CN216288266U - 断路器电路系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种断路器电路系统，包括功率部分及控制部分，其中功率部分配置有限流电感，限流电感串接于电子固态开关器件，用以限制通过电子固态开关器件的电流爬升率。本实用新型通过设置限流电感来进行限流，可起到较好的硬件防护作用。

Description

断路器电路系统

本实用新型要求申请日为“2021-01-11”、申请号为“2021100288080”、名称为“一种断路器”的中国专利申请的优先权，其全部内容结合于本实用新型之中。

技术领域

本实用新型涉及电气设备技术领域，尤其涉及断路器，具体来说是一种断路器电路系统。

背景技术

断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置，可以分配电能及对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，因而在电力电子系统中得到广泛应用。普通断路器为纯机械式结构，存在燃弧影响电器使用寿命的问题。也有采用机械+电子混合开关的，其防护措施不够理想，容易损坏其中的电子固态开关器件，由此导致断路器安全性能大大折扣，为此有必要予以改进。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型目的在于提供一种断路器电路系统，以便提高产品安全性。

为解决以上技术问题，本实用新型提供的技术方案是：

一种断路器电路系统，包括功率部分及控制部分，其中功率部分具有电子固态开关器件，控制部分配置有MCU来控制电子固态开关器件动作，功率部分配置有限流电感，限流电感串接于电子固态开关器件，用以限制通过电子固态开关器件的电流爬升率。

较优地，限流电感并接有限流电阻。

较优地，断路器机械开关断点和电子固态开关器件之间设置采样电阻，限流电感与采样电阻串接。

较优地，限流电感串接于采样电阻之前。

较优地，限流电感和采样电阻分别接至硬件保护电路。

较优地，限流电感和采样电阻两端分别跨接信号放大器，且两信号放大器输出端分别接入门逻辑电路输入端，用以产生硬件保护信号。

较优地，门逻辑电路输出端接至电子固态开关器件驱动芯片，用以根据硬件保护信号和MCU输出信号。

较优地，配置有硬件保护电路，硬件保护电路与MCU、电磁脱扣机构及电子固态开关器件驱动芯片连接。

较优地，硬件保护电路接有若干传感器，用以获取断路器运行状态检测信号。

较优地，电子固态开关器件由若干MOSFET或IGBT组成。

与现有技术相比，本实用新型在断路器功率部分配置限流电感，其与电子固态开关器件串接，可以限制通过电子固态开关器件的电流爬升率，在进一步设置硬件保护电路后，可以起到很好的防护作用。

附图说明

图1为本实用新型断路器电路系统的原理图；

图2为本实用新型中防护电路的电路图；

图3为图2中的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本实用新型进一步详细说明，但不应该将此理解为本实用新型的保护范围仅限于下述实施方案。

参见图1，示出本实用新型断路器电路系统。本实用新型中的断路器采用机械开关+电子固态开关器件结合类型，其中电子固态开关器件与机械开关断点串接，并配置MCU进行控制，这样可以实现机械及电子双重故障保护。

该断路器电路系统由功率部分(power stage)和控制部分(control stage) 组成，具体如下所述。

1、功率部分

(1)机械开关Ki，其带有辅助触点，实时反馈通断状态。较优地，机械开关Ki配置机械式急停按钮装置Ke，其带位移传感器，可以实时检测状态。

(2)电子固态开关器件(SSK)，由MOSFET或IGBT等电子器件组成，其与机械开关串接，两者配合使用，固态开关响应快，且有利于杜绝电弧产生。

(3)电磁脱扣Trig及其驱动电路FET_trig，配置于机械开关，电磁脱扣机构的动铁芯与合闸锁定机构的合闸锁扣联接，以便故障时通过MCU输出电磁脱扣控制信号来直接关断机械开关。

较优地，机械开关断点Ki与电子固态开关器件SSK之间配置采样电阻 Rs(电流为I_s)，以实时反馈电流。此外，机械开关Ki与电子固态开关器件 SSK之间配置限流电感Ldi，其并联有电阻(电流为I_in)，以限制电流爬升率 (Ldi/dt)，由此可以利用其快速分断能力和快速检测电路，在短路情况下快速 (如10μs内)分断电路，从而控制/限制电路电流。

进一步地，功率部分配置有温敏传感器Rt1、Rt2、Rt3等，这些温敏传感器分布于断路器接线端位置A、B和断路器内部热点位置，用以实时监控温度。通过对断路器两头的接线端采用温度检测监控，并适时采集这些数据上传于客户端，让客户对产品和系统的运行适时掌控，提前获知风险，及时排除故障。

2、控制部分

(1)MCU，其内置有I/O端口、数模转换器ADC及同步异步发送器USART 等，作为控制部分的核心部件，可以输出电子固态开关器件控制信号来控制电子固态开关器件动作。ADC接入电压信号(Vin)，电流反馈信号(I_in，I_s，) 及温度信号(T_t1、T_t2、T_t3，分别对应温敏传感器Rt1、Rt2、Rt3等)等模拟信号并转换为数字信号。MCU内置USART来组成通信单元COM，由此实现数字化通信。此外，MCU联接存贮器EEPROM，以便双向管控数据，记录/调取数据，使得断路器具有技术数据存贮/记忆/分析功能，其历史数据存贮在EEPROM内，其中某些特征量可以比对历史数据，便于实现预警和主动保护；此外，MCU还联接有LED灯，用于管控LED灯来指示断路器整机状态。

(2)硬件保护电路(hardware protection)，采用电流爬升率L*di/dt与实际负载电流相结合来触发，两者都高于阀值时触发硬件保护电路，直接封锁固态开关门极控制信号(置低)，可快至整个响应时间在几十ns内完成，便于在输出短路情况下控制电子固态开关器件快速进入软关断状态，以限制电路过压。

优选地，本实用新型实施例获取断路器运行状态检测信号，其中信号输入输出方式为：电压、电流、温度等模拟信号送入MCU及硬件保护电路，其它的传感器信号(如触点位置信号、急停位置信号等)反馈送入MCU以参与逻辑控制，电磁脱扣控制信号(DRV_trig)受控于MCU，电子固态开关器件控制信号(DRV_ssk)受控于硬件保护电路输出信号和MCU输出信号的逻辑组合(DRV-logic)来实现双重保护。较优地，本实用新型还定时监测断路器控制信号和检测信号以及刷新断路器运行状态，并本地存储相应数据或上传相应数据，这样便于用户掌控产品和系统运行状态，由此可提前获知风险并及时排除故障。

参见图2-图3，示出本实用新型中防护电路的电路结构及波形。该防护电路配置有限流电感Ldi，可利用电子固态开关器件SSK快速分断和快速检测电路，在短路情况分断电路，从而控制/限制电路电流；同时配置硬件保护电路，其中L*di/dt与实际负载电流结合，两者都高于阀值即触发硬件保护，直接封锁固态开关门极驱动信号，由此可以更好的起到保护作用，进一步说明如下。

如图2所示，限流电感(Ldi)串接于电子固态开关器件(SSK)的采样电阻 (Rs)之前，且限流电感(Ldi)和采样电阻(Rs)的两端分别跨接信号放大器(amp)，两信号放大器(amp)分别接入门逻辑电路(trig+and)输入端，以便产生硬件保护信号HD_En，门逻辑电路(trig+and)输出端接至电子固态开关器件(SSK)的驱动芯片(DRV)，以便根据硬件保护信号HD_En和单片机 MCU的信号(MCU_EDRV)。

具体信号流向如下所述：防护电路对于限流电感(Ldi)电压和采样电阻 (Rs)分别配置信号放大器(amp)；相应电流I_in、I_s之后分别送入相应比较器(com)，达到相应阀值Ref1、Ref2后即触发；之后触发捕捉和与门逻辑电路(trig+and)，用以捕捉并逻辑与判断，产生硬件保护信号HD_En；固态电子开关器件驱动芯片(DRV)受控于硬件保护信号HD_En和单片机MCU 的信号(MCU_EDRV)的逻辑组合,并且HD_En优先级高于MCU_EDRV，从而实现硬件保护独立并且优先高于MCU。

在图2所示电路中，限流电感Ldi的作用如下：在一般断路器实际使用场合下，其A、B端接入的电源与负载特性，在短路状态下实际电流急剧上升，如图所示Iab’曲线。本实用新型在主电路中串联接入电感Ldi，利用电感的对电流变化率的抑制特性降低实际电流的上升率，具体效果如图所示Iab所示，其中感量越大上升率越低。此外，可进一步利用电感两端电压VL等于L*di/dt 的特性，即VL/L＝di/dt，电感感量L是常数，可以看出电流的上升率di/dt与其两端电压VL成正比关系。这样，本实用新型可利用该原理电感来限制并检测流经断路器的电流及电流爬升率di/dt。

本实用新型可起到较好的硬件防护作用，如图3所示，其保护过程如下所述。

(1)T0之前，断路器处于一般负载条件下，正常导通；

(2)T0开始进入短路状态，Iab爬升，采样电阻Rs的信号Is实时反馈， VL信号突变成正比于L*di/dt，并送入放大器，经比较器后，捕捉足够高的上升率；

(3)到达T1，实际电流Iab为断路器的额定电流Ie；

(4)到达T2，Iab到达1.3倍Ie，即实际电流符合断路器关断标准，同时电流上升率也符合标准，同时有效下硬件电路开始动作；

(5)到达T3前，经过必要的延时后，到T3触发HD_en信号，封锁固态开关的驱动，从而达到截断短路电流的目的。

本实用新型虽然以较佳公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种断路器电路系统，包括功率部分及控制部分，其中功率部分具有电子固态开关器件，控制部分配置有MCU来控制电子固态开关器件动作，其特征在于，功率部分配置有限流电感，限流电感串接于电子固态开关器件，用以限制通过电子固态开关器件的电流爬升率。

2.如权利要求1所述的断路器电路系统，其特征在于，限流电感并接有限流电阻。

3.如权利要求1所述的断路器电路系统，其特征在于，断路器机械开关断点和电子固态开关器件之间设置采样电阻，限流电感与采样电阻串接。

4.如权利要求2所述的断路器电路系统，其特征在于，限流电感串接于采样电阻之前。

5.如权利要求1所述的断路器电路系统，其特征在于，限流电感和采样电阻分别接至硬件保护电路。

6.如权利要求5所述的断路器电路系统，其特征在于，限流电感和采样电阻两端分别跨接信号放大器，且两信号放大器输出端分别接入门逻辑电路输入端，用以产生硬件保护信号。

7.如权利要求6所述的断路器电路系统，其特征在于，门逻辑电路输出端接至电子固态开关器件驱动芯片，用以根据硬件保护信号和MCU输出信号。

8.如权利要求1所述的断路器电路系统，其特征在于，配置有硬件保护电路，硬件保护电路与MCU、电磁脱扣机构及电子固态开关器件驱动芯片连接。

9.如权利要求8所述的断路器电路系统，其特征在于，硬件保护电路接有若干传感器，用以获取断路器运行状态检测信号。

10.如权利要求1-9任一项所述的断路器电路系统，其特征在于，电子固态开关器件由若干MOSFET或IGBT组成。

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