专利名称：一种断路器热记忆电路及其充电调节方法
技术领域：
本发明涉及一种智能型断路器，尤其涉及一种断路器的热记忆电路，用以保护线路及电动机负载等，属于断路器技术领域。
背景技术：
断路器的热记忆功能是指断路器将主回路的能量(热量，主要与主回路电流有关)信息记录下来并加以保存，以给下次主回路出现过载时的能量累加提供依据的功能。 其包括带电热记忆和断电热记忆两种。目前带电热记忆比较容易实现，但需要依赖外部电源。断电热记忆则可以在系统完全断电的情况下保存能量信息，并在系统断电后模拟能量衰减，其需要使用外部储能器件来实现。目前断路器的断电热记忆功能普遍采用的是通过控制对外部储能电容充电来记录当前主回路的能量累加，以电容的自然放电过程来模拟在断电情况下主回路的释能，电容两端的电压反映了主回路的能量情况。目前较为普遍采用的断电热记忆电路如图1所示，当电流互感器2检测到过载电流时，微处理器4将电流计算为相应的能量，并输出一定宽度的脉冲来控制开关单元Ql使其接通，这样电源电压VCC就可以通过开关单元Ql向充电电路的电容Cl充电。同时微处理器4检测该电容Cl上的电压，与当前计算的相应能量的累积值比较后，调整脉冲宽度来控制该电容上的充电电压，做到能量累积与电容电压的匹配；当能量累积达到断路器1的动作条件后，电子脱扣器中的处理器单元驱动磁通变换器3使断路器1动作，系统断电，电源电压VCC不再对充电电路的电容Cl进行充电，此时电容Cl将通过电阻R5开始慢慢放电， 用以模拟断路器断电情况下能量的衰减过程。当断路器1再次合闸上电时，微处理器4通过电压跟随电路5读取电容两端的剩余电压，来计算出衰减后的剩余能量，并将此作为再次能量累积的基数，从而实现断电后能量的记忆或重复断电后能量的连续累积。此电路需要微处理器4对电容Cl上的电压进行实时监测，并不断调节脉冲宽度来调节电容充电，微处理器软件处理复杂，占用了较大的软件资源。同时由于充电控制完全依赖于微处理器，也降低了产品的可靠性。已知的对断路器热记忆改进的技术，比如中国专利(申请号200820185417. X) 公开的一种断路器热记忆的电路，包括微控制器、充电电平发生电路、充电控制电路、充放电电路、反馈缓冲电路。当配电系统发生电流过载时，低压断路器中电子脱扣器的微控制器通过电流互感器检测过载电流，将电流计算为相应能量，并将该能量换算为一定比例电压值，由微控制器的PWM控制输出，充电电平发生电路根据微控制器的输出得到一定的电压VCC1，由充放电电路中的电容C2充到此电压值，当能量累积达到断路器设定的动作条件后，电子脱扣器的MCU驱动磁通变换器使断路器动作切断故障线路，断电时，充放电电路中 C2电荷通过电阻R2放电，模拟能量衰减，当断路器合闸时，微控制器在此工作，MCU通过测量C2上剩余电压计算衰减后当前剩余能量，将此作为再次能量累积的基数，实现断电后能量的记忆或重复断电/过载后能量连续累积。但其过载电流检测、能量转换、充电控制实际上仍然完全依赖于微处理器，处理软件只是相对简化，要克服其缺陷，需要新的电路和控制方式。又比如美国授权专利 US5850330A “Electronic trip device that detects an imminent drop of the power system voltage and comprises a numerical processing circuit and a thermal memory”。公开了一种具有热记忆的电子脱扣器，但其针对脱扣器的改进方式与中国专利(申请号200820185417.X)类似，也未能克服微处理器的软件复杂、产品可靠性低的缺陷。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种根据电流独立调节充电的断路器热记忆电路，其特征在于包括电流采样电路、微处理器、充放电电路、电压采样电路、PWM比较发生电路；所述电流采样电路与PWM比较发生电路的输入相连接，将回路电流的电流采样信号提供给PWM比较发生电路；所述微处理器与PWM比较发生电路连接，将参考电压提供给PWM比较发生电路；所述PWM比较发生电路的输出与充放电电路连接，用以驱动充放电电路是否充电；所述电压采样电路的输入与充放电电路连接，所述电压采样电路的输出与微处理器连接，将充放电电路的电压信息反馈给微处理器。进一步的所述PWM比较发生电路包括第一电阻、第二电阻和第一运算放大器/比较器及与之输出连接的上拉电阻；第一电阻一端连接电流采样电路的输出，另一端连接第一运算放大器的正向输入端/比较器一输入端；第二电阻一端连接微处理器的DA脚，另一端连接第一运算放大器的反向输入端/比较器另一输入端，微处理器的DA脚提供的参考电压经第二电阻输入所述PWM比较发生电路。进一步的所述充放电电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、开关单元、二极管、 储能电容；第三电阻一端连接所述PWM比较发生电路的输出端，另一端连接开关单元，当电流过载时，所述PWM比较发生电路通过第三电阻驱动开关单元导通；充电电压VCC在开关单元导通后，经第四电阻和二极管对储能电容充电；所述电压采样电路的输入与储能电容的正极连接；储能电容充电，直到断路器累积能量达设定值触发跳闸后，与储能电容并联的第五电阻进行放电。进一步的开关单元采用场效应管MOSFET ；第三电阻的另一端连接MOSFET的门极； 第四电阻一端连接VCC，另一端连接MOSFET的漏极；二极管阳极连接MOSFET的源极，二极管阴极连接储能电容的正极；第五电阻一端连接储能电容的正极，另一端连接储能电容的负极并接地。进一步的第四电阻是充电时的限流电阻。进一步的所述电压采样电路包括第六电阻、第七电阻、第二运算放大器；第六电阻的一端与所述充放电电路的连接，另一端与第二运算放大器的正向输入端连接；第七电阻的一端与第二运算放大器的输出端连接，另一端与微处理器的AD连接。进一步的所述PWM比较发生电路包括第一电阻、第二电阻、比较器和上拉电阻；第一电阻一端连接电流采样电路的输出，另一端连接比较器输入端；第二电阻一端连接微处理器的DA脚，另一端连接比较器另一输入端，微处理器的DA脚输出的参考电压经第二电阻提供给所述PWM比较发生电路；比较器输出端连接上拉电阻。
所述电流采样电路的采样信号提供给所述PWM比较发生电路；当回路电流超过设定阈值时，所述PWM比较发生电路驱动充放电电路对储能电容充电，所述PWM比较发生电路产生的驱动信号的占空比由回路电流的大小决定，当回路电流越大时，驱动信号的占空比越大，电容充电越快；所述电压采样电路将储能电容的电压信息反馈给微处理器，在断路器重复上电时提供能量剩余等效值给微处理器处理。当回路电流没有超过设定阈值时，参考电压始终大于电流采样信号，所述PWM比较发生电路不会驱动电容充放电电路对储能电容充电。当断路器再次合闸上电时，微处理器通过AD检测储能电容上的电压来直接换算成回路的剩余能量，作为此次能量累积的基数。还提供一种新的控制方法，根据电流独立调节充电的断路器热记忆电路的充电调节方法，包括所述PWM比较发生电路基于回路电流的采用信号及参考电压驱动充放电电路充电，当回路电流超过设定阈值时，PWM比较发生电路驱动充放电电路充电，当回路电流没有超过设定阈值时，PWM比较发生电路不会驱动充放电电路充电。当回路电流超过设定阈值时，所述PWM比较发生电路产生的驱动信号的占空比由回路电流的大小决定，当回路电流越大时，驱动信号的占空比越大，充放电电路充电越快。所述电压采样电路将电压信息反馈给微处理器，在重复上电时提供能量剩余等效值给微处理器处理，作为此次能量累积的基数。采用上述与之前的电路及控制方式不同的技术方案断路器的热记忆电路，其具有对断路器的断电热记忆功能，实现对断路器的断电热记忆。本发明对电容的充电控制完全采用模拟电路实现，具有相对的独立性。当采用本方案的断路器检测到过载电流时，微处理器只需提供一个参考电压，对电容的充电的控制则直接取决于电流采样信号的大小， 即实际电流的大小，微处理器不需要对累积能量做处理来控制电容充电，对开关单元的PWM 控制也完全采用模拟电路来实现，这就大大减轻了软件负担，节省了软件资源。同时，这种相对独立的控制方式，是直接由电流信号来控制电容的充电，避免了中间环节，提高了热记忆功能的精度及可靠性。
图1为现有技术的断电器热记忆电路图。图2为本发明电路原理框图。图3为本发明电路原理图。图4为本发明具体实施例的电路图。图5至图7为本发明仿真波形图。图8至图11为本发明实验波形图。
具体实施例方式本发明的技术方案的一种断路器的热记忆电路，其具有对断路器的断电热记忆功能。本发明对电容的充电控制完全采用模拟电路实现，具有相对的独立性，无需完全依赖微控制器的控制。图2为本发明的电路原理框图。一种断路器的热记忆电路，包括微处理器、电流采样电路、PWM(脉宽调制)比较发生电路、充放电电路(为储能的电容充放电)、电压采样电路，上述各组成部分的关联以及工作流程为微控制器提供参考电压给PWM比较发生电路，电流采样电路的采样信号提供给PWM比较发生电路；当回路电流没有超过设定阈值时， 参考电压始终大于电流采样信号，PWM比较发生电路不会驱动电容充放电电路对储能电容充电；当回路电流超过设定阈值时，PWM比较发生电路驱动充放电电路对储能电容充电，此时，PWM比较发生电路产生的驱动信号的占空比由回路电流的大小决定，如果回路电流越大，则驱动信号的占空比越大，电容充电越快；电压反馈电路将充放电电容的电压信息反馈给微处理器，在断路器重复上电时提供能量剩余等效值给微处理器处理。图3为本发明的电路原理图。本发明的断路器热记忆电路，对电流采样、微处理器、充放电部分的电路和控制方式进行了改变。其包括PWM比较发生电路7，实现电容充放电的充放电电路9，电压采样电路8，电流采样，微处理器。PWM比较发生电路7包括运算放大器U12、微处理器DA提供的参考电压Vref经由电阻输入运算放大器U12的一输入端(如反向输入端)，电流采样的输出到运算放大器U12 的另一输入端(如正向输入端)，运算放大器U12的输出经过电阻R12控制开关单元Qll的导通状态(如连接到MOSFET开关单元Qll的门极)。电压采样电路8包括电阻R14、运算放大器U11、电阻R13，电阻R14 —端与充放电电路的储能电容Cll正极连接、另一端与运算放大器Ull的正向输入端连接，电阻R13的一端与运算放大器Ull的输出端连接、另一端连接到微处理器的AD。充放电电路包括限流电阻，电限流电阻Rll —端连接到充电电压VCC，限流电阻 Rll另一端连接到开关单元Qll—端(如场效应管MOSFET漏极)，开关单元Qll另一端(如 MOSFET的源极)连接到二极管Dll的输入端(如阳极)，二极管Dll的输出端(如阴极) 连接到储能电容Cll 一端(如电容的正极)，放电电阻R15与储能电容Cll并联(如电阻 R15 —端与电容正极，另一端与电容负极连接并且接地)。当断路器出现过载电流时，电流采样的信号会相应的比较大，当其峰值超过参考电压Vref时，PWM比较发生电路7的运算放大器U12的输出端，就会有驱动充电的PWM输出，驱动开关单元Q 11导通，VCC经充电限流电阻R11、开关单元Q11、二极管D11，给充放电电路的储能电容Cll充电；过载电流越大，电流采样的信号输出也越大，其波形超过Vref的部分也越多，所以PWM的占空比也越大，开关单元Qll的导通时间越长，储能电容Cll充电越快。充电电路会自动根据实际电流大小来控制储能电容Cll是否充电及充电快慢，用以反映能量的累积。当断路器累积能量达到设定值触发跳闸(脱扣)后，储能电容Cll会由放电电阻R15放电，来模拟能量的衰减过程。当断路器再次合闸上电时，微处理器通过AD 检测储能电容Cll上的电压来直接换算成回路的剩余能量，作为此次能量累积的基数。进一步的，还有其他可替代的方式，使得其方案达到同样的目的和效果，如就电路拓扑而言，以图3为例，运算放大器U12可以采用运算放大器，也可以采用比较器，不同之处在于比较器的输出要加上拉电阻。如图4，给出了本发明更具体的实施方式电路图。电流采样电路10 (电流采样电路使用的电压Vrefl采用2. 5VDC)，将电流采样的信号提供给PWM比较发生电路11 ；微控制器 DA提供给PWM比较发生电路11 一参考电压Vref 2 (采用2. 5VDC+AV1)；充放电电路12，实现储能电容C4的充放电，其包括与储能电容C4并联的放电电阻R8;充电由开关单元Ql (如采用场效应管M0SFET)控制。
电流采样电路10的输出端将采样信号，经PWM比较发生电路11的电阻R6输入到 PWM比较发生电路11的运算放大器U2的正向输入端，参考电压Vref2则经PWM比较发生电路11的电阻R5提供到PWM比较发生电路11的运算放大器U2的反向输入端，运算放大器 U2的输出，经电阻R7连接到开关单元Ql (如MOSFET的门极)。在如电流过载的情况发生时，驱动开关单元Ql导通，使得充电电压VCC经限流电阻、二极管Dl向与二极管Dl阴极连接的储能电容C4 (如与储能电容C4正极连接)充电以反映能量的累积，当断路器累积能量达到设定值触发跳闸后，储能电容C4经与其并联的放电电阻R8放电，来模拟能量的衰减过程。电压采样电路的电阻R9 —端与储能电容C4正极连接，另一端连接电压采样电路的运算放大器U3正向输入端，电压采样电路的运算放大器U 3的输出端连接电压采样电路的电阻RlO —端，而电阻RlO的另一端连接微处理器的AD。当断路器再次合闸上电时，微处理器通过AD检测储能电容C4上的电压来直接换算成回路的剩余能量，作为此次能量累积的基数。需要说明的是，工作原理以及各部分的连接关系，图4反应的实施方式与图2、3的描述相同，电路组成结构和处理方式，图3与图4所示的标记虽然不同，但对应结构和工作流程实质是一样的。本发明可以应用于其它任何使用断电热记忆电路的保护类产品，比如塑壳断路器，电动机保护类产品等。本发明的仿真/实验/使用的情况对具有电流互感器状态检测功能的信号调理电路进行了仿真验证，仿真结果如下如图5所示，回路电流超过设定阈值时，电容充电波形；如图6所示，回路电流超过设定阈值时，且电流较大时，电容充电波形；和图5比较可以看出，其充电速率较快。如图7所示，当回路电流超过设定阈值时，电容充电的过程示意。使用电流采样信号直接对断电热记忆的充放电电容的充电过程进行控制。当回路电流没有超过设定阈值时，控制充电的MOSFET(如图4的Ql或图3的Qll)的门极驱动一直为低电位，Ql (或Qll)不导通，VCC也就不给电容充电；当回路电流超过设定阈值时，控制充电的Ql (或Qll)的门极驱动占空比的大小由回路电流的大小决定，回路电流越大，驱动信号的占空比越大，Ql (或Qll)的导通时间也就越长，电容充电越快。以上过程就直接反映了回路上的能量累积过程，并且此控制是不需要微处理器参与的，大大节省了软件资源，提高了控制效率和可靠性，从而解决了过度依赖微处理器的控制以及处理软件过度复杂的问题，能根据电流独立地调节/控制充电。对电路设计在控制板上进行了实际电路的实验，实验波形如下如图8所示，回路电流超过设定阈值时，电容充电波形。如图9所示，回路电流超过设定阈值时，PWM驱动波形。如图10所示，回路电流超过设定阈值且比较大时，电容充电波形。如图11所示，回路电流超过设定阈值且比较大时，充电MOS驱动波形。可见，当回路电流大小不一样时，电容的充电速度是不同的，电流越大，充电速度越快，符合实际的热累积效应。
以上描述的仅仅是本发明的优选实施例，以便本领域技术人员能够实现或者使用本发明公开的内容。同时对于本领域技术人员来说，对这些公开内容的各种修改都是显而易见的。本领域在本发明的精神和范围之内所得到的任何修改、变换、替换的技术方案均落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种根据电流独立调节充电的断路器热记忆电路，其特征在于包括 电流采样电路、微处理器、充放电电路、电压采样电路、PWM比较发生电路；所述电流采样电路与PWM比较发生电路的输入相连接，将回路电流的电流采样信号提供给PWM比较发生电路；所述微处理器与PWM比较发生电路连接，将参考电压提供给PWM比较发生电路； 所述PWM比较发生电路的输出与充放电电路连接，用以驱动充放电电路是否充电； 所述电压采样电路的输入与充放电电路连接，所述电压采样电路的输出与微处理器连接，将充放电电路的电压信息反馈给微处理器。
2.如权利要求1所述的断路器热记忆电路，其特征在于所述PWM比较发生电路包括第一电阻、第二电阻和第一运算放大器；第一电阻一端连接电流采样电路的输出，另一端连接第一运算放大器的正向输入端； 第二电阻一端连接微处理器的DA脚，另一端连接第一运算放大器的反向输入端，微处理器的DA脚输出的参考电压经第二电阻提供给所述PWM比较发生电路。
3.如权利要求1所述的断路器热记忆电路，其特征在于所述充放电电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、开关单元、二极管、储能电容；第三电阻一端连接所述PWM比较发生电路的输出端，另一端连接开关单元，当电流过载时，所述PWM比较发生电路通过第三电阻驱动开关单元导通；充电电压VCC在开关单元导通后，经第四电阻和二极管对储能电容充电； 所述电压采样电路的输入与储能电容的正极连接；储能电容充电，直到断路器累积能量达设定值触发跳闸后，与储能电容并联的第五电阻进行放电。
4.如权利要求3所述的断路器热记忆电路，其特征在于开关单元采用场效应管 MOSFET ；第三电阻的另一端连接MOSFET的门极； 第四电阻一端连接VCC，另一端连接MOSFET的漏极； 二极管阳极连接MOSFET的源极，二极管阴极连接储能电容的正极； 第五电阻一端连接储能电容的正极，另一端连接储能电容的负极并接地。
5.如权利要求1所述的断路器热记忆电路，其特征在于所述电压采样电路包括第六电阻、第七电阻、第二运算放大器；第六电阻的一端与所述充放电电路连接，另一端与第二运算放大器的正向输入端连接；第七电阻的一端与第二运算放大器的输出端连接，另一端与微处理器的AD连接。
6.如权利要求1所述的断路器热记忆电路，其特征在于所述PWM比较发生电路包括第一电阻、第二电阻、比较器和上拉电阻；第一电阻一端连接电流采样电路的输出，另一端连接比较器输入端； 第二电阻一端连接微处理器的DA脚，另一端连接比较器另一输入端，微处理器的DA脚输出的参考电压经第二电阻提供给所述PWM比较发生电路； 比较器输出端连接上拉电阻。
7.如权利要求3或4所述的断路器热记忆电路，其特征在于第四电阻是充电时的限流电阻。
8.权利要求1至6所述的根据电流独立调节充电的断路器热记忆电路的充电调节方法，包括所述PWM比较发生电路基于回路电流的采用信号及参考电压驱动充放电电路充电，当回路电流超过设定阈值时，PWM比较发生电路驱动充放电电路充电，当回路电流没有超过设定阈值时，PWM比较发生电路不会驱动充放电电路充电。
9.如权利要求8所述的充电调节方法，还包括当回路电流超过设定阈值时，所述PWM比较发生电路产生的驱动信号的占空比由回路电流的大小决定，当回路电流越大时，驱动信号的占空比越大，充放电电路充电越快。
10.如权利要求8所述的充电调节方法，还包括所述电压采样电路将电压信息反馈给微处理器，在重复上电时提供能量剩余等效值给微处理器处理，作为此次能量累积的基数。
全文摘要
本发明涉及一种根据电流独立调节充电的断路器热记忆电路及其充电调解方法。对电容的充电控制完全采用模拟电路实现。电路包括微处理器、电流采样电路、PWM比较发生电路、充放电电路、电压采样电路，当回路电流没有超过设定阈值时，参考电压始终大于电流采样信号，PWM比较发生电路不会驱动电容充放电电路对储能电容充电；当回路电流超过设定阈值时，PWM比较发生电路驱动充放电电路对储能电容充电，PWM比较发生电路产生的驱动信号的占空比由回路电流的大小决定，回路电流越大，驱动信号的占空比越大，电容充电越快，电压反馈电路将充放电电容的电压信息反馈给微处理器，在断路器重复上电时提供能量剩余等效值给微处理器处理。
文档编号H02M3/07GK102570801SQ20121000907
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月12日 优先权日2012年1月12日
发明者张佳, 徐泽亮, 徐首旗, 杨兴勇 申请人:上海诺雅克电气有限公司