CN109245025A - 脱扣电路、脱扣装置、断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脱扣电路。本发明针对现有基于磁通变换器的双级电源供电的脱扣电路所存在的问题，对其中的充放电电路部分进行改进，不再共用同一个电容，而是根据铁芯电流互感器和辅助电源输出电压的特点分别采用驱动电容相匹配，这样就可以大幅降低对单个驱动电容的性能要求，从而可采用类似固态电容这种难以同时兼顾高耐压和大容值，但具有长寿命、低ESR、小体积等优点的电容元件，进而提高断路器控制器的长期工作可靠性和使用寿命。本发明还公开了一种脱扣装置和一种断路器。本发明技术方案有利于智能控制器的小型化设计和提高脱扣电路的长期工作可靠性，并且满足无辅助电源供电时断路器保护动作的快速准确。

Description

脱扣电路、脱扣装置、断路器

技术领域

本发明涉及一种脱扣电路，属于低压配电技术领域。

背景技术

在低压配电系统中，智能型断路器控制器是以微控制器为核心，通过信号采集、数据处理、故障诊断来实现断路器的保护、测量以及监控功能。脱扣电路是智能控制器的末级电路，其接收微控制器发出的脱扣指令，驱动磁通变换器动作，使断路器分断。为了确保断路器在遇到过载或短路故障时可靠地进行分断，智能控制器通常采用双级电源供电，即由铁芯电流互感器与辅助电源同时供给，脱扣电路作为智能控制器的重要部分其驱动电源也采用双级电源。

磁通变换器是一种小型储能式脱扣装置,由于利用了永磁存储的能量,所以仅需很小的功率脉冲即可使其动作，现有技术通常采用较大容值的电容放电来推动磁通变换器。目前的智能控制器脱扣电路一般通过铁芯电流互感器整流输出电压和辅助电源电压输出合并后采用共同的电容驱动磁通变换器动作。为了兼顾铁芯电流互感器整流输出电压和辅助电源输出电压的工作范围，往往要求驱动电容耐压较高且容值较大，这是因为：1)套在断路器主回路上的铁芯电流互感器输出电压较高，一般采用MOS管泄放回路限制输出电压在一定幅值(一般大于30V)，如果限制输出电压过低，磁通变换器动作变慢；2)辅助电源考虑成本、通用性等因素设计的输出电压较低(一般小于等于24V)，但为了快速地驱动磁通变换器，要求驱动电容容值较大。耐压高且容值大的电容一般只能采用非固态(电解液作为阴极材料)铝电解电容，但是断路器的工作环境比较恶劣，一年四季常常处于高温、高湿、低温的不同环境，非固态铝电解电容因为物理特性而受热膨胀，寿命较短，并且由于耐压高且容值大的非固态铝电解电容通常占用体积较大，不利于智能控制器的小型化设计。另外，由于驱动电容容值较大，在无辅助电源供电时，例如断路器发生接地故障且主回路电流较小时(例如小于0.4In)时，大大加长了驱动电容的充电时间，造成断路器接地保护动作时间超长，给用户设备与财产安全带来较大的威胁。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种脱扣电路，降低了对电容的要求，可采用固态电容这种体积小、寿命高的电容，有利于智能控制器的小型化设计和提高脱扣电路的长期工作可靠性，并且满足无辅助电源供电时断路器保护动作的快速准确。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种脱扣电路，包括分别用于连接电压较高的第一电源和电压较低的第二电源的第一电源输入端、第二电源输入端，用于驱动磁通变换器的脱扣驱动电路，以及第一电源输入端、第二电源输入端与脱扣驱动电路之间的充放电电路；所述充放电电路包括第一～第五二极管、第一～第三电容；第一二极管的正极与第一电源输入端连接，第一二极管的负极与第二二极管的正极、第一电容的正极连接，第二二极管的负极与第三二极管的正极、第二电容的正极连接，第三二极管的负极与第五二极管的负极、脱扣驱动电路的输入端连接，第五二极管的正极与第一电容的负极、第二电容的负极、第三电容的正极、第四二极管的负极连接，第四二极管的正极与第二电源输入端连接，第三电容的负极接地；第一电容与第二电容的电容值之和小于第三电容的电容值。

一种脱扣电路，包括分别用于连接电压较高的第一电源和电压较低的第二电源的第一电源输入端、第二电源输入端，用于驱动磁通变换器的脱扣驱动电路，以及第一电源输入端、第二电源输入端与脱扣驱动电路之间的充放电电路；所述充放电电路包括第一～第五二极管、第一～第三电容，以及第一电阻；第一二极管的正极与第一电源输入端连接，第一二极管的负极与第二二极管的正极、第一电容的正极连接，第二二极管的负极与第三二极管的正极、第二电容的正极连接，第三二极管的负极与第五二极管的负极、脱扣驱动电路的输入端连接，第五二极管的正极与第一电容的负极、第二电容的负极、第三电容的正极、所述第一电阻的一端连接，第四二极管的正极、负极分别与第二电源输入端、所述第一电阻的另一端连接，第三电容的负极接地；第一电容与第二电容的电容值之和小于第三电容的电容值。

优选地，所述脱扣驱动电路包括第六二极管、第二电阻、第四电容，以及一个MOS管；所述磁通变换器的线圈与第六二极管并联，第六二极管的负极接脱扣驱动电路的输入端，第六二极管的正极接MOS管的漏极，MOS管的源极接地，MOS管的栅极与第二电阻的一端、第四电容的一端连接，第二电阻的另一端接脱扣控制信号，第四电容的另一端接地。

优选地，第一～第三电容为固态电容。

基于上述脱扣电路，还可以得到以下技术方案：

一种脱扣装置，包括磁通变换器以及如上任一技术方案所述脱扣电路。

一种断路器，包括上述脱扣装置。

相比现有技术，本发明具有以下技术效果：

1、本发明驱动电源电路根据铁芯电流互感器和辅助电源输出电压的特点分别采用驱动电容相匹配，有效降低了对电容的要求，从而可以采用高分子固态电容，不但规避其容值大但耐压低或耐压高但容值低的缺点，而且充分利用其长寿命、低ESR(等效串联阻抗)的优点，提高脱扣电路的长期工作可靠性。

2、采用的驱动电容占用体积较现有的非固态铝电解电容要小，有利于智能控制器的小型化设计。

3、无辅助电源供电时，例如遇到断路器发生接地故障且主回路电流较小时(例如小于0.4In)时，虽然铁芯电流互感器输出能量降低，但是由于驱动电容容值较小，电容充电时间基本不会延长，可以实现断路器快速准确的接地保护功能。

附图说明

图1为一种现有脱扣电路的电路图；

图2为本发明脱扣电路一个具体实施例的电路图；

图3为本发明脱扣电路另一个具体实施例的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

现有基于磁通变换器的双级电源供电的脱扣电路一般通过铁芯电流互感器整流输出电压和辅助电源电压输出合并后采用共同的电容驱动磁通变换器动作。图1即显示了这样一种现有脱扣电路，在该脱扣电路中，从母线通过电流互感器获得的主电源V1+和外接辅助电源V2+合并后采用共同的电容C1驱动磁通变换器动作。为了兼顾铁芯电流互感器和辅助电源输出电压的工作范围，要求驱动电容C1耐压较高且容值较大，一般只能采用普通的非固态铝电解电容，正如背景技术部分所分析的，其不仅占用体积大，而且寿命较短，影响脱扣电路的长期工作可靠性，进而影响断路器控制器的寿命。

为克服这一问题，本发明的解决思路是对其中的充放电电路部分进行改进，不再共用同一个电容，而是根据铁芯电流互感器和辅助电源输出电压的特点分别采用驱动电容相匹配，这样就可以大幅降低对单个驱动电容的性能要求，从而可采用类似固态电容这种难以同时兼顾高耐压和大容值，但具有长寿命、低ESR、小体积等优点的电容元件，进而提高断路器控制器的长期工作可靠性和使用寿命。

图2显示了本发明脱扣电路一个具体实施例的电路，其包括相连接的充放电电路1和脱扣驱动电路2，所述充放电电路1从母线通过电流互感器获得主电源V1+并从外接辅助电源获得辅助电源V2+。其中的充放电电路1包括二极管D1～D5、电容C1～C3，以及电阻R1；二极管D1的正极与主电源V1+的输入端连接，二极管D1的负极与二极管D2的正极、电容C1的正极连接，二极管D2的负极与二极管D3的正极、电容C2的正极连接，二极管D3的负极与二极管D5的负极、脱扣驱动电路2的输入端连接，二极管D5的正极与电容C1的负极、电容C2的负极、电容C3的正极、电阻R1的一端连接，二极管D4的正极、负极分别与辅助电源V2+的输入端、电阻R1的另一端连接，电容C3的负极接地；其中，电容C1与电容C2的电容值之和小于电容C3的电容值。

图2中的脱扣驱动电路2与图1中的脱扣驱动电路相同，其包括二极管D6、电阻R2、电容C4、MOS管VT1；如图2所示，磁通变换器L1的线圈与二极管D6并联，二极管D6的负极接脱扣驱动电路的输入端，二极管D6的正极接MOS管VT1的漏极，MOS管VT1的源极接地，MOS管VT1的栅极与电阻R2的一端、电容C4的一端连接，电阻R2的另一端接脱扣控制信号trip，电容C4的另一端接地。

铁芯电流互感器整流输出电压V1+经二极管D1给电容C1充电，再经二极管D2给电容C2充电，电容C1与电容C2相当于并联后再与电容C3串联。根据电容能量公式(其中C是电容容值，U是电容两端电压)，可知在磁通变换器驱动能量一定的条件下，提高电容两端充电电压可以大幅减小电容容值，因此本发明中的电容C1、C2由于铁芯电流互感器整流输出电压V1+较高，其容值可以大幅减小。根据实际工作情形，可分为：

1、V1+输入，无V2+输入时，电容C1与C2并联后与电容C3串联后共同承受V1+，电容C1与C2由于容值较小承受较大的压降，电容C3由于容值较大承受较小的压降。

2、V1+与V2+均输入，当V1+＞V2+时，电容C1与C2承受的压降约等于(V1+)-(V2+)，电容C3承受的压降等于V2+；当V1+＜V2+时，由于二极管D1、D2、D3、D5工作于反向偏置状态，电容C1与C2不会因为反向施加电压损坏，电容C3承受的压降等于V2+。

根据上述分析可知，电容C1、C2只需要与电流互感器整流输出电压V1+适配即可，电容C3只需要与外接辅助电源输出电压V2+适配即可，即电容C1、C2耐压值只需要满足大于等于电流互感器整流输出电压V1+，电容C3的耐压值需要满足大于等于外接辅助电源输出电压V2+。因此，C1与C2可以选用耐压较高、容值较低的电容。在辅助电源V2+上电时，通过串联的电阻R1可以限制对电容C3充电时的冲击电流，但这样会延长电容C3的充电时间，不过通常情况下智能控制器如果采用辅助电源供电，一般在辅助电源上电使智能控制器正常工作后才闭合断路器，故不会影响断路器的保护性能。辅助电源考虑成本、通用性等因素设计的输出电压较低(一般小于等于24V)，但为了足够驱动磁通变换器，要求驱动电容容值较大，即C3可以选用耐压较低、容值较大的电容。例如，电容C1、C2、C3可以优先采用高分子固态电容，规避其容值大但耐压低或耐压高但容值低的缺点，充分利用其长寿命、低ESR(等效串联阻抗)的优点，提高脱扣电路的长期工作可靠性。由于C1、C2选用耐压较高、容值较低的电容，C3选用耐压较低、容值较大的电容，占用体积较现有的耐压较高、容值也较高的非固态铝电解电容要小，有利于智能控制器的小型化设计。另外，无辅助电源供电时，例如遇到断路器发生接地故障且主回路电流较小时(例如小于0.4In)时，虽然铁芯电流互感器输出能量降低，但是由于驱动电容容值较小，电容充电时间基本不会延长，可以实现断路器快速准确的接地保护功能。所述的脱扣驱动电路2接收来自微控制器或者其它模拟电路发出的脱扣信号trip，通过电阻R2与电容C4组成的抗干扰滤波电路，使MOS管VT1导通，继而驱使磁通变换器动作。

图3显示了本发明脱扣电路另一个实施例。该脱扣电路与图2脱扣电路的区别在于取消了电阻R1，二极管D4的负极直接与二极管D5的正极、电容C1的负极、电容C2的负极、电容C3的正极相连接。该脱扣电路的其它部分以及基本原理与图2脱扣电路相同，此处不再赘述。

Claims (8)

1.一种脱扣电路，包括分别用于连接电压较高的第一电源和电压较低的第二电源的第一电源输入端、第二电源输入端，用于驱动磁通变换器的脱扣驱动电路，以及第一电源输入端、第二电源输入端与脱扣驱动电路之间的充放电电路；其特征在于，所述充放电电路包括第一～第五二极管、第一～第三电容；第一二极管的正极与第一电源输入端连接，第一二极管的负极与第二二极管的正极、第一电容的正极连接，第二二极管的负极与第三二极管的正极、第二电容的正极连接，第三二极管的负极与第五二极管的负极、脱扣驱动电路的输入端连接，第五二极管的正极与第一电容的负极、第二电容的负极、第三电容的正极、第四二极管的负极连接，第四二极管的正极与第二电源输入端连接，第三电容的负极接地；第一电容与第二电容的电容值之和小于第三电容的电容值。

2.如权利要求1所述脱扣电路，其特征在于，所述脱扣驱动电路包括第六二极管、第二电阻、第四电容，以及一个MOS管；所述磁通变换器的线圈与第六二极管并联，第六二极管的负极接脱扣驱动电路的输入端，第六二极管的正极接MOS管的漏极，MOS管的源极接地，MOS管的栅极与第二电阻的一端、第四电容的一端连接，第二电阻的另一端接脱扣控制信号，第四电容的另一端接地。

3.如权利要求1所述脱扣电路，其特征在于，第一～第三电容为固态电容。

4.一种脱扣电路，包括分别用于连接电压较高的第一电源和电压较低的第二电源的第一电源输入端、第二电源输入端，用于驱动磁通变换器的脱扣驱动电路，以及第一电源输入端、第二电源输入端与脱扣驱动电路之间的充放电电路；其特征在于，所述充放电电路包括第一～第五二极管、第一～第三电容，以及第一电阻；第一二极管的正极与第一电源输入端连接，第一二极管的负极与第二二极管的正极、第一电容的正极连接，第二二极管的负极与第三二极管的正极、第二电容的正极连接，第三二极管的负极与第五二极管的负极、脱扣驱动电路的输入端连接，第五二极管的正极与第一电容的负极、第二电容的负极、第三电容的正极、所述第一电阻的一端连接，第四二极管的正极、负极分别与第二电源输入端、所述第一电阻的另一端连接，第三电容的负极接地；第一电容与第二电容的电容值之和小于第三电容的电容值。

5.如权利要求4所述脱扣电路，其特征在于，所述脱扣驱动电路包括第六二极管、第二电阻、第四电容，以及一个MOS管；所述磁通变换器的线圈与第六二极管并联，第六二极管的负极接脱扣驱动电路的输入端，第六二极管的正极接MOS管的漏极，MOS管的源极接地，MOS管的栅极与第二电阻的一端、第四电容的一端连接，第二电阻的另一端接脱扣控制信号，第四电容的另一端接地。

6.如权利要求4所述脱扣电路，其特征在于，第一～第三电容为固态电容。

7.一种脱扣装置，包括磁通变换器以及如权利要求1～6任一项所述脱扣电路。

8.一种断路器，包括如权利要求7所述脱扣装置。