CN106992493A - 一种过载保护检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种过载保护检测电路，包含：电流互感器，用于检测供电线路上的电流，并输出与供电线路上电流相对应的电流信号；采样整流电路，其输入端与电流互感器的输出端连接，用于对电流互感器产生的电流信号进行采样整形后输出；波形检测电路，其输入端与采样整流电路的输出端连接，用于对采样整流电路的输出信号的波形特征进行判断，输出波形判断结果；自适应延时电路，其输入端与波形检测电路的输出端连接，用于根据波形检测电路的波形判断结果产生对应的延时，并输出动作信号；驱动电路，其输入端与自适应延时电路的输出端连接，用于根据自适应延时电路的动作信号驱动断路器开关。本发明能够根据过载电流的大小自动调整延时的大小。

Description

一种过载保护检测电路
技术领域
本发明涉及电路保护技术领域，具体涉及一种过载保护检测电路。
背景技术
现有技术中的家用小型断路器中通常采用双金属片进行过载保护，当有电流流过双金属片时，双金属片本身以及触点发热，致使双金属片发生弯曲形变，当电流达到一定程度以后，弯曲形变使得断路器脱扣机构动作，断开电源。但是双金属片过载保护装置存在以下问题，1.由于触点的接触电阻很难控制，使得动作阈值和动作延时的一致性较差；2.触点接触电阻和环境温度对断路器动作阈值影响很大，容易发生老化和温度漂移；为此，业内采用电子式保护装置改善双金属片带来的问题，公开号为CN104953537A的发明专利公开了一种电子装置，该装置利用分立元器件实现了过载保护功能，但该装置仅能用于单点检测，无法满足国家标准GB16917.1关于过载保护动作延时的要求，且由于该电子装置延时不可根据电流大小动态调整，因此无法兼顾弱过流和强过流的情况，阈值电流设置过低时容易发生误动作，阈值电流设置过高时对于弱过流的情况无法有效地检测。
采用电流互感器进行电流检测是一种公知的方案，但电流互感器需工作在非磁饱和状态，即当被测信号为正弦信号时，电流互感器的输出也需要是很好的正弦信号。当被测信号幅度较大时，电流互感器内的磁芯发生磁饱和，使得电流互感器的电流输出波形发生畸变。为了在大电流条件下保持电流互感器的磁芯处于非饱和状态，需增大磁芯的横截面积以增大磁通量。因此在大电流的检测应用场合中，电流互感器的体积需要很大以维持较高的饱和电流阈值。使得这种方案无法直接用于家用的小型断路器开关中。授权公告号为CN100414798C的专利文献公开了一种对于类似畸变波形的检测方案，该方案在检测电路中增加了一个截止频率为电路系统基频（50Hz或60Hz）的2倍到4倍之间的低通滤波器对畸变波形进行整形，用于A型漏电保护器，由于低通滤波器将输入信号的高频部分滤除，使得经过滤波器的信号发生失真，无法用于过载保护的应用中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种过载保护检测电路，在磁感应线圈饱和的情况下能够检测过载感应电流的波形特征，且能够根据过载电流的大小自动调整延时的大小。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种过载保护检测电路，用于小型断路器中，其特点是，该过载保护检测电路包含：
电流互感器，用于检测供电线路上的电流，并输出与供电线路上电流相对应的电流信号；
采样整流电路，其输入端与所述电流互感器的输出端连接，用于对电流互感器产生的电流信号进行采样整形后输出；
波形检测电路，其输入端与所述采样整流电路的输出端连接，用于对采样整流电路的输出信号的波形特征进行判断，输出波形判断结果；
自适应延时电路，其输入端与所述波形检测电路的输出端连接，用于根据波形检测电路的波形判断结果产生对应的延时，经过延时后，输出动作信号；
驱动电路，其输入端与所述自适应延时电路的输出端连接，用于根据自适应延时电路的动作信号驱动断路器开关。
所述的采样整流电路包含：
采样电阻，其两端分别连接电流互感器的两端，用于将电流互感器采集的电流信号转换成电压信号；
放大器，所述放大器的正向输入端及负向输入端分别连接采样电阻的两端，用于输出放大后的交流信号；
整流单元，其输入端与所述放大器的输出端连接，用于对放大器输出的交流信号进行整流，所述整流单元的输出端与所述波形检测电路的输入端连接。
所述的波形检测电路用于量化采样整流电路的输出信号的波形幅度信息及波形宽度信息。
所述的波形检测电路包含若干级第一比较器，其中每一级的第一比较器的正向输入端与所述采样整流电路的输出端连接，每一级的第一比较器的负向输入端分别通过一电阻连接至电源，每一级的第一比较器的输出端分别连接至自适应延时电路的输入端。
所述的自适应延时电路由模拟电路实现；或者所述的自适应延时电路由数字电路实现。
所述的自适应延时电路包含一电容器、一第二比较器及若干个电流源；其中
所述电容器的上极板与所述第二比较器的正向输入端连接；
所述电容器的下极板接地；
所述第二比较器的负向输入端连接一直流参考电平；
所述第二比较器的输出端为自适应延时电路的输出端，用于输出动作信号；
所述的电流源与波形检测电路的若干级第一比较器对应设置，每一电流源的输出端分别与电容器的上极板连接，用于向电容器充电，每一电流源包含一控制开关，每一控制开关与对应的第一比较器的输出端连接，所述第一比较器的输出信号用于控制充电电流的权重。
所述的自适应延时电路包含若干级与波形检测电路的第一比较器对应设置的第一加/减法计数器及若干级与波形检测电路的第一比较器对应设置的第二加/减法计数器；其中，每一级的第一加/减法计数器的CLK1输入端口均与一第一时钟源连接，每一级的第一加/减法计数器的SCO输入端口均与第一级的第一比较器的输出端口连接，每一级的第一加/减法计数器的SCK输入端口分别与对应的第一比较器的输出端口连接，下一级的第一加/减法计数器的CLK0输入端口与上一级的第一加/减法计数器的CO输出端口连接，第一级的第一加/减法计数器的CLK0输入端口与一第二时钟源连接；最后一级的第一加/减法计数器的CO输出端口与第一级的第二加/减法计数器的CLK输入端口连接，下一级的第二加/减法计数器的CLK输入端口与上一级的第二加/减法计数器的CO输出端口连接，每一级的第二加/减法计数器的SCO输入端口均与第一级的第一比较器的输出端口连接，最后一级的第二加/减法计数器的CO输出端口被配置为自适应延时电路的输出端，用于输出动作信号。
所述的第一加/减法计数器包含依次连接的第一多路选择器、第一D触发器及第二多路选择器，其中，第一多路选择器的D1端口、D0端口和S端口分别被配置为第一加/减法计数器的CLK1输入端口、CLK0输入端口和SCK输入端口，第一多路选择器的S端口与第一D触发器的CLK端口连接，第一D触发器的D端口与第一D触发器的QN端口连接，第二多路选择器的D1端口和D0端口分别与第一D触发器的Q端口和QN端口连接，第二多路选择器的S端口和Y端口分别被配置为第一加/减法计数器的SCO输入端口和CO输出端口。
所述的第二加/减法计数器包含依次连接的第二D触发器及第三多路选择器，所述的第二D触发器的CLK端口被配置为第二加/减法计数器的CLK端口，第二D触发器的D端口与第二D触发器的QN端口连接，第三多路选择器的D1端口和D0端口分别与第一D触发器的Q端口和QN端口连接，第三多路选择器的S端口和Y端口分别被配置为第二加/减法计数器的SCO输入端口和CO输出端口。
所述的波形检测电路输出的波形判断结果中，当波形幅度使得所有第一比较器的输出电平都为低电平时，第一加/减法计数器和第二加/减法计数器进行减法计数，直到第一加/减法计数器和第二加/减法计数器的输出减小到零。
本发明一种过载保护检测电路与现有技术相比具有以下优点：由于设有波形检测电路，能够对采集到的整个信号波形进行检测，即使在电流互感器输出波形发生严重畸变的情况下，仍可有效地检测到过载信号，使得电流互感器可以工作在磁饱和状态， 进而可以大大减小电流互感器内磁芯的大小以及电流互感器本身的体积，从而可用于小型断路器开关；由于设有自适应延时电路，可根据输入波形的特征动态调整延迟时间，可有效防止误动作，同时满足国标GB16917.1中有关过载保护延时的规定。
附图说明
图1为本发明一种过载保护检测电路的整体结构示意图；
图2A为电流互感器在严重磁饱和条件下的输入波形；
图2B为电流互感器在严重磁饱和条件下的输出波形；
图3为电流互感器的输出信号经过采样整流电路的采样整形后输出的波形；
图4为波形检测电路的整体结构示意图；
图5为波形检测电路和自适应延时电路内部各节点的波形示意图；
图6为实施例一中自适应延时电路的整体结构示意图；
图7为实施例二中自适应延时电路的整体结构示意图；
图8为实施例测试结果图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，一种过载保护检测电路，用于小型断路器中，该过载保护检测电路包含：依次连接的电流互感器100、采样整流电路200、波形检测电路300、自适应延时电路400及驱动电路500。
如图1所示，电流互感器100，用于检测供电线路上的电流，并输出与供电线路上电流相对应的电流信号；具体地，图1中表示了一种具体地电流互感器100的结构，火线600穿过带有磁环的线圈700形成电流互感器100，图中所用线圈与一般低压漏电保护装置中用的感应线圈相同，其铁芯材料通常为铁氧体材料，且体积较小。这种用于漏电保护装置中磁感应线圈的饱和电流阈值在10A左右。当火线上的电流超过10A时，磁感应线圈感应出的电流将发生形变，以整定电流的为32A的小型断路器为例，火线上的电流为46.4A（32A*1.45）时，电流互感器的输入、输出电流波形分别如图2A及图2B所示。
如图1所示，采样整流电路200，其输入端与所述电流互感器100的输出端连接，用于对电流互感器100产生的电流信号进行采样整形后输出。在本实施例中，所述的采样整流电路200包含：采样电阻201，其两端分别连接电流互感器100的两端，用于将电流互感器100采集的电流信号转换成电压信号；放大器202，所述放大器202的正向输入端及负向输入端分别连接采样电阻201的两端，用于输出放大后的交流信号；整流单元203，其输入端与所述放大器202的输出端连接，用于对放大器202输出的交流信号进行整理，所述整流单元203的输出端与所述波形检测电路300的输入端连接，从采样整流电路200输出的波形如图3所示。
如图1并结合图4所示，波形检测电路300，其输入端与所述采样整流电路200的输出端连接，用于对采样整流电路200的输出信号的波形特征进行判断，输出波形判断结果。在本实施例中，所述的波形检测电路300用于量化采样整流电路200的输出信号的波形幅度信息及波形宽度信息。优选地，如图4所示，所述的波形检测电路300包含八个第一比较器，分别为CMP1、CMP2、…… 、CMP8，其中每一第一比较器的正向输入端与所述采样整流电路200的输出端连接，每一第一比较器的负向输入端分别通过一电阻R连接至电源，每一第一比较器的输出端分别连接至自适应延时电路400的输入端。在本实施例中，CMP1、CMP2、…… 、CMP8的参考电压大小依次递增，可由电阻R对电源分压产生，或者由其他基准发生电路（如Bandgap电路）产生；第一比较器的参考电平根据线圈磁饱和特性不同而不同，实际应用中主要是依据实验结果而定，但总的原则是CMP1的参考电平低于CMP2的参考电平，CMP2的参考电平低于CMP3的参考电平，以此类推。在一个优选实施例中，Vref1=1.23V，vref2=1.57V，Vref3=1.91V，Vref4=2.25V，Vref5=2.59V，Vref6=2.93V，Vref7=3.27V，Vref8=3.51V。
图5示出了波形检测电路对采样整流电路输出的检测结果，八个比较器的输出信号分别给出了被检测波形在每个电压档位的宽度，这样，被检测信号波形的幅度和宽度信息被波形检测电路完全量化。
在本发明中，自适应延时电路400可以由模拟电路实现也可以由数字电路实现，具体地实施例一中给出了以模拟电路实现自适应延时电路的结构图；施例二中给出了以数字电路实现自适应延时电路的结构图。
如图6所示，自适应延时电路400采用模拟电路实现，其输入端与所述波形检测电路300的输出端连接，用于根据波形检测电路300的波形判断结果产生对应的延时，经过延时后，输出动作信号。所述的自适应延时电路400包含一电容器C、一第二比较器及若干个电流源；其中，所述电容器C的上极板与所述第二比较器的正向输入端连接；所述电容器的下极板接地；所述第二比较器的负向输入端连接一直流参考电平VREF；所述第二比较器的输出端为自适应延时电路400的输出端，用于输出动作信号；所述的电流源与第一比较器对应设置，每一电流源的输出端分别与电容器C的上极板连接，用于向电容器C充电，每一电流源包含一控制开关，每一控制开关与对应的第一比较器的输出端连接，所述第一比较器的输出信号用于控制充电电流的权重。如图6所示，例如CMP1输出信号CMPOUT1控制的充电电流大小为I0，CMP2输出信号CMPOUT2控制的充电电流大小为2*I0，…… ，依此类推。电流源电流大小可表示为In+1=Cn*In，其中Cn为比例常数，在本发明的优选实施例中，C1=C2=C3=2，即相邻各级第一比较器之间电流大小为2倍；阈值越高的第一比较器的输出信号控制的充电电流权重越大。电容C上极板的电压VCAP输出到第二比较器的正向输入端，与直流参考电平VREF进行比较，当电容C上极板的电压VCAP大于直流参考电平VREF时，第二比较器输出端TRIG，即动作信号变为高电平。图5表示出图3所示波形对应的电容电压VCAP的波形曲线，从图中可以看出波形的幅度越高电容充电电流越大，VCAP电压达到VREF的速度越快，使得延时越短。
如图7所示，自适应延时电路400采用数字电路实现，所述的自适应延时电路400包含若干级与波形检测电路300的第一比较器对应设置的第一加/减法计数器401及若干级与波形检测电路300的第一比较器对应设置的第二加/减法计数器402；其中，每一级的第一加/减法计数器401的CLK1输入端口均与一第一时钟源连接，每一级的第一加/减法计数器401的SCO输入端口均与第一级的第一比较器的输出端口连接，每一级的第一加/减法计数器401的SCK输入端口分别与对应的第一比较器的输出端口连接，下一级的第一加/减法计数器401的CLK0输入端口与上一级的第一加/减法计数器401的CO输出端口连接，第一级的第一加/减法计数器401的CLK0输入端口与一第二时钟源连接；最后一级的第一加/减法计数器401的CO输出端口与第一级的第二加/减法计数器402的CLK输入端口连接，下一级的第二加/减法计数器402的CLK输入端口与上一级的第二加/减法计数器402的CO输出端口连接，每一级的第二加/减法计数器402的SCO输入端口均与第一级的第一比较器的输出端口连接，最后一级的第二加/减法计数器402的CO输出端口被配置为自适应延时电路400的输出端，用于输出动作信号。
在本实施例中，所述的第一加/减法计数器401包含依次连接的第一多路选择器4011、第一D触发器4012及第二多路选择器4013，其中，第一多路选择器4011的D1端口、D0端口和S端口分别被配置为第一加/减法计数器401的CLK1输入端口、CLK0输入端口和SCK输入端口，第一多路选择器4011的S端口与第一D触发器4012的CLK端口连接，第一D触发器4012的D端口与第一D触发器4012的QN端口连接，第二多路选择器4013的D1端口和D0端口分别与第一D触发器4012的Q端口和QN端口连接构成分频器，第二多路选择器4013的S端口和Y端口分别被配置为第一加/减法计数器401的SCO输入端口和CO输出端口；具体地，第一多路选择器4011用于选择分频器的时钟信号，当SCK为高时，选择CLK1作为分频器的时钟信号，当SCK为低时选择CLK0作为分频器的时钟信号；第二多路选择器4013用于选择分频器的输出信号，当SCO为高时选择Q作为第一加/减法计数器401的进位输出，当SCO为低时选择QN作为第一加/减法计数器401的进位输出。
在本实施例中，所述的第二加/减法计数器402包含依次连接的第二D触发器4021及第三多路选择器4022，所述的第二D触发器4021的CLK端口被配置为第二加/减法计数器402的CLK端口，第二D触发器4021的D端口与第二D触发器4021的QN端口连接，构成分频器，第三多路选择器4022的D1端口和D0端口分别与第一D触发器4021的Q端口和QN端口连接，第三多路选择器4022的S端口和Y端口分别被配置为第二加/减法计数器402的SCO输入端口和CO输出端口；具体地，第三多路选择器4022用于选择分频器的输出信号，当SCO为高时选择Q作为第二加/减法计数器402的进位输出，当SCO为低时选择QN作为第二加/减法计数器402的进位输出。
在本实施例中，较佳地，第一时钟源及第二时钟源分别为加法计数时钟CLK_A和减法计数时钟CLK_S，一般加法计数时钟频率大于减法计数时钟频率，优选地，加法计数时钟信号频率为减法计数时钟频率的16倍。第一级的第一加/减法计数器401的SCK端接波形检测电路300输出的CMPOUT1，SCO端接波形检测电路300输出的CMPOUT1，用于选择加法计数或减法计数；第二级的第一加/减法计数器401的CLK0端接前一级第一加/减法计数器的CO输出端，CLK1接加法计数器的时钟信号CLK_A，SCK端接波形检测电路300输出的CMPOUT2，以此类推， 最后一级的第一加减法计数器401的输出端CO接第一级的第二加减法计数器402的CLK端，第一级的第二加减法计数402器的输出CO端接第二级的第二加减法计数器402的CLK端，以此类推，最后一级的第二加减法计数器402的输出端CO接最终输出TRIG信号；所有第二加减法计数器402的的SCO端接波形检测电路300输出的CMPOUT1。
波形检测电路300的输出信号CMPOUT1~CMPOUT8控制第一加/减法计数器401的计数时钟， CMPOUT1为高电平时第一加/减法计数器401和第二加/减法计数器402开始从第一个计数单元进行加法计数，当CMPOUT2变为高电平时第二个计数单元的时钟切换为CLK_A , 第一加/减法计数器401从第二个计数单元开始计数，加速了计数器的计数频率，以此类推，当CMPOUT8变为高电平时计数器的计数频率最快，计数器计数值达到预设值所需时间最短。当计数器计数到预设值时，自适应延时电路400输出动作信号。根据波形检测电路300输出的波形判断结果中，波形幅度越大，对应的计数频率越快，延迟时间越短；当波形幅度使得所有第一比较器的输出电平都为低电平时，第一加/减法计数器和第二加/减法计数器进行减法计数，直到第一加/减法计数器和第二加/减法计数器的输出减小到零。
如图1所示，驱动电路500，其输入端与所述自适应延时电路400的输出端连接，当接收到自适应延时电路400输出的动作信号时，驱动电路500驱动电子开关的控制端，触发断路器的脱扣机构动作。
如图8所示，根据本实施例的方案实现整定电流为32A和40A的过载保护功能的测试结果，过载保护的延时特性完全符合GB16917.1中关于过载保护延时的规定。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种过载保护检测电路，用于小型断路器中，其特征在于，该过载保护检测电路包含：
电流互感器，用于检测供电线路上的电流，并输出与供电线路上电流相对应的电流信号；
采样整流电路，其输入端与所述电流互感器的输出端连接，用于对电流互感器产生的电流信号进行采样整形后输出；
波形检测电路，其输入端与所述采样整流电路的输出端连接，用于对采样整流电路的输出信号的波形特征进行判断，输出波形判断结果；
自适应延时电路，其输入端与所述波形检测电路的输出端连接，用于根据波形检测电路的波形判断结果产生对应的延时，经过延时后，输出动作信号；
驱动电路，其输入端与所述自适应延时电路的输出端连接，用于根据自适应延时电路的动作信号驱动断路器开关。
2.如权利要求1所述的过载保护检测电路，其特征在于，所述的采样整流电路包含：
采样电阻，其两端分别连接电流互感器的两端，用于将电流互感器采集的电流信号转换成电压信号；
放大器，所述放大器的正向输入端及负向输入端分别连接采样电阻的两端，用于输出放大后的交流信号；
整流单元，其输入端与所述放大器的输出端连接，用于对放大器输出的交流信号进行整流，所述整流单元的输出端与所述波形检测电路的输入端连接。
3.如权利要求1所述的过载保护检测电路，其特征在于，所述的波形检测电路用于量化采样整流电路的输出信号的波形幅度信息及波形宽度信息。
4.如权利要求1所述的过载保护检测电路，其特征在于，所述的波形检测电路包含若干级第一比较器，其中每一级的第一比较器的正向输入端与所述采样整流电路的输出端连接，每一级的第一比较器的负向输入端分别通过一电阻连接至电源，每一级的第一比较器的输出端分别连接至自适应延时电路的输入端。
5.如权利要求4所述的过载保护检测电路，其特征在于，所述的自适应延时电路由模拟电路实现；或者所述的自适应延时电路由数字电路实现。
6.如权利要求5所述的过载保护检测电路，其特征在于，所述的自适应延时电路包含一电容器、一第二比较器及若干个电流源；其中
所述电容器的上极板与所述第二比较器的正向输入端连接；
所述电容器的下极板接地；
所述第二比较器的负向输入端连接一直流参考电平；
所述第二比较器的输出端为自适应延时电路的输出端，用于输出动作信号；
所述的电流源与波形检测电路的若干级第一比较器对应设置，每一电流源的输出端分别与电容器的上极板连接，用于向电容器充电，每一电流源包含一控制开关，每一控制开关与对应的第一比较器的输出端连接，所述第一比较器的输出信号用于控制充电电流的权重。
7.如权利要求5所述的过载保护检测电路，其特征在于，所述的自适应延时电路包含若干级与波形检测电路的第一比较器对应设置的第一加/减法计数器及若干级与波形检测电路的第一比较器对应设置的第二加/减法计数器；其中，每一级的第一加/减法计数器的CLK1输入端口均与一第一时钟源连接，每一级的第一加/减法计数器的SCO输入端口均与第一级的第一比较器的输出端口连接，每一级的第一加/减法计数器的SCK输入端口分别与对应的第一比较器的输出端口连接，下一级的第一加/减法计数器的CLK0输入端口与上一级的第一加/减法计数器的CO输出端口连接，第一级的第一加/减法计数器的CLK0输入端口与一第二时钟源连接；最后一级的第一加/减法计数器的CO输出端口与第一级的第二加/减法计数器的CLK输入端口连接，下一级的第二加/减法计数器的CLK输入端口与上一级的第二加/减法计数器的CO输出端口连接，每一级的第二加/减法计数器的SCO输入端口均与第一级的第一比较器的输出端口连接，最后一级的第二加/减法计数器的CO输出端口被配置为自适应延时电路的输出端，用于输出动作信号。
8.如权利要求7所述的过载保护检测电路，其特征在于，所述的第一加/减法计数器包含依次连接的第一多路选择器、第一D触发器及第二多路选择器，其中，第一多路选择器的D1端口、D0端口和S端口分别被配置为第一加/减法计数器的CLK1输入端口、CLK0输入端口和SCK输入端口，第一多路选择器的S端口与第一D触发器的CLK端口连接，第一D触发器的D端口与第一D触发器的QN端口连接，第二多路选择器的D1端口和D0端口分别与第一D触发器的Q端口和QN端口连接，第二多路选择器的S端口和Y端口分别被配置为第一加/减法计数器的SCO输入端口和CO输出端口。
9.如权利要求7所述的过载保护检测电路，其特征在于，所述的第二加/减法计数器包含依次连接的第二D触发器及第三多路选择器，所述的第二D触发器的CLK端口被配置为第二加/减法计数器的CLK端口，第二D触发器的D端口与第二D触发器的QN端口连接，第三多路选择器的D1端口和D0端口分别与第一D触发器的Q端口和QN端口连接，第三多路选择器的S端口和Y端口分别被配置为第二加/减法计数器的SCO输入端口和CO输出端口。
10.如权利要求7所述的过载保护检测电路，其特征在于，所述的波形检测电路输出的波形判断结果中，当波形幅度使得所有第一比较器的输出电平都为低电平时，第一加/减法计数器和第二加/减法计数器进行减法计数，直到第一加/减法计数器和第二加/减法计数器的输出减小到零。
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