专利名称：直流电断路器的固态脱扣单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及直流检测型的接触器和断路器，也即，此处为保护负荷所要遮断的线路是一条直流电线。
这种类型的断路器包括有直流检测电路，它的功能最好由置于断路器壳内的一个检测器来完成。正如William J.Murphy的美国专利NO.4，743，875所示，都知道要设计一个直流分流器以便能把它整个地放到断路器外壳范围之内。
一个直流型断路器一般都设有一个或多个电极。以多个电极或多个触头用在直流线路的各相应部份为的是保证更可靠。虽然直流检测功能可与一个电极结合，但从Harry H.Nagel的NO4，492，941美国专利可知，用几个直流检测器分别放到一台断路器的几个这样的电极上，这种并列设置的目的也是为了提高总的可靠性。
一台断路器一般包括一个脱扣单元，该单元包括1.一个瞬时部件，它瞬时地反映检测到的直流线路超过某一预定临界值的任何过电流，即当要求瞬时保护时，像在起动时的情况;2.一个短延时部件，它允许短时期的大电流在规定的短时内，检出的电流在水平以下时不脱扣，并一般按检测的电流与时间为反比关系设定;以及3.一个长延时部件，一般地按电流平方设定。例如，可从美国NO.4，266，259和4，423，458专利见到。
脱扣和直流检测最好是旋转在断路器外壳内部的功能元件。前面所提到的Murphy专利就是一个这样设计的直流检测功能元件之例，它可以全部放到断路器或接触器的外壳之内。脱扣单元的功能元件也是整个放在这种公共外壳之内的。断路器要求的另一个功能元件是电源。一个电源和变换器也是用于对各电路元件提供电压和电流。期望这样的电源和变换器也放在外壳内部并靠近脱扣单元。由于电源、各检测元件和脱扣电路相互连接所产生的一个问题就是电气上的隔离。在这方面，众所周知有两种电路部件可提供很好的电气隔离。一个是变压器，它包括功率和电流的传递。另一个就是光一电耦合。后者主要涉及信号的传递。本发明的目的是联合这两种电气隔离的功能元件，以提供一个改进的更紧凑的电源、直流检测和脱扣单元的功能集合于一个断路器之内，并且，更具体地说，是所有元件都置于一个公共外壳之内。
本发明在于一台断路器包括有，在一个共同外壳之内的至少一个直流检测器，而这个或数个检测器是与电源和由该电源供电的脱扣单元在电气上是隔离的。为了达到这种效果，从检测器得到的代表线路电流的信号通过一个脉冲宽度调制器而输出到一个光一电耦合器，再由此输入到一个脉冲宽度解调器，产生一个代表真实的检测电流，然后将该电流送到脱扣单元。
更具体地说，直流电流检测器是光一电耦合到脱扣单元的，以便将代表检测的直流电流的信号传递到那里。检测的直流信号在光一电传递之前转换为一个脉冲宽度调制(PWM)信号，而这种脉冲宽度调制(PWM)信号在这样传递之后被解调。脉冲宽度调制和解调是受通过一个变压器从所述电源得到的直流电压的影响的，因而，脱扣单元是响应于解调后得到的直流电流代表信号，它不受电源电压任何变化的影响，并且直流电流检测器仍由该变压器保持与电源和脱扣单元隔离。
依照本发明的另一方面，该电路断路器是一种双极型断路器，它包括两个直流电流检测器，用来产生相对应的电流代表信号，并且具有相应的PWM调制器，用来把PWM信号传送给对应的光一耦合单元，还具有对应的PWM解调器，它响应于各相应的所述光一耦合单元，以便将解调的信号输入到脱扣单元去。更具体讲，设有选择最大输出装置，以便将唯一和主要的解调信号一次就加到脱扣单元上。
结合下述附图进行的举例说明将更容易明了本发明。
图1是本发明所用的直流检测电路的方框图，用于产生一代表加到断路器脱扣单元的直流电流;
图2A是说明用于图1电路的调制和解调作用的方框图，图2B用曲线表示经过连续调制和解调后产生的信号保持不受那里所加基准电压的变化影响;
图3表示双直流检测单元，借此说明本发明最佳实施例;
图4表示的电路为一个直流检测电路，在与一个PWM调制器联合并耦合到一个诸如图3电路用的光耦合单元上;
图5表示两个解调器电路，它们在调制信号已经通过它们各自的光一耦合单元后去响应图4的这种PWM调制器信号，还有控制脱扣单元的选择最大输出电路也被表示出来;
图6表示电流额定值插头，要选择的电阻是按一个表格的关系而定，表格中指明对应电流额定值的比值;
图7示出对图5的控制信号起响应的脱扣单元电路;
图8示出图7中电压额定值插头的编排;
图9是电源，包括一个变压器用以为两个电路的产生电压，像在图4中的以及在图3中用的电路，还产生用在脱扣电路中的电压;
图10显示几条曲线，它们表现为可以使用在本发明的断路器中的典型时间-电流特性曲线。
参照图1，所示的一个接触器包括触点CNT，当闭合时，在气上联接了属于直流线路L上的两个导电端子，并且在一个线圈释放时被操作到打开，即当一个指令单元CU由脱扣单元TU通过线路10上控制的时候。通过导线L上的直流电流被一个直流分流器检测到，它存在于在触头CNT后边，并夹在导线扩展延伸部L′和导线L连续部之间的检测器上。这个检测器最好是一个迭片锰铜检测器，如美国专利NO.4，743，875所描述的那样。检测器在导线1上提供一个电压信号Vdc，它代表通过线路L上的直流电流。期望能最大限度和紧凑地组装，以压缩要求与断路器装在一起的电气元件的数目，把它们装在断路器外壳之内以便更佳和更可靠地运行。在此方面，本发明的一个目的就是要在一个外壳之内安装电流检测器，脱扣单元的电源及脱扣单元，同时要对电流检测器提供电气隔离。后者是用在PHT的光耦合及一个变压器TNF将联接电源耦接到脱扣单元电路和电流检测电路来完成的。导线1上检测到的信号(Vdc)被脉冲宽度调制器MOD转变为脉冲-宽度调制信号(导线2上)，并通过光耦合，而这个通过的脉冲宽度调制信号(导线3上)被一个脉冲宽度解调器DEMOD再转变为一个检测电流代表信号(V′dc)。于导线4上电源把一个方波电压加到变压器TNF的初级绕组W1上，而次级绕组W2在导线7上产生一个方波电流，该电流经过线7送到整流器RCT上;于是在线43上产生一个电压，这是一个基本电压V，用于脱扣单元TU上的电路元件。变压器TNF还有另一个次级绕组W3，它通过导线6提供方波电流到整流器RCT上，这就在线60上提供了一个基本电压，用于在脉冲宽度调制器MOD内产生三角波。所以，光耦合PHT和变压器TNF提供了沿图1中(虚)线IS1的电气隔离，使电流检测器与电源和脱扣单元TU两者隔离开。众所周知，在一个断路器内部由光耦合去通过一个逻辑状态的指令信号(例如可见George T.Mallick的美国专利NO.4，456，867)，现在推荐传送一个由光耦合到脱扣单元的直流电流代表信号，而不损伤信号的质量。在MOD上把在线路1上检测到的信号Vdc进行脉冲宽度调制，然后，把在导线2上的输出的脉冲宽度信号通过光耦合装置PHT传输，并通过脉冲宽度解调器DEMOD进行有效的反变换，这些都要求有一个电源能提供恒定直流电压V于MOD和DEMOD电路上，以便产生具有相同特性的三角波，即不影响导线2上的信号宽度也不影响导线4上的合成信号V′dc的幅度，因为在线1上的检测信号是弱小的并对线路电流的变化很敏感。所以在导线4上的脱扣值应始终有效是重要的。DEMOD电路是由一个电压V来供电，它是由来自绕组W2和线7的方波电流提供的，并由反应线8的另一个整流器RCT整流而输到线30上电压V。在原理上，可在线60，30和43上得到同样的电压V。然而这个电压在幅度上会变化，而这可能影响由MOD进行PWM调制后送到导线2上的信号值。参看图2将可以见到，由于电源电压变动在线6上的任意影响也将作用到线8上，而这一共同作用的V对于解调器DEMOD在脉冲宽度解调过程中将与其对于调制器MOD在脉冲宽度调制过程起相反作用，因为W2和W3是跟踪电源PS中同一电压变化的。
图2A表示图1的调制器MOD电路，包括一个三角波发生器GEN，它对振荡信号OSC和线60上的基准电压V响应，于是在线11上发生一个三角波，这个三角波输入到比较器CMP，与线1上的信号Vdc一起作为一个基准信号。其结果是，在线2上就输出了一个方波信号，它具有的宽度依Vdc的幅度而决定。这个从线2上通过光-电装置PHT而传输到线3上的信号是同样性质的。解调器DEMOD响应于线30上的同于线60的电压V在Cr由线3上的方波积分平均后作为运算电压，其结果就是在线4上的电压V′dc，它是线1上信号的真实再现。图2B的曲线说明线60和30上的电压值从V变到V′的效果。如图从属号(a)所示，在线11上产生的并送到电路MOD的三角波，在电压为V时(高的+V1，低的-V1)是ABCD，电压变为V′时(高的+V2，低的-V2)是A′B′C′D′。结果是，所产生的方波(如从属号(b)所示)具有一个由新斜率三角波调制的宽度。在电压为V时的aa，bb，cc，dd，变成为在电压为V′时的a′a′，b′b′，c′c′，d′d′。这即是由光敏装置PHT将交替地传送过去的。但是，在解调过程中，在高向所增加的面积正好被由宽向所损失的面积所抵消，所以在DEMOD电路之后其平均值仍保持相同，并且V′dc(线4的)是正比于Vdc(线1的)。
图3是本发明的最佳实施例。通常，电气断路器包括3个各有触头CNT1、CNT2和CNT3的电极，都由一个公共线圈控制，以便分别切断联到负荷上的导线L1、L2、L3。第一和第二电极各有一个直流分流器(分别是DS1和DS2)，典型地是一个锰铜电流分流器，例如像美国4，743，875专利所揭示的那样。单一的检测器设计对接地故障和接线错误是特别薄弱的，这可能导致断路器和它的负荷没有保护。按照本发明的最佳实施例提供的断路器是一个具有锰铜分流器的固态脱扣单元，分流器被置于三极断路器的各极的外边。要满足的典型规范如下-脱扣单元和电流检测器按装在断路器的外壳之内;
-设置一个可移动的电流额定值插销，设计成持续电流额定值为600，700，800，1000和1200安培;
-一个可移动的控制电压额定值插销，设计为标称控制电压24，48，125，250，360和500伏;
-设置一个不可调的长延时检出装置，它有一个从1.05X到1.25X的允许带宽;
-长延时功能元件具有在4X时脱扣时间从19至38秒的一个反时限特性，还包括一个长延时记忆器，以保证在间断性的过负荷条件下可靠地脱扣;
-提供一个可调的瞬时脱扣功能元件，具有1.5X至5X电流额定值的整定插销，允许误差±10%;
-控制电压输入是无极性的;
-控制电压输入有欠电压保护，具有±5%欠电压脱扣的允许误差;
-安装在电压定值插销内的熔断器是用于过压保护的;
-欠电压(UV)脱扣线圈推荐使用机械地脱扣断路器的触头。
为了满足所有这些要求，需要特别注意壳内的紧凑性，电气上的兼容性和这些部件在一起时各单元之间的隔离和绝缘并且在功能上密切的协调。
电阻率为180欧姆/mil2/ft〔180欧/圆密尔2/呎〕而电阻温度系数为±15PPM/oC的锰铜分流器是用来构成电流检测器DS1和DS2的。锰铜对于有+3毫伏/℃的铜来讲具有相对低的热电势，这就允许对分流器的设计以额定电流时的低毫伏降考虑。在本发明的分流器设计中，锰铜元件是用铜合金焊在两个铜导体(图1中L和L′)之间，而电压引线焊到端子线上(图1的L)，而它们又联到靠近锰铜元件的铜导体上。然后分流器又复盖上一层氧化物保护介质。
本断路器分路器按1200安培的电流输入产生3mV输出设计的。分流器仅只是一个电阻性检测元件，所以它的电阻值可以由欧姆定律直接计算出。知道了所要求的电阻容量后，分流器的物理尺寸按下方程决定R＝P×1m/A，其中R＝15×10-6ohm/in/in21m＝用英寸表示的分流器长度;
A＝横断面面积，平方英寸;
分流器DS1和DS2分别直接的联到包括有导线L1和L2及触头CNT1和CNT2的外侧电极上。这样，一般情况下，在有负荷跨于其上时，一个极可以是+600V而另一极处于0V。所以在壳内部有关的电路必须是电气上绝缘的。来自DS1的导线1被连到一个放大电路和脉冲宽度调制电路MOD1，用以根据在线1上检测到的电压Vdc的幅值于不同周期(宽度)内产生一个预定的电压信号(由一个“零”截止一个“1”)。然后，这样的脉冲宽度调制的信号再通过光电耦合装置PHT1，所以这同样的信号可以被转到导线3上，而具有两侧电气上隔离的优点。同样的情况也发生在DS2，线1′，放大器和PWM电路MOD2，导线2′，光电耦合装置PHT2和导线3′上。为此电路所要求的600伏电压隔离(在此例中)是由变压器的隔离所提供的，如变压器TNF所示(原级绕组W1和分别对于MOD1及MOD2电路的次级绕组W3和W3′)。电路的电源是电力工业供电提供的，或是由电压为V1N的备用电源提供，它是通过电压定值插销然后分别送到电源PS和脱扣单元TU，电源是一个输出方波脉冲电压到原绕组W1的DC/AC转换器。次级电流引入到分别为MOD1及MOD2供电的次级绕组W3和WS′及次级绕组W2，这是用于脱扣单元TU的。这三个次级绕组提供(从W3通过线6到MOD1，从W3以线6′，从W2以线7，整流以后分别到MOD1，MOD2和TU中)电压V用来加到附属电路的电气部件上。如图1、2A和2B所述，线3上的信号由解调器电路DEMOD1解调，同样情况也由解调器DEMOD2解调线3′上的信号进行。经由对于DEMOD1的导线7和8，及对于DEMOD2的导线7和8′并各自通过一个整流器，于此得到对于DEMOD1及DEMOD2所要求的电压都是由绕组W2所提供的。在导线2和2′上的信号被转变为由DEMOD1出来的输出线4上的和由DEMOD2出来的输出线4′上的可靠的信号，它们都要被输入到脱扣单元TU中去。
MOD1或MOD2的内部机构将由图4来说明。每个分流器的输出(可以是正或负)是被放大并且这信号是脉冲宽度调制的。假定，例如图4表示MOD1的运算响应于DS1、线13和14(它们是与图1的线1相对应的)输入到反相放大器U/A的各自输入端。UIA的增益可使用电位器R4从100到125倍来进行调整，线15(输出)到线13(在输入上)的反馈方式进行调整。电路的增益要调整到当电流分流器放大器的输入为3mV时流过1200安培电流额定插销(图3中CRP)有0.5伏。
脉冲宽度是由下述结构得到的，即由一个作为积分器(U2A)使用的运算放大器、一个比较器U3A(在线16上的三角波和在输入端线15上的基准信号)以及比较器U3B和U3C的运算(由积分器输出端线22)还有与非门装置(U4C和U4D)联接起来作为一个双稳触发电路FLP组成。U3B输出到U4C的“1”输入端，而U3C输出到U4D的“0”输入端。通过线25使U4C的输出逻辑加到U2A的反相输入端，而U2A的输出经过线22走到U3B的非反相输入端及U3C的反相输入端。由积分器(U2A和CR常数的C7，R7)限定斜率的三角波发生在线22上，并加到比较器U3A上，U3C接收线15上的信号作为一个基准信号。这脉冲宽度调制的信号由U3A输出到线28上去。设置两个并列的与非门装置(U4A，U4B带耦合器C4，C5)是去响应线28的。线20和21接到光耦合器PHT内部一对光-电二极管的输入端。各光电晶体管在PHT内部响应去产生在线32上的正或负状态，这完全要依赖于在所加电压下(线30上+V3或线31上-V3)那一个晶体管是导通的。电压V2(线60上+V2，线31上-V2)是加到调制器(MOD1或MOD2)上，它是如图3所示导出，并且也是经过整流器RCT的(属于图1整流器RCT的CR1和CR2)。这些电压出现在前面所述装置U1A，U2A，U3A，U3B和U3C运算放大器上。
相应地，线15上的幅度输入信号Vdc加到U3A的管角7上，而脉冲宽度调制的信号出现在其输出端，也就是分别在U4A和U4B的管角3和4上。在U3B的正输入端的基准电压是+4.6V，而在U3C的负输入端是-4.6V。在起动的时候，如果U3B和U3C(线22上)的管角4和9是-7V，那么U3B的输出将是+7V，而U3C的输出将是-7V，其结果在双稳触发器FLP(U4C和U4D)的管角10有一个-7V输出。双稳触发器的输出由线25通过电阻R7连到U2A的输入上。U2A、R7和电容C7(在一个运算放大器的反馈线上)组成一个积分器，它具有由线22把它的输出馈送到比较器U3B，U3C的输入端。积分器的输出(线22和16)按线性增长直至在U3B(由线60)的+4.6V基准被超过时为止。在这个瞬间，U3C的输出是+7V而U3B的输出转换到-7V，结果是双稳触发器(管角10和线25)的输出为+7V。现在积分器的输入是+7V，它的输出(线22和16)开始线性下降。当到比较器(线22)的输入变成小于-4.6V(这基准是来自线60对U3C的)，U3C的输出转换到-7V，这样循环自己重复下去。一个三角波就发生在线22和16上了。比较器U3A使用线15上的信号作为基准与线16的三角波作比较，结果是一个脉冲宽度调制信号就出现在管角3和4上，这信号正比于流过锰铜分流器的电流。
正如刚刚描述的，对于每个检测器(DS1，DS2)都得到一个PWM信号。这些信号和它们的反相信号都经过滤波，然后被选出最大的输出，以便去产生跨过电流定值插销CRP(图3和图6)上的一个电压，此电压正比于被检测到的最大直流电流幅度。脱扣单元TU有三种脱扣功能1/.它产生一个长延时功能，这个功能是正比于I2m;2/.它提供一个瞬时脱扣功能，它是从额定电流插销值的1.5X(倍)到5X(倍)，可调;以及3/.它具有欠压脱扣功能。在额定电压插销内的一个电阻可决定欠电压脱扣的整定值。保护电路的输出控制着欠电压脱扣线圈，这线圈从机械上断开断路器的触头CNT1至CNT3。
仍参考图4，在接收端光耦合器PHT内部有两个光敏晶体管，它们串连在正负电位线30和31之间，一个的发射极连到另一个的集电极。还有一个公共线32，载着由于晶体管之一根据线20和21上传送的脉冲宽信号而导通时所建立的逻辑。组成双极性光电耦合器的装置U5，是在公开市场上作为MCT6来销售的。
参看图5，解调器电路DEMOD1和DEMOD2以操作电压(+V3，-V3)为代表加到所有运算放大器上，它是由变压器TNF的绕组W2经线7和8(或7或8′)被整流器RCT整流后而得到的，如在图4所示的那一个。这电压还由线30(+V3)和31(-V3)加到两个串联的光电晶体管(对于DEMOD1在PHT1内部)的末端电极上，以及被同类导线(30′和31′)加到另外一个光耦合器(对DEMOD2在PHT2内部)。对于DEMOD1，图5的U1A对线30，32和31起响应。对于DEMOD2，U1C对同类线30′，32′和31′起响应。在DEMOD1中，U1A的输出由电阻RA1B，RA2B和电容C5及C6滤波，以便在线134上产生一个直流电压加在比较器U2B的正输入端上，这电压是正比于线1的电流分流信号Vdc。U1A的输出也被U1B反相，并且这个反相信号也被滤波(由电阻RA1A，RA2A和电容器C3和C4)以在线133上产生直流电压加到比较器U2A的正输入端上。同样，对于DEMOD2，U1C的输出也由RA1D，RA2D和C9和C10滤波，产生一个在线134′上的直流电压加到U2D的输入端上，它也是正比于线路1′上的电流分流信号Vdc。U1C的输出也由U1D来反相，。反相信号被RA1C，RA2C，C7和C8来滤波，以产生一个在线133′上的直流电压加到U2C的正输入端。比较器U2A，U2B，U2C和U2D利用在公开市场上销售的LF444运算放大器。它们都是以在线138上的信号为公共基准信号的比较器，这信号来自电流定额插销CRP。导线133、134、133′和134′上四个信号中之一出现在结点J1上，而后者被连接到晶体管Q2的基极上。这个装置是一个选择最大输出电路的最后一个元件，这电路包括比较器U2A，U2B，U2C，U2D及导线135，136，135′和136′各自的输出，还有两个整流器，其中U5C是用于在DEMOD1部分中导线135和136的，而另一个U5D是用于在DEMOD2部分中导线135′和136′的，每一个都包括每个输入线上(一种装置称为CA3141E)的一个二极管。在运行时，导线133、133′、134、134′上四个信号中，那个具有最负信号的一个将引起它的输出减少直到它变成等于(在比较器U2A，U2B，U2C，U2D中之一)跨在电流额定值插销上的电阻RP2上的电压为止。这是由于从CRP来的线138的反馈连接到U2A，U2B，U2C和U2D的反相端而造成的。当着这种选择最大电压出现在Q2的基极上时，后者变成导通的并且跨过电流额定插销电阻RP1上发生的电流沿着线40出现，这是一个检测到的由脱扣单元TU进行跳闸用的关键信号。
断路器使用电流定值插销，所以它可以设计成按单个电流分流器设计，插销可以根据实际调整成所需要的额定值。当断路器内部安装1200安培电流分流器(DS)时，这种可改动电流额定值的插销就设计成提供600，700，800，1000和1200安培的连续定值。图6示出电流额定值插销及它的三极导线138，138′和138″处于与电阻RP1(线138和138′之间)和电阻RP2(在线138和138″之间)的星形联接。
RP1和RP2的值按着下表确定着电流额定值表Ⅰ额定值 RP1 RR21200A 零欧姆 20K1100A 1.82K 1.82K1000A 3.48K 16.5K900A 4.99K 15.8K800A 6.65K 13.3K700A 6.25K 13.3K600A 10.0K 18.8K电流额定值插销有两个功能。在线41上每单位信号(Vrp)产生一个-伏，这是在脱扣电路TU内长延时和瞬时脱扣功能的输入信号，以及在线40上对于每单位信号(Irp)产生一个-25毫安，这是在脱扣电路TU上的进行平方功能的输入。
参看图7，脱扣电路的逻辑和保护功能现在参考所示的指定电路来考虑。
线41是到长延时检出部分的输入线，检出部分包括两个比较器U4B和U4C。线41又由线58输送到U4B的负输入端，还被线59送到U4C的正输入端。基准电压就建立在对面线路(57和56′)上，是在施加的公共电压V3作用下，并通过图示的那些电阻得到数个参考电压。齐纳二级管CR11和电阻R19，R20和R21提供一个-0.575伏基准于线57上。当线41和58上的电压(Vrp)小于基准(线57上)时，在线54上的U4B的开路集电极输出变成高阻抗状态，这就允许电流(Irp)从线40(图6晶体管Q2集电极以外)的节点J3流到由晶体管U3A，U3B，U3C和CR12组成的乘法器电路。这是一个4晶体管芯片的一部分，芯片为CA3886。这个集成电路已经在IEEE固态电路月刊上说明，见Vol.SC-3，NO.4，1968年，12月份的第353-365页，题为“一种新的宽带放大器技术”(ANew Wide-Band Amplifier Technigue)，作者为Barrie Gilbert，以及在365～373页上的题为“一个精确的具有亚毫微秒响应的四分之一乘法器”(A Precise Four-Quadrant Mutiplier With Subanosecond Response)作者Barrie Gilbert。这两篇文章在此结合作为参考。长延时检出是不能调整的。检出允许范围是插销额定安培值的1.05至1.25倍。
现在考虑图7的长延时功能，当发生一个长延时检出时，输入电流Irp从线40流进晶体管U3C的管角11，该电流是由晶体管U3C，U3A和U3B与齐纳二极管CR12联合组成的乘法器的输入。平方值I2RP出现在线48和51上。一个参考电流Iref是由晶体管Q1在结点J4提供给该乘法器。Q1的基极位于结点J7上，即处于一侧是电压-V3和电阻R9和另一侧是齐纳二极管CR9与其串联的二极管CR10和电压+V3之间。Q1的发射极处于电压+V3和电阻R10，R11和R12之下，而它的集电极把参考电流Iref送进节点J4。+V3和-V3电压分别由线43和43′提供。这是一个在它的输出节点J4上提供Iref的一个电流源。在节点J4和J9之间是一个电容器C11，它被参考电流(在J4处)和乘法器输出电流I2rp(在J9)所充电。所以U3B的集电极按下方程接收一个合成的充电电流IchgIchg＝I2rp/Iref从节点J9和线48，51来的电源I2rp被U4A与节点J4和J10得到的线50及52上的参考Iref相比较。当在电容器C11以电流Ichg充电时，与此同时跨在它的电压也增加了。所以，经由线48和51，在比较器U4A的正输入端的电压降低了直至它降到线50节点J11和线52在比较器U4A的负输入端下。当这种情况发生时，在线53和节点J5处的输出(管角2)走到-7伏。这就是脱扣信号。它又被线55传到节点J6，即一个反相器U1F的输入端，它是向脱扣线圈电路的欠压线圈UV的输入。
长延时记忆是由电阻R15和电容器C11(在J4和J9之间)提供的，如果一个长延时检出信号在长延时脱扣之前消失时，它具有一个时间电容慢放电的RC时间常数。
图7的电路也表示出可调的瞬时检出。跨在电流额定值插销CRP上的电压(Vrp)经线41加到比较器U4C的正输入端。在那里，齐纳二极管CR11和电阻R21到R25在U4C的负输入端提供一个可调的基准电压(在-0.75V至2.5V之间)。当跨在额定值插销上的电压(Vrp)小于由瞬时电位器R25设定的基准电压时，一个瞬时的脱扣就发生了。当Vrp小于设定的基准电压时，U4C在线61上的输出变为-7V，且这个脱扣信号通过节点J6而传送到反相器U1F的输入端，这也是到欠压(UV)脱扣线圈电路的输入端。UV脱扣线圈电路表示在图7的上部。在那里所示的端子1至7都连到图8所示的印刷电路板的电压额定值插销的对应端子上。检出是由所用电压额定值插销VRP的电阻R1所决定，这是在线72和65之间借助端子4和5进行当金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)装置Q5响应曲线63和64所传来的J6上的信号而导通时提供的。当电压输入降到低于检出值时，在比较器U4D正输入(线69)端的电压将小于由齐纳二极管CR13所提供的基准电压5.1伏，一个脱扣条件就发生了(在线62上的U4D输出到达-7V)。这个-7V的脱扣信号(节点J6)是连到反相器U1F的输入，它又是UV脱扣线圈电路的输入。
图8示出电压额定值插销VRP和其相关的输入电压Vin。在那里所示的印刷电路板的端子标的数字(编号)1至5和8，用以与图7上印刷电路板的对应端子相匹配。图8的电阻R1(在端子4和5之间)与图7的电阻R13组成一个为晶体管Q3基极的电压分配器，Q3决定UV线圈是被激励，还是不激励(后者意味着断开CNT1，CNT2，CNT3触头)。电压额定值插销的设定从下面表Ⅱ选择。
串联电阻R2，R3分别连到端子1和3上，从它们的节点连到端子2上。一个齐纳二极管CR1(对于表的前两行用IN4106型，而其余行用IN4114型)是跨接到端子3和6上，而在端子4与5之间接的是电阻R1。电压Vin加到一个二极管电桥BR1(VM68型)上，在该桥输入端由一个双向吸收暂态装置TZ1(LTF255·258型)加以保护，以防止冲击和其它干扰。二极管桥联到R2和R3的结合处及印刷电路板的端子6。
如表中所示，通常直流控制电压是24V，48V，125V，250V，260V和500V，最大及最小值也如表所示。电压定值插销的作用是1/选择过电压脱扣值;2/选择欠电压脱扣值;3/校正未定极性的直流输入;4/设定电压调整器的输出。通过熔断器F1对脱扣单元提供控制电源。如果发生过压情况，TZ1的击穿电压将被超过而引起熔断器F1断开。选择电阻R2以校准欠压脱扣设定值，该设定值是基于额定值插销最小控制电压而定的。二极管桥BR1把加到脱扣单元(图7)的未定极性输入端子1，2，6上的直流控制电压加以整流。一个灯LED1安装在定值插销的前面用以指示熔断器状态和电源的合/断。选择电阻R3和齐纳二极管CR1为图7中电压调节器晶体管Q4提供基准。
在额定值为24V和48V时，电阻R1用作一个降压电阻，以便降低脱扣线圈上的功耗。在125V至500V定值运行时，电阻R1设定脱扣线圈电路中晶体管Q3的基极电流。
在调节器和脱扣线圈电路中，Q4，R3和CR1连接成为一个+8V串联电压调节器。调节后的输出加到DC/DC转换电路。然后，欠电压脱扣线圈电路与到电压调节器电路的输入并联连接。当脱扣输入是-7V时，这指明是一个非脱扣状态，MOS场效应管Q5通过反相器UIE处于导通状态。当MOS场效应管Q1导通时，脱扣线圈被激励而断路器被闭合。当+7V加到脱扣输入时，这指明一个跳闸状态，MOS场效应管Q5截止，且脱扣线圈电流通过双向吸收暂态装置MOV1自由流动，直至在线圈中的能量耗尽，这就造成欠电压线圈使断路器跳闸。
参看图9，所示电路可以用来提供125V直流电源到本发明的脱扣单元和调制及解调电路。以+16伏的线100和地电位的线111建立了两个端子TA和TB。电容器C12(10MF，25V)连接于这两个端子之间。所示的变压器TNF包括有两个初级绕组W1、W1′，它们有一个公共点J12，由线113连到端子TA，及连到电容器C12上。一个推挽电路包含有MOS场效应装置Q和Q′，当其导通时，绕组W1和W1′的外侧端交替着接地(TB)，一端经线112，另一端经线112′接地。两个绕组的公共点由线113接到正端子TA，如先前所述。计时器TMR(TLC555型)控制着Q和Q′导通的频率。更具体讲，电容器C10和电阻R16决定计时器的时间常数。在线34上的输出时钟信号在到达结点J13之前先经过一个反相器，从结点那里它经过线39′来控制Q′，并且在反相后经线39控制Q。一个吸收暂态装置连接着线112和112′。结果，方波电压被加到变压器的初级，而方波电流由其次级绕组输出。次级绕组W2由线70，70′接到端子上，这些端子接到脱扣单元(图1中线7)，在那里，一个整流器CRT产生由线43，43′(图7)加上的电压+V3和-V3。次级绕组W3沿线60、61而连到一个调制器(图3的MOD1和线6)，借此通过另一个整流器CRT产生加在图4线60和61上的电压+V2和-V2。关于图3中的调制器MOD2，可以说同样的情况发生在绕组W3′和线60′和61′上。这种转换器电路是为125V至500V定值插销而构成的。输入是由控制电压调节器的+8V输出得到的。计时器用电阻R16和电容器C10来构成一个稳态，以便产生一个7KHZ的方波。该变压器绕组的变压比为1∶1∶1∶1∶1。绕组的三个输出被整流和滤波，以提供对脱扣单元、脉冲宽度调制及解调电路隔离的直流电源。按照本发明，参照图1所述，变压器TNF和光耦合器PHT对脱扣单元提供与直流分流器在电气上的隔离。此外，当为了传送DS检测信号到脱扣单元以完成指令，而使用脉冲宽度调制时，加到这些单元上的任何电压上的不平衡或变化将正确地为施加的PWM解调单元所抵销，所以对于脱扣单元的指令信号将是检测到的信号的真实再现。变压器TNF跟踪这样电压的变化，并把无论是在调制侧或解调侧的同样的方波参数从一个绕组传给另一个绕组，并且这同样的方波也适于用到脱扣单元电路。
图10说明实施本发明断路器的一个反时限特性。在最低电流范围内，一个很长的延时(通常在120秒以上)允许在长延时检出状态(LDPU)下进行跳闸。这里，用户可根据负荷或是线路所预定的操作功能，选择能够接受的时限。当线路电流到达这样的时限(在图1上由垂线A′B′限定)时，产生检出，在给定时间延迟(也由用户设定)后脱扣即被触发。随着LDPU检出状况，沿着图1的B′C′和BC，设在断路器脱扣单元的一个长延时功能发生作用。长延时计及过电流持续周期问题，因而也就计及了过负荷或线路过热问题。这就是本技术领域所知I2t大作用或即在连续使用功率的条件下，负荷或线路的热图象技术。通常当电流范围从logI＝1至logI＝5时，延时范围在10秒至100秒之间。LDT特性是在由B′C′和BC限定的带内。断路器还可以包括一个短延时检出功能，如图1中C′D′和CD所示(典型地，在logI＝2和logI＝8之间可调，而所说的是在logI＝5附近)。其它的功能表示在D′E′和DE(1秒以下)和F′G′及FG处，后者是对大于logI＝10的大电流，并瞬时跳闸。
权利要求
1.一台断路器具有在外壳内由线圈动作的触头，它包括至少一个线路电流检测器(DS)，以便输出(线1)一个电压信号(Vdc)，它代表流过一条电力线路电流；和固态脱扣单元装置(TU)，它响应所述电压信号，当电压信号超过预定基准电平时，该信号激励所述线圈去断开电路断路器；其中，设有一个电源(PS)以对所述脱扣单元装置提供一个直流操作电压；其特征在于装置(MOD)，它用脉冲宽度调制所述的检测电压信号(Vdc)，以便得到(线2)一个代表它的脉冲宽度调制信号；光耦合装置(PHT)，它响应所述脉冲宽度调制的代表信号(在线2上)，以便输出(线3上)一个脉冲宽度调制的转换信号；装置(DEMOD)，它把所述转换信号(线3上)转变为一个第二个电压信号(Vdc)，作为对所述脱扣单元装置(TU)的输入信号(线4上)；电源(PS)包括装置(VRP，PS)，它响应于一个直流电压源(Vin)产生与所述直流电压相关的一个预定频率的方波电压；一个变压器(TNF)具有响应所述方波电压的原级绕组装置(W1)，以及对其反应而输出一个方波电流的次级绕组装置(W2，W3，W3′)；所述的调制方法(MOD)包括第一整流器装置(RCT)，它响应所述方波电流(线6上)与所述调制装置建立(线60上)一个第二直流电压操作；所述的解调装置(DEMOD)包括第二整流器装置(RCT)，它响应所述第一个方波电流(线8上)与所述的解调装置建立一个第三直流电压操作；所述的变压器原级和次级绕组装置与所述的光耦合装置联合对所述电流检测器提供与在外壳内的所述电源和所述脱扣单元装置在电气上隔离；以及所述次级绕组装置，它能有效地将所述方波电压在幅度上的任何变化转换成所述第二和第三操作直流电压在幅度上一个相关的变化，而所述的转换装置有效的通过所述第三操作直流电压自动地抵消如此的幅度变化，所以所述第二电压信号(V′dc)是所述检测电压信号(Vdc)的真实传变的(Vd′c)。
2.如权利要求1中具有所述外壳的断路器包括另一个线路电流检测器(DS2)，它输出另一个电压信号(线1′上)，以代表该线路中流过的电流;另一个装置(MOD2)，它用脉冲宽度调制所述另一个电压信号，以得到一个代表第二脉冲宽度调制信号(线2′上);以及另一个光耦合装置(PHT2)，它与所述另一个调制装置(MOD2)结合，用以响应所述第二脉冲宽度调制的代表信号而输出一个第二脉冲宽度调制的转换信号(线3′上);另一装置(DEMOD2)，它设置成把所述第二转换信号转变为另一个第二电压信号(线4′上);所述另一调制装置包括另一第一整流器装置(RCT)，它响应所述方波电流与所述另一调制装置建立另一第二直流电压(线6上)的操作;所述次级绕组装置(W2)输出另一方波电流;所述另一转换装置包括另一第二整流器装置RCT，它响应所述另一方波电流，与所述另一转换装置建立成另一第三直流电压(线8′上)的操作;所述的变压器原级和次级绕组装置与所述一个和另一个光耦合装置相结合，能有效地为所述一个或另一个检测器提供与一个或另一个的电气上隔离，还为所述一个或另一个检测器提供与所述电源和所述脱扣单元装置在电气上的隔离;所述次级绕组装置能进一步的有效将所述方波电压在幅度上的任何变化转换到所述另一第二和另一第三操作直流电压使之在幅度上有一相关变化，而所述另一转换装置通过所述另一第三操作直流电压有效，自动地抵消这种变化，所以所述第一第二电压信号是所述另一检测电压信号的一个真实传变。
3.如权利要求2中的断路器，在所述一个和另一转换装置和所述脱扣单元装置TV之间具有一个选择最大输出装置(U2A至U2D，U5C，U5D，J1)用以选择所述的一个和另一个第二电压信号中的一个。
4.如权利要求3中的断路器，备有一个电流定值插销(CRP)，以使所述的脱扣单元装置与所述第二电压信号相配合。
5.如权利要求4中的断路器，设有一个电压定值插销VRP，它是插到所述脱扣单元装置TV的输出上，以使其与线路电流配合运行。
全文摘要
一个接触器在其外壳内包括两个直流检测器，它们与脱扣单元、电源以及彼此之间靠一个变压器与光电耦合的联合作用而达到隔离。在光电耦合隔离的两侧，检测到的信号分别被施行脉冲宽度调制和解调。
文档编号H02H1/06GK1048635SQ9010328
公开日1991年1月16日 申请日期1990年7月3日 优先权日1989年7月3日
发明者威廉·约翰·墨非, 约瑟夫·查理斯·恩格尔 申请人:西屋电气公司