CN106487211A - 用于电子跳闸单元的受控上电机制和采用该机制的电路中断器 - Google Patents

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Abstract

一种用于电路中断器(2)的跳闸单元(10)的电源电路(12)，包括电流互感器(14)、接收调节电压的启动电路(24)、以及DC/DC转换器(32)。启动电路被构造为：(i)当调节电压低于预定值时，使电流互感器负担接近跳闸单元的阻抗，并且使DC/DC转换器进入关机模式，(ii)响应于调节电压达到预定值，移除负荷并且使DC/DC转换器退出关机模式并向跳闸单元提供电力，以及(iii)响应于调节电压的变化率为至少预定级别，移除负荷并且使DC/DC转换器退出关机模式并向跳闸单元提供电力。

Description

用于电子跳闸单元的受控上电机制和采用该机制的电路中 断器
技术领域
本发明一般涉及电路中断器，并且更特别地涉及包括跳闸单元和电源的电路中断器。本发明还涉及用于电路中断器跳闸单元的电源启动电路。
背景技术
断路器和断路器跳闸单元在本领域是已知的。例如，参见美国专利No.5,910,760、No.6,144,271和NO.6,850,135。
断路器跳闸单元要求用于使跳闸单元的跳闸致动器通电和跳闸以及使跳闸单元的信号处理电路通电两者的电力。用于跳闸单元的电力通常由铁芯电流互感器(CT)提供，铁芯电流互感器(CT)还可以提供或可以不提供初级电流指示(即，用于监测过电流状况的电流指示)。通常，该CT被调节为向电容器提供相对大的输出电压，该电容器存储使跳闸单元的跳闸致动器通电和跳闸所需的能量。因为该CT仅能够供应特定量的电力，所以对于跳闸单元的信号处理电路为将电容器电压转换成相对较小的电压电源(相对高的电流)，相对有效的开关电源优于相对低效的线性调节器。优选地，电流供电的跳闸单元以最低可能CT初级电流运行，或者等同地以流过断路器的最低可能负载电流运行。这可期望用于显示/计量目的和保护目的。
传统开关调节器集成电路可被电连接以接收电容器电压。然而，该配置不提供跳闸单元的最低可能电流上电。
给定固定负载要求以及近似恒定功率器件，相比在相对较高输入电压处，所有开关调节器在相对较低输入电压处从它们的输入电源吸取更多输入电流。因此，对于限流源(current-limited source)，诸如以相对低初级电流运行的CT次级(CT secondary)，以其最小运行电压启动的开关调节器将比以更高电压启动的调节器要求更大的输入电源电流。在相对低的初级电流处，CT次级的电流输出受到由次级匝数划分的CT初级电流限制，即使在空载状态下其电压输出可以相当高。换言之，CT是提供大电压和受限电流的电流源。开关调节器作为负载要求降低电流并增加输入电压。两个因素之间需要平衡。
相应地，存在对跳闸单元的电路中断器和电源的改进空间。
发明内容
这些以及其它需求通过本公开概念的实施例来满足，这些实施例在一个实现中涉及一种用于电路中断器的跳闸单元的电源电路，该电路中断器包括：被构造为提供指示流过电路中断器的初级电流的电压的电流互感器、被构造为整流和调节来自电流互感器的电压并输出调节电压的整流器和调节器、以及被构造为由调节电压供电的启动电路、以及被耦接到启动电路的输出以接收调节电压的DC/DC转换器，其中DC/DC转换器具有关机模式。启动电路包括负荷阻抗、与负荷阻抗电串联的开关。启动电路被构造为：(i)当调节电压低于预定值时，通过开关和负荷阻抗的串联组合来对电流互感器施加负荷并且使DC/DC转换器进入关机模式，(ii)响应于调节电压到达预定值，移除负荷并且使DC/DC转换器退出关机模式并向跳闸单元提供电力，以及(iii)响应于调节电压的变化率是至少预定级别，移除负荷并且使DC/DC转换器退出关机模式并向跳闸单元提供电力。
在另一实现中，提供了一种为电路中断器的跳闸单元供电的方法。方法包括：提供指示从电流互感器的次级流过电路中断器的初级电流的电压；整流和调节来自电流互感器的次级的电压并输出调节电压；向DC/DC转换器提供调节电压，DC/DC转换器具有关机模式；当调节电压低于预定值时，使电流互感器负担负荷阻抗，并且使DC/DC转换器进入关机模式；响应于调节电压到达预定值，移除负荷并且使DC/DC转换器退出关机模式并向跳闸单元提供电力；以及响应于调节电压的变化率是至少预定级别，移除负荷并且使DC/DC转换器退出关机模式并向跳闸单元提供电力。
附图说明
当结合附图时，可从优选实施例的以下描述中获得对本发明概念的完整理解，在附图中，
图1是根据本公开概念的示例性实施例的电路中断器的示意图；以及
图2是根据一个示例性实施例形成图1的电路中断器的部分的启动电路的电路图。
具体实施方式
此处使用的方位短语，诸如例如左、右、前、后、顶部、底部和其衍生词，涉及附图中示出的元件的取向，并且除非另有说明，不作为对权利要求的限制。
如此处所使用的，两个或多个部件被“耦接”在一起的陈述，将意为这些部件或者被直接连接在一起，或者通过一个或多个中间部件被连接在一起。
如此处所使用的，术语“数量”将意为1或大于1的整数(即，多个)。
如此处所使用的，部件与一个或多个其它部件“电互连”的陈述，将意为这些部件被直接电连接在一起，或者通过一个或多个导电体或通常导电的中间部件被电连接在一起。进一步地，如此处所使用的，部件被“电连接到”一个或多个其它部件的陈述，将意为这些部件被直接电连接在一起，或者通过一个或多个导电体被电连接在一起。
结合三极断路器描述本发明，尽管本发明适用于范围广泛的具有任何极数的电路中断器。
参考图1，诸如三极断路器2的电路中断器包括可分离触点4、被构造为断开和闭合可分离触点4的运行机构6、被构造为感测流过可分离触点4的电流的传感器8、与传感器8和运行机构6协作来跳闸断开可分离触点4的跳闸单元10、以及用于跳闸单元10的电源12。在该示例中，三极断路器2包括三个可分离触点4和用于感测流过可分离触点4的三相电流的三个Rogowski线圈或di/dt传感器8，然而也可以采用任何适合的电流传感器。
电源12包括用于每一极的电流互感器(CT)14，电流互感器(CT)14具有单匝初级线圈和包括次级电压20的多匝次级线圈。通过切换二极管/电容器组合和短路FET之间的CT的电流输出来生成次级电压。整流器(例如全波整流器(FWR))22被构造为整流CT次级电压20。整流器22包括与CT次级电互连的输入以及被耦接到电压调节器23的输出。电压调节器23输出调节电压26。
电源12进一步包括启动电路24，该启动电路24与诸如开关调节器的DC/DC转换器32电互连。启动电路24被构造为监测来自CT 14的可用电力，并且当足够电力可用时仅允许跳闸单元10启动。特别地，如此处更详细描述的，使CT 14负担与运行的跳闸单元10的负载等价的负载。当达到预定电压时，已知可用足够电力来运行跳闸单元10。由于已确认足够的可用电力，所以跳闸单元10的关机将不发生。因此，本公开概念提供了启动电路24，该启动电路24被构造为允许用于运行跳闸单元24所需的更高电压形成，以使DC/DC转换器32以及进而跳闸单元10能够以更低初级电流启动并连续运转。DC/DC转换器32包括从调节电压26供电的输入34、使能引脚36、以及被构造为对跳闸单元10的信号处理电子产品供电的输出38(例如，±5V)。
图2是根据本公开概念的示例性实施例的启动电路24的电路图。如图2所示，启动电路24由调节电压26供电，并且包括被设置在承载调节电压26的线路和接地之间的电容器40，在示例性实施例中该电容器40是47μF电容器。在其它功能(如此处所述)中，电容器40提供断路器2的跳闸致动器所需的能量(以调节电压26的形式)。启动电路24进一步包括诸如场效应晶体管(FET)28的开关，该场效应晶体管(FET)28与诸如电阻器30的负荷阻抗串联电连接。如图2所示，FET28和电阻器30的串联组合与电容器40并联连接。NPN双极型晶体管(BJT)42的集电极被连接到FET 28的栅极。BJT 42的基极通过限流电阻器46被耦接到稳压二极管44的阳极，并且BJT 42的集电极通过限流电阻器47被连接到承载调节电压26的线路。在示例性实施例中，稳压二极管44是10V稳压二极管。稳压二极管44的阳极还通过电阻器48被连接到接地。稳压二极管44的阴极被连接到承载调节电压26的线路。稳压二极管50被设置在FET 30的栅极和接地之间，并且用作钳位(clamp)，以确保FET 30的栅极不会看到过电压。分压器电路52被连接到FET 30的漏极。如所示，向DC/DC转换器32的使能引脚36提供使能信号的使能线54被耦接到分压器电路52。分压器电路52确保使能信号54处于合适的电平，以用于DC/DC转换器32的输入36。启动电路24还包括电容器56(其在示例性实施例中是0.01μF电容器)和电容器58，这两个电容器被串联设置在承载调节电压26的线路和接地之间。电阻器60、二极管62(其可以是标准硅二极管或稳压二极管)和稳压二极管64的串联连接被连接在电容器56和58的互连点与分压器电路52之间。如图2所示，稳压二极管62、64的阳极彼此直接连接。所有这些部件的功能和操作在本文中另外描述。
重要的是，要注意，因为DC/DC转换器32提供+5V，随着提供到输入34的信号的电压增加，对提供到输入34的信号的电流要求降低。没有启动电路24时，随着初级电流增加，在CT被卸载处，提供到输入34的信号的电压将迅速上升。获得不足的电流时，DC/DC转换器34将不能支持其输出电压，并且将迅速关机。该循环将持续(启动/关机)直至初级电流达到足够高的电流来支持运行。再次参考图1，给定向跳闸单元10供应电力的CT 14的预定初级电流，如果给定时间来生成这些电压，则在相对更高的CT次级电压处，足够的次级电流可用。本公开的电源12允许这些相对更高的CT次级电压形成，以便开关调节器32以及进而跳闸单元10都能够以相对更低的CT初级电流“启动”。
这是通过初始地(在相对非常低的初级电流处)使CT 14的次级负担负荷电阻器30的阻性负载来实现，而不是使其负担DC/DC转换器32和跳闸单元10。如上所述，该电阻式负载通过被连接到电路接地的FET 28与CT 14的次级电互连。选择负荷电阻器30的电阻，以使其最小运行状况的功耗等于或稍大于在相同状况下运行的跳闸单元10的功耗。在示例性实施例中，稳压二极管44用于感测调节电压26何时达到充分对跳闸单元10供电的预定电平。在该点处，FET 28被关断，移除电阻器30的阻性负荷，并且使DC/DC转换器32跳出其关机模式。因此，相比没有该电路也没有上述任何“假启动”，跳闸单元10以相对更低的初级电流干净地“启动”。
更具体地，参考图2，当电容器40上的电压从零上升，FET 28非常早地导通(电容器40上约2V)。导通的FET 28使使能线54上的信号为低，这使DC/DC转换器32保持关机模式。而且，如本文另外描述的，通过电阻器30的电流控制CT 14的次级的电压。当电容器40上的电压上升得足够高时，10V稳压二极管44击穿(break over)。这使BJT 42导通，FET 28关断。处于关断的FET 28使使能线54上的信号为高，使DC/DC转换器32导通(跳出关机模式)。适当选择电阻器30将保证当FET 28关断时，CT 14将能够供应足够的能量来保持跳闸单元10运转。没有这种适当选择，电容器40将快速放电，并且跳闸单元10将关机。稳压二极管64提供以电容器40上的较低电压来保持DC/DC转换器32运转的滞后反馈，并且稳压二极管62是确保滞后仅以一个方向工作的阻塞二极管。该滞后保证不会一旦发出跳闸信号并且电容器40上的电压被下拉，转换器就关机。
在高故障情况下，存在可用的足够电流来使跳闸单元10导通。然而，等待电容器40充电到高于稳压二极管44的击穿阈值的点(由此如上所述使DC/DC转换器32启用并启动跳闸单元10)可能会折衷跳闸时间性能。在所公开的概念中，通过提供耦接到承载调节电压26的线/结点的上述电容器56来解决这种情况。电容器56响应于承载调节电压26的线/结点上的电压的变化。在高故障情况下，该电压将快速上升。流过电容器56的电流将与该快速上升的电压直接成比例地上升。该成比例的电流将被注入BJT 42的基极，转而将关断FET 30，由此使DC/DC转换器32启用。通过选择正确的电容器56的值，在这种高故障情况下可以更快触发启动电路24，即，以承载调节电压26的线/结点上的较低电压。换言之，在高电流处，如果电压增加得足够快，则将允许DC/DC转换器32启动。这种更早触发是可接受且可期望的，因为承载调节电压26的线/结点上的快速dv/dt是可获得足够电流来启动以及快速跳闸次数可被要求的指示。
尽管已详细描述了所公开概念的特定实施例，本领域技术人员将理解，根据本公开的全部教导，可以对那些细节做出各种修改和替代。相应地，所公开的特定布置仅是说明性的，并不限制本公开概念的范围，本公开概念的范围由所附权利要求以及其任何和全部等同物的全部范围给定。
参考标记表
2 断路器
4 可分离触点
6 操作机构
8 传感器
10 跳闸单元
12 电源
14 电流互感器
20 电压
22 整流器
23 电压调节器
24 启动电路
26 调节电压
28 场效应晶体管
30 电阻器
32 DC/DC转换器
34 输入
36 使能引脚
38 输出
40 电容器
42 双极型晶体管
44 稳压二极管
46 电阻器
47 电阻器
48 电阻器
50 稳压二极管
52 分压器电路
54 使能线
56 电容器
58 电容器
60 电阻器
62 稳压二极管
64 稳压二极管

Claims (11)

1.一种电源电路(12)，用于电路中断器(2)的跳闸单元(10)，所述电源电路(12)包括：
电流互感器(14)，其被构造为提供指示流过所述电路中断器的初级电流的电压；
整流器，其被构造为整流来自所述电流互感器的所述电压并输出整流电压；
调节器，其被构造为(i)提供来自所述整流电压的调节电压，以及(ii)向跳闸致动器提供能量；
启动电路(24)，其被构造为由所述调节电压来供电；以及
DC/DC转换器(32)，其被耦接到所述启动电路的输出，以便接收所述调节电压，所述DC/DC转换器具有关机模式；
其中所述启动电路包括负荷阻抗(30)、与所述负荷阻抗电串联的开关(28)，以及其中所述启动电路被构造为：(i)当所述调节电压低于预定值时，通过所述开关与所述负荷阻抗的串联组合对所述电流互感器施加负荷，并且使所述DC/DC转换器进入所述关机模式，(ii)响应于所述调节电压达到所述预定值，移除所述负荷，并且使所述DC/DC转换器退出所述关机模式并向所述跳闸单元提供电力，以及(iii)响应于所述调节电压的变化率至少为预定级别，移除所述负荷，并且使所述DC/DC转换器退出所述关机模式并向所述跳闸单元提供电力。
2.根据权利要求1所述的电源电路，其中所述启动电路包括被耦接到所述开关的电容器，所述电容器被构造为接收所述调节电压并且向所述开关提供电流，以使得当所述调节电压的所述变化率至少为预定级别时，所述DC/DC转换器退出所述关机模式。
3.根据权利要求1所述的电源电路，其中所述负荷阻抗被构造为接近所述跳闸单元的阻抗。
4.根据权利要求3所述的电源电路，其中所述负荷阻抗包括电阻器。
5.根据权利要求1所述的电源电路，其中所述开关是包括被电连接到所述负荷阻抗的漏极的场效应晶体管。
6.根据权利要求5所述的电源电路，其中所述DC/DC转换器包括使能输入，其中所述漏极被连接到所述使能输入，以及其中当所述场效应晶体管导通时维持所述关机模式。
7.根据权利要求6所述的电源电路，其中所述启动电路进一步包括被电连接到第二开关(42)的稳压二极管(44)，其中所述第二开关被耦接到所述场效应晶体管的栅极，其中所述稳压二极管被构造为接收所述调节电压，以及其中所述稳压二极管被构造为在预定值击穿，并使所述场效应晶体管关断，由此使所述DC/DC转换器退出所述关机模式。
8.一种电路中断器(2)，包括：
若干可分离触点(4)；
运行机构(6)，其被构造为断开和闭合所述若干可分离触点；
传感器(8)，其被构造为感测流过所述若干可分离触点的电流；
跳闸单元(10)，其与所述传感器和所述运行机构协作，从而跳闸断开所述可分离触点；以及
根据权利要求1所述的电源(12)，其被构造为向所述跳闸单元提供电力。
9.一种方法，用于为电路中断器(2)的跳闸单元(10)供电，所述方法包括：
提供指示从电流互感器的次级流过所述电路中断器的初级电流的电压；
整流并调节来自所述电流互感器的所述次级的电压，并且输出调节电压；
向DC/DC转换器(32)提供所述调节电压，所述DC/DC转换器具有关机模式；
当所述调节电压低于预定值时，采用负荷阻抗对所述电流互感器施加负荷，并且使所述DC/DC转换器进入所述关机模式；
响应于所述调节电压达到所述预定值，移除所述负荷，并且使所述DC/DC转换器退出所述关机模式并向所述跳闸单元提供电力；以及
响应于所述调节电压的变化率至少为预定级别，移除所述负荷，并且使所述DC/DC转换器退出所述关机模式并向所述跳闸单元提供电力。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述负荷阻抗被构造为近似所述跳闸单元的阻抗。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述负荷阻抗包括电阻器。
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