CN107896061A - 一种用于新型清洁能源设备中的供电保护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可对欠压和过热进行保护、在过热等异常情况保护时可自锁、在欠压保护时不震荡的用于新型清洁能源设备中的供电保护系统，其结构包括：主电源、工作电源、隔离电源、多通道数字隔离器及其外围电路、欠压保护电路、关断自锁电路、主电源输出控制电子开关及其驱动电路、至少一个过热保护输入接口、以及与过热保护输入接口一一对应的过热保护控制电子开关；所述的欠压保护电路包括：次低电压保护电路、低电压保护电路、主电源输出驱动电子开关及其驱动电路；主电源输出驱动电子开关与所述的关断自锁电路和主电源输出控制电子开关相连。该供电保护系统尤其适用于分布在城市管网无法铺设到的偏远区域的各种LNG、氢气等新能源设备中。

Description

一种用于新型清洁能源设备中的供电保护系统
技术领域
本发明涉及到一种供电保护系统，具体涉及到一种用于新型清洁能源设备中的供电保护系统。
背景技术
目前，随着LNG、氢气等新型清洁能源应用以及工业物联网的迅速发展与崛起，对现场电气设备的供电系统提出了越来越严格的保护要求。不仅需要有传统的供电电压、电流保护，还需要根据环境和系统运行状态提供的反馈信号来保护整个系统，使得系统能长期可靠地运行。反观市面上常见的供电保护系统都满足不了清洁能源设备现场应用的需求，通常存在以下缺点：
1、无欠压保护或欠压保护时易震荡。由于欠压时，系统往往工作在不正常状态，对系统软硬件都会带来不可控的影响。尤其是系统处于临界点时，非常容易产生震荡。
2、无过热保护，当系统某些工作点温度过高时，无法自动断电。
3、无燃气硬件保护，清洁能源设备无法有效通过硬件实时切断系统供电并锁定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种可对欠压和过热进行保护、且在过热等保护时可自锁、在欠压保护时不震荡的用于新型清洁能源设备中的供电保护系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于新型清洁能源设备中的供电保护系统，包括：主电源、工作电源、隔离电源、多通道数字隔离器及其外围电路、欠压保护电路、关断自锁电路、主电源输出控制电子开关及其驱动电路、至少一个过热保护输入接口、以及与过热保护输入接口一一对应的过热保护控制电子开关，主电源输出控制电子开关的上开关端与主电源的正极之间设置有直流输入母线，主电源输出控制电子开关的下开关端上连接有直流输出母线，所述的工作电源和隔离电源的输入端与直流输出母线相连，所述欠压保护电路的具体结构包括：次低电压保护电路、低电压保护电路、主电源输出驱动电子开关及其驱动电路，次低电压保护电路的输入端与直流输入母线相连，低电压保护电路的输入端与直流输出母线相连，次低电压保护电路的输出端和低电压保护电路的输出端与主电源输出驱动电子开关的下开关端相连，主电源输出驱动电子开关的上开关端与主电源输出控制电子开关的控制端相连；所述过热保护输入接口的一端与隔离电源的正极相连，过热保护输入接口的另一端与多通道数字隔离器的输入端相连，多通道数字隔离器的相应输出端与相应过热保护控制电子开关的输入端相连，过热保护控制电子开关的下开关端接地，过热保护控制电子开关的上开关端与关断自锁电路的输入端相连；所述关断自锁电路的具体结构包括：异常一级控制电子开关、异常二级控制电子开关、主电源输入控制开关、关断输出电子开关、以及第一电阻、第九电阻、第十电阻、第十五电阻、第二十三电阻、第二十四电阻和第二十五电阻，异常一级控制电子开关的控制端作为关断自锁电路的输入端与主电源输出驱动电子开关的控制端、以及作为关断自锁电路输出端的关断输出电子开关的上开关端相连，异常一级控制电子开关的上开关端与第二十四电阻和第十五电阻的一端相连，第十五电阻的另一端和主电源输入控制开关的上开关端与直流输入母线相连，第二十四电阻的另一端与主电源输入控制开关的下开关端、第二十三电阻的一端、第二十五电阻的一端相连，第二十五电阻的另一端接地，第二十三电阻的另一端与异常二级控制电子开关的控制端相连，异常二级控制电子开关的上开关端与主电源输入控制开关的控制端相连，异常二级控制电子开关的下开关端与第一电阻的一端和第九电阻的一端相连，第一电阻的另一端与关断输出电子开关的控制端相连，第九电阻的另一端、关断输出电子开关的下开关端、异常一级控制电子开关的下开关端接地。
作为一种优选方案，在所述的一种用于新型清洁能源设备中的供电保护系统中，所述的过热保护输入接口的相应端与所述的隔离电源的正极之间串设有一电阻。
作为一种优选方案，在所述的一种用于新型清洁能源设备中的供电保护系统中，所述次低电压保护电路的具体结构包括：次低电压稳压管、第七电阻、第十二电阻和次低电压控制电子开关，次低电压稳压管的阴极与直流输入母线相连，次低电压稳压管的阳极与第七电阻的一端相连，第七电阻的另一端与第十二电阻的一端以及次低电压控制电子开关的控制端相连，第十二电阻的另一端和次低电压控制电子开关的下开关端接地；所述低电压保护电路的具体结构包括：低电压稳压管、第八电阻、第十三电阻和低电压控制电子开关，低电压稳压管的阴极与直流输出母线相连，低电压稳压管的阳极与第八电阻的一端相连，第八电阻的另一端与第十三电阻的一端以及低电压控制电子开关的控制端相连，第十三电阻的另一端和低电压控制电子开关的下开关端接地；低电压控制电子开关的上开关端作为低电压保护电路的输出端与作为次低电压保护电路的输出端的次低电压控制电子开关的上开关端相连后、通过第五电阻与所述主电源输出驱动电子开关的下开关端相连。
作为一种优选方案，在所述的一种用于新型清洁能源设备中的供电保护系统中，所述的供电保护系统还包括有：燃气开关输入接口和燃气保护控制电子开关，燃气开关输入接口的一端与隔离电源的正极相连，燃气开关输入接口的另一端与多通道数字隔离器的输入端相连，多通道数字隔离器的相应输出端与燃气保护控制电子开关的输入端相连，燃气保护控制电子开关的下开关端接地，燃气保护控制电子开关的上开关端与关断自锁电路的输入端相连。
作为一种优选方案，在所述的一种用于新型清洁能源设备中的供电保护系统中，所述燃气开关输入接口的相应端与隔离电源的正极之间串设有第二十一电阻。
作为一种优选方案，在所述的一种用于新型清洁能源设备中的供电保护系统中，所述的供电保护系统还包括有：至少一个异常扩展输入接口、以及相对应的异常扩展控制电子开关，异常扩展输入接口的一端与隔离电源的正极相连，异常扩展输入接口的另一端与多通道数字隔离器的输入端相连，多通道数字隔离器的相应输出端与异常扩展控制电子开关的输入端相连，异常扩展控制电子开关的下开关端接地，异常扩展控制电子开关的上开关端与关断自锁电路的输入端相连。
作为一种优选方案，在所述的一种用于新型清洁能源设备中的供电保护系统中，所述燃气开关输入接口的相应端与所述的隔离电源的正极之间串设有一电阻。
本发明的有益效果是：本发明通过设置次低电压保护电路和低电压保护电路与主电源输出驱动电子开关和主电源输出控制电子开关相配合，可以有效地对欠压进行保护并且不震荡，所述的关断自锁电路在与主电源输出驱动电子开关的配合下具备了上电解锁、异常自锁的功能；整个供电保护系统抗干扰能力强，成本低，并实现了电气隔离，满足了日益增长的工业物联网设备供电保护的需求。
附图说明
图1是本发明所述的供电保护系统的电原理结构图。
具体实施方式
下面结合附图，以12V电池供电为例详细描述本发明所述的一种用于新型清洁能源设备中的供电保护系统的具体实施方案：
如图1所示，本发明所述的用于新型清洁能源设备中的供电保护系统，包括：作为主电源的12V电池、由型号为LM317可调稳压电源提供的隔离电源(其正极为V_5V，负极为VGND)、由型号为B1205的电源模块IC1得到的工作电源(其正极为V_OUT，负极为GND)、型号为ADUM401的四通道数字隔离器U5及其外围电路、欠压保护电路、关断自锁电路、作为主电源输出控制电子开关的N沟道MOS管Q2及其驱动电路、两个过热保护输入接口J4和J5以及与这两个过热保护输入接口J4和J5一一对应的作为过热保护控制电子开关的NPN型三极管Q6和Q9、一个燃气开关输入接口J6以及与燃气开关输入接口J6相对应的作为燃气保护控制电子开关的NPN型三极管Q11，作为主电源输出控制电子开关的上开关端的MOS管Q2的源极与12V电池的正极之间设置有直流输入母线，作为主电源输出控制电子开关的下开关端的MOS管Q2的漏极上连接有直流输出母线，直流输出母线与所述的工作电源的输入端和隔离电源的输入端相连；所述欠压保护电路的具体结构包括：次低电压保护电路、低电压保护电路、作为主电源输出驱动电子开关的NPN型三极管Q3以及作为三极管Q3的驱动电路的第三电阻R3，所述的次低电压保护电路包括：11V的次低电压稳压管Z2、第七电阻R7、第十二电阻R12和作为次低电压控制电子开关的NPN型三极管Q4，次低电压稳压管Z2的阴极作为次低电压保护电路的输入端与直流输入母线相连，次低电压稳压管Z2的阳极与第七电阻R7的一端相连，第七电阻R7的另一端与第十二电阻R12的一端、以及作为次低电压控制电子开关的控制端的三极管Q4的基极相连，第十二电阻R12的另一端和作为次低电压控制电子开关的下开关端的三极管Q4的发射极接地；所述低电压保护电路的具体结构包括：10V低电压稳压管Z1、第八电阻R8、第十三电阻R13和作为低电压控制电子开关的NPN型三极管Q5，低电压稳压管Z1的阴极作为低电压保护电路的输入端与直流输出母线相连，低电压稳压管Z1的阳极与第八电阻R8的一端相连，第八电阻R8的另一端与第十三电阻R13的一端、以及作为低电压控制电子开关的控制端的三极管Q5的基极相连，第十三电阻R13的另一端和作为低电压控制电子开关的下开关端的三极管Q5的发射极接地；三极管Q5的集电极即低电压控制电子开关的上开关端作为低电压保护电路的输出端与作为次低电压保护电路的输出端的次低电压控制电子开关的上开关端即三极管Q4的集电极相连后、通过第五电阻R5与所述作为主电源输出驱动电子开关的下开关端的三极管Q3的发射极相连；作为主电源输出驱动电子开关的上开关端的三极管Q3的集电极与作为主电源输出控制电子开关的控制端的MOS管Q2的栅极相连；所述的两个过热保护输入接口J4和J5和一个燃气开关输入接口J6的一端与工作电源的正极V_OUT相连，过热保护输入接口J4、J5、以及一个燃气开关输入接口J6的另一端分别通过第十七电阻R17、第十九电阻R19和第二十一电阻R21与四通道数字隔离器U5的相应输入端一一对应相连，四通道数字隔离器U5的相应输出端分别与三极管Q6、Q9和Q11的基极相连，三极管Q6、Q9和Q11的发射极接地，三极管Q6、Q9和Q11的集电极分别作为两个过热保护控制电子开关的上开关端和一个燃气保护控制电子开关的上开关端与关断自锁电路的输入端相连；所述关断自锁电路的具体结构包括：作为异常一级控制电子开关的NPN型三极管Q7、作为异常二级控制电子开关的NPN型三极管Q10、作为主电源输入控制开关的PNP型三极管Q8、作为关断输出电子开关的NPN型三极管Q1、以及第一电阻R1、第九电阻R9、第十电阻R10、第十五电阻R15、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24和第二十五电阻R25，异常一级控制电子开关的控制端即三极管Q7的基极作为关断自锁电路的输入端与作为主电源输出驱动电子开关的控制端的三极管Q3、以及作为关断自锁电路输出端的关断输出电子开关的上开关端即三极管Q1的集电极相连，作为异常一级控制电子开关的上开关端的Q7的集电极与第二十四电阻R24和第十五电阻R15的一端相连，第十五电阻R15的另一端和作为主电源输入控制开关的上开关端的三极管Q8的发射极与直流输入母线相连，第二十四电阻R24的另一端与作为主电源输入控制开关的下开关端的三极管Q8的集电极、第二十三电阻R23的一端、第二十五电阻R25的一端相连，第二十五电阻R25的另一端接隔离电源的负极即接地端VGND，第二十三电阻R23的另一端与作为异常二级控制电子开关的控制端的三极管Q10的基极相连，作为异常二级控制电子开关的上开关端的三极管Q10的集电极与作为主电源输入控制开关的控制端的三极管Q8的基极相连，作为异常二级控制电子开关的下开关端的三极管Q10的发射极与第一电阻R1的一端和第九电阻R9的一端相连，第一电阻R1的另一端与作为关断输出电子开关的控制端的三极管Q1的基极相连，第九电阻R9的另一端、作为关断输出电子开关的下开关端的三极管Q1的发射极、作为异常一级控制电子开关的下开关端的三极管Q7接隔离电源的负极即接地端VGND。
在实际应用时，所述的供电保护系统还包括有：至少一个异常扩展输入接口、以及相对应的异常扩展控制电子开关(图中未示出)，异常扩展输入接口的一端与隔离电源的正极相连，异常扩展输入接口的另一端通过一电阻与四通道数字隔离器U5的输入端相连，四通道数字隔离器U5的相应输出端与异常扩展控制电子开关的输入端相连，异常扩展控制电子开关的下开关端接地，异常扩展控制电子开关的上开关端与关断自锁电路的输入端相连；所述的12V电池通过按键SW1与主电源相连；上述的供电保护系统通过工作端J4、J5、J6端子接温控开关、燃气开关或者其它工业信号开关量，采集端可安装到系统需要保护的位置，从而达到高温或燃气泄漏等信号采集。
本发明的工作原理为：通过MOS管Q2控制整个系统后端的供电输出，当按键SW1处于闭合时，11V的次低电压稳压管Z2被击穿，三极管Q4基极得电导通，于是，三极管Q3基极得电导通，从而MOS管Q2导通，系统主电路供电。供电后，10V的低电压稳压管Z1导通，三极管Q5基极得电导通，从而系统处于正常工作状态。若系统供电小于11V，三极管Q4截止、三极管Q5保持导通，整个系统仍然保持正常工作；若电压降压至10V以下时，三极管Q5截止，三极管Q4截止，系统关闭供电，从而起到低压保护作用；当系统重新恢复至11V以上时，系统重新开启。这样，整个系统在实现欠压保护的同时，又有效地防止了电路震荡；当系统监控的多路信号反馈中检测到有一路或多路故障点时，三极管Q7基极从默认的高电平被拉低，三极管Q7截止，三极管Q10基极得电导通，三极管Q8导通，因而三极管Q10基极被锁定导通，三极管Q1也被锁定为低电平，从而三极管Q3基极始终锁定为低，最终会使得整个系统恒定关闭。当系统解决温度或浓度等故障后，关闭开关按钮后并重新打开，系统复位从而恢复正常供电状态。
综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所作的均等变化与修饰，均应包括在本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种用于新型清洁能源设备中的供电保护系统，包括：主电源、工作电源、隔离电源、欠压保护电路、多通道数字隔离器及其外围电路、主电源输出控制电子开关及其驱动电路、至少一个过热保护输入接口、以及与过热保护输入接口一一对应的过热保护控制电子开关，主电源输出控制电子开关的上开关端与主电源的正极之间设置有直流输入母线，主电源输出控制电子开关的下开关端上连接有直流输出母线，所述的工作电源和隔离电源的输入端与直流输出母线相连，其特征在于：所述欠压保护电路的具体结构包括：次低电压保护电路、低电压保护电路、主电源输出驱动电子开关及其驱动电路，次低电压保护电路的输入端与直流输入母线相连，低电压保护电路的输入端与直流输出母线相连，次低电压保护电路的输出端和低电压保护电路的输出端与主电源输出驱动电子开关的下开关端相连，主电源输出驱动电子开关的上开关端与主电源输出控制电子开关的控制端相连；所述过热保护输入接口的一端与隔离电源的正极相连，过热保护输入接口的另一端与多通道数字隔离器的输入端相连，多通道数字隔离器的相应输出端与相应过热保护控制电子开关的输入端相连，过热保护控制电子开关的下开关端接地，过热保护控制电子开关的上开关端与关断自锁电路的输入端相连；所述的供电保护系统还包括有：关断自锁电路，该关断自锁电路的具体结构包括：异常一级控制电子开关、异常二级控制电子开关、主电源输入控制开关、关断输出电子开关以及第一电阻、第九电阻、第十电阻、第十五电阻、第二十三电阻、第二十四电阻和第二十五电阻，异常一级控制电子开关的控制端作为关断自锁电路的输入端与主电源输出驱动电子开关的控制端、以及作为关断自锁电路输出端的关断输出电子开关的上开关端相连，异常一级控制电子开关的上开关端与第二十四电阻和第十五电阻的一端相连，第十五电阻的另一端和主电源输入控制开关的上开关端与直流输入母线相连，第二十四电阻的另一端与主电源输入控制开关的下开关端、第二十三电阻的一端、第二十五电阻的一端相连，第二十五电阻的另一端接地，第二十三电阻的另一端与异常二级控制电子开关的控制端相连，异常二级控制电子开关的上开关端与主电源输入控制开关的控制端相连，异常二级控制电子开关的下开关端与第一电阻的一端和第九电阻的一端相连，第一电阻的另一端与关断输出电子开关的控制端相连，第九电阻的另一端、关断输出电子开关的下开关端、异常一级控制电子开关的下开关端接地。
2.根据权利要求1所述的用于新型清洁能源设备中的供电保护系统，其特征在于：所述的过热保护输入接口的相应端与所述的隔离电源的正极之间串设有一电阻。
3.根据权利要求1所述的用于新型清洁能源设备中的供电保护系统，其特征在于：所述次低电压保护电路的具体结构包括：次低电压稳压管、第七电阻、第十二电阻和次低电压控制电子开关，次低电压稳压管的阴极与直流输入母线相连，次低电压稳压管的阳极与第七电阻的一端相连，第七电阻的另一端与第十二电阻的一端以及次低电压控制电子开关的控制端相连，第十二电阻的另一端和次低电压控制电子开关的下开关端接地；所述低电压保护电路的具体结构包括：低电压稳压管、第八电阻、第十三电阻和低电压控制电子开关，低电压稳压管的阴极与直流输出母线相连，低电压稳压管的阳极与第八电阻的一端相连，第八电阻的另一端与第十三电阻的一端以及低电压控制电子开关的控制端相连，第十三电阻的另一端和低电压控制电子开关的下开关端接地；低电压控制电子开关的上开关端作为低电压保护电路的输出端与作为次低电压保护电路的输出端的次低电压控制电子开关的上开关端相连后、通过第五电阻与所述主电源输出驱动电子开关的下开关端相连。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于新型清洁能源设备中的供电保护系统，其特征在于：所述的供电保护系统还包括有：燃气开关输入接口和燃气保护控制电子开关，燃气开关输入接口的一端与隔离电源的正极相连，燃气开关输入接口的另一端与多通道数字隔离器的输入端相连，多通道数字隔离器的相应输出端与燃气保护控制电子开关的输入端相连，燃气保护控制电子开关的下开关端接地，燃气保护控制电子开关的上开关端与关断自锁电路的输入端相连。
5.根据权利要求4所述的用于新型清洁能源设备中的供电保护系统，其特征在于：所述燃气开关输入接口的相应端与隔离电源的正极之间串设有第二十一电阻。
6.根据权利要求1、2或3所述的用于新型清洁能源设备中的供电保护系统，其特征在于：所述的供电保护系统还包括有：至少一个异常扩展输入接口、以及相对应的异常扩展控制电子开关，异常扩展输入接口的一端与隔离电源的正极相连，异常扩展输入接口的另一端与多通道数字隔离器的输入端相连，多通道数字隔离器的相应输出端与异常扩展控制电子开关的输入端相连，异常扩展控制电子开关的下开关端接地，异常扩展控制电子开关的上开关端与关断自锁电路的输入端相连。
7.根据权利要求6所述的用于新型清洁能源设备中的供电保护系统，其特征在于：所述燃气开关输入接口的相应端与所述的隔离电源的正极之间串设有一电阻。
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