CN110383613B - 电子式电路断路器 - Google Patents

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Abstract

具备：电流检测电阻(5)，其与***于交流电路(2)的变流器(4)的次级侧连接，将其输出电流转换为检测电压；判定电路(6)，其具有根据电流检测电阻(5)的检测电压判定过电流的瞬时跳闸判定电路(6a)和时限跳闸判定电路(6b)这两种判定电路；以及电源电路，其将对变流器(4)的输出电流进行整流的整流电路(7)的输出电流转换为电压源，向判定电路(6)供给电源，并且在所述电源电路具有在跳闸线圈动作时对所述电源电路的输出电压进行切换的第1二极管(25)以及对所述电源电路的输出电流进行抑制的第2二极管(26)。

Description

电子式电路断路器
技术领域
本发明涉及一种电子式电路断路器，该电子式电路断路器通过来自测试装置的外部电源供给，能够实现在离线时独立的测试操作，特别涉及该电子式电路断路器的电源电路。
背景技术
作为与电子式电路断路器相关的现有技术，例如在日本特开平8-331748号公报(专利文献1)中公开了一种电子式电路断路器，该电子式电路断路器具备电子式电流检测装置和跳闸装置，具有将检测电流的一部分利用于电子电路的工作电源的电路结构。另外，例如在日本特开平9-211089号公报(专利文献2)中公开了一种测试装置，该测试装置使将检测电流的一部分作为电子电路的工作电源的电子式电路断路器的测试时的消耗电力减少，并且针对将跳闸检测电路区分为瞬时跳闸和时限跳闸而构成的电路，分别地以离线的方式进行动作测试。
专利文献1：日本特开平8-331748号公报
专利文献2：日本特开平9-211089号公报
发明内容
所述专利文献1所公开的电子式电路断路器是将检测电流的一部分利用于控制电路的工作电源的电路断路器，对于将检测交流电路的电流的变流器的二次电流转换为单向电流的整流电路的输出，通过开关元件将其分割为平滑电容器侧和电流检测电阻侧，对所述电流检测电阻的电压进行监视而使瞬时跳闸电路进行动作，并且将所述平滑电容器的输出电压作为所述控制电路的工作电源。
另外，所述专利文献2所公开的电子式电路断路器的测试装置使将检测电流的一部分作为电子电路的工作电源的电子式电路断路器的测试时的消耗电力减少，另外，针对将跳闸检测电路区分为瞬时跳闸和时限跳闸而构成的电路，分别地以离线的方式进行动作测试。
本申请发明人基于专利文献1或专利文献2而创造出图1所示的电子式电路断路器。图1是表示在专利文献1所公开的电路断路器组合了专利文献2所公开的测试装置的电子式电路断路器的框图，且表示直至本发明为止的过程的电子式电路断路器。
在图1中，电子式电路断路器1A具有：开闭触点3，其对交流电路2进行开闭；电流检测电阻5，其与***于交流电路2的变流器4的次级侧连接，将其输出电流转换为检测电压；判定电路6，其具有根据电流检测电阻5的检测电压判定过电流的瞬时跳闸判定电路6a和时限跳闸判定电路6b这两种判定电路；以及电源电路，其将对变流器4的输出电流进行整流的整流电路7的输出电流转换为电压源，向判定电路6供给电源。该电源电路由电压监视电路8、第1开关元件即电流控制晶体管9、过电压保护用齐纳二极管10、第2开关元件即负载断开用晶体管11、上拉电阻12、防逆流二极管13、以及对负载断开用晶体管11进行控制的第3开关元件即控制用晶体管14构成。此外，电流控制晶体管9、负载断开用晶体管11、控制用晶体管14分别由双极晶体管或场效应晶体管构成。
另外，电子式电路断路器1A具备如下部件而构成：整流二极管18，其防止从动作测试装置15经由端子16、17而供给电源时的反向电流；切换用二极管19，其对从动作测试装置15输出的瞬时跳闸信号和时限跳闸信号进行切换；跳闸线圈21，其通过判定电路6的输出信号经由晶闸管20而受到预紧；以及跳闸机构(未图示)，其在跳闸线圈21的预紧时对开闭触点进行断开驱动。此外，标号22表示平滑电容器，标号23表示测试用检测电阻，标号24表示将动作测试装置15的动作测试信号向切换用二极管19供给的端子。
图1所示的电子式电路断路器1A以上述方式构成，使用动作测试装置15时的动作在没有向交流电路2通电的离线时，需要从外部输入向电路的电源，因此，将已连接的动作测试装置15内部的恒流IIN从端子16经由整流二极管18向源电路供给。
恒流IIN经由负载断开用晶体管11向平滑电容器22进行充电而转换为输出电压VOUT，供给至判定电路6。输出电压VOUT通过电压监视电路8进行电压检测，在大于规定的阈值的情况下，向电流控制晶体管9的基极输出信号，经由电流控制晶体管9使恒流IIN绕到GND，由此进行输出电压VOUT的控制。
在输出电压VOUT升高、判定电路6启动之后，动作测试装置15选择对定瞬时操作测试信号进行判定的瞬时跳闸判定电路6a、或者对时限跳闸测试信号进行判定的时限跳闸判定电路6b的任一者的判定电路，从端子24供给恒流的动作测试信号ITEST1或ITEST2。动作测试信号ITEST1或ITEST2通过测试用检测电阻23及电流检测电阻5而产生与过电流施加相当的电压，使判定电路6的瞬时跳闸判定电路6a或时限跳闸判定电路6b的任意者检测疑似的过电流。此外，端子17接地。
对于判定电路6的瞬时跳闸判定电路6a、时限跳闸判定电路6b的任意者，如果检测到的电压值超过规定的阈值，则将跳闸信号VTRIP向晶闸管20的栅极输出，使晶闸管20处于接通状态。另外，电源电路的控制用晶体管14成为接通状态，负载断开用晶体管11的基极、发射极间电压成为GND电位，成为输出电压VOUT≒0V。同时，电压监视电路8的输出断开，电流控制晶体管9成为断开状态，恒流IIN流入至跳闸线圈21。由此，跳闸线圈21进行驱动，将开闭触点3断开。
另一方面，对于动作测试装置15的端子16和GND间的跳闸动作检测电压VIN2，如果负载断开用晶体管11断开、且电流控制晶体管9断开，与电源电路的负载即判定电路6相比跳闸线圈21的阻抗大，则跳闸动作检测电压VIN2与跳闸动作前相比升高。动作测试装置15对跳闸动作检测电压VIN2进行检测，如果超过规定的跳闸动作检测的阈值的状态持续几ms，则动作测试装置15检测到电子式电路断路器1A的跳闸动作，进行跳闸动作时间的检测。其中，为了动作测试装置15进行跳闸检测，需要进行跳闸动作检测的时间，需要仅利用充电至平滑电容器22的电荷对向判定电路6的电源供给进行补充，需要大电容的平滑电容器。
在图2中示出所述图1所示的电子式电路断路器1A成为问题的情况下的动作波形。在图2中，(a)示出动作测试装置15的供给电流IIN，(b)示出电源电路的输出电压VOUT，(c)示出电压监视电路8的输出电压，(d)示出负载断开用晶体管11的基极电压VB，(e)示出晶闸管20的阳极、阴极间电压VSR。另外，(f)示出跳闸信号VTRIP，(g)示出动作测试信号ITEST1或ITEST2，(h)示出动作测试装置15的端子16的电压VIN2，(i)示出动作测试装置15的跳闸动作检测的定时，(j)示出动作测试装置15的跳闸动作检测的计数。
在施加了动作测试信号ITEST1或ITEST2时，从判定电路6的瞬时跳闸判定电路6a和时限跳闸判定电路6b的任意者的判定电路输出跳闸信号，晶闸管20如图2(e)所示成为接通状态。同时，负载断开用晶体管11的控制用晶体管14成为接通状态，负载断开用晶体管11的基极的电位与GND的电位大致相同，因此负载断开用晶体管11与负载断开，成为断开状态。在负载断开用晶体管11断开期间，向判定电路6的电源供给仅为平滑电容器22的充电电流，通过瞬时跳闸判定电路6a和时限跳闸判定电路6b各自进行的跳闸动作输出信号的持续时间如图2(f)所示，取决于平滑电容器22的剩余电容，成为t1。
为了确保可靠性，跳闸动作检测如图2(i)所示在跳闸动作检测的定时t2进行n次检测。如图2(j)所示，如果在跳闸动作检测电压VIN2端子的电压超过跳闸检测电压阈值、且通过累计n次而超过规定的阈值时，动作测试装置15进行跳闸动作检测，则跳闸信号持续时间需要是t1≥(t2×n)。
但是，在平滑电容器22的电容小的情况下，跳闸动作输出信号持续时间t1＜(t2×n)，动作测试装置15变得不能进行跳闸动作的检测。另外，在跳闸信号VTRIP停止之后，控制用晶体管14成为断开状态，因此，负载断开用晶体管11恢复为接通，重新开始向判定电路6的电流供给。另一方面，晶闸管20维持接通状态，因此输入电流向跳闸线圈21和电源电路进行分流，输出电压VOUT维持未达到判定电路6的启动电压的状态，因此，动作测试装置15不能进行跳闸动作检测。
通过对平滑电容器22使用大电容的电容器，从而动作测试装置15变得能够进行跳闸检测，但对电源电路的输出电压的上升时间有影响，产生变得不能进行高速动作的课题。
本发明就是为了解决如上述的课题而提出的，目的在于得到一种电子式电路断路器，其通过平滑电容器的低电容化而实现电子电路的小型化，另外通过平滑电容器的电容削减能够进行高速动作。
本发明涉及的电子式电路断路器具有：开闭触点，其***于交流电路，通过跳闸线圈而进行开闭操作；整流电路，其与对流过所述交流电路的电流进行检测的变流器的次级侧连接，将次级侧输出电流转换为单向电流；第1开关元件，其与所述整流电路的输出侧连接；第2开关元件，其使负载从所述整流电路的输出侧断开；电压切换单元，其与所述第2开关元件的控制端子连接，对与串联连接于所述跳闸线圈的晶闸管连接的电源电路的输出电压进行切换；电压抑制单元，其与所述第2开关元件的输出侧连接；电压监视电路，其经由所述电压抑制单元而连接，进行所述第1开关元件的控制；电流检测电阻，其与所述整流电路连接，对所述交流电路的各层的电流进行检测；判定电路，其经由所述电压抑制单元而连接，由瞬时跳闸判定电路和时限跳闸判定电路构成，该瞬时跳闸判定电路和时限跳闸判定电路对通过流过所述电流检测电阻的电流而产生的电压进行监视，在监视电压超过规定的阈值时，经由所述跳闸线圈使所述开闭触点断开；测试用检测电阻，其与所述电流检测电阻连接，与所述判定电路的输入端子串联连接；以及动作测试装置，在所述交流电路未通电的情况下，从外部经由连接器而向所述整流电路的后级输入恒流，并且向所述测试用检测电阻输入测试信号，进行电路断路器的跳闸动作测试。
发明的效果
根据本发明涉及的电子式电路断路器，具备在跳闸线圈动作时电源电路的输出电压的切换单元和电源电路的输出电流的抑制单元，由此能够削减平滑电容器的电容，因此实现电子电路的小型化，另外通过削减平滑电容器的电容而能够进行高速动作。
对于本发明的所述以外的目的、特征、观点及效果，根据参照附图的以下的本发明的详细说明，会变得更明确。
附图说明
图1是表示由本申请发明人创造出的至本发明为止的过程的电子式电路断路器的框图。
图2是表示图1所示的电子式电路断路器的动作波形的图表图。
图3是表示本发明的实施方式1涉及的电子式电路断路器的结构的框图。
图4是表示本发明的实施方式1涉及的电子式电路断路器的动作波形的图表图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明涉及的电子式电路断路器的优选实施方式进行说明。
实施方式1.
图3是表示本发明的实施方式1涉及的电子式电路断路器的结构的框图，图4是表示其动作波形的图表图。
在图3中，电子式电路断路器1B具有：开闭触点3，其对交流电路2进行开闭；电流检测电阻5，其与***于交流电路2的变流器4的次级侧连接，将其输出电流转换为检测电压；判定电路6，其具有根据电流检测电阻5的检测电压判定过电流的瞬时跳闸判定电路6a和时限跳闸判定电路6b这两种判定电路；以及电源电路，其将对变流器4的输出电流进行整流的整流电路7的输出电流转换为电压源，向判定电路6供给电源。该电源电路由电压监视电路8、第1开关元件即电流控制晶体管9、过电压保护用齐纳二极管10、第2开关元件即负载断开用晶体管11、上拉电阻12、防逆流二极管13、对负载断开用晶体管11进行控制的第3开关元件即控制用晶体管14、后述的对电源电路的输出电压进行切换的电压切换单元即第1二极管25、以及电压抑制单元即第2二极管26构成。此外，电流控制晶体管9、负载断开用晶体管11、控制用晶体管14分别由双极晶体管或场效应晶体管构成。
另外，电子式电路断路器1B具备如下部件而构成：整流二极管18，其防止从动作测试装置15经由端子16、17而供给电源时的反向电流；切换用二极管19，其对从动作测试装置15输出的瞬时跳闸信号和时限跳闸信号进行切换；跳闸线圈21，其通过判定电路6的输出信号经由开关元件的晶闸管20而受到预紧；以及跳闸机构(未图示)，其在跳闸线圈21的预紧时对开闭触点进行断开驱动。此外，标号22表示平滑电容器，标号23表示测试用检测电阻，标号24表示将动作测试装置15的动作测试信号向切换用二极管19供给的端子。
实施方式1涉及的电子式电路断路器1B以所述方式构成，该电源电路即由电压监视电路8、电流控制晶体管9、过电压保护用齐纳二极管10、负载断开用晶体管11、上拉电阻12、防逆流二极管13、负载断开用晶体管11的控制用晶体管14、及第1二极管25、第2二极管26构成的电源电路，将从交流电路2经由变流器4输入的交流电流转换为规定的直流电压，向判定电路6供给电源。而且，在晶闸管20接通时，该电源电路断开，成为Iout≒0，使VIN1的电压升高，进行向跳闸线圈21的电流供给。
下面，使用图4的表示动作波形的图表图对所述电源电路的详情进行说明。此外，图4(a)示出动作测试装置15的供给电流IIN，(b)示出电源电路的输出电压VOUT，(c)示出电压监视电路8的输出电压，(d)示出负载断开用晶体管11的基极电压VB，(e)示出晶闸管20的阳极、阴极间电压VSR。另外，(f)示出跳闸信号VTRIP，(g)示出动作测试信号ITEST1或ITEST2，(h)示出动作测试装置15的端子16的电压VIN2，(i)示出动作测试装置15的跳闸动作检测的定时，(j)示出动作测试装置15的跳闸动作检测的计数。
在开闭触点3断开的离线的状态下，在如图4(a)所示从动作测试装置15供给直流的恒流IIN时，如图4(d)所示在负载断开用晶体管11经由上拉电阻12向基极供给电流，基极电压VB升高，如图4(b)所示，将电荷向平滑电容器22充电，向判定电路6供给电源。
电源电路的输出电压VOUT经由第2二极管26而由电压监视电路8对电压进行检测，如图4(c)所示，如果成为超过规定的阈值(例如12V)的电压，则将电压向电流控制晶体管9的栅极输出，将电流控制晶体管9设为接通状态。此时，恒流IIN向电流控制晶体管9的集电极流入，成为VIN≒0V。
作为负载断开用晶体管11，由于基极电流≒0，因此IOUT≒0。如果由于判定电路6而平滑电容器22的电荷减少，则输出电压VOUT降低，但如果由于电压监视电路8而小于或等于规定的阈值(例如11.9V)，则将电流控制晶体管9断开，由此再次将负载断开用晶体管11设为接通状态，将电流向平滑电容器22充电。因此，通过电压监视电路8而相对于恒流IIN的输入将输出电压VOUT控制为恒定的电压。
在判定电路6启动之后，从动作测试装置15将动作测试信号ITEST2或ITEST1的任一者所选择的信号经由切换用二极管19施加至测试用检测电阻23。此时，由判定电路6对在测试用检测电阻23和电流检测电阻5产生的电压值进行检测，如果超过规定的值，则输出跳闸信号VTRIP。如果输出跳闸信号VTRIP，则如图4(e)所示，晶闸管20接通。同时电压监视电路8断开，向电流控制晶体管9的基极的输出成为断开状态。
另外，负载断开用晶体管11的控制用晶体管14接通，因此，基极电压变为VB≒0，负载断开用晶体管11断开，因此IOUT≒0。与电源电路的负载即判定电路6相比跳闸线圈21的阻抗大，因此输入电压VIN1升高。此时流过控制用晶体管14的发射极的电流在上拉电阻12为几十kΩ(例如47kΩ)的情况下，成为几百μA(例如530μA)左右。
在恒流IIN＝几十mA(例如30mA)时，大部分电流以流入至跳闸线圈21的方式进行动作。另外，流过该跳闸线圈21的电流受到过电压保护用齐纳二极管10的齐纳电压限制。
动作测试装置15对VIN1的电压值进行检测，如果超过规定的阈值(例如15V)则检测到电路断路器动作的情况。该电路断路器动作的检测为了确保可靠性，在以如图4(i)、图4(j)那样每隔几ms进行几次检测的方式，例如每隔t2＝5ms检测到大于或等于2次的情况下，检测到断路器进行了跳闸动作。
在跳闸动作时，通过判定电路6的跳闸信号VTRIP将负载断开用晶体管11控制为断开，但该电源供给源以将充电至平滑电容器22的电荷设为电源的方式进行切换，因此通过由判定电路6产生的消耗电流而使得平滑电容器22的电荷降低。因此，如果向判定电路6的供给电压小于最低动作电压，则如图4(f)所示跳闸信号VTRIP在t1的几ms停止。
如果在此处跳闸信号VTRIP停止而控制用晶体管14断开，负载断开用晶体管11会变为接通，在该情况下，电源的供给除了跳闸线圈21之外，还针对判定电路6而进行，在图2(f)所示的跳闸信号断开之后，图2(h)的电源电路的输出电压VOUT降低，动作测试装置15不能够进行跳闸检测。为了使得动作测试装置15进行跳闸检测，需要直至如进行跳闸动作检测的图2(j)所示那样计数值超过阈值为止仅以充电至平滑电容器22的电荷对向判定电路6的电源供给进行补充，需要大电容的平滑电容器。该情况下，在电子式电路断路器的CO动作的速度、即接通动作之后，毫无疑问进行断路动作的速度会变慢，因此会产生新的问题。
但是，对于晶闸管20的阳极、阴极间的电压VON，通过利用电源电路的输出电压的切换单元即第1二极管25并且利用电压抑制单元即第2二极管26，从而在动作测试装置15的跳闸动作检测中能够始终将负载断开用晶体管11维持为断开，能够利用小电容的平滑电容器22进行跳闸动作的检测。下面，详细地对能够实现平滑电容器22的小电容化的动作原理进行说明。
如果由于判定电路6的瞬时跳闸判定电路6a和时限跳闸判定电路6b的任一者的跳闸信号的输出而晶闸管20成为接通状态，则负载断开用晶体管11的基极电压VB在将晶闸管20的接通电压VON设为VON＝1.2V、将电源电路的输出电压的切换单元即第1二极管25的正向电压VD3设为VD3＝0.7V的情况下，成为VB＝VON+VD3＝1.2V+0.7V＝1.9V。
另外，输出电压VOUT在将负载断开用晶体管11接通所需的基极、发射极电压VBE设为VBE＝0.6V、将防逆流二极管13的正向电压VD1设为VD1＝0.6V时，成为VOUT＝VB-VBE-VD1＝(1.9V-0.6V-0.6V)＝0.7V。
并且，由于电流抑制单元即第2二极管26的正向电压VD2，向判定电路6的施加电压VOUT2为VOUT2＝VOUT-VD2＝0.6V-VD2，
为了设为VOUT2≒0需要VD2≒0.6，但第2二极管26的正向电压如果是0.6V左右，则如果输出电流IOUT以几十μA(例如50μA)左右产生则IIN＞＞IOUT，成为IOUT≒0。
因此，只要晶闸管20接通，作为从动作测试装置15的端子16的跳闸动作检测电压VIN2观察到的电源电路的输入阻抗，即使平滑电容器22的电荷变为0μC、判定电路6停止的情况下，也恒定，如图4(h)所示，跳闸动作检测电压VIN2稳定。另外，动作测试装置15能够执行用于检测的跳闸动作检测的计数，因此能够进行跳闸动作检测。
因此，平滑电容器22的电容只要是能够将晶闸管接通、另外使输出电压VOUT稳定化的电容即可，能够降低电容器的电容，能够实现电源电路的小型。并且，通过平滑电容器22的电容削減还能够进行高速动作。
如以上所述，根据实施方式1涉及的电子式电路断路器1B，在跳闸线圈21动作时，通过具备电源电路的输出电压的切换单元即第1二极管25、以及电压抑制单元即第2二极管26，从而能够削减平滑电容器22的电容，因此实现电子电路的小型化，削减平滑电容器22的电容，从而能够进行高速动作。
此外，在上述中对本发明的实施方式1涉及的电子式电路断路器进行了说明，但本发明在其发明的范围内能够适当对实施方式进行变形、省略。
标号的说明
1A、1B电子式电路断路器，2交流电路，3开闭触点，4变流器，5电流检测电阻，6判定电路，6a瞬时跳闸判定电路，6b时限跳闸判定电路，7整流电路，8电压监视电路，9电流控制晶体管，10过电压保护用齐纳二极管，11负载断开用晶体管，12上拉电阻，13防逆流二极管，14控制用晶体管，15动作测试装置，16、17、24端子，18整流二极管，19切换用二极管，20晶闸管，21跳闸线圈，22平滑电容器，23测试用检测电阻，25第1二极管，26第2二极管。

Claims (6)

1.一种电子式电路断路器，其特征在于，具有：
开闭触点，其***于交流电路，通过跳闸线圈而进行开闭操作；
整流电路，其与对流过所述交流电路的电流进行检测的变流器的次级侧连接，将次级侧输出电流转换为单向电流；
第1开关元件，其与所述整流电路的输出侧连接；
第2开关元件，其使负载从所述整流电路的输出侧断开；
电压切换单元，其与所述第2开关元件的控制端子连接，对与串联连接于所述跳闸线圈的晶闸管连接的电源电路的输出电压进行切换；
电压抑制单元，其与所述第2开关元件的输出侧连接；
电压监视电路，其经由所述电压抑制单元而连接，进行所述第1开关元件的控制；
电流检测电阻，其与所述整流电路连接，对所述交流电路的各相的电流进行检测；
判定电路，其经由所述电压抑制单元而连接，由瞬时跳闸判定电路和时限跳闸判定电路构成，该瞬时跳闸判定电路和时限跳闸判定电路对通过流过所述电流检测电阻的电流而产生的电压进行监视，在监视电压超过规定的阈值时，经由所述跳闸线圈使所述开闭触点断开；
测试用检测电阻，其与所述电流检测电阻连接，与所述判定电路的输入端子串联连接；以及
动作测试装置，其在所述交流电路未通电的情况下，从外部经由连接器而向所述整流电路的后级输入恒流，并且向所述测试用检测电阻输入测试信号，进行电路断路器的跳闸动作测试。
2.根据权利要求1所述的电子式电路断路器，其特征在于，
所述电压抑制单元是二极管。
3.根据权利要求2所述的电子式电路断路器，其特征在于，
所述电压抑制单元是齐纳二极管。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的电子式电路断路器，其特征在于，
所述电压切换单元是二极管。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的电子式电路断路器，其特征在于，
所述第1开关元件和所述第2开关元件分别是双极晶体管或场效应晶体管。
6.根据权利要求4所述的电子式电路断路器，其特征在于，
所述第1开关元件和所述第2开关元件分别是双极晶体管或场效应晶体管。
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