CN208689107U - 新型单线圈供电采样电路及其制成的低压断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型单线圈供电采样电路，包括电流互感器、整流模块、转换开关模块、采样模块、AD转换模块、控制模块、稳压模块和辅助电源模块；辅助电源模块正常供电时，转换开关模块导通，电流互感器的采样信号通过转换开关、采样模块和AD转换模块后进入控制模块，实现采样；辅助电源模块异常时，转换开关模块断开，电流互感器输出信号通过整流模块转换为直流电后，第一部分通过稳压模块供电，第二部分通过采样模块和AD转换模块进入控制模块实现采样。本实用新型还公开了包括所述新型单线圈供电采样电路的低压断路器。本实用新型可以实现单电流互感器的供电和采样，而且供电可靠性高，采样精度高，电路简单可靠，成本低廉。

Description

新型单线圈供电采样电路及其制成的低压断路器

技术领域

本实用新型具体涉及一种新型单线圈供电采样电路及其制成的低压断路器。

背景技术

随着经济技术的发展，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。但是，电能的广泛普及，也给用电设备的安全保护提出了新的要求。低压断路器用于对电路的低压设备进行保护，已经广泛应用于各行各业，发挥了巨大的作用。

目前，在低压断路器中使用的电子控制器中，用于电流互感器供电和电流采样一般有两种方法：第一种是使用双电流互感器、其中一个互感器用于取电，作为电流自生电源为控制器供电，另一个互感器用于采样，作为电流采样用途。另一种方法是使用单电流互感器作为电流自生电源供电和电流采样。

由于低压断路器的作用是分断故障电流，往往在线路发生短路故障时，需要快速分断故障，因此低压断路器的电子式控制器均采用电流互感器供电，在线路电流很大时，电流互感器能为电子控制器提供足够的能量，但电流互感器供电的缺点为当一次电流较小时无法正常为控制器提供电源，若需要进行电流测量、功率测量等功能时，需要由辅助电源和电流互感器共同为控制器提供电源，以满足应用需求。

若断路器需进行电参量测量，传统的单互感器方式只能进行电流测量，无法测量功率和电量，且电流测量精度较差。若采用双互感器方式，虽然能满足高精度电参量测量的要求，但是也有互感器体积大，成本高的缺点。

实用新型内容

本实用新型目的之一在于提供一种能够进行高精度电流采样和供电的新型单线圈供电采样电路。

本实用新型的目的之二在于提供一种包括了所述新型单线圈供电采样电路的低压断路器。

本实用新型提供的这种新型单线圈供电采样电路，包括电流互感器、整流模块、转换开关模块、采样模块、AD转换模块、控制模块、稳压模块和辅助电源模块；电流互感器、整流模块和稳压模块依次串接；转换开关模块、采样模块、AD转换模块和控制模块依次串接；转换开关模块还与整流模块连接；辅助电源模块和转换开关模块均与控制模块连接；当辅助电源模块正常供电时，控制模块控制转换开关模块导通，此时辅助电源模块独立供电，且电流互感器输出的信号通过转换开关、采样模块和AD转换模块后进入控制模块实现对外部电源的采样；当辅助电源模块异常时，控制模块控制转换开关模块断开，此时辅助电源模块不提供电能，电流互感器输出的电能通过整流模块转换为直流电后分为两部分，第一部分通过稳压模块稳压后进行供电，第二部分通过采样模块和AD转换模块后进入控制模块实现对外部电源的采样。

所述的整流模块为整流桥电路。

所述的转换开关模块为两路MOS管，MOS管的控制端与控制模块连接，MOS管的活动端一端直接连接电流互感器的输出端，MOS管的活动端另一端直接连接采样模块。

所述的采样模块为电阻采样电路。

所述的稳压模块包括稳压开关管、电压比较器电路和基准电压电路；整流模块输出的电能信号直接连接电压比较器电路的输入端一端，基准电压电路用于提供一路基准电压信号并输入到电压比较器电路的输入端另一端，电压比较器电路的输出端连接稳压开关管的控制端，稳压开关管的活动端一端连接整流模块的输出端，稳压开关管的活动端另一端直接接地。

所述的基准电压电路为由控制模块输出的一路基准电压信号。

本实用新型还提供了一种低压断路器，该低压断路器包括了所述的新型单线圈供电采样电路。

本实用新型提供的这种新型单线圈供电采样电路及其制成的低压断路器，通过对转换开关模块的控制，在辅助电源模块的帮助下，可以实现单电流互感器的供电和采样，而且供电可靠性高，采样精度高，而且电路简单可靠，成本低廉。

附图说明

图1为本实用新型的功能模块图。

图2为本实用新型的电路原理示意图。

具体实施方式

如图1所示为本实用新型的功能模块图：本实用新型提供的这种新型单线圈供电采样电路，包括电流互感器、整流模块、转换开关模块、采样模块、AD转换模块、控制模块、稳压模块和辅助电源模块；电流互感器、整流模块和稳压模块依次串接；转换开关模块、采样模块、AD转换模块和控制模块依次串接；转换开关模块还与整流模块连接；辅助电源模块和转换开关模块均与控制模块连接；当辅助电源模块正常供电时，控制模块控制转换开关模块导通，此时辅助电源模块独立供电，且电流互感器输出的信号通过转换开关、采样模块和AD转换模块后进入控制模块实现对外部电源的采样；当辅助电源模块异常时，控制模块控制转换开关模块断开，此时辅助电源模块不提供电能，电流互感器输出的电能通过整流模块转换为直流电后分为两部分，第一部分通过稳压模块稳压后进行供电，第二部分通过采样模块和AD转换模块后进入控制模块实现对外部电源的采样。

如图2所示为本实用新型的电路原理示意图：从图中可以看到，整流模块为整流桥电路(D2～D5)；转换开关模块为两路MOS管V2和V3，V2和V3的控制端均与控制模块连接，V2的活动端一端接地，V2的活动端另一端连接电流互感器的输出端，V3的活动端一端接地，V3的活动端另一端连接电流互感器的输出端；采样模块为电阻采样电路(R1和R2)；稳压模块包括稳压开关管V1、电压比较器电路U1和基准电压电路(图中标示REF)；整流模块输出的电能信号直接连接电压比较器电路的输入端一端，基准电压电路用于提供一路基准电压信号并输入到电压比较器电路的输入端另一端，电压比较器电路的输出端连接稳压开关管的控制端，稳压开关管的活动端一端连接整流模块的输出端，稳压开关管的活动端另一端直接接地。

下面介绍本实用新型的电路原理图的工作过程：

在有辅助电源供电时，控制模块检测到辅助电源正常工作，此时控制模块输出高电平，控制切换开关电路的MOS管V2和V3导通。一次母线的电流经电流互感器转换的二次电流信号经由MOS管V2和V3组成的切换开关、由采样电阻R1和R2构成的信号采集电路形成电流回路。信号采集电路的采样电阻R1和R2将电流信号转换为电压信号送入AD转换电路。由控制单元控制AD转换电路对此信号进行模数转换。

由于切换开关的导通，电流互感器的二次电流直接经切换开关至信号采样电路。不再经过由二极管D2～D5组成的整流桥，因此整流桥后的稳压电路不再工作，其整个系统电源均由辅助电源提供。此时，电流互感器二次负载为信号采样电路的采样电阻，其负载阻抗非常稳定，因此其信号采样电路采集到的电流信号相当稳定，经第二信号采样电路转换出的交流电压信号是高精度的交流电压信号。此信号可作为高精度的电流测量、功率计算、电量计算的基础数据信号来源，其精度等级可达到优于0.1级。

AD转换电路的AD转换芯片为差分输入形式，因此，当R1上产生的负半周采样信号和R2上产生的正半周采样信号进入差分输入的AD转换芯片时，其AD转换器所接收到的是一个完整的交流电压信号波形，其电压幅值U为U＝I*2R/N，其中I为一次电流值，N为电流互感器匝数，R为采样电阻R1或R2阻值；为保证差分信号一致性，要求信号采集电路的采样电阻R1和R2阻值相等。

当外部辅助电源不正常时，外部辅助电源无法为系统供电，此时控制模块能检测到辅助电源不正常后，控制模块输出低电平使切换开关电路的MOS管V2和V3处于关断状态。此时一次母线的电流经电流互感器，在互感器二次侧产生正比于互感器匝数比的二次电流信号，此信号经整流桥、稳压模块、采样模块形成回路。稳压电路通过比较器U1对后级电压和参考电压REF进行比较，再通过控制MOS管V1的导通和关断，使输出电压稳定在一定范围内，并将此稳压信号供给系统电源使用。

以电流互感器同名端起，当交流信号处在正半周时，电流经整流桥的二极管D2、稳压模块，采样模块的采样电阻R2，整流桥二极管D5形成回路。此时，在信号采集电路的采样电阻R2上形成交流电流信号的正半周电压信号波形。

当交流信号处在负半周时，电流经整流桥的二极管D3、稳压模块，采样模块的采样电阻R1，整流桥二极管D4形成回路。此时，在信号采集电路的采样电阻R1上形成交流电流信号的负半周电压信号波形。

AD转换电路的AD转换芯片为差分输入形式，因此，当R1上产生的负半周采样信号和R2上产生的正半周采样信号进入差分输入的AD转换芯片时，其AD转换器所接收到的是一个完整的交流电压信号波形，其电压幅值U为U＝I*R/N，其中I为一次电流值，N为电流互感器匝数，R为采样电阻R1或R2阻值；为保证差分信号一致性，要求信号采集电路的采样电阻R1和R2阻值相等。

虽然此时AD转换器所接收到的电压波形为一个完整的交流电压信号波形，但是：

1、受采样电阻R1和R2阻值近似相等的影响，其信号波形正半周和负半周会稍有失真，并不是完全相等。

2、由于电流回路经过整流桥电路的二极管，二极管的PN结由于固有压降问题，产生交越失真。

3、由于此时稳压电路为确保后端电压的稳定，是MOS管V3处于不断开通和关断的状态，其阻抗处于一个动态变化的过程。因此电流互感器的输出负载阻抗处于一定范围的动态变化状态下。

因此，该采样信号会产生轻微畸变，无法满足高精度测量和计量的要求，但可以作为断路器的一般的电流测量和电流保护功能所需要使用的电流基础数据信号来源。

同时，由于MOS管工艺问题，其内部固有一个体二极管，在当电流互感器电流不大时，可以将整流器电路中的D4和D5省去，由NMOS管V2和V3的体二极管来代替，从而进一步降低电路的成本。

本申请提供的这种新型单线圈供电采样电路，可用于其他任何需要进行单线圈供电采样的电子设备，包括各类型的计量仪表(比如电能表、水表、燃气表、热量表等)、电能管理终端、配电终端、电能质量监控设备、电网自动化终端、采集终端、集中器、数据采集器、计量仪表、手抄器、故障指示器等。

Claims (7)

1.一种新型单线圈供电采样电路，其特征在于包括电流互感器、整流模块、转换开关模块、采样模块、AD转换模块、控制模块、稳压模块和辅助电源模块；电流互感器、整流模块和稳压模块依次串接；转换开关模块、采样模块、AD转换模块和控制模块依次串接；转换开关模块还与整流模块连接；辅助电源模块和转换开关模块均与控制模块连接；当辅助电源模块正常供电时，控制模块控制转换开关模块导通，此时辅助电源模块独立供电，且电流互感器输出的信号通过转换开关、采样模块和AD转换模块后进入控制模块实现对外部电源的采样；当辅助电源模块异常时，控制模块控制转换开关模块断开，此时辅助电源模块不提供电能，电流互感器输出的电能通过整流模块转换为直流电后分为两部分，第一部分通过稳压模块稳压后进行供电，第二部分通过采样模块和AD转换模块后进入控制模块实现对外部电源的采样。

2.根据权利要求1所述的新型单线圈供电采样电路，其特征在于所述的整流模块为整流桥电路。

3.根据权利要求1或2所述的新型单线圈供电采样电路，其特征在于所述的转换开关模块为两路MOS管，MOS管的控制端与控制模块连接，MOS管的活动端一端直接连接电流互感器的输出端，MOS管的活动端另一端直接连接采样模块。

4.根据权利要求1所述的新型单线圈供电采样电路，其特征在于所述的采样模块为电阻采样电路。

5.根据权利要求1所述的新型单线圈供电采样电路，其特征在于所述的稳压模块包括稳压开关管、电压比较器电路和基准电压电路；整流模块输出的电能信号直接连接电压比较器电路的输入端一端，基准电压电路用于提供一路基准电压信号并输入到电压比较器电路的输入端另一端，电压比较器电路的输出端连接稳压开关管的控制端，稳压开关管的活动端一端连接整流模块的输出端，稳压开关管的活动端另一端直接接地。

6.根据权利要求5所述的新型单线圈供电采样电路，其特征在于所述的基准电压电路为由控制模块输出的一路基准电压信号。

7.一种低压断路器，其特征在于包括了权利要求1～6之一所述的新型单线圈供电采样电路。