CN110767512A - 宽电压输入的欠压脱扣器 - Google Patents

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吴志祥
彭颖
方晓毅
史建平
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蔡纪鹤
鞠金涛
许泽刚
朱益利
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Abstract

本发明公开了一种宽电压输入的欠压脱扣器，包括EMC电路、整流电路、储能与降压电路、启动电路、取样电路、MCU电路、开关电路和和电磁铁。本发明在克服了现有欠压脱扣器输入电压范围窄、可靠性欠佳和常分220V和380V电压等级设计等的技术问题。本发明具有输入电压范围宽、储能功率大、电路简单、即便电磁铁线圈短路也不会损坏、支持零电压继续工作等特点。在克服了现有欠压脱扣器输入电压范围窄、启动力矩小、电路易击穿等问题的基础上，解决了现有欠压脱扣器在极宽输入电压情况下可靠工作的技术问题。本发明电路简单、启动力矩大、吸合可靠、线圈发热量小、能在多种场合下连续工作、可热插拔、抗短路。

Description

宽电压输入的欠压脱扣器
技术领域
本发明涉及低压电器领域，技术规范符合GB14048.2-2008，尤其断路器用欠压脱扣器。
背景技术
欠压脱扣器是断路器，尤其是框架式断路器的重要元件之一。欠电压脱扣器是在它的输入电压降至某一规定范围时，使断路器有延时或无延时断开的一种脱扣器，当电源(电网)电压下降(甚至缓慢下降)到额定工作电压的70％至35％范围内，欠电压脱扣器应动作[电磁铁线圈失电，线圈内动衔铁(动铁芯)有复位弹簧顶出—脱扣]，欠电压脱扣器在电源输入电压等于脱扣器额定工作电压的35％时，欠电压脱扣器应能防止断路器闭合；电源电压等于或大于85％欠电压脱扣器的额定工作电压时，在热态条件下，应能保证断路器可靠闭合(电磁铁线圈得电，动铁芯有线圈电磁力克服弹簧力吸入并保持一定力矩—“吸合”，为断路器可靠合闸提供条件)。欠压脱扣的本质，是防止断路器下级电器设备工作在欠压状态下电流过大后，电器设备自身发热加重的有效措施。
参考上述原则，结合现有实际供电工况，特别在长隧道的入口处、小型水力或火力发电站、舰船等特殊场合，供电电压瞬时或长时间很高，现有技术的普通欠压脱扣器常常被烧毁，从而失去当电网电压降低时“欠压脱扣”之作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有欠压脱扣器在输入电压很高时，电路发热或击穿，电磁铁线圈发热量大、启动力矩小、电路过于复杂、储能不足导致输入电压为零时续航工作时间短等问题的基础上，提出一种具有输入电压范围宽、储能功率大，吸合可靠、即便电磁铁线圈短路也不会损坏等特点的宽电压输入的欠压脱扣器，是本发明所要解决的主要问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
宽电压输入的欠压脱扣器，包括EMC电路、整流电路、储能与降压电路、启动电路、取样电路、MCU电路、开关电路和和电磁铁；
EMC电路与整流电路相连，输入电压经EMC电路抑制干扰之后，由整流电路将交流电压转变为直流脉动电压；直流脉动电压与启动电路相连，启动电路向电磁铁提供高压启动脉冲；直流脉动电压与储能与降压电路相连，提供充电电压，储能与降压电路产生恒定的直流电压进行储能，经降压电路变换成相关电路的工作电压；直流脉动电压与取样电路相连，取样电路产生的电压信号供MCU电路检测之用；MCU电路与储能与降压电路相连，控制其工作状态；MCU电路与开关电路相连，通过开关电路控制电磁铁的通断；MCU电路与启动电路相连，控制启动电路截止或导通；启动电路与电磁铁相连提供吸合高压脉冲；
MCU电路判断取样电压满足吸合条件后，通过开关电路接通电磁铁，储能与降压电路输出的电磁铁保持电压施加于电磁铁之上，但不足以吸合电磁铁，MCU电路控制启动电路产生一个高压脉冲，在此脉冲的激励下，电磁铁吸入并处于保持状态，为断路器提供合闸条件；MCU电路判断取样电压满足释放条件后，通过开关电路控制电磁铁的断开，电磁铁动铁芯在复位弹簧作用力的作用下弹出，顶开断路器锁扣机构，实现断路器的欠压分闸。
更进一步的，所述吸合条件是取样电压大于Ue的85％；所述释放条件是取样电压低于Ue的70％。
更进一步的，整流电路与储能与降压电路、启动电路及取样电路相连。
更进一步的，储能与降压电路与启动电路相连，为其提供工作电压；储能与降压电路与电磁铁相连，为其提供维持电压；储能与降压电路与MCU电路相连，为其提供工作电源；储能与降压电路与开关电路相连，为其提供工作电压。储能电路中的主要元件可以是电容器，蓄电池等。
更进一步的，取样电路与MCU电路相连；取样电路输出的信号电压大小正比于电源电压输入之大小；MCU电路通过取样电路电压信号检测电网电压值高低。
更进一步的，MCU电路与储能与降压电路相连，控制其工作过程；与开关电路相连，控制电磁铁的通断；与启动电路相连，控制高电压脉冲是否通过；MCU电路中的主控元件包括单片机(SCM)、或片上系统(SoC)、CPLD、FPGA或ARM及DSP等。MCU电路可接受外部BCD拨码、通讯口等设置延时时间值、动作阀值等相关参数。
更进一步的，启动电路与电磁铁相连，在MCU电路控制下，向电磁铁提供高压吸合脉冲。本发明的有益效果是，在克服了现有欠压脱扣器输入电压范围窄、启动力矩小、电路易击穿等问题的基础上，解决了现有欠压脱扣器在极宽输入电压情况下可靠工作的技术问题。提供一种电路简单、启动力矩大、吸合可靠、线圈发热量小、能在多种场合下连续工作、可热插拔、抗短路的欠压脱扣器。
附图说明
图1是本发明宽电压输入的欠压脱扣器的电路原理图；
图2是一种简易的EMC电路；
图3是储能与降压电路的主要构成；
图4是取样电路、MCU电路和开关电路的主要构成；
图5是启动电路的示意构成。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
电压输入经EMC电路抑制干扰之后，由整流电路将交流电压转变为直流脉动电压。直流脉动电压与启动电路相连，启动电路向电磁铁提供高压启动脉冲。直流脉动电压与储能与降压电路相连，储能与降压电路生产恒定的直流电压进行储能并由开关电源模块分别产生相关电路的工作电压。直流脉动电压与取样电路相连，取样电路产生的电压信号供MCU电路检测之用。MCU电路与储能与降压电路相连，控制其工作状态。MCU电路与开关电路相连，通过开关电路控制电磁铁的通断。MCU电路与启动电路相连，控制启动电路是否导通。启动电路与电磁铁相连提供吸合高压脉冲。
本发明中，储能与降压电路将整流后的脉动电压采用大容量电容器储能并“预稳”在特定恒定电压值，如200V，此电压经降压电路包括开关电源电路等变换出5V电压(VCC)给MCU电路供电，12V电压给开关电路供电，12V隔离电压给启动电路供电，20V到30V或更宽范围的特定电压作为电磁铁的保持电压。由于采用了大容量电容器储能，在第一级“预稳”电路中，充分降低了后续电路对电网输入电压的敏感性，降压电路在一个安全的电压下运行，大大提高了整体电路的可靠性。同时为电网断电(零电压)之后继续工作，提供了功率保障。由于采取了“二级变压”原理，当输入电压很高时，如450V，第一级预稳电路完成调压功能，当输入电压短时很低时，如100V，第一级预稳电路中的储能电容充当电源功能，实现了宽电压输入的主体功能。
本发明中，MCU电路判断取样的电网电压信号，如满足吸合条件时，通过开关电路控制电磁铁导通，(此时，由储能与降压电路所输出的电磁铁保持电压先行已建立)，电磁铁虽得电但不满足始动功率要求，电磁铁动铁芯不会被吸入。MCU电路向启动电路发出信号，启动电路将整流电路输出的脉动直流高压传送到电磁铁并持续数十毫秒，电磁铁获得高电压，动铁芯吸入，完成“吸合”之动作并保持在吸合状态。
本发明中，MCU电路判断取样电路电压信号，如满足欠压脱扣条件时，根据MCU电路设定的瞬时或延时状态通过开关电路控制电磁铁瞬时或延时断开——实现脱扣。如MCU电路设定的为零电压延时断开，MCU电路判断取样电路电压信号为零后开始计时，直到预设的延时时间到，通过开关电路控制电磁断开。此阶段中，储能与降压电路的大容量电容器作为后备电源，继续通过降压电路向各单元电路供电。
本发明中，储能与降压电路输出的电磁铁保持电压通过一个二极管向电磁铁供电，以防止脉动高压向“串入”稳压电路；通过启动电路耦合而来的输入全波脉动电压，也通过一个二极管正向隔离，以避免电网输入电压为零后，电磁铁维持电压“倒流”。
本发明中，储能与降压电路中，降压电路可有抗短路的基本开关电源原理(模块)实现，实现了电磁铁的“热插拔”。
本发明中，储能与降压电路受控于MCU电路。MCU中的程序控制“预稳”电压值的回差值。
宽电压输入的欠压脱扣器，其中包括EMC电路、整流电路、储能与降压电路、启动电路、取样电路、MCU电路、开关电路和和电磁铁等组成。
结合下面的附图1，说明宽电压输入的欠压脱扣器主要部分的实施过程。
附图2中，是一种简易的EMC电路，包括电容器C1、C2和共模电感L1。电网或电源输入经EMC电路抑制干扰后，连接于整流电路(图中的全桥BG1)，产生全波整流脉动电压，正端定义为VP，负端定义为“地”。
附图3为储能与降压电路的主要构成。电源输入起始时，储能电容C3无电压，开关电源模块没有输出，MCU电路处于高阻状态，来自MCU电路的控制信号端口VC也呈高阻状态，控制MOS管Q1栅极(或三极管基极)无电压处于截止状态，充电MOS管Q2的栅极由电阻器R2上拉为高电平，并由稳压管Z1限幅，Q2导通，VP电压经隔离二极管D1后由充电限流电阻器R1限流通过Q2向储能电容器C3充电，充电电压VM逐步升高。当VM升到到一定程度(如100V)时，开关电源模块启动工作，分别输出MCU电路的工作电压VCC(5V或3.3V等)、12V电压用于开关电路工作电压、隔离的12V(G)用于启动电路工作电压和用于电磁铁L2的20V到30V或更宽范围的某一恰当的保持电压。为了防止启动电路生产的高电压“倒流”到保持电压的输出端，设置隔离二极管D2。VM电压值经电阻器R3、R4分压生产表征充电电压高低的电压信号SB，供MCU电路监控之用。MCU电路通过检测SB的大小，反馈控制Q1的通断，如当VM超过200V时，MCU电路发出的控制信号VC为高电平，Q1导通，Q2栅极被下拉为低电平，Q2截止停止充电；如当VM低于190V时，MCU电路发出的控制信号VC为低电平，Q1截止，Q2栅极被上拉为高电平，Q2导通继续充电。如此往复，保持VM处于一恒定的电压区间值，实现“预稳”和储能作用。当电源输入电压为0时，储能电容器C3中的电荷继续向开关电源模块供电，从而确保零电压期间欠压脱扣器的继续工作状态。工作时间之长短与C3容量成正比，甚至可实现几十分钟乃至数小时的零电压延时。
附图4为取样电路、MCU电路和开关电路的主要构成。电阻器R5和R6组成取样电路，分压值SA表征整流电路输出电压VP的高低，即是表征了电源(电网)输入电压的高低。MCU电路中的主要元件可以是单片机(MCU)、片上系统(SoC)、CPLD、FPGA或ARM及DSP等及相关的外围辅助元件，包括下载线、程序等。MCU检测SA电压，与程序设定的吸合电压值(如0.85Ue)比较做出判断是否吸合。如条件满足，MCU电路向MOS管驱动电路发出高电平信号，此信号经MOS管驱动电路电平变换，驱动由MOS管Q3组成的开关电路导通，来自开关电源模块的30V电压便加载到电磁铁二端，电磁铁得到维持电流。MCU电路向启动电路发出控制信号ST，令VP电压加载到电磁铁几十毫秒，电磁铁吸合。之后，MCU检测SA电压与程序设定的脱扣电压值(如0.70Ue)比较，做出判断是否释放(脱扣)以及是否延时脱扣等。如为瞬时脱扣，一旦SA电压低于脱扣电压值，MCU电路向开关电路输出的高电平立即转变为低电平，Q3截止，电磁铁电流通路被切断，动铁芯在复位弹簧力额的作用下弹出，顶开锁扣机构，实现脱扣。如为延时脱扣，则待延时时间到，实现上述脱扣动作。MCU电路检测SB电压信号大小，使用控制信号VC对“预稳”电路进行控制。
附图5为启动电路的示意构成。由MCU电路发出的控制信号ST，使得光电耦合器G1的输出端导通，来自于储能与降压电路的隔离12V(G)电压加载到MOS管Q4的栅源极，Q4导通，VP加载到电磁铁。为了防止零电压期间电磁铁维持电压“倒流”，设置隔离二极管D3。
综上所述，本发明在克服了现有欠压脱扣器输入电压范围窄、可靠性欠佳和常分220V和380V电压等级设计等的技术问题。本发明具有输入电压范围宽、储能功率大、电路简单、即便电磁铁线圈短路也不会损坏、支持零电压继续工作等特点。
以上述依据本发明的思想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.宽电压输入的欠压脱扣器，其特征在于：包括EMC电路、整流电路、储能与降压电路、启动电路、取样电路、MCU电路、开关电路和和电磁铁；
EMC电路与整流电路相连，输入电压经EMC电路抑制干扰之后，由整流电路将交流电压转变为直流脉动电压；直流脉动电压与启动电路相连，启动电路向电磁铁提供高压启动脉冲；直流脉动电压与储能与降压电路相连，提供充电电压，储能与降压电路产生恒定的直流电压进行储能，经降压电路变换成相关电路的工作电压；直流脉动电压与取样电路相连，取样电路产生的电压信号供MCU电路检测之用；MCU电路与储能与降压电路相连，控制其工作状态；MCU电路与开关电路相连，通过开关电路控制电磁铁的通断；MCU电路与启动电路相连，控制启动电路截止或导通；启动电路与电磁铁相连提供吸合高压脉冲；
MCU电路判断取样电压满足吸合条件后，通过开关电路接通电磁铁，储能与降压电路输出的电磁铁保持电压施加于电磁铁之上，但不足以吸合电磁铁，MCU电路控制启动电路产生一个高压脉冲，在此脉冲的激励下，电磁铁吸入并处于保持状态，为断路器提供合闸条件；MCU电路判断取样电压满足释放条件后，通过开关电路控制电磁铁的断开，电磁铁动铁芯在复位弹簧作用力的作用下弹出，顶开断路器锁扣机构，实现断路器的欠压分闸。
2.根据权利要求1所述的宽电压输入的欠压脱扣器，其特征在于：所述吸合条件是取样电压大于Ue的85％；所述释放条件是取样电压低于Ue的70％。
3.根据权利要求1所述的宽电压输入的欠压脱扣器，其特征在于：整流电路与储能与降压电路、启动电路及取样电路相连。
4.根据权利要求1所述的宽电压输入的欠压脱扣器，其特征在于：储能与降压电路与启动电路相连，为其提供工作电压；储能与降压电路与电磁铁相连，为其提供维持电压；储能与降压电路与MCU电路相连，为其提供工作电源；储能与降压电路与开关电路相连，为其提供工作电压；储能电路中的主要元件包括电容器、或蓄电池。
5.根据权利要求1所述的宽电压输入的欠压脱扣器，其特征在于：取样电路与MCU电路相连；取样电路输出的信号电压大小正比于电源电压输入之大小；MCU电路通过取样电路电压信号检测电网电压值高低。
6.根据权利要求1所述的宽电压输入的欠压脱扣器，其特征在于：MCU电路与储能与降压电路相连，控制其工作过程；与开关电路相连，控制电磁铁的通断；与启动电路相连，控制高电压脉冲是否通过；MCU电路中的主控元件包括单片机、或片上系统、或CPLD、或FPGA或ARM及DSP；MCU电路可接受外部BCD拨码、通讯口等设置延时时间值、动作阀值的相关参数。
7.根据权利要求1所述的宽电压输入的欠压脱扣器，其特征在于：启动电路与电磁铁相连，在MCU电路控制下，向电磁铁提供高压吸合脉冲。
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CN113410106A (zh) * 2021-06-18 2021-09-17 江阴市懿泓电气有限公司 一种多功能脱扣器

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