专利名称：差动电流保护装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带有总电流互感器的差动电流保护装置，该总电流互感器的次级一侧上通过信号处理电路还连接脱扣继电器，用于操作所连接的电网中的开关。对于差动电流-保护装置，特别要理解为差动电流保护开关(DI保护开关)或者差动电流附件，其中，与故障电流(FI)保护开关相反，用电源电压完成脱扣。
背景技术：
这种类型的保护装置，例如EP 0 987 805 A1公开的DI保护装置，为防止危险电流通过人体，当超过所谓的测量故障电流时，可靠而迅速地将相关回路与电源断开。为此，DI保护开关包括总电流互感器，通过互感器铁心，在出现故障电流的情况下，在其次级绕组中传导电网的所有输电导线感应电压信号，该信号控制通过脱扣回路与次级绕组电连接的脱扣器。脱扣器与开关锁连接，通过开关锁，在脱扣器动作时，处于该线路或每条线路中的开关的触点被打开。此时，在出现故障电流时，由总电流感应器发出的信号传送到DI保护开关，或DI附件的由线路网馈给的脱扣回路。该电压信号整流和放大信号处理电路，包括带两个串联运算放大器的有源全波整流器，其中，一个运算放大器作为倒相器，另一个运算放大器作为非倒相器工作。
为了在这种公知的DI保护装置中，既能够使用成本最低的电源设备(而对它可以使用只有一单极供电的电压)，又能够处理在总电流互感器的次级绕组中感应的双极感应电压，一方面要为运算放大器产生平均电压，另一方面具有其不希望的大范围的二极管安装。
虽然在GB 2 170 367 A中公开的一种类似的，由一倒相器和一非-倒相器构成的信号处理-电路中，不产生平均电压，但是，那里用的电路成本也非常大，特别是大范围的外部安装运算放大器，同样带有至少一个二极管的结构的造价很高。
因此在实践中，几乎仅使用所谓的“接地-故障-中断-集成-电路”(Ground-fault-interrupter-Integrated-Circuits)，来确定通过故障-或差动电流在总电流互感器的次级绕组中感应的信号值。这种集成电路(IC)的优点在于，能对不同的功能，像例如整流、信号放大和基准电压集成化，并在大多数情况下仅需要少量的外部元件。
然而，这种组合件的缺点是其成本很高，并且其电流需求量常常很高，它在电源设备中会产生新的花费。在这种情况下，与所谓的“低功率-(lowpower-)”，“超低功率(ultra low power-)”或“微功率标准运算放大器(micropower-Standard-Operationsverstaerkern)”相比，这些元件的电流需求量很高。此外，这种IC很特殊，因此与标准运算放大器相比，不易于型号多样化和低成本。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于，提供一种上述类型的DI保护装置，该装置带有结构特别简单的，特别是成本低廉的信号处理-电路。
按照(根据)本发明，上述技术问题的解决是通过一种带有总电流互感器(2)的故障电流保护装置实现的。在总电流互感器的次级端上，通过信号处理电路(5)，后续连接有全波整流器(30)，用于双极整流和放大由总电流互感器(2)的次级绕组(4)加的输入电压(Ue)，和脱扣继电器(13)，用于操作所连接的电网(LN)中的开关(16)。为此，两级全波整流器具有作为倒相器工作的第一个放大级，和作为减法器，最好是作为多倍减法器工作的第二个放大级，它的输入端，根据实用方式通过一个电阻与第一个放大级的输出端连接。
无论是作为倒相器工作的第一个放大级的第一个运算放大器，还是作为最好是多倍减法器工作的第二个放大级，在第一个放大级的输出端后续连接的第二个运算放大器，都仅安装有直流电阻。根据实用方式，此时第一个运算放大器在输出端上通过一个(第六)电阻与第二个运算放大器的P输入端(+)连接。
运算放大器用电阻构成电路，参数选择由各电阻相互之间的关系和放大系数确定，在这种情况下，在第一放大级中，负输入信号或电压倒相并同时放大，而在正输入信号或正电压中，第一放大级的放大器输出端接地或零电位。在第二放大级中，第一放大级的输入信号和输出信号放大和相加，在第二个放大级的输出端上，从这些放大信号中得出的电压之和与仅为正的电压值相加。因此，在第二放大级的输出端上，全部是整流的和放大的输入电压。
在实用的结构中，第一个电阻连接在第一放大级的运算放大器的输出端和负输入端(N输入端)之间。通过第二个电阻，输入电压输送到第一放大级的运算放大器的负输入端。可以选择该运算放大器的正输入端(P输入端)通过第三个电阻通向基准电位或接地。
此外，输入电压通过带有第四和第五电阻的分压器，输送到第二放大级的运算放大器的正输入端上。由此，根据实用方式，第二放大级的输出电压，等于放大了的输入电压和两次放大的第一放大级输出电压之和。此时，第一放大级的输出电压在正输入电压时等于零(0V)，而在负输出电压时，第一放大级的输出端输出放大的正输出电压。
为了使第二放大级特别优选地作为多倍减法器工作，该第二运算放大器的输出端，通过一个(第七)电阻与其负输入端连接，负输入端通过另一个(第八个)电阻通向基准电位或接地。多倍减法器原则上的工作原理例如在U，Tietze，CH，Schenk，“Halbleiter-Schaltungstechnik”，11.Auflage，Seite 770 ff.(“半导体电路技术”第11版，第770页起)有所介绍。
采用本发明所取得的优点特别在于，通过由倒相器和减法器构成的两级全波整流器，以尽可能低的元件费用的简单方式，在DI保护开关的脱扣回路中进行可靠的信号处理。此在这种情况下，既不要求产生用于运行全波整流器的运算放大器的平均电压，也不要求为其运算放大器安装二极管。
因此，利用这种全部成本低廉的以及由取决于制造的、可具有高度型号多样化的元件构成的信号处理电路，还能为成本优化的脱扣回路提供一种差动电流保护开关，它特别适用于无论是交流电流感应的还是脉冲电流感应的装置。
下面，参见附图详细说明本发明的实施例。其中图1示出具有用于整流和放大输入电压的信号处理电路的DI保护开关的原理电路图，和图2示出根据图1的带有无二极管的全波整流器的信号处理-电路的电路图，和图3示出根据图2的信号处理-电路全波整流器的工作原理信号的曲线图。
在各图中均以相同的参考符号标注相同的元器件。
具体实施例方式
图1示出的DI保护开关1包括带有互感器铁心3总电流互感器2，通过互感器铁心3，输送四端电网LN的三个相线Li，i＝1，2，3以及零线N。DI保护开关1此时连接从电网LN供给电流的耗电器(未标示的)。
互感器铁心3还具有次级绕组4，它与信号处理电路5连接。在电网LN无故障运行时，通过互感器铁心3的电流的和始终为零。在例如由于漏电部分输送的电流在耗电器一侧通过接地排出的情况下，会出现故障。在这种情况下，通过互感器铁心3的电流和为一个不等于零的值。这种差动电流或故障电流IΔ在次级绕组4中，感应为作用于故障电流IΔ度量的电压信号，该信号作为输入电压Ue输送到信号处理电路5。次级绕组4和信号处理电路5中间连接过电压防护器6以及可变的负载7。借助于负载7，可以使DI保护开关1的额定故障电流IΔn在一预先规定的范围内变化。额定故障电流IΔn是DI保护开关1的脱扣灵敏度的度量。
输入电压Ue在信号处理电路5中整流和放大。信号处理电路5将输入电压Ue转换成整流的和放大的输出电压Ua。该输出电压Ua输入后续连接的计值和控制电路8。计值和控制电路8、信号处理电路5、负载7和过电压防护6统称为电子脱扣回路9。
为操作电子脱扣回路9，特别是信号处理电路5与计值和控制电路8，DI保护开关1与不依赖于电源电压的FI保护开关相反，通过电源设备10供电。为此，电源设备10，通过供电导线11连接在电网LN的导线Li，N上。电源设备10为信号处理电路5通过连接导线12，提供相对接地电位M的正工作电压(+)，例如12V(图2)。
输出电压Ua在计值和控制电路8内计值。如果输出电压Ua鉴于其振幅和/或者持续满足预先规定的脱扣条件，那么，计值和控制电路8将脱扣信号S发送给例如输出端上与接地电位M连接的脱扣继电器13。脱扣继电器13接着操作开关机构15，它打开作用于电网LN所有导线Li，N的开关16的开关接点。
在图2中，示出信号处理电路5的电路的技术实现。与次级绕组4并联的过电压防护6，可以按照未详细介绍的方式方法包括两个反并联的二极管，它们将输入电压Ue限制在最大值，例如，0.6V。与过电压防护6并联的负载7，可以是可变的直流电阻。
信号处理电路5包括两级全波整流器30，在其输入接点E1和E2之间有输入电压Ue，在输入接点E2上带有接地或基准电位M。下面参见图3说明，由作为倒相器工作的第一放大级V1和作为多倍减法器工作的第二放大级V2构成的全波整流器30的工作原理。
全波整流器30包括两个运算放大器OP1和OP2，它们连接有电阻R1至R8。在运算放大器OP1和OP2中，输送例如12V的正(+)工作电压，而负接点(-)与地M连接。
第一个电阻R1连接在第一放大级V1的(第一)运算放大器OP1的输出端B和N输入端(-)之间。同样与该第一运算放大器OP1的N输入端连接的第二电阻R2，通过接线点A处于输入到接点E1上。
可以选择第一运算放大器OP1的N输入端通过电阻R3接地M。电阻R3作用是补偿放大级V1的第一运算放大器OP1输入静止电流，目的是在第一运算放大器OP1的N输入端和P输出端之间只有最小的偏移电压(U±≈0V)。
与接线点A连接的是第五电阻R5，从它那方面与接地M的第四电阻R4连接。在由第四个和第五个电阻R4或R5构成的分压器之间的抽头6，与接线点C连接，它一方面与第六电阻R6，另一方面与第二放大级V2的(第二)运算放大器OP的P输入端(+)连接。电阻R6另一方面处于点B上，即第一放大级V1的输出端上，并由此处于倒相器的输出端上。
第二个运算放大器OP2的N输入端(-)，通过(第八)电阻R8接地M。第二放大级V2输出端D并由此第二运算放大器OP2的输出端，通过(第七)电阻R7既与第二个运算放大器OP2的N输入端，也与电阻R8连接。
图3上部的电压/时间曲线图中示出(这里为简化的正弦曲线)输入电压Ue，在A相对基准电位M＝0V的变化。其中，在纵坐标上，是带有工作电压U±最大值的电压，在横坐标上是时间t。图3所示的第二条曲线，处于第一放大级V1的输出端，即是在点B上，按放大系数R1/R2放大的仅有负半波的输入电压Ue，负半波通过作为倒相器工作的放大级V1转换成相应的正半波。在输入电压Ue的正半波中，第一放大级V1的放大器输出端B通向接地电位M。
由于第二放大级V2作为多倍减法器工作，根据安装的方式和方法，电阻R5点a和电阻R6点a上的电压正计值相加。图3中由第三条曲线说明点C上相应的信号变化。输入电压Ue此时按放大系数R4/R5放大，而点B上的，即倒相器输出端上的电压Ub，按放大系数R4/R6放大。
通过这两个信号或者电压变化的相加，第二放大级的运算放大器OP2的输出端在点D上，图3下部曲线中示出的输出电压Ua的信号变化，仅有正半波的整流放大输入电压Ue产生相同振幅。利用该由倒相器和减法器构成的全波整流器30，对输入电压Ue既可以整流，也可以放大。
图3下部曲线图中示出的信号或电压变化在下列选择参数条件下产生R1/R2＝R4/R5和R4/R6＝2和R7＝R4和R8＝(R5·R6)/(R5+R6)≈R5，如果R5＜＜R6。
这是在放大系数较大的情况下如此。从中产生第二放大级V2点D上的输出电压Ua∶Ua＝|Ue|·(R1/R2)。
若总电流互感器2上为负电压Ue时，第一放大级V1的运算放大器OP1上的输出电压Ub，有Ub＝Ue·(-R1/R2)，按放大系数(+R4/R6)放大。同时，输入电压Ue按放大系数+R4/R5放大。第二放大级的运算放大器OP2的输出端D上，具有两个电压之和，Ua＝[Ue·(-R1/R2)·(+R4/R6)]+[(+R4/R5)·Ue]＝Ue·(-R1/R2)。
在正输入电压Ue时，第一放大级V1的放大输出电压Ub(＝0V)，将与放大系数(+R4/R5)相乘的电压Ue相加。第二个放大级V2的输出电压Ua，因此变成Ua＝0V+Ue·(+R4/R5)＝Ue·(+R4/R5)＝Ue·(+R4/R5)＝Ue·(+R1/R2)。
在考虑到这种选择参数条件下，负输入信号Ue倒相和放大，而正输入信号Ue不倒相按相同放大系数放大。因此，满足全波整流的条件。
外部安装无半导体元件的全波整流器30的放大级V1或V2的两个运算放大器OP1和OP2，其主要优点是，在高欧姆或节电的安装中，基本前提条件是用成本低廉的电源设备，可以省掉有少量漏电的成本相当高的整流器二极管。通过确定所说明的选择参数条件，可以特别可靠的方式和方法进行无整流器二极管的全波整流。
权利要求
1.一种带有总电流互感器(2)的故障电流保护装置，在该总电流互感器其次级端上通过信号处理电路(5)，后续连接有全波整流器(30)，用于双极整流和放大由总电流互感器(2)的次级绕组(4)加的输入电压(Ue)，和一个脱扣继电器(13)，用于操作所连接的电网(LN)中的开关(16)，其特征在于，一个双级全波整流器(30)带有作为倒相器工作的第一放大级(V1)以及作为减法器工作的第二放大级(V2)。
2.按权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述第二放大级(V2)为多倍减法器结构。
3.按权利要求1或2所述的保护装置，其特征在于，所述第二放大级(V2)的输出电压(Ua)等于所述第一放大级(V1)的放大输入电压(Ue)和放大输出电压(Ub)之和。
4.按权利要求1至3之一所述的保护装置，其特征在于，所述第二放大级(V2)汇集所述第一放大级(V1)的按第一放大系数(R4/R5)放大的输入电压(Ue)和按第二个放大系数(R4/R6)放大的输出电压(Ub)。
5.按权利要求1至4之一所述的保护装置，其特征在于，一个(第一)电阻(R1)连接在所述第一放大级(V1)的(第一)运算放大器(OP1)的输出端(B)和负输入端(-)之间；所述第一放大级(V1)的运算放大器(OP1)的负输入端(-)上通过一个(第二)电阻(R2)输送输入电压(Ue)。
6.按权利要求5所述的保护装置，其特征在于，所述第一放大级(V1)的运算放大器(OP1)的正输入端(+)通过一个(第三)电阻(R3)与基准电位(M)连接。
7.按权利要求1至6之一所述的保护装置，其特征在于，所述输入电压(Ue)通过一个分压器(R5，R4)输送到所述第二放大级(V2)的(第二)运算放大器(OP2)的正输入端(+)上，该正输入端(+)通过一个(第六)电阻(R6)与所述第一放大级(V1)的输出端(B)连接。
8.按权利要求7所述的保护装置，其特征在于，第一和第二电阻(R1，R2)以及第四和第五电阻(R4，R5)的电阻关系相等(R1/R2＝R4/R5)，第四和第六电阻(R4，R6)的电阻关系等于二(R4/R6＝2)。
9.按权利要求7或8所述的保护装置，其特征在于，所述第二放大级(V2)的输出端(D)通过一个(第七)电阻(R7)与该第二放大级(V2)的运算放大器(OP2)的负输入端(-)连接，该负输入端(-)通过一个(第八)电阻通向基准电位或地连接。
10.按权利要求9所述的保护装置，其特征在于，第四和第七电阻(R4，R7)的电阻值相等(R7＝R4)，而第八电阻(R8)值等于第五和第六电阻(R5，R6)之积与之和的比(R8＝(R5·R6)/(R5+R6))。
全文摘要
本发明涉及一种带有总电流互感器(2)的DI保护装置(1)，在该总电流互感器的次级端通过信号处理电路(5)，后续连接用于操作所连接的电网(LN)中的开关(16)的脱扣继电器(13)，所述保护装置包括一个双级全波整流器(30)，用于双极整流和放大从总电流互感器(2)的次级绕组(4)施加的输入电压(U
文档编号H02H1/00GK1430316SQ0215425
公开日2003年7月16日 申请日期2002年12月18日 优先权日2001年12月18日
发明者伯恩哈德·鲍尔 申请人:西门子公司