CN105375435B - 基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置及系统，所述自供电保护装置包括：三相整流及稳压控制电路、开关电源隔离电路、脱扣跳闸控制电路和CPU，所述三相整流及稳压控制电路通过开关电源隔离电路与所述CPU相连接，所述三相整流及稳压控制电路与所述脱扣跳闸控制电路相连接，所述脱扣跳闸控制电路与所述CPU相连接；其中，所述三相整流及稳压控制电路通过调节RC振荡电路参数进而调节其PWM频率和占空比，能够动态回调CT整流的输出电压至设定电压值。本发明输出电压波动小、动态响应快、调节性能好、发热少且电流保护范围宽，还能够提高直接脱扣跳闸输出功率；利用开关电源变压器隔离，增加了CPU的运行可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种自供电保护装置，尤其涉及一种基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，并涉及包括了该基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置的系统。
背景技术
随着城市配电网的不断发展, 大量地埋电缆线路和环网柜得到普及应用；在环网柜等紧凑性安装场合，控制电源一般通过PT柜加装直流装置及蓄电池获取电源；若采用传统电磁式电压传感器，容易出现空间占用大、高压电极绝缘密封不够和铁磁谐振等隐患。自供电保护装置，由于采用电流感应取电方式，占用空间小，可以免除因加装直流装置及蓄电池而带来的额外负担，因此非常适合环网柜等无低压可靠控制电源且需要保护功能的场所。
自供电保护装置电流感应取电，是利用电流互感器从交流电网中感应电流取得电能的一种方式，其输入为交流电网中幅值波动范围较大的交流电流，输出要求为稳定的直流电压。现有的自供电保护装置中，电流互感器的一次绕组匝数少，使用时一次绕组串联在被测线路里；二次绕组匝数多，作为供电绕组接入自供电保护装置的电流感应取电回路。电流互感器二次电流的大小由一次电流决定，二次电流产生的磁势是平衡一次电流的磁势的，如二次开路，其阻抗无限大，二次电流等于零，其磁势也等于零，就不能去平衡一次电流产生的磁势，那么一次电流将全部作用于励磁，使铁芯严重饱和；磁饱和使铁损增大，电流互感器发热，电流互感器线圈的绝缘也会因过热而被损坏；还会在铁芯上产生剩磁，增大互感器误差，影响二次电流输出，进而影响电流感应取电；最严重是由于磁饱和，交变磁通的正弦波变为梯形波，在磁通迅速变化的瞬间，二次线圈上将感应出较高的电压，其峰值可到几千伏，如此高的电压作用在二次线圈和二次回路上，对人身和设备都存在着严重的威胁。所以电流互感器在任何时候都是不允许二次侧开路运行的。
目前用于自供电保护装置的电流感应取电及脱扣跳闸方法，主要有以下三种：1）取电CT二次绕组输出大电流，整流后输出电压超出设定的电压值时，触发MOS管关断，进而将取电CT二次绕组开路，来使整流输出电压降到设定的电压值；跳闸脱扣电磁铁工作电源由储能电容提供，通过电池和开关电源给储能电容充电。2）取电CT二次绕组输出大电流，整流后输出电压超出设定的电压值时，通过控制MOS管导通，将整流桥输出侧直流电压短接，进而将取电CT二次绕组短路，来使整流输出电压降到设定的电压值；该方法应用于采用专用定制电流互感器的自供电保护装置，同时利用电流互感器二次电流完成取电和模拟量采集。3）取电CT二次绕组输出大电流时，通过稳压器件作为门限电压，触发可控硅导通，进而将CT二次绕组短接来稳定整流输出电压。跳闸脱扣电磁铁工作电源由储能电容提供。以上三种方法存在以下问题 1）第一种方法中，电流互感器存在二次侧开路运行的情况，对人身和设备都存在着严重的威胁；脱扣跳闸可靠性不高，跳闸能量来自于大容量电解储能电容，存在漏电流高，容量误差大，耐高温性较差，使用时间长容易失效的问题。跳闸输出能量取决于电解电容容量大小。2）第二种方法中，三相取电CT二次绕组输出大电流时，由于通过控制MOS管导通，将整流桥输出侧直流电压短路，整流桥发热非常严重，影响装置系统运行可靠性；电流模拟量通过大功率电阻对整流输出直流电压采样，精度低，不支持谐波测量和分析；CPU跟整流输出电路及脱扣跳闸电路没有电气隔离，系统可靠性不高。3）第三种方法中，由于稳压器件动作和返回电压偏差，控制信号是工频，使整流输出电压纹波大，不稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种输出电压波动小、动态响应快、调节性能好、发热少且电流保护范围宽的基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，并提供包括了该基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置的系统，同时还能够提高直接脱扣跳闸输出功率；利用开关电源变压器隔离，增加自供电保护装置的CPU运行可靠性。
对此，本发明提供一种基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，包括：三相整流及稳压控制电路、开关电源隔离电路、脱扣跳闸控制电路和CPU，所述三相整流及稳压控制电路通过开关电源隔离电路与所述CPU相连接，所述三相整流及稳压控制电路与所述脱扣跳闸控制电路相连接，所述脱扣跳闸控制电路与所述CPU相连接；其中，所述三相整流及稳压控制电路采用PWM驱动芯片实现电流模式下对其输出电压的检测和控制，所述三相整流及稳压控制电路通过调节RC振荡电路参数进而调节其PWM频率和占空比，当所述三相整流及稳压控制电路的取电CT整流后输出电压超出设定电压值时，由电流模式驱动PWM驱动芯片输出的高频PWM信号，调整其导通占空比，进而动态降低取电CT整流的输出电压以实现将其回调至设定电压值。
本发明的进一步改进在于，所述三相整流及稳压控制电路包括三相电流互感器、整流桥BR1、整流桥BR2、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、电解电容E1、TVS管TVS1和PWM驱动芯片U1，所述三相电流互感器的输出端依次与所述整流桥BR1、整流桥BR2和TVS管TVS1相连接，所述MOS管Q1和MOS管Q2分别并联于所述整流桥BR1的整流二极管上，所述MOS管Q3和MOS管Q4分别并联于所述整流桥BR2的整流二极管上，所述TVS管TVS1与所述PWM驱动芯片U1的电源端相连接；其中，所述三相电流互感器的取电CT二次绕组输出电流经过整流后，给后端电解电容E1充电，当取电CT二次绕组电流过大，电解电容E1的电压大于预设电压值时，通过电流模式驱动PWM驱动芯片U1调整其输出信号占空比，控制MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4同时导通，电流直接通过这四个MOS管的导通回路实现回流，进而动态调整取电CT整流的输出电压回调至到设定电压值。
本发明的进一步改进在于，所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4的导通内阻均在10毫欧以内。
本发明的进一步改进在于，所述整流桥BR1包括整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3和整流二极管D4，所述三相电流互感器的A相取电CT输出绕组同名端分别与整流二极管D1的阳极和整流二极管D3的阴极相连接，所述三相电流互感器的B相取电CT输出绕组同名端分别与整流二极管D2的阳极和整流二极管D4的阴极相连接，所述整流二极管D1的阴极与整流二极管D2的阴极相连接，所述整流二极管D3的阳极和整流二极管D4的阳极相连接；所述MOS管Q1的栅极与所述PWM驱动芯片U1的输出端相连接，所述MOS管Q1的漏极与所述整流二极管D3的阴极相连接，所述MOS管Q1的源极与所述整流二极管D3的阳极相连接；所述MOS管Q2的栅极与所述PWM驱动芯片U1的输出端相连接，所述MOS管Q2的漏极与所述整流二极管D4的阴极相连接，所述MOS管Q2的源极与所述整流二极管D4的阳极相连接。
本发明的进一步改进在于，所述整流桥BR2包括整流二极管D5、整流二极管D6、整流二极管D7和整流二极管D8，所述三相电流互感器的C相取电CT输出绕组同名端分别与整流二极管D5的阳极和整流二极管D7的阴极相连接；所述三相电流互感器的A相、B相和C相的取电CT输出绕组非同名端相互连接，再与整流二极管D6的阳极和整流二极管D8的阴极相连接；所述整流二极管D5的阴极与整流二极管D6的阴极相连接，所述整流二极管D7的阳极和整流二极管D8的阳极相连接；所述MOS管Q3的栅极与所述PWM驱动芯片U1的输出端相连接，所述MOS管Q3的漏极与所述整流二极管D7的阴极相连接，所述MOS管Q3的源极与所述整流二极管D7的阳极相连接；所述MOS管Q4的栅极与所述PWM驱动芯片U1的输出端相连接，所述MOS管Q4的漏极与所述整流二极管D8的阴极相连接，所述MOS管Q4的源极与所述整流二极管D8的阳极相连接。
本发明的进一步改进在于，所述三相整流及稳压控制电路还包括电感L1、二极管D9、二极管D16、电阻R34、TVS管TVS2、电容C6、电阻R5、电容C2和电阻R8，所述整流桥BR2的两端分别与所述电解电容E1的两端和TVS管TVS1的两端相连接，所述TVS管TVS1的一端通过电感L1连接至所述二极管D9的阳极，所述二极管D9的阴极与二极管D16的阳极相连接，所述二极管D16的阴极通过电阻R34连接至TVS管TVS2的一端，所述TVS管TVS2的另一端分别与电容C6的一端和PWM驱动芯片U1的电源端相连接，所述电容C6的另一端接地；所述PWM驱动芯片U1的输出端通过电阻R5分别与电容C2的一端、电阻R8的一端、MOS管Q1的栅极、MOS管Q2的栅极、MOS管Q3的栅极和MOS管Q4的栅极相连接，所述电容C2的另一端和电阻R8的另一端接地。
本发明的进一步改进在于，所述开关电源隔离电路包括PWM驱动芯片、变压器和控制反馈电路，所述开关电源隔离电路的输入电源为三相整流及稳压控制电路的取电CT整流的输出电压，输出主路电源和辅路电源共两路电源，所述主路电源输出5V的DC电源为CPU提供工作电源，所述辅路电源输出24V或5V的DC电源为485通信电路以及开关量输出电路提供电源；所述主路电源和辅路电源之间通过变压器实现隔离。
本发明的进一步改进在于，所述脱扣跳闸控制电路包括电阻R200、电容C100、光耦U100、电阻R300、电阻R400、电阻R500、电阻R600、电容C200、三极管Q100、稳压二极管D600、稳压二极管D700、稳压二极管D800、二极管D400、继电器RL1、二极管D200、TVS管TVS100、二极管D500和脱扣电磁铁，所述电阻R200的一端与CPU的输出端相连接，所述电阻R200的另一端分别与所述电容C100的一端和光耦U100的一个输入端相连接，所述电容C100的另一端和光耦U100的另一个输入端分别接地；所述光耦U100的一个输出端通过电阻R300连接至电源端，所述光耦U100的另一个输出端分别与所述电阻R400的一端和电阻R500的一端相连接，所述电阻R400的另一端接地，所述电阻R500的另一端分别与所述电阻R600的一端、电容C200的一端和三极管Q100的基极相连接，所述电阻R600的另一端、电容C200的另一端和三极管Q100的发射极分别接地，所述三极管Q100的集电极连接至稳压二极管D600的阳极，所述二极管D600的阴极连接至所述稳压二极管D700的阳极，所述稳压二极管D700的阴极连接至所述稳压二极管D800的阳极，所述稳压二极管D800的阴极分别与所述二极管D400的阳极和继电器RL1的4管脚相连接，所述二极管D400的阴极和继电器RL1的3管脚分别连接至电源端；所述电源端连接至二极管D200的阳极，所述二极管D200的阴极连接至继电器RL1的5管脚；所述继电器RL1的1管脚分别与所述TVS管TVS100的一端、二极管D500的阴极和脱扣电磁铁的一端相连接，所述TVS管TVS100的另一端、二极管D500的阳极和脱扣电磁铁的另一端分别接地。
本发明的进一步改进在于，所述脱扣跳闸控制电路还包括备用储能电路，所述备用储能电路包括二极管D100、电阻R100、电解电容E100和二极管D300，所述二极管D100的阳极与电源端相连接，所述二极管D100的阴极通过电阻R100分别与电解电容E100的一端和二极管D300的阳极相连接，所述电解电容E100的另一端接地，所述二极管D300的阴极连接至继电器RL1的5管脚。
本发明还提供一种基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护系统，包括如上所述的基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，还包括485通信电路和模拟量采集调理电路，所述485通信电路分别与所述开关电源隔离电路和CPU相连接，所述双绕组CT的保护绕组通过模拟量采集调理电路连接至所述CPU。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过常规的三相电流互感器或专用取电CT实现感应取电，增加通用性；当三相电流互感器的二次绕组输出大电流时，通过电流模式的PWM驱动芯片驱动MOS管，直接将三相电流互感器的二次绕组短接，实现三相电流互感器的二次侧低内阻导通续流，避免取电CT二次开路对人身和设备造成严重威胁；与现有技术中的电压模式控制相比，本发明采用电流模式的控制方式，当整流输出电压或输出负载变化时，检测信号也随之变化并调整高频PWM占空比，具有输出电压波动小、动态响应快、调节性能好、发热少和电流保护范围宽等优点，同时还能够提高脱扣跳闸控制电路的输出功率；在此基础上，所述开关电源隔离电路利用开关电源变压器隔离，增加自供电保护装置的CPU运行可靠性；加之，所述三相整流及稳压控制电路中，采用8个整流二极管和4个低内阻MOS管，比现有技术中每一相电流至少采用4个整流二极管的技术方案减少了器件数量，降低硬件成本，节省了装置空间。
附图说明
图1是本发明一种实施例的系统结构示意图；
图2是本发明一种实施例的三相整流及稳压控制电路的电路原理图；
图3是本发明一种实施例的电流模式下PWM驱动芯片U1的内部功能示意图；
图4是本发明一种实施例A相取电CT的二次绕组直接短接时的电流路径示意图；
图5是本发明一种实施例的开关电源隔离电路的电路原理图；
图6是本发明一种实施例的脱扣跳闸控制电路的电路原理图；
图7是本发明另一种实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
实施例1：
如图1所示，本例提供一种基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，包括：三相整流及稳压控制电路、开关电源隔离电路、脱扣跳闸控制电路和CPU，所述三相整流及稳压控制电路通过开关电源隔离电路与所述CPU相连接，所述三相整流及稳压控制电路与所述脱扣跳闸控制电路相连接，所述脱扣跳闸控制电路与所述CPU相连接；其中，所述三相整流及稳压控制电路采用PWM驱动芯片实现电流模式下对其输出电压的检测和控制，所述三相整流及稳压控制电路通过调节RC振荡电路参数进而调节其PWM频率和占空比，当所述三相整流及稳压控制电路的取电CT整流后输出电压超出设定电压值时，由电流模式驱动PWM驱动芯片输出的高频PWM信号，调整其导通占空比，进而动态降低取电CT整流的输出电压以实现将其回调至设定电压值。
本例所述三相整流及稳压控制电路包括整流桥、TVS管、低内阻MOS管和电流模式的PWM驱动芯片等；所述开关电源隔离电路包括PWM驱动芯片、变压器和控制反馈电路；所述脱扣跳闸控制电路包括脱扣控制电路和包括了大容量电解电容的备用储能电路；所述CPU是由微处理器及外围电路组成的CPU核心控制系统。所述CT为电流互感器，所述取电CT整流的输出电压为三相电流互感器的二次供电绕组或测量绕组经过整流后的输出电压。
如图2所示，本例所述三相整流及稳压控制电路包括三相电流互感器、整流桥BR1、整流桥BR2、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、电解电容E1、TVS管TVS1和PWM驱动芯片U1，所述三相电流互感器的输出端依次与所述整流桥BR1、整流桥BR2和TVS管TVS1相连接，所述MOS管Q1和MOS管Q2分别并联于所述整流桥BR1的整流二极管上，所述MOS管Q3和MOS管Q4分别并联于所述整流桥BR2的整流二极管上，所述TVS管TVS1与所述PWM驱动芯片U1的电源端相连接；其中，所述三相电流互感器的二次供电绕组或测量绕组输出电流经过整流后，如A相、B相和C相共三相取电CT的二次绕组输出电流经过整流后，给后端电解电容E1充电，当取电CT二次绕组电流过大，电解电容E1的电压大于预设电压值时，通过电流模式驱动PWM驱动芯片U1调整其输出信号占空比，控制MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4同时导通，电流直接通过这四个MOS管的导通回路实现回流，进而动态调整取电CT整流的输出电压回调至到设定电压值；所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4的导通内阻均在10毫欧以内，通过大电流时，功耗及开关损耗很小。
如图3所示，所述电流模式PWM驱动芯片U1，具有电流采样比较器Current-SenseComparator，通过调节RC振荡电路中电阻R4和电容C3的参数可以PWM频率设定为20KHz~150KHz，同时调高PWM最大占空比，实现占空比0~99%范围内动态调节。
值得一提的是，为避免大电流通过整流二极管或整流桥，导致整流二极管或整流桥发热较大，使得基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置内部温升过高，影响基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护系统的可靠运行性能，本例直接将所述MOS管Q1和MOS管Q2分别并联于所述整流桥BR1的整流二极管上，并将所述MOS管Q3和MOS管Q4分别并联于所述整流桥BR2的整流二极管上。
图4为A相取电CT的二次绕组直接短接时的电流路径示意图，如图4中电路原理图的粗线路径所示，为以A相为例，当整流输出电压VCC_24 V或VCC_48V过高时，所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4全部导通时，图4的粗线显示了取电CT的二次绕组输出电流回流路径，取电CT的二次绕组输出电流回流路径经过低内阻的MOS管Q1和MOS管Q4回路，近似短路方式，没有造成取电CT的二次绕组开路，也没有经过整流二极管D1~整流二极管D8，系统温升很小。
如图2所示，本例所述整流桥BR1包括整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3和整流二极管D4，所述三相电流互感器的A相取电CT输出绕组同名端分别与整流二极管D1的阳极和整流二极管D3的阴极相连接，所述三相电流互感器的B相取电CT输出绕组同名端分别与整流二极管D2的阳极和整流二极管D4的阴极相连接，所述整流二极管D1的阴极与整流二极管D2的阴极相连接，所述整流二极管D3的阳极和整流二极管D4的阳极相连接；所述MOS管Q1的栅极与所述PWM驱动芯片U1的输出端相连接，所述MOS管Q1的漏极与所述整流二极管D3的阴极相连接，所述MOS管Q1的源极与所述整流二极管D3的阳极相连接；所述MOS管Q2的栅极与所述PWM驱动芯片U1的输出端相连接，所述MOS管Q2的漏极与所述整流二极管D4的阴极相连接，所述MOS管Q2的源极与所述整流二极管D4的阳极相连接。
如图2所示，本例所述整流桥BR2包括整流二极管D5、整流二极管D6、整流二极管D7和整流二极管D8，所述三相电流互感器的C相取电CT输出绕组同名端分别与整流二极管D5的阳极和整流二极管D7的阴极相连接；所述三相电流互感器的A相、B相和C相的取电CT输出绕组非同名端相互连接，再与整流二极管D6的阳极和整流二极管D8的阴极相连接；所述整流二极管D5的阴极与整流二极管D6的阴极相连接，所述整流二极管D7的阳极和整流二极管D8的阳极相连接；所述MOS管Q3的栅极与所述PWM驱动芯片U1的输出端相连接，所述MOS管Q3的漏极与所述整流二极管D7的阴极相连接，所述MOS管Q3的源极与所述整流二极管D7的阳极相连接；所述MOS管Q4的栅极与所述PWM驱动芯片U1的输出端相连接，所述MOS管Q4的漏极与所述整流二极管D8的阴极相连接，所述MOS管Q4的源极与所述整流二极管D8的阳极相连接。
如图2所示，本例所述三相整流及稳压控制电路还包括电感L1、二极管D9、二极管D16、电阻R34、TVS管TVS2、电容C6、电阻R5、电容C2和电阻R8，所述整流桥BR2的两端分别与所述电解电容E1的两端和TVS管TVS1的两端相连接，所述TVS管TVS1的一端通过电感L1连接至所述二极管D9的阳极，所述二极管D9的阴极与二极管D16的阳极相连接，所述二极管D16的阴极通过电阻R34连接至TVS管TVS2的一端，所述TVS管TVS2的另一端分别与电容C6的一端和PWM驱动芯片U1的电源端相连接，所述电容C6的另一端接地；所述PWM驱动芯片U1的输出端通过电阻R5分别与电容C2的一端、电阻R8的一端、MOS管Q1的栅极、MOS管Q2的栅极、MOS管Q3的栅极和MOS管Q4的栅极相连接，所述电容C2的另一端和电阻R8的另一端接地。为了显示方便，图2、图4至图6中，取电CT整流的输出电压均用VCC_24&48V表示VCC_24 V或VCC_48V的输出电压。
本例采用8个整流二极管和4个低内阻MOS管，完成对三相电流互感器的取电CT的二次绕组输出电流整流及稳压；整流二极管并联低内阻MOS管，过流过压保护采用在整流桥输入前端进而直接将三相取电CT的二次绕组短接方式。所述取电CT为具有供电绕组或测量绕组的三相电流互感器，具体包括A相取电CT、B相取电CT和C相取电CT。
如图1和图2所示，本例在三相整流及稳压控制电路中，采用检测控制的高频的PWM驱动芯片U1，通过调节RC振荡电路参数，可将PWM频率设定为20KHz~150KHz，同时调高PWM的最大占空比，实现占空比0~99%范围内动态调节，满足三相取电CT的二次绕组输出大电流时过压短路保护要求。所述电流模式下PWM驱动芯片U1的内部功能示意图如图2所示，当取电CT整流后输出电压超出设定电压值24VDC或48VDC时，由电流模式的PWM驱动芯片U1输出的高频PWM信号，快速调整其导通占空比，控制低内阻的MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4导通，进而在整流桥输入前端直接将三相取电CT的二次绕组进行短接，进而能够动态降低取电CT整流后输出电压调整至所述设定电压值。该设定电压值默认为24VDC或48VDC，用于作为电源端的设定输入电压，根据实际应用的需求不同，该设定电压值可以调整。电流模式的PWM驱动芯片U1的VCC电源通过整流输出电压串联大功率电阻R34和TVS管TVS2输入，TVS管TVS2作为电源门槛电压，当三相取电CT的二次绕组输出小电流时，电流模式PWM驱动芯片U1不会工作，而CPU可以运行在低功耗模式下，方便显示查看及定值整定等。
所述三相取电CT既可以采用双绕组输出类型，其中一组输出作为交流采样信号输出至基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护系统的模拟量采集调理电路，另一组输出作为供电绕组接入所述三相整流及稳压控制电路；也可以采用常规测量的三相电流互感器。
电流模式的PWM驱动芯片U1的VCC电源通过整流输出电压串联大功率电阻和TVS管输入，TVS管作为电源门槛电压，当三相取电CT的二次绕组输出小电流时，PWM驱动芯片不会工作，而此时的CPU可以运行在低功耗模式下，方便显示查看及定值整定等。
本例所述三相整流及稳压控制电路的三相取电CT、两相取电CT或单相取电CT的二次绕组电流输入经过整流后，对供电电容充电，通过电流模式PWM驱动芯片U1将整流输出电压动态调整到24VDC或48VDC等设定电压值，并将该设定电压值作为开关电源隔离电路和脱扣跳闸控制电路等的工作电源。三相取电CT整流后输出稳定电压，直接作为脱扣电磁铁的工作电源，同时通过功率为2W以上、阻值为1K以上的电阻R100给大容量储能电解电容E100充电，作为脱扣电磁铁的备用工作电源。
如图5所示，本例所述开关电源隔离电路采用反激式设计，包括PWM驱动芯片U2、变压器T1和控制反馈电路，所述开关电源隔离电路的输入电源为三相整流及稳压控制电路的取电CT整流的输出电压VCC_24 V或VCC_48V，输出主路电源和辅路电源共两路电源，所述主路电源输出5V的DC电源为CPU提供工作电源，所述辅路电源输出24V或5V的DC电源为485通信电路以及开关量输出电路提供电源；所述主路电源和辅路电源之间通过变压器T1实现隔离，保证了CPU运行的可靠性。
如图6所示，本例所述脱扣跳闸控制电路包括电阻R200、电容C100、光耦U100、电阻R300、电阻R400、电阻R500、电阻R600、电容C200、三极管Q100、稳压二极管D600、稳压二极管D700、稳压二极管D800、二极管D400、继电器RL1、二极管D200、TVS管TVS100、二极管D500和脱扣电磁铁，所述电阻R200的一端与CPU的输出端相连接，所述电阻R200的另一端分别与所述电容C100的一端和光耦U100的一个输入端相连接，所述电容C100的另一端和光耦U100的另一个输入端分别接地；所述光耦U100的一个输出端通过电阻R300连接至电源端，所述光耦U100的另一个输出端分别与所述电阻R400的一端和电阻R500的一端相连接，所述电阻R400的另一端接地，所述电阻R500的另一端分别与所述电阻R600的一端、电容C200的一端和三极管Q100的基极相连接，所述电阻R600的另一端、电容C200的另一端和三极管Q100的发射极分别接地，所述三极管Q100的集电极连接至稳压二极管D600的阳极，所述二极管D600的阴极连接至所述稳压二极管D700的阳极，所述稳压二极管D700的阴极连接至所述稳压二极管D800的阳极，所述稳压二极管D800的阴极分别与所述二极管D400的阳极和继电器RL1的4管脚相连接，所述二极管D400的阴极和继电器RL1的3管脚分别连接至电源端；所述电源端连接至二极管D200的阳极，所述二极管D200的阴极连接至继电器RL1的5管脚；所述继电器RL1的1管脚分别与所述TVS管TVS100的一端、二极管D500的阴极和脱扣电磁铁的一端相连接，所述TVS管TVS100的另一端、二极管D500的阳极和脱扣电磁铁的另一端分别接地。
如图6所示，本例所述脱扣跳闸控制电路还包括备用储能电路，所述备用储能电路包括二极管D100、电阻R100、电解电容E100和二极管D300，所述二极管D100的阳极与电源端相连接，所述二极管D100的阴极通过电阻R100分别与电解电容E100的一端和二极管D300的阳极相连接，所述电解电容E100的另一端接地，所述二极管D300的阴极连接至继电器RL1的5管脚。
图6所示为所述CPU精确可靠控制的脱扣跳闸控制电路的电路原理图，三相取电CT的二次绕组输出电流经整流稳压后直接作为脱扣电磁铁工作电源VCC_24 V或VCC_48V，同时通过大功率2W以上、阻值1K以上的电阻R100，给大容量储能电解电容E100充电，作为脱扣电磁铁备用工作电源，脱扣电磁铁动作由继电器RL1控制，此外继电器RL1也可以采用大功率三极管、IGBT等。CPU控制继电器RL1动作信号CPU_TC_OUT经过光耦U100隔离，保证可靠性。所述备用储能电路对脱扣电磁铁动作功率大于200W以上的应用场合需要焊接，其他应用可以不包括该部分电路。
对于常用的脱扣电磁铁而言，若其工作电压24VDC型号，当单相取电CT的二次绕组输出电流在200mA以上时，可以可靠脱扣直流电阻为50欧以上的脱扣电磁铁；单相取电CT的二次绕组输出电流在2.5A以上时，可以可靠脱扣直流电阻为7欧以上的脱扣电磁铁；两相取电CT的二次绕组输出电流在150mA以上时，可以可靠脱扣直流电阻为50欧以上的脱扣电磁铁；两相取电CT的二次绕组输出电流在1A以上时，可以可靠脱扣直流电阻为7欧以上的脱扣电磁铁；三相取电CT的二次绕组输出电流在130mA以上时，可以可靠脱扣直流电阻为50欧以上的脱扣电磁铁；三相取电CT的二次绕组输出电流在1A以上时，可以可靠脱扣直流电阻为7欧以上的脱扣电磁铁；三相取电CT的二次绕组输出电流在5A以上时，可以可靠脱扣直流电阻为5欧以上的脱扣电磁铁。
对于常用的脱扣电磁铁而言，若其工作电压24VDC型号，单相取电CT的二次绕组输出电流在200mA以上时，冷启动速断保护80ms内可以可靠脱扣直流电阻为50欧以上的脱扣电磁铁；单相取电CT的二次绕组输出电流在2.2A以上时，冷启动速断保护80ms内可以可靠脱扣直流电阻为7欧以上的脱扣电磁铁；两相取电CT的二次绕组输出电流在100mA以上时，冷启动速断保护80ms内可以可靠脱扣直流电阻为50欧以上的脱扣电磁铁；两相取电CT的二次绕组输出电流在1A以上时，冷启动速断保护80ms内可以可靠脱扣直流电阻为7欧以上的脱扣电磁铁；三相取电CT的二次绕组输出电流在75mA以上时，冷启动速断保护80ms内可以可靠脱扣直流电阻为50欧以上的脱扣电磁铁；三相取电CT的二次绕组输出电流在1A以上时，冷启动速断保护80ms内可以可靠脱扣直流电阻为7欧以上的脱扣电磁铁；三相取电CT的二次绕组输出电流在5A以上时，冷启动速断保护80ms内可以可靠脱扣直流电阻为4欧以上的脱扣电磁铁。所述冷启动速断保护是指直接合闸于故障线路，自供电保护装置能够快速启动，以实现CPU迅速输出断路器脱扣跳闸信号的功能。
本例通过常规的三相电流互感器或专用取电CT实现感应取电，通用性很强；当三相电流互感器的二次绕组输出大电流时，通过电流模式的PWM驱动芯片驱动MOS管，直接将三相电流互感器的二次绕组短接，实现三相电流互感器的二次侧低内阻导通续流，避免取电CT二次开路对人身和设备造成严重威胁；与现有技术中的电压模式控制相比，本发明采用电流模式的控制方式，当整流输出电压或输出负载变化时，检测信号也随之变化并调整高频PWM占空比，具有输出电压波动小、动态响应快、调节性能好、发热少和电流保护范围宽等优点，同时还能够提高脱扣跳闸控制电路的输出功率；在此基础上，所述开关电源隔离电路利用开关电源变压器隔离，增加自供电保护装置的CPU运行可靠性；加之，所述三相整流及稳压控制电路中，采用8个整流二极管和4个低内阻MOS管，比现有技术中每一相电流至少采用4个整流二极管的技术方案减少了器件数量，降低硬件成本，节省了装置空间。
实施例2：
如图7所示，本发明还提供一种基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护系统，包括如实施例1所述的基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，还包括485通信电路和模拟量采集调理电路，所述485通信电路分别与所述开关电源隔离电路和CPU相连接，所述双绕组CT的保护绕组通过模拟量采集调理电路连接至所述CPU。
本例包括三相整流及稳压控制电路、开关电源隔离电路、脱扣跳闸控制电路、CPU、模拟量采集调理电路和485通信电路等，非常适用于6~20kV环网柜、配电所以及开闭所等场合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，其特征在于，包括：三相整流及稳压控制电路、开关电源隔离电路、脱扣跳闸控制电路和CPU，所述三相整流及稳压控制电路通过开关电源隔离电路与所述CPU相连接，所述三相整流及稳压控制电路与所述脱扣跳闸控制电路相连接，所述脱扣跳闸控制电路与所述CPU相连接；其中，所述三相整流及稳压控制电路采用PWM驱动芯片实现电流模式下对其输出电压的检测和控制，所述三相整流及稳压控制电路通过调节RC振荡电路参数进而调节其PWM频率和占空比，当所述三相整流及稳压控制电路的取电CT整流后输出电压超出设定电压值时，由电流模式驱动PWM驱动芯片输出的高频PWM信号，调整其导通占空比，进而动态降低取电CT整流的输出电压以实现将其回调至设定电压值；
所述三相整流及稳压控制电路包括三相电流互感器、整流桥BR1、整流桥BR2、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、电解电容E1、TVS管TVS1和PWM驱动芯片U1，所述三相电流互感器的输出端依次与所述整流桥BR1、整流桥BR2和TVS管TVS1相连接，所述MOS管Q1和MOS管Q2分别并联于所述整流桥BR1的整流二极管上，所述MOS管Q3和MOS管Q4分别并联于所述整流桥BR2的整流二极管上，所述TVS管TVS1与所述PWM驱动芯片U1的电源端相连接；其中，所述三相电流互感器的取电CT二次绕组输出电流经过整流后，给后端电解电容E1充电，当取电CT二次绕组电流过大，电解电容E1的电压大于预设电压值时，通过电流模式驱动PWM驱动芯片U1调整其输出信号占空比，控制MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4同时导通，电流直接通过这四个MOS管的导通回路实现回流，进而动态调整取电CT整流的输出电压回调至到设定电压值。
2.根据权利要求1所述的基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，其特征在于，所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4的导通内阻均在10毫欧以内。
3.根据权利要求1所述的基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，其特征在于，所述整流桥BR1包括整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3和整流二极管D4，所述三相电流互感器的A相取电CT输出绕组同名端分别与整流二极管D1的阳极和整流二极管D3的阴极相连接，所述三相电流互感器的B相取电CT输出绕组同名端分别与整流二极管D2的阳极和整流二极管D4的阴极相连接，所述整流二极管D1的阴极与整流二极管D2的阴极相连接，所述整流二极管D3的阳极和整流二极管D4的阳极相连接；所述MOS管Q1的栅极与所述PWM驱动芯片U1的输出端相连接，所述MOS管Q1的漏极与所述整流二极管D3的阴极相连接，所述MOS管Q1的源极与所述整流二极管D3的阳极相连接；所述MOS管Q2的栅极与所述PWM驱动芯片U1的输出端相连接，所述MOS管Q2的漏极与所述整流二极管D4的阴极相连接，所述MOS管Q2的源极与所述整流二极管D4的阳极相连接。
4.根据权利要求1所述的基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，其特征在于，所述整流桥BR2包括整流二极管D5、整流二极管D6、整流二极管D7和整流二极管D8，所述三相电流互感器的C相取电CT输出绕组同名端分别与整流二极管D5的阳极和整流二极管D7的阴极相连接；所述三相电流互感器的A相、B相和C相的取电CT输出绕组非同名端相互连接，再与整流二极管D6的阳极和整流二极管D8的阴极相连接；所述整流二极管D5的阴极与整流二极管D6的阴极相连接，所述整流二极管D7的阳极和整流二极管D8的阳极相连接；所述MOS管Q3的栅极与所述PWM驱动芯片U1的输出端相连接，所述MOS管Q3的漏极与所述整流二极管D7的阴极相连接，所述MOS管Q3的源极与所述整流二极管D7的阳极相连接；所述MOS管Q4的栅极与所述PWM驱动芯片U1的输出端相连接，所述MOS管Q4的漏极与所述整流二极管D8的阴极相连接，所述MOS管Q4的源极与所述整流二极管D8的阳极相连接。
5.根据权利要求1所述的基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，其特征在于，所述三相整流及稳压控制电路还包括电感L1、二极管D9、二极管D16、电阻R34、TVS管TVS2、电容C6、电阻R5、电容C2和电阻R8，所述整流桥BR2的两端分别与所述电解电容E1的两端和TVS管TVS1的两端相连接，所述TVS管TVS1的一端通过电感L1连接至所述二极管D9的阳极，所述二极管D9的阴极与二极管D16的阳极相连接，所述二极管D16的阴极通过电阻R34连接至TVS管TVS2的一端，所述TVS管TVS2的另一端分别与电容C6的一端和PWM驱动芯片U1的电源端相连接，所述电容C6的另一端接地；所述PWM驱动芯片U1的输出端通过电阻R5分别与电容C2的一端、电阻R8的一端、MOS管Q1的栅极、MOS管Q2的栅极、MOS管Q3的栅极和MOS管Q4的栅极相连接，所述电容C2的另一端和电阻R8的另一端接地。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，其特征在于，所述开关电源隔离电路包括PWM驱动芯片、变压器和控制反馈电路，所述开关电源隔离电路的输入电源为三相整流及稳压控制电路的取电CT整流的输出电压，输出主路电源和辅路电源共两路电源，所述主路电源输出5V的DC电源为CPU提供工作电源，所述辅路电源输出24V或5V的DC电源为485通信电路以及开关量输出电路提供电源；所述主路电源和辅路电源之间通过变压器实现隔离。
7.根据权利要求1至5任意一项所述的基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，其特征在于，所述脱扣跳闸控制电路包括电阻R200、电容C100、光耦U100、电阻R300、电阻R400、电阻R500、电阻R600、电容C200、三极管Q100、稳压二极管D600、稳压二极管D700、稳压二极管D800、二极管D400、继电器RL1、二极管D200、TVS管TVS100、二极管D500和脱扣电磁铁，所述电阻R200的一端与CPU的输出端相连接，所述电阻R200的另一端分别与所述电容C100的一端和光耦U100的一个输入端相连接，所述电容C100的另一端和光耦U100的另一个输入端分别接地；所述光耦U100的一个输出端通过电阻R300连接至电源端，所述光耦U100的另一个输出端分别与所述电阻R400的一端和电阻R500的一端相连接，所述电阻R400的另一端接地，所述电阻R500的另一端分别与所述电阻R600的一端、电容C200的一端和三极管Q100的基极相连接，所述电阻R600的另一端、电容C200的另一端和三极管Q100的发射极分别接地，所述三极管Q100的集电极连接至稳压二极管D600的阳极，所述稳压二极管D600的阴极连接至所述稳压二极管D700的阳极，所述稳压二极管D700的阴极连接至所述稳压二极管D800的阳极，所述稳压二极管D800的阴极分别与所述二极管D400的阳极和继电器RL1的4管脚相连接，所述二极管D400的阴极和继电器RL1的3管脚分别连接至电源端；所述电源端连接至二极管D200的阳极，所述二极管D200的阴极连接至继电器RL1的5管脚；所述继电器RL1的1管脚分别与所述TVS管TVS100的一端、二极管D500的阴极和脱扣电磁铁的一端相连接，所述TVS管TVS100的另一端、二极管D500的阳极和脱扣电磁铁的另一端分别接地。
8.根据权利要求7所述的基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，其特征在于，所述脱扣跳闸控制电路还包括备用储能电路，所述备用储能电路包括二极管D100、电阻R100、电解电容E100和二极管D300，所述二极管D100的阳极与电源端相连接，所述二极管D100的阴极通过电阻R100分别与电解电容E100的一端和二极管D300的阳极相连接，所述电解电容E100的另一端接地，所述二极管D300的阴极连接至继电器RL1的5管脚。
9.一种基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护系统，其特征在于，包括如权利要求1至8任意一项所述的基于三相电流感应取电和跳闸的自供电保护装置，还包括485通信电路和模拟量采集调理电路，所述485通信电路分别与所述开关电源隔离电路和CPU相连接，所述三相电流互感器的每相双绕组CT的保护绕组通过模拟量采集调理电路连接至所述CPU。
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