CN103094877B - 欠压-过压保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种欠压-过压保护装置。该保护装置包括：检测装置，连接在交流供电线路上，用于在检测到交流供电线路上的电压高于第一预定阈值时，发送过压保护触发信号；单个脱扣线圈，与一个电子开关串联连接在所述交流供电线路上，用于在其两端电压低于第二预定阈值时，执行脱扣动作，从而使得所述交流供电线路上的供电中断；其中，所述电子开关在交流供电线路供电时处于导通状态，且响应于所述过压保护触发信号而关断，从而使得所述脱扣线圈因其两端电压低于所述第二预定阈值而执行脱扣动作。采用该欠压-过压保护装置可只通过一个脱扣线圈就实现欠压-过压的双重保护，减小体积，降低成本，且可直接用于交流供电线路。

Description

欠压-过压保护装置及方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种欠压-过压保护装置及方法。

背景技术

一般而言，供电线路上的电压并非一个恒定值，其可能因负荷的变化而相应产生波动。供电线路上的这种电压波动(如欠压或者过压)，一旦超出用电设备所能承受的范围，就会对用电设备带来不利的影响，甚或造成用电设备的损坏。因此，通常采用欠压保护和过压保护装置来保证用电设备在正常的供电状态下运行。

欠压保护一般是指当供电线路电压低于一个预定阈值(例如低于标称电压的80％)时，保护装置自动切断供电线路，待到线路电压恢复到正常范围时，保护装置可再次被手动恢复到接通状态。相对而言，过压保护是指当线路电压超过一个预定值(例如高于标称电压的10％)时，为了防止对用电设备造成损坏，保护装置同样自动切断线路且待线路电压恢复正常时可再手动恢复。

目前市场上的欠压-过压保护装置主要采用2个分立的脱扣线圈来分别实现欠压和过压的检测和保护动作。图1示例性地示出了一种现有的欠压-过压保护装置的原理图。如图1所示，供电线路L(火线)和N(零线)用来向用电设备150提供电能。保护装置设置在用电设备侧，且包括两个脱扣线圈110和120。这两个脱扣线圈分别用于在检测到欠压或过压时执行脱扣动作。脱扣线圈110和120的脱扣动作进而以机械传动方式驱动断路器130，使其断开供电线路到用电设备150的电连接。

具体而言，在图1中，脱扣线圈110的两端连接在线路L和N上。当线路电压V在正常范围内时，该脱扣线圈110中的推杆处于位置1，断路器130闭合，供电线路导通。当线路电压V低于一个预定阈值Vmin(即欠压)时，脱扣线圈110执行脱扣动作，其推杆变换到位置2，即脱扣状态，并进而使得线路L和N上的断路器130断开供电连接。脱扣线圈120经由过压检测电路140连接到供电线路L和N上。当过压检测电路140检测到线路电压V正常时，脱扣线圈120中的推杆处于位置1。当过压检测电路140检测到线路电压V超过一个预定阈值Vmax(即过压)时，其输出一个过压保护触发信号，使得脱扣线圈120中的推杆从位置1变换到位置2，即进入脱扣状态，并进而导致线路L和N上的断路器130断开供电连接。

采用如图1所示的结构可以实现欠压、过压的双重保护。然而，由图1可见，这种欠压-过压保护装置需要两个独立的脱扣线圈来分别实现欠压、过压保护。而每一个脱扣线圈因其机械结构的特点其体积相对较大、成本也较高，特别是与电子元件相比更是如此。这一缺憾显然不能满足当前保护装置小型化、低成本的要求。因此，现有的这种欠压-过压保护装置还需要进一步改进。

发明内容

本发明旨在提出了一种欠压-过压保护装置及方法，该保护装置因只包含一个脱扣线圈而在体积上和成本上明显优于现有的具有双脱扣线圈的欠压-过压保护装置。

根据本发明的一个方面，欠压-过压保护装置包括：检测装置，连接在交流供电线路上，用于在检测到交流供电线路上的电压高于第一预定阈值时，发送过压保护触发信号；单个脱扣线圈，与一个电子开关串联连接在所述交流供电线路上，用于在其两端电压低于第二预定阈值时，执行脱扣动作，从而使得所述交流供电线路上的供电中断；其中，所述电子开关在交流供电线路供电时处于导通状态，且响应于所述过压保护触发信号而关断，从而使得所述脱扣线圈因其两端电压低于所述第二预定阈值而执行脱扣动作。采用这种欠压-过压保护装置可通过一个脱扣线圈实现欠压-过压的双重保护，且减小了体积，降低了成本。而且该欠压-过压保护装置可直接用于交流供电线路，避免了整流滤波等处理，降低了使用复杂度，节约了成本。

其中，优选地，该电子开关可以是能够导通交流电流(即，双向导通电流)的电子开关，所述电子开关例如包括可控硅、晶体管、场效应管、光耦和继电器中任一。更为优选地，该电子开关可以是双向可控硅或继电器。这样，无论在交流供电线路上的电压为正向还是反向，电子开关均可处于导通状态，仅在响应过压保护触发信号或供电线路断电时关断，从而该欠压-过压保护装置可以直接用于交流供电线路。而且能够在交流电的正向和反向两个半周期上均正常工作，从而可以及时响应于过压保护触发信号而断开供电连接。

更为优选地，该欠压-过压保护装置，还包括自启动电路，用于为所述电子开关提供开启电压，所述开启电压从所述交流供电线路上获得。自启动电路在交流供电线路开始供电时为电子开关提供能够使其导通的开启电压，使得电子开关在未响应于过压保护触发信号或供电线路断电时处于导通状态，为实现过压保护提供保障。

在本发明的一个实施例中，所述检测装置可包括：过压检测电路，用于在检测到所述交流供电线路上的电压高于所述第一预定阈值时输出第一控制电压；信号生成电路，用于根据所述第一控制电压生成用于关断所述电子开关的过压保护触发信号。优选地，所述过压检测电路包括单片机或电压检测芯片中任一。更为优选地，所述信号生成电路包括隔离元件，用于以电隔离方式根据所述第一控制电压生成所述过压保护触发信号。

根据本发明一个实施例，所述隔离元件包括第一光耦元件和第二光耦元件，其中第一光耦元件连接成响应于所述第一控制电压而在交流供电线路上的电压为正向时使得所述电子开关(如双向可控硅)的控制端为失效电平(如低电平)，第二光耦元件连接成响应于所述第一控制电压而在交流供电线路上的电压为反向时使得所述电子开关(如双向可控硅)的控制端为失效电平(如低电平)。

优选地，第一控制电压施加在第一光耦元件和第二光耦元件输入侧的发光二极管上；所述第一光耦元件中光敏三极管的发射极与第二光耦元件中光敏三极管的集电极连接至所述交流供电线路的零线；所述第一光耦元件中光敏三极管的集电极与第二光耦元件中光敏三极管的发射极连接至所述双向可控硅的可控端。如此，可在出现过压时将连接到交流供电线路上的双向可控硅完全关断，并由此触发脱扣线圈执行脱扣动作。这种设计可以直接用在交流供电线路上，省去了整流滤波等操作。

根据本发明的另一个方面，还提出了一种进行欠压-过压保护的方法。该方法包括：当交流供电线路开始供电时，使得与单个脱扣线圈串联的电子开关导通；当所述交流供电线路上的电压低于一个阈值时，所述脱扣线圈因欠压而执行脱扣动作；当检测到所述交流供电线路上的电压高于另一个阈值时，使得所述电子开关断开，从而使得所述脱扣线圈因欠压而执行脱扣动作。更为优选地，使用双向可控硅作为所述电子开关。而且，为了使得双向可控硅在过压时关断，使得双向可控硅的控制端在交流电电压为正或负的两种情况下均为低电平，即低于其开启电压。这样，无论在交流电的正半周期还是负半周期，都可在检测到过压时立即触发脱扣线圈。由此，采用本发明提出的方法可以通过单个脱扣线圈实现欠压、过压双重保护，从而缩小了产品的体积、降低了成本，且该欠压-过压保护方法可以直接应用于交流供电线路，使用方便，成本低。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1示出现有的欠压-过压保护装置的示意图；

图2示例性地示出根据本发明一个实施例的欠压-过压保护装置的结构示意图；

图3示出根据本发明一个实施例的欠压-过压保护装置的电路原理图；

图4示例性地示出根据本发明另一实施例的信号生成电路原理图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

图2示例性地示出了根据本发明一个实施例的欠压-过压保护装置200的原理图。如图2所示，根据本发明实施例的欠压-过压保护装置200包括检测装置210、电子开关220和单个脱扣线圈230。在保护装置200中仅使用一个脱扣线圈230以例如机械传动方式驱动供电线路L和N上的断路器130(例如小型断路器MCB)导通或断开到用电设备150的供电连接。具体地，如图2所示，电子开关220与脱扣线圈230串联，构成一个串联支路，该串联支路的两端分别连接在交流供电线路L和N上。电子开关220在交流供电线路开始供电时可从交流供电线路上得电而处于导通状态，以确保保护装置200能够正常工作。脱扣线圈230在其两端电压低于Vmin(即欠压)时可执行脱扣动作，以驱动交流供电线路L和N上的断路器130断开到用电设备的供电连接。检测装置210连接在交流供电线路L和N上，以监控交流供电线路上是否出现过压。换言之，检测装置210一旦检测到供电线路上的电压高于Vmax(即过压)时，就生成并发送一个过压保护触发信号给电子开关220。响应于该过压保护触发信号，电子开关220由导通切换到关断，即，使得其所在的串联支路断开，从而强制脱扣线圈230因欠压而执行脱扣动作，并进而使得断路器130断开供电连接。

由此，一旦交流供电线路上有电，则电子开关220导通，保护装置200开始工作。当交流供电线路上出现欠压时，即线路上的电压使得脱扣线圈220两端电压低于Vmin时，脱扣线圈220执行脱扣动作，并进而促使断路器130断开，实现欠压保护。在交流供电线路上出现过压时，即检测装置210检测到线路电压高于Vmax时，检测装置210向电子开关发出过压保护触发信号，使得电子开关220关断，即断开其所在的串联支路，由此，强制脱扣线圈230因欠压而执行脱扣动作，并进而使得断路器130断开供电连接。由此，保护装置200只需一个脱扣线圈230即可实现过压欠压双重保护，从而保护装置200的体积和成本均得以减小，能够适应当前小型化的需求，且图2所示实施例中的欠压-过压保护装置可以直接用于交流供电线路上。

图2所述的欠压-过压保护装置直接连接在交流供电线路上。交流供电线路上的电压在一个周期内会出现正向和反向两个半周期。在本实施例中，交流供电线路电压为正向是指交流供电线路上火线电压高于零线电压，而交流供电线路电压为反向是指交流供电线路上零线电压高于火线电压。由此，电子开关220响应过压保护触发信号而关断的动作可以包含以下两种情况。第一种情况，过压保护触发信号为对交流供电线路进行双向检测时获得的过压保护触发信号，即无论交流供电线路线路的电压是正向还是反向，只要出现过压，便即时生成过压保护触发信号，电子开关可及时响应该过压保护触发信号而关断，以使脱扣线圈230执行脱扣动作。第二种情况，过压保护触发信号仅在交流供电线路的电压为正向(或反向)时被发出来关断电子开关，进而使脱扣线圈230执行脱扣动作。这两种情况均可实现本发明，所不同的是第二种情况可能使得电子开关的动作延误半个周期，这对于大部分用电设备而言是可以接受的。

优选地，在图2中，电子开关220包括但不限于可控硅、晶体管、场效应管、光耦和继电器中任意一种。优选地，电子开关220可以是能够导通交流电的电子开关，即，无论交流供电线路上的电压为正向还是反向，该电子开关220均可以从供电线路上得电而导通。该电子开关220响应于过压保护触发信号而关断，即无论交流供电线路上的电压为正向或反向均断开电连接。优选地，例如这种电子开关是继电器或双向可控硅。

可选地，电子开关220可以连接有一个用以向该电子开关提供开启电压的自启动电路，在供电线路上有电时为电子开关220提供开启电压，以使其导通。这样，保护装置200可在线路上有电时自动启动，并为欠压、过压保护做好准备。自启动电路的一个示例性结构在图3中示出。

图2中的检测装置210也可以有多种实现方式。例如检测装置210可以包括过压检测电路和信号生成电路两部分，也可由单个集成芯片实现过压检测和过压保护触发信号生成。而且，过压检测电路本身可以实现为如由运放构成的比较器，也可以是市场上可获得的电压检测芯片，甚或可以是本领域所公知的模拟式比较电路实现。

图3示出了根据本发明一个实施例的欠压-过压保护装置300的电路图。在该保护装置300中，脱扣线圈230与电子开关220串联后连接在供电线路L和N上。该示例中电子开关为双向可控硅310，双向可控硅310具有两个方向上轮流导通、关断的特性，可以实现双向导通和关断。检测装置210包括过压检测电路320和用于生成过压保护触发信号的信号生成电路330。

具体地，检测装置210中的过压检测电路320主要由单片机实现，即单片机在检测到供电线路上的供电电压V1高于预先设置的第一预定阈值Vmax时，输出高电平V2。信号生成电路330包括一个限流电阻R3及光电耦合器(简称光耦)U3和U4。例如，具体实现时，R3阻值为1K欧姆，光耦U3和U4的型号为PC817A。光耦U4可响应于V2而在交流供电线路上的电压为正向时使得双向可控硅310的控制端为低，光耦U3可响应于V2而在交流供电线路上的电压为反向时使得双向可控硅310的控制端为低，即低于开启电压。具体地，如图3所示，过压检测电路320输出的高电平V2经电阻R3限流后，提供给光耦U3或U4的输入端，即加载在光耦中的发光二极管的阳极，使得发光二极管导通并发光。相应地，光耦U3和U4中的光敏三极管因光触发而导通。在图3中，光耦U3中的光敏三极管的发射极与光耦U4中光敏三极管的集电极连接至双向可控硅310的可控端A，光耦U3中光敏三极管的集电极与光耦U4中光敏三极管的发射极连接至供电线路的零线N上。由此，在V2为有效高电平时，光耦U3和U4的光敏三极管导通而输出低阻抗，进而将该双向可控硅310的可控端A的电平拉低，使得双向可控硅310关断。这样，过压检测电路输出的控制电压V2就可以以电隔离方式作为触发信号发送给双向可控硅310，并使其关断。采用这种设计，无论是在交流供电线路的电压为正向或反向时，只要检测到过压便可即时生成过压保护触发信号，由于双向可控硅310可以关断或双向导通，则其可即时响应该过压保护触发信号而关断。

图3所示的信号生成电路330仅为一种具体实现情况，在另一具体实现中，如附图4所示，信号生成电路330可以是由一限流电阻R3和一光耦U4组成，过压检测电路320输出的高电平V2经电阻R3后，提供给光耦U4输入端的发光二极管，再以电隔离方式将光信号传递至光耦U4的光敏三极管，光耦U4的光敏三极管的集电极连接至双向可控硅310的可控端A，光耦U4的光敏三极管的发射极连接至供电线路的零线上。即，在交流供电线路出现过压时，由过压检测电路320输出的高电平V2驱动光耦U3的光敏三极管输出低阻抗，进而作为过压保护触发信号将双向可控硅310的可控端A拉低，使双向可控硅关断。图4所示的信号生成电路330包括一个光耦，在检测交流供电线路过压时，光耦在交流电压为正向(或者反向)时导通，输出过压保护触发信号，以使电子开关220在交流供电线路电压为正向(或反向)时关断。这种设计同样可以关断双向可控硅，但可能出现半个周期的延误。例如，如果过压出现在负向半周期，而光耦U4连接成在正向半周期拉低控制端A，则会出现半个周期的延误。这种延误对于大部分用电设备而言也是可以接受的。

实际应用中信号生成电路330并不仅限于以上两种，可以有多种实现方式，例如还可以采用继电器、三极管等电子元件实现。

图3中还示出了自启动电路340。在该自启动电路340中，在一个支路上，R1和C1串联连接在供电线路L和N上，R1和C1之间的连接节点通过电阻R4连接到双向可控硅310的可控端A。该自启动电路340在供电线路供电时，可从交流供电线路上获取电能，为双向可控硅310提供开启电压，即在双向可控硅310未响应过压保护触发信号或供电线路断电的情况下使双向可控硅310处于导通状态。例如，具体实现时，R1阻值为500K欧姆，电容C1为10nF，R4为10k欧姆。

图3所示仅为自启动电路340的一个具体实现，实际应用中，自启动电路340可以有多种实现方式，例如，自启动电路340除了可以从供电线路上获取导通电压外，该自启动电路340还可以是一个固定电压提供电路或装置。

在另一个支路上，脱扣线圈230与限流电阻R2、双向可控硅310串联后连接在供电线路L和N上。在供电线路供电正常时，脱扣线圈230的端电压足以使脱扣杆位于位置1处，允许或保持断路器闭合，供电线路导通。在欠压时，脱扣线圈230的端电压低于第二预定阈值Vmin，脱扣线圈230不能维持脱扣杆位于位置1，执行脱扣动作，使得脱扣杆位于位置2，以机械传动方式推动断路器，使供电线路断开。而在与脱扣线圈230串联的双向可控硅310断开后，该串联回路断开，使得脱扣线圈230的端电压为零，即低于第二预定阈值Vmin，脱扣线圈230执行脱扣动作，供电线路断开。例如，具体实现时，R2阻值为100欧姆，脱扣线圈为10mH。

图2-3示出了根据本发明实施例提供的欠压-过压保护装置200、300的结构。上述装置基本上是按照如下设计思路形成的，即，当交流供电线路开始供电时，使得与单个脱扣线圈串联的电子开关导通；当所述交流供电线路上的电压低于一个阈值时，所述脱扣线圈因欠压而执行脱扣动作；当检测到所述交流供电线路上的电压高于另一个阈值时，使得所述电子开关断开，从而使得所述脱扣线圈因欠压而执行脱扣动作。

该设计思路中，使得脱扣线圈执行脱扣动作的情况包括了供电线路电压低于第二预定阈值(即欠压)，以及脱扣线圈所在的回路中断(即过压)两种。该设计思路中，可以双向检测交流供电线路电压，在供电线路电压高于第一预定阈值时，产生过压保护触发信号，并可立即触发电子开关关断。该设计思路中，用于交流供电线路的电子开关可以双向导通。

本发明提出的上述设计思路可以确保在仅使用单个脱扣线圈的情况下实现欠压和过压的双重保护，因而这一设计思路能够使得欠压-过压保护装置的体积减小，适合当前小型化的需求，且可以直接将该欠压-过压保护装置用于交流供电线路。同时，上述设计思路实现简便，仅用低成本的电子元件即可实现，因而在缩小体积的同时降低了实现复杂度，也降低了设备成本。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种欠压-过压保护装置(200，300)，包括：

检测装置(210)，连接在交流供电线路上，用于在检测到交流供电线路上的电压高于第一预定阈值时，发送过压保护触发信号；

单个脱扣线圈(230)，与一个电子开关(220)串联连接在所述交流供电线路上，用于在其两端电压低于第二预定阈值时，执行脱扣动作，从而使得所述交流供电线路上的供电中断；

其中，所述电子开关(220)在交流供电线路供电时处于导通状态，且响应于所述过压保护触发信号而关断，从而使得所述脱扣线圈(230)因其两端电压低于所述第二预定阈值而执行脱扣动作；

所述电子开关(220)为能够导通交流电流的电子开关，其响应于所述过压保护触发信号而关断，否则导通；

所述检测装置(210)包括：

过压检测电路(320)，用于在检测到所述交流供电线路上的电压高于所述第一预定阈值时输出第一控制电压；以及，

信号生成电路(330)，用于根据所述第一控制电压生成用于关断所述电子开关(220)的过压保护触发信号；

所述信号生成电路(330)包括隔离元件，用于以电隔离方式根据所述第一控制电压生成所述过压保护触发信号；

所述隔离元件包括第一光耦元件(U4)和第二光耦元件(U3)，其中第一光耦元件(U4)连接成响应于所述第一控制电压而在交流供电线路上的电压为正向时使得所述电子开关(220)的控制端为失效电平，第二光耦元件(U3)连接成响应于所述第一控制电压而在交流供电线路上的电压为反向时使得所述电子开关(220)的控制端为失效电平。

2.如权利要求1所述的欠压-过压保护装置，其中，所述电子开关(220)包括可控硅、晶体管、场效应管、光耦和继电器中任一。

3.如权利要求2所述的欠压-过压保护装置，所述电子开关(220)为双向可控硅。

4.如权利要求1所述的欠压-过压保护装置，还包括自启动电路(340)，用于为所述电子开关(220)提供开启电压，所述开启电压从所述交流供电线路上获得。

5.如权利要求1所述的欠压-过压保护装置，其中，

第一控制电压被施加到所述第一光耦元件(U4)和第二光耦元件(U3)输入侧的发光二极管上；

所述第一光耦元件(U4)中光敏三极管的发射极与第二光耦元件(U3)中光敏三极管的集电极连接至所述交流供电线路的零线；

所述第一光耦元件(U4)中光敏三极管的集电极与第二光耦元件(U3)中光敏三极管的发射极连接至所述电子开关(220)的可控端(A)。

6.如权利要求1所述的欠压-过压保护装置，其中，所述过压检测电路(320)包括单片机或电压检测芯片中任一。