专利名称：控制与保护开关电器的控制与保护电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制与保护开关电器的控制与保护电路，其作低压配电及控 制系统中应用，属电工技术领域。
技术背景控制与保护开关电器将断路器、接触器、热继电器及隔离器的功能很好 的融为一体，合理的做好了各分立元器件保护特性、控制特性配合的协调工 作，可广泛应用于自动化集中控制系统和基于现场总线的分布式生产线的控 制系统等场合，例如冶金、煤矿、钢铁、石化、港口、船舶、铁路等领域的 电动机控制与保护系统和现代化建筑中的照明、电源转换、泵、风机、空调 等电气控制与保护系统。现阶段研究和探讨控制与保护开关电器具有非常重要的社会意义。中国专利文献CN 1996695A (
公开日为2007年7月11日)中公开了一 种控制与保护开关电器的多功能电路，其信号传递方式为信号处理电路(l) 处理电流采样信号，进行信号放大及电位抬升；微处理器电路(2)进行模拟 量到数字量转换，时而将数字量信号进行运算分析，判定故障，及给出相应 输出动作，同时进行通讯报文的接收发送；短路检测电路(3)通过对输入电 ^#^韵处理，判定短路故障发生与否，给出相应动作信号；输出驱动电路 (4)将低电平信号转换成高电平信号，从而驱动磁通转换元件；电源转换电 路(5)将交流高电压转换成直流低电压，从而给上述电路提供电源，其如附 图2所示。这种传递方式比较繁锁、电路结构比较复杂。中国专利文献CN 1996695A中还公开了信号处理电路是通过模拟开关切 换控制信号放大比例，使得信号进行模拟量到数字量转换前获得最佳放大比 例。这种电路存在电流检测的不连续性问题，测量精度差，测量范围小。专 利文献中的短路检测电路，对电流波进行整流后通过跟域值电压比较可判定 短路故障的发生，并能通过延时输出。这种短路检测电路的动作可靠性差，动作缓慢且抗干扰能力差。再有专利文献中的驱动电路，将小电流信号转换 成大电流信号，从而驱动磁通转换元件。这种电路中的微处理器的电源与磁 通变换器的电源并不隔离，工作可靠性差、抗干扰能力差。 发明内容本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种控制与保护开关电器的 控制与保护电路，其电路传递方式简约，电路结构简单，动作可靠性好且抗 干扰能力强，使用在控制与保护开关电器内时，体积小，可靠性高。本发明的目的是这样来完成的， 一种控制与保护开关电器的控制与保护 电路，其特征在于包括信号采样电路、短路检测电路、微处理器电路、磁通 变换器控制电路、电源转换电路；信号采样电路将电流信号进行放大及电位 抬升后送入微处理器电路，短路检测电路对信号采样电路中的电流采样电路 大量程信号进行处理后送给微处理器电路，由微处理器电路判断是否发生短 路故障，给出相应的控制信号送至磁通变换器控制电路，磁通变换器控制电 路将微处理电路发出的低电平信号经光隔转换成高电平信号，从而驱动磁通 变换器，电源转换电路将交流高电压转换成直流低电压，从而为上述电路提 供电源。本发明所述的微处理器电路由微处理器U1、晶振CT、复位芯片IC2、电 容C2、 C3组成，晶振CT一端与电容C2的一端和微处理器U1的12脚连接， 晶振CT的另一端与电容C3的一端和微处理器Ul的10脚连接，电容C2的另 一端与电容C3的另一端相连接后接地，复位芯片IC2的2脚与微处理器Ul 的6脚连接，微处理器U1的13脚、78脚、复位芯片IC2的3脚接直流电源 VCC，微处理器U1的69、 70、 71、 73、 74、 76脚与信号采样电路连接，微处 理器U1的77、 39、 17脚分别与基准电源Vref、磁通变换器控制电路、短路 检测电路连接，微处理器U1的11脚、75脚、复位芯片IC3的1脚接地。本发明所述的微处理器电路中的Ul采用自带A/D转换电路，输入输出口 多的16位单片机作为微处理器。本发明所述的信号采样电路由电阻R1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R7、电容Cl、运算放大器IC1组成，电阻Rl与电流互感器I-A并联，电阻Rl的一端 与电容C1、电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与运算放大器IC1的3脚 连接，电阻R1的另一端与电容C1的另一端、电阻R4的一端、基准电压C0M 连接，电阻R4的另一端与电阻R6的一端、运算放大器IC1的6脚连接，电 阻R6的另一端与电阻R7的一端、运算放大器IC1的7脚连接，运算放大器 IC1的2脚与1脚连接后与电阻R5、 R3的一端连接，电阻R3的另一端与运算 放大器IC1的5脚连接，电阻R5、 R7的另一端分别与微处理器Ul的71脚、 76脚连接，运算放大器IC1的11脚接地，运算放大器IC1的4脚接直流电源 VCC。本发明所述的短路检测电路由电阻R8、 R9、 RIO、电压比较器IC3、电容 C4、 C5、 二极管D1、 D2、或门U2、 U3组成，电阻R8—端与信号采样电路电 阻R5的另一端的和微处理器Ul的71脚连接，电阻R8的另一端与电压比较 器IC3的3脚、6脚连接，电压比较器IC3的2脚接上限阀值电压Vrefl,电 阻R9的一端与电容C4的一端、二极管D1的阳极、电压比较器IC3的1脚 连接，电压比较器IC3的5脚接下限阀值电压Vref2，电阻R10的一端与电 容C5的一端、二极管D2的阳极、电压比较器IC3的7脚连接，二极管D1、 D2的阴极与或门U2的1脚连接，或门U2的3脚与或门U3的1脚连接，或 门U3的3脚接微处理器Ul的17脚，电压比较器IC3的8脚、电阻R9、电 阻R10的另一端接直流电源VCC，电压比较器IC3的4脚、电容C4、电容C5 的另一端接地。本发明所述的磁通变换器控制电路4由电阻Rll、 R12、 R13、 R14、电 容C6、 C7、 C8、光耦Ol、 二极管D3、三极管Ql、 Q2组成，电阻Rll的 一端与电容C6的一端、二极管D3阴极、磁通变换器KM的一端连接，三极 管Ql的集电极与二极管D3的阳极、三极管Q2的集电极、磁通变换器KM 的另一端连接，三极管Ql的发射极与三极管Q2的基极连接，三极管Ql的 基极与电容C8、电阻R14的一端、光耦Ol的E脚连接，电阻R12的一端 与光耦Ol的C脚连接，电阻R12、 Rll的另一端接电源VDD，电阻R13的一端与电容C7的一端、光耦Ol的A脚连接，电容C7的另一端与光耦01 的K脚连接后接至微处理器Ul的39脚，电阻R13的另一端接直流电源VCC， 三极管Q2的发射极与电容C6、 C8、电阻R14的另一端接地。本发明由于采用了上述电路，电路传递方式简约，电路结构简单，动作 可靠性好且抗干扰能力强，使用在控制与保护开关电器内具有体积小，可靠 性高的优点。
图1为控制与保护开关电器的控制与保护电路原理框图。 图2为原控制与保护开关电器电路硬件的原理框图。 图3为信号采样电路及微处理器电路的原理图。 图4为短路检测电路的原理图。 图5为磁通变换器控制电路的原理图。 图6为电源转换电路的原理图。 具体实施通过申请人对实施例的描述，将更加有助于理解本发明，并且使本发明 的积极效果更加体现，但实施例不应视为对本发明方案的有所限制。请参阅图1本发明的电路原理框图。信号采样电路2将电流信号进行放 大及电位抬升后送入微处理器电路l，短路检测电路3对信号采样电路2中的 电流采样电路大量程信号进行处理后送给微处理器电路1，由微处理器电路1 判断是否发生短路故障，给出相应的控制信号送至磁通变换器控制电路4，磁 通变换器控制电路4将微处理电路发出的低电平信号经光隔转换成高电平信 号，从而驱动磁通变换器KM，电源转换电路S将交流高电压转换成直流低 电压，从而为其他电路提供电源。请参阅图3信号采样电路2及微处理器电路1，本发明是采用16位单片 机作为微处理器U1 (M16C28),其功能强，自带A/D转换电路，输入输出口 多，因此省去模拟选择开关电路，信号采样电路2是采用大小两个量程进行 电流测量，使得电流信号模拟量到数字量转换前获得最佳的放大比例，信号采样电路2将从电流互感器I^A中检测信号(本发明以A相为例)，经Rl 交流取样，由基准电压COM进行电位抬升得电流信号Ia，电流信号Ia先通 过电阻R2、运算放大器IC1A (TLV2254A)跟随， 一路经电阻R5得到大量 程信号Iamax，另一路经运算放大器IC1B (TLV2254A)、电阻R3、 R4、 R6、 放大并由基准电压COM进行电位抬升，经电阻R7得到小量程信号Iamin， 同时将大小两个量程的信号输入微处理器电路1的微处理器Ul的71脚与76 脚进行A/D转换，微处理器U1对其进行有效值计算。其中IC2 (MAX809) 为复位芯片，CT1为晶振，大小量程之间存在交叉部分，保证了电流采样的连 续性，微处理器根据转换值确定采用哪一量程的值进行计算，使测量精度及 范围大大提高。同理，B相、C相的大量程信号Ibmax、 Icmax分别输入微处 理器Ul的70、 69脚，小量程信号Ibmin、 Icmain分别输入微处理器Ul的 74、 73脚。请参阅图4本发明的短路检测电路3，短路检测电路3取信号采样电路2 的大量程电流信号与上限域值电压、下限域值电压比较产生电平信号至微处 理器电路l，由微处理器电路l通过软件滤波技术判定短路故障的发生。以A 相为例，将信号采样电路2中得到大量程信号Iamax经电阻R8通过电压比 较器IC3A (LM293D)与上限阀值电压Vrefl、与下限阀值电压Vref2进行 比较。当电流在正半波发生短路时，电流采样信号Iamax大于上限阀值电压 Vrefl经电压比较器IC3A、电阻R9、电容C4和二极管Dl输出高电平信号 Iaiiit;当电流在负半波发生短路时，电流采样信号Iamax小于下限阀值电压 Vref2经比较器IC3B、电阻RIO、电容C5和二极管D2输出高电平信号Iaint， 两者为或的关系，当满足任一条件时即输出高电平，B、 C相亦是如此，高电 平信号Iaint、 Ibint、 Icint经或门U2、 U3后得到短路信号lint送至微处理器 电路1的微处理器Ul的17脚，由微处理器Ul对该短路信号lint进行软件 滤波后判断是否发脱扣信号至磁通变换器控制电路4，该方式由于采用微处理 器来设计软件滤波技术，因此软件设计灵活方便且减少了电子器件，既能满 足动作的快速性，又能满足抗干扰性高的要求，且动作可靠性好。参阅图5本发明的磁通变换器控制电路4，磁通变换器控制电路4将微处 理器电路1发出低电平控制信号经光耦隔离转换成高电平信号，从而驱动磁 通变换器。微处理器Ul的39脚发出低电平信号TRIP,通过光耦Ol将小电 流信号转换为大电流信号，从而驱动磁通变换器KM,磁通变换器KM的电 源由电容C6来供电，防止大电流对电源VDD的影响。电阻R13起限流作用、 电容C7起滤波作用，防止光耦Ol误触发。VDD经电阻R12、电阻R14分 压后提供一电平信号驱动由三极管Ql、 Q2组成的达林顿输出电路，此时电 容器C6经磁通变换器KM及达林顿输出电路进行放电，磁通变换器KM动 作，放电的时间由微处理器U1发出的低电平信号TRIP的宽度来决定。二极 管D3为磁通变换器KM的续流二极管。上述电路由于微处理器的电源与磁 通变换器的电源隔离，通过光耦来实现，提高了系统的工作可靠性。参阅图6本发明的电源转换电路5，交流电源由L、 N端输入并通过 AC7DC转换芯片T1 (LD03)将交流高电压转换为直流低电压VDD，给磁通 变换器控制电路4供电，直流低电压VDD再通过DC/DC转换芯片T2 (PWB2405)转换成更低的电源电压VCC,给其它电路供电。电阻R15为 假负载，电容C9、 CIO、 C12、 C13、 C14、 C15、 C16、磁珠L1、 L2，电感 L3均起滤波作用。电源电压VCC经高精度稳压芯片IC4 (MAX6104)输出 基准电源Vref，基准电源Vref作微处理器Ul进行A/D转换的参考电压，并 且基准电源Vref经高精度电阻R16、 R18、 R17、 R19分压后得到上限阀值电 压Vrefl、下限阀值电压Vref2。基准电压COM用于对电流互感器信号进行 抬升，该电压由高精度稳压芯片IC6 (REF3020)输出基准电源Vrei3并经电 压跟随电路IC5A(LM258)输出基准电压COM,电阻R20、电容C17、 C18、 C19起滤波作用。本发明由于采用了上述电路，电路传递方式简约，电路结构简单，动作 可靠性好且抗干扰能力强，使用在控制与保护开关电器内具有体积小，可靠 性高的优点。
权利要求
1、一种控制与保护开关电器的控制与保护电路，其特征在于包括信号采样电路、短路检测电路、微处理器电路、磁通变换器控制电路、电源转换电路；信号采样电路将电流信号进行放大及电位抬升后送入微处理器电路，短路检测电路对信号采样电路中的电流采样电路大量程信号进行处理后送给微处理器电路，由微处理器电路判断是否发生短路故障，给出相应的控制信号送至磁通变换器控制电路，磁通变换器控制电路将微处理电路发出的低电平信号经光隔转换成高电平信号，从而驱动磁通变换器，电源转换电路将交流高电压转换成直流低电压，从而为上述电路提供电源。
2、 根据权利要求1所述的控制与保护开关电器的控制与保护电路，其 特征在于所述的微处理器电路由微处理器(U1)、晶振(CT)、复位芯片(IC2)、 电容(C2、 C3)组成，晶振(CT)一端与电容(C2)的一端和微处理器(U1)的12 脚连接，晶振(CT)的另一端与电容(C3)的一端和微处理器(U1)的IO脚连接， 电容(C2)的另一端与电容(C3)的另一端相连接后接地，复位芯片(IC2)的2 脚与微处理器(Ul)的6脚连接，微处理器(Ul)的13脚、78脚、复位芯片(IC2) 的3脚接直流电源(VCC),微处理器(U1)的69、 70、 71、 73、 74、 76脚与信 号采样电路连接，微处理器(U1)的77、 39、 17脚分别与基准电源(Vref)、磁 通变换器控制电路、短路检测电路连接，微处理器(U1)的ll脚、75脚、复 位芯片(IC3)的1脚接地。
3、 根据权利要求2所述的控制与保护开关电器的控制与保护电路，其 特征在于所述的微处理器电路中的(Ul)采用自带A/D转换电路，输入输出口 多的16位单片机作为微处理器。
4、 根据权利要求1所述的控制与保护开关电器的控制与保护电路，其 特征在于所述的信号采样电路由电阻(R1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R7)、电容 (Cl)、运算放大器(IC1)组成，电阻(R1)与电流互感器(I-A)并联，电阻(R1) 的一端与电容(C1)、电阻(R2)的一端连接，电阻(R2)的另一端与运算放大器(IC1)的3脚连接，电阻(R1)的另一端与电容(C1)的另一端、电阻(R4)的一 端、基准电压(COM)连接，电阻(R4)的另一端与电阻(R6)的一端、运算放大 器(IC1)的6脚连接，电阻(R6)的另一端与电阻(R7)的一端、运算放大器(IC1) 的7脚连接，运算放大器(IC1)的2脚与1脚连接后与电阻(R5、 R3)的一端 连接，电阻(R3)的另一端与运算放大器(IC1)的5脚连接，电阻(R5、 R7)的 另一端分别与微处理器(U1)的71脚、76脚连接，运算放大器(IC1)的11脚 接地，运算放大器(IC1)的4脚接直流电源(VCC)。
5、根据权利要求1所述的控制与保护开关电器的控制与保护电路，其 特征在于所述的短路检测电路由电阻(R8、 R9、 RIO)、电压比较器(IC3)、电 容(C4、 C5)、 二极管(D1、 D2)、或门(U2、 U3)组成，电阻(R8)—端与信号采 样电路电阻(R5)的另一端的和微处理器(U1)的71脚连接，电阻(R8)的另一 端与电压比较器(IC3)的3脚、6脚连接，电压比较器(IC3)的2脚接上限阀 值电压(Vrefl)，电阻(R9)的一端与电容(C4)的一端、二极管(D1)的阳极、电 压比较器(IC3)的1脚连接，电压比较器(IC3)的5脚接下限阀值电压(Vref2)， 电阻(R10)的一端与电容(C5)的一端、二极管(D2)的阳极、电压比较器(IC3) 的7脚连接，二极管(D1、 D2)的阴极与或门(U2)的1脚连接，或门(U2)的3 脚与或门(U3)的1脚连接，或门(U3)的3脚接微处理器(U1)的17脚，电压比 较器(IC3)的8脚、电阻(R9)、电阻(R10)的另一端接直流电源(VCC)，电压 比较器(IC3)的4脚、电容(C4)、电容(C5)的另一端接地。
6、根据权利要求l所述的控制与保护开关电器的控制与保护电路，其 特征在于所述的磁通变换器控制电路4由电阻(Rll、 R12、 R13、 R14)、电 容(C6、 C7、 C8)、光耦(Ol)、 二极管(D3)、三极管(Q1、 Q2)组成，电阻(Rll) 的一端与电容(C6)的一端、二极管(D3)阴极、磁通变换器(KM)的一端连接， 三极管(Q1)的集电极与二极管(D3)的阳极、三极管(Q2)的集电极、磁通变换 器(KM)的另一端连接，三极管(Q1)的发射极与三极管(Q2)的基极连接，三极 管(Q1)的基极与电容(C8)、电阻(R14)的一端、光耦(01)的E脚连接，电阻(R12)的一端与光耦(Ol)的C脚连接，电阻(R12、 R11)的另一端接电源(VDD)，电 阻(R13)的一端与电容(C7)的一端、光耦(Ol)的A脚连接，电容(C7)的另一端 与光耦(Ol)的K脚连接后接至微处理器(U1)的39脚，电阻(R13)的另一端接 直流电源(VCC)，三极管(Q2)的发射极与电容(C6、 C8)、电阻(R14)的另一端 接地。
全文摘要
一种控制与保护开关电器的控制与保护电路，属电工技术领域。包括信号采样电路、短路检测电路、微处理器电路、磁通变换器控制电路、电源转换电路；信号采样电路将电流信号进行放大及电位抬升后送入微处理器电路，短路检测电路对信号采样电路中的电流采样电路大量程信号进行处理后送给微处理器电路，由微处理器电路判断是否发生短路故障，给出相应的控制信号送至磁通变换器控制电路，磁通变换器控制电路将微处理电路发出的低电平信号经光隔转换成高电平信号，驱动磁通变换器，电源转换电路将交流高电压转换成直流低电压，为电路提供电源。电路传递方式简约，结构简单，动作可靠性好且抗干扰能力强，使用在控制与保护开关电器内具有体积小，可靠性高的优点。
文档编号H02H3/08GK101217231SQ20081001913
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月14日 优先权日2008年1月14日
发明者季春华, 张志刚, 焦志刚 申请人:常熟开关制造有限公司(原常熟开关厂)