CN202837860U - 一种热记忆保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及低压电器领域，具体涉及具有热记忆功能的低压过电流保护电器中的电子式脱扣器。本实用新型的一种热记忆保护电路，设置于断路器或电子式热过载继电器中的电子式脱扣器内，该断路器或电子式热过载继电器设置于电源和负载设备之间，该断路器或电子式热过载继电器还包括了脱扣线圈、电流互感器，脱扣线圈用于驱动断路器断开或电子式热过载继电器动作，电流互感器用于检测线路各相极电流，电子式脱扣器分别与脱扣线圈及电流互感器相连。该热记忆保护电路包括微处理器MCU、非易失存储器、储能电路、断电判断电路、充放电控制电路和电容电压反馈电路，微处理器MCU分别与非易失存储器、储能电路、断电判断电路、充放电控制电路及电容电压反馈电路连接。

Description

一种热记忆保护电路

技术领域

本实用新型涉及低压电器领域，具体涉及具有热记忆功能的低压过电流保护电器（包括断路器及电子式热过载继电器）中的电子式脱扣器。

背景技术

断路器及电子式热过载继电器是低压配电网中重要的保护电器，可实现对负载设备的过电流保护。断路器及电子式热过载继电器通过软件热模拟算法设计可以实现更全面更精确的线路故障保护。

热记忆功能具有非常重要的作用，它通过模拟线路断开后断路器或热过载继电器的导体与触头(或电动机绕组）因承载电流所累积热量的散热过程，来实现短时间内（散热未完成）再接通过流线路时可以在较短时间内切断线路，更好地保护负载设备，特别是电动机设备，避免电动机因频繁起动热量累积而烧损。

热记忆的处理方式为：电子式脱扣器中的微控制器MCU通过采样线路上的各相极电流，并利用软件热模拟算法，将电流转换成相应的热量值，然后通过一定的方式输送到外部器件进行保存，实现线路切断时累积热量的记忆（称之为热记忆）。

现有的技术主要是这样：如图1所示，当采样到过载电流时，微控制器输出一定宽度的脉冲来控制充放电电路中的充电电容达到一定的电压值，该电压值为过载电流延时预设的一定时间要脱扣（即切断线路）所积累的热量值的比例值。线路断开后，微控制器断电，充电电容开始慢慢放电。之后，再接通断路器时，微控制器重新得电并开始采样充电电容的剩余电压，再将剩余电压转换成等比例的剩余热量值。该热量值为微控制器再次累积热量的基数。以上技术存在一个技术难点：需要对充电电容的充电电压进行监测以控制要达到的充电电压，且需要不断闭环调整脉冲宽度，微控制器软件处理复杂。另有其它技术通过硬件电路的方式来闭环调整充电电容的充电电压来减小软件处理的复杂度，微控制器通过内置的DA模块或外加的DA芯片输出充电电容要达到的目标电压值，充电电容的充电利用该目标电压进行闭环自动调整。该处理技术虽减小了软件处理复杂度，但也增加了硬件开销。

以上的处理技术还存在着共同的问题：其一，只处理了过流故障脱扣后的热记忆，无法做到非脱扣情况下切断线路时的热记忆，而这种情况下的热记忆对控制电动机启动是很需要的，因为重复切断接通电动机可能导致电动机绕组烧损；其二，没有对各相极累积的热量分开处理，保护不合理，因为对于各相极负载不均匀的线路，可能导致过早脱扣。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种处理简单、容易实现的热记忆电路，通过铁电存储器等非易失存储器“记忆”线路切断时各相极累积的热量值，采用电容放电来模拟热量的散热，并根据电容剩余电压值来换算成各相极的剩余热量值，从而实现热记忆，电路简单，处理容易。

为了解决上述技术问题，本实用新型一种热记忆保护电路，设置于断路器或电子式热过载继电器中的电子式脱扣器内，该断路器或电子式热过载继电器设置于电源和负载设备之间，该断路器或电子式热过载继电器还包括了脱扣线圈、电流互感器，脱扣线圈用于驱动断路器断开或电子式热过载继电器动作，电流互感器用于检测线路的各相极电流，电子式脱扣器分别与脱扣线圈及电流互感器相连。该热记忆保护电路包括微处理器MCU、非易失存储器、储能电路、断电判断电路、充放电控制电路和电容电压反馈电路，微处理器MCU分别与非易失存储器、储能电路、断电判断电路、充放电控制电路及电容电压反馈电路连接。

具体的，所述非易失存储器是由铁电存储器、EEPROM等具有类似功能的存储器。不局限于独立于微处理器MCU存在，或固化在微处理器内部。

具体的，断电判断电路是由电阻R1和电阻R2实现，电阻R1的一端连接VCC1和储能电路，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端和微控制器MCU的AD2端口，电阻R2的另一端接地。这样，系统不需要实时了解当前断路器运行状况，而是通过该断电判断电路智能判断是否断电，如果断电，即将能量存储至非易失存储器。

储能电路是由二极管D1、电容C1、电容C2、低压差线性稳压器LDO实现，二极管D1的正极连接断电判断电路，二极管D1的负极连接电容C1的一端、电容C2的一端和低压差线性稳压器LDO的电源输入端，电容C1的另一端、电容C2的另一端和低压差线性稳压器LDO的地线接地，低压差线性稳压器LDO的电源输出端连接微控制器MCU的电源端。该储能电路保证了断电后有足够的时间进行热记忆能量存储。

充放电控制电路是由电阻R3、三极管Q1、电容C3、电阻R4实现，电阻R4的一端连接电容电压反馈电路、电容C3的一端和三极管Q1的E极，电阻R4的另一端、电容C3的另一端接地，三极管Q1的C极连接微控制器MCU的电源端，三极管Q1的B极通过电阻R3连接至微控制器MCU的I/O端口。通过充放电控制电路，实现了电容模拟负载设备冷却的过程。

电容电压反馈电路是由运放U1A、电阻R5和电容C4实现，电容C4的一端和电阻R5的一端连接至微控制器MCU的AD1端口，电容C4的另一端接地，电阻R5的另一端连接运放U1A的第1脚和第2脚，运放U1A的第4脚连接微控制器MCU的电源端，运放U1A的第11脚接地，运放U1A的第3脚连接充放电控制电路。

所述非易失存储器连接至微控制器MCU。本方案中，非易失存储器可对各相极累积的热量值分别进行存储。

本实用新型的具体实现过程是这样的：正常运行时，电子式脱扣器完成储能电路的蓄电，并将充电电容C3持续充电至满额电压，微处理器MCU通过电流互感器采样线路上各相极的电流，将电流转换成热量值；当无论发生线路过流故障脱扣或是非脱扣情况下的被动分闸断电时，储能电路能保证微处理器继续工作25ms左右，微处理器可以利用断电判断电路做出迅速的断电判断，然后立即将当前的热量值保存至外部的非易失存储器中，并停止对充电电容C3充电；之后，充电电容C3开始放电，模拟热量的散热；当重合闸或线路重上电时，电子式脱扣器重新得电工作，微处理器MCU读取充电电容C3上剩余的电压，并根据电容的放电公式，计算出各相极的剩余热量值，从而实现热记忆。在这过程中，微处理器MCU不需要实时存储热量值，不需要根据实时热量值控制充电电容C3的电压，不需要计算电容的放电时间，直接由微处理器MCU测量充电电容C3上的剩余电压来计算断电后的剩余热量值，实现热记忆。本新型硬件电路简单，软件处理容易，且精度较高。

本实用新型不止适用于过载脱扣后的热记忆，对于脱扣前任意电流下断电后的热记忆同样适用。

本实用新型采用上述结构，具有如下优点：

1. 本实用新型，通过铁电存储器等非易失存储器“记忆”线路切断时各相极累积的初始热量值，采用电容放电来模拟热量的散热，并根据电容剩余电压值来换算成各相极的剩余热量值，避免了电动机负载重复启动时，电子式脱扣器无法对其进行及时保护而导致损坏问题的发生；

2. 本实用新型，采用铁电存储器等非易失存储器对各相极累积的热量分别进行热记忆，保护更合理，对于负载不均匀的线路，可避免“早跳”现象，而现有技术中，仅实现对各相瞬时最大值的电流初始能量进行热记忆；

3. 本实用新型中，储能电路保证了断电后有足够的时间进行热记忆能量存储；

4. 本实用新型，不需要对充电电容的预设充电电压进行控制，只需将其充至满额电压，控制容易；

5. 本实用新型，不需要实时了解当前断路器或电子式热过载继电器运行状况，而是通过断电判断电路智能判断是否断电，一旦断电，即刻将能量存储至铁电存储器等非易失存储器；

6. 本实用新型，不需要计算电容放电的时间，只需根据电容放电公式来换算热量的剩余值，程序处理简单。

附图说明

图1是现有技术的电路原理图。

图2本实用新型的电路原理框图。

图3是本实用新型的实施例的电路原理图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明，以助于理解本实用新型，但具体实施方式不应视为对本实用新型的限制。

本实用新型一种热记忆保护电路，设置于断路器或电子式热过载继电器中的电子式脱扣器内，该断路器或电子式热过载继电器设置于电源和负载设备之间，该断路器或电子式热过载继电器还包括了脱扣线圈、电流互感器，脱扣线圈用于驱动断路器断开或电子式热过载继电器动作，电流互感器用于检测线路的各相极电流，电子式脱扣器分别与脱扣线圈及电流互感器相连。如图2所示，该热记忆保护电路包括微处理器MCU、非易失存储器、储能电路、断电判断电路、充放电控制电路和电容电压反馈电路，微处理器MCU分别与非易失存储器、储能电路、断电判断电路、充放电控制电路及电容电压反馈电路连接。具体的，所述非易失存储器是由铁电存储器、EEPROM等具有类似功能的存储器，不局限于独立于微处理器MCU存在，或固化在微处理器内部

作为一个具体实施例，本实用新型中的非易失存储器采用铁电存储器来实现。如图3所示，储能电路是由二极管D1、电容C1、电容C2、低压差线性稳压器LDO实现，断电判断电路是由电阻R1和电阻R2实现，充放电控制电路是由电阻R3、三极管Q1、电容C3、电阻R4实现，电容电压反馈电路是由运放U1A、电阻R5和电容C4实现，电阻R1的一端连接VCC1和二极管D1的正极，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端和微控制器MCU的AD2端口，电阻R2的另一端接地。二极管D1的负极连接电容C1的一端、电容C2的一端和低压差线性稳压器LDO的电源输入端，电容C1的另一端、电容C2的另一端和低压差线性稳压器LDO的地线接地，低压差线性稳压器LDO的电源输出端连接微控制器MCU的电源端。微控制器MCU的AD1端口连接电容C4的一端和电阻R5的一端，电容C4的另一端接地，电阻R5的另一端连接运放U1A的第1脚和第2脚，运放U1A的第4脚连接微控制器MCU的电源端，运放U1A的第11脚接地，运放U1A的第3脚连接电阻R4的一端、电容C3的一端和三极管Q1的E极，电阻R4的另一端、电容C3的另一端接地，三极管Q1的C极连接微控制器MCU的电源端，三极管Q1的B极通过电阻R3连接至微控制器MCU的I/O端口。铁电存储器连接至微控制器MCU的SPI端口。

具体的，电流互感器提供线路电流信号，同时为电子式脱扣器提供工作电源。电流互感器的二次输出经电子式脱扣器内部的电流电压转换电路，输出系统的供电电压VCC1，该电压经过低压差线性稳压器LDO输出微处理器MCU及其外围电路的工作电压VCC2。VCC1经二极管D1向储能电容C1、C2充电；断电时，VCC1消失，储能电容C1、C2开始向稳压芯片供电，实现断电后微处理器MCU短暂的续能工作。微处理器MCU续能工作期间，将累积能量存储至外部的铁电存储器及其它必要操作。

断电判断电路是将VCC1信号经电阻R1/R2分压后提供给微处理器MCU采样。当采样到的电压低于某电压时，微处理器MCU判断线路已断电。

充放电控制电路主要控制充电电容的充放电。电网主电路未断电工作时，微处理器MCU通过I/O口控制电源VCC2持续向充电电容C3充电，电容C3两端的电压保持在满电压的状态。当判断到主电路断电时，微处理器MCU控制电源VCC2停止向电容C3充电，此时电容C3通过电阻R4放电。电容C3两端的电压通过运放U1A跟随输出至微处理器MCU的AD1采样口。

具体工作过程是这样的，电网主电路未断电工作时，电子式脱扣器通过内部的电流电压转换电路输出供电电压VCC1，VCC1向储能电容C1、C2充电完成蓄能，同时经过低压差线性稳压器LDO输出微处理器MCU及其外围电路的工作电压VCC2，微处理器MCU实时监测VCC1经电阻R1/R2分压后的电压信号；微处理器MCU再通过电流互感器检测线路中的电流，并计算成热量值，同时控制充电电容C3持续充电在满电压状态。主电路断电时，供电电压VCC1消失，此时储能电容C1、C2开始向低压差线性稳压器LDO供电，保证了微处理器MCU及其外围电路可以短暂地续能工作，当监测到VCC1低于断电门限电压值，微处理器MCU做出线路断电判断，停止对充电电容C3充电，并将当前的热量值保存至外部的铁电存储器中。此后，充电电容C3开始通过电阻R4放电，模拟热量的散热。当线路重上电，供电电压VCC1重新出现，储能电容C1、C2再次完成储能，VCC2也重新转换得到，微处理器MCU及其外围电路重新上电工作，此时，微处理器MCU读取外部铁电存储器中线路断电时的热量值，并采样充电电容C3的剩余电压值，根据该剩余电压值与满电压值的比例，推算得到断电后各相极的剩余热量值，完成热记忆。此后重新控制充电电容C3充电至满电压状态，开始新一轮上电工作。上述过程中，热记忆热量计算公式是：Q=Qa0*Vt/V0，其中Qa0是铁电存储器中存储的线路断电时的热量值，Vt为充电电容的剩余电压，V0为充电电容的满电压。

本实用新型不止适用于过载脱扣后的热记忆，对于脱扣前任意电流下断电后的热记忆同样适用。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。 

Claims (6)

1.一种热记忆保护电路，设置于断路器或电子式热过载继电器中的电子式脱扣器内，该断路器或电子式热过载继电器设置于电源和负载设备之间，该断路器或电子式热过载继电器还包括了脱扣线圈、电流互感器，电子式脱扣器分别与脱扣线圈及电流互感器相连，其特征在于：

该热记忆保护电路包括微处理器MCU、非易失存储器、储能电路、断电判断电路、充放电控制电路和电容电压反馈电路，微处理器MCU分别与非易失存储器、储能电路、断电判断电路、充放电控制电路及电容电压反馈电路连接。

2.根据权利要求1所述的热记忆保护电路，其特征在于：所述非易失存储器是由铁电存储器或者EEPROM实现。

3.根据权利要求1所述的热记忆保护电路，其特征在于：断电判断电路是由电阻R1和电阻R2实现，电阻R1的一端连接VCC1和储能电路，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端和微控制器MCU的AD2端口，电阻R2的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的热记忆保护电路，其特征在于：储能电路是由二极管D1、电容C1、电容C2、低压差线性稳压器LDO实现，二极管D1的正极连接断电判断电路，二极管D1的负极连接电容C1的一端、电容C2的一端和低压差线性稳压器LDO的电源输入端，电容C1的另一端、电容C2的另一端和低压差线性稳压器LDO的地线接地，低压差线性稳压器LDO的电源输出端连接微控制器MCU的电源端。

5.根据权利要求1所述的热记忆保护电路，其特征在于：充放电控制电路是由电阻R3、三极管Q1、电容C3、电阻R4实现，电阻R4的一端连接电容电压反馈电路、电容C3的一端和三极管Q1的E极，电阻R4的另一端、电容C3的另一端接地，三极管Q1的C极连接微控制器MCU的电源端，三极管Q1的B极通过电阻R3连接至微控制器MCU的I/O端口。

6.根据权利要求1所述的热记忆保护电路，其特征在于：电容电压反馈电路是由运放U1A、电阻R5和电容C4实现，电容C4的一端和电阻R5的一端连接至微控制器MCU的AD1端口，电容C4的另一端接地，电阻R5的另一端连接运放U1A的第1脚和第2脚，运放U1A的第4脚连接微控制器MCU的电源端，运放U1A的第11脚接地，运放U1A的第3脚连接充放电控制电路。

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