一种电子脱扣器电源能量泄放模拟负载电路及泄放管理电路

摘要

本发明公开了一种电子脱扣器电源能量泄放模拟负载电路及泄放管理电路，属于低压配电系统技术领域。本发明的泄放模拟负载电路包括模拟负载泄放电阻、泄放功率晶体管T2和隔离二极管D4，模拟负载泄放电阻的一端与泄放功率晶体管T2的漏极相连，泄放功率晶体管T2的栅极与隔离二极管D4的阴极相连，该泄放功率晶体管T2的源极接地。本发明能够满足电子脱扣器较低电流启动点的要求，同时能在电流互感器提供能量充足的情况下，降低电流互感器的二次侧电流输出，避免电流互感器发热，保护电子脱扣器正常工作。

说明书

技术领域

本发明涉及低压配电系统技术领域，更具体地说，涉及一种电子脱扣器电源能量泄放模拟负载电路及泄放管理电路。

背景技术

电子式塑壳断路器是一种能够在电流超过跳脱设定后自动切断电流的装置，电子脱扣器是其必备的脱扣单元。低压配电领域的人员都知道，电子脱扣器所需的电力供应，一般采用断路器自身所带的电流互感器从一次主回路汲取能量，电流流过互感器的穿芯导体后，二次侧的感应电流供给电子脱扣器工作。

随着低压配电系统的不断发展，一方面，电子式塑壳断路器的额定电流越来越小，即保护点的启动电流越来越低。根据2009年10月1日实施的国家标准GB/T22710-2008《低压断路器用电子式控制器》的要求，在无外接辅助电源的情况下，主回路所有相电流不小于0.4In(In为额定电流)时，控制器应能可靠工作，且必须具有基本保护功能。另一方面，电子式塑壳断路器的功能越来越强大，不仅具有可靠、精准的保护功能，还具有便捷的能耗管理和远程通信等功能。然而，随着断路器功能的不断扩展，也致使断路器内部脱扣器的功耗越来越大。因此，电流互感器作为电子式塑壳断路器提供能量的装置，就必须提高本身带负载的能力，才能满足小电流下的保护要求与脱扣器本身功耗。

同时，我们也知道，电流互感器的输入与输出在一定的范围内基本是成线性关系的，即二次侧输出电流随一次侧电流变化而变化。在正常情况下，当一次侧电流达到最低保护点的启动电流后，电流互感器此时感应产生的能量已足以维持电子式塑壳断路器的正常工作。当一次侧电流再增大时，电流互感器产生的感应电流也增大，而脱扣器所需要的能量即功耗是一定的，这就导致电流互感器提供的能量将远远大于脱扣器所需要的能量。因此，电流互感器作为电子式塑壳断路器提供能量的装置，在满足脱扣器所需能耗后，随一次电流增加，就必须降低其电流输出。尤其在出现电路短路情况下，一次电流在瞬间产生极大变化，为保证脱扣器的可靠工作，电流互感器的二次电流对于一次电流在瞬间变化情况下保持相对稳定极为重要。

针对上述问题，目前最常用的解决方案有两种：一、电流互感器主磁路并联带有气隙的分磁路；二、电子脱扣器的能量泄放回路串联一个功率电阻。对于方案一，如美国专利US5726846A和中国专利CN102136358B所公开，在大电流的情况下，有部分的磁通量通过分磁回路，但由于分磁回路具有恒定的固定气隙，电流互感器二次侧的输出电流仍会随一次电流的增大而有较大的增长。对于方案二，要求串联在电子脱扣器能量泄放回路上的电阻功率即体积比较大，而脱扣器的空间有限，放置一个较大体积的功率电阻比较困难，且需要考虑散热问题，增加了脱扣器成本。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种电子脱扣器电源能量泄放模拟负载电路及泄放管理电路；本发明提供的技术方案，能够满足电子脱扣器较低电流启动点的要求，同时能在电流互感器提供能量充足的情况下，通过改变电子脱扣器(ETU)等效负载的方式，降低电流互感器的二次侧电流输出，避免电流互感器发热，保护电子脱扣器正常工作。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种电子脱扣器电源能量泄放模拟负载电路，包括模拟负载泄放电阻、泄放功率晶体管T2和隔离二极管D4，所述的模拟负载泄放电阻的一端与泄放功率晶体管T2的漏极相连，泄放功率晶体管T2的栅极与隔离二极管D4的阴极相连，该泄放功率晶体管T2的源极接地。

更进一步地，所述的模拟负载泄放电阻由两个以上贴片电阻并联而成。

本发明的一种电子脱扣器电源能量泄放管理电路，包括泄放功率晶体管T1、T2，储能电容C1、C2，隔离二极管D1、D2、D4，稳压二极管D3，电阻R2和模拟负载泄放电阻；电流互感器二次侧电流输出端分别与隔离二极管D1的阳极、泄放功率晶体管T1的源极相连，隔离二极管D1的阴极分别与稳压二级管D3的阴极、储能电容C1的正极相连；稳压二级管D3的阳极分别与泄放功率晶体管T1的栅极、电阻R2的一端、隔离二极管D4的阳极相连；所述的模拟负载泄放电阻的一端与泄放功率晶体管T2的漏极相连，该模拟负载泄放电阻的另一端分别与储能电容C1的正极、隔离二极管D2的阳极相连，隔离二极管D2的阴极与储能电容C2的正极相连；所述的泄放功率晶体管T1的漏极、电阻R2的另一端、储能电容C1的负极、泄放功率晶体管T2的源极、储能电容C2的负极均接地。

更进一步地，所述的模拟负载泄放电阻由两个以上贴片电阻并联而成。

更进一步地，所述的电阻R2的两端并联有滤波电容C7，储能电容C1的两端并联有滤波电容C3，储能电容C2的两端并联有滤波电容C4。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种电子脱扣器电源能量泄放模拟负载电路，其模拟负载泄放电阻与泄放功率晶体管T2串联后并联于储能电容C1的两端，模拟负载泄放电阻通过两个以上电阻并联的方式，增加电阻的损耗以加快储能电容C1上能量的泄放，从而改变泄放功率晶体管T1的导通时间，使得T1导通、截止的频率以及占空比变大，进而显著降低了电流互感器的输出电流有效值；

(2)本发明的一种电子脱扣器电源能量泄放模拟负载电路，泄放功率晶体管T2通过模拟负载泄放电阻泄放的仅仅为储能电容C1两端的能量，储能电容C1的容值与其电压值PVCC是一定的，模拟负载泄放电阻采用常规的电阻并联即可满足泄放电阻的功率要求；

(3)本发明的一种电子脱扣器电源能量泄放管理电路，通过稳压二级管D3、电阻R2和泄放功率晶体管T1的共同作用，形成动态反馈调节，使得储能电容C1上电压PVCC在一定范围内维持相对稳定的值；通过隔离二极管D4连接泄放功率晶体管T1和T2，使得泄放功率晶体管T2的导通、截止状态完全同步于泄放功率晶体管T1，且均受控于储能电容C1上电压值PVCC，泄放功率晶体管T1和T2同步导通、截止，加快了储能电容C1的放电，缩短了泄放功率晶体管T1的泄放时间，即增加了对储能电容C1的充电周期，进而达到了降低电流互感器输出电流有效值的目的，电路结构设计简单、能量泄放效果显著、工作稳定，便于推广应用。

附图说明

图1是电流互感器供电等效电路示意图；

图2是本发明中电子脱扣器供电电路等效示意图；

图3是本发明中电子脱扣器电源能量泄放模拟负载电路及其周边电路的示意图；

图4是本发明中电子脱扣器电源能量泄放管理电路示意图；

图5是应用本发明的能量泄放管理电路获得的互感器电流输出曲线图。

示意图中的标号说明：

1、泄放回路；2、电阻泄放回路。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

参看图3，本实施例的一种电子脱扣器电源能量泄放模拟负载电路，包括模拟负载泄放电阻、泄放功率晶体管T2和隔离二极管D4，所述的模拟负载泄放电阻的一端与泄放功率晶体管T2的漏极相连，该模拟负载泄放电阻由4个贴片电阻R3、R4、R5、R6并联而成，以增加模拟负载泄放电阻的功耗。泄放功率晶体管T2的栅极与隔离二极管D4的阴极相连，该泄放功率晶体管T2的源极接地。

应用本实施例的泄放模拟负载电路的电子脱扣器电源能量泄放管理电路(参看图4)，包括泄放功率晶体管T1、T2(型号为NTTFS5811NL)，储能电容C1(钽电容100uF/25V)、C2(钽电容47uF/25V)，隔离二极管D1、D2、D4，稳压二极管D3，电阻R2和模拟负载泄放电阻(由4个贴片电阻R3、R4、R5、R6并联而成)。电流互感器二次侧电流输出端分别与隔离二极管D1的阳极、泄放功率晶体管T1的源极相连，隔离二极管D1的阴极分别与稳压二级管D3的阴极、储能电容C1的正极相连；稳压二级管D3的阳极分别与泄放功率晶体管T1的栅极、电阻R2的一端、隔离二极管D4的阳极相连；所述的模拟负载泄放电阻的一端与泄放功率晶体管T2的漏极相连，该模拟负载泄放电阻的另一端分别与储能电容C1的正极、隔离二极管D2的阳极相连，隔离二极管D2的阴极与储能电容C2的正极相连；所述的泄放功率晶体管T1的漏极、电阻R2的另一端、储能电容C1的负极、泄放功率晶体管T2的源极、储能电容C2的负极均接地。所述的电阻R2的两端并联有滤波电容C7，储能电容C1的两端并联有滤波电容C3，储能电容C2的两端并联有滤波电容C4，滤波电容C3、C4和C7用于去耦合和滤波，屏蔽高频信号对储能电容C1上电压值PVCC的影响，获得更高质量的电流能量。

下面结合附图，由浅入深的具体介绍本实施例的能量泄放管理电路稳定电流互感器二次侧输出电流的原理。

图1为电流互感器供电等效电路的示意图，图1中主回路通过的电流为I，电流互感器二次侧的电流为i，等效负载Z和开关K并联组成泄放回路1。在主回路电流I一定的情况下，增加等效负载Z，互感器二次侧输出电流i将变小。或者可以说，开关K处于断开状态时，等效负载为Z，互感器输出的电流为i₁；而当开关K处于闭合状态时，等同电流互感器两端短接，互感器输出的电流为i₂。互感器输出电流前者小于后者，即i₁<i₂。所以，通过改变开关K断开、闭合频率或占空比，即可以影响和改变电流互感器二次侧输出电流i的有效值，进而达到稳定电流互感器二次侧输出电流的目的。

图2为本实施例中电子脱扣器供电电路等效示意图，图2中负载Z2和开关K2串联构成电阻泄放回路2。开关K1处于断开状态时，电流互感器以输出电流值i开始对储能电容C充电。开关K1处于导通状态时，电流互感器输出电流不再对储能电容C充电。开关K1的导通与断开状态完全受控于储能电容C的电压值PVCC，当PVCC小于一定的值时，开关K1才处于断开状态，电流互感器以输出电流值i开始对储能电容C充电；PVCC大于一定的值时，开关K1处于短路状态，储能电容C上的能量继续维持负载Z1工作。开关K1导通与关断对储能电容C上的电压PVCC进行调节，使得PVCC在一定范围内达到动态平衡与相对稳定。

此外，图2中开关K1与K2的导通与截止状态是完全同步的。储能电容C充电时，开关K2完全断开，对储能电容C充电没有影响，即储能电容C的充电时间不变；开关K1处于导通状态时，储能电容C上的能量除了维持负载Z1正常工作外，另一部分通过负载Z2泄放。这一过程储能电容C的充电时间没有改变，放电时间变短，即开关断开时间没有改变，导通时间变短，从而影响电流互感器的输出。等同于通过改变开关导通与截止的占空比，从而影响电流互感器的二次侧输出电流。

如图4所示，电流互感器二次侧电流信号连接在整流桥DB1交流信号输入端，当电流互感器二次侧电流i上升时，储能电容C1、C2开始充电。储能电容C1的电压值PVCC与储能电容C2的电压值VCC升高。当PVCC电压值超过稳压二极管D3的稳压值VZ，稳压二极管D3开始有漏电流I_R流过，并在电阻R2上产生压降V＝I_R*R2，PVCC＝VZ+I_R*R2，随着电流互感器二次侧电流信号i继续增大，稳压二极管D3的漏电流I_R增大，电阻R2上的电压值V与储能电容C1的电压值PVCC(VZ+I_R*R2)也增大。当漏电流I_R增大到使电阻R2上的电压大于泄放功率晶体管T1导通的门限电压时，泄放功率晶体管T1的漏极与源极接通，近似短路，电流互感器二次侧输出电流i直接对地泄放，即i＝i₁，i₂＝0。隔离二极管D1、D2单向导通隔离，泄放功率晶体管T1的导通泄放不影响储能电容C1的电压PVCC与储能电容C2的电压VCC。当储能电容C1上的电压PVCC上的能量被消耗或放电而低于稳压二极管D3的稳压值VZ，或稳压二极管D3的漏电流I_R在电阻R2上的电压V＝I_R*R2小于泄放功率晶体管T1导通的门限电压，泄放功率晶体管T1截止，电流互感器输出电流i继续对储能电容C1充电，储能电容C1的电压PVCC上升，即i＝i₂，i₁＝0。稳压二极管D3、电阻R2、泄放功率晶体管T1三者共同作用，形成动态反馈调节，使得储能电容C1上电压PVCC在一定范围内维持相对稳定的值。

此外，泄放功率晶体管T1的栅极与单向导通隔离二极管D4的阳极相连接，泄放功率晶体管T2导通、截止状态完全同步于泄放功率晶体管T1。当泄放功率晶体管T1的漏极与源极接通，近似短路状态时，电流互感器输出电流i直接对地泄放，不再对储能电容充电。此时，泄放功率晶体管T2漏极也与源极接通，即储能电容C1上的电压能量PVCC通过模拟负载泄放电阻对地泄放。通过在储能电容C1两端增加能量泄放回路，加快了储能电容C1的放电，缩短了泄放功率晶体管T1的泄放时间，即增加了对储能电容C1的充电周期。

由于电流互感器输出为电流源，单纯通过泄放功率晶体管T1进行带载泄放，需要采用具有很大散热体积的大功率电阻。通过泄放功率晶体管T2对储能电容C1上的电压能量PVCC进行泄放，储能电容C1的电压值PVCC是一定的(仅为十几伏)，且对电压能量PVCC的泄放与泄放功率晶体管T1的导通、截止同步，为间断周期性的，所以模拟负载泄放电阻通过几个常规的贴片电阻并联就可以满足功率要求。值得说明的是，所述的模拟负载泄放电阻中模拟是相对于图2中负载Z2的，通过并联电阻的形式额外增加一个与负载Z2等效的负载，本实施例采用4个贴片电阻R3、R4、R5、R6并联组成模拟负载泄放电阻，对于不同情况，使用两个以上(包含两个)贴片电阻并联，并联构成的模拟负载泄放电阻阻值约等于或大于负载Z2即可，负载Z2的阻值由实际情况决定。本实施例使用的4个贴片电阻的封装尺寸为0805，阻值为1.5K，完全能够满足快速泄放储能电容C1上能量的要求，且电阻发热小、占用脱扣器内部空间小，脱扣器成本降低。

图5是应用本实施例的能量泄放管理电路获得的电流互感器电流输出曲线图，曲线1为去掉泄放模拟负载电路的250A电子脱扣器的电流曲线，曲线2为增加泄放模拟负载电路的电子脱扣器电流曲线。从图5可以看出，在小电流或没有到达泄放点前，含有泄放模拟负载电路与没有泄放模拟负载电路的电流互感器输出基本一样，保证了电子脱扣器较低的启动点。在电流达到泄放点后，含有泄放模拟负载电路的电流互感器输出电流明显小于不含有该电路的电子脱扣器，避免了电流互感器发热且有效保护了电子脱扣器的可靠工作。

实施例1所述的一种电子脱扣器电源能量泄放模拟负载电路及泄放管理电路，能够满足电子脱扣器较低电流启动点的要求，同时能在电流互感器提供能量充足的情况下，通过改变电子脱扣器(ETU)等效负载的方式，降低电流互感器的二次侧电流输出，避免电流互感器发热及保护电子脱扣器正常工作，且电路结构设计简单、能量泄放效果显著、工作稳定，具有很高的应用价值。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，本发明的能量泄放模拟负载电路及泄放管理电路并不只是局限应用于电子脱扣器，而是能够适用于采用电流互感器供电的电源电路中。附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。