CN103155327A - 使用辅助电源的具有交替操作模式的电子断路器 - Google Patents

Abstract

电子断路器包括适合于将主电源（10）连接到至少一个负载（11）的可控制机械触头（12）和用于监测从主电源（10）到负载（11）的功率的流动、探测故障状况、并响应于故障状况的探测而自动断开触头（12）的控制电路（14-19）。主电源（10）在触头（12）闭合时将功率提供到控制电路（14-19），而辅助电源（20）在触头（12）断开——不管是通过跳闸还是通过手动断开——时将功率提供到控制电路（14-19）。

Description

使用辅助电源的具有交替操作模式的电子断路器

发明领域

本发明涉及电子断路器，且特别是涉及在跳闸信号产生之后使用辅助电源进入非故障保护操作模式的改进的断路器。

背景

当操作电子断路器时，非常期望实现被执行来升级微控制器的断路器的软件或固件的任何功能而不牺牲对负载的保护。在传统电子断路器中，一旦跳闸，控制断路器的微控制器就没有功率，且是不可访问的。因此，在过去已知的电子断路器中，微控制器状态是接通或断开，分别反映断路器触头的闭合或断开位置。

为了执行固件升级，断路器需要1）从负载中心移除，或2）在升级过程期间执行故障保护，或3）进入不需要故障保护的操作模式。关于1），从负载中心移除断路器从维护时间以及对断路器和相关设备的磨损以及断路器移除的安全方面上来说对于固件升级不是理想的。关于2），有在升级过程期间提供故障保护所需的微处理器开销或确定断路器是否可进入不需要故障保护的操作模式。更新固件同时提供保护的一个例子需要两个单独的程序段和单独的引导区。为了确保保护是未受损害的，新程序将必须写入存储器的单独区中，同时现有的程序继续探测故障保护。于是，一旦新程序被验证，处理器就必须完成重置，且微控制器的引导区将必须跟踪哪个固件程序在将来被使用，以便总是指向最新的程序。需要额外的处理器开销来处理当故障被探测到时的情况，且新程序被写到程序段以确保断路器不进入危险的操作模式。

今天的住宅电子断路器（AFCI）监测并预防很多不同类型的故障状况。当断路器跳闸时，知道断路器中断的故障是什么类型以便准确和快速地校正故障状况是有利的。在这样的断路器中的电子模块能够仅在电子设备被供电时才指示中断故障。在正常情况下，这需要使用断路器的手控柄使断路器重新闭合以给电子模块供电。然而，使断路器重新闭合以指示中断故障的原因也意味着重新激励故障，如果故障仍然存在的话。为了使断路器安全地重新闭合，电气技师必须断开负载中心并从断路器移除线路负载和中性负载电线。期望有给电子模块供电的辅助装置以允许电子模块指示中断故障，而不需要重新激励在将被认为危险的水平处的故障，因此消除了从断路器移除负载电线的需要。

简要概述

根据一个实施方式，电子断路器包括适合于将主电源连接到至少一个负载的可控制机械触头和用于监测从主电源到负载的功率的流动、探测故障状况、响应于其而产生跳闸信号并自动断开触头的控制电路。主电源在触头闭合时将功率提供到控制电路，而辅助电源在触头断开时将功率提供到控制电路。

通过在断路器触头断开时从辅助电源给控制电路提供功率，该断路器系统避免使断路器在有危险故障时闭合以确定断路器跳闸的原因的任何需要。它也避免从断路器移除分支电路配线或从负载中心移除断路器以便更新固件、指示跳闸的原因或执行分支配线诊断的任何需要。

在一个实现中，至少一个传感器耦合到从主电源到负载的功率流，并产生表示功率流的特征的输出信号，且控制电路对从输出信号得到的数据采样并处理该数据以探测故障状况。控制电路还探测数据采样中的故障，并响应于在数据采样中探测到预选数量的故障而产生跳闸信号。控制电路可通过探测由主电源提供到负载的AC电压中的零交叉的缺乏来探测数据采样中的故障，如在使用断路器柄手动地断开触头时将出现的，因而使控制电路发出跳闸信号。

附图的简要说明

通过参考结合附图理解的下面描述，可最好地理解本发明，其中：

图1是具有辅助电源和交替的操作模式的电子断路器中的电路的一部分的示意图。

图2是用于激活辅助电源并控制电子断路器的操作模式的图1的电路中的微控制器所执行的例程的流程图。

详细描述

虽然将结合某些优选实施方式描述本发明，将理解，本发明不限于那些特定的实施方式。相反，本发明旨在涵盖可包括在如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有可选形式、修改和等效布置。

图1示出监测从主电源10例如120伏AC电源提供到一个或多个负载11的电功率的断路器的控制电路的一部分。在正常操作期间，即，在没有故障时，电源10通过在跳闸电路13中的常闭的断路器触头12将AC功率提供到负载11。此外，DC功率从二极管桥15提供到断路器中的微控制器14，二极管桥15将来自电源10的AC功率整流以产生DC输出，DC输出经由电压监测电路16被提供到预电压调节器电路17。预电压调节器电路17又将功率提供到电压调节器18，其给微控制器14提供经调节的DC输入电压。

当故障由断路器探测到时，微控制器14产生跳闸信号，其被提供到跳闸电路13以自动断开断路器触头12并因此中断到负载11的电流的流动。微控制器一般还存储识别跳闸的原因的信息，例如探测到接地故障或电弧击穿故障。

为了在断路器触头12断开时也能够使用微控制器14，可通过使开关20a闭合将功率从辅助电源20例如电池提供到微控制器14。这将辅助电源20连接到电压调节器18，其又给微控制器14供电。将认识到，电池可被直接插入断路器中，而不需要开关。

存在为什么可能期望在断路器触头12断开的同时仍具有操作微控制器14的能力的几个原因。例如，期望能够升级微控制器14的固件或执行分支配线诊断而不需要从负载中心移除断路器和/或避免对电子断路器内的额外处理器开销的需要。作为另一例子，期望在断路器触头由跳闸信号断开的同时能够访问微控制器来确定产生跳闸的故障的类型。

图2中的流程图示出微控制器12中的固件如何允许电子断路器进入提供正常操作模式（例如，故障保护）或交替操作模式（例如，固件升级）的两个相互排他的可选操作模式的任一个。具体地，这两个交替的操作模式允许通过主断路器闭合触头12由主电源给微控制器14供电或当断路器触头12断开时由辅助电源20给微控制器14供电，例如通过使用所有断路器包括的手控柄，其用于手动地控制和重置断路器12。

参考图2，当由任一源供电时，固件进入初始状态，其中微控制器的初始状态在步骤30被重置，诊断在步骤31被初始化，且故障探测在步骤32被初始化。在故障探测初始化之后，系统前进到由一个路径中的步骤33-35和平行路径中的步骤36-37代表的一对并行状态。

在“故障探测”路径中，步骤33对用于探测故障状况的数据（例如，从电压监测电路16得到的数据）采样，且接着步骤34在算法中使用所采样的数据，所述算法被执行来探测故障何时出现。只要没有故障被探测到，则步骤35就产生否定答案，其使系统返回到步骤33以继续对来自电压监测电路16的数据采样。这个循环继续，只要数据继续在步骤33被采样，且没有故障状况由在步骤34执行的算法探测到。

在并行的平行“系统诊断探测”路径中，步骤36通过探测采样开始故障（例如，主AC电压的零交叉的未出现）来探测何时有采样数据的故障。这是一般由固件中的常规监视定时器执行的电子断路器中的标准故障保险诊断特征，并因此代表没有对微控制器14的额外处理器开销。步骤37对在步骤36探测到的故障计数，并确定连续故障的数量何时达到指示真实故障已被探测到的预设“故障计数”。只要步骤37产生否定答案，系统就返回到步骤36以继续监视采样数据故障。这个循环继续，只要预设的“故障计数”未被满足。如果断路器被手动地关掉，即，触头12断开，系统超时且肯定答案被给出。

在步骤35或步骤37的肯定答案使跳闸信号在步骤38产生。跳闸信号被发送到跳闸电路13，其断开主触头12以从断路器系统移除主电源10。在步骤38发出跳闸信号之后，在步骤39开始交替的操作模式。

只有当开关20a被闭合以将辅助电源20连接到电压调节器18以向微控制器14提供功率时，交替的操作模式才继续。如果辅助电源20被连接，则微控制器继续接收功率，且因此各种操作可由微控制器执行。当微控制器由辅助电源20供电时，采样开始事件不出现，因为主触头12是断开的。因此，几个监视超时连续地出现，这引起在步骤37的肯定回答、在步骤38的跳闸信号的产生、以及在步骤39的交替操作模式的开始。在交替的操作模式中，跳闸信号总是存在，所以如果主触头12闭合，则跳闸电路13立即重新断开这些触头。如果例如通过断开开关20a或通过电池达到其寿命尽头而移除辅助电源，则交替的操作模式终止。这在辅助电源存在时提供自我保护特征。

在图2的例证性例子中，系统从步骤39继续进行到“固件更新”例程。该例程的第一步骤是检查微控制器14的通信端口的步骤40，微控制器14接着在步骤41接收并缓存新固件。步骤42接着写入以及检查新的固件，同时主触头12保持断开。如已经提到的，也可在交替模式中执行其它操作，例如检索和显示故障的原因或分支配线诊断。由于主触头12断开，在交替模式期间没有功率被提供到负载11，且因此故障保护是不需要的。这允许操作例如固件更新和显示故障原因在交替模式中被执行，而不从负载中心移除或断开负载电线或断路器。

对主AC电压零交叉使用现有的诊断测试不需要额外的处理器开销来确定何时进入交替的操作模式。处理器开销被定义为使用额外的时钟周期或更多的功率来在发出跳闸信号之前执行操作。监视定时器一般是电子断路器的标准固件的部分，所以没有额外的开销或额外的定时约束。

虽然示出和描述了本发明的特定实施方式和应用，应理解，本发明不限于本文公开的精确结构和组成，以及从前述描述中，各种修改、改变和变更可能是明显的，而不偏离如在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.一种给电子断路器供电的方法，所述电子断路器包括适合于将主电源连接到至少一个负载的可控制机械触头，所述方法包括：

从所述断路器中的控制电路监测从主电源到所述负载的功率流、探测故障状况、响应于探测到故障状况而产生跳闸信号并自动断开所述触头，

当所述触头闭合时将功率从所述主电源提供到所述控制电路，以及

当所述触头断开时将功率从辅助电源提供到所述控制电路。

2.如权利要求1所述的方法，其包括：产生表示从所述主电源到所述负载的功率流的特征的输出信号，对从所述输出信号得到的数据采样并处理所述数据以探测故障状况，以及探测所述数据采样中的故障并响应于在所述数据采样中的探测到的预设数量的故障而产生跳闸信号。

3.如权利要求2所述的方法，其中通过探测由所述主电源提供到所述负载的AC电压中的零交叉的缺乏来探测所述数据采样的所述故障。

4.如权利要求1所述的方法，其包括当所述辅助电源将功率提供到所述控制电路时和当所述触头断开时接收和存储固件升级包。

5.如权利要求1所述的方法，其包括当所述触头断开时和当所述辅助电源将功率提供到所述控制电路时指示引起跳闸信号的产生的故障状况的类型。

6.如权利要求1所述的方法，其包括在当所述触头闭合时的故障保护操作模式和当所述触头断开时的交替操作模式之间自动切换所述控制电路。

7.一种电子断路器，包括：

可控制机械触头，其适合于将主电源连接到至少一个负载，

控制电路，其用于监测从所述主电源到所述负载的功率流、探测故障状况、响应于探测到故障状况而产生跳闸信号以自动断开所述触头，

电压调节器，其用于当所述触头闭合时将功率从所述主电源提供到所述控制电路，以及

辅助电源，其用于当所述触头断开时将功率提供到所述控制电路；以及

至少一个传感器，其耦合到从所述主电源到所述负载的功率流，并产生表示所述功率流的特征的输出信号，且所述控制电路对从所述输出信号得到的数据采样并处理所述数据以探测故障状况，所述控制电路还探测所述数据采样中的故障并响应于在所述数据采样中的预设数量的探测到的故障而产生跳闸信号。

8.如权利要求7所述的电子断路器，其中所述控制电路通过探测由所述主电源提供到所述负载的AC电压中的零交叉的缺乏来探测所述数据采样中的故障。

9.如权利要求7所述的电子断路器，其中当所述辅助电源将功率提供到所述控制电路时和当所述触头断开时，所述控制电路接收和存储固件升级包。

10.如权利要求7所述的电子断路器，其中当所述触头断开时和当所述辅助电源将功率提供到所述控制电路时，所述控制电路指示引起跳闸信号的产生的故障状况的类型。

11.如权利要求7所述的电子断路器，其中所述辅助电源是电池。

12.如权利要求7所述的电子断路器，其包括用于将所述辅助电源耦合到所述控制电路的开关。

13.如权利要求12所述的电子断路器，其中所述控制电路包括微控制器，所述微控制器适合于在所述触头闭合时经由所述触头接收功率或当所述触头断开时经由所述辅助电源接收功率，且所述微控制器被编程为探测故障状况，以响应于探测到故障状况而断开所述触头，并在当所述触头闭合时的故障保护操作模式和当所述触头断开时的交替操作模式之间自动切换。

14.如权利要求13所述的断路器，其中所述微控制器被编程为探测所述电源经由所述触头到所述微控制器的耦合，并在所述电源未经由所述触头耦合到所述微控制器时自动切换到所述交替模式。

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