CN109560534A - 一种快速直流断路器的脉冲脱扣器驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速直流断路器脉冲脱扣器驱动电路，由与脱扣器线圈并联的储能电容，以及电容充电管理电路、电容恒流放电电路和IGBT低端开关电路组成；本发明电路可实现电容过压、充电、电容放电允许等指示和脉冲脱扣器的快速分断，具有分断速度快、安全性高、结构简单、易维护等特点，特别适用于直流快速断路器。

Description

一种快速直流断路器的脉冲脱扣器驱动电路

技术领域

本发明属于直流开关电器应用领域，涉及一种快速直流断路器的脉冲脱扣器驱动电路，特别适用于直流快速断路器的分闸控制。

背景技术

直流快速断路器是直流电力系统中重要的保护元件，实现对电力系统故障部分的切除。但直流断路器相比交流断路器具有分断难度大，燃弧熄灭困难等难点，为解决这些问题，需要提高直流快速断路器分断速度，缩小直流快速断路器全分断时间。

另直流断路器电弧不会出现过零自熄灭，故需设计时须考虑直流断路器的电弧特性。

脉冲脱扣器是一种典型的电能转化为机械能的装置，当脱扣器线圈获得脉冲电流时通过连杆机构等使动触头从合闸位置释放而实现断路器的快速分闸。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速直流断路器的脉冲脱扣器驱动电路，用于驱动脉冲脱扣器线圈，实现直流快速断路器的快速分断。

本发明的技术方案如下：一种快速直流断路器的脉冲脱扣器驱动电路，包括与脱扣器线圈并联的储能电容，还包括

电容充电管理电路，用于实现储能电容的动态管理，提供过压、充电及充电完成放电允许的指示和控制：用于采集储能电容的电压，判断储能电容电压是处于充电完成、电容过压还是电容欠压状态，若是充电完成则输出电容放电允许信号，允许储能电容放电；若是电容过压则对储能电容进行恒流放电；若是电容欠压则对储能电容进行充电，实现对储能电容的电压进行动态检测，保证储能电容能够提供充足能量，为脱扣器线圈提供脉冲电流，驱动脉冲脱扣器动作；

容恒流放电电路，用于实现储能电容放电时间的精确控制，保证断路器操作的安全性：通过对储能电容进行恒流放电并进行放电完成指示，可准确计算电容电荷放电完毕时间，保证脉冲脱扣器及断路器操作的安全性；

IGBT低端开关电路，用于在收到分闸指令而瞬间导通，电容放电允许信号后，驱动脱扣器线圈：向脱扣器线圈瞬间发送储能电容放电的脉冲电流，实现脱扣器线圈回路的快速导通和得电，使动触头释放，以实现直流快速断路器的快速分断和分闸控制，实现脉冲脱扣器的快速动作，当脉冲脱扣器动作完毕后，IGBT低端开关电路分闸指令消失，IGBT低端开关电路关闭；

所述的电容充电管理电路由比较器、分压电阻R1～R4、稳压管和SR锁存器组成；比较器和SR锁存器用于实现储能电容的充电管理，通过不同分压电阻对储能电容电压降压，将分压电阻分压得到的电压值与一给定电压进行比较，然后根据比较结果输出电容过压和电容允许充放电信号；储能电容的电压由外部320V直流电源提供，稳压管的控制电源为15V，且与储能电容的电压相互独立；

所述的电容恒流放电电路包括由三极管V8构成的第一恒流源电路和由放电三极管V6构成的第二恒流源电路，三极管V8的集电极通过电阻R5与放电三极管V6的集电极连接，三极管V8的基极通过稳压二极管V2与放电三极管V6的基极连接，三极管V8的发射极通过电阻R2连接稳压二极管V3，第一恒流源电路的输出作为第二恒流源电路中放电三极管V6的基极驱动电流，放电三极管V6的集电极电流即为电容恒流放电电流，实现电容的恒流放电；还包括三极管V5，三极管V5的集电极与放电三极管V6的集电极连接，在控制电源失电后，三极管V5截至；系统断电后，储能电容电压在系统断电时刻为320V，控制电源15V丢失，三极管V5截至，放电三极管V6的基极电平升高，储能电容开始放电；三极管V8构成的第一恒流源电路输出电流为（V2-V8）/R2，保证三极管V6的基极电流为恒定值，三极管V6的集电极电流为(V3-V6)/R6，由于三极管V6的基极电流为恒定值，故三极管V6的集电极电流（即放电电流）可恒定保持；

所述的IGBT低端开关电路包括与储能电容和脱扣器线圈并联的IGBT，IGBT基极连接驱动电阻R7，当断路器得到分闸信号后，分闸信号经驱动电阻R7施加于IGBT的门极，IGBT导通，储能电容向脉冲脱扣器线圈释放能量，脉冲脱扣器动作；在IGBT导通瞬间，储能电容开始对脱扣器线圈放电，脉冲脱扣器快速动作，直流断路器完成脱扣动作；直流断路器达到分位后，分闸信后消失，储能电容重新充电，电路完成功能。

所述的一种快速直流断路器的脉冲脱扣器驱动电路，其电容恒流放电电路还包括迟滞电路。

所述的一种快速直流断路器的脉冲脱扣器驱动电路，当IGBT关闭时，由于脉冲脱扣器线圈的电感分量，会导致线圈两端产生施加于IGBT的正向电动势，即过电压，为保护IGBT不受过压损坏，所述的IGBT上还并联有由电阻R8、二极管V9和电容C9构成的续流电路，过电压经电阻R8和二极管V9向电容C9充电。所述的电容C9为X电容。

本发明的有益效果是：本发明驱动电路可驱动脉冲脱扣器线圈，通过电容充电管理电路进行储能电容充电管理，实现储能电容恒流放电及放电完成指示，实现储能电容的过压和充电控制和放电允许控制；通过IGBT低端开关电路保证脱扣器线圈能够瞬间得到大电流，驱动脉冲脱扣器瞬间动作，保证直流快速断路器的全分段时间达到毫秒级。

附图说明

图1为本发明的电容充电管理电路示意图；

图2为本发明的电容恒流放电电路示意图；

图3为本发明的IGBT低端开关电路示意图；

图4为直流快速断路器分闸控制的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明公开了一种快速直流断路器的脉冲脱扣器驱动电路，涉及直流开关电器领域，适用于直流快速断路器分闸控制，由与脱扣器线圈并联的储能电容，以及电容充电管理电路、电容恒流放电电路和IGBT低端开关电路组成。

所述的电容充电管理电路，用于实现储能电容的动态管理，提供过压、充电及充电完成放电允许的指示和控制：用于采集储能电容的电压，判断储能电容电压是处于充电完成、电容过压还是电容欠压状态，若是充电完成则输出电容放电允许信号，允许储能电容放电；若是电容过压则对储能电容进行恒流放电；若是电容欠压则对储能电容进行充电，实现对储能电容的电压进行动态检测，保证储能电容能够提供充足能量，为脱扣器线圈提供脉冲电流，驱动脉冲脱扣器动作。

如图1所示，电容充电管理电路由比较器、分压电阻R1～R4、稳压管和SR锁存器组成；电阻R1阻值648KΩ，R2阻值475Ω，R2阻值475Ω，R4阻值10kΩ，稳压管稳压值5V，比较器和SR锁存器用于实现储能电容的充电管理，通过不同分压电阻对储能电容电压降压，将分压电阻分压得到的电压值与一给定电压进行比较，然后根据比较结果输出电容过压和电容允许充放电信号。为了放电电容电压波动而造成电容充电信号的频繁翻转，电容恒流放电电路还设计了迟滞电路，保证在一定电压波动范围内，电容充电信号不致频繁翻转，保证电容工作寿命。储能电容的电压由外部320V直流电源提供，控制电源为15V，控制电源为稳压管提供电源，控制电源和电容电压相互独立，当储能电容从0V开始充电，充电至300.9V时，电阻R2、R3、R4串联分压超过5V，比较器输出放电允许信号，此时储能电容可对负载放电；当储能电容充电至314.5V时，电阻R3和R4串联分压超过5V，比较器输出SR锁存器的复位信号，充电信号为高电平，继续为电容充电；当储能电容充电至329.5V时，电阻R4分压超过5V，输出SR锁存器置位信号，此时充电信号被复位为低电平，电容停止充电；若储能电容由于泄露电流等原因，电压跌落至314.5V，此时SR锁存器被置为电容继续充电；储能电容充电至329.5V时，锁存器被复位，电容停止充电；锁存器的迟滞功能可防止电容频繁充电，延长电容使用寿命。

容恒流放电电路用于实现储能电容放电时间的精确控制，保证断路器操作的安全性：通过对储能电容进行恒流放电并进行放电完成指示，可准确计算电容电荷放电完毕时间，保证脉冲脱扣器及断路器操作的安全性。

如图2所示，所述的电容恒流放电电路包括由三极管V8构成的第一恒流源电路和由放电三极管V6构成的第二恒流源电路，三极管V8的集电极通过电阻R5与放电三极管V6的集电极连接，三极管V8的基极通过稳压二极管V2与放电三极管V6的基极连接，三极管V8的发射极通过电阻R2连接稳压二极管V3，第一恒流源电路的输出作为第二恒流源电路中放电三极管V6的基极驱动电流，放电三极管V6的集电极电流即为电容恒流放电电流，实现储能电容的恒流放电，电阻R1阻值680kΩ，R2阻值10 kΩ，R5和R6的阻值为330Ω，稳压二极管V2和稳压二极管V3的稳压值5.6V；在电容电压及容值确定的情况下，放电电流确定，则放电时间亦可计算，还包括三极管V5，三极管V5的集电极与放电三极管V6的集电极连接，在控制电源失电后，三极管V5截至；系统断电后，储能电容电压在系统断电时刻为320V，控制电源15V丢失，三极管V5截至，放电三极管V6的基极电平升高，储能电容开始放电；三极管V8构成的第一恒流源电路输出电流为（V2-V8）/R2，值为0.49mA；电容电压跌至5.6V之前，V8恒定输出0.49mA电流，保证三极管V6的基极电流为恒定值，三极管V6的集电极电流为(V3-V6)/R6，计算值为14.8mA，由于三极管V6的基极电流为恒定值，故三极管V6的集电极电流（即放电电流）可恒定保持为14.8mA；储能电容电压320V，容值2200uF，放电电流14.8mA，则经过47.5s，储能电容电量释放完毕。

如图3所示，所述的IGBT低端开关电路包括与储能电容和脱扣器线圈并联的IGBT，IGBT基极连接驱动电阻R7，当断路器得到分闸信号后，分闸信号经驱动电阻R7施加于IGBT的门极，IGBT导通，储能电容向脉冲脱扣器线圈释放能量，脉冲脱扣器动作由于IGBT为半导体器件，其导通速度为微秒级，且其连续工作电流可达上百安培；在IGBT导通瞬间，储能电容开始对脱扣器线圈放电，脉冲脱扣器快速动作，直流断路器完成脱扣动作；直流断路器达到分位后，分闸信后消失，储能电容重新充电，电路完成功能。

当IGBT关闭时，由于脉冲脱扣器线圈的电感分量，会导致线圈两端产生施加于IGBT的正向电动势，即过电压，为保护IGBT不受过压损坏，所述的IGBT上还并联有由电阻R8、二极管V9和电容C9构成的续流电路，过电压经电阻R8和二极管V9向电容C9充电。电阻R8与电容C9串联，电阻R8上并联有二极管V9，所述的电容C9为X电容。电容两端电压不能突变，可有效保护IGBT不受过电压的影响，保护IGBT器件。

IGBT低端开关电路用于在收到分闸指令而瞬间导通，电容放电允许信号后，驱动脱扣器线圈：向脱扣器线圈瞬间发送储能电容放电的脉冲电流，实现脱扣器线圈回路的快速导通和得电，使动触头释放，以实现直流快速断路器的快速分断和分闸控制）实现脉冲脱扣器的快速动作，当脉冲脱扣器动作完毕后，IGBT低端开关电路分闸指令消失，IGBT低端开关电路关闭。

如图4所示，本发明用于直流快速断路器分闸控制时，电源上电后为储能电容充电同时检测是否有分闸信号，若充电未完成，则发送电容欠压充电信号，继续为电容充电；若充电完成，则判断电源是否关闭，若是则恒流放电，直至电容放电完毕；或者判断电容是否过压，若是则恒流放电，同时检测电容是否欠压，若是则继续为电容充电；或者判断放电是否允许，若是则IGBT低端开关导通，脉冲脱扣器动作；若有分闸信号则放电是否允许，若是则IGBT低端开关导通，脉冲脱扣器动作。

以上已说明本发明的原理功效及具体实施方法，在本领域的技术范畴内及上述原理基础上对本发明提出改正或者修善均应包含在待申请的本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种快速直流断路器的脉冲脱扣器驱动电路，其特征在于：包括与脱扣器线圈并联的储能电容，还包括

电容充电管理电路，用于对储能电容的电压进行动态检测，保证储能电容能够提供充足能量，为脱扣器线圈提供脉冲电流，驱动脉冲脱扣器动作；

电容恒流放电电路，用于实现储能电容放电时间的精确控制，保证断路器操作的安全性；

IGBT低端开关电路，用于实现脉冲脱扣器的快速动作，当脉冲脱扣器动作完毕后，IGBT低端开关电路分闸指令消失，IGBT低端开关电路关闭；

所述的电容充电管理电路由比较器、分压电阻R1～R4、稳压管和SR锁存器组成；比较器和SR锁存器用于实现储能电容的充电管理，通过不同分压电阻对储能电容电压降压，将分压电阻分压得到的电压值与一给定电压进行比较，然后根据比较结果输出电容过压和电容允许充放电信号；

所述的电容恒流放电电路包括三极管V8和放电三极管V6，三极管V8的集电极通过电阻R5与放电三极管V6的集电极连接，三极管V8的基极通过稳压二极管V2与放电三极管V6的基极连接，三极管V8的发射极通过电阻R2连接稳压二极管V3，放电三极管V6的集电极电流即为电容恒流放电电流，实现电容的恒流放电；还包括三极管V5，三极管V5的集电极与放电三极管V6的集电极连接，在控制电源失电后，三极管V5截至；

所述的IGBT低端开关电路包括与储能电容和脱扣器线圈并联的IGBT，IGBT基极连接驱动电阻R7，分闸信号经驱动电阻R7施加于IGBT的门极，IGBT导通；在IGBT导通瞬间，储能电容开始对脱扣器线圈放电，脉冲脱扣器快速动作，直流断路器完成脱扣动作；直流断路器达到分位后，分闸信后消失，储能电容重新充电，电路完成功能。

2.根据权利要求1所述的一种快速直流断路器的脉冲脱扣器驱动电路，其特征在于，所述的电容恒流放电电路还包括迟滞电路。

3.根据权利要求1所述的一种快速直流断路器的脉冲脱扣器驱动电路，其特征在于，所述的IGBT上还并联有由电阻R8、二极管V9和电容C9构成的续流电路，过电压经电阻R8和二极管V9向电容C9充电，所述的电容C9为X电容。