TW385592B - Current limiting circuit - Google Patents

Description

A7 A7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（1 發明背景 本創作係有關控制電開狀裝置。更明確的説，本創作 係控制電開關裝置閉合速度的.一種方法及—套裝置。 在配電系統中‘，電„裝置制於保護系統裝置及系統 負載:開關裝置利用開啓或關閉系統的某些部份，以對應 不正爷的負载狀況（如過量電流狀況），藉此提供保護。 傳統上’開關裝置爲眞空閉合的電子機械裝置，例如自 動開關及故障线器。電觸點包含在眞空閉合器内，並中 :個觸點爲以式，另_個€觸點則接到—個活動式操作 桿。操作桿延伸通過眞空閉合器，並能以電子機械轉換裝 置（如％磁閥）或電磁轉換裝置（如雙穩定磁致動器）移動到 開啓或關閉位置。 在傳統的系統中，在閉路操作時，電磁閥同時啓動電開 關裝置的兩個觸點，由於速度極高致使觸點容易反跳，亦 p觸占在停止於關.閉位置前迅速開關多次。這種動作是不 必要的，因爲觸點通^常會磨損得相當快，因此會不必要地 縮短開關裝置的壽命。其他不必要的結果包括提前觸擊及 焊接。 一種限制開關裝置閉合速度的傳統方法，是將電容器充 電至已知的能量位準。然後，儲存於電容器的能量可用於 啓動電磁閥，接著電磁閥會啓動開關裝置的操作桿。不幸 地’儲存於電容器的總能量會隨著電容器的老化程度、電 谷為周園的溫度及電容器所設計的容限而有大幅變化。表 不經由電磁閥放出的能量及電磁閥爲致動開關操作桿所產 本紙張尺度剌中陶家縣（CNS)从祕（2似297公羡） ^ _袭-- - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局負工消費合作社印裝 A7 . B7 五、發明説明（2 ) 生的安培數，均會大幅改變。有些情況下，儲存於電容器 之能量變化會高達-2 5 %到+ 1 5 %。因此，僅使用電_多器限 制供應到電磁閥的能量，並不會減少接觸振動，而且會有 觸點過早磨損及其他相關問題，例如提前觸擊及焊接。 發明摘要 本創作藉由提供一種電流感應電路，測量流經電磁或電 子機械轉換裝置的雷流是否·到達所要或最佳的數値，以移 動轉換裝置短路器，並藉此移動開關操作桿，更有效控制 電開關裝置的閉路操作。當偵測到所要的電流量時，則將 最適電阻器插入供應電磁閥電流的路徑，所以即使電源（例 如充電的電容器）包含的量可能超過啓動電磁閥所需，仍 .能將電流限制在所要的電流量。 本創作之一個目的，是在使電開關裝置達到最佳的閉合 速度。 本創作之另一個目的，乃將供應電子機械或電磁轉換裝 置的電流限制在最適値，使電開關裝置閉合速度不會高度 依賴儲存於電源之多餘能量，藉此提供最佳的閉合速度。 根據本創作的目的，本創作利用一種限制電開關裝置閉 合速度的裝置，達成上述及其他目的。一種裝置，包括： 一個電源：一個串連至電源的致動.器裝置，其中致動器裝 置以機械方式操作電開關裝置；連接至致動器裝置的電流 感應裝置，偵測流過致動器裝置的電流是否爲預定値；電 流最適阻抗.装置；及插入電流最適阻抗裝置的裝置，使最 適阻抗裝置串連至電源及致動器裝置，以對應電流感應裝 ___^^_ -5-_^_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 、ar A7 B7 五、發明説明（3 ) 置，電流感應裝置則會偵測流過致動器裝置之電流是否爲 預定値。 。 ' 本創作利用一種限制電開關裝置之閉合速度的電子電 路，亦可達成上述及其他目的。一種電子電路，包括：一 個電源，一個電磁致動器，包括：一塊永久磁鐵、一個線 圈及一個短路器，其中線圈串連到電源，而且當電源經由 電磁致動器放電時，短路器便以機械方式控制電開關裝置 之關閉；一個連接至電磁致動器的線圈電流感應電路，偵 測流過致動器裝置的電流是否爲預定値；一個電流最適電 阻；與插入電流最適電阻器的裝置，使該電阻器串連至電 源及線圈，以對應電流感應裝置，電流感應裝置則會偵測 流過線圈的電流是否爲預定値。 本創作利用一種限制電開關裝置閉合速度的方法，以達 到上述及其他目的。一種方法，其步驟包括：經由致動器 產生線圈電流，’其中致動器連接至電開關裝置；偵測線圈 電流是否達到操作致動器之預定電流量；及將線圈電流限 制爲預定的線圈電流圖表，藉此限制電開關裝置的閉合速 度，使其與預定的線圈電流圖表一致。 經濟.部中央標隼局員工消費合作社印製 (讀先閲讀背面之注意事項再填—{or本頁) 附圖之簡單説明 閱讀以下詳細説明及下列附圖，可了解本創作之目的與 優點，附圖包括： 圖1説明本創作之機械構造圖； 圖2説明電流感應電路之範例實體； 圖3圖示説明本創作在閉路操作時對線圈的影響；及 _^6_；_ 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨Ο X 297公釐） 五、發明説明（4 ) 、、，圖4説明另—種實體’其中使用場效應晶體管，將線圈電 机念入一個電流最適電阻器。 詳細説明 本創作經過設計，確保在進行閉路操作時，電開關裝置 旎維持最佳的閉合速度。電源在傳統上是—個關閉的電容 咨’而本創作藉由提供—種限流裝置，故不受错存於電源 的能量影響，確保這項作用。當開關裝置觸點相互碰觸到 閉路操作結束時，本創作藉由維持最佳㈣合速度，將觸 點的接觸振動料制最低，其甲㈣裝H點包含於開 關裝置之眞空中斷器内。所以這樣可將提前觸擊、焊接及 觸點不正常過度磨損的發生減到最低。 、，圖1以機械構造圖説明本創作之範例實體。典型開關裝置 進㈣路操作時，關閉型邏輯電路1(35會產生關閉脈衝。 在範例實體中，關閉脈衝持續約40毫秒。關閉脈衝使絕緣 柵兩極晶體管（IGBT) 110閉路約40毫秒，而在圖1的説明 中 '纟巴緣柵兩極晶體管乃作爲開關。當1GB T 110傳導（亦 即閉路）時，電源115便經由電磁轉換裝置12〇(如雙穩定磁 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 致動器）放電，在另一種實體中，可以用電子機械轉換裝置 (如電磁閥）取代雙穩定磁致動器。傳統上，電源115爲—個 電谷器’並預先以電池（圖中沒有顯示）充電至4 8伏特左 右，如圖1所示。電容器115經由雙穩定磁致動器12〇放 私，最後使致動器.柱塞移動。接下來，短路器使開關裝置 之觸點閉路。 ‘.、二而’短路器並不會即刻移動。更確實地説，在致動器 本氏張尺度適用中酬家標準（cns )⑽胁（2⑴幻打公鐘） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A 7 B7 五、發明説明（5 ) 能夠產生足夠的安培數移動短路器之前，流經致動器線圈 之電流必須提升到足夠的數値。移動致動器柱塞所要或最 佳的電流量，隨著致動器設計及電源内能用的能量値而 定。在範例實體中，移動致動器柱塞所需的（亦即最佳的） 電流量約爲3 7安培，而讓致動器線圈電流達到該電流量約 需1 5毫秒。 在傳統的系統中，儲存於電源（亦即電容器11 5 )中的能量 値過多時，會使致動器線圈電流超過移動短路器所需或最 佳的·電流量。因此，使得短路器的閉合速度過高，導致開 關裝置之閉路操作無法控制。爲避免這些不必要的結果， 本創作包括一種電流感應電路125。電流感應電路125在後 文中有詳細敘述，該電路經過設計，偵測致動器120的線 圈是否提升到所要的電流量。如前所述，範例實體中所需 或最佳的電流量爲3 7安培，當電流感應電路125偵測到線 圈内電流爲3 7安培時，電流感應電路致使一個或多個在正 常狀態下爲閉路的繼電器觸點130開路。當繼電器觸點130 開路時，線圈電流會岔入電流最適電阻器13 5。然而，精 通技術者可以看出，除了電阻器之外，阻抗裝置亦可用於 取代電流最適電阻器13 5。 在範例實體中，電流最適電阻器13 5爲一個0.94歐姆的電 阻器，必須能夠在短時間内（約爲30毫妙）處理非常高的瓦 特數（約爲1 〇〇〇到1500瓦特）。將電流最適電阻器13 5插入 線圈電流路徑，可防止線圈電流超過所要的電流量。結 果，電開關裝置會以較慢、控制情況較佳的方式進行閉路 _-8-_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再頌寫本頁) .裝. 訂 線 經濟部中央摞準局員工消费合作社印製 A 7 B7 五、發明説明（6 ) 操作，如此便能將上述的接觸振動及不必要的作用減到最 低。 此外，電流清除電容器140並聯至電流最適電阻器 135 。繼電器觸點130在打開後即刻產生約3 7安培的電 流，而電流清除電容器140可用於協助清除該電流。 如前所述，關閉型邏輯電路105會產生關閉脈衝，持續時 間約爲4 0毫秒，剛好足夠讓電磁閥120完成開關裝置之閉 路操作。待4 0毫秒的時間過去後，IGB T 110便會打開， 電源電容器11 5會重新充電到4 8伏特左右，而在電流清除 電容器140提高的能量，則會經由電流最適電阻器135放 電，而不是經由繼電器觸點13 0放電。 圖2説明電流感應電路125的範例實體，電流感應電路 12 5必須偵測移動致動器柱塞所需或最佳的線圈電流。簡 單地説，在圖2所説明的範例實體裡有一個低電壓（亦即·低 於6 0伏特）的感應場效應晶體管Q 5，一個放大單元及兩個 比較器單元，其中第二個比較器能啓動晶體管開關，並能 操作在正常狀態下爲閉路的繼電器觸點13 0。如前文中所 解釋，當電流感應電路125開啓繼電器觸點130時，電流最 適電阻器135便會插進線圈.電流的路徑。下文中對於電流 感應電路125之操作有更詳細的説明。 當關閉型邏輯電洛105產生關閉脈衝，而且IGBT 110由 閉路狀態轉爲開踹狀態時，電流便開始從電源電容器11 5 的正極端流過電磁閥線圈，進入電流感應電路125的Vss 端，到電流感應電路125的Vneg端，經過在正常狀態下爲閉 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ----------裝---_ -_ (請先閲讀背面之注意事項再填_寫本頁) -s A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社卬製 五、發明説明（7 ) 路的繼電器觸點13 0 (RYI)，再回到電源電容器1 i 5的負極 ‘。電流會繼續流過這條路徑，直到電流感應電路丨25偵 測出電流.已達到移動致動器柱塞所要的電流量（亦即該範例 實體内的37安培）。 感應場效應晶體管Q 5之漏極、選通電極和源極端子，分 別直接連接至電流感應電路125的Vss端、Vdd端及Vneg4。 右經由致動器120放電’感應碭效應晶體管q 5接腳2便會 產生信號’其電流约爲流經致動器線圈之電流的1/259〇。 當線圈電流達到3 7安培時，感應場效應晶體管Q 5接腳2的 信號會使0.143伏特的電壓流過電阻器R61(亦即，〇143伏 特= (10歐姆*3 7安培）/2590)。然後，過濾器去除信號中的 瞬又函數.’過遽器包括：電阻器R6〇和電容器C29。過滅後 的仏號通過放大單元，放大單元包括：操作放大器2〇5和 電阻奋R55，R56，和R57。放大單元的信號放大係數約爲 15(亦即，（50仟歐姆+ 1〇〇仟歐姆）/1〇仟歐姆=15)。然 後，放大的彳έ號會通過二極管09，並儲存於電容器〇27。 當電容器C27經由電阻器R58放電時，電壓會供應到第一 比較器210的負極輸入端（接腳15)，且電壓與線圈電流成 正比。當線圈電流達到所要的電流量時（亦即3 7安培），接 腳15的電壓便會大於供應第一比較器21〇正極端（接腳 的偏壓。發生這種情形時，第一比較器21〇便會「開 啓J ，使比較器210輸出端的電流（接腳16)降低。這使電. 今器C26尨由電阻器R52放電，並使接腳〗4的偏壓降低約 9.7/。第比較器210在Γ開啓」前，接腳14的偏壓可用 -10 ----------赛— -' (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 # 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（8 ) '；-— 下式計算：

Vpini4 =Vref+ ((Vdd -Vref)*R54/(R51+R52+R53+R54)) (1) 假設Vref爲ι·244伏特，¥<1(1爲14 843伏特，則接腳"的 電壓爲4一16^^#。在第一比較器21〇在「開啓」後，接腳 14上的電壓可用下式計算··

Vpini4 = Vref - ( R54 / ( R54 + R53)) (2) 假设Vref爲1 ·Μ4伏i争，接聊1 4的電壓則爲〗.234伏特。 當電容器C26經由放電時，第二比較器215正極端（接 腳3 )的電壓便開始降低。}當接腳3的電 ⑽偏壓以下時，第：比較器215便會「開啓、」/；( = 端（接腳1)的電流下降，並使晶體管Q4「開啓」，因而俵 在正常狀態下爲閉路之繼電器觸點（R γ i〗3 〇通電（亦即開 路）。 當。繼電器觸點lj 〇開路時，線圈電流便會玄人電流最適電 阻爆J13㈤士 R62)。如前所述’電流清除電容-器、叫圖 2，C28)並聯至電流最適電阻器135，當在正常狀態下爲閉 路的繼電器觸點13〇初次開路時，可使用電流清除電容器 140，清除繼電器觸點13〇所產生約3 7安培的電流。 當致動器柱塞往關閉位置移動-，使電開關裝置的操作桿 亦往關閉位置移動時，電動勢便開始增強，使線圈電流降 低約50%。發生這種情況時，第一比較器21〇會「關閉」， 而且電容器C26會開始經由電阻器R51再充電。在經過一個 _____ - 11 - $纸張尺度朝t關家髀（CNS ) ( 2iGx297公着） (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁} .裝· 、βτ 五、發明説明U ) A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 約40毫秒（㈣402什歐姆*〇lf政法技）的阻容時間常數 後，第三比較器215正極端（接脚3)的電磬會超過負極端 (接脚2)的偏壓，致使第二比較器215「關閉」。當第二比 較器「關閉」時，晶體管Q4也會「關閉」，使繼電器觸點 130閉路。然而，在第二比較器「關閉」之前，igbt ιι〇 會，^「關閉」，表示閉路操作已經完成，而且電流清除 電容器140會經由最適電阻器135放電。 圖3説明上述範例實體的線圈圖表。在 _τ u。會閉路，使電流開始流過致動器線圏。線丄= 増加到時間310時，便達到移動致動器柱塞所要或最佳的 電流量。電流感應電路125偵測出所要的電流量時，便會 使—個或多個繼電器觸點130開啓，t線圈電流流過電二 最適電阻器135。如圖3所示，電流最適電驾135能防止 線圈電流超過所要或最佳的電流量（亦即範例圖示中的3 7 安培）。當致動器柱塞與開關操作桿往關閉位置移動時，反 向電動勢便開始增加，使線圈電流下降。當線圈電流下降 至所要電流之50%左右時，亦即在時間32〇時，電流感應電 路125的比較器便會一次「關閉」，在上述説明中已作解 釋。在第一比較器210「關閉j及電容器C26開始充電後約 4〇毫秒，繼電器觸點130便會閉路。在這個動作前不久， IGBT 11 〇會先閉路，而且其餘線圈電流會降低到〇，表示 閉路操作已經完成。 圖4説明另一種圖示，其中使用場效應電晶體（fet) 43〇 取代一個或多個繼電器觸點130，經由電流最適電阻器135 -12- 本紙張讀適用中國國家標準（⑽）Α4· ( 2丨攸297公慶 -----------¾衣-- j . ': (請先閲讀背面之注意事項再填.寫本頁) 訂 派—

• 1 I A 7 B7 五、發明説明（10 ) 岔入線圈電流。FET 430在正常狀態下爲開啓狀態（亦即導 電狀態），致使流經致動器線圈的電流旁通到電流最適電阻 器135。電流感應電路435類似電流感應電路125，當電流 感應電路43 5偵測到流經致動器線圈的電流爲最適値時.， 電流感應電路43 5便會啓動電晶體440，亦即使電晶體440 從關閉狀態轉爲開啓狀態，接著使FET 430從開啓狀態轉 爲關閉狀態，而且流經致動器線圈的電流會岔入電流最適 電阻器1 3 5。 在此應註明，上述特定的電壓、電阻與電容量均爲範 例。專精技術者很容易了解，在不會離開本創作精神的情 況下，可以使用其他數値。同樣地，專精技術者亦可了 解，在不會離開本創作精神的情況下，可以用其他組件取 代範例説明圖示中所用的组件。最値得一提的是，除感應 場效應電晶體之外，其他裝置亦可用於偵測取小電流，而 且除電容器之外’，其他裝置亦均可作爲電源，例如，電池 或直_流電供應器。· (請先閱讀背面之注意事項再填—寫本頁) 裝- 訂 ^•1 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -13- 本焱張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種限制電開關裝置閉合速度的裝置，包括： 一電源； 一串連於該電源之致動器裝置，其中該致動器裝置以 機械方式操作該電開關裝置； 連接至致動器裝置之電流感應裝置，用以偵測流經致 動器裝置的電流是否爲預定値； 電流最適阻抗裝置；及 用以插入該電流最適阻抗裝置的裝置，使該最適阻抗 裝置串連至電源及致動器裝置，以回應偵測流過致動器 裝置之電流預定値之電流感應裝置。 2 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中電流最適阻抗裝置 之阻抗値爲通過電流最適阻抗裝置之電流，防止流過致 動器裝置之電流超過預定値，藉此限制電開關裝置之閉 合速度。 3 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該電流最適阻抗裝 置爲電流最適電阻器。 4.如申請專利範圍第1項之裝置，其中該致動器裝置爲電 磁閥。 5 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該致動器裝置爲電 磁致動器。 6. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中該電磁致動器爲雙 穩定磁致動器。 7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該電源爲以電池充 電之電容器/ -.--14--：- 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） --I--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 Βδ C8 D8 六、申請專利範圍 V 8/—種限制電開關裝置閉合速度的電子電路，包括： 一電源； 一電磁致動器，包括一永久磁鐵、一線圈及一短路 器，其中該線圈串連至該電源，當電源經由電磁致動器 放電時，短路器以機械方式控制電開關裝置之關閉； 一線圈電流感應電路，連接至電磁致動器，該電磁致 動器用以偵測流經電磁致動器線圈之電流是否爲預定 値； •一電流最適電阻器；及 、將電流最適電阻器插入的裝置，使該電阻器串連至電 源及缚圈，以回應線圈電流感應電路，該線圈電流感應 電路用以偵測經過線圈之電流預定値。 9. 如申会專利範園第8項之電子電路，其中電流最適電阻 器之阻抗値爲，當電流最適電阻器插入，使該電阻器串 連至電源及線圈時，可防止流經電磁致動器之電流超過 操作短路器所需的預定電流値，並使經過電磁致動器之 線圈電流按照預定之線圈。電流圖表。 10. 如申請專利範圍第8項之電子電路，其中有一種插入電 流最適電阻器的裝置，使該電流最適電阻器串連至電源 及線圈，包括： 一個場效應電晶體，耦合並聯於電流最適電阻器，其 中當該場效應電晶體關閉時，電流最適電阻器便會插 入，使其_連於電源與線圈。 11·.如申請專利範園第8項之電子電路，其中有一裝置能插 _-15- _ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1Τ -- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範園 入電流最適電阻器，使該電流最適電阻器串連至電源及 線圈’包括： 一個以上之電繼電器開關，裝置，耦合並屬於電流最適 電阻器，其中當電繼電器開關裝置爲開啓狀態時，電流 最適電阻器便會插入，使其串連於電源與線圈。 12. 如申請專利範園第8項之電子電路另包括： ~ ,一個電叙清除電容器，並聯至電流最適電阻器， 其中當電流最：適電阻器插入，使該電阻器串連於電蟫 及線圈時，電流清除電容器有助於清除流經電流最適電 阻器之電流。 13. 如申請專利範圍第8項之電子電路，其中線圈電流感應 電路，包括： 一個感應場效應電晶體，產生與線圈電流成正比的信 號; 一個放大單元，放大與線圈電流成正比的信號；-3^ 比較器裝置，比較放大後的信號與偏壓，並於線圈電 流達到流經線圈之預定電流量時，產生對應之輸出信 號；及 致動比較器裝置之控制裝置，將電流最適電阻器插 入’使該電阻夢串連於電源及線圈，作爲比較裝置之輪 出信.號。 —14. 一種用以限制一電開關裝置之閉合速度的方法，其章驟 包括： 產生一經過致動器的線圈電流，其中致動器連接至電 _____-16-____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 今 Αδ Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 開關裝置； 偵測線圈電流是否已達到用以操作致動器之預定電流 量；以及 將線圈電流限制於一預定之線圈電流圖表，藉此限制. 電開關裝置之閉合速度，使其與預定的線圈電流圖表一 致0 15.如申請專利範圍第14項之方法，其中跟制線圈電流爲預 定的線圈電流圖表，其步驟包括： 當偵測到電流達到操作致動器所需的預定電流量時， 將線圈電流岔入電流最適電阻器。 ----------裝-- (請先閲讀背面之注意事項再—填寫本頁) 訂 I 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 3* — 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）