專利名稱：接地故障保護型電子式脫扣器的制作方法
技術領域：
本發明涉及電器設備領域，尤其是用于切斷電流的斷路器，具體涉及斷路器的電子式脫扣器。
背景技術：
塑殼斷路器是塑料外殼式斷路器。可用來接通和分斷負載電路，也可用來控制不頻繁起動的電動機。它功能相當于閘刀開關、過電流繼電器、失壓繼電器、熱繼電器及漏電保護器等電器部分或全部的功能總和，是低壓配電網中一種重要的保護電器。電子型的塑殼斷路器，使用互感器采集各相電流大小，與設定值比較，當電流異常時微處理器發出信號，使電子脫扣器帶動操作機構動作。塑殼斷路器之電子式脫扣器一般采用CT (電流互感器)電源自供電，CT (電流互感器)既作為電源供電用，也作為信號取樣用；因此，CT (電流互感器)信號地與電源地之間必須有共同的參考地電位。目前，市場上販賣的電子式塑殼斷路器廠牌很多，功能差異很大，一般都具備過電流保護保護功能(4P產品也包含中性線保護)，但不一定都具有接地故障保護；因此，根據是否具有接地故障保護功能，電子式脫扣器可分為接地故障保護型和非接地故障保護型兩種；其中非接地故障保護型產品，其電路設計相對簡單經濟，體積也較小，其電路原理如圖 1所示；這種電路結構因其各相電流信號相對獨立，經全波整流反相放大后取得，所以無法或很難對整流后的信號進行矢量和運算以利于接地故障保護。接地故障保護型產品也可分為兩種類型，其一是采用雙線圈CT設計方式，即速飽和CT和信號用空心CT分開，分別用于電源供電與信號取樣，其典型電路原理如圖2所示； 這種電路結構雖很容易通過各相信號矢量和運算取得接地保護信號，但CT設計是雙線圈方式，體積較大，成本較高；其二是單CT設計，其典型電路原理如圖3所示，包括四個電流互感器CT，信號取樣電路，信號處理電路，整流濾波電路，電流電壓轉換電路，低壓差線性穩壓器LD0，脫扣電路，以及MCU微處理器及其周邊外圍電路；各個電流互感器分別串聯于電網主電路的A、B、C三相線和中性線N中，對A、B、C三相線和中性線N的電流進行傳感變換，實現信號感應以及電路能量供應，各個電流互感器的輸出端依次連接整流濾波電路、電流電壓轉換電路和低壓差線性穩壓器，低壓差線性穩壓器的輸出即為系統工作電壓；信號處理電路包括信號提升電路和運算放大電路，信號取樣電路的輸入端分別連接于各個電流互感器的采樣端，信號取樣電路的輸出端連接于運算放大電路的輸入端，運算放大電路的輸出端連接至信號提升電路的輸入端，信號提升電路為由電容隔直以及上拉電阻所組成，上拉電位為基準電壓Vref，實現把運放信號的基準電位由0提升至基準電壓Vref，信號提升電路的輸出端連接至微處理器的AD采樣口 ；微處理器的脫扣輸出端連接至脫扣電路的觸發端，當電網主電路出現異常狀況時，微處理器提供觸發信號給脫扣電路，脫扣電路工作切斷負載回路，對負載進行保護。信號取樣電路中，各相的電流互感器電流取樣電阻Ra、Rb、Rc、 Rn的一端分別與各相電流互感器的電流采樣端對應相連接，另一端則互相連接并與接地信號取樣電阻Rf的一端短接，形成一個公共節點；接地信號由接地信號取樣電阻Rf變換得到，接地信號取樣電阻Rf的另一端與整流濾波電路的整流公共端的中間公共端相連接。這種電路設計，其采用各相CT電流矢量和對接地信號進行取樣，但因單CT設計，電流信號地與電源地之間沒有共同的參考點，須采用差分運放方可實現對接地信號的取樣處理；但對運算放大器的要求非常高，必須采用高精度的專用差分放大器，方可保證信號波形不畸變， 價格非常昂貴，而且運放須雙電源供電，電源設計較為復雜。綜上所述，非接地故障保護型產品其設計簡單，成本較低，但其功能較少，已無法滿足特定客戶的需求；雙線圈設計型產品雖具有接地保護，但須采用雙線圈CT，而且CT體積較大，成本較高，實際應用面可能受限；差分運放型產品雖單CT設計，但須采用昂貴的專用差分放大器，成本較高，電路結構復雜。
發明內容
為了解決現有技術的上述問題，本發明的目的是提供一種整體成本較低的接地故障保護型電子式脫扣器。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案
接地故障保護型電子式脫扣器，包括電流互感器，信號取樣電路，信號處理電路，整流濾波電路，電流電壓轉換電路，低壓差線性穩壓器，脫扣電路，微處理器及其周邊外圍電路； 電流互感器分別串聯于電網主電路的各相中，電流互感器的輸出端依次連接整流濾波電路、電流電壓轉換電路和低壓差線性穩壓器，低壓差線性穩壓器的輸出即為系統工作電壓； 各相電流互感器的電流采樣端連接信號取樣電路的輸入端，信號取樣電路的輸出端依次連接信號處理電路和微處理器，微處理器的輸出端連接脫扣電路的觸發端；上述電流電壓轉換電路的輸出端與上述低壓差線性穩壓器的輸入端之間連接有電源隔離裝置。上述電源隔離裝置采用DC-DC隔離穩壓模塊。
上述脫扣電路采用隔離型脫扣電路。上述隔離型脫扣電路采用光耦隔離脫扣電路。上述信號處理電路包括電壓提升電路和運算放大電路，上述信號取樣電路的輸出端連接于上述運算放大電路的輸入端，上述運算放大電路的輸出端連接至上述微處理器的輸入端；上述電壓提升電路為一基準電壓模塊，上述基準電壓模塊的輸入端連接上述低壓差線性穩壓器的輸出端，上述基準電壓模塊的輸出端提供基準電壓，此基準電壓為上述系統工作電壓的一半。上述信號取樣電路包括各相電流互感器電流取樣電阻和接地信號取樣電阻，上述各相電流互感器電流取樣電阻的一端分別與各相的電流互感器的電流采樣端對應相連接， 上述各相電流互感器電流取樣電阻的另一端則互相連接并與上述接地信號取樣電阻的一端短接，形成一個公共節點，上述基準電壓模塊的輸出端連接至此公共節點，上述接地信號取樣電阻的另一端與上述整流濾波電路的整流公共端的中間公共端相連接。采用上述方案后，本發明具有如下有益效果
一、本發明在電流電壓轉換電路的輸出端與低壓差線性穩壓器的輸入端之間增加有電源隔離裝置，實現了微處理器與電流電壓轉換電路之間地電位的隔離，兩者之間的地電位沒有共同的參考點，這樣信號處理電路就無須采用高精密差分放大器對信號進行處理，一般普通的放大器就可實現對電流信號包括接地信號的處理，高精密差分放大器與普通的放大器的價格相差甚多，從而使得本發明的電子脫扣器整體成本較低。二、進一步的，本發明的電源隔離裝置采用DC-DC隔離穩壓輸出模塊，DC-DC隔離穩壓輸出模塊是一種高效率的模塊化直流降壓電源模塊，內置高頻變壓器、開關管、脈沖產生等電路，具有體積小、功率密度高、表貼設計易于生產等優點，特別適合對體積尺寸要求較高的場合。該DC-DC隔離穩壓輸出模塊由于采用開關電源設計，具有非常高的轉換效率， 進一步提高了電源的工作效率；由于電子回路的電源能量來自CT電流變換得到，而CT電流則來源于電網電流，電網電流的大小與工作電源的功率成正比，因而高效率的DC-DC穩壓模塊有助于降低允許可工作電網電流值，進一步擴大電子式脫扣器的電流工作范圍。三、進一步的，電壓提升電路的基準電壓模塊輸出與各相CT電流取樣電阻的公共節點相連接，直接把CT電壓信號參考點提升至基準電壓值，且該基準電壓值等于系統工作電壓的一半，這樣各CT的取樣電壓信號將處于微處理器地電位與系統工作電壓之間，但相對于基準電壓值交變波動，其波形與電網電流波形一致，因此信號處理放大器就可采用單電源供電，簡化電路設計。四、進一步的，所述的接地信號取樣直接采用各相CT電流的矢量和疊加得到，并經接地信號采樣電阻轉換電壓得到；這種方式可簡化電路，節約成本，避免引入復雜的矢量和運算電路，且精度也較高。
圖1為現有技術中非接地故障保護型電子脫扣器的電路原理圖2為現有技術中雙CT設計的接地故障保護型電子脫扣器的電路原理圖； 圖3為現有技術中單CT設計的接地故障保護型電子脫扣器的電路原理圖； 圖4為本發明的電路結構框圖； 圖5為本發明的電路原理圖。
具體實施例方式現結合
和具體實施方式
對本發明進一步的詳細說明。本發明接地故障保護型電子脫扣器，如圖4、5所示，包括4個硅鋼磁芯電流互感器 CT，信號取樣電路，具有電壓提升電路和運算放大電路的信號處理電路，整流濾波電路，電流電壓轉換電路Ul，DC-DC隔離穩壓模塊U2，低壓差線性穩壓器U3，光耦隔離脫扣電路，MCU 微處理器及其周邊外圍電路。各個電流互感器CT分別串聯于電網主電路的A、B、C、N相線中，對電網主電路各相電流進行傳感變換，實現信號感應以及電路能量供應。整流濾波電路由十個橋式整流二極管Dl-DlO組成，共五組，分別對各相電流互感器感應的交流電流源A、B、C、N進行整流，整流二極管D9、D10為整流公共端，每相電流互感器的電流整流由各自整流二極管與公共整流二極管組成，例如A相電流互感器整流由整流二極管D1、D2、D9、D10等組成。電流互感器CT的輸出端依次連接整流濾波電路、電流電壓轉換電路U1、DC-DC隔離穩壓模塊U2，經整流濾波電路整流后的直流電流經電流電壓變換電路Ul轉換成直流電壓V0，該直流電壓為DC-DC電壓隔離模塊U2的電壓輸入源，同時也為光耦隔離脫扣電路提供電源；直流電壓VO經DC-DC電壓隔離模塊U2轉換為隔離的電壓VI，該DC/DC電壓隔離模塊U2采用金升陽公司生產的高效率的模塊化直流降壓電源模塊IB-LT-IW系列，內置高頻變壓器、開關管、脈沖產生等電路，具有體積小、功率密度高、表貼設計易于生產等優點，特別適合對體積尺寸要求較高的場合。該DC-DC電壓隔離模塊U2由于采用開關電源設計，具有非常高的轉換效率(典型值70%)，進一步提高了電源的工作效率。隔離后的電壓Vl再經過低壓差線性穩壓器U3變換成可供微處理器、運算放大電路等工作的系統工作電壓VCC。各個電流互感器CT的電流采樣端連接信號取樣電路的輸入端，信號取樣電路的輸出端連接運算放大電路的輸入端，運算放大電路的輸出端連接至微處理器的輸入端，微處理器的脫扣輸出端連接光耦隔離脫扣電路的觸發端。電壓提升電路為一基準電壓模塊，此基準電壓模塊的輸入端連接低壓差線性穩壓器U3的輸出端，此基準電壓模塊的輸出端提供基準電壓Vref，此基準電壓Vref為系統工作電壓Vcc的一半。信號取樣電路包括各相電流互感器電流取樣電阻Ra、Rb、Re、Rn和接地信號取樣電阻Rf，電流取樣電阻Ra、Rb、RC、foi的一端分別與各相的電流互感器的電流采樣端對應相連接，電流取樣電阻Ra、Rb、Re、Rn的另一端則互相連接并與接地信號取樣電阻Rf的一端短接，形成一個公共節點，基準電壓模塊的輸出端連接至此公共節點，接電信號取樣電阻Rf 的另一端與整流濾波電路的整流公共端的中間公共端(整流二極管D9與整流二極管DlO相連接的端點)相連接。本發明中，取樣電阻Ra、Rb、Re、Rn得到的電流取樣信號Na、Vb、Vc、Vn、Vf為交流電壓信號，不能滿足微處理器AD轉換的要求，經電壓提升電路把這些交變的電壓信號轉換為正的直流交變信號；該電壓提升電路直接把公共節點與系統電壓基準Vref相連接得到； 該電壓基準Vref由系統電壓Vcc經基準電壓模塊U4變換得到，并且等于系統電壓Vcc的一半，即 Vref=l/2*Vcc。運算放大電路主要由電壓跟隨器U6A和同相放大器U7A組成；經電壓提升后的電流取樣信號，相對于電壓基準Vref上下交變，但其幅值限制在O-Vcc之間；由于系統電壓 Vcc已與電流電壓VO隔離，使得信號的處理變得非常簡單，各相電流信號Va、Vb、VC、Vn只須經電壓跟隨器U6A跟隨即可，而接地信號Vf因其信號相對較小也只須經普通同相放大器 U7A放大就可滿足微處理器AD轉換的要求。光耦隔離脫扣電路由脫扣線圈RELAY、光耦P1、晶體管Q1、以及觸發電路等組成； 經DC/DC電壓隔離模塊U2隔離后的電壓Vl較小，已不能滿足脫扣線圈RELAY的工作要求， 因此其脫扣電路電源必須采用VO供電，微處理器通過光耦Pl對其進行隔離脫扣控制；其脫扣動作電路由脫扣線圈Relay、功率晶體管Q1、反向續流二極管D12以及光耦Pl的接收端等組成；脫扣控制電路則由微處理器IO 口、光耦Pl的發射端等組成；通過光電耦合，實現隔離控制，跳脫電路。
權利要求
1.接地故障保護型電子式脫扣器，包括電流互感器，信號取樣電路，信號處理電路，整流濾波電路，電流電壓轉換電路，低壓差線性穩壓器，脫扣電路，微處理器及其周邊外圍電路；電流互感器分別串聯于電網主電路的各相中，電流互感器的輸出端依次連接整流濾波電路、電流電壓轉換電路和低壓差線性穩壓器，低壓差線性穩壓器的輸出即為系統工作電壓；各相電流互感器的電流采樣端連接信號取樣電路的輸入端，信號取樣電路的輸出端依次連接信號處理電路和微處理器，微處理器的輸出端連接脫扣電路的觸發端；其特征在于 上述電流電壓轉換電路的輸出端與上述低壓差線性穩壓器的輸入端之間連接有電源隔離裝置O
2.根據權利要求1所述的接地故障保護型電子式脫扣器，其特征在于上述電源隔離裝置采用DC-DC隔離穩壓模塊。
3.根據權利要求1所述的接地故障保護型電子式脫扣器，其特征在于上述脫扣電路采用隔離型脫扣電路。
4.根據權利要求3所述的接地故障保護型電子式脫扣器，其特征在于上述隔離型脫扣電路采用光耦隔離脫扣電路。
5.根據權利要求1所述的接地故障保護型電子式脫扣器，其特征在于上述信號處理電路包括電壓提升電路和運算放大電路，上述信號取樣電路的輸出端連接于上述運算放大電路的輸入端，上述運算放大電路的輸出端連接至上述微處理器的輸入端；上述電壓提升電路為一基準電壓模塊，上述基準電壓模塊的輸入端連接上述低壓差線性穩壓器的輸出端，上述基準電壓模塊的輸出端提供基準電壓，此基準電壓為上述系統工作電壓的一半。
6.根據權利要求5所述的接地故障保護型電子式脫扣器，其特征在于上述信號取樣電路包括各相電流互感器電流取樣電阻和接地信號取樣電阻，上述各相電流互感器電流取樣電阻的一端分別與各相的電流互感器的電流采樣端對應相連接，上述各相電流互感器電流取樣電阻的另一端則互相連接并與上述接地信號取樣電阻的一端短接，形成一個公共節點，上述基準電壓模塊的輸出端連接至此公共節點，上述接地信號取樣電阻的另一端與上述整流濾波電路的整流公共端的中間公共端相連接。
全文摘要
本發明公開了一種接地故障保護型電子式脫扣器，其在現有的單CT接地故障保護型電子脫扣器的基礎上，在其電流電壓轉換電路的輸出端與低壓差線性穩壓器的輸入端之間連接有電源隔離裝置，而且脫扣電路采用隔離型脫扣電路。采用上述方案后，本發明在電流電壓轉換電路的輸出端與低壓差線性穩壓器的輸入端之間增加有電源隔離裝置，實現了微處理器與電流電壓轉換電路之間地電位的隔離，兩者之間的地電位沒有共同的參考點，這樣信號處理電路就無須采用高精密差分放大器對信號進行處理，一般普通的放大器就可實現對電流信號包括接地信號的處理，高精密差分放大器與普通的放大器的價格相差甚多，從而使得本發明的電子脫扣器整體成本較低。
文檔編號H02H3/28GK102170105SQ201110112750
公開日2011年8月31日 申請日期2011年5月3日 優先權日2011年5月3日
發明者劉劍鋒, 方進勇, 林宜 申請人:廈門士林電機有限公司