征在于：包括滤波电路、启动电源电路、用于脱扣控制的电磁铁（4）、开关电路（5）、用于在延时脱扣时提供电源的延时供电电路、用于控制开关电路（5）通断的控制电路，以及用于给开关电路（5）和控制电路提供电源的稳压电源电路（2），所述的滤波电路的电源输入端与电网相连，所述的滤波电路的电源输出端与启动电源电路的电源输入端相连，所述的启动电源电路的电源输出端、开关电路（5）与电磁铁（4）线圈构成串联回路；

所述的控制电路包括用于采集启动电源电路中输出电源电压的SB 信号采样电路、用于采集电网电压的SA 信号采样电路和微处理器电路（3）；所述的延时供电电路包括放电电路（7）、充电电路（6）和后备电容（CB1），所述的放电电路（7）的电源输出端与微处理器电路（3）、开关电路（5）和电磁铁（4）相连，所述的充电电路（6）具有用于发送代表充电电压是否达到预定值的SC 信号的SC 信号发送端，所述的微处理器电路（3）具有用于控制开关电路（5）通断的第一信号发送端和用于控制放电电路（7）是否工作的第二信号发送端；

所述的后备电容（CB1）正极接于充电电路（6）与放电电路（7）之间，负极接地；所述的SB 信号采样电路的SB 信号发送端、SA 信号采样电路的SA 信号发送端以及SC 信号发送端均与微处理器电路（3）连接，所述的第一信号发送端与开关电路（5）连接，所述的第二信号发送端与放电电路（7）连接；

所述的充电电路（6）是三极管、MOS 管或晶闸管组成的快速充电电路；所述的放电电路（7）是三极管或MOS 管组成的恒电流放电电路。

2.如权利要求1 所述的一种零电压延时脱扣器，其特征在于：所述的微处理器电路（3）包括微处理器：当SA 信号大于电网额定电压的80%，且SB 信号满足预定值时，使开关电路（5）接通，即开关电路（5）与电磁铁（4）构成串联回路；当SA 信号小于电网额定电压的30%，和/ 或延时时间到后，使开关电路（5）断路。

3.如权利要求2 所述的一种零电压延时脱扣器，其特征在于：所述的微处理器电路（3）包括

BCD 拨码开关：在需要延时脱扣的场合，设置不同的拨码开关组合，所述的微处理器读取此信号后，确定延时脱扣的延时时间；

微处理器：如果BCD 拨码开关表示的延时时间不为零，且当SA 信号小于电网额定电压的30% 后开始延时，直到延时结束，使开关电路（5）断路。

4.如权利要求1 所述的一种零电压延时脱扣器，其特征在于：所述的滤波电路为EMC电路（1）。

5.如权利要求1 所述的一种零电压延时脱扣器，其特征在于：所述的启动电源电路包括与滤波电路的电源输出端相连的降压电容（CK）、与降压电容（CK）的电源输出端相连的整流电路（BG）、正极与整流电路（BG）的直流输出端相连且负极接地的启动电容（CS）；启动电容（CS）的正极为所述启动电源电路的电源输出端（VH）。

6.如权利要求1 所述的一种零电压延时脱扣器，其特征在于：滤波电路后连接有半波整流二极管（D0），所述的半波整流二极管（D0）的正极与滤波电路的电源输出端连接。

7.如权利要求6 所述的一种零电压延时脱扣器，其特征在于：所述的充电电路（6）的电源输入端与半波整流二极管（D0）的负极连接，电源输出端与放电电路（7）连接。

8.如权利要求6 所述的一种零电压延时脱扣器，其特征在于：所述的稳压电源电路（2）的电源输入端与半波整流二极管（D0）的负极连接。

9.如权利要求6 所述的一种零电压延时脱扣器，其特征在于：SA 信号采样电路包括依次串联后设于半波整流二极管的负极和地之间的第一分压电阻（R1）和第二分压电阻（R2），还包括一个与第二分压电阻（R2）并联的滤波电容（CD1），所述的SA 信号为第一分压电阻（R1）和第二分压电阻（R2）之间引出的电压。