CN110943499A - 一种新型储能电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型储能电路，由单片机系统管理控制，包括两个MOS管开关及其PWM驱动电路、储能电容、功率电感、二极管、储能电容电压采样电路。通过储能电容电压采样电路监测储能电容储能电压，将储能电容储能电压设定值和实测值比较后，单片机系统单独输出PWM1信号控制一个MOS管开关，电源通过MOS管开关、功率电感、续流二极管、储能电容组成充电回路，对储能电容快速降压充电；输出同步PWM1、PWM2信号控制两个MOS管开关，先使功率电感储能，再使功率电感储能释放，储能释放充电电流叠加电源充电电流可以对储能电容快速升压充电。可以保持储能电容电压稳定在设定值，可以适应宽范围的供电电源及电源波动。
Description
技术领域
本发明涉及一种储能电路，适用于永磁真空断路器。
背景技术
近年来出现的永磁式中高压断路器、接触器，需要使用储能电容储能，用于驱动永磁开关的励磁线圈，实现开关动作。当前普遍采用电阻限流降压方式对储能电容进行充电，体积较大，充电慢，效率低，电容充电电压不可调，且储能电容储电压低于电源供电电压，当供电出现较大波动时，储能电容储能电压也会出现波动，且在供电电压低于额定值85%时，较低的储能电压，影响断路器、接触器的正常操作，导致其适用性差。
发明内容
本发明的目的是解决目前永磁开关中存在的问题，充电电源通过脉冲开关、功率电感和相应的续流二极管，可以实现对储能电容的快速脉冲充电，相较于电阻限流降压方式充电，具有较高的效率。由单片机系统管理，监测储能电容的电压，与储能电容储能电压设定值比较，调节PWM1输出脉冲信号，控制MOS管开关，充电电源经过MOS管开关输出脉冲充电电流，向储能电容充电，可以在充电电源电压以下设定并保持稳定的储能电容储能电压，即降压充电；单片机系统同步输出不同宽度的PWM1、PWM2脉冲信号，控制两个连接充电电源的MOS管开关，中间串接功率电感，两个MOS管开关同时导通时，充电电源电流通过两个MOS管和功率电感，使功率电感储能，当连接充电电源正极的MOS管开关导通、连接充电电源地线的MOS管开关截止时，电源电流通过MOS管、功率电感和相应的续流二极管，叠加功率电感储能放电电流，输出高于充电电源电压的充电电流，这样可以高于充电电源电压设定储能电容储能电压，使储能电容储能电压稳定并保持在充电电源电压以上的电压值，即升压充电。本发明可以在两倍充电电源电压以下任意设定储能电容的储能电压，且保持储能电压稳定。这样可以克服充电电源电压波动对储能电容储能的影响，且充电速度快，效率高。调节不同的储能电容储能电压设定值，可以适用不同的励磁线圈驱动要求。同时使用脉冲变压器、光耦等元件将低电压电源工作电路和高电压电源工作电路进行隔离，有利于降低电路之间的相互干扰。
本发明采取的技术方案为：
一种新型储能电路包括单片机系统（1）、推挽驱动电路（2）、脉冲变压器T1、输出放大电路（3）、取样放大电路（4）、储能电容（5）、MOS管开关Q1Q2、功率电感L1、光耦O1O2、二极管D1D2D3、电阻R1～R6和电容C1；其中单片机系统（1）输出PWM1信号连接推挽驱动电路（2），推挽驱动电路（2）输出依次串接电容C1和脉冲变压器T1的初级线圈，再连接12V电源，脉冲变压器T1次级线圈输出的一端，通过电阻R1R2分压后，连接MOS管Q1的G极、二极管D1的负极，MOS管Q1的D极连接DC250V电源，S极连接脉冲变压器T1次极线圈的另一端、二极管D1的正极、D2的负极和功率电感L1；单片机系统（1）输出PWM2信号通过电阻R3驱动光耦O1，12V电源通过光耦O1开关输出经电阻R4限流后连接MOS管Q2的G极；DC250V电源经过MOS管Q1的D、S极，依次串接功率电感L1、二极管D3和储能电容（5）后连接地线，MOS管Q2的D极连接功率电感L1、二极管D3的正极，S极连接地线，二极管D2反向与功率电感L1、二极管D3、储能电容（5）三者串联电路并联连接；储能电容（5）正极经过电阻R5R6分压后连接取样放大电路（4），取样放大电路（4）连接光耦O2的输入端和反馈输出端，光耦O2的输出经输出放大电路（3）连接单片机系统（1）。
单片机系统（1）输出PWM1信号经过由推挽驱动电路（2）、脉冲变压器T1和电阻R1R2、二极管D1组成的驱动电路控制MOS管Q1开关；保持PWM2信号为低电平，PWM1信号高电平时，MOS管Q1导通，DC250V电源经过MOS管Q1、功率电感L1、二极管D3向储能电容（5）充电，并使功率电感L1储能；PWM1信号由高电平转换成低电平后，MOS管Q1截止，功率电感L1的储能经过二极管D2D3向储能电容（5）续流充电，储能电容（5）充电电压不高于250V。
单片机系统（1）同步输出PWM1、PWM2脉冲控制信号，且PWM2脉宽小于PWM1脉宽，PWM1信号经过推挽驱动电路（2）、脉冲变压器T1和电阻R1R2、二极管D1控制MOS管Q1开关；PWM2信号经过光耦O1、电阻R3R4控制MOS管Q2开关；PWM1、PWM2信号同时为高电平时，MOS管Q1、Q2同时导通，DC250V电源电流经过MOS管Q1、功率电感L1和MOS管Q2到地线导通，使功率电感L1储能；PWM1信号保持高电平、PWM2信号由高电平变为低电平后，MOS管Q1导通、Q2截止，DC250V电源电流经过MOS管Q1、功率电感L1、二极管D3向储能电容（5）充电；同时，功率电感L1储能经过二极管D2D3释放，产生续流充电电流；电流电压的叠加可以产生高于250V电压的充电电流，使储能电容（5）储能电压大于250V，最大不超过500V。
其中脉冲变压器T1选择初级线圈和次级线圈匝数相等的高频变压器；光耦O2选用具有反馈输出的线性光耦，使连接光耦O2的输出放大电路（3）的输出信号和取样放大电路（4）的输入信号成线性关系；光耦O1选用普通隔离开关光耦；脉冲变压器T1、光耦O1O2具有隔离作用，将高电压电源电路与低电压电源电路隔离，可以减少电路之间的互相干扰。
通过由光耦O2和相连接的输出放大电路（3）、取样放大电路（4）、电阻R5R6组成的储能电容（5）储能电压监测电路，单片机系统（1）可以实时监测储能电容（5）的储能电压；单片机系统（1）将储能电容（5）的储能电压设定值和实测值比较后，调节PWM1、PWM2脉冲信号输出，控制MOS管Q1Q2开关，对储能电容（5）充电，储能电容（5）储能电压可以充电至不同的设定值，并保持稳定，最高不超过500V。
附图说明
图1 一种新型储能电路的组成图。
具体实施方式
对照图1，一种新型储能电路包括单片机系统（1）、推挽驱动电路（2）、脉冲变压器T1、输出放大电路（3）、取样放大电路（4）、储能电容（5）、MOS管开关Q1Q2、功率电感L1、光耦O1O2、二极管D1D2D3、电阻R1～R6和电容C1；其中单片机系统（1）输出PWM1信号连接推挽驱动电路（2），推挽驱动电路（2）输出依次串接电容C1和脉冲变压器T1的初级线圈，再连接12V电源，脉冲变压器T1次级线圈的输出的一端，通过电阻R1R2分压后连接MOS管Q1的G极、二极管D1的负极， MOS管Q1的D极连接DC250V电源，S极连接脉冲变压器T1次极线圈的另一端、二极管D1的正极、D2的负极和功率电感L1；单片机系统（1）输出PWM2信号通过电阻R3驱动光耦O1，12V电源通过光耦O1开关输出经电阻R4限流后连接MOS管Q2的G极；DC250V电源经过MOS管Q1的D、S极，依次串接功率电感L1、二极管D3和储能电容（5）后连接地线，MOS管Q2的D极连接功率电感L1、二极管D3的正极，S极连接地线，二极管D2反向与功率电感L1、二极管D3、储能电容（5）三者串联电路并联连接；储能电容（5）正极经过电阻R5R6分压后连接取样放大电路（4），取样放大电路（4）连接光耦O2的输入端和反馈输出端，光耦O2的输出经输出放大电路（3）连接单片机系统（1）。
单片机系统（1）输出PWM1信号经过推挽驱动电路（2）、脉冲变压器T1和电阻R1R2、二极管D1组成的驱动电路控制MOS管Q1开关；保持PWM2信号为低电平，PWM1信号高电平时，MOS管Q1导通，DC250V电源经过MOS管Q1、功率电感L1、二极管D3向储能电容（5）充电，并使功率电感L1储能；PWM1信号由高电平转换成低电平后，MOS管Q1截止，功率电感L1的储能经过二极管D2D3向储能电容（5）续流充电，储能电容（5）充电电压不高于250V。
单片机系统（1）同步输出PWM1、PWM2脉冲控制信号，且PWM2脉宽小于PWM1脉宽，PWM1信号经过推挽驱动电路（2）、脉冲变压器T1和电阻R1R2、二极管D1控制MOS管Q1开关；PWM2信号经过光耦O1、电阻R3R4控制MOS管Q2开关；PWM1、PWM2信号同时为高电平时，MOS管Q1、Q2同时导通，DC250V电源电流经过MOS管Q1、功率电感L1和MOS管Q2到地线导通，使功率电感L1储能；PWM1信号保持高电平、PWM2信号由高电平变为低电平后，MOS管Q1导通、Q2截止，DC250V电源电流经过MOS管Q1、功率电感L1、二极管D3向储能电容（5）充电；同时，功率电感L1储能经过二极管D2D3释放，产生续流充电电流；两个电流电压的叠加可以产生高于250V电压的充电电流，使储能电容（5）储能电压大于250V，最大不超过500V。
其中脉冲变压器T1选择初级线圈和次级线圈匝数相等的高频变压器；光耦O1选用普通隔离开关光耦；光耦O2选用具有反馈输出的线性光耦，使连接光耦O2的输出放大电路（3）的输出信号和取样放大电路（4）的输入信号成线性关系；脉冲变压器T1、光耦O1O2具有隔离作用，将高电压电源电路与低电压电源电路隔离，可以减少电路之间的互相干扰。
单片机系统（1）可以设定不同的储能电容（5）储能电压；通过由光耦O2和相连接的输出放大电路（3）、取样放大电路（4）、电阻R5R6组成的储能电压监测电路，单片机系统（1）实时监测储能电容（5）的储能电压；单片机系统（1）将储能电容（5）的储能电压设定值和实测值比较后，调节PWM1、PWM2脉冲信号输出，控制MOS管Q1Q2开关，对储能电容（5）充电，储能电容（5）储能电压可以充电至不同的储能电压设定值，并保持稳定，最高不超过500V。
单片机系统（1）的工作过程如下：
1、单片机系统（1）启动后，通过其操作界面，输入储能电容储能电压设定值、工作电源电压值，PWM1、PWM2脉冲信号脉宽、占空比等运行参数，没有参数输入时，启用默认运行参数，其中储能电压设定值不能大于工作电源电压值的两倍。
2、单片机系统（1）不断监测储能电容（5）的储能电压值，将测量值和设定值进行比较；当储能电压的测量值低于设定值，储能电压设定值低于工作电源电压值的情况下，单片机系统（1）不输出PWM2高电平信号，保持低电平，只输出PWM1脉冲信号，控制MOS管开关Q1，使DC250V电源通过MOS管开关Q1、功率电感L1和二极管D2D3向储能电容（5）进行脉冲充电；当储能电压的测量值低于设定值，储能电压设定值高于工作电源电压值的情况下，单片机系统（1）同步输出PWM1、PWM2脉冲高电平信号，分别控制MOS管开关Q1、Q2，PWM2的高电平脉宽小于PWM1的高电平脉宽；在PWM1、PWM2信号同时为高电平时，MOS管Q1Q2同时导通，DC250V电源电流通过MOS管Q1Q2使功率电感L1储能； PWM1保持高电平，PWM2由高电平变为低电平后，DC250V电源通过MOS管开关，叠加功率电感L1储能释放电流，产生高于DC250V的脉冲充电电流，通过二极管D2D3向储能电容（5）充电。当储能电压测量值接近设定值时，单片机系统（1）调节PWM1、PWM2脉冲信号输出的高电平宽度和占空比，调节充电电量，使储能电容（5）储能电压稳定升高至设定值。
所述一种储能电路的主要特征是：由同步PWM1、PWM2信号控制两个连接充电电源、中间串接功率电感的MOS管开关，附加续流二极管和整流二极管，可以产生高于充电电源电压的脉冲充电电流，储能电容的储能电压在两倍充电电源电压下可调；采用高频脉冲变压器和光耦将低电压电源电路和高电压电源电路进行隔离，提高系统稳定性。未经创造，通过改变相关电路元件而形成的相似电路，应属本发明保护范围。
Claims (7)
1.一种新型储能电路包括储能电容（5）、二极管D1D2D3、电阻R1～R6和电容C1，其特征在于还包括单片机系统（1）、推挽驱动电路（2）、脉冲变压器T1、输出放大电路（3）、取样放大电路（4）、MOS管开关Q1Q2、功率电感L1、光耦O1O2；其中单片机系统（1）输出PWM1信号连接推挽驱动电路（2），推挽驱动电路（2）输出依次串接电容C1和脉冲变压器T1的初级线圈，再连接12V电源，脉冲变压器T1次级线圈输出的一端，通过电阻R1R2分压后，连接MOS管Q1的G极、二极管D1的负极， MOS管Q1的D极连接DC250V电源，S极连接脉冲变压器T1次极线圈的另一端、二极管D1的正极、D2的负极和功率电感L1；单片机系统（1）输出PWM2信号通过电阻R3驱动光耦O1，12V电源通过光耦O1开关输出经电阻R4限流后连接MOS管Q2的G极；DC250V电源经过MOS管Q1的D、S极，依次串接功率电感L1、二极管D3和储能电容（5）后连接地线，MOS管Q2的D极连接功率电感L1、二极管D3的正极，S极连接地线，二极管D2反向与功率电感L1、二极管D3、储能电容（5）三者串联电路并联连接；储能电容（5）正极经过电阻R5R6分压后连接取样放大电路（4），取样放大电路（4）连接光耦O2的输入端和反馈输出端，光耦O2的输出经输出放大电路（3）连接单片机系统（1）。
2.根据权利要求1所述一种新型储能电路，其特征在于单片机系统（1）输出PWM1信号经过推挽驱动电路（2）、脉冲变压器T1和电阻R1R2、二极管D1组成的驱动电路控制MOS管Q1开关；保持PWM2信号为低电平，PWM1信号高电平时，MOS管Q1导通，DC250V电源经过MOS管Q1、功率电感L1、二极管D3向储能电容（5）充电，并使功率电感L1储能；PWM1信号由高电平转换成低电平后，MOS管Q1截止，功率电感L1的储能经过二极管D2D3向储能电容（5）续流充电，储能电容（5）充电电压不高于250V。
3.根据权利要求1所述一种新型储能电路，其特征在于单片机系统（1）同步输出PWM1、PWM2脉冲控制信号，且PWM2脉宽小于PWM1脉宽，PWM1信号经过推挽驱动电路（2）、脉冲变压器T1和电阻R1R2、二极管D1控制MOS管Q1开关；PWM2信号经过光耦O1、电阻R3R4控制MOS管Q2开关；PWM1、PWM2信号同时为高电平时，MOS管Q1、Q2同时导通，DC250V电源电流经过MOS管Q1、功率电感L1和MOS管Q2到地线导通，使功率电感L1储能；PWM1信号保持高电平、PWM2信号由高电平变为低电平后，MOS管Q1导通、Q2截止，DC250V电源电流经过MOS管Q1、功率电感L1、二极管D3向储能电容（5）充电；同时，功率电感L1储能经过二极管D2D3释放，产生续流充电电流；电流电压的叠加可以产生高于250V电压的充电电流，使储能电容（5）储能电压大于250V，最大不超过500V。
4.根据权利要求1所述一种新型储能电路，其特征在于脉冲变压器T1选择初级线圈和次级线圈匝数相等的高频变压器，具有信号隔离作用，将高电压电源电路与低电压电源电路隔离。
5.根据权利要求1所述一种新型储能电路，其特征在于光耦O2选用具有反馈输出的线性光耦，使连接光耦O2的输出放大电路（3）的输出信号和取样放大电路（4）的输入信号成线性关系；光耦O1选用普通隔离开关光耦；光耦O1O2具有隔离作用，将高电压电源电路与低电压电源电路隔离。
6.根据权利要求1所述一种新型储能电路，其特征在于通过由光耦O2和相连接的输出放大电路（3）、取样放大电路（4）、电阻R5R6组成的储能电容（5）储能电压监测电路，单片机系统（1）可以实时监测储能电容（5）的储能电压；单片机系统（1）将储能电容（5）的储能电压设定值和实测值比较后，调节PWM1、PWM2信号输出，以权利要求2和3所述方式对储能电容（5）充电，储能电容（5）储能电压可以充电至不同的设定值，并保持稳定，最高不超过500V。
7.一种新型永磁式中高压断路器，其特征在于使用权利要求1至权利要求6所述的新型储能电路。
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