B型剩余电流动作保护断路器的制作方法

b型剩余电流动作保护断路器
技术领域
1.本发明创造涉及低压电器领域，特别是涉及一种b型剩余电流动作保护断路器。


背景技术：

2.目前市场上的剩余电流保护断路器的剩电流保护类型大多为a型和ac型，仅能用于检测交流和脉动直流漏电，不能应用于存在纯直流漏电、高频漏电及三相整流后漏电等类型的场合。本方案提出了一种b型剩余电流动作保护断路器，可用于检测电动汽车、充电桩、变频器等场合产生的漏电。


技术实现要素：

3.本发明创造的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种可用于检测电动汽车、充电桩、变频器等场合的b型剩余电流动作保护断路器。
4.为实现上述目的，本发明创造采用了如下技术方案：
5.一种b型剩余电流动作保护断路器，包括剩余电流采样电路116、mcu主控电路110和脱扣电路114，所述剩余电流采样电路116包括互感器104、振荡电路105、积分电路106、滤波电路107和偏置调整电路108，互感器104感应到漏电信号先依次经过所述振荡电路105变为方波信号，再经过积分电路106调制为三角波信号，再经过所述滤波电路107滤除载波信号后，最后经过所述偏置调整电路108后送入mcu主控电路110的单片机u4，所述偏置调整电路108用于调节漏电流信号正负向的偏移量，使正负向漏电流信号关于基准电压对称，由单片机u4根据漏电信号判断是否驱动脱扣电路114使断路器断开。
6.优选的，还包括电源电路115，电源电路115包括依次连接的buck开关电源电路101、ldo线性稳压电路102和电压基准电路103，buck开关电源电路101将电源进行第一次降压得到第一电压，ldo线性稳压电路102用于进行第二次降压将第一电压降压为第二电压，电压基准电路103将第二电压降压为vref基准电压。
7.优选的，还包括开关状态检测电路109，开关状态检测电路109从断路器的出线端取电，并根据断路器出线端的电流信号输出对应电平信号至mcu主控电路110，mcu主控电路110根据此信号判断断路器分合闸状态。
8.优选的，还包括测试电路，所述测试电路包括试验按钮电路111和模拟漏电电路117，所述试验按钮电路111用于检测是否外界触发试验按钮装置，试验按钮电路111在检测到试验按钮按下时驱动单片机u4产生模拟漏电信号至模拟漏电电路117，模拟漏电电路117接收到单片机u4发送的模拟漏电信号后控制互感器104的测试绕组与互感器104上的剩余电流检测绕组耦合并产生测试信号。
9.优选的，还包括与所述单片机u4连接的led指示电路112。
10.优选的，还包括温度检测电路113，温度检测电路113包括用于检测断路器内部温度热敏电阻。
11.优选的，所述振荡电路105包括波脉冲电压发生电路和方波脉冲电压驱动电路，脉
冲电压发生电路输出方波信号控制方波脉冲电压驱动电路循环向剩余电流互感器的漏电检测绕组提供正负方向交替的电压。
12.优选的，所述积分电路106包括高通滤波器和运放积分电路，所述高通滤波器将占空比信号滤除低频成分，运放积分电路将占空比信号转化为包含高频载波信号的三角波信号。
13.优选的，所述滤波电路107包括两个串联的二阶有源滤波电路，所述两个二阶有源滤波电路分别包括运算放大器u6b和运算放大器u6c，电阻r40一端与积分电路106的输出端连接，另一端经电阻r41连接到运算放大器u6b的反向输入端，vref基准电压经电阻r44连接到运算放大器u6b的同向输入端，运算放大器u6b的输出端经电阻r42、电阻r42连接到运算放大器u6c的反向输入端，电容c26一端与vref基准电压连接，另一端连接到电阻r40和电阻r41之间，电容c24一端与运算放大器u6b的输出端连接，另一端与运算放大器u6b的反向输入端连接，电阻r38一端与运算放大器u6b的输出端连接，另一端连接到电阻r40和电阻r41之间；vref基准电压经电阻r45连接到运算放大器u6c的同向输入端，运算放大器u6c的输出端输出到偏置调整电路108，电容c27一端与vref基准电压连接，另一端连接到电阻r42和电阻r43之间，电容c25一端与运算放大器u6c的输出端连接，另一端与运算放大器u6c的反向输入端连接，电阻r39一端与运算放大器u6c的输出端连接，另一端连接到电阻r42和电阻r43之间。
14.优选的，所述偏置调整电路108包括由运算放大器u6d构成的反向放大电路，运算放大器u6d的反向输入端接收滤波电路107的漏电信号，运算放大器u6d的同向输入端通过电阻r21、电阻r23和电阻r24分别与电源电路、vref基准电压和接地端连接，使漏电信号的波形关于vref基准电压对称，运算放大器u6d的输出端连接至单片机u4，所述电阻r21、电阻r22、电阻r23串联的一端与电源电路连接，另一端与vref基准电压连接，电阻r24一端接地，另一端连接到电阻r21和电阻r22之间，运算放大器u6d的同向输入端连接到电阻r22和电阻r23之间。
15.优选的，所述buck开关电源电路101包括整流桥br1、π型滤波电路和非隔离开关电源芯片u1，buck开关电源电路101的输入端从断路器的进线端取电后，先经过整流桥br1整流，再经过π型滤波电路滤波，再经过非隔离开关电源芯片u1降压后输出到ldo稳压电路102，通过ldo稳压电路102分别为电压基准电路103、剩余电流采样电路116、mcu主控电路110和脱扣电路114供电。
16.优选的，所述偏置调整电路108还包括电阻r19和反馈电阻r18，滤波后的漏电信号通过电阻r19连接到运算放大器u6d的反向输入端，反馈电阻r18连接运算放大器u6d的反向输入端和运算放大器u6d的输出端，运算放大器u6d的输出端通过电阻r20和电容c18构成的滤波器连接至单片机u4。
17.优选的，所述方波脉冲电压发生电路包括由运算放大器u3b构成的滞回比较器，所述运算放大器u3b的反向输入端经过限流电阻r28连接到采样电阻r31和互感器的漏电检测绕组的一端，电阻r32跨接在运算放大器u3b的同向输入端和输出端，运算放大器u3b的同向输入端通过电阻r33和电阻r32与参考电压vref连接得到阈值电压；所述方波脉冲电压驱动电路包括npn三极管q2和pnp三极管q4，所述运算放大器u3b的输出端通过限流电阻r29和滤波电容c20分别连接到npn三极管q2和pnp三极管q4的基极，三极管q2和pnp三极管q4的发射
极相互连接后与互感器的漏电检测绕组连接，npn三极管q2的集电极连接电源正极，pnp三极管q4的集电极连接电源负极，npn三极管q2和pnp三极管q4在滞回比较器输出的正负方波电压驱动下交替导通，并循环向剩余电流互感器的漏电检测绕组提供正负方向交替的方波脉冲驱动电压。
18.本发明创造的b型剩余电流动作保护断路器，不通过mcu主控电路的单片机u代替纯模拟电路进行检测，不仅能够通过软件的算法判断更复杂的漏电波形，判断结果更准确，也可以提高漏电脱扣动作的精度，而且对硬件的要求更低，只需要获得漏电信号的波形送给mcu主控电路的单片机u即可。
附图说明
19.图1是本发明创造b型剩余电流动作保护断路器的原理图；
20.图2是本发明创造mcu主控电路的电路图；
21.图3是本发明创造buck开关电源电路的电路图；
22.图4是本发明创造ldo线性稳压电路的电路图；
23.图5是本发明创造电压基准电路的电路图；
24.图6是本发明创造振荡电路的电路图；
25.图7是本发明创造积分电路的电路图；
26.图8是本发明创造滤波电路的电路图；
27.图9是本发明创造偏置电路的电路图；
28.图10是本发明创造脱扣电路的电路图；
29.图11是本发明创造开关状态检测电路的电路图；
30.图12是本发明创造试验按钮电路的电路图；
31.图13是本发明创造模拟漏电电路的电路图；
32.图14是本发明创造温度检测电路的电路图；
33.图15是本发明创造led指示电路的电路图；
34.图16是本发明创造互感器的漏电检测绕组两端的激磁电压、激磁电流和采样电阻两端电压的波形图；
35.图17是本发明创造互感器磁芯的磁化曲线。
具体实施方式
36.以下结合附图1至17给出的实施例，进一步说明本发明创造的b型剩余电流动作保护断路器的具体实施方式。本发明创造的b型剩余电流动作保护断路器不限于以下实施例的描述。
37.如图1所示，本发明创造的b型剩余电流动作保护断路器包括剩余电流采样电路116、mcu主控电路110和脱扣电路114，所述剩余电流采样电路116包括互感器104、振荡电路105、积分电路106、滤波电路107和偏置调整电路108，互感器104感应到漏电信号先依次经过所述振荡电路105和积分电路106调制为三角波信号，再经过所述滤波电路107滤除载波信号后得到原始的漏电信号特征，最后经过所述偏置调整电路108后送入mcu主控电路110的单片机u4，由单片机u4根据漏电信号判断是否驱动脱扣电路114使断路器断开。
38.本发明创造的b型剩余电流动作保护断路器，不通过mcu主控电路110的单片机u4代替纯模拟电路进行检测，不仅能够通过软件的算法判断更复杂的漏电波形，判断结果更准确，也可以提高漏电脱扣动作的精度，而且对硬件的要求更低，只需要获得漏电信号的波形送给mcu主控电路110的单片机u4即可。
39.如图1所示，本发明创造的b型剩余电流动作保护断路器还包括电源电路115、开关状态检测电路109、测试电路、led指示电路112和温度检测电路113，所述电源电路115用于为断路器供电，所述开关状态检测电路109用于检测断路器的开合闸状态，所述测试电路用于产生漏电测试信号，测试断路器能否断开，所述led指示电路112用于指示断路器的工作状态，所述温度检测电路113用于检测断路器内部的温度，所述开关状态检测电路109、测试电路、led指示电路112和温度检测电路113分别与mcu主控电路110连接。
40.如图2所示，所述的mcu主控电路110用于整个系统的计算和控制，当主回路中剩余电流超过设定阈值时，mcu主控电路110可输出脱扣信号使脱扣电路114工作并带动断路器脱扣，mcu主控电路110包括单片机u4，以及分别与单片机u4连接的电阻r6、电阻r7、电容c13、电容c14和电容c15，单片机u4可以选择stm8s003f3p6，也可以选择同等规格或资源更丰富的单片机，例如stm32系列的单片机，都属于本发明创造的保护范围。
41.如图1、3-5所示，所述电源电路115包括依次连接的buck开关电源电路101、ldo线性稳压电路102和电压基准电路103，buck开关电源电路101将电源进行第一次降压得到第一电压，ldo线性稳压电路102用于进行第二次降压将第一电压降压为第二电压，电压基准电路103将第二电压降压为vref基准电压。本实施例的buck开关电源电路101用于将230v电源降为7v电源，也可以是较宽的低电压的直流电，只需满足后面ldo线性稳压电路102的输入电压要求即可，ldo线性稳压电路102包括线性稳压器件u2，用于将buck开关电源电路输出7v电源降为低纹波的5v电源供整个系统的取电用，用于给剩余电流采样电路116、mcu主控电路110等供电，电压基准电路103包括分压电路和跟随电路，电压基准电路103用于产生2.5v的vref基准电压给运算放大器，用于抬升运算放大器的输入和输出信号。本实施例的线性稳压器件u2的型号优选为ams1117-5.0。
42.具体的，如图3所示，所述buck开关电源电路101包括整流桥br1、π型滤波电路和非隔离开关电源芯片u1，buck开关电源电路101的输入端从断路器的进线端取电后，先经过整流桥br1整流，再经过电容c3、电容c8和电感l1组成的π型滤波电路滤波，再经过非隔离开关电源芯片u1降压后输出低压直流电到ldo稳压电路102，通过ldo稳压电路102分别为电压基准电路103、剩余电流采样电路116、mcu主控电路110和脱扣电路114，以及放大器、电流互感器等器件供电，电压基准电路103的分压电阻将供电电压分压后输入电压跟随器，最后得到vref基准电压。本实施例的开关电源芯片u1型号优选为lnk306dn。
43.可以理解的是，电源电路可以由其它电源芯片或电路方案产生，电压可以是5v和2.5v，也可以是其它电压值，能够满足单片机u4采样的电压要求即可。
44.如图6所示，所述振荡电路105为rl自谐振荡电路，振荡电路105与互感器104组合产生频率较高的振荡信号，振荡电路105包括波脉冲电压发生电路和方波脉冲电压驱动电路，脉冲电压发生电路输出方波信号控制方波脉冲电压驱动电路循环向剩余电流互感器的漏电检测绕组提供正负方向交替的电压。
45.具体的，所述方波脉冲电压发生电路包括由运算放大器u3b构成的滞回比较器，所
述运算放大器u3b的反向输入端经过限流电阻r28连接到采样电阻r31和互感器的漏电检测绕组的一端，电阻r32跨接在运算放大器u3b的同向输入端和输出端，运算放大器u3b的同向输入端通过电阻r33和电阻r32与参考电压vref连接得到阈值电压，所述方波脉冲电压驱动电路包括npn三极管q2和pnp三极管q4构成的半桥驱动电路，所述运算放大器u3b的输出端通过限流电阻r29和滤波电容c20分别连接到npn三极管q2和pnp三极管q4的基极，所述npn三极管q2和pnp三极管q4的发射极相互连接后与互感器的漏电检测绕组连接，用于向互感器的漏电检测绕组输出正负方向交替的方波脉冲驱动电压，npn三极管q2的集电极连接电源正极，pnp三极管q4的集电极连接电源负极，npn三极管q2和pnp三极管q4在滞回比较器输出的正负方波电压驱动下交替导通，并循环向剩余电流互感器的漏电检测绕组提供正负方向交替的方波脉冲驱动电压。
46.如图16-17所示，当不存在剩余电流时，剩余电流互感器的漏电检测绕组两端的激磁电压、激磁电流和采样电阻r31两端电压的波形图如图17所示，互感器磁芯的磁化曲线如图16所示，此时振荡电路工作过程如下：
47.(1)假设当t＝0时，激磁电压从正半波开始，当0《t《t1时，互感器磁芯处于磁化曲线负向饱和区，此阶段磁感应强度b变化较小，激磁电流从零迅速上升；
48.(2)当t1《t《t2时，磁芯进入磁化曲线的线性阶段，此时磁感应强度b变化较大，激磁阻抗变大，激磁电流缓慢上升；
49.(3)当t2《t《t3时，磁芯进入正向饱和区，磁感应强度b开始变小，激磁电流迅速上升；
50.(4)当t＝t3时，激磁电流达到峰值ir，采样电阻电压达到滞回比较器阈值电压vr，这时滞回比较器输出电压反转，进入负半周期。负半周期阶段的激磁电流和正周期的变化过程相似，整个过程正负半周期对称。
51.当存在正向直流剩余电流时，会产生一个直流偏置磁场作用在互感器的磁芯上。此时正半周期所需的激磁电流较小，负半周期要克服正向直流电流产生的偏置磁场，所需的激磁电流会较大，造成正负饱和区激磁电流不再对称。这时滞回比较器输出的原本对称的方波激磁电压变得不再对称。当存在负向直流剩余电流时变化过程相似，剩余电流信号通过这种方式被转化成具有不同占空比的方波信号送到下一级积分电路。
52.如图7所示，所述积分电路106包括高通滤波器和运放积分电路，所述高通滤波器将输入进来的占空比信号滤除低频成分，运放积分电路将输入进来的占空比信号转化为包含高频载波信号的三角波信号。所述高通滤波器包括电阻r35和电容c22，电容c22并联在电阻r35两端，所述运放积分电路包括运算放大器u6a、电阻r36、电阻r37和电容c23，vref基准电压经电阻r37、电阻r36连接到运算放大器u6a的同向输入端，电阻r35连接到电阻r37与电阻r36之间，运算放大器u6a的输出端连接到反向输入端，且输出到滤波电路107。
53.如图8所示，所述滤波电路107的输入端连接积分电路106的输出端，滤波电路107用于滤除三角波信号的高频载波成分，得到漏电流的原始波形特征。
54.可以理解的是，所述滤波电路107可以是二阶有源滤波电路也可以是四阶有源滤波电路。
55.具体的，所述滤波电路107包括两个串联的二阶有源滤波电路，两个串联的二阶有源滤波电路串联组成四阶有源滤波电路，所述两个二阶有源滤波电路分别包括运算放大器
u6b和运算放大器u6c，运算放大器u6b分别与电阻r38、电阻r40、电阻r41、电阻r42、电阻r44、电容c24和电容c26连接，运算放大器u6c分别与电阻r39、电阻r43、电阻r45、电容c25和电容c27连接。电阻r40一端与积分电路106的输出端连接，另一端经电阻r41连接到运算放大器u6b的反向输入端，vref基准电压经电阻r44连接到运算放大器u6b的同向输入端，运算放大器u6b的输出端经电阻r42、电阻r42连接到运算放大器u6c的反向输入端，电容c26一端与vref基准电压连接，另一端连接到电阻r40和电阻r41之间，电容c24一端与运算放大器u6b的输出端连接，另一端与运算放大器u6b的反向输入端连接，电阻r38一端与运算放大器u6b的输出端连接，另一端连接到电阻r40和电阻r41之间；vref基准电压经电阻r45连接到运算放大器u6c的同向输入端，运算放大器u6c的输出端输出到偏置调整电路108，电容c27一端与vref基准电压连接，另一端连接到电阻r42和电阻r43之间，电容c25一端与运算放大器u6c的输出端连接，另一端与运算放大器u6c的反向输入端连接，电阻r39一端与运算放大器u6c的输出端连接，另一端连接到电阻r42和电阻r43之间。
56.如图9所示，所述偏置调整电路108用于调节漏电流信号正负向的偏移量，使正负向漏电流信号关于基准电压对称，该调整后的信号进入mcu主控电路110的adc接口，用于分辨漏电流的特征以及计算漏电流的大小。本实施例的偏置调整电路将前一级滤波后的漏电波形校准一下基准电压，消除滤波过程中导致的零点漂移，然后送到单片机u4计算，可以提高产品的一致性。
57.具体的，所述偏置调整电路108包括由运算放大器u6d构成的反向放大电路，滤波电路107滤波后的漏电信号通过电阻r19连接到运算放大器u6d的反向输入端，反馈电阻r18连接运算放大器u6d的反向输入端和运算放大器u6d的输出端，再经过电阻r21、电阻r22、电阻r23和电阻r24构成的电压调节电路连接到运算放大器u6d的同向输入端，运算放大器u6d的同向输入端通过电阻r21、电阻r23和电阻r24分别与电源电路、vref基准电压和接地端连接，通过调节电阻r21和电阻r24能够得到不同的基准电压，将输入的漏电信号波形调整到关于vref基准电压对称，运算放大器u6d的输出端通过电阻r20和电容c18构成的滤波器连接至单片机u4的第19脚。具体的，电阻r21、电阻r22、电阻r23串联的一端与电源电路连接，另一端与vref基准电压连接，电阻r24一端接地，另一端连接到电阻r21和电阻r22之间，运算放大器u6d的同向输入端连接到电阻r22和电阻r23之间。
58.如图10所示，所述脱扣电路114用于控制脱扣器使断路器断开主回路。具体的，所述的脱扣电路114包括电阻r11、电阻r2和电阻r13，npn三极管q1和脱扣器j1，电阻r12一端连接单片机u4第10脚，另一端连接到npn三极管q1的基极，当接收到单片机u4发送的脱扣信号时，三极管q1导通使脱扣器带动机构实现脱扣动作。
59.如图11所示，开关状态检测电路109从断路器的出线端取电，并根据断路器出线端的电流信号输出对应电平信号至mcu主控电路110，mcu主控电路110根据此信号判断断路器分合闸状态。所述开关状态检测电路109包括光耦u5，光耦u5的输入端从断路器的出线端取电，光耦u5的输出端连接mcu主控电路110，光耦u5根据断路器出线端的电流信号输出对应电平信号至mcu主控电路110，断路器出线端的电流信号由断路器的分合闸状态决定，光耦u5能够在断路器合闸后电路产生一个低电平信号，并在断路器脱扣掉电后变为高电平信号，mcu主控电路110根据此信号判断断路器分合闸状态。
60.具体的，由断路器的出线端引出的l电源线通过二极管d4整流后经过电阻r15、电
阻r16和电阻r17降压后连接到光耦u5的正向输入端，电容c17和稳压二极管d5连接到光耦u5的负向输入端和断路器出线端的n相电源线，光耦u5的输出端通过一个上拉电阻后连接mcu主控电路110。
61.如图12、13所示，所述测试电路包括试验按钮电路111和模拟漏电电路117，所述试验按钮电路111用于检测是否外界触发试验按钮装置，试验按钮电路111在检测到试验按钮按下时驱动单片机u4产生模拟漏电信号至模拟漏电电路117，模拟漏电电路117接收到单片机u4发送的模拟漏电信号后控制互感器104的测试绕组导通并产生振荡信号，振荡信号耦合到互感器104上的剩余电流检测绕组产生测试信号，如果断路器能按照预计情况脱扣，则说明断路器状态正常，可以继续使用。
62.具体的，所述的模拟漏电电路117包括互感器的测试绕组、npn三极管q3、电阻r27、电阻r30，电阻r30一端连接单片机u4的第1脚，另一端连接npn三极管q3的基极，三极管q3控制测试绕组的通电状态，所述电阻r27一端连接电源正极，另一端连接到互感器104的测试绕组的一端，测试绕组的另一端连接npn三极管q3的集电极，npn三极管q3的发射极连接到电源的负极，单片机u4通过输出测试信号控制导通测试绕组进而模拟产生漏电信号使断路器脱扣，单片机u4发送一个模拟漏电信号后通常是一个pwm信号测试绕组间断导通，使互感器产生振荡信号，剩余电流检测绕组检测到漏电信号后，由单片机u4控制断路器分闸；
63.所述的试验按钮电路111包括开关按钮s1、电阻r25、电阻r26和电容c19，电阻r25一端连接开关，另一端与电容c19和电阻r26相连，并且与单片机u4的第6脚相连，电容c19和电阻r26另一端接地，开关按钮s1另一端连接电源正极，当按钮按下时电源接通，单片机u4第6脚接收到高电平后从第一脚发出模拟漏电信号到电阻r30一端，从而控制测试绕组产生振荡信号，振荡信号耦合到互感器上的剩余电流检测绕组，从而模拟断路器漏电脱扣。
64.如图14所示，所述温度检测电路113由热敏电阻构成，用于检测断路器内部的温度。具体的，所述的温度检测电路113包括电阻r9、热敏电阻r10和电容c16。电阻r9一端连接电源正极，另一端连接热敏电阻r10和c16，并和单片机u4第14脚相连，r10和c16另一端连接电源负极。随温度变化，热敏电阻r10的阻值发生变化，单片机u4根据采集到不同的电压值判断温度的变化，从而在温度过高时驱动脱扣电路114使断路器脱扣实现过温保护。
65.如图15所示，所述的led指示电路112包括发光二极管d3，断路器上电后指示灯常亮，断路器有漏电脱扣后再次上电指示灯闪烁。所述led指示电路112还包括与发光二极管d3串联的电阻r8，串联后的一端连接电源负极，另一端连接单片机u4的第13引脚，单片机u4通过输出高电平用以指示断路器的工作状态。
66.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明创造所作的进一步详细说明，不能认定本发明创造的具体实施只局限于这些说明。对于本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。