CN215870733U - 直流剩余电流动作断路器 - Google Patents

Abstract

一种直流剩余电流动作断路器，包括剩余电流互感器，剩余电流互感器包括磁芯以及绕制在磁芯上的激磁绕组，直流电源线穿过所述磁芯，所述激磁绕组经过激磁振荡电路与主控单元连接，激磁振荡电路能够持续输出占空比至主控单元，激磁绕组能够在感应到剩余电流时改变激磁振荡电路的输出占空比，主控单元能够根据激磁振荡电路的输出占空比的变化量计算漏电电流的极性和大小，不需要针对激磁振荡电路的输出占空比设计相应的方波信号提取电路以及后级的有源滤波电路，减少了电路的数量，而且还具有电路简单、成本低和体积小的特点。

Description

直流剩余电流动作断路器

技术领域

本实用新型涉及低压电器领域，特别是涉及一种直流剩余电流动作断路器。

背景技术

剩余电流动作断路器不仅能控制线路的通断，还能检测线路中是否有剩余电流，并在检测到剩余电流时断开线路，进而实现漏电保护。现有的剩余电流动作断路器，通常只能用于检测交流电的剩余电流，无法用于检测直流电的剩余电流，随着国家直流配电发展，后续直流用电场景及直流负载会大幅增加，为保障用电安全，需要相应的直流剩余电流保护的断路器。

虽然目前市场上的B型剩余电流动作断路器能够检测直流电的剩余电流，但是电路过于复杂，需要调制、解调、滤波、比较或ADC采样等电路，不仅成本较高，实现难度较大，而且无法检测较宽范围的直流电的剩余电流。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种电路简单、成本较低的直流剩余电流动作断路器。

为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种直流剩余电流动作断路器，包括剩余电流互感器，剩余电流互感器包括磁芯以及绕制在磁芯上的激磁绕组，直流电源线穿过所述磁芯，

所述激磁绕组经过激磁振荡电路与主控单元连接，激磁振荡电路能够持续输出占空比至主控单元，激磁绕组能够在感应到剩余电流时改变激磁振荡电路的输出占空比，主控单元能够根据激磁振荡电路的输出占空比的变化量计算漏电电流的极性和大小。

优选的，所述激磁振荡电路包括方波脉冲电压驱动电路和比较器U5B，方波脉冲电压驱动电路、比较器U5B和激磁绕组形成循环自激振荡，方波脉冲电压驱动电路循环为激磁绕组施加正负方向电压，使剩余电流互感器正反向激磁振荡并输出相应采样电压；

比较器U5B获取剩余电流互感器输出的采样电压，将该采样电压与比较器U5B阈值电压比较并产生正负交替的方波信号，该方波信号作为比较器U5B的输出反馈给方波脉冲电压驱动电路作为驱动信号，所述比较器U5B的输出与主控单元连接，主控单元根据比较器U5B的输出的占空比计算剩余电流的极性和大小。

优选的，所述方波脉冲电压驱动电路包括电阻R35和电阻R40，在激磁绕组电流变化的过程中，电阻R35和电阻R40两端的电压发生相应变化，当电阻R35和电阻R40两端电压达到比较器U5B设定的阈值时，比较器U5B进行翻转输出并驱动磁芯在正向饱和与负向饱和之间转换。

优选的，所述方波脉冲电压驱动电路还包括由三极管Q4和三极管Q6构成的半桥驱动电路，所述比较器U5B进行翻转输出时，循环导通三极管Q4和三极管Q6分别为激磁绕组供电。

优选的，所述主控单元为MCU，MCU的ADC输入端口或MCU的定时器端口与所述比较器U5B的输出端连接，MCU通过ADC输入端口或MCU的定时器端口检测比较器U5B的输出的占空比，将检测到比较器U5B的输出占空比的变化量与设定阈值进行比较。

优选的，还包括脱扣电路和测试电路，测试电路能够产生剩余电流测试信号。

优选的，还包括试验按钮和按钮检测电路，按钮检测电路与主控单元连接，当试验按钮按下时，按钮检测电路通过主控单元驱动所述测试电路产生剩余电流的测试信号。

优选的，所述测试电路包括绕制在所述磁芯上的测试绕组，以及三极管Q5，主控单元能够控制三极管Q5导通，使测试绕组带电。

优选的，所述脱扣电路包括电磁脱扣器J3以及三极管Q1，主控单元能够导通三极管Q1为电磁脱扣器J3供电。

优选的，所述方波脉冲电压驱动电路包括TVS管D6、电阻R30、电阻R36、电阻R35、电阻R40、电容C20和电容C23，所述TVS管D6与激磁绕组两端并联；

激磁绕组的一端分别与电阻R28的一端和所述电阻R35的一端连接，电阻R28的另一端与所述比较器U5B的负极输入端连接，电阻R35的另一端分别与电阻R40的一端和电容C23的一端连接，电阻R40的另一端与基准电压连接，电容C23的另一端接地；

激磁绕组的另一端连接在所述三极管Q4与所述三极管Q6之间，三极管Q4的集电极与电源电路连接，三极管Q6的集电极接地，三极管Q4的基极和三极管Q6的基极经过并联的电阻R30和电容C20与所述比较器U5B的输出端连接，比较器U5B的输出端与主控单元的ADC输入端口或MCU的定时器端口连接，比较器U5B的正极输入端经过电阻R38接地，且比较器U5B的正极输入端与比较器U5B的输出端之间通过电阻R36连接。

本实用新型的直流剩余电流动作断路器，主控单元根据激磁振荡电路的输出占空比的变化量计算剩余电流的极性和大小，不需要针对激磁振荡电路的输出占空比设计相应的方波信号提取电路以及后级的有源滤波电路，减少了电路的数量，而且还具有电路简单、成本低和体积小的特点。

此外，通过比较器U5B循环导通三极管Q4和三极管Q6构成的半桥驱动电路为激磁绕组供电，能够有效提升激磁绕组中的电流，使磁芯在正向饱和与负向饱和之间能够更快速地转换。

附图说明

图1是本实用新型的直流剩余电流动作断路器的原理框图；

图2是本实用新型中激磁振荡电路的第一种实施方式；

图3是本实用新型中磁振荡电路的第二种实施方式；

图4是无剩余电流时，激磁线圈两端的激磁电压的波形图；

图5是无剩余电流时，激磁线圈中的电流的波形图；

图6是有剩余电流时，激磁线圈两端的激磁电压的波形图；

图7是有剩余电流时，激磁线圈中的电流的波形图；

图8是本实用新型中测试电路的电路图；

图9是本实用新型中按钮检测电路的电路图；

图10是本实用新型中脱扣电路的电路图。

具体实施方式

以下结合附图1至10给出的实施例，进一步说明本实用新型的直流剩余电流动作断路器的具体实施方式。本实用新型的直流剩余电流动作断路器不限于以下实施例的描述。

如图1所示，本实用新型的直流剩余电流动作断路器，包括电源电路102和剩余电流互感器，剩余电流互感器包括磁芯101以及绕制在磁芯101上的激磁绕组107，激磁绕组107用于感应剩余电流，直流电源线穿过所述磁芯101；

所述激磁绕组107经过激磁振荡电路105与主控单元109连接，所述电源电路102分别为激磁振荡电路105和主控单元109供电，激磁振荡电路105能够持续输出占空比信号至主控单元109，激磁绕组107能够在感应到剩余电流时改变激磁振荡电路105的输出占空比，主控单元109能够根据激磁振荡电路105的输出占空比的变化量计算剩余电流的极性和大小。

本实用新型的直流剩余电流动作断路器，主控单元109根据激磁振荡电路105的输出占空比的变化量计算剩余电流的极性和大小，不需要针对激磁振荡电路105的输出占空比设计相应的方波信号提取电路以及后级的有源滤波电路，减少了电路的数量，而且还具有电路简单、成本低和体积小的特点。

进一步，所述激磁振荡电路105包括方波脉冲电压驱动电路和比较器U5B，所述方波脉冲电压驱动电路、比较器U5B和激磁绕组107形成循环自激振荡，方波脉冲电压驱动电路循环为激磁绕组107施加正负方向电压，使剩余电流互感器正反向激磁振荡并输出相应采样电压；

比较器U5B获取剩余电流互感器输出的采样电压，将该采样电压与比较器U5B阈值电压比较并产生正负交替的方波信号，该方波信号作为比较器U5B的输出反馈给方波脉冲电压驱动电路作为驱动信号，所述比较器U5B的输出与主控单元109连接，主控单元109根据比较器U5B的输出的占空比计算剩余电流的极性和大小。

无剩余电流时，方波脉冲电压驱动电路在激磁绕组107两端施加的正负方向电压为图4示出的方波激磁电压，图中T1、T2、T3、T4为方波激磁电压发生转折的时间点，且T2-T1＝T3-T2，通过比较器U5B的7脚输出为占空比对应为1:1的方波信号；同时，方波激磁电压能够激磁绕组107驱动磁芯101在正向饱和与负向饱和之间转换，使激磁绕组107中电流形成图5示出的波形。

出现剩余电流时，如图6所示，磁芯101会存在固定一个方向的偏磁，并使该方向提前进入磁饱和状态，同时该方向对应的脉冲变窄，对应的，磁芯101的另一个方向会延时进入饱和，并使对应的脉冲变宽，使T2-T1＞T3-T2，通过比较器U5B输出占空比对应变化的方波信号；同时，激磁绕组107中电流也会变化至图7所示的情况。而且，T2-T1的差值与T3-T2的差值之间差异越大，表示剩余电流越大。

如图2示出所述激磁振荡电路105的第一种实施方式，激磁振荡电路105基于铁磁材料的非线性磁化曲线特性而形成RL自激振荡，激磁振荡电路105能够在激磁绕组107的两端施加方波激磁电压。

所述激磁振荡电路105包括电阻R28、电阻R30、电阻R36、电阻R38、电阻R35、电阻R40、电容C20、电容C23、三极管Q4、三极管Q6、比较器U5B、激磁绕组107和TVS管D6，所述比较器U5B为滞回比较器，三极管Q4和三极管Q6构成半桥驱动电路，并连接在比较器U5B输出端与激磁绕组107之间，

电阻R35和电阻R40为电压采样电阻，在激磁绕组107电流变化的过程中，电阻R35和电阻R40两端的电压发生相应变化，当电阻R35和电阻R40两端电压达到比较器U5B设定的阈值时，比较器U5B的7脚进行翻转输出，循环导通三极管Q4和三极管Q6构成的半桥驱动电路为激磁绕组107供电，通过半桥驱动电路为激磁绕组107供电，能够有效提升激磁绕组107中的电流，使磁芯101在正向饱和与负向饱和之间能够更快速地转换。

具体的，所述TVS管D6与激磁绕组107两端并联，激磁绕组107的一端分别与电阻R28的一端和所述电阻R35的一端连接，电阻R28的另一端与所述比较器U5B的负极输入端连接，电阻R35的另一端分别与电阻R40的一端和电容C23的一端连接，电阻R40的另一端与基准电压VREF连接，电容C23的另一端接地；

激磁绕组107的另一端连接在所述三极管Q4的发射极与所述三极管Q6的集电极之间，三极管Q4的集电极与电源电路102的供电电压VCC连接，三极管Q6的发射极接地，三极管Q4的基极和三极管Q6的基极经过并联的电阻R30和电容C20与所述比较器U5B的输出端连接，比较器U5B的输出端与主控单元的ADC输入端口或MCU的定时器端口连接，比较器U5B的正极输入端经过电阻R38接地，且比较器U5B的正极输入端与比较器U5B的输出端之间通过电阻R36连接。

如图3示出所述激磁振荡电路105的第二种实施方式，本实施方式与上述第一种实施方式的原理相同，区别为本实施方式，不需要设置由三极管Q4和三极管Q6构成的半桥驱动电路，因为比较器U5B的输出能力足够使剩余电流互感器磁芯101进入磁饱和状态。可以理解的是，是否设置半桥驱动电路，可以由比较器U5B的输出能力决定，不论是否设置半桥驱动电路，都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型的直流剩余电流动作断路器还包括脱扣电路104、指示电路106、测试电路103、按钮检测电路110和指示电路106，指示电路106用于电源状态指示或脱扣指示；

所述电源电路102由线性降压方式或开关电源降压方式，或其他电源降压方式对电源电压进行降压处理，用于给激磁振荡电路105、主控单元109、脱扣电路104和测试电路103供电。

所述主控单元109为MCU，MCU的ADC输入端口或MCU的定时器端口与所述比较器U5B的输出端连接，MCU通过ADC输入端口或MCU的定时器端口检测比较器U5B的输出的占空比，将检测到比较器U5B的输出占空比的变化量与设定阈值进行比较，当检测到比较器U5B的输出占空比的变化量超过设定阈值时，说明出现剩余电流，MCU输出指令至脱扣电路104，使脱扣电路104驱动断路器脱扣分闸。

因为通常的MCU通用I/O口只可以检测高低电平变化情况，不可以检测高低电平持续时间，所以不可以检测占空比信号，而本实施例通过MCU的ADC端口或定时器端口来计算占空比的大小，当使用MCU的ADC端口时，通过计算占空比的面积：

S＝(T2-T1)×V；

其中，S为正向占空比面积，V为占空比输出电压，因为占空比输出电压V是固定值，则说明占空比S的变化与(T2-T1)为正比例关系，(T2-T1)的变化即可体现剩余电流大小的变化，因此也可以使用定时器端口进行等效计算。

进一步，为了检测出现剩余电流时，断路器能否按照预定脱扣分闸，也就是用于检测断路器的动作特性，可以通过测试电路103和按钮检测电路110模拟剩余电流，在剩余电流穿过磁芯101时，检测断路器能否脱扣分闸，不仅仅是脱扣电路104，剩余电路检测、判断、脱扣中的任一环节出现问题都有可能脱扣失败，便于提前进行排查。

如图8所示，本实施例的测试电路103通过弱电产生模拟剩余电流的测试信号，测试电路103包括电阻R34、电阻R27、电阻R39、三极管Q5、稳压管U8和测试绕组108，测试绕组108绕制在所述磁芯101上，三极管Q5连接在测试绕组108与电源电路102之间，主控单元109的Test_out端口能够控制三极管Q5导通，使测试绕组108带电，当测试绕组108中电流经过磁芯101时，使磁芯101出现所述的偏磁现象，以此模拟剩余电流出现的情况，如果断路器无法及时脱扣分闸，可以及时采取措施，防止真正的剩余电流出现时而无法断开电源线。

本实施例的测试电路103通过弱电产生模拟剩余电流的测试信号，在长时间通电的情况下，也不会烧毁，具有不易失效，可靠性高的特点。当然，测试电路103也可以通过与电源线并联的试验电阻产生测试信号，都属于本实用新型的保护范围。

如图9所示，本实施例的按钮检测电路110用于检测试验按钮(图中未示出)是否按下，在试验按钮按下时，按钮检测电路110通过主控单元109驱动所述测试电路103产生剩余电流的测试信号。本实施例的按钮检测电路110包括与所述试验按钮配合的行程开关S1，行程开关S1经过电阻R3与主控单元109的Test端口连接，当试验按钮按下时，带动行程开关S1切换状态并输出检测驱动信号至主控单元109的Test端口，主控单元109检测到信号时，再通过所述的Test_out端口导通三极管Q5为测试绕组108供电。当然，所述按钮检测电路110也可以采用行程开关S1以外的方式与试验按钮配合，如微动开关，都属于本实用新型的保护范围。

如图10所示，本实施例的脱扣电路104包括电阻R7、电阻R13、电阻R14、三极管Q1和电磁脱扣器J3，三极管Q1连接在电磁脱扣器J3与电源电路102之间，主控单元109能够发出高电平Trip信号即导通三极管Q1，使电源电路102为电磁脱扣器J3供电，使电磁脱扣器J3释放脱扣并进一步带动机械结构动作，其中电阻R7用于限制电磁脱扣器J3中的电流，防止电磁脱扣器J3中的电流过大。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种直流剩余电流动作断路器，包括剩余电流互感器，剩余电流互感器包括磁芯(101)以及绕制在磁芯(101)上的激磁绕组(107)，直流电源线穿过所述磁芯(101)，其特征在于：

所述激磁绕组(107)经过激磁振荡电路(105)与主控单元(109)连接，激磁振荡电路(105)能够持续输出占空比至主控单元(109)，激磁绕组(107)能够在感应到剩余电流时改变激磁振荡电路(105)的输出占空比，主控单元(109)能够根据激磁振荡电路(105)的输出占空比的变化量计算漏电电流的极性和大小。

2.根据权利要求1所述的直流剩余电流动作断路器，其特征在于：所述激磁振荡电路(105)包括方波脉冲电压驱动电路和比较器U5B，方波脉冲电压驱动电路、比较器U5B和激磁绕组(107)形成循环自激振荡，方波脉冲电压驱动电路循环为激磁绕组(107)施加正负方向电压，使剩余电流互感器正反向激磁振荡并输出相应采样电压；

比较器U5B获取剩余电流互感器输出的采样电压，将该采样电压与比较器U5B阈值电压比较并产生正负交替的方波信号，该方波信号作为比较器U5B的输出反馈给方波脉冲电压驱动电路作为驱动信号，所述比较器U5B的输出与主控单元(109)连接，主控单元(109)根据比较器U5B的输出的占空比计算剩余电流的极性和大小。

3.根据权利要求2所述的直流剩余电流动作断路器，其特征在于：所述方波脉冲电压驱动电路包括电阻R35和电阻R40，在激磁绕组(107)电流变化的过程中，电阻R35和电阻R40两端的电压发生相应变化，当电阻R35和电阻R40两端电压达到比较器U5B设定的阈值时，比较器U5B进行翻转输出并驱动磁芯(101)在正向饱和与负向饱和之间转换。

4.根据权利要求2所述的直流剩余电流动作断路器，其特征在于：所述方波脉冲电压驱动电路还包括由三极管Q4和三极管Q6构成的半桥驱动电路，所述比较器U5B进行翻转输出时，循环导通三极管Q4和三极管Q6分别为激磁绕组(107)供电。

5.根据权利要求2所述的直流剩余电流动作断路器，其特征在于：所述主控单元(109)为MCU，MCU的ADC输入端口或MCU的定时器端口与所述比较器U5B的输出端连接，MCU通过ADC输入端口或MCU的定时器端口检测比较器U5B的输出的占空比，将检测到比较器U5B的输出占空比的变化量与设定阈值进行比较。

6.根据权利要求1所述的直流剩余电流动作断路器，其特征在于：还包括脱扣电路(104)和测试电路(103)，测试电路(103)能够产生剩余电流测试信号。

7.根据权利要求6所述的直流剩余电流动作断路器，其特征在于：还包括试验按钮和按钮检测电路(110)，按钮检测电路(110)与主控单元(109)连接，当试验按钮按下时，按钮检测电路(110)通过主控单元(109)驱动所述测试电路(103)产生剩余电流的测试信号。

8.根据权利要求6所述的直流剩余电流动作断路器，其特征在于：所述测试电路(103)包括绕制在所述磁芯(101)上的测试绕组(108)，以及三极管Q5，主控单元(109)能够控制三极管Q5导通，使测试绕组(108)带电。

9.根据权利要求6所述的直流剩余电流动作断路器，其特征在于：所述脱扣电路(104)包括电磁脱扣器J3以及三极管Q1，主控单元(109)能够导通三极管Q1为电磁脱扣器J3供电。

10.根据权利要求4所述的直流剩余电流动作断路器，其特征在于：所述方波脉冲电压驱动电路包括TVS管D6、电阻R30、电阻R36、电阻R35、电阻R40、电容C20和电容C23，所述TVS管D6与激磁绕组(107)两端并联；

激磁绕组(107)的一端分别与电阻R28的一端和所述电阻R35的一端连接，电阻R28的另一端与所述比较器U5B的负极输入端连接，电阻R35的另一端分别与电阻R40的一端和电容C23的一端连接，电阻R40的另一端与基准电压连接，电容C23的另一端接地；

激磁绕组(107)的另一端连接在所述三极管Q4与所述三极管Q6之间，三极管Q4的集电极与电源电路(102)连接，三极管Q6的集电极接地，三极管Q4的基极和三极管Q6的基极经过并联的电阻R30和电容C20与所述比较器U5B的输出端连接，比较器U5B的输出端与主控单元的ADC输入端口或MCU的定时器端口连接，比较器U5B的正极输入端经过电阻R38接地，且比较器U5B的正极输入端与比较器U5B的输出端之间通过电阻R36连接。

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