CN202276132U - 断路器和电子断路器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种断路器，其具有与变流器的次级线圈耦合的热传感器，以对将原级电流输送到断路器的原级导体的温度进行建模，该断路器包括：导电元件，它的至少一个部件与输送次级电流的导电体耦合，次级电流来自断路器中的变流器的次级线圈，导电元件的尺寸设定为使得导电元件的热质量对原级导体的发热速率或冷却速率进行建模，所述导电元件的热质量根据包括原级电流与次级电流之比以及导电材料的热容量的函数来确定；以及半导体元件，其连接于导电元件的至少一个部件，并提供跨越半导体元件的pn结的电压，该电压作为导电元件的温度的函数而变化。本实用新型的断路器简洁、低成本、易于实现，并能实现对热史的记忆。

Description

断路器和电子断路器
技术领域
本实用新型总体上涉及电子断路器，并且更具体地涉及具有与次级导体耦合的热传感器以对原级导体温度进行建模的一种电子断路器。 
背景技术
电子断路器在其内部具有需要电源的电子组件，该电源包括接在用于使交流转换成相应的直流的桥式整流器之后的变流器。当接通并且有电流流过断路器时，断路器监测经该断路器而流向断路器所保护的负载的电流，从而提供热保护。断路器具有可持久提供的热保护，从而保护原级导体上的绝缘体。如果原级导体变得太热，它们的绝缘体会熔化并且其绝缘性能会受到损坏。传统的机械断路器通过使电流流过双金属器件(其作为温度的函数而弯曲)来提供这种保护。当电流流过双金属器件时，它的发热体现了同样输送电流的原级导体的发热。常用的电子断路器通过测量当次级电流流过负载电阻器时该电阻器内产生的电势来提供保护。然而，在原级电流停止流动的瞬间，次级电流下降至零，而原级导体仍保持在升高后的温度。如果原级电流在约15分钟内重新开始流动，则在原级导体中留有显著的余热，因此原级导体仍处于升高后的温度。机械的双金属器件在其完全冷却之前保持部分地弯曲。如果在原级导体中仍有余热时使断路器通电，则断路器缺少对原级导体的热史(thermal history)的任何“记忆”，并且可能不会足够快地识别出热故障仍然存在，从而损坏原级导体上的绝缘体的完整性。 
对热记忆进行建模的一种方法使用了定时器，其假设原级导体在给定时段内以固定的速率冷却。定时器增加了电路的复杂性，并且不能解释例如由环境温度条件所致的原级导体的发热或冷却的变化。 
另一种方法使用了阻容(RC)电路，该电路保持与系统温度成比例的电压。RC电路增大了系统的成本和复杂性。 
实用新型内容
实际上，本实用新型提供了一种对在原级导体的热质量(thermal mass)内固有的热记忆进行建模的简洁的、低成本的、易于实现的装置。当使断路器通电时，测量次级电流路径的温度，以提供原级导体中电流的最近历史及其引起的发热。否则，在不添加分离的传感器的情况下，电子断路器在首次通电时无法判断原级导体的初始条件，而所述分离的传感器会增加断路器的复杂性和成本。 
本实用新型提供了一种断路器，其具有与变流器的次级线圈耦合的热传感器，所述热传感器用于对将原级电流输送到所述断路器的原级导体的温度进行建模，所述断路器包括：导电元件，它的至少一个部件与输送次级电流的导电体耦合，所述次级电流来自所述断路器中的变流器的所述次级线圈，所述导电元件的尺寸设定为使得所述导电元件的热质量对所述原级导体的发热速率或冷却速率进行建模，所述导电元件的热质量根据包括所述原级电流与所述次级电流之比以及导电材料的热容量的函数来确定；以及半导体元件，其连接于所述导电元件的至少一个部件，并提供跨越所述半导体元件的pn结的电压，所述电压随着所述导电元件的温度而变化。 
优选地，所述半导体元件是分立二极管，对所述分立二极管提供有由与所述次级电流隔离的电源产生的固定电流。 
优选地，所述半导体元件是包括所述pn结的场效应晶体管或双极结型晶体管，由与所述次级电流隔离的电源对所述晶体管提供固定电流。 
优选地，所述导电元件的至少一个部件与输送所述次级电流的所述导电体物理耦接。 
优选地，所述导电元件的至少一个部件与输送所述次级电流的所述导电体热耦合而不物理接触。 
本实用新型还提供了一种电子断路器，其具有与变流器的次级线圈耦合的热传感器，所述热传感器用于对将原级电流输送到所述断路器的原级导体的温度进行建模，所述电子断路器包括：导电元件，它的至少一个部件与输送次级电流的导电体耦合，所述次级电流来自所述断路器 中的变流器的所述次级线圈，所述导电元件的热质量与所述原级导体的热质量成比例，其中，所述原级电流与所述原级导体的所述热质量之比同所述次级电流与至少所述导电元件的所述热质量之比相关；半导体元件，其连接于所述导电元件的至少一个部件，并提供跨越所述半导体元件的pn结的电压，所述电压作为所述导电元件的温度的函数而变化；以及控制器，其用于接收所述电压、根据所述电压计算温度并响应于温度计算结果而使所述断路器分闸。 
印刷电路板上的用于连接印刷电路板组件中的电子器件的布线是次级电路(变流器的次级线圈的下游)中的合适的元件，所述次级电路中，在不显著增加断路器的成本和复杂性的情况下，可通过现有的半导体结处的电压来测量温度。与现有设计相比，在最基本的形式中，需要的导电材料的添加量小。大部分设计在次级电流路径中的某处已具有pn结，所以本实用新型的各方面使用现有的pn结电压作为温度传感器。 
优选地，这里公开的断路器在变流器次级侧和桥式整流器(或其他半导体元件)中使用现有的部件来对原级导体的热记忆进行建模。 
根据参照附图进行的对各种实施方式和/或方面的详细描述，本领域的技术人员可清楚地理解本实用新型的上述和其它方面及实施方式，附图的简要说明如下。 
附图说明
在阅读下面的详细说明并参照附图时，可清楚理解本实用新型的上述及其他优点。 
图1是根据本实用新型一个方面的具有热传感器的断路器的功能图； 
图2是断路器的功能图，该断路器具有与桥式整流器的输入端连接的导电焊盘； 
图3是断路器的功能图，该断路器具有与桥式整流器下游的分立二极管连接的导电焊盘以及用于感测环境温度的可选温度传感器；并且 
图4是断路器的功能图，该断路器具有与产生负电压的桥式整流器下游的分立二极管连接的导电焊盘、与控制器的输入端连接的用于使负电压反相的反相器以及用于感应环境温度的可选温度传感器。 
具体实施方式
图1是具有用于对原级导体108的温度进行建模的热传感器102的断路器100的功能框图，热传感器102与变流器106的次级线圈104耦接，原级导体108将原级电流输送至断路器100。已知原级导体108穿过变流器106，变流器106感应出与流过原级导体108的原级电流成比例的次级电流。为便于图示，图1中未表示原级电流的返回路径，但本领域的技术人员容易理解，用于使原级电流返回至电源122的回路导线(例如中性线)也与受断路器100保护的负载120连接。原级导体108以作为流过原级导体108的原级电流的函数的速率进行发热和冷却。以焦耳为单位测量原级导体108的热量，并且原级导体108具有以焦耳每摄氏度(或等效单位)为单位测量的热质量。热质量是原级导体108的质量(体积)以及构成原级导体108的导电材料(通常为铜)的热容量的函数。外界环境也可影响原级导体108的发热或冷却速率。 
断路器包括导电元件110(也称作热质量记忆元件(在图1中简称为TMM))，导电元件110在图1中没有按比例画出，而是用方块代表，以表示导电元件110在断路器内的大体位置，但不表示导电元件110的形状或任何尺寸。导电元件110由诸如铜等导电材料以及一个以上导电部件构成。导电元件110(如下所述，可由多个部件构成，所有部件均由导电材料制成)的至少一个部件串联耦接于导电体112，导电体112输送来自断路器100中的变流器106的次级线圈104的电流。相对于输送次级电流的导电体112而设定导电元件110的尺寸并进行定位，使得导电元件110的热质量可对原级导体108的发热或冷却速率进行建模。导电元件110的热质量根据包括原级电流与次级电流之比以及导电材料的热容量的函数来确定。例如，在25℃下铜的热容量CP为0.385J/g·K。例如，原级电流与原级导体108的热质量之比同次级电流与经次级电流发热的组件(例如导电元件110和/或导电体112)的热质量之比相关(例如成比例)。 
可由单个部件和多个部件构成的导电元件110的至少一个部件与具有pn结的半导体元件114连接，该半导体元件114例如为如下所述的分立二极管、桥式整流器的二极管、场效应晶体管或双极结型晶体管。跨越半导体元件114的pn结的电压作为导电元件110的温度函数而变化。如上所述，导电元件110可由一个以上部件构成。例如，导电元件110可以是单个方形或圆形焊盘，该焊盘与半导体元件一起设置于断路器100的分闸模块(trip module)118的印刷电路板116上。或者，导电元件110可由多个分离的部件(全部由导电材料制成)构成，并且相对于导电体112而定位，以基于原级电流与次级电流之比而提供与原级导体108的已知热质量相关的热质量。换句话说，尽管构成导电元件110的不同部件不必相互接触，但所述不同部件应设置为彼此足够近，以使得它们共同构成用于对原级导体108的热质量进行建模的必要的热质量。随着次级电流流过导电元件110，导电元件110的温度会随着从原级导体108感应的流过次级线圈104的电流量相应地变化。与导电元件110有关的目标是：将其配置为(例如，设定各部件的尺寸并将各部件定位成与导电体112接近或接触)使其组合热质量可作为包括原级电流与次级电流之比的函数而与原级导体108的热质量相关。本示例的目的在于得到同原级电流与次级电流之比成比例的热质量之比。例如，原级导体108的已知热质量与导电元件110(及其全部组成部件)的总体热质量之比同原级电流与次级电流之比成比例。 
导电元件110可作为分离部件而分散遍布于印刷电路板116，从而为设计者提供了极大的灵活性，即根据可利用空间而将导电元件110布置于印刷电路板116上。一个简单的选择是将导电元件110配置为在印刷电路板116上与半导体元件114的端子焊接的单个导电焊盘。如图1所示，导电元件110与导电体112串联。在本示例中，可设定导电元件110的尺寸以实现如下热质量，该热质量根据包括原级电流与次级电流之比和导电元件110的导电材料的热容量的函数而确定。该函数也可包括原级导体的热质量和/或由于外界气流流过导电体110而从输送次级电流的导电体112散掉的能量，可在测试条件下测量所述气流或对其建模。另一个选择是将导电元件110分成多个分离的部件，所有这些分离的部件都被设定尺寸或定位，使得包含全部组成部件在内的导电元件110的总热质量可导致导电元件110以与原级导体108的发热或冷却速率相当的速率进行发热或冷却。 例如，如果印刷电路板116包括多个层，导电元件110的部件可布置在印刷电路板116的不同层上。导电元件110的所有这些部件的组合效果会导致与原级导体的热质量成比例的热质量，所述比例同原级电流与次级电流之比相关。 
作为直接将导电元件110的一部分焊接至半导体元件114的替代，导电元件110可以布置为与输送次级电流的导电体112足够近，使得流过导电体112的次级电流所产生的热量与附近的导电元件110热耦合，从而导电元件110以与原级导体108的发热或冷却速率相当的速率而发热或冷却。 
如上所述，半导体元件114包括pn结，已知该pn结的电压随温度而变化。电子断路器通常包括与次级线圈电耦接的pn结，该pn结通常为桥式整流器或双极结型晶体管的形式。本实用新型的各方面的优点在于不需要对现有的断路器添加任何额外的半导体元件，而是使用现有的pn结及其已知的温度依赖性，从而采用该pn结作为温度传感器，所述温度传感器通过使原级电流与原级导体108的热质量之比同次级电流与导电元件110的热质量之比相关联而对原级导体的发热或冷却速率进行建模。例如，该pn结可以是具有引脚的集成电路芯片(例如桥式整流器芯片)的一部分。这些引脚的一个或多个与导电元件的一个或多个部件连接(例如通过焊接)。桥式整流器通常将次级电流整流成相应的直流，该直流可用于为断路器100内的电子器件供电，所述电子器件用于感测电气故障并使传统的电磁线圈(未图示)通电以使断路器100分闸。 
或者，半导体元件114可以是与导电体112串联的分立二极管。来自次级线圈104的次级电流流过导电体112并相应地流过分立二极管114，并且使导电体112和分立二极管114均作为次级电流量的函数而发热或冷却。可以为铜焊盘的导电元件110焊接于分立二极管114的阳极端或阴极端。如果半导体元件114不与导电体112串联连接，则优选地将由与次级电流隔离的电源所产生的精确的外部电流提供给分立二极管114，从而对二极管的结内建电压(junction built-in vo1tage)提供准确和可靠的测量。 
或者，半导体元件114可以是具有连接至导电体112的端子的双极结型晶体管。所述端子是电压随温度变化的pn结的一部分。像上例中分立 二极管那样，可将由与次级电流隔离的电源产生的精确外部电流提供给双极结型晶体管。这意味着提供给双极结型晶体管的电流不是从外部由次级线圈104直接供给的，而是由与次级线圈104隔离的电源供给的，但所述电源的电流可以是源自次级线圈104的电流(例如，通过变流器)。 
仍参照图1，如上所述，半导体元件114的内建结产生跨越该结的电压VPN，在本示例中，电压VPN由包括存储器126的电子控制器124接收。存储器126可与控制器124集成为一体，或者存储器126可在控制器124外部并与之电耦合。存储器126将表示跨越结的电压VPN的数据(例如数字值)存储在存储器位置128中。导线128a、128b跨越所监测的pn结的阳极端和阴极端而连接，并且由控制器124的A/D转换器130的输入引脚接收。利用传统技术，控制器124使用表示电压VPN的数据来计算相应温度(摄氏度或等价单位)或热量(焦耳)。即便该温度或热量是从跨越与导电元件110耦接的半导体元件114的pn结的电压得到的，该温度或热量仍可表示原级导体108的温度或热量。这是因为使用原级电流与次级电流之比而将导电元件110的热质量具体设计成为与原级导体108的热质量相关。作为用存储器126来存储表示VPN结电压的值的替代，比较器可对电压VPN和预定基准电压进行比较，以判断是否产生分闸信号以使断路器100分闸。 
分闸模块118或比较器对由控制器124使用所存储或所提供的电压VPN算出的温度或热量与预定阈值进行比较，并基于比较结果来判断是否在线路134上产生分闸信号以使断路器100分闸。如果电压VPN下降到预定阈值以下，则分闸模块118使断路器100分闸。断路器100通常包括分闸机构132，分闸机构132用于接收使断路器100分闸的分闸信号134，从而使受断路器100保护的负载120与电源122断开。控制器124可在通电时被编程，读取跨越半导体元件114的pn结的电压VPN，并基于该电压确定表示原级导体108的温度的温度值。在这方面，原级导体108的热史可作为热量而保持在导电元件110中，以便为断路器100提供坚实的热保护。如果操作者在热故障之后不久即尝试接通断路器100，则导电元件110中保持的热量会使跨越半导体元件114的pn结的电压反映升高后的温度水平，并且控制器124可以调节其热(或长时间延迟)分闸曲线以使断路器100在更 短的时段内分闸。或者，如果在通电时跨越半导体元件114的pn结的测量电压低于预定阈值，则分闸模块118使断路器100立即分闸。 
图2～图4为表示导电元件110的断路器100的具有各种配置的简化功能框图。在图2中，导电元件110与半导体元件114的负引脚连接，在图2中，半导体元件114为桥式整流器。在图3中，导电元件110与半导体元件114的端子连接，在图3中，半导体元件114是分立二极管。作为替代或补充，可设有可选温度传感器304，以感测断路器100内的环境温度。与一个非基准温度测量相比，从温度传感器304读取的环境温度与从半导体元件114的内建结电压算出的温度之差为原级导体108中存储的热量提供了更准确的表示。在图4中，导电元件110与半导体元件114的端子连接，半导体元件114在图4中为分立二极管。在图4的配置中，跨越半导体元件114的内建结的电压为负值，于是反相器406向控制器124供给正电压，从而转换成相应的温度值。如同图3中所示的温度传感器304，可使用可选温度传感器404，以感测环境温度并为原级导体108中存储的热量提供准确的表示。在使用可选温度传感器304、404的实施方式中，可从与跨越半导体元件114的pn结的电压相对应的温度中减去由温度传感器304、404感测的环境温度。已知在原级导体108中产生的热量与原级导体108输送的电流的平方成比例。原级导体108的热质量与次级导体112的热质量成比例，并且假设半导体元件114的pn结对于次级导体112的热质量具有极好的导热性，则跨越该结的电压是该结的温度的函数。次级导体112的温度是其热质量的函数，于是使用与跨越pn结的电压对应的温度和由温度传感器304、404测量的环境温度，可以算出次级导体112中产生的热量，并且由此可基于原级导体的热质量与次级导体的热质量间的已知比例关系而算出原级导体108中的热量。因此，使用温度传感器304、404，断路器100不仅可检测长时间故障电流以用于热保护，还可检测诸如短路故障所产生的电流等短时间故障电流以用于瞬时保护。 
尽管图1图示了单相导体，然而本实用新型的各方面也适用于多相系统。如同图3和图4中所示的可选温度传感器可与图1所示的控制器124连接，并设置为检测断路器内部的环境温度，以考虑环境热量对原级导体 108的热量的影响。应当注意，为便于图示，图1中省略了回路线，然而在配置导电元件110的热质量时，也可将回路线的热质量考虑在内。 
虽然已图示并描述了本实用新型的具体实施方式和应用，然而应当理解，本实用新型不限于这里公开的精确构造和组成，并且在不脱离由所附的权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，显然可作出各种修改、改变和变更。 

Claims (19)

1.一种断路器，其具有与变流器的次级线圈耦合的热传感器，所述热传感器用于对将原级电流输送到所述断路器的原级导体的温度进行建模，其特征在于，所述断路器包括：
导电元件，它的至少一个部件与输送次级电流的导电体耦合，所述次级电流来自所述断路器中的变流器的所述次级线圈，所述导电元件的尺寸设定为使得所述导电元件的热质量对所述原级导体的发热速率或冷却速率进行建模，所述导电元件的热质量根据包括所述原级电流与所述次级电流之比以及导电材料的热容量的函数来确定；以及
半导体元件，其连接于所述导电元件的至少一个部件，并提供跨越所述半导体元件的pn结的电压，所述电压随着所述导电元件的温度而变化。
2.如权利要求1所述的断路器，其中，所述原级导体的热质量与所述导电元件的已确定的热质量之比同所述原级电流与所述次级电流之比成比例。
3.如权利要求1所述的断路器，其中，所述函数包括所述原级导体的热质量。
4.如权利要求1所述的断路器，其中，所述函数包括由于使输送次级电流的所述导电体冷却的环境气流流过所述导电体而从所述导电体散掉的能量。
5.如权利要求1所述的断路器，还包括上面布置有所述导电元件和所述半导体元件的印刷电路板，其中，所述导电元件是与输送次级电流的所述导电体串联的导电焊盘。
6.如权利要求5所述的断路器，其中，所述半导体元件是具有引脚的集成电路芯片的一部分，所述引脚中的至少一个与所述导电元件连接。 
7.如权利要求6所述的断路器，其中，所述集成电路芯片包括用于将所述次级电流整流成相应的直流的桥式整流器。
8.如权利要求5所述的断路器，其中，所述印刷电路板包括多个层，所述导电元件包括布置在所述多个层中的不同层上的分离的部件。
9.如权利要求1所述的断路器，其中，所述半导体元件是分立二极管，对所述分立二极管提供有由与所述次级电流隔离的电源产生的固定电流。
10.如权利要求1所述的断路器，其中，所述半导体元件是包括所述pn结的场效应晶体管或双极结型晶体管，由与所述次级电流隔离的电源对所述晶体管提供固定电流。
11.如权利要求1所述的断路器，其中，所述导电材料是铜。
12.如权利要求1所述的断路器，其中，所述导电元件包括多个分离的部件以提供所述热质量，每个部件相对于输送所述次级电流的所述导电体进行定位。
13.如权利要求1所述的断路器，其中，所述导电元件的至少一个部件与输送所述次级电流的所述导电体物理耦接。
14.如权利要求1所述的断路器，其中，所述导电元件的至少一个部件与输送所述次级电流的所述导电体热耦合而不物理接触。
15.如权利要求1所述的断路器，还包括：
分闸模块，其对利用跨越所述pn结的电压而算出的温度与预定阈值进行比较，并基于比较结果来判断是否减小在产生使所述断路器分闸的分闸信号之前的时延；以及
分闸机构，其用于接收所述分闸信号，并且响应于该分闸信号而使 所述断路器分闸，从而使所述断路器所保护的负载从连接于所述断路器的线路端子的电源断开。
16.如权利要求1所述的断路器，还包括：
分闸模块，其对利用跨越所述pn结的电压而算出的温度与预定阈值进行比较，并基于比较结果来判断是否产生使所述断路器分闸的分闸信号；以及
分闸机构，其用于接收所述分闸信号，并且响应于该分闸信号而使所述断路器分闸，从而使所述断路器所保护的负载从连接于所述断路器的线路端子的电源断开。
17.如权利要求15所述的断路器，其中，所述断路器是电子断路器，并且所述分闸模块包括微控制器，该微控制器编程为进行所述比较并判断是否产生所述分闸信号，所述分闸模块还包括存储器，所述存储器存储有表示跨越所述半导体元件的所述pn结的所述电压的数据。
18.如权利要求17所述的断路器，其中，所述微控制器还编程为一旦通电便从所述存储器读取跨越所述pn结的所述电压，并基于所述电压而确定表示所述原级导体的温度的温度值。
19.一种电子断路器，其具有与变流器的次级线圈耦合的热传感器，所述热传感器用于对将原级电流输送到所述断路器的原级导体的温度进行建模，其特征在于，所述电子断路器包括：
导电元件，它的至少一个部件与输送次级电流的导电体耦合，所述次级电流来自所述断路器中的变流器的所述次级线圈，所述导电元件的热质量与所述原级导体的热质量成比例，其中，所述原级电流与所述原级导体的所述热质量之比同所述次级电流与至少所述导电元件的所述热质量之比相关；
半导体元件，其连接于所述导电元件的至少一个部件，并提供跨越所述半导体元件的pn结的电压，所述电压作为所述导电元件的温度的函数而变化；以及 
控制器，其用于接收所述电压、根据所述电压计算温度并响应于温度计算结果而使所述断路器分闸。 
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