CN104377094A - 一种低功耗欠压脱扣器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低功耗欠压脱扣器，包括：电磁铁线圈、衔铁、整流电路、降压电路、继电器、线电压检测模块、取样电路、主控模块，存储有额定电压Ue和强启动的电压值，用于采集所述各线电压检测模块的输出电压及电压周期以计算出所述三相电源的各线电压有效字，当所述三相电源的各线电压有效值同时达到额定电压Ue的80%，且取样电路的取样电压达到所述强启动的电压值时，先控制所述常开触点闭合，后控制所述开关电路导通，待所述衔铁吸合后，再控制所述常开触点断开；若任一线电压有效值低于额定电压Ue的50%时，则控制所述开关电路断开。

Description

一种低功耗欠压脱扣器

本申请是申请号为201210227665.7，申请日为2012年7月2日，发明创造名称为“一种低功耗且适用于三相电源的欠压脱扣器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种低功耗且适用于三相电源的欠压脱扣器。

背景技术

欠压脱扣器是断路器，尤其是框架式断路器的重要元件之一。欠电压脱扣器是在它的端电压降至某一规定范围时，使断路器有延时或无延时断开的一种脱扣器，当电源电压下降（甚至缓慢下降）到额定工作电压的70％至35％范围内，欠电压脱扣器应动作（脱扣器线圈失电，线圈内活动衔铁有复位弹簧顶出—脱扣），欠电压脱扣器在电源电压等于脱扣器额定工作电压的35％时，欠电压脱扣器应能防止断路器闭合；电源电压等于或大于85％欠电压脱扣器的额定工作电压时，在热态条件下，应能保证断路器可靠闭合（脱扣器线圈得电，线圈内活动衔铁有线圈电磁力克服弹簧力吸入并保持一定力矩—“吸合”，为断路器可靠合闸提供条件）。欠压脱扣的本质，是防止断路器下级电器设备工作在欠压状态下电流过大后，电器设备自身发热加重的有效措施。

参考上述原则，现有的欠压脱扣器，多半为单相电源工作方式。三相电路中的一体化的欠压脱扣器，还未见有较为成熟的欠压脱扣器方案与产品出现。

而且现有的欠压脱扣器，电路设计多半较为简单或不完善，在干扰较为严重的场合，尤其是中频使用场合附近的断路器，其中的欠压脱扣器常常受到中频干扰而误动作。或者在船用发电机频率变化的场合，因频率变化导致欠压脱扣器误动作。欠压脱扣器的误动作，造成了断路器的误分闸。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种快速启动，低功耗的适用于三相电源的欠压脱扣器。

为解决上述技术问题，本发明提供一种低功耗且适用于三相电源的欠压脱扣器，包括：电磁铁线圈、由所述电磁铁线圈控制的衔铁；整流电路，其输入端与三相电源中的任一线电压相连；降压电路，其输入端与所述整流电路的正输出端相连、其输出端与所述电磁铁线圈的电流输入端相连，用于提供维持衔铁吸合的电压；继电器，其一对常开触点分别与所述整流电路的输出端和所述电磁铁线圈的电流输入端相连；开关电路，所述电磁铁线圈的电流输出端与该开关电路的输入端相连；线电压检测模块，设于所述三相电源的输出端，用于检测至少两组线电压； 取样电路，用于检测所述整流电路的输出电压；主控模块，存储有额定电压Ue和强启动的电压值，用于采集所述各线电压检测模块的输出电压以计算出所述三相电源的各线电压有效字，当所述三相电源的各线电压有效值同时达到额定电压Ue的80%，且取样电路的取样电压达到所述强启动的电压值时，先控制所述常开触点闭合，后控制所述开关电路导通，待所述衔铁吸合后，再控制所述常开触点断开；若任一线电压有效值低于额定电压Ue的50%时，则控制所述开关电路断开。

进一步，所述主控模块还用于：根据采集所述各线电压检测模块的输出电压的上升沿或下降沿获得所述三相电源的线电压的频率或周期，以计算出所述三相电源的各线电压有效值。本发明先通过所述主控模块检测线电压检测模块路输出的采样的电压值和周期，以得到外网（即三相电源）的准确的线电压有效值，能更加准确的判断外网的线电压的有效值是否达到额定电压Ue的80%，所以该脱扣器也非常适合运用到不同频率的场合，特别适合频率为20Hz～65Hz的交流电压。所以还能解决第二个技术问题是提供一种抗谐波且适用于多频率三相电源的欠压脱扣器。

进一步，为了更有效的降低所述电磁铁线圈短路时的电流，避免电路烧毁，在所述整流电路的输入端设一降压电容CK，所述降压电容CK的容抗使短路电流更小。

进一步，为了更好的避免电网中的谐波对脱扣器的干扰，在所述整流电路的输入端设一EMC（ electromagnetic compatibility）电源滤波器。EMC电源滤波器，又名“电磁兼容性滤波器”，主要用于仪器仪表、自动化控制系统中，用来抑制和消除工业自动化系统现场的强电磁干扰和电火花干扰，勘正现场仪器仪表，保证自动化控制系统的安全可靠运行

进一步，为了使所述电磁线圈获得高压，在所述降压电路输入端设一强启动电容C1，充电电压为输入交流电压的                                                倍（约为电磁铁线圈额定工作电压的3~5倍）。开关电路接通瞬间，储能电容C1上电荷全部通过电磁线圈释放，达到“强启动”吸合之目的。

为了避免外围电网对弱电信号的干扰，所述线电压检测模块，包括：与线电压相连的降压电路，与降压电路输出端相连的光电耦合器，所述光耦电路的输出端与所述主控模块相连。

所述主控模块可以是任何型号的单片机（MCU）、片上系统（SOC）、CPLD、FPGA或ARM及DSP。

进一步，为了在需要延时脱扣的场合使用，所述主控模块为一单片机电路，其包括：与单片机相连的适于设定控制所述开关电路延时断开时间的BCD拨码开关。

进一步，所述主控模块、开关电路、继电器的电源部分都由所述降压电路提供。

进一步，为了防止VH电压的倒灌，另一方面阻止所述常开触点断开瞬间所述电磁铁线圈产生的反电势，保护降压电路。所述欠压脱扣器还包括，一二极管D2，所述二极管D2的阳极与所述降压电路的输出端相连，其阴极与所述电磁铁线圈输入端相连。

 一种抗谐波、多频率且适用于三相电源的欠压脱扣器的工作方法，包括：

①当所述欠压脱扣器接入三相电源后，所述主控模块通过线电压检测模块检测并计算所述三相电源的各线电压的有效值；

②当所述的各线电压同时达到所述的额定电压Ue的80%后，所述主控模块对所述整流电路的输出电压进行取样采集，若该输出电压达到所述强启动的电压值时，所述主控模块先控制继电器的连接于所述整流电路的输出端和电磁铁线圈的电流输入端之间的常开触点闭合，再控制与所述电磁铁线圈的电流输出端相连的开关电路导通，以使所述电磁铁线圈得电，即衔铁吸合；

然后，控制所述常开触点断开，即仅由所述降压电路提供维持所述衔铁吸合的电压；

③当任一线电压低于所述的额定电压Ue的50%时，所述主控模块控制所述开关电路断开，以使所述电磁铁线圈失电，即衔铁弹出。

进一步，判断所述电磁铁线圈接入的方法，包括：

A：当所述线电压正常时，若所述取样电压不等于所述维持衔铁吸合的电压值时，则所述主控模块控制开关电路断开；

B：当所述取样电压恢复到所述强启动的电压值，则所述主控模块产生一控制所述开关电路导通，以检测所述电磁铁线圈是否接入的脉冲信号；

C:当所述取样电压下降，则判断所述电磁铁线圈已接入，等待所述取样电压到所述强启动的电压值时，所述主控模块则控制所述开关电路导通以使所述电磁铁线圈得电。

本发明具有以下优点：（1）通过降压电路控制继电器进行启动和维持电压切换，克服了现有欠压脱扣器正常工作时线圈发热量大的问题；通过接入的强启动电容C1，克服了启动力矩小、常有不吸合现象、并使电路设计简单；（2）通过线电压检测模块，同时检测两组线电压，得到三条相线的电压值，并通过单片机来判断输入电压是否达到额定电压的80%，通过检测强启动电压来使脱扣器工作于三相电源，解决了现有欠压脱扣器不能在三相电源下工作等的技术问题；（3）采用单片机来进行欠压控制，能有效的降低功耗；（4）采用的线电压检测模块，其通过光电耦合来实现SA、SB信号的采集，电路简单，隔离效果好；（5）通过单片机及线电压检测模块对电网频率的检测，进一步得到准确的有效值，能保证衔铁吸合达到足够的额定电压，而且拓宽了脱扣器的使用场合；（6）对电网频率的采集能有效的去掉电网中谐波的干扰，与EMC双向滤波电源滤波器配合，更能有效的避免电网中的谐波干扰。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的抗谐波即多频率且适用于三相电源的欠压脱扣器的电路原理图；

图2为本发明的线电压检测模块的电路结构一；

图3为本发明的线电压检测模块的电路结构二；

图4为本发明的所述光电耦合器的伏安关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

本发明的交流分励脱扣器的参数设计符合低压开关设备和控制设备标准：GB14048.1-2006及GB14048.2-2008定义了欠压脱扣器的主要技术参数。在该标准的要求下，例举以下实施例进行说明。

实施例1

见图1-2，一种欠压脱扣器，包括：电磁铁线圈3、由所述电磁铁线圈3控制的衔铁； 整流电路1，其输入端与三相电源中的任一线电压相连；降压电路2，其输入端与所述整流电路1的正输出端相连、其输出端与所述电磁铁线圈3的电流输入端相连，用于提供维持衔铁吸合的电压；继电器4，其一对常开触点分别与所述整流电路1的输出端和所述电磁铁线圈3的电流输入端相连；开关电路7，所述电磁铁线圈3的电流输出端与该开关电路7的输入端相连；线电压检测模块，设于所述三相电源的输出端，用于检测至少两组线电压；取样电路5，用于检测所述整流电路1的输出电压；主控模块8，存储有额定电压Ue和强启动的电压值，用于采集所述各线电压检测模块6的输出电压以计算出所述三相电源的各线电压有效值，当所述三相电源的各线电压有效值同时达到额定电压Ue的80%，且取样电路5的取样电压达到所述强启动的电压值时，先控制所述常开触点闭合，后控制所述开关电路7导通，待所述衔铁吸合后，再控制所述常开触点断开；若任一线电压有效值低于额定电压Ue的50%时，则控制所述开关电路7断开。所述主控模块8还用于：根据采集所述各线电压检测模块的输出电压的上升沿或下降沿获得所述三相电源的线电压的频率或周期，以计算出所述三相电源的各线电压有效值。具体方法是：所述主控模块打开中断以检测线电压检测模块路输出SA、SB信号的上升沿和下降沿，以得到线电压的周期或者频率，并和线电压检测模块路输出的采样的电压值进行计算以得到外网的准确的线电压有效值，能更加准确的判断外网电压的有效值是否达到额定电压Ue的80%，所以该脱扣器也非常适合运用到不同频率的场合，特别适合频率为20Hz～65Hz的交流电压。

在所述整流电路1的输入端设一降压电容CK和EMC电源滤波器。

在所述整流电路1的输出端设一强启动电容C1。

所述线电压检测模块，包括：与线电压相连的降压电路6-1，与降压电路输出端相连的光电耦合器6-2，所述光耦电路6-2的输出端与所述主控模块8相连。

所述线电压检测模块，还可以采用整流电路与一分压电路相连，从分压端进行取样，保持取样电压的线性关系。

所述降压电路还提供所述主控模块、开关电路、继电器的工作电源。

 所述主控模块8为一单片机电路，其包括：与单片机相连的适于设定控制所述开关电路7延时断开时间的BCD拨码开关。

所述主控模块8可以为单片机（MCU）、片上系统（SOC）、CPLD、FPGA或ARM及DSP。

实施例2

见图1-3，在实施例1的基础上，说明该欠压脱扣器主要部分的实施方式。

交流电经过所述整流电路1后，形成全波脉动电压VH向所述强启动电容C1充电。VH电压有降压电路2降压后给所述主控模块8供电，同时提供电源给所述继电器4及开关电路2，所述降压电路2形成电压VO经二极管D2隔离后电压VP为所述电磁铁线圈3供电。电阻R1与R2组成VH的采样回路，采样信号SH送所述主控模块8。

其中所述线电压检测模块包括：分别连接任意两线电压之间的第一线电压检测模块6a和第二线电压检测模块6b；所述主控模块8通过上升沿（或下降沿）中断从第一线电压检测模块（6a）的输出电压SA，第二线电压检测模块（6b）的输出电压SB，获得电网周期时间（频率），并在一个周期内采样SA若干次，应用FFT等方法，解算出对应电网线电压的“有效值”，依据有效值，判断大于标称电压（额定电压）的80%时，所述主控模块8进一步判断电压VH是否同时达到了一定值。当这二个条件都满足时，所述主控模块8控制继电器接通触点①─②，为所述电磁铁线圈3提供一高的启动电压，然后，所述主控模块8控制所述开关电路2接通所述电磁铁线圈3，所述电磁铁线圈3实现了强启动。强启动完成后，所述主控模块8控制所述继电器4断开触点①─②，电压VP维持所述电磁铁线圈3一定力矩。当有效值小于标称电压的50%时，所述主控模块8控制所述开关电路2断开所述电磁铁线圈3的电流，所述电磁铁线圈3内部的复位弹簧将衔铁弹出，衔铁顶开断路器自锁机构，实现断路器的分闸。

在全波整流之后设置隔离二极管D1，使得所述强启动电容C1上的充电电压（VH），不影响电网脉动电压（SP）的信息。为解析电网电压周期、谐波，提供了方便。

本发明中，所述继电器4先行接通触点①─②，所述电磁铁线圈3的启动电压，即为所述强启动电容C1的充电电压（VH），为输入交流电压的倍（为所述电磁铁线圈3额定工作电压的数倍）。所述开关电路2接通瞬间，所述强启动电容C1上电荷全部通过所述电磁铁线圈3释放，达到“强启动”吸合之目的。强启动之功率，所述强启动电容C1容量除满足降压电路最低要求之外，还可以通过适当加大所述强启动电容C1的电容量来进一步优化。

本发明中，所述电磁铁线圈3的电流输入端预先固定连接电压VP，防止触点①─②转换期间，所述电磁铁线圈3失去电压自行断开。当所述电磁铁线圈3强启动之后，通过电压VP维持所述电磁铁线圈3的基本功率，满足所述电磁铁线圈3低功率运行之要求，既实现了大力矩启动，又使得欠压脱扣器整体发热量小，其电路结构简单。

本发明中，降压电路2的输出电压VO经所述二极管D2隔离后形成VP向所述电磁铁线圈3供电，所述二极管D2一方面防止VH电压的倒灌，另一方面阻止触点①─②断开瞬间所述电磁铁线圈3产生的反电势，保护降压电路。

本发明中，输入电压经全波整流，所述隔离二极管D1隔离后向所述强启动C1充电，有降压电路的产生5V、12V及VO电压。此三组电压，与输入电压的频率、谐波无关。

本发明中，所述主控模块8通过线电压检测模块获取的电网周期（频率），准确解析SA、SB信号计算出电网线电压的有效值，有效值与周期相对应。依据有效值，判断大于标称电压的80%时，所述主控模块8进一步判断VH是否同时达到了一定值。当这二个条件都满足时，所述主控模块8控制所述继电器4接通触点①─②，为所述电磁铁线圈3提供一高的启动电压，接着，所述主控模块8控制所述开关电路2接通所述电磁铁线圈3，所述电磁铁线圈3实现了强启动，确保了百分之百吸合。

实施例3

见图1-4，在实施例1-2的基础上，以330V电压、所述主控模块8采用单片机电路为例，说明抗谐波及多频率欠压适用于三相电源的欠压脱扣器主要部分实施方式。

线电压经EMC双向滤波后接所述整流电路1二个输入端。所述整流电路1的正端定义为（VH），负端接地（GND）。

上电后，所述整流电路1将交流电压整流为直流脉动电压SP，经所述隔离二极管D1向所述强启动电容C1充电，充电电压VH为输入交流电压的倍（80%的有效值，约等于430V）。此充电电压有R1与R2串联组成的电压取样电路5，生产采样信号SH送入单片机。电压VH向降压电路供电。

所述降压电路2产生的12V（15V）供所述开关电路7与所述继电器4使用，产生的5V（3.3V）供单片机电路使用，产生的VO（30V）连接到所述二极管D2的阳极。所述二极管D2的阴极接所述电磁铁线圈3的一端，并标记为VP。

所述主控模块8通过上升沿（或下降沿）中断从第一线电压检测模块6a的输出电压SA，第二线电压检测模块6b的输出电压SB， 获得电网周期时间（频率），并在一个周期内采样SA若干次，应用FFT等方法，解算出对应电网线电压的“有效值”，依据有效值，判断大于标称电压（额定电压）的80%时，所述单片机电路进一步判断电压VH是否同时达到了一定值（如大于430V）。当这二个条件都满足时，所述单片机电路控制继电器接通触点①─②，为所述电磁铁线圈3提供一高的启动电压，延时（100ms）后，所述单片机电路控制所述开关电路2接通所述电磁铁线圈3，所述电磁铁线圈3实现了强启动。强启动完成后，继续延时（100ms），所述单片机电路控制所述继电器4断开触点①─②，电压VP维持所述电磁铁线圈3一定力矩。当有效值小于标称电压的50%时，所述单片机电路控制所述开关电路2断开所述电磁铁线圈3的电流，所述电磁铁线圈3内部的复位弹簧将衔铁弹出，衔铁顶开断路器自锁机构，实现断路器的分闸。

单片机电路包括拨码开关在内的辅助电路，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。如三位BCD码拨码开关，分别代表延时0秒、1秒、2秒、3秒、4秒、5秒、10秒、20秒，或其它的时间值。其中0秒延时表示（不延时）“瞬时断开”，10秒表示当输入电压小于Ue的50%后，延时10秒后再断开。

为了进一步说明相电压检测模块的工作原理，说明三相欠压脱扣器主要环节的实施方式。

假设第一线电压检测模块6a连接与A-B之间。电阻R3一端连接于A相，另一端连接于第二整流桥B2的一输入端。所述第二整流桥B2的另一输入端接B相。所述第二整流桥B2输出的正端接所述光电耦合器6-2输入端的阳极，所述第二整流桥B2输出的负端接所述光电耦合器6-2输入端的阴极。所述光电耦合器6-2输出端的集电极接5V，发射极接电阻R4，并连接到单片机。R4的另一端接地。所述光电耦合器6-2可以是线性光电耦合器，如PC817等转移特性为单调函数的光电耦合器。

本发明着重检测“吸合”与“释放（脱扣）”2个点的电压值，通过选取合适的R3、R4的电阻值，可使所述光电耦合器6-2保持线性，以满足电压精确检测的需要，见图4。假设输入电压为50%的Ue时，输出电压SA为1V，对应a点；假设输入电压为80%的Ue时，输出电压SA为3.8V，对应b点。则这种简单的隔离检测电路，完全满足了欠压脱扣检测要求。另外，当发生断相时，输出电压SA为0V,单片机也可容易地分辨出是否断相。

实施例4

在实施例1-3的基础上，所述主控模块8，其解算对应电网电压的“有效值”方法是，通过所述第一、第二线电压检测模块分别得到采样电压SA、SB，所述主控模块开放上升沿或下降沿中断，获取SA、SB信号对应的频率，从而得到线电压的周期，并在一个周期内，将周期时间除以32，得到采样时间，（例如，电网频率50Hz，周期时间为20ms，经全波整流后分成2个正半波，每个正半波周期为10ms。10ms/32==0.3125ms=312us），按此间隔时间进行逐点采样，形成32点的数据库。

可以通过以下两个方法进一步计算出具体的对应电网线电压的“有效值”：

方法一、采用FFT算法（傅里叶算法），用32点数据库“抽取”一次波（基波），用基波判断是否大于80%；该算法对抗干扰后复杂波形，尤其是对抗严重干扰的波形的效果理想。

 

方法二、采用有效值算法，即；其中ui为输入交流电压的瞬时值，该损失值可以用输入到所述主控模块8的采样信号进行补偿得到；该算法对抗干高次谐波不严重的波形（THD总谐波失真小于15%），效果理想。

实施例5

见图1-2，在实施例1-4的基础上，一种抗谐波、多频率且适用于三相电源的欠压脱扣器的工作方法，包括：

①当所述欠压脱扣器接入三相电源后，所述主控模块8通过线电压检测模块6检测并计算所述三相电源的各线电压的有效值；

②当所述的各线电压同时达到所述的额定电压Ue的80%后，所述主控模块8对所述整流电路1的输出电压进行取样采集，若该输出电压达到所述强启动的电压值时，所述主控模块8先控制继电器4的连接于所述整流电路1的输出端和电磁铁线圈3的电流输入端之间的常开触点闭合，再控制与所述电磁铁线圈3的电流输出端相连的开关电路7导通，以使所述电磁铁线圈3得电，即衔铁吸合；

然后，控制所述常开触点断开，即仅由所述降压电路2提供维持所述衔铁吸合的电压；

③当任一线电压低于所述的额定电压Ue的50%时，所述主控模块8控制所述开关电路7断开，以使所述电磁铁线圈3失电，即衔铁弹出。

判断所述电磁铁线圈3接入的方法，包括：

A：当所述线电压正常时，若所述取样电压不等于所述维持衔铁吸合的电压值时，则所述主控模块8控制开关电路7断开；

B：当所述取样电压恢复到所述强启动的电压值，则所述主控模块6产生一控制所述开关电路7导通，以检测所述电磁铁线圈3是否接入的脉冲信号；

C:当所述取样电压下降，则判断所述电磁铁线圈3已接入，等待所述取样电压到所述强启动的电压值时，所述主控模块6则控制所述开关电路2导通以使所述电磁铁线圈3得电。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。 

Claims (1)

1.一种低功耗欠压脱扣器，包括：电磁铁线圈（3）、由所述电磁铁线圈（3）控制的衔铁；其特征在于还包括：

整流电路（1），其输入端与三相电源中的任一线电压相连；

降压电路（2），其输入端与所述整流电路（1）的正输出端相连、其输出端与所述电磁铁线圈（3）的电流输入端相连，用于提供维持衔铁吸合的电压；

继电器（4），其一对常开触点分别与所述整流电路（1）的输出端和所述电磁铁线圈（3）的电流输入端相连；

开关电路（7），所述电磁铁线圈（3）的电流输出端与该开关电路（7）的输入端相连；

线电压检测模块，设于所述三相电源的输出端，用于检测至少两组线电压； 

取样电路（5），用于检测所述整流电路（1）的输出电压；

主控模块（8），存储有额定电压Ue和强启动的电压值，用于采集所述各线电压检测模块（6）的输出电压以计算出所述三相电源的各线电压有效值，当所述三相电源的各线电压有效值同时达到额定电压Ue的80%，且取样电路（5）的取样电压达到所述强启动的电压值时，先控制所述常开触点闭合，后控制所述开关电路（7）导通，待所述衔铁吸合后，再控制所述常开触点断开；若任一线电压有效值低于额定电压Ue的50%时，则控制所述开关电路（7）断开；

所述主控模块（8）为一单片机电路，其包括：与单片机相连的适于设定控制所述开关电路（7）延时断开时间的BCD拨码开关；

所述欠压脱扣器还包括，一二极管（D2），所述二极管（D2）的阳极与所述降压电路（2）的输出端相连，其阴极与所述电磁铁线圈（3）输入端相连。