CN216215852U - 一种限流式保护器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种限流式保护器，包括电流采样调理电路、控制单元以及串接于主回路中的电子开关，所述控制单元根据电流采样调理电路所采样到的主回路电流信号对电子开关进行控制以实现对主回路的短路保护；所述限流式保护器还包括短路故障硬件保护电路，短路故障硬件保护电路包括故障判断电路、故障信号保持电路及故障信号复位电路以及自检电路；用于在主回路出现短路电流的情况下以硬件的方式生成所述电子开关的关断控制信号。本实用新型通过硬件电路实现对短路故障的判断保护，整个过程全部由硬件电路完成，不受控制芯片工作时钟及软件进程的影响，响应速度快，能够快速限制故障电流的上升，防止了故障的进一步扩大化。

Description

一种限流式保护器

技术领域

本实用新型涉及一种限流式保护器。

背景技术

随着电力需求的日益增长，电气设备的不断增加，如何保证安全用电等问题也随之突出，据不完全统计，在多起火灾事故调查后发现，因电气短路、漏电、拉弧而引发的电气火灾一直占据事故引发的首要因素；我们熟知的断路器、空气开关一直占据我们日常用电作为短路过载保护的主导地位，传统的断路器在短路时由机械开关自动跳闸将电源供电系统断开，由于其内部机械开关的固有特性，其切断电源供电系统的时间较长，通常在几十毫秒至数百毫秒之间，在短路点易造成较大的危险火花，其产生的高温和电弧极易引起火灾或触电等安全事故。

为弥补机械式断路器或空气开关断开故障电流的时间过长带来的危害，近年来有些公司已经开始研究利用大电流电力电子器件作为开关部件来实现负载电流、过载电流及短路电流的分断，由于半导体电力电子器件具有开关速度快、无触点开断、开关寿命长等特点能有效克服传统断路器、空气开关开断故障电流时间长带来的弊端。目前我国利用电力电子器件作为开关部件来开断电流的设备主要为电气防火限流式保护器，该设备的开关部件是MOSFET管或IGBT等半导体电力电子器件。由于采用了电力电子器件高速切断电源，从而使得切断电源的时间由目前的毫秒级降低到微秒级，最终在短路端只可能形成微小的电弧火花甚至看不到火花，最大限度的降低因用电短路而导致的电压电流畸变、电气火灾、触电事故等安全隐患，保证用电的安全。

目前市场上的电气防火限流式保护器主要有电流采样调理电路、控制芯片、固态开关模块及电源模块组成。如专利201210545682.5、专利201621348817.9所述，其工作原理主要是电流采样调理电路将电流信号送入控制芯片，通过控制芯片计算判断回路中是否发生短路，然后控制芯片再给出固态开关模块的控制信号来使回路断开实现短路故障保护。又如专利201821263607.9所述，电流采样调理电路将电流信号送入控制芯片和比较电路、比较电路的输出再送入控制芯片，然后控制芯片根据前级电流信号或比较器输出信号来输出固态开关模块的控制信号。

现有的电气防火限流式保护器的短路故障保护都需要经过控制芯片来输出关断指令切断短路故障回路，因此断开故障点的响应时间受控制芯片的时钟频率、芯片进程等因素影响，甚至在控制芯片出现“死机”现象的情况下无法对短路故障作出反应，使故障进一步扩大化。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种可对短路故障进行更可靠保护的限流式保护器。

本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术方案：

一种限流式保护器，包括用于采样主回路电流并对电流进行调理的电流采样调理电路、控制单元以及串接于主回路中的用于执行主回路接通和分断的电子开关，其特征在于，所述限流式保护器还包括短路故障硬件保护电路，用于在主回路出现短路电流的情况下以硬件的方式生成所述电子开关的关断控制信号；

所述短路故障硬件保护电路包括故障判断电路、故障信号保持电路及故障信号复位电路以及自检电路；

所述短路故障硬件保护电路的输入端连接电流采样调理电路的输出端，短路故障硬件保护电路的输出端连接电子开关的控制部；

所述故障判断电路的输入端连接电流采样调理电路的输出端，故障判断电路的输出端连接故障信号保持电路的输入端，用于判断电路中是否发生短路故障；

所述故障信号保持电路的输入端连接故障判断电路的输出端，故障信号保持电路的输出端连接电子开关的控制部，用于限流保护器发生短路故障保护时关断电子开关；

所述自检电路用于向短路故障硬件保护电路输入模拟短路电流信号，并判断短路故障硬件保护电路是否能正常生成所述电子开关的控制信号；

所述故障信号复位电路的输入端连接控制单元的输出端，故障信号复位电路的输出端连接故障信号保持电路的输入端，用于在故障排除或者自检电路完成自检后，在控制单元控制下输出复位信号至故障信号保持电路。

优选地，所述故障判断电路为双限幅比较电路。

更进一步优选地，所述双限幅比较电路由电阻R4～R10，电容C1、C2及比较器U1B、U2B组成；电阻R4、R5串接于工作电源与地之间，电阻R4、R5的连接中点连接比较器U1B的负输入端，电阻R8、R9串接于工作电源与地之间，电阻R8、R9的连接中点连接比较器U2B的正输入端，电阻R6的一端和电阻R7的一端共同连接所述电流采样调理电路的输出端，电阻R6的另一端连接比较器U1B的正输入端，电阻R7的另一端连接比较器U2B的负输入端，电容C1、C2串接于电阻R6和比较器U1B的连接中点与电阻R7和比较器U2B的连接中点之间，电容C1、C2的连接中点接地，电阻R10的一端连接工作电源，电阻R10的另一端与比较器U1B的输出端、比较器U2B的输出端共同连接后作为所述双限幅比较电路的输出端。

优选地，所述故障信号保持电路由电阻R11、R12、R13、R14、R17以及二极管D1和比较器U3B组成；电阻R11、R12串接于工作电源与地之间，电阻R11、R12的连接中点连接比较器U3B的负输入端，比较器U3B的正输入端与故障判断电路的输出端以及电阻R13的一端共同连接，电阻R13的另一端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极与比较器U3B的输出端以及电阻R17的一端共同连接后作为所述故障信号保持电路的输出端，电阻R17的另一端连接工作电源。

优选地，所述复位电路由电阻R15、R16、三极管Q1组成；电阻R15的一端连接所述控制单元的复位控制信号输出端口，电阻R15的另一端连接三极管Q1的基极，电阻R16连接于三极管Q1的基极和发射极之间，三极管Q1的发射极连接工作电源，三极管Q1的集电极作为复位电路的复位信号输出端与所述故障信号保持电路相连接。

优选地，所述自检电路由电阻R1、R2、R3组成，电阻R1的一端连接所述电流采样调理电路的输出端，电阻R2、R3的一端分别连接所述控制单元的两个IO端口，电阻R1、R2、R3的另一端短接后连接到故障判断电路的输入端。

相比现有技术，本实用新型技术方案具有以下有益效果：

本实用新型通过硬件电路实现对短路故障的判断保护，整个过程全部由硬件电路完成，不受控制芯片工作时钟及软件进程的影响，响应速度快，能够快速限制故障电流的上升，防止了故障的进一步扩大化。

本实用新型还进一步具备自检功能，可在每次上电使用前或定期对短路故障硬件保护电路的功能有效性进行检测，确保短路故障保护电路一直处于正常工作状态。

本实用新型还可结合传统的短路故障软件保护模块使用，将短路故障硬件保护电路作为后备保护，在软件出现死机或短路电流上升率高时，能快速切断故障电流，不使限流式保护器损坏。

附图说明

图1为本实用新型限流式保护器一个具体实施例的原理框图；

图2为具体实施例中的短路故障硬件保护电路的原理框图；

图3为短路故障硬件保护电路的一种具体实现电路。

具体实施方式

针对现有限流式保护器采用基于逻辑芯片的短路保护所存在的可靠性问题，本实用新型的解决方案是增加短路故障硬件保护电路，通过硬件电路实现对短路故障的判断保护，从而提高安全可靠性。

具体而言，本实用新型的限流式保护器，包括电流采样调理电路、控制单元以及串接于主回路中的电子开关，所述控制单元根据电流采样调理电路所采样到的主回路电流信号对电子开关进行控制以实现对主回路的短路保护；所述限流式保护器还包括短路故障硬件保护电路，故障判断电路、故障信号保持电路及故障信号复位电路以及自检电路；

用于在主回路出现短路电流的情况下以硬件的方式生成所述电子开关的关断控制信号。

为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本实用新型的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本实施例的限流式保护器包括电流采样调理电路、控制电路、功率管、功率管驱动电路、过电压吸收电路、短路故障硬件保护电路、电源电路、通信电路、声光报警电路及人机交互电路；电流采样调理电路对主回路电流信号进行采样并将采样结果输出至短路故障硬件保护电路和控制电路；控制电路和短路故障硬件保护电路在出现短路电流的情况下分别通过软件和硬件方式产生所述功率管的关断控制信号，并通过功率管驱动电路驱动所述功率管关断，从而实现主回路的短路保护；过电压吸收电路用于实现过电压保护；通信电路用于实现与外部的通信；声光报警电路用于在检测到故障时进行声光报警；人机交互电路用于实现限流式保护器的人机交互。

如图2所示，本实施例中的短路故障硬件保护电路包括故障判断电路、故障信号保持电路、自检电路、复位电路；所述自检电路用于模拟短路故障时电流采样调理信号，检测短路故障保护功能电路是否功能正常；所述故障判断电路的输入端连接电流采样调理电路的输出端，故障判断电路的输出端连接故障信号保持电路的输入端，用于判断电路中是否发生短路故障；故障信号保持电路的输入端连接故障判断电路的输出端，故障信号保持电路的输出端连接功率管驱动电路的输入端，用于在发生短路故障保护时持续向功率管驱动电路输送关断控制信号；复位电路的输入端连接控制电路的输出端，复位电路的输出端连接故障信号保持电路的输入端，用于短路故障后的人工干预复位或自检功能后的自动复位。

图3显示了上述短路故障硬件保护电路的一种具体实现电路，其主要由电阻R1~R18、电容C1、C2、二极管D1、三极管Q1、比较器U1B、U2B、U3B组成。

如图3所示，该短路故障硬件保护电路的输入连接电流采样调理电路的输出Iout，电流信号Iout是经过电流采样调理电路调理成的以2.5V为零位的正弦波信号；短路故障硬件保护电路的输出端连接功率管驱动电路的输入DRIVER，用于关断功率管；同时输出信号还经过电阻R18连接到控制芯片MCU的IO4输入口，用于保护器故障的识别、显示及报警。

电流采样信号Iout接入短路故障硬件保护电路后，首先经过故障判断电路判断用电回路中是否发生短路故障。如图3所示，本实施例的故障判断电路是由电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、电容C1、C2及比较器U1B、U2B组成的一个双限幅比较电路；电阻R4、R5串接于工作电源与地之间，电阻R4、R5的连接中点连接比较器U1B的负输入端，电阻R8、R9串接于工作电源与地之间，电阻R8、R9的连接中点连接比较器U2B的正输入端，电阻R6的一端和电阻R7的一端共同连接所述电流采样调理电路的输出端，电阻R6的另一端连接比较器U1B的正输入端，电阻R7的另一端连接比较器U2B的负输入端，电容C1、C2串接于电阻R6和比较器U1B的连接中点与电阻R7和比较器U2B的连接中点之间，电容C1、C2的连接中点接地，电阻R10的一端连接工作电源，电阻R10的另一端与比较器U1B的输出端、比较器U2B的输出端共同连接后作为所述双限幅比较电路的输出端。其工作原理具体如下：电流采样信号经电阻R6、R7及电容C1、C2连接到比较器U1B、U2B的输入端，电阻R6、R7及电容C1、C2构成延时电路，调节RC常数来调整动作时间，5V电源经电阻R4、R5及R8、R9分压后分别连接到比较器U1B、U2B的基准输入端，电阻R4、R5分压值作为短路时刻发生在负半周时的基准值，电阻R8、R9分压值作为短路时刻发生在正半周时的基准值，比较器U1B、U2B输出端短接后通过电阻R10上拉后输出。在回路中无短路电流时，比较器输出为高电平，当回路中电流值大于动作电流阈值后，比较器U1B或U2B立即反转输出低电平；当回路中存在短路电流时，若短路电流发生在正半周，则比较器U2B立即反转输出低电平；若短路电流发生在负半周则比较器U1B比较器U1B立即反转输出低电平。

故障判断电路输出将回路中的短路电流关断后，电流信号恢复到正常，故障判断电路恢复输出高电平，这时功率管会又被开通；因此为了不使回路反复通断，故障判断电路输出信号经过故障信号保持电路后再送入功率管驱动电路。如图3所示，本实施例的故障信号保持电路由电阻R11、R12、R13、R14、R17、二极管D1及比较器U3B组成；电阻R11、R12串接于工作电源与地之间，电阻R11、R12的连接中点连接比较器U3B的负输入端，比较器U3B的正输入端与故障判断电路的输出端以及电阻R13的一端共同连接，电阻R13的另一端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极与比较器U3B的输出端以及电阻R17的一端共同连接后作为所述故障信号保持电路的输出端，电阻R17的另一端连接工作电源。其工作原理具体如下：故障信号直接接入比较器U3的信号输入端，5V工作电压经过电阻R11、R12分压成2.5V接入比较器U3 的基准输入端，电阻R13、R14、二极管D1依次串联后跨接在比较器信号输入端和输出端构成滞回电路，比较器U3输出端通过电阻R17上拉后输出。在滞回电路电阻R13、R14的连接点，接入复位电路，复位电路由电阻R15、R16、三极管Q1组成；电阻R15的一端连接于MCU的IO3端口，复位控制信号由MCU输出，电阻R15的另一端连接于三极管Q1的基极，偏置电阻R16两端连接于三极管Q1的基极和发射极之间，三极管Q1发射极连接到5V电源，三极管Q1集电极连接于电阻R13、R14的连接点。当复位控制信号输出后，经过复位电路强制将故障信号保持电路的输入端置高使故障信号保持电路输出为高，恢复到无故障状态。

为了能在保护器日常维护中检测短路故障硬件保护电路的有效性，在故障判断电路前极输入端增加了自检电路，通过模拟故障电流信号的输入使短路故障硬件保护电路输出故障动作信号，驱动功率管断开回路。如图3所示，本实施例的自检电路由电阻R1、R2、R3组成，电阻R1的一端连接于电流信号输出端，电阻R2、R3的一端分别连接于MCU的两个IO1、IO2端口，电阻R1、R2、R3的另一端短接后连接到故障判断电路的输入端（电阻R6、R7的连接点）。

Iout输出端的电压为2.5V，MCU的IO1口和IO2口可输出5V和0V，IO1口为不动作点检测端口，对R1、R2进行配置使得IO1口输出5V和0V可分别模拟检测短路故障保护电路对未发生在正半周和负半周的短路保护是否保持不动作；IO2口为动作点检测端口，对R1、R3进行配置使得IO2口输出5V和0V可分别模拟检测短路故障保护电路对发生在正半周和负半周的短路保护是否正常动作保护。

在本实施例中，U1B的基准值设置为2V，U2B的基准值设置为3V，电流采样调理电路调理成的以2.5V为零位的正弦波信号，电压在2.5V以上为正半周，电压在2.5V以下为负半周，将动作电流阈值转换为动作电压阈值，电压阈值为正负0.5V的电压值，也就是在电压为3V以上时或者在2V以下时，U1B和U2B的公共输出端为低电平，进行短路故障保护动作；而电压在2V和3V之间时U1B和U2B的公共输出端为高电平，不进行短路故障保护动作。

对电阻R1、R2以及R3进行配置，以K1（K略小于1，此处优选0.9）倍的动作电压阈值（即0.45V）以及K2（K2略大于1，此处优选1.1）倍的动作电压阈值（即0.55V）对不动作点以及动作点进行检测，当IO1端口输入5V以及0V时，R1以及R2连接点处的电压分别为2.95V以及2.05V；同样在IO2端口输入5V以及0V时，R1以及R3连接点处的电压分别为3.05V以及1.95V，即2.5R1/(R1+R2)=0.45；2.5R1/(R1+R3)=0.55,可以得出R1、R2以及R3的比值关系，根据此关系对R1、R2以及R3进行配置。

在限流式保护器正常运行时，MCU的两个IO1、IO2端口被配置成输入端口。当保护器进行短路故障硬件保护电路自检时，先将连接电阻R2的MCU IO1端口配置成输出端口，并将IO1输出置成高电平5V，检测短路故障硬件保护电路输出口MCU IO4的电平信号，如输出为低电平，说明保护电路有异常，如输出为高电平再将MCU IO1输出置成低电平0V，再次检测短路故障硬件保护电路输出口MCU IO4的电平信号，如输出为低电平，说明保护电路有异常，如输出为高电平则完成了不动作点的检测；然后将MCU IO1端口配置成输入端口，将连接电阻R3的MCU IO2端口配置成输出端口，并将IO2输出置成高电平5V，检测短路故障硬件保护电路输出口MCU IO4的电平信号，如输出为高电平，说明保护电路有异常，如输出为低电平则说明短路故障硬件保护电路的正半周检测保护电路正常工作；接着将MCU IO2端口置成输入端口，并通过MCU IO3端口发出复位信号将保护电路复位，然后再MCU IO2端口配置成输出端口，并将IO2输出置成低电平0V，检测短路故障硬件保护电路输出口MCU IO4的电平信号，如输出为高电平，说明保护电路有异常，如输出为低电平则说明短路故障硬件保护电路的负半周检测保护电路正常工作，完成动作点的检测；最后将MCU IO2端口置成输入端口，并通过MCU IO3端口发出复位信号将保护电路复位，最终完成保护电路的自检过程。在进行上述自检步骤的过程中，只要其中某一步检测到异常，直接退出自检过程并发出短路故障硬件保护电路异常的警告信息。

Claims (6)

1.一种限流式保护器，包括用于采样主回路电流并对电流进行调理的电流采样调理电路、控制单元以及串接于主回路中的用于执行主回路接通和分断的电子开关，其特征在于，所述限流式保护器还包括短路故障硬件保护电路，用于在主回路出现短路电流的情况下以硬件的方式生成所述电子开关的关断控制信号；

所述短路故障硬件保护电路包括故障判断电路、故障信号保持电路及故障信号复位电路以及自检电路；

所述短路故障硬件保护电路的输入端连接电流采样调理电路的输出端，短路故障硬件保护电路的输出端连接电子开关的控制部；

所述故障判断电路的输入端连接电流采样调理电路的输出端，故障判断电路的输出端连接故障信号保持电路的输入端，用于判断电路中是否发生短路故障；

所述故障信号保持电路的输入端连接故障判断电路的输出端，故障信号保持电路的输出端连接电子开关的控制部，用于限流保护器发生短路故障保护时关断电子开关；

所述自检电路用于向短路故障硬件保护电路输入模拟短路电流信号，并判断短路故障硬件保护电路是否能正常生成所述电子开关的控制信号；

所述故障信号复位电路的输入端连接控制单元的输出端，故障信号复位电路的输出端连接故障信号保持电路的输入端，用于在故障排除或者自检电路完成自检后，在控制单元控制下输出复位信号至故障信号保持电路。

2.如权利要求1所述限流式保护器，其特征在于，所述故障判断电路为双限幅比较电路。

3.如权利要求2所述限流式保护器，其特征在于，所述双限幅比较电路由电阻R4～R10，电容C1、C2及比较器U1B、U2B组成；电阻R4、R5串接于工作电源与地之间，电阻R4、R5的连接中点连接比较器U1B的负输入端，电阻R8、R9串接于工作电源与地之间，电阻R8、R9的连接中点连接比较器U2B的正输入端，电阻R6的一端和电阻R7的一端共同连接所述电流采样调理电路的输出端，电阻R6的另一端连接比较器U1B的正输入端，电阻R7的另一端连接比较器U2B的负输入端，电容C1、C2串接于电阻R6和比较器U1B的连接中点与电阻R7和比较器U2B的连接中点之间，电容C1、C2的连接中点接地，电阻R10的一端连接工作电源，电阻R10的另一端与比较器U1B的输出端、比较器U2B的输出端共同连接后作为所述双限幅比较电路的输出端。

4.如权利要求1 所述限流式保护器，其特征在于，所述故障信号保持电路由电阻R11、R12、R13、R14、R17以及二极管D1和比较器U3B组成；电阻R11、R12串接于工作电源与地之间，电阻R11、R12的连接中点连接比较器U3B的负输入端，比较器U3B的正输入端与故障判断电路的输出端以及电阻R13的一端共同连接，电阻R13的另一端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极与比较器U3B的输出端以及电阻R17的一端共同连接后作为所述故障信号保持电路的输出端，电阻R17的另一端连接工作电源。

5.如权利要求1所述限流式保护器，其特征在于，所述复位电路由电阻R15、R16、三极管Q1组成；电阻R15的一端连接所述控制单元的复位控制信号输出端口，电阻R15的另一端连接三极管Q1的基极，电阻R16连接于三极管Q1的基极和发射极之间，三极管Q1的发射极连接工作电源，三极管Q1的集电极作为复位电路的复位信号输出端与所述故障信号保持电路相连接。

6.如权利要求1所述限流式保护器，其特征在于，所述自检电路由电阻R1、R2、R3组成，电阻R1的一端连接所述电流采样调理电路的输出端，电阻R2、R3的一端分别连接所述控制单元的两个IO端口，电阻R1、R2、R3的另一端短接后连接到故障判断电路的输入端。

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