CN110336252A - 空间固态配电保护电路、方法及供配电系统 - Google Patents

空间固态配电保护电路、方法及供配电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间固态配电保护电路、方法及供配电系统。辅助供电模块输出第一电压至所述接通/关断控制模块及输出第二电压至过流/短路保护模块，接通/关断控制模块通过指令模式控制空间固态配电保护电路的接通与关断；驱动模块将所述指令模式的接通与关断信号放大并驱动开关模块的开启与关断；电流采样模块采集母线电源的母线电压并进行实时监测，当所述母线电压大于预设的第一阈值电压时，过流/短路保护模块快速切断开关模块的开关。本发明具有动作响应快及可靠性高的优点。

Description

空间固态配电保护电路、方法及供配电系统
技术领域
本发明涉及供配电技术领域，特别涉及一种空间固态配电保护电路、方法及供配电系统。
背景技术
在供配电技术领域中，供配电系统的保护电路设计是一项非常重要的技术。它能保证供配电系统的输入电压过大时防止设备的永久性损害，减少维修成本。然而，传统的熔断器因其过流保护方式对设备而言通常是不可逆的，且存在熔断范围宽、熔断时间长、对电流设备冲击大等缺点。此外，传统的继电器存在开关次数有限、触电在高压作用下容易拉弧打火，力学环境下容易触发误动作等缺点。因此发明一种动作响应快及可靠性高的配电保护电路已成为该领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是，提供一种动作响应快及可靠性高的配电保护电路、方法及供配电系统。
第一方面，本发明公开了一种空间固态配电保护电路，包括：母线电源、开关模块、辅助供电模块、接通/关断控制模块、驱动模块、电流采集模块、过流/短路保护模块及显示模块；所述母线电源分别与所述开关模块及所述辅助供电模块电连接，所述辅助供电模块分别所述接通/关断模块及所述过流/短路保护模块电连接，所述开关模块分别与所述电流采集模块及所述驱动模块电连接，所述驱动模块分别与所述接通/关断控制模块及过流/短路保护模块电连接，所述显示模块与所述电流采集模块电连接；所述辅助供电模块输出第一电压至所述接通/关断控制模块及输出第二电压至所述过流/短路保护模块，所述接通/关断控制模块通过指令模式控制所述空间固态配电保护电路的接通与关断；所述驱动模块将所述指令模式的接通与关断信号放大并驱动所述开关模块的开启与关断；所述电流采样模块采集所述母线电源的母线电压并进行实时监测，当所述母线电压大于预设的第一阈值电压时，所述过流/短路保护模块快速切断所述开关模块的开关。
优选地，所述空间固态配电保护电路还包括报警模块；所述报警模块的第一端与所述过流/短路保护模块电连接，所述报警模块的第二端与所述显示模块电连接。
优选地，所述过流/短路保护模块包括第一积分器及比较器单元；所述第一积分器的负向输入端用于输入所述第一阈值电压，所述第一积分器的正向输入端与所述第一积分器的输出端电连接，所述第一积分器的输出端与所述接通/关断控制模块及所述比较器单元电连接。
优选地，所述比较器单元包括第一比较器及第二比较器；所述第一比较器的负向输入端用于输入所述第一阈值电压，所述第一比较器的正向输入端与所述第一积分器的输出端电连接，所述第一比较器的输出端与所述第二比较器的输出端电连接，所述第二比较器的负向输入端用于输入第二阈值电压，所述第二比较器的正向输入端与所述第一积分器的正向输入端电连接。
优选地，所述辅助供电模块包括第一辅助供电单元及第二辅助供电单元；所述第一辅助供电单元与所述接通/关断控制模块电连接，用于输出所述第一电压为所述接通/关断控制模块供电；所述第二辅助供电单元与所述过流/短路保护模块电连接，用于输出所述第二电压为所述过流/短路保护模块供电。
优选地，所述空间固态匹配保护电路包括正常接通、正常关断及过流/短路保护关断三种工作模式。
优选地，所述显示模块用于显示所述空间固态匹配保护电路的工作状态。
优选地，所述第一辅助供电单元包括第一三极管、第一稳压管；所述第一三极管的集电集与所述母线电源电连接，所述第一三极管的基极与所述第一稳压管的第一端电连接，所述第一三极管的发射极接地，所述第一稳压管的第二端接地。
第二方面，本发明还公开了一种空间陪配固态匹配保护方法，所述方法包括：
输出第一电压至所述接通/关断控制模块；
输出第二电压至所述过流/短路保护模块；
输入指令模式；
将所述指令模式的接通与关断信号放大并驱动所述开关模块的正常开启与正常关断；
采集所述母线电源的母线电压并进行实时监测；
当所述母线电压大于预设的第一阈值电压时，所述过流/短路保护模块快速切断所述开关模块的开关。
第三方面，本发明还公开了一种供配电系统，其包括空间固态配电保护电路，所述空间固态配电保护电路为第一方面任一项的空间固态配电保护电路。
本发明的空间固态配电保护电路及供配电系统具有如下有益效果：母线电源、开关模块、辅助供电模块、接通/关断控制模块、驱动模块、电流采集模块、过流/短路保护模块及显示模块；所述母线电源分别与所述开关模块及所述辅助供电模块电连接，所述辅助供电模块分别所述接通/关断模块及所述过流/短路保护模块电连接，所述开关模块分别与所述电流采集模块及所述驱动模块电连接，所述驱动模块分别与所述接通/关断控制模块及过流/短路保护模块电连接，所述显示模块与所述电流采集模块电连接；所述辅助供电模块输出第一电压至所述接通/关断控制模块及输出第二电压至所述过流/短路保护模块，所述接通/关断控制模块通过指令模式控制所述空间固态配电保护电路的接通与关断；所述驱动模块将所述指令模式的接通与关断信号放大并驱动所述开关模块的开启与关断；所述电流采样模块采集所述母线电源的母线电压并进行实时监测，当所述母线电压大于预设的第一阈值电压时，所述过流/短路保护模块快速切断所述开关模块的开关。与传统保护电路相比，开关模块主要采用了固态半导体功率器件作为开关单元，安全系数高且使用寿命长；并且能够使用内部电路的智能控制，实现对供配电系统及用电负载的快速保护，响应时间短，保护速度快，并且能够通过显示模块实现对电路开关状态、负载状态、输入电流及输出电流等参数进行实时监测，可靠性高。因而本发明具有动作响应快及可靠性高的优点。
附图说明
图1为本发明实施例空间固态配电保护电路的原理框图；
图2为本发明实施例空间固态配电保护电路的过流/短路保护模块的电路图；
图3为本发明实施例空间固态配电保护电路的报警模块的电路图；
图4为本发明实施例空间固态配电保护电路的第一辅助供电单元的电路图；
图5为本发明实施例空间固态配电保护电路的接通/关断控制模块的电路图；
图6为本发明实施例空间固态配电保护电路的采集模块的电路图；
图7为本发明实施例空间固态配电保护电路的驱动模块的电路图；
图8为本发明实施例空间固态配电保护方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。
实施例一
请参阅图1，本发明公开了一种空间固态配电保护电路。空间固态配电保护电路包括：母线电源1、开关模块2、辅助供电模块3、接通/关断控制模块4、驱动模块5、电流采集模块6、过流/短路保护模块7及显示模块8；所述母线电源1分别与所述开关模块2及所述辅助供电模块3电连接，所述辅助供电模块3分别所述接通/关断模块4及所述过流/短路保护模块7电连接，所述开关模块2分别与所述电流采集模块6及所述驱动模块5电连接，所述驱动模块5分别与所述接通/关断控制模块4及过流/短路保护模块7电连接，所述显示模块8与所述电流采集模块6电连接；所述辅助供电模块3输出第一电压至所述接通/关断控制模块4及输出第二电压至所述过流/短路保护模块7，所述接通/关断控制模块4通过指令模式控制所述空间固态配电保护电路的接通与关断；所述驱动模块5将所述指令模式的接通与关断信号放大并驱动所述开关模块2的开启与关断；所述电流采样模块6采集所述母线电源1的母线电压并进行实时监测，当所述母线电压大于预设的第一阈值电压时，所述过流/短路保护模块7快速切断所述开关模块2的开关。
优选地，在本实施例中，开关模块2主要采用了固态半导体功率器件作为开关单元，安全系数高且使用寿命长；并且能够使用内部电路的智能控制，实现对供配电系统及用电负载的快速保护，响应时间短，保护速度快，并且能够通过显示模块实现对电路开关状态、负载状态、输入电流及输出电流等参数进行实时监测，可靠性高。因而本发明具有动作响应快及可靠性高的优点。
优选地，请参阅图3，所述空间固态配电保护电路还包括报警模块9；所述报警模块9的第一端与所述过流/短路保护模块7电连接，所述报警模块9的第二端与所述显示模块8电连接。可以理解的是，在本实施例中，当所述供配电系统发生过流/短路现象时，通过所述报警模块9发生报警，提示用户进入相应的处理流程。
具体地，请参阅图3，所述报警模块9包括第一场效应管Q1、第七电阻R13、第八电阻R14及报警输出端口。所述第七电阻R13的第一端与所述过流/短路保护模块7电连接，所述第七电阻R13的第二端与所述第一场效应管Q1的栅极及所述第八电阻R14的第一端电连接，所述第八电阻R14的第二端接地，第一场效应管Q1的漏极与报警输出端口电连接，所述第一场效应管Q1的源极接地。当所述空间固态配电保护电路发生过流/短路现象时，所述第一场效应管Q1接收到高电平信号并且导通，所述第一场效应管Q1将所述高电平信号发送给所述报警输出端口，提示提示用户进入相应的处理流程。
优选地，请参阅图2，所述过流/短路保护模块7包括第一积分器N1及比较器单元71；所述第一积分器N1的负向输入端用于输入所述第一阈值电压，所述第一积分器N1的正向输入端与所述第一积分器N1的输出端电连接，所述第一积分器N1的输出端与所述接通/关断控制模块4及所述过流/短路保护模块7电连接。
优选地，所述比较器单元71包括第一比较器N2及第二比较器N3；所述第一比较器N2的负向输入端用于输入所述第一阈值电压，所述第一比较器N2的正向输入端与所述第一积分器N1的输出端电连接，所述第一比较器N2的输出端与所述第二比较器N3的输出端电连接，所述第二比较器N2的负向输入端用于输入第二阈值电压，所述第二比较器N2的正向输入端与所述第一积分器N1的正向输入端电连接。
优选地，所述过流/短路保护模块7还包括第一电阻R40、第二电阻R39、第三电阻R36、第四电阻R20、第五电阻R21、第六电阻R22、第一电容C10、第二电容C9、第一二极管V7及第二二极管V8；所述第一电阻R40连接在所述第一积分器N1的反相输入端上，所述第二电阻R39连接在所述第一积分器N1的正相输入端上，所述第三电阻R36的第一端与所述第二电阻R39电连接，所述第三电阻R36的第二端与所述第二比较器N2的正相输入端及所述第一电容C10的第一端电连接，所述第一电容C10的第二端接地。所述第二电容C9的第一端与所述第一积分器N1的反相输入端电连接，所述第二电容C9的第二端与所述第一积分器N1的输出端电连接。所述第四电阻R20的第一端与所述第二辅助供电单元32电连接，所述第四电阻R20的第二端与所述第一比较器N1的输出端及所述第一二极管V7的第一端电连接。所述第五电阻R21的第一端与所述第一辅助供电单元31电连接，所述第五电阻R21的第二端与所述第二比较器N2的输出端及所述第二二极管V8的第一端电连接，所述第一二极管V7的第二端与所述第二二极管V8的第二端及所述第六电阻R22的第一端电连接，所述第六电阻R22的第二端与所述报警模块9电连接。
优选地，当电路处于正常接通工作模式时，流经所述母线电源1的电流值小于所述预设的过流/短路保护电流值，此时所述第一积分器N1及所述第一比较器N1输出低电平。当流经所述母线电源1的电流值大于所述第一阈值电压小于所述第二阈值电压时，所述第一积分器N1开始工作，输出电平逐渐升高。当经过一段时间，最终输出电平大于所述第一阈值电压，所述第一比较器N2反转输出过流保护关断信号；当最终输出电平大于所述的第二阈值电压时，所述第二比较器N3反转输出短路保护关断信号，达到快速关断配电保护开关的目的。可以理解的是，在本实施例中，所述第一阈值电压为过流保护电压，发生过流时，所述母线电源1的电流越小，过流保护的时间越长，所述母线电源的电流越大，过流保护时间越短。所述第二阈值电压为短路保护电压。
优选地，请参阅图4，所述辅助供电模块3包括第一辅助供电单元31及第二辅助供电单元32；所述第一辅助供电单元31与所述接通/关断控制模块4电连接，用于输出所述第一电压为所述接通/关断控制模块4供电；所述第二辅助供电单元32与所述过流/短路保护模块7电连接，用于输出所述第二电压为所述过流/短路保护模块7供电。
优选地，所述空间固态匹配保护电路包括正常接通、正常关断及过流/短路保护关断三种工作模式。
优选地，所述显示模块8用于显示所述空间固态匹配保护电路的工作状态。
具体地，所述显示模块显示空间固态匹配保护电路的正常接通状态、正常关断状态、过流/短路保护关断状态、负载状态、输入电流及输出电流的状态。
优选地，所述第一辅助供电单元31包括第一三极管V9、第一稳压管VE1；所述第一三极管V9的集电集与所述母线电源1电连接，所述第一三极管V9的基极与所述第一稳压管VE1的第一端电连接，所述第一三极管V9的发射极接地，所述第一稳压管VE1的第二端接地。可以理解的是，在本实施例中，所述第二辅助供电单元31的结构与所述第一辅助供电单元32的结构相同。通过选取不同规格的稳压管，分别得到两路相互独立的辅助供电电路，分别输出到所述接通/关断控制模块4及所述过流/短路保护模块，避免了两者共用同一电源而产生相互干扰的问题。
优选地，请参阅图5，所述接通/关断控制模块4包括第一反相器U1、第二反相器D2、第一触发器D1、第九电阻R10、第三二极管V3及第四二极管V4。所述第一反相器D2的第一端用于输入接通模式的指令，所述第一反相器D2的第二端与所述触发器电连接，所述第二反相器D3的第一端用于输入关断模式的指令，所述第二反相器D3的第二端与所述第三二极管V3的第一端电连接，所述第三二极管V3的第二端与所述第一触发器U1、所述第四二极管V4的第一端及所述第九电阻R10的第一端电连接，所述第四二极管V4的第二端与所述过流/短路保护模块4电连接，所述第九电阻R10的第二端接地。
具体地，在正常工作模式下，所述第一触发器U1输出高电平。若负载发生异常，引起流经所述母线电源1的电流大于所述第一阈值电压或第二阈值电压，所述过流/短路保护模块7发出关断信号，所述第一触发器U1发生复位动作，输出端由高电平变为低电平，并快速输送到所述开关模块切断母线电源1，进入保护模式。
优选地，请参阅图6，所述电流采集模块6包括第十一电阻Rs、第十二电阻R23、第十三电阻R24、第十四电阻R26、第十五电阻R25、第十六电阻R27、第三电容C8、第二三极管Q2、第三三极管Q3及第四三极管Q4。所述第十一电阻Rs的第一端与所述第十二电阻R23的第一端及所述母线电源1电连接，所述第十一电阻Rs的第二端与所述第十三电阻R24的第一端电连接，所述第十二电阻R23的第二端与所述第三电容C8的第一端、所述第二三极管Q2的发射极及所述第三三极管Q3的发射极电连接，所述第十三电阻R24的第二端与所述第三电容C8的第二端及所述第四三极管Q4的发射极电连接。所述第三三极管Q3的基极与所述第四三极管Q4的基极及所述第二三极管Q2的集电极电连接，所述第四三极管Q4的基极与所述第三三极管Q3的集电极及所述第十四电阻R26的第一端电连接，所述第二三极管Q2的集电极与所述第十五电阻R25的第一端电连接，所述第十六电阻R27的第一端与所述第四三极管Q4的集电极电连接，所述第十四电阻R26的第二端、所述第十五电阻R25的第二端及所述第十六电阻R27的第二端接地。所述电流采集模块6将所述母线电源的电流采样后以电压的形式反映出来，实现对所述母线电源1电流的实时采集与监测。
优选地，请参阅图7，所述驱动模块包括5包括第十七电阻R12、第十八电阻R13、第十九电阻R19、第二十电阻R16、第二十一电阻R18、第二十二电阻RL、第五三极管V11、第二场效应管V14、第四电容C7及第三稳压管E3。所述第十七电阻R12的第一端与所述电流采集模块6电连接，所述第十七电阻R12的第二端与所述第十八电阻R13的第一端及所述第五三极管V11的基极电连接，所述第十八电阻R13的第二端接地。所述第五三极管V11的集电极与所述第十九电阻R19的第一端电连接，所述第十九电阻R19的第二端与所述第二十电阻R16的第一端电连接。所述第二十电阻R16、所述第四电容C7、所述第三稳压管E3及所述第二十一电阻R18并联连接。所述第二场效应管V14的栅极与所述第二十电阻R16的第二端电连接，所述第二场效应管V14的源极与所述第二十一电阻电连接，所述第二场效应管V14的漏极与所述第二十二电阻RL的第一端电连接，所述第二十二电阻RL的第二端接地，所述第五三极管E3的发射极接地。当所述空间固态配电保护电路正常关断或者过流/短路保护关断时，所述第五三极管V14由导通状态变成截止状态，所述第二场效应管的栅极电压降为0，所述接通/关断控制模块关断，切断负载与所述母线电源的电压。
实施例二
请参阅图8，本发明还公开了一种空间固态配电保护方法，所述方法包括：
S10、输出第一电压至所述接通/关断控制模块；
S11、输出第二电压至所述过流/短路保护模块；
S12、输入指令模式；
S13、将所述指令模式的接通与关断信号放大并驱动所述开关模块的正常开启与正常关断；
S14、采集母线电源的母线电压并进行实时监测；
S15、当所述母线电压大于预设的第一阈值电压时，过流/短路保护模块快速切断所述开关模块的开关。
实施例三
一种供配电系统，其包括保护供配电系统不被损坏的空间固态配电保护电路，空间固态配电保护电路为以上任一实施例的空间固态配电保护电路。
综上，由于本发明的空间固态配电保护电路包括：母线电源1、开关模块2、辅助供电模块3、接通/关断控制模块4、驱动模块5、电流采集模块6、过流/短路保护模块7及显示模块8；所述母线电源1分别与所述开关模块2及所述辅助供电模块3电连接，所述辅助供电模块3分别所述接通/关断模块4及所述过流/短路保护模块7电连接，所述开关模块2分别与所述电流采集模块6及所述驱动模块5电连接，所述驱动模块5分别与所述接通/关断控制模块4及过流/短路保护模块7电连接，所述显示模块8与所述电流采集模块6电连接；所述辅助供电模块3输出第一电压至所述接通/关断控制模块4及输出第二电压至所述过流/短路保护模块7，所述接通/关断控制模块4通过指令模式控制所述空间固态配电保护电路的接通与关断；所述驱动模块5将所述指令模式的接通与关断信号放大并驱动所述开关模块2的开启与关断；所述电流采样模块6采集所述母线电源1的母线电压并进行实时监测，当所述母线电压大于预设的第一阈值电压时，所述过流/短路保护模块7快速切断所述开关模块2的开关。
以上对本发明所提供的空间固态配电保护电路及供配电系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种空间固态配电保护电路，其特征在于，包括：母线电源、开关模块、辅助供电模块、接通/关断控制模块、驱动模块、电流采集模块、过流/短路保护模块及显示模块；所述母线电源分别与所述开关模块及所述辅助供电模块电连接，所述辅助供电模块分别所述接通/关断模块及所述过流/短路保护模块电连接，所述开关模块分别与所述电流采集模块及所述驱动模块电连接，所述驱动模块分别与所述接通/关断控制模块及过流/短路保护模块电连接，所述显示模块与所述电流采集模块电连接；所述辅助供电模块输出第一电压至所述接通/关断控制模块及输出第二电压至所述过流/短路保护模块，所述接通/关断控制模块通过指令模式控制所述空间固态配电保护电路的正常接通与正常关断；所述驱动模块将所述指令模式的接通与关断信号放大并驱动所述开关模块的正常开启与正常关断；所述电流采样模块采集所述母线电源的母线电压并进行实时监测，当所述母线电压大于预设的第一阈值电压时，所述过流/短路保护模块快速切断所述开关模块的开关。
2.根据权利要求1所述的空间固态配电保护电路，其特征在于，所述空间固态配电保护电路还包括报警模块；所述报警模块的第一端与所述过流/短路保护模块电连接，所述报警模块的第二端与所述显示模块电连接。
3.根据权利要求1所述的空间固态配电保护电路，其特征在于，所述过流/短路保护模块包括第一积分器及比较器单元；所述第一积分器的负向输入端用于输入所述第一阈值电压，所述第一积分器的正向输入端与所述第一积分器的输出端电连接，所述第一积分器的输出端与所述接通/关断控制模块及所述比较器单元电连接。
4.根据权利要求2所述的空间固态匹配保护电路，其特征在于，所述比较器单元包括第一比较器及第二比较器；所述第一比较器的负向输入端用于输入所述第一阈值电压，所述第一比较器的正向输入端与所述第一积分器的输出端电连接，所述第一比较器的输出端与所述第二比较器的输出端电连接，所述第二比较器的负向输入端用于输入第二阈值电压，所述第二比较器的正向输入端与所述第一积分器的正向输入端电连接。
5.根据权利要求4所述的空间固态匹配保护电路，其特征在于，所述辅助供电模块包括第一辅助供电单元及第二辅助供电单元；所述第一辅助供电单元与所述接通/关断控制模块电连接，用于输出所述第一电压为所述接通/关断控制模块供电；所述第二辅助供电单元与所述过流/短路保护模块电连接，用于输出所述第二电压为所述过流/短路保护模块供电。
6.根据权利要求5所述的空间固态匹配保护电路，其特征在于，所述空间固态匹配保护电路包括正常接通、正常关断及过流/短路保护关断三种工作模式。
7.根据权利要求6所述的空间固态匹配保护电路，其特征在于，所述显示模块用于显示所述空间固态匹配保护电路的工作状态。
8.根据权利要求7所述的空间固态匹配保护电路，其特征在于，所述第一辅助供电单元包括第一三极管、第一稳压管；所述第一三极管的集电集与所述母线电源电连接，所述第一三极管的基极与所述第一稳压管的第一端电连接，所述第一三极管的发射极接地，所述第一稳压管的第二端接地。
9.一种空间陪配固态匹配保护方法，其特征在于，所述方法包括：
输出第一电压至所述接通/关断控制模块；
输出第二电压至所述过流/短路保护模块；
输入指令模式；
将所述指令模式的接通与关断信号放大并驱动所述开关模块的正常开启与正常关断；
采集所述母线电源的母线电压并进行实时监测；
当所述母线电压大于预设的第一阈值电压时，所述过流/短路保护模块快速切断所述开关模块的开关。
10.一种供配电系统，其特征在于，所述供配电系统包括权利要求1至8任一项所述的供配电系统。
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