CN102856131B - 一种适用于三相电源的欠压脱扣器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于三相电源的欠压脱扣器，包括：电磁铁线圈、由所述电磁铁线圈控制的衔铁；整流电路，其输入端与三相电源中的任一线电压相连；取样电路，检测所述整流电路的输出电压；线电压检测模块，设于所述三相电源的输出端，用于检测至少两组线电压；所述电磁铁线圈,其电流输入端与所述整流电路的输出端相连，其电流输出端与一开关电路相连；主控模块，存储有额定电压Ue、强启动的电压值和维持衔铁吸合的电压值，若线电压有效值满足额定电压Ue的80%和强启动的电压时控制所述开关电路导通；若任一线电压低于额定电压Ue的50%时或所述取样电压不等于所述维持衔铁吸合的电压值时，则控制所述开关电路断开。

Description

一种适用于三相电源的欠压脱扣器

技术领域

本发明涉及一种适用于三相电源的欠压脱扣器。

背景技术

欠压脱扣器是断路器，尤其是框架式断路器的重要元件之一。欠电压脱扣器是在它的端电压降至某一规定范围时，使断路器有延时或无延时断开的一种脱扣器，当电源电压下降（甚至缓慢下降）到额定工作电压的70％至35％范围内，欠电压脱扣器应动作（脱扣器线圈失电，线圈内活动衔铁有复位弹簧顶出—脱扣），欠电压脱扣器在电源电压等于脱扣器额定工作电压的35％时，欠电压脱扣器应能防止断路器闭合；电源电压等于或大于85％欠电压脱扣器的额定工作电压时，在热态条件下，应能保证断路器可靠闭合（脱扣器线圈得电，线圈内活动衔铁有线圈电磁力克服弹簧力吸入并保持一定力矩—“吸合”，为断路器可靠合闸提供条件）。欠压脱扣的本质，是防止断路器下级电器设备工作在欠压状态下电流过大后，电器设备自身发热加重的有效措施。

参考上述原则，现有的欠压脱扣器，多半为单相电源工作方式。三相电路中的一体化的欠压脱扣器，还未见有较为成熟的欠压脱扣器方案与产品出现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、适用于三相电源的欠压脱扣器。

为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于三相电源的欠压脱扣器，包括：电磁铁线圈、由所述电磁铁线圈控制的衔铁；整流电路，其输入端与三相电源中的任一线电压相连；取样电路，检测所述整流电路的输出电压；线电压检测模块，设于所述三相电源的输出端，用于检测至少两组线电压；开关电路，其电流输入端与所述电磁铁线圈的电流输出端相连；所述整流电路的正输出端与所述电磁铁线圈的电流输入端相连；主控模块，存储有额定电压Ue、强启动的电压值和维持衔铁吸合的电压值，用于采集所述各线电压检测模块的输出电压以计算出所述三相电源的各线电压有效值，适于当所述三相电源的各线电压有效值同时达到额定电压Ue的80%，且检测取样电路的取样电压达到所述强启动的电压值时，控制所述开关电路导通，若任一线电压低于额定电压Ue的50%时或所述取样电压不等于所述维持衔铁吸合的电压值时，则控制所述开关电路断开。

本发明中先行判断所述至少两线电压检测模块的输出电压（SA信号、SB信号）是否满足吸合条件，然后判断所述取样电路的取样电压（SH信号）是否达到了预设（预充电）值。仅当三个条件同时满足后，有单片机电路控制开关电路接通电磁铁线圈，确保了百分之百吸合。

进一步，所述主控模块还用于：根据采集所述各线电压检测模块的输出电压的上升沿或下降沿获得所述三相电源线电压的频率或周期，以计算出所述三相电源的各线电压有效值；其具体的思路：先通过所述主控模块检测线电压检测模块路输出的采样的电压值和周期，以得到外网的准确的线电压有效值，能更加准确的判断外网电压的有效值是否达到额定电压Ue的80%，所以该脱扣器也非常适合运用到不同频率的场合，特别适合频率为20Hz～65Hz的交流电压。所以本发明的第二个目的是提供一种适于多频率三相电源的欠压脱扣器。

所述主控模块还用于：当所述线电压正常时，若上述取样电压发生波动后，恢复到所述强启动的电压值后，所述主控模块产生一控制所述开关电路导通，以检测所述电磁铁线圈是否接入的脉冲信号，以实现在安装脱扣器时，所述电磁铁线圈可以带电插拔，即“热插拔”；其工作原理：由于开关电路中的阻抗，当所述电磁铁线圈短路时，开关电路的阻抗限制了短路电流不会过大，不会引起电路故障，此时的所述整流电路的输出端的输出电压VH为小于所述维持衔铁吸合的电压值，则所述主控模块检测SH信号检测出线圈短路，所述主控模块控制所述开关电路断开。当线圈短路解除（或拔出）时，VH电压升高到输入额定电压的倍（即强启动电压），为再次启动电磁铁线圈做好了准备。所述主控模块控制所述开关电路执行一次“短时间的脉冲导通”，辨识电磁铁线圈是否接入（插入）。一旦辨识电磁铁线圈已经接入，则等待VH再次充电到输入电压值的倍后，执行强启动。实现了“热插拔”。

进一步，为了更有效的降低所述电磁铁线圈短路时的短路电路，在所述整流电路的输入端设一降压电容CK。

进一步，为了使所述电磁线圈获得高压，在所述整流电路的输出端设一强启动电容C1，充电电压为输入交流电压的√2倍（约为电磁铁线圈额定工作电压的3-5倍）。开关电路接通瞬间，储能电容C1上电荷全部通过电磁线圈释放，达到“强启动”吸合之目的。

进一步，为了减小外电网干扰主控模块的信号处理，所述线电压检测模块，包括：与线电压相连的降压电路，与降压电路输出端相连的光电耦合器，所述光耦电路的输出端与所述主控模块相连。

进一步，所述欠压脱扣器还包括:一提供所述主控模块、开关电路及光电耦合器电源的电源电路，该电源电路的输入电压从任一相线接入。

进一步，为了在需要延时脱扣的场合使用，所述主控模块为一单片机电路，其包括：与单片机相连的适于设定控制所述开关电路延时断开时间的BCD拨码开关。

一种适用于三相电源的欠压脱扣器的工作方法，包括：

①当所述欠压脱扣器接入三相电源后，所述的主控模块通过线电压检测模块检测并计算所述三相电源的各线电压的有效值；

②当所述各线电压同时达到所述的额定电压Ue的80%后，所述主控模块对电磁铁线圈的输入电压进行取样采集，若该输入电压达到所述强启动的电压值时，则所述主控模块控制开关电路导通以使所述电磁铁线圈得电，衔铁吸合；所述输入电压下降至所述维持衔铁吸合的电压值,以维持衔铁吸合；

③当任一线电压低于所述的额定电压Ue的50%时或所述取样电压不等于所述维持电压值时，则所述主控模块控制所述开关电路断开以使所述电磁铁线圈失电，即衔铁弹出。

进一步，为了实现所述“热插拔”；判断所述电磁铁线圈3是否接入的方法，包括：

A：当所述线电压正常时，若所述取样电压不等于所述维持衔铁吸合的电压值时，则所述主控模块控制开关电路断开；

B：当所述取样电压恢复到所述强启动的电压值，则所述主控模块产生一控制所述开关电路导通，以检测所述电磁铁线圈是否接入的脉冲信号；

C:当所述取样电压下降，则判断所述电磁铁线圈已接入，等待所述取样电压到所述强启动的电压值时，所述主控模块则控制所述开关电路导通以使所述电磁铁线圈得电。

本发明具有以下优点：（1）主控模块采集线电压检测模块的输出电压及电压周期，并同时检测两组线电压，得到准确的两组线电压的各有效值，并通过单片机来判断输入电压是否达到额定电压的80%，通过检测强启动电压来使脱扣器工作于三相电源，解决了现有欠压脱扣器不能在三相电源下工作等的技术问题，而且很适合在不同频率的电源下工作；（2）由于降压电容CK的接入，有效的克服了现有欠压脱扣器正常工作时线圈发热量大的问题；通过接入的强启动电容C1，克服了启动力矩小、常有不吸合现象、并使电路设计简单；（3）利用单片机和开关电路的配合使用，能实现电磁铁线圈的带电插拔，抗短路，避免了安装过程中电磁铁线圈误拔造成脱扣器烧毁；（4）采用单片机来进行欠压控制，能有效的降低功耗；（5）采用的线电压检测模块，其通过光电耦合来实现SA、SB信号的采集，电路简单，隔离效果好。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的一种适用于三相电源的欠压脱扣器的结构原理图；

图2为本发明的所述线电压检测模块结构示意图；

图3为本发明的所述光电耦合器的伏安关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

本发明的交流分励脱扣器的参数设计符合低压开关设备和控制设备标准：GB14048.1-2006及GB14048.2-2008定义了欠压脱扣器的主要技术参数。在该标准的要求下，例举以下实施例进行说明。

实施例1

见图1-图2，一种适用于三相电源的欠压脱扣器，包括：电磁铁线圈3、由所述电磁铁线圈3控制的衔铁；整流电路1，其输入端与三相电源中的任一线电压相连；取样电路5，检测所述整流电路1的输出电压；线电压检测模块，设于所述三相电源的输出端，用于检测至少两组线电压；开关电路2，其电流输入端与所述电磁铁线圈3的电流输出端相连；所述整流电路1的正输出端与所述电磁铁线圈3的电流输入端相连；

主控模块6，存储有额定电压Ue、强启动的电压值和维持衔铁吸合的电压值，用于采集所述各线电压检测模块的输出电压以计算出所述三相电源的各线电压有效值，适于当所述三相电源的各线电压有效值同时达到额定电压Ue的80%，且检测取样电路5的取样电压达到所述强启动的电压值时，控制所述开关电路2导通，若任一线电压低于额定电压Ue的50%时或所述取样电压不等于所述维持衔铁吸合的电压值时，则控制所述开关电路2断开。

所述主控模块6还用于：根据采集所述各线电压检测模块的输出电压的上升沿或下降沿获得所述三相电源线电压的频率或周期，以计算出所述三相电源的各线电压有效值。

所述主控模块打开中断以检测线电压检测模块路输出SA、SB信号的上升沿或下降沿，以得到线电压的周期或者频率，并和线电压检测模块路输出的采样的电压值进行计算以得到外网的准确的线电压有效值，能更加准确的判断外网电压的有效值是否达到额定电压Ue的80%，所以该脱扣器也非常适合运用到不同频率的场合，特别适合频率为20Hz～65Hz的交流电压。

所述主控模块6可以为单片机（MCU）、片上系统（SOC）、CPLD、FPGA或ARM及DSP。

在所述整流电路1的输入端设一降压电容CK，在所述整流电路1的输入端设一降压电容CK。

当开关电路接通以后，所述降压电容CK发挥电容的滤波功能，电磁铁线圈上的电压为一个较低的电压。对于任意高电压输入，可计算出降压电容CK的容量大小，满足所述电磁铁线圈3低功率运行之要求，且降压电容不产生有功功率，既实现了大力矩启动，又使得欠压脱扣器整体发热量小。电路结构最为简单。

在所述整流电路1的输出端设一强启动电容C1，本发明中，通过电容CK，经桥式整流电路1转换成直流电压，对储能电容C1充电，充电电压为输入交流电压的倍（约为所述电磁铁线圈3额定工作电压的3-5倍）。开关电路接通瞬间，储能电容C1上电荷全部通过电磁线圈释放，达到“强启动”吸合之目的。强启动之功率，除C1充电电压之外，还可以通过选取C1之电容量来进一步优化。

所述线电压检测模块，包括：与线电压相连的降压电路4-1，与降压电路输出端相连的光电耦合器4-2，所述光耦电路4-2的输出端与所述主控模块6相连。

所述线电压检测模块，也可以采用：变压器降压、整流电路、AD转换电路和单片机来构成；同时现有技术也可以实现该功能。

所述欠压脱扣器还包括:一提供所述主控模块、开关电路及光电耦合器电源的电源电路7，该电源电路7的输入电压从任一相线接入。

所述主控模块6为一单片机电路，其包括：与单片机相连的适于设定控制所述开关电路2延时断开时间的BCD拨码开关。

其中所述线电压检测模块包括：分别连接任意两线电压之间的第一线电压检测模块4a和第二线电压检测模块4b。

本发明中，跨接于A相与B相的第一线电压检测模块4a和B相与C相之间的第二线电压检测模块4b的输出信号分别为SA、SB，表示线电压B与C的高低。任何一相相电压的高低，都反应到线电压的高低，也即，SA与SB全面反映了其中的一相、二相、三相单独的或交错的电压高低。为所述主控模块6检测欠压，提供了条件。当SA、SB或同时小于50%的Ue后，所述主控模块6控制所述开关电路2断开所述电磁铁线圈3。检测单元Uab、Ubc的输入与输出端，在电气上隔离，因此相序可以任意交换。

实施例2

见图1-图3，在实施例1的基础上，以380V电压、所述主控模块6采用单片机电路为例，说明三相欠压脱扣器主要部分的实施方式。

电源中的一相（如A相）接降压电容CK，CK的另一端接到接所述整流电路1一输入端，所述整流电路1的另一输入端接一相（如B相）。桥式整流器的正端定义为VH，负端接地（GND）。

上电后，所述整流电路1将交流电压整流为脉动直流向储能电容C1充电，充电电压VH为输入交流电压的√2倍（380V的80%的约等于430V）。此充电电压有R1与R2串联组成的电容电压采样电路，生产采样信号SH送入单片机。充电电压VH同时接到所述电磁铁线圈3的一端。

所述SA与SB信号送入单片机。

有D0半波整流后的电压，加载到电源电路，电源电路产生的15V（12V）电压为开关电路提供电源，生产的5V（3.3V）电压为单片机电路工作提供电源，也可以根据需要调整电源的输出电压值。

单片机电路通过上升沿（或下降沿）中断从第一线电压检测模块（4a）的输出电压SA，第二线电压检测模块（4b）的输出电压SB，获得电网周期时间（频率），并在一个周期内采样SA若干次，应用FFT等方法，解算出对应电网线电压的“有效值”，依据有效值，判断大于标称电压（额定电压）的80%时，所述单片机电路进一步判断电压VH是否同时达到了一定值，及预设值，如430V。一旦SA、SB与SH均达到一定值时，单片机控制开关电路接通所述电磁铁线圈3，实现了高可靠强启动。开关电路接通所述电磁铁线圈3后，工作于交流回路中的电容器CK承担降压任务，为工作在直流回路中的所述电磁铁线圈3提供一合适的额定工作电压（例如为30V），此时，C1转变为滤波电容。当SA、SB中任何一个信号小于50%的Ue（如190V）时，单片机电路控制开关电路断开所述电磁铁线圈3，实现断路器的分闸。

单片机在不断检测SA、SB的同时，不断检测SH的大小。当SH大于或小于一定值（即所述维持衔铁吸合的电压值）时，认为所述电磁铁线圈3线圈断开或短路，单片机发出命令断开开关电路。在以后的时间里，继续判断SH的大小，直到“三条件”（即SA、SB、SH电压）满足后，执行一次5ms的吸合动作，判断VH是否下降。如果VH下降，则认为所述电磁铁线圈3线圈已经接入，再次等待“三条件”满足后，执行“强启动”。实现了“热插拔”。

单片机电路包括拨码开关在内的辅助电路，在需要延时脱扣的场合，设置不同的拨码开关组合，单片机读取此信号后，确定延时脱扣的延时时间。如三位BCD码拨码开关，分别代表延时0秒、1秒、2秒、3秒、4秒、5秒、10秒、20秒，或其它的时间值。其中0秒延时表示（不延时）“瞬时断开”，10秒表示当输入电压小于Ue的50%后，延时10秒后再断开。

为了进一步说明相电压检测模块的工作原理，说明三相欠压脱扣器主要环节的实施方式。

假设第一线电压检测模块4a连接与A-B之间。电阻R3一端连接于A相，另一端连接于第二整流桥B2的一输入端。所述第二整流桥B2的另一输入端接B相。所述第二整流桥B2输出的正端接所述光电耦合器4-2输入端的阳极，所述第二整流桥B2输出的负端接所述光电耦合器4-2输入端的阴极。所述光电耦合器4-2输出端的集电极接5V，发射极接电阻R4，并连接到单片机。R4的另一端接地。所述光电耦合器4-2可以是线性光电耦合器，如PC817等转移特性为单调函数的光电耦合器。

本发明着重检测“吸合”与“释放（脱扣）”2个点的电压值，通过选取合适的R3、R4的电阻值，可使所述光电耦合器4-2保持线性，以满足电压精确检测的需要，见图3。假设输入电压为50%的Ue时，输出电压SA为1V，对应a点；假设输入电压为80%的Ue时，输出电压SA为3.8V，对应b点。则这种简单的隔离检测电路，完全满足了欠压脱扣检测要求。另外，当发生断相时，输出电压SA为0V,单片机也可容易地分辨出是否断相。

本发明中电源电路连接于半波整流D0之后，可显著降低电源电路自身功耗。

实施例3

在实施例1-3的基础上，所述主控模块8，其解算对应电网电压的“有效值”方法是，通过所述第一、第二线电压检测模块分别得到采样电压SA、SB，所述主控模块开放上升沿或下降沿中断，获取SA、SB信号对应的频率，从而得到线电压的周期，并在一个周期内，将周期时间除以32，得到采样时间，（例如，电网频率50Hz，周期时间为20ms，经全波整流后分成2个正半波，每个正半波周期为10ms。10ms/32==0.3125ms=312us），按此间隔时间进行逐点采样，形成32点的数据库。

可以通过以下两个方法进一步计算出具体的所述整流电路1的输出电压值：

方法一、采用FFT算法（傅里叶算法），用32点数据库“抽取”一次波（基波），用基波判断是否大于80%；该方法对抗干扰后复杂波形，尤其是对抗严重干扰的波形的效果理想。

方法二、采用其中ui为所述主控模块6通过所述线电压检测模块补偿得到的输入线电压瞬时值；该方法对抗干高次谐波不严重的波形（THD总谐波失真小于15%），效果理想。

实施例4

在实施例1的基础上的所述适用于三相电源的欠压脱扣器的工作方法，包括：

①当所述欠压脱扣器接入三相电源后，所述的主控模块6通过线电压检测模块检测并计算所述三相电源的各线电压的有效值；

②当所述各线电压同时达到所述的额定电压Ue的80%后，所述主控模块6对电磁铁线圈3的输入电压进行取样采集，若该输入电压达到所述强启动的电压值时，则所述主控模块6控制开关电路2导通以使所述电磁铁线圈3得电，衔铁吸合；所述输入电压下降至所述维持衔铁吸合的电压值,以维持衔铁吸合；

③若任一线电压低于所述的额定电压Ue的50%时或所述取样电压不等于所述维持电压值时，则所述主控模块6控制所述开关电路2断开以使所述电磁铁线圈3失电，即衔铁弹出。

为了实现“热插拔”，即判断所述电磁铁线圈3是否接入的方法，包括：

A：当所述线电压正常时，若所述取样电压不等于所述维持衔铁吸合的电压值时，则所述主控模块6控制开关电路2断开；

B：若所述取样电压恢复到所述强启动的电压值，则所述主控模块6产生一控制所述开关电路2导通，以检测所述电磁铁线圈3是否接入的脉冲信号；

C:若所述取样电压下降，则判断所述电磁铁线圈3已接入，等待所述取样电压到所述强启动的电压值时，所述主控模块6则控制所述开关电路2导通以使所述电磁铁线圈3得电。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种适用于三相电源的欠压脱扣器，包括：电磁铁线圈（3）、由所述电磁铁线圈（3）控制的衔铁；

其特征在于还包括：

整流电路（1），其输入端与三相电源中的任一线电压相连；

取样电路（5），检测所述整流电路（1）的输出电压；

线电压检测模块，设于所述三相电源的输出端，用于检测至少两组线电压；

开关电路（2），其电流输入端与所述电磁铁线圈（3）的电流输出端相连；

所述整流电路（1）正输出端与所述电磁铁线圈（3）的电流输入端相连；

主控模块（6），存储有额定电压Ue、强启动的电压值和维持衔铁吸合的电压值，用于采集所述各线电压检测模块的输出电压以计算出所述三相电源的各线电压有效值，适于当所述三相电源的各线电压有效值同时达到额定电压Ue的80%，且检测取样电路（5）的取样电压达到所述强启动的电压值时，控制所述开关电路（2）导通，若任一线电压低于额定电压Ue的50%时或所述取样电压不等于所述维持衔铁吸合的电压值时，则控制所述开关电路（2）断开。

2.根据权利要求1所述的欠压脱扣器，其特征在于:所述主控模块（6）还用于：根据采集所述各线电压检测模块的输出电压的上升沿或下降沿获得所述三相电源电压的频率或周期，以计算出所述三相电源的各线电压有效值。

3.根据权利要求1或2所述的欠压脱扣器，其特征在于：在所述整流电路（1）的输入端设一降压电容(CK)。

4.根据权利要求1或2所述的欠压脱扣器，其特征在于：在所述整流电路（1）的输出端设一强启动电容(C1)。

5.根据权利要求4所述的欠压脱扣器，其特征在于：所述线电压检测模块，包括：与线电压相连的降压电路（4-1），与降压电路输出端相连的光电耦合器（4-2），所述光电耦合器（4-2）的输出端与所述主控模块（6）相连。

6.根据权利要求1所述的欠压脱扣器，其特征在于：所述欠压脱扣器还包括:一提供所述主控模块、开关电路及光电耦合器电源的电源电路（7），该电源电路（7）的输入电压从任一相线接入。

7.根据权利要求1所述的欠压脱扣器，其特征在于：所述主控模块（6）为一单片机电路，其包括：与单片机相连的适于设定控制所述开关电路（2）延时断开时间的BCD拨码开关。

8.一种如权利要求1所述的欠压脱扣器的工作方法，包括：

①当所述欠压脱扣器接入三相电源后，所述的主控模块（6）通过线电压检测模块检测并计算所述三相电源的各线电压的有效值；

②当所述各线电压同时达到所述的额定电压Ue的80%后，所述主控模块（6）对电磁铁线圈（3）的输入电压进行取样采集，若该输入电压达到所述强启动的电压值时，则所述主控模块（6）控制所述开关电路（2）导通以使所述电磁铁线圈（3）得电，衔铁吸合；所述输入电压下降至所述维持衔铁吸合的电压值,以维持衔铁吸合；

③当任一线电压低于所述的额定电压Ue的50%时或所述取样电压不等于所述维持电压值时，则所述主控模块（6）控制所述开关电路（2）断开以使所述电磁铁线圈（3）失电，即衔铁弹出。

9.根据权利要求8所述的欠压脱扣器的工作方法，还包括：判断所述电磁铁线圈（3）接入的方法，包括：

A：当所述线电压正常时，若所述取样电压不等于所述维持衔铁吸合的电压值时，则所述主控模块（6）控制开关电路（2）断开；

B：当所述取样电压恢复到所述强启动的电压值，则所述主控模块（6）产生一控制所述开关电路（2）导通，以检测所述电磁铁线圈（3）是否接入的脉冲信号；

C:当所述取样电压下降，则判断所述电磁铁线圈（3）已接入，等待所述取样电压到所述强启动的电压值时，所述主控模块（6）则控制所述开关电路（2）导通以使所述电磁铁线圈（3）得电。