CN105655968A - 一种用于直流的过流短路保护的电气装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于直流的过流短路保护的电气装置，利用电磁工作。由一个电子电力开关器件Q1、一个限流电感L1，一个电流检测电感L2、一个正温度系数热敏电阻PTC串联后串接在需要控制的电力电子回路中，当电流检测电感L2达到一定的电流值后使常闭机械触点断开，从而造成电力电子开关器件Q1关闭。本电气装置解决了独立式电流保护器的无法很好用于直流高压、体积大、过流时保护效果差、起不到保护电器目的多个缺点，也解决了非独立式电流保护器的级联级数多、动作延时长、可靠性下降的缺点。

Description

一种用于直流的过流短路保护的电气装置
技术领域
一种用于直流的过流短路保护的电气装置，一种在直流电路中发生过流、短路、超载等造成电流值超出某个限定值而触发动作保护的电气装置。
背景技术
在众多与电流保护有关的电气电路中，可分为独立式和非独立式。独立式有：断路器、熔断器、保险丝，一般用于电力电气线路，也可用在电器产品。非独立式有：串接一个低阻值电阻、霍尔电流传感器、中间可穿导线的多匝数线圈包，一般用在电器产品中。
断路器体积大，一般用在交流电器中进线部位，用来防止后级电路产生过流短路时造成进线电气线路损坏，不能很好使用在直流高压（如直流300V），由于体积原因也不能在某电器的进线、出线、电力电子器件的供电主线（如IGBT、MOS母线）上都接装一个断路器。熔断器、保险丝体积小，也用在电器中的进线部位，用来防止后级电路产生剧烈过流短路时造成更严重的问题，一种250VAC3A的熔断器、保险丝在100VAC5A时是不会熔断的，在严重、剧烈短路时熔断器、保险丝才会熔断。一个电器中如果断路器断开了，熔断器、保险丝熔断了，后级的电力电子器件99%肯定已经损坏，不能起到保护电器目的，因为此时电器产品已经损坏。
非独立式无法单独工作，在模拟、数字电路中必须依靠芯片IC放大信号去控制模拟、数字控制器的某个检测脚位使控制器芯片停止工作、关闭输出。在电器产品的低电压电路中，常规的非独立式过流短路保护方法好像很好用，在低压时，电路串接一个低阻值电阻、霍尔电流传感器、中间可穿导线的多匝数线圈包经过芯片放大电压信号后去控制控制芯片的关闭和打开看上去好像也挺正常。但是输出直流电压在200V-1000V时或者更高时，短路这个输出电压，想想都震撼，在电器中实际情况一般是电力电子开关器件瞬间损坏。毫秒级的动作速度为什么会造成电器中的控制器不能及时关闭输出而造成电器损坏呢，可能是由于非独立式级联的级数多、延时长因素造成可靠性下降，也是因为在电器中没有在最需要部位放置过流检测。
发明内容
一种用于直流的过流短路保护的电气装置，利用电磁工作，主要由一个电力电子开关器件Q1、一个限流电感L1，一个电流检测电感L2、一个正温度系数热敏电阻PTC、一个可控硅Q2组成（见图1）。限流电感L1，电流检测电感L2，PTC三者为串联并且可以任意调换排列次序位置。可控硅Q2与常闭机械触点也是串联状态，同样可以任意调换排列次序位置。电力电子开关器件Q1位置不能改变，其MOS的S极必须接输入地GND_IN。本专利的电气装置解决了独立式电流保护器的无法用于直流高压、体积大、过流保护效果差、起不到保护电器目的多个缺点，也解决了非独立式电流保护器的级联级数多、动作延时长、可靠性下降、对噪声信号敏感的缺点。
电流检测电感L2与常闭机械触点组成电流检测机构。在起始状态，由于可控硅Q2是断开的，电力电子开关器件Q1无控制电压，Q1处于关闭状态，此时本专利的电气装置无电压输出。当短接一下并断开开关S1后，可控硅Q2的1、2脚导通，电力电子开关器件Q1有控制电压而闭合导通，这时本专利的电气装置开始输出电压。此时电流检测电感L2上电压较小，产生的电磁力不能断开常闭机械触点。当某种条件使电流检测电感L2产生的电磁力可以造成常闭机械触点断开时，电力电子开关器件Q1的控制端无电压，本专利的电气装置关闭输出回到初始状态，这样便完成过流短路保护动作。
输入端HVDC、GND_IN分别为要保护的直流电气电子线路中的正极、负极，输出端HVDC、GND_OUT也是分别为正极、负极。15VDC用来给电力电子开关器件Q1提供开启电压，电压不一定非要15VDC。
本专利的电气装置的电流检测机构利用电磁工作，电流检测电感L2与常闭机械触点在电气上是隔离的，负载的各种异常噪声信号不会窜入低压控制部位，省掉了隔离电路，能过滤掉噪声电压，对那些有较多噪声的电路中，非独立式过流短路保护器是没有办法很好工作，本专利的电气装置却能应付自如。电流检测机构属于独立式过流保护器，因此工作非常可靠，解决了独立式过流保护器无法很好用于直流高压的情况。在一个电器中，如果要在多处设置过流保护只需在各支路中放置本专利的电气装置。
附图说明
图1为本专利电气装置的电气原理图。
具体实施方式
一种用于直流的过流短路保护的电气装置，地输入GND_IN连接保险丝FS1一端，FS1另一端连接电力电子开关器件Q1的3脚，Q1的2脚连接限流电感L1一端，L1的另一端连接电流检测电感L2一端，L2的另一端连接正温度系数热敏电阻PTC一端，PTC另一端连接地输出GND_OUT，在限流电感L1和电流检测电感L2二端分别并联电阻R1和R2，输入电压15VDC连接可控硅Q2的2脚，Q2的1脚连接受控于L2的常闭机械触点3脚，机械触点4脚连接电力电子开关器件Q1的1脚，电力电子开关器件Q1的1脚和3脚间接上电阻R5，可控硅Q2的3脚连接电阻R4一端，R4的另一端连接开关S1的一端，S1的另一端连接到15VDC。
正温度系数热敏电阻PTC在短路时会发热，造成PTC的电阻上升，从而降低短路电流，在某些电压、电流下PTC可以省去。可控硅Q2、电阻R4、开关S1组成一个电压保持触发电路，按一下开关S1，可控硅Q2会持续导通直到机械触点3和4断路而断开，电阻R5为了防止Q1引脚悬空和为了Q2的1脚和2脚间有足够的导通保持电流。电阻R4为了降低Q2触发电流。电阻R1和R2为了释放在电力电子开关器件Q1断开后L1和L2上产生的电压。
电流检测电感L2和常闭机械触点组成电流检测机构，是本专利电气装置的核心主要构件。常闭机械触点是导电的机械动作触点，可以是干簧管、带衔铁机构的机械触点、磁控开关、磁铁接近开关等在适当电磁力作用下会动作的导电机械触点。干簧管只需要一个空心线圈就能使真空管中的机械触点动作，带衔铁机构的机械触点可以做成继电器形式，这一种L2将会是带铁芯的线圈。初始状态时，常闭机械触点二端是导通的（常闭）。在不同的应用场合，选择不同的合适器件组成电流检测机构。
限流电感L1和电流检测电感L2的总感抗XL＝XL1+XL2起阻碍电流在短路时的上升速度，在电流检测电感L2使常闭机械触点动作断开时，短路电流还没有达到损坏电力电子开关器件Q1或电器中其它的电力电子器件的电流值。当常闭机械触点为干簧管时，电流检测电感L2为空心螺线管，限流电感L1与电流检测电感L2是分离的，为了达到一定的总感抗XL，限流电感L1中可能需要加入铁芯或其它的磁介质，此时L1的感抗不能远远大于L2的感抗。当常闭机械触点为带衔铁机构的机械触点时，电流检测电感L2是中心带磁介质的螺线管，限流电感L1与电流检测电感L2是同一个线圈电感并绕在同一个铁心或其它磁介质上，也可以认为此时L1有极少电感值的直导线。
当常闭机械触点选择用干簧管时，与常闭机械触点搭配的电流检测电感L2是空心螺线管，由公式B＝μ0nI确定相关数值，公式中的n、I相乘后的数值称为安匝（AT），根据需要即可计算出在某个电流值下的匝数，数值比较准确，具体匝数以实际调试为准。在常闭机械触点选择用带衔铁机构的机械触点时，电流检测电感L2是中心带磁介质的螺线管，由公式B=μ0μrH=μ0μrnI确定相关数值，具体以实际调试确定匝数，主要是克服衔铁机构中的弹簧拉力动作。常闭机械触点选择其它磁控开关、磁铁接近开关等在电磁力作用下会动作的导电机械触点时，线圈计算数值都可以从公式B＝μ0nI，公式B=μ0μrH=μ0μrnI分别得出。
在电器中，会将独立式电流保护器放在电器的进线位置，将非独立式电流保护器放在电力电子器件的工作回路里，在一些电源环境，噪声很多，使某些非独立式电流保护器无法正常工作，造成控制芯片不能及时关掉输出而使电力电子器件在高压直流下损坏，一般都是在后级这些电力电子器件损坏短路了，前级进线位置的独立式电流保护器才会动作保护。本专利的电气装置，可以同时在电器的前级、中级、最后输出级放置合适的电流保护、控制机构，本专利的电气装置又能过滤掉大量噪声，又因为本专利的电气装置是独立式的，级联的级数少动作快，所以能起到很好的电器保护。
只要在有控制电压下时能导通的电力电子开关器件都可以代替Q1，为了说明方便以一个MOS管TO-220封装引脚来说明。同样，只要触发一下控制电压时能持续导通的电力电子开关器件都可以代替Q2，为了说明方便以一个双向可控硅的TO-220封装引脚来说明。例如不同封装的IGBT替代MOS管Q1，例如不同封装的单向可控硅替代双向可控硅Q2。
本专利的电气装置中的电力电子器件Q1换成继电器后，由可控硅Q2控制的15VDC电压串接到继电器的输入线圈，继电器的常开常闭机械触点与限流电感L1、电流检测电感L2、PTC串联后连接到交流电路中，本专利的电气装置就可以用在交流电中，从效果来看，不会超过已经交流电中用的非常成熟的交流断路器、空气开关等，除非有一种特殊的环境，断路器、空气开关无法使用的，这时才有用途。同也可以使用一种触发后能保持导通的机械触点来代替可控硅Q2，如继电器。

Claims (10)

1.一种用于直流的过流短路保护的电气装置，其特征在于：地输入GND_IN连接保险丝FS1一端，FS1另一端连接电力电子开关器件Q1的3脚，Q1的2脚连接限流电感L1一端，L1的另一端连接电流检测电感L2一端，L2的另一端连接正温度系数热敏电阻PTC一端，PTC另一端连接地输出GND_OUT，在限流电感L1和电流检测电感L2二端分别并联电阻R1和R2，输入电压15VDC连接可控硅Q2的2脚，Q2的1脚连接受控于L2的常闭机械触点3脚，机械触点4脚连接电力电子开关器件Q1的1脚，电力电子开关器件Q1的1脚和3脚间接上电阻R5，可控硅Q2的3脚连接电阻R4一端，R4的另一端连接开关S1的一端，S1的另一端连接到15VDC。
2.根据权利要求1所述的一种用于直流的过流短路保护的电气装置，其特征在于，限流电感L1和电流检测电感L2可以是分离的也可以是绕在同一个磁介质上的同一个电感。
3.根据权利要求1所述的一种用于直流的过流短路保护的电气装置，其特征在于，按一下并断开S1后，电力电子开关器件Q1持续导通。
4.根据权利要求1所述的一种用于直流的过流短路保护的电气装置，其特征在于，是限流电感L1和电流检测电感L2的总感抗XL＝XL1+XL2阻碍短路电流上升速度，使在常闭机械触点变断开，在电力电子开关器件Q1关断前，电力电子开关器件Q1还没有损坏。
5.根据权利要求1所述的一种用于直流的过流短路保护的电气装置，其特征在于，电流检测电感L2为空心螺线管时的线圈数据由公式B＝μ0nI得出。
6.根据权利要求1所述的一种用于直流的过流短路保护的电气装置，其特征在于，电流检测电感L2为中心带磁介质的螺线管时的线圈数据由公式B=μ0μrH=μ0μrnI得出。
7.根据权利要求1所述的一种用于直流的过流短路保护的电气装置，其特征在于，电流检测机构中的常闭机械触点为受电磁控制的机械触点的装置。
8.根据权利要求1所述的一种用于直流的过流短路保护的电气装置，其特征在于，电力电子开关器件Q1的3脚与地输入GND_IN之间不能有产生压降的电力电子器件。
9.根据权利要求1所述的一种用于直流的过流短路保护的电气装置，其特征在于，限流电感L1，电流检测电感L2，PTC三者为串联并且可以任意调换排列次序位置。
10.根据权利要求1所述的一种用于直流的过流短路保护的电气装置，其特征在于，在过流短路保护动作瞬间，是电流检测电感L2通过电磁作用，控制常闭机械触点由常闭导通变为断开。
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