CN103683184B

CN103683184B - 欠压-过压保护装置及方法

Info

Publication number: CN103683184B
Application number: CN201210320759.9A
Authority: CN
Inventors: 包章尧; 熊焘; 张红申; 杨林
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: CN103683184A

Abstract

本发明提出了一种欠压‑过压检测装置。该检测装置包括：过压检测电路，当其输入高于第一预定阈值时，经延时后产生一个触发信号，其中，单相线路采样电压耦合到所述输入；欠压检测电路，用于在检测到所述线路采样电压低于第二预定阈值时，产生欠压指示信号；变换电路，用于将所述欠压指示信号转换为一个高于所述第一预定阈值的伪过压输出，其中，所述伪过压输出以与所述线路采样电压求或的方式耦合到所述过压检测电路的输入；开关元件，响应于所述触发信号而导通，以使得与之连接的脱扣线圈执行脱扣动作。

Description

欠压-过压保护装置及方法

技术领域

本发明涉及配电系统供电领域，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。相反，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接通线路。

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100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提供单相电源。保护装置100设置在用电设备侧，且包括两个脱扣线圈110和120。脱扣线圈110用于在检测到欠压时执行脱扣动作。检测单元140用于在检测到过压时驱动线圈120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断开供电线路到用电设备150的电连接。

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，在中国实用新型专利CN202353175U中提出了一种仅使用一个脱扣线圈来实现欠压、过压保护的方案。在该专利中，使用了4个比较器来分别实现三相的过欠压判断，而且无论比较器检测到过压还是欠压都在延时后控制唯一的一个脱扣线圈动作。

发明内容

本发明旨在提出了一种用于电源系统单相的欠压-过压保护装置及方法。这种欠压-过压保护装置能够用较少的元件实现过欠压检测。而且，优选地，还可以使用成本相对较低的芯片来实现。

根据本发明一个方面，欠压-过压检测装置包括：过压检测电路，当其输入高于第一预定阈值时，经延时后产生一个触发信号，其中，单相线路采样电压耦合到所述输入；欠压检测电路，用于在检测到所述线路采样电压低于第二预定阈值时，产生欠压指示信号；变换电路，用于将所述欠压指示信号转换为一个高于所述第一预定阈值的伪过压输出，其中，所述伪过压输出以与所述线路采样电压求或的方式耦合到所述过压检测电路的输入；开关元件，响应于所述触发信号而导通，以使得与之连接的脱扣线圈执行脱扣动作。优选地，所述过压检测电路和所述欠压检测电路中的每一个包括：比较器和电压检测芯片中任意一个。更为优选地，所述欠压检测电路包括比较器，且所述过压检测电路包括具有延时功能的电压检测芯片。

在一个优选实施例中，所述伪过压输入与所述线路电压采样值经过线或耦合到所述过压检测电路的输入。

在一个优选实施例中，所述变换电路包括串联分压电路，其中所述串联分压电路的分压点耦合到所述过压检测电路的输入，且所述分压点和地之间连接有电容。优选地，该欠压-过压检测装置还包括延时电路，其耦合到所述过压检测电路的输出端，以对所述触发信号延时。更为优选地，该欠压-过压检测装置，还包括稳压电路，用于从线路电压取电提供稳定的直流电源。

根据本发明另一个方面，还提出一种欠压-过压保护装置，其包括：连接到供电线路上的断路器；能够驱动所述断路器断开连接的脱扣线圈；至少一个如上所述的欠压-过压检测装置，其连接到所述脱扣线圈，用于在检测到单相供电线路上出现过压或欠压时，触发所述脱扣线圈执行脱扣，以驱动所述断路器断开供电线路。

根据本发明又一个方面，还提出一种欠压-过压保护方法，该方法包括：在检测到所述线路采样电压低于第二预定阈值时，产生欠压指示信号；将所述欠压指示信号转换为一个高于第一预定阈值的伪过压输出；在单相线路采样电压高于第一预定阈值时，或者所述伪过压输出高于第一预定阈值时，经延时后，产生一个触发信号；响应于所述触发信号，使得脱扣线圈执行脱扣动作。优选地，所述伪过压输出与所述线路电压采样值经过线或处理。更为优选地，所述伪过压输出是通过串联分压所述欠压指示信号而得到的。更为优选地，该方法还包括：响应于所述脱扣动作，连接在线路中的断路器断开。

本发明提出的欠压-过压检测方法和装置，在检测到欠压时可通过向过压检测电路输出一个伪过压信号来促使该过压检测电路输出触发信号，以驱动脱扣线圈动作。由此，过压检测电路不仅完成过压检测任务，还充当了欠压时的触发信号产生单元。这一点与现有的设计不同。现有设计多为欠压、过压检测分别输出检测信号，再由随后的触发信号产生单元形成触发信号。相较于现有设计，本发明的设计能够在保证性能不变的情况下，进一步减少元件的数量，从而节约了成本和功耗，并降低了电路的复杂性。

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-过压检测装置的结构示意图；

图3示出根据本发明一个优选实施例的欠压-过压检测装置的电路原理图；

图4示出电压检测芯片的输出波形；

图5示出根据本发明一个实施例的欠压-过压检测方法的流程图。

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-过压检测装置200的原理图。根据本发明一个实施例的检测装置200总体上在检测到单相的线路电压出现过压或者欠压时驱动单个脱扣线圈120执行脱扣动作，从而促使线路上的断路器130及时切断供电。具体地，如图2所示，检测装置200的输入连接到一个采样电路190。该采样电路190对线路电压进行采样，得到线路采样电压V_Line。检测装置200的输出可驱动单个脱扣线圈120执行脱扣动作。检测装置200包括过压检测电路210、欠压检测电路220、变换电路230以及开关元件240。

在图2中，过压检测电路210的输入端耦合到采样电路190，以获取线路采样电压V_Line。过压检测电路210内部可例如至少实现比较和延时的功能。例如，当线路采样电压V_Line超过一个参考电压V_H时，得到一个过压指示信号S_over-voltage。这里，参考电压V_H对应于一个过压阈值，例如正常工作电压的120%。进而，该过压指示信号S_over-voltage经延时后形成一个触发信号Tr。过压检测电路210输出该触发信号Tr，即可控制开关元件240导通，从而驱动脱扣线圈110执行脱扣动作。

在图2中，欠压检测电路220的输入端同样耦合到采样电路190，以获取线路采样电压V_Line。欠压检测电路210内部可例如至少实现比较功能，即，当线路采样电压V_Line低于该参考电压V_L时，得到一个欠压指示信号S_{under-voltage}。这里，参考电压V_L对应于一个欠压阈值，例如正常工作电压的80%。该欠压指示信号S_{under-voltage}输出给变换电路230。

变换电路230将欠压检测电路220的输出变换成过压检测电路210的输入电压范围内的值。例如，变换电路230能够将有效的欠压指示信号S_{under-voltage}变换成并输出为一个超过参考电压V_H的伪过压输出V_pseudo。变换电路230的输出V_pseudo耦合到过压检测210的输入端。优选地，变换电路230的输出V_psuedo与来自采样电路190的输出V_Line经过或逻辑（OR）处理后再送入过压检测电路210的输入端。这里，或逻辑可以采用一个或逻辑单元来实现，也可以采用如图3所示的线或（Line-OR）来实现。

如图2所示，过压检测电路210的输入端不仅耦合到采样电路190，还耦合到变换电路230的输出。由此，当输入为超过V_H的伪过压输出V_psuedo时，过压检测电路210经比较同样得到过压指示信号S_over-voltage，并进而经延时后输出有效的触发信号Tr给开关元件240。与出现过压的情况相同，响应于该触发信号Tr，开关元件240导通，从而驱动脱扣线圈执行脱扣动作。

采用图2所示的检测电路200，在检测到欠压时可通过向过压检测电路210输出一个伪过压信号来促使该过压检测电路210输出触发信号Tr，以驱动脱扣线圈110动作。由此，过压检测电路210不仅完成过压检测任务，还充当了欠压时的触发信号产生单元。这一点与现有的设计不同。现有设计多为欠压、过压检测分别输出检测信号，再由随后的触发信号产生单元形成触发信号。相较于现有设计，本发明的设计能够在保证性能不变的情况下，进一步减少元件的数量，从而节约了成本和功耗，并降低了电路的复杂性。

在图2所示的例子中，过压检测电路210和欠压检测电路220分别可由比较器、电压检测芯片、或类似地具有比较功能的器件来实现。例如，过压检测电路210可以实现为一个比较器和一个连接到该比较器的阻容（RC）延时电路。欠压检测电路220也可以由一个比较器实现，或者采用一个适合的电压检测芯片来实现。变换电路230可以采用例如串联分压电路或者电平转换电路来实现。这些电路的各种组合对于本领域技术人员而言同样也是显而易见的。

图3示例性地示出了一种优选的检测装置的电路图。如图3所示，脱扣线圈110和一个可变电阻V串联在线路L和N之间。整流电路D1对线路电压进行整流，其输出连接到采样电路190。采样电路190为串联在整流电路D1的正向输出端和负向输出端（GND）之间的串联的电阻，其中在连接到GND的电阻R1上（即点Q）获取采样电压，且电阻R1的两端并联有电容C1。

在图3中，欠压检测电路320为一个比较器。该比较器的正向输入端连接有一个参考电压V_L，负向输入端耦合到采样电路190的Q点。比较器的输出端经二极管D2输出到变换电路330。该参考电压V_L对应于线路电压的欠压阈值，且该参考电压V_L经一个由电阻R2和R3组成的分压电路从一个稳压直流电源325处获得。在图3所示的例子中，稳压直流电源325从整流电路D1上得电，且其包括与电阻串联的稳压管D2。其中稳压管D2和电容C2并联且在稳压管D2的负极提供稳定的直流电源Vcc，例如12V。

在图3中，变换电路330包括串联在欠压检测电路320的输出端和GND之间的串联电阻R4和R5。其中，连接到GND的电阻R5和电容C3并联。变换电路330的输出为电容C3的上端P点的电压V_P。变换电路330配置成，当欠压检测电路320的输出为有效的欠压指示信号S_{under-voltage}时，输出电压V_P为一个高于过压检测电路310的参考电压V_H的伪过压输出V_pseudo。

图3中，过压检测电路310为一个带有延迟功能的电压检测芯片，其释放电压Vr和检测电压Vd的大小可以根据实际电路的需求灵活选择。在本实施例中，例如，检测电压为1.9V，释放电压为2.1V。该检测电压和释放电压之间的均值大体对应于系统的过压阈值。电压检测芯片的输入端VDD经由一个二极管D5连接到采样电路190的点Q，同时还经一个二极管D4耦合到变换电路330的点P。这样，采样电路190的输出以及变换电路330的输出经线或输入到电压检测芯片。如果该输入超过释放电压Vr，且在预定延时时间段内没有低于检测电压Vd，则电压检测芯片输出为有效的触发信号Tr。图4示例性地示出了带延时的电压检测芯片输入电压VDD和输出电压Vout的波形图。如图4所示，当输入低于检测电压Vd时，电压检测芯片输出变为低；当输入高于释放电压Vr且在预定时间内没有低于检测电压Vd时，电压检测芯片输出变为高。由此，无论过压还是欠压，电压检测芯片都可以正确地输出有效的触发信号Tr。

在图3中，触发信号Tr耦合到作为开关元件的可控硅340。可控硅340在触发信号Tr的触发下导通。可控硅340的导通导致整流电路D1之后的所有负载被短路，瞬间脱扣线圈110获得一个大电流，并由此而执行脱扣动作。在图3所示的例子中，为了维持触发信号Tr的稳定，在过压检测电路的输出端还连接有RC并联的延时电路315。图3中的可控硅340还可以替换为其他受控开关元件，例如晶闸管、继电器等。

图5示例性地示出了根据本发明上述思想的欠压、过压检测方法的流程图。如图5所示，在步骤S510，获得线路采样电压V_Line。在步骤S520，判断线路采样电压V_Line是否低于用于欠压判断的参考电压V_L。如果步骤S520的判断结果是肯定的，则在步骤S540产生欠压指示信号S_{under-voltage}。继而，在步骤S530，将欠压指示信号S_{under-voltage}转换为一个高于参考电压V_H的伪过压输出V_pseudo，然后方法流程行进到步骤S540。在步骤S540，判断线路采样电压V_Line是否高于用于过压判断的参考电压V_H，以及该伪过压输出V_pseudo是否高于参考电压V_H。如果步骤S540的两个判断结果中任一是肯定的，则在步骤S550中经延时后，产生一个触发信号Tr。响应于步骤S540输出的触发信号Tr，在步骤S560开关元件导通，从而在步骤S570驱动脱扣线圈执行脱扣动作。

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

1.一种欠压-过压检测装置，该装置(200,300)包括：

过压检测电路(210，310)，当其输入高于第一预定阈值(V_H)时，经延时后产生一个触发信号(Tr)，其中，单相线路采样电压(V_Line)耦合到所述输入；

欠压检测电路(220，320)，用于在检测到所述单相线路采样电压(V_Line)低于第二预定阈值(V_L)时，产生欠压指示信号(S_{under-voltage})；

变换电路(230，330)，用于将所述欠压指示信号(S_{under-voltage})转换为一个高于所述第一预定阈值(V_H)的伪过压输出(V_pseudo)，其中，所述伪过压输出(V_pseudo)以与所述线路采样电压求或的方式耦合到所述过压检测电路(210，310)的输入；

开关元件(240，340)，响应于所述触发信号(Tr)而导通，以使得与之连接的脱扣线圈(110)执行脱扣动作；所述欠压检测电路(320)包括比较器，且所述过压检测电路(310)包括具有延时功能的电压检测芯片；

其中所述伪过压输出(V_pseudo)与所述单相线路采样电压(V_Line)经过线或(Line-OR)耦合到所述过压检测电路(210)的输入。

2.如权利要求1所述的欠压-过压检测装置，其中所述变换电路(330)包括串联分压电路(R4，R5)，其中所述串联分压电路的分压点(P)耦合到所述过压检测电路(310)的输入，且所述分压点(P)和地(GND)之间连接有电容(C3)。

3.如权利要求1所述的欠压-过压检测装置，还包括延时电路(315)，其耦合到所述过压检测电路(310)的输出端，以对所述触发信号(Tr)延时。

4.一种欠压-过压保护装置，包括：

连接到供电线路上的断路器(130)；

能够驱动所述断路器断开连接的脱扣线圈(120)；

至少一个如权利要求1-3中任一所述的欠压-过压检测装置，其连接到所述脱扣线圈(120)，用于在检测到单相供电线路上出现过压或欠压时，触发所述脱扣线圈执行脱扣，以驱动所述断路器断开供电线路。

5.一种进行欠压-过压保护的方法，包括：

在检测到单相线路采样电压(V_Line)低于第二预定阈值(V_L)时，产生欠压指示信号(S_{under-voltage})；

将所述欠压指示信号(S_{under-voltage})转换为一个高于第一预定阈值(V_H)的伪过压输出(V_pseudo)，

在单相线路采样电压(V_Line)高于第一预定阈值(V_H)时，或者所述伪过压输出(V_pseudo)高于第一预定阈值(V_H)时，经延时后，产生一个触发信号(Tr)；

响应于所述触发信号(Tr)，使得脱扣线圈执行脱扣动作。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述伪过压输出(V_pseudo)与所述单相线路采样电压(V_Line)经过线或(Line-OR)处理。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述伪过压输出(V_pseudo)是通过串联分压所述欠压指示信号而得到的。