CN107402324B - 基于单电流互感器的供电采样电路、方法及其低压断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单电流互感器的供电采样电路，包括一路电流互感器、整流电路、第一采样电路、稳压电路、AD转换电路、控制电路、辅助电源电路、切换开关电路和第二采样电路；电流互感器输出端通过整流电路和稳压电路供电，辅助电源电路供电；第一采样电路采样整流电路输出信号通过AD转换电路上传控制电路，第二采样电路采样切换开关电路输出信号并通过AD转换电路上传控制电路；控制电路采样辅助电源电路信号和得到母线采样值。本发明还公开了所述供电采样电路的供电采样方法和包括所述电路和方法的低压断路器。本发明体积小、成本低、且测量精度高、测量和供电效果好。

Description

基于单电流互感器的供电采样电路、方法及其低压断路器

技术领域

本发明具体涉及一种基于单电流互感器的供电采样电路、方法及其低压断路器。

背景技术

随着国家经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们日常生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。

低压断路器是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，还可以接通和分断短路电流的开关电器，其在电力系统中发挥着巨大的作用。在低压断路器中，其供电采用电路一般采用两种方式：第一种方式是使用双电流互感器，其中一个电流互感器作为电流自生电源为控制器供电，另一个电流互感器则专门作为电流采样的电流互感器；但是由于需要使用两个电流互感器，因此使得低压断路器的体积较大，成本增加，难以应用在小尺寸的低压断路器中。第二种方式则是使用单电流互感器(如图1所示)，该电流互感器不仅作为电流自生电源供，同时还承担着电流采样的作用；但是由于电流采样电路放置在供电电路后端，因此电流采样精度差，只能采集幅值，无法采集相位。

因此，若低压断路器需要进行电参量测量，传统的单电流互感器方式只能进行电流测量，无法测量功率和电量等采参数，且电流测量精度较差；而若采用双电流互感器的方式，虽然能满足高精度电参量测量的要求，但是也有双电流互感器体积大，成本高的缺点。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种体积小、成本低、且测量精度高、测量和供电效果好的基于单电流互感器的供电采样电路。

本发明的目的之二在于提供一种所述基于单电流互感器的供电采样电路的供电采样方法。

本发明的目的之三在于提供一种包括所述基于单电流互感器的供电采样电路和供电采样方法的低压断路器。

本发明提供的这种基于单电流互感器的供电采样电路，包括一路电流互感器、整流电路、第一采样电路、稳压电路、AD转换电路和控制电路，还包括辅助电源电路、切换开关电路和第二采样电路；电流互感器的输出端通过整流电路和稳压电路输出供电电源信号，辅助电源电路同样输出供电电源信号；整流电路的输出端连接第一采样电路，第一采样电路采样整流电路的输出电源信号通过AD转换电路上传控制电路，电流互感器的输出端通过切换开关电路连接第二采样电路，第二采样电路采样切换开关电路的输出电源信号并通过AD转换电路上传控制电路；控制电路采样辅助电源电路的输出电源信号，并根据AD转换电路上传的采样信号得到采样值。

所述的第一采样电路为电阻采样电路。

所述的整流电路为整流桥电路。

所述的辅助电源电路为直流稳压模块或AC/DC供电电路。

所述的切换开关电路包括第一开关管和第二开关管，第一开关管和第二开关管的控制端同时连接到控制电路的输出端，第一开关管的活动端一端连接电流互感器的输出端一端，第二开关管的活动端一端连接电流互感器的输出端的另一端，第一开关管的活动端的另一端和第二开关管的活动端的另一端均连接第二采样电路。

所述的第二采样电路为电阻采样电路。

所述的稳压电路包括电压比较器、保护二极管和稳压开关管；稳压开关管的一端连接整流电路的输出端，另一端接地；整流电路的输出端通过保护二极管输出供电电源信号，供电电源信号和参考电源信号连接电压比较器的输入端，电压比较器的输出端连接稳压开关管的控制端。

所述的第一开关管、第二开关管和稳压开关管为三极管或者场效应管。

本发明还提供了所述基于单电流互感器的供电采样电路的供电采样方法，包括如下步骤：

S1.系统上电并初始化完成；

S2.电流互感器根据母线电流输出电流信号，通过整流电路和稳压电路输出供电电源信号，同时辅助电源上电并输出供电电源信号，两者共同为后级电路提供电源信号；

S3.控制单元检测辅助电源的输出电源信号，并判断辅助电源的工作状态；

S4.根据步骤S3得到的辅助电源的工作状态，采用如下规则进行采样：

若辅助电源工作正常，则控制单元输出控制信号使得切换开关电路导通；同时控制单元获取第二采样电路通过AD转换电路上传的采样信号并得到相应的采样值，从而完成母线电源信号的采集；

若辅助电源工作异常，则控制单元输出控制信号使得切换开关电路关断；同时，控制单元获取第一采样电路通过AD转换电路上传的采样信号并得到相应的采样值，并将得到的采样值仅作为电流基础数据；

S5.若辅助电源工作异常，则稳压电路将整流电路的输出信号稳压在参考电源电平，保证后级电路的电源供应。

本发明还提供了一种包括所述基于单电流互感器的供电采样电路及其供电采样方法的低压断路器。

本发明提供的这种基于单电流互感器的供电采样电路及其供电采样方法，通过一路电流互感器和辅助电源的供电，以及稳压电路的稳压供电和切换开关电路的开通和关断，保证了在辅助供电电源正常工作时能够采集到精确、可靠的母线电源数据信息，而在辅助供电电源工作异常时能够保证后级电路的供电可靠性，因此本发明的电路体积小、成本低、且测量精度高、测量和供电效果好；应用本发明的电路及方法的低压断路器，同样也具有电路体积小、成本低、且测量精度高、测量和供电效果好的优点。

附图说明

图1为现有技术的供电采样电路的示意图。

图2为本发明的供电采样电路的功能模块图。

图3为本发明的供电采样电路的电路原理图。

图4为本发明的供电采样方法的方法流程图。

具体实施方式

如图2所示为本发明的供电采样电路的功能模块图：本发明提供的这种基于单电流互感器的供电采样电路，包括一路电流互感器、整流电路、第一采样电路、稳压电路、AD转换电路、控制电路、辅助电源电路、切换开关电路和第二采样电路；电流互感器的输出端通过整流电路和稳压电路输出供电电源信号，辅助电源电路同样输出供电电源信号；整流电路的输出端连接第一采样电路，采样整流电路的输出电源信号通过AD转换电路上传控制电路，电流互感器的输出端通过切换开关电路连接第二采样电路，第二采样电路采样切换开关电路的输出电源信号并通过AD转换电路上传控制电路；控制电路采样辅助电源电路的输出电源信号，并根据AD转换电路上传的采样信号得到采样值。

如图3所示为本发明的供电采样电路的电路原理图：整流电路有整流桥D1构成；切换开关电路由第一开关管V1和第二开关管V2构成，第一开关管和第二开关管的控制端同时连接到控制电路的输出端，第一开关管的活动端一端连接电流互感器的输出端一端，第二开关管的活动端一端连接电流互感器的输出端的另一端，第一开关管的活动端的另一端和第二开关管的活动端的另一端均连接第二采样电路，第一采样电路由电阻R1构成电阻采样电路，第二采样电路由电阻R2构成第二采样电路，稳压电路包括电压比较器U1、保护二极管D2和稳压开关管V3；稳压开关管的一端连接整流电路的输出端，另一端接地；整流电路的输出端通过保护二极管输出供电电源信号，供电电源信号和参考电源信号连接电压比较器的输入端，电压比较器的输出端连接稳压开关管的控制端。

上述的供电采样电路的工作原理如下：

1)当外部的辅助电源电路正常工作时，即由辅助电源电路为供电电源提供能量；控制电路检测到辅助电源电路正常工作，此时控制电路控制切换开关电路导通；电流互感器的电流信号经由MOS管V1和V2组成的切换开关、由采样电阻R2构成的第二采样电路形成电流回路，第二采样电路的采样电阻R2将电流信号转换为电压信号送入AD转换电路，由控制电路控制AD转换电路对此信号进行模数转换。

由于切换开关电路的导通，电流互感器的二次电流直接经切换开关至第二信号采样电路，而不再经过整流桥D1，因此整流桥后的稳压电路不再工作，其整个系统电源均由辅助电源提供；此时，电流互感器二次负载为第二采样电路的采样电阻，其负载阻抗非常稳定，因此第二采样电路采集到的电流信号相当稳定，经第二采样电路转换出的交流电压信号是高精度的交流电压信号，此信号可作为高精度的电流测量、功率计算、电量计算的基础数据信号来源。

此时，AD转换电路检测的采样信号电压U为U＝I*N1/N2*R2，其中I为一次电流值，N1为电流互感器原边匝数，N2为电流互感器副边匝数，R2为第二采样电路的采样电阻R2阻值。

2)当辅助电源电路工作异常时，此时控制电路检测到辅助电源电路工作异常(比如辅助电源故障，或者输出电压不足等)后，将切换开关电路的V1和V2断开；此时第二采样电路不再起作用；

此时，可以分为如下两种情况：

若保护二极管D2的输出端电压大于VREF，则电压比较器的输出端为高电平，此时V3开通，此时电流互感器的电流信号经整流桥D1、稳压电路的V3、第一信号采集电路R1形成信号回路；第一采样电路采集的电流信号经采样电阻R1转换为电压信号送入AD转换电路，由控制电路控制AD转换电路对此信号进行模数转换；同时，由于V3导通，使得保护二极管D2的输入端被拉低为低电平，因此此时D2的输出端将会被迅速拉低到近乎低电平，使得保护二极管D2的输出端电压小于VREF；

而当保护二极管D2的输出端电压小于VREF，则电压比较器的输出端为低电平，此时V3截止，则第一采样电路采集的电流信号经采样电阻R1转换为电压信号送入AD转换电路，由控制电路控制AD转换电路对此信号进行模数转换；而由于V3截止，因此整流电路的输出端电压将会快速抬升至正常水平；

因此，只要选取参考电压VREF为供电电源所要求的正常供电电平，则所述的稳压电路可以基本上通过上述的过程，在辅助供电电路异常时，将供电电源的电平信号保持在VREF电平的左右小范围内震荡；

上述情况中，第一信号采集电路采集的电流信号经采样电阻R1转换为电压信号送入AD转换电路。由控制单元控制AD转换电路对此信号进行模数转换。

由于电流互感器的输出二次信号经整流桥、稳压电路、第一采样电路时，由于稳压电路的动态调整，使电流互感器的二次侧负载阻抗在一定范围内变化，因此其二次电流信号会产生相应的畸变；同时，由于信号经整流桥整流后，将交流信号负半周变为正半周，因此第一采样电路采集的信号为馒头波，只能检测幅值，无法检测相位，仅可以作为断路器的电流保护功能所需要使用的电流基础数据信号来源。

此时，AD转换电路检测的采样信号电压U＝I*N1/N2*R1，其中I为一次电流值，N1为电流互感器原边匝数，N2为电流互感器副边匝数，R1为第一采样电路的采样电阻R1阻值。

如图4所示为本发明的供电采样方法的方法流程图：本发明提供的所述基于单电流互感器的供电采样电路的供电采样方法，包括如下步骤：

S1.系统上电并初始化完成；

S2.电流互感器根据母线电流输出电流信号，通过整流电路和稳压电路输出供电电源信号，同时辅助电源上电并输出供电电源信号，两者共同为后级电路提供电源信号；

S3.控制单元检测辅助电源的输出电源信号，并判断辅助电源的工作状态；

S4.根据步骤S3得到的辅助电源的工作状态，采用如下规则进行采样：

若辅助电源工作正常，则控制单元输出控制信号使得切换开关电路导通；此时第一采样电路采样电阻无电流；控制单元获取第二采样电路通过AD转换电路上传的采样信号并得到相应的采样值，从而完成母线电源信号的采集；

若辅助电源工作异常，则控制单元输出控制信号使得切换开关电路关断；同时，控制单元获取第一采样电路通过AD转换电路上传的采样信号并得到相应的采样值，并将得到的采样值仅作为电流基础数据；

S5.若辅助电源工作异常，则稳压电路将整流电路的输出信号稳压在参考电源电平，保证后级电路的电源供应。

本发明提供的这种基于单电流互感器的供电采样电路和供电采样方法，不仅适用于低压断路器，也可用于其他任何需要进行供电采样的电子设备，包括各类型的计量仪表(比如电能表、水表、燃气表、热量表等)、电能管理终端、配电终端、电能质量监控设备、电网自动化终端、采集终端、集中器、数据采集器、计量仪表、手抄器、故障指示器等。

Claims (9)

1.一种基于单电流互感器的供电采样电路，包括一路电流互感器、整流电路、第一采样电路、稳压电路、AD转换电路和控制电路，其特征在于还包括辅助电源电路、切换开关电路和第二采样电路；电流互感器的输出端通过整流电路和稳压电路输出供电电源信号，辅助电源电路同样输出供电电源信号；整流电路的输出端连接第一采样电路，第一采样电路采样整流电路的输出电源信号通过AD转换电路上传控制电路，电流互感器的输出端通过切换开关电路连接第二采样电路，第二采样电路采样切换开关电路的输出电源信号并通过AD转换电路上传控制电路；控制电路采样辅助电源电路的输出电源信号，并根据AD转换电路上传的采样信号得到采样值。

2.根据权利要求1所述的基于单电流互感器的供电采样电路，其特征在于所述的第一采样电路为电阻采样电路。

3.根据权利要求1所述的基于单电流互感器的供电采样电路，其特征在于所述的整流电路为整流桥电路。

4.根据权利要求1所述的基于单电流互感器的供电采样电路，其特征在于所述的辅助电源电路为直流稳压模块或AC/DC供电电路。

5.根据权利要求1～4之一所述的基于单电流互感器的供电采样电路，其特征在于所述的切换开关电路包括第一开关管和第二开关管，第一开关管和第二开关管的控制端同时连接到控制电路的输出端，第一开关管的活动端一端连接电流互感器的输出端一端，第二开关管的活动端一端连接电流互感器的输出端的另一端，第一开关管的活动端的另一端和第二开关管的活动端的另一端均连接第二采样电路。

6.根据权利要求1～4之一所述的基于单电流互感器的供电采样电路，其特征在于所述的第二采样电路为电阻采样电路。

7.根据权利要求1～4之一所述的基于单电流互感器的供电采样电路，其特征在于所述的稳压电路包括电压比较器、保护二极管和稳压开关管；稳压开关管的一端连接整流电路的输出端，另一端接地；整流电路的输出端通过保护二极管输出供电电源信号，供电电源信号和参考电源信号连接电压比较器的输入端，电压比较器的输出端连接稳压开关管的控制端。

8.一种权利要求1～7之一所述的基于单电流互感器的供电采样电路的供电采样方法，包括如下步骤：

S1.系统上电并初始化完成；

S2.电流互感器根据母线电流输出电流信号，通过整流电路和稳压电路输出供电电源信号，同时辅助电源上电并输出供电电源信号，两者共同为后级电路提供电源信号；

S3.控制单元检测辅助电源的输出电源信号，并判断辅助电源的工作状态；

S4.根据步骤S3得到的辅助电源的工作状态，采用如下规则进行采样：

若辅助电源工作正常，则控制单元输出控制信号使得切换开关电路导通；同时控制单元获取第二采样电路通过AD转换电路上传的采样信号并得到相应的采样值，从而完成母线电源信号的采集；

若辅助电源工作异常，则控制单元输出控制信号使得切换开关电路关断；同时，控制单元获取第一采样电路通过AD转换电路上传的采样信号并得到相应的采样值，并将得到的采样值仅作为电流基础数据；

S5.若辅助电源工作异常，则稳压电路将整流电路的输出信号稳压在参考电源电平，保证后级电路的电源供应。

9.一种低压断路器，其特征在于包括权利要求1～7之一所述的基于单电流互感器的供电采样电路，和权利要求8所述的供电采样方法。