CN112491013A - 一种应用于高压直流断路器的手动无弧分断电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于高压直流断路器的手动无弧分断电路，包括触点电压检测电路、电压比较电路、信号调整电路、555输出电路、IGBT驱动电路，通过触点电压检测电路得到的电压值与预设的电压值比较，判断触点的状态、识别手分动作，在线圈脱扣后，经过信号调整，最终通过555输出电路驱动IGBT，将电流分流到IGBT后断开IGBT，实现无弧切断的方式对负载进行保护。本发明所提供的一种应用于高压直流断路器的手动分断电路的设计方法，实现了对高压直流断路器的手动无弧分断控制，避免高压直流断路器的触点因拉弧产生的烧蚀，提高了产品的性能，具有智能化、噪声小的特点。

Description

一种应用于高压直流断路器的手动无弧分断电路

技术领域

本发明属于航空配电***领域，具体涉及一种应用于高压直流断路器的手动分断电路。

背景技术

在航空领域，随着飞机用电功率不断增加，高压直流发电机技术的成熟，高压直流供配电***的不断发展完善，高压直流供配电体制成为飞机供配电体制的一个主要选择，高压直流在配电方面有减轻线缆的重量、降低电磁干扰等优势。同时，高压直流负载的控制、保护过程中可能产生的拉弧现象对高压直流断路器带来了新的挑战。

高压直流断路器是高压直流工配电网络中对负载和线路起保护作用的重要设备。我国国产的航空断路器比较成熟的主要有双金属断路器和电磁式断路器两类，均为按钮式。双金属断路器一旦发生了过流故障且双金属片动作，短时间内是无法接通的，必须等待双金属片完全冷却后才能再次接通电路。电磁式断路器虽解决了双金属断路器紧急情况下发生过流保护后不能立即接通的问题，由于在高压场合，断路器存在拉弧问题，因而其主要应用场合仍然在28VDC或115VAC等低压场合。高压直流断路器的无弧切断，降低触点的烧蚀是其研发重要的研究方向。

20世纪70年代后期，机械触点开关与电力电子器件相结合的混合式开断技术在国内外兴起。通过两者之间时序的有效配合，成功熄灭电弧，实现开关智能化控制。该方式相比于以往的通过纯机械改造和改善触头材料等方式，大大缩短了生产和开发周期。国内也已有人提出采用高性能密封陶瓷技术（EPIC）研制270V航空直流接触器，用以减少拉弧现象。

结合航空配电领域的高压直流断路器的发展需求，本发明给出了一种应用于高压直流断路器的手动分断电路的设计方法，实现对断路器的无弧手动分断。提高了断路器触点的寿命和产品的可靠性。

发明内容

本发明的目的是为高压直流断路器提供一种应用于高压直流断路器的手动分断电路实现的方法，可靠有效的实现对高压直流断路器的手动分断保护，以解决航空高压直流断路器分断电弧的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现的：

一种应用于高压直流断路器的手动分断电路，其特征在于，所述分断电路由触点电压检测电路、电压比较电路、信号调整电路、555输出电路、IGBT驱动电路依次串联而成；所述触点电压检测电路实时采集断路器主触点之间的电压，实时采集的电压经电压比较电路与预设的电压值进行比较，判断触点的状态、识别手分动作；当采集电压比预设电压值低时，不进行后续处理；当采集电压比预设电压值高时，输出第一方波信号，经过信号调整电路调整后，驱动555输出电路输出第二方波信号，该信号最终驱动IGBT驱动电路实现在断路器触点分断过程中IGBT导通，实现断路器触点的无弧分断。

所述触点电压检测电路由电阻R1、R2、R3、R4、电容C1、C2、二极管D1组成。断路器触头一端接电阻R1一端，断路器另一个触头同时与接电阻R3、R4一端和电容C1一端连接，电阻R3和电容C1的另一端与二极管D1正端和电阻R2连接，此连接点为测试点T1，T1与C2一端连接，C2另一端与R4一端连接，此连接点为测试点T2，二极管D1的负端接电源；

上述触点电压检测电路中二极管D1可采用压降1V的二极管；可有效防止过电压。

所述电压比较电路由电阻R5、R6、R7、R8、R9、电容C3、C4、C5、C6、二极管D2、比较器U1C组成，其中，电容C4、C5连接电源+15V与GND，起到滤波作用，测试点T2与二极管D2正端相连，通过电阻R7连接比较器U1C的同向输入端，U1的反向输入端相连的是一个阈值电压，阈值电压由电阻R5、R6分压+15V得到，电容C3与R6并联，电阻R5一端连接+15V，分压电阻R5、R6的连接点为测试点T3，电阻R6和电容C3另一端连接GND;比较器U1D的输出引脚为测试点T4，测试点T4连接电阻R8，R8连接电阻R9和电容C6，此连接点为测试点T5，R9另一端连接+15V，电容C6另一端连接GND。

上述电压比较电路中，电阻R8为比较器U1C的输出限流电阻，电阻R9为比较器U1C的输出上拉电阻；电容C6为比较器U1C的输出滤波电容。

所述信号调整电路由电阻R10、R11、R12、电容C7、C8、二极管D3、比较器U1D组成。测试点T5连接与比较器U1D反向输入端相连，与比较器U1同向输入端相连的是一个10V电压。比较器U1D输出端与电阻R10和电容C7一端连接，此连接点为测试点T6，电阻R10另一端连接+15V，电容C7另一端连接二极管D3正端和电阻R11、R12的一端，此连接点为测试点T7，二极管D3和电阻R11的另一端连接+15V，电阻R12的另一端连接电容C8，此连接点为测试点T8，电容C8另一端接GND。

上述信号调整电路中，T7测试点与T6测试点之间存在隔直电容C7；电阻R10为比较器U1D的输出上拉电阻；二极管D1可采用压降为1V的二极管。

上述555输出电路由电阻R13、电容C9、C10、C11、C12、芯片U2组成。测试点T8与芯片U2的TRIG触发引脚连接，芯片U2的GND引脚接GND，芯片U2的输出引脚输出驱动IGBT信号，此信号输出点为T9测试点，芯片U2的RST复位引脚接+15V，芯片U2的CTRL控制引脚接电容C9一端，电容C9另一端接地，芯片U2的THR阈值引脚、DIS放电引脚与电容C10、C11、C12、电阻R13的一端连接，电容C10、C11、C12另一端接GND，电阻R13另一端接+15V，芯片U2的Vcc供电引脚接+15V。

上述555输出电路中，555定时器满足触发条件后，输出方波信号的时间由与555定时器TH引脚相连的RC电路决定，时间为RC电路充电到10V所用时间，该时间为IGBT的导通时间t，其计算公式为：

t= 1.1*R*C，其中，R为电阻R13的阻值，C是电容C10、C11、C12的电容值之和。

IGBT驱动电路由电阻R14、R15、电容C13、二极管D4、光耦芯片U3组成。T9测试点连接二极管D4正端，二极管D4负端连接电阻R14的一端，电阻R14与电阻R15连接，连接点连接芯片U3的信号输入引脚，电阻R15另一端接GND。芯片U3的NC引脚悬空，CATHODE引脚接GND，5引脚接24VGND，Vo引脚连接IGBT驱动引脚，Vcc引脚接24V电源正极。

上述IGBT驱动电路中，二极管D4为防反二极管；U3芯片为隔离驱动芯片；U3芯片在IGBT一端的供电电压为24V电压供电；电容C13起电源滤波作用。

本发明所达到的有益效果在于：

本发明的一种应用于高压直流断路器的手动分断电路，能可靠有效实现对高压直流断路器的手动无弧分断控制。整个电路的功能实现无需编程，减少了***故障率，且无需更新程序。此外，集成电路的功耗小，体积小，可靠性高。

附图说明

图1是高压直流断路器手分电路构成结构图，

图2是触点电压检测电路原理图，

图3 是电压比较电路原理图，

图4 是信号调整电路原理图，

图5 是555输出电路原理图，

图6 是IGBT驱动电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

图1是本发明高压直流断路器手分电路构成结构图，手动分断电路实时进行触点间电压检测，采集到的电压与设定的阈值电压比较，经过信号调整电路，驱动555定时器输出方波信号，最终驱动IGBT导通，IGBT导通时间可设定，在断路器触点完全断开后，断开IGBT，实现高压直流断路器的无弧分断。

具体包括触点电压检测电路、电压比较电路、信号调整电路、555输出电路、IGBT驱动电路。

高压直流断路器手动分断过程无弧方法为，当手动拉拔断路器按钮时，通过触头电压检测装置可测得触头间电压值，随着触头间距由零逐渐增大，触头间电压也随之增大，当触头间电压大于10V时，采集的分压信号为1.64V。

由于电路中的隔直电容和放电电阻，会产生正脉冲信号。

采集的分压信号幅值与预设值进行比较，预设值由电阻R5、R6分压+15V得到，设定的预设值为0.97V。

当测得触头间变化导致产生的正脉冲信号幅值大于预设值0.97V时，比较器输出方波信号。为了使555输出驱动信号，需将方波信号中的高电平调理为低电平，即通过比较器与10V的设定值比较。经过信号调理，该信号可触发555定时器输出驱动信号。

驱动信号经过二极管，通过驱动HCNW-3120-300E芯片，驱动IGBT导通，由于IGBT模块的饱和导通压降要远小于电弧电压，因此电流会成功转移到IGBT模块上，经过4.3ms后，驱动信号消失，驱动时间由555定时器决定。IGBT断开，此时触头已经完全打开，实现触点无弧分断。

工作原理：

当手动拉拔断路器按钮后，触头电压检测电路可测得触头间电压值随着断路器两个主触点的分离，逐渐由0V变为270V。当触头间电压检测为10V时，此时主触点的距离可以判断为线圈脱扣。此时，电阻R3与电阻R1、R2将主触点间电压分压，T1测试点电压为1.64V；测试点T1和T2之间为隔直电容C2，电容C2电压会先随T1测试点电压瞬间升高，然后通过电阻R4进行放电，T2测试点形成正电压脉冲。

阈值电压（即测试点T3）由电阻R5和R6分压+15V得来，T3测试点电压为0.97V。

线圈脱扣时产生的正电压脉冲的电压超过阈值电压，比较器U1输出引脚输出为高电平（即T4测试点），其波形为+15V方波。

测试点T5输出波形与测试点T4输出波形一致，亦为+15V方波，由于存在电容C6，故T5处电压会有一个小延时。

测试点T5的方波的电压值大于比较器U1D同向输入端电压+10V，会导致比较器U1D的输出引脚（即测试点T6）输出为一个低电平脉冲信号的波形。T7测试点与T6测试点之间存在隔直电容C7，T7测试点处电压会先随T6测试点电压瞬间变低，然后再通过给电容C8充电，T7测试点处电压上升至+15V。T8测试点处电压波形与T7测试点处波形一致。

上述555输出电路中，芯片U2的TRIG触发引脚电平下降到1/3VCC时，触发555定时器输出方波，幅值为15V。VCC为+15V，1/3VCC为+5V。

线圈脱扣时，T8测试点的电压波形为+15V瞬间变低为0V，然后再通过给电容充电，电压上升至+15V。满足555定时器触发条件，555定时器输出（即测试点T9）幅值为15V的方波。

芯片U2的THR阈值引脚与RC电路相连，555定时时间为RC电路充电到10V所用时间，根据设计要求确定，时间为4.3ms。

测试点T9输出的方波电压信号通过电阻R14、R15分压，使驱动信号满足芯片U3的输入要求，IGBT随着测试点T9的方波信号实现导通4.3ms后断开。

由于IGBT模块的饱和导通压降要远小于电弧电压，因此电流会成功转移到IGBT模块上，驱动信号消失，IGBT断开，此时断路器主触点已经完全打开，实现触点无弧分断。

Claims (10)

1.一种应用于高压直流断路器的手动分断电路，其特征在于，所述分断电路由触点电压检测电路、电压比较电路、信号调整电路、555输出电路、IGBT驱动电路依次串联而成；所述触点电压检测电路实时采集断路器主触点之间的电压，实时采集的电压经电压比较电路与预设的电压值进行比较，判断触点的状态、识别手分动作；当采集电压比预设电压值低时，不进行后续处理；当采集电压比预设电压值高时，输出第一方波信号，经过信号调整电路调整后，驱动555输出电路输出第二方波信号，该信号最终驱动IGBT驱动电路实现在断路器触点分断过程中IGBT导通，实现断路器触点的无弧分断。

2.如权利要求1所述的应用于高压直流断路器的手动分断电路，其特征在于，所述触点电压检测电路由电阻R1、R2、R3、R4、电容C1、C2、二极管D1组成；断路器触头一端接电阻R1一端，断路器另一个触头同时与接电阻R3、R4一端和电容C1一端连接，电阻R3和电容C1的另一端与二极管D1正端和电阻R2连接，此连接点为测试点T1，T1与C2一端连接，C2另一端与R4一端连接，此连接点为测试点T2，二极管D1的负端接电源。

3.如权利要求2所述的应用于高压直流断路器的手动分断电路，其特征在于，所述触点电压检测电路中二极管D1采用压降1V的二极管。

4.如权利要求1所述的应用于高压直流断路器的手动分断电路，其特征在于，所述电压比较电路由电阻R5、R6、R7、R8、R9、电容C3、C4、C5、C6、二极管D2、比较器U1C组成，其中，电容C4、C5连接电源+15V与GND，起到滤波作用，测试点T2与二极管D2正端相连，通过电阻R7连接比较器U1C的同向输入端，U1的反向输入端相连的是一个阈值电压，阈值电压由电阻R5、R6分压+15V得到，电容C3与R6并联，电阻R5一端连接+15V，分压电阻R5、R6的连接点为测试点T3，电阻R6和电容C3另一端连接GND;比较器U1D的输出引脚为测试点T4，测试点T4连接电阻R8，R8连接电阻R9和电容C6，此连接点为测试点T5，R9另一端连接+15V，电容C6另一端连接GND。

5.如权利要求4所述的应用于高压直流断路器的手动分断电路，其特征在于，所述电压比较电路中，电阻R8为比较器U1C的输出限流电阻，电阻R9为比较器U1C的输出上拉电阻；电容C6为比较器U1C的输出滤波电容。

6.如权利要求1所述的应用于高压直流断路器的手动分断电路，其特征在于，所述信号调整电路由电阻R10、R11、R12、电容C7、C8、二极管D3、比较器U1D组成；测试点T5连接与比较器U1D反向输入端相连，与比较器U1同向输入端相连的是一个10V电压；比较器U1D输出端与电阻R10和电容C7一端连接，此连接点为测试点T6，电阻R10另一端连接+15V，电容C7另一端连接二极管D3正端和电阻R11、R12的一端，此连接点为测试点T7，二极管D3和电阻R11的另一端连接+15V，电阻R12的另一端连接电容C8，此连接点为测试点T8，电容C8另一端接GND。

7.如权利要求6所述的应用于高压直流断路器的手动分断电路，其特征在于，信号调整电路中，T7测试点与T6测试点之间存在隔直电容C7；电阻R10为比较器U1D的输出上拉电阻；二极管D1采用压降为1V的二极管。

8.如权利要求1所述的应用于高压直流断路器的手动分断电路，其特征在于，上述555输出电路由电阻R13、电容C9、C10、C11、C12、芯片U2组成；测试点T8与芯片U2的TRIG触发引脚连接，芯片U2的GND引脚接GND，芯片U2的输出引脚输出驱动IGBT信号，此信号输出点为T9测试点，芯片U2的RST复位引脚接+15V，芯片U2的CTRL控制引脚接电容C9一端，电容C9另一端接地，芯片U2的THR阈值引脚、DIS放电引脚与电容C10、C11、C12、电阻R13的一端连接，电容C10、C11、C12另一端接GND，电阻R13另一端接+15V，芯片U2的Vcc供电引脚接+15V。

9.如权利要求8所述的应用于高压直流断路器的手动分断电路，其特征在于，所述555输出电路中，555定时器满足触发条件后，输出方波信号的时间由与555定时器TH引脚相连的RC电路决定，时间为RC电路充电到10V所用时间，该时间为IGBT的导通时间t，其计算公式为：

t= 1.1*R*C，其中，R为电阻R13的阻值，C是电容C10、C11、C12的电容值之和。

10.如权利要求1所述的应用于高压直流断路器的手动分断电路，其特征在于，所述IGBT驱动电路由电阻R14、R15、电容C13、二极管D4、光耦芯片U3组成；T9测试点连接二极管D4正端，二极管D4负端连接电阻R14的一端，电阻R14与电阻R15连接，连接点连接芯片U3的信号输入引脚，电阻R15另一端接GND；芯片U3的NC引脚悬空，CATHODE引脚接GND，5引脚接24VGND，Vo引脚连接IGBT驱动引脚，Vcc引脚接24V电源正极。

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