過電流跳閘電路的製作方法
2023-05-20 11:27:11 1
專利名稱：過電流跳閘電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及開關控制電路，特別是涉及用於控制一個電力開關的過電流跳閘電路。
電力系統，例如單相或多相交流或直流電壓型，需要能夠在承受導線及負載電流能力所限的情況範圍內工作。考慮到費用和尺寸，通常希望儘量減小電源承受系統的容量。然而，為了安全起見，為電力系統配備的裝置需要在其電流接近過載的情況下能予以確定，即導線及/或部件在此情況下可能受到損壞，例如，在飛行器電力系統中，更是迫切需要最小的尺寸和重量，同時要有最高的可靠性和安全性。傳統的過電流保護方法最典型地是檢測瞬間電流並且在該電流超過跳閘臨界值時斷開電路。一般地，在測出過電流之後，開關斷開電路所需的時間可能會使電流得以達到破壞性的強度，特別是對於諧振電源的電流，它們需要在高電流脈衝及低電感電流狀態下工作。
當一個負載由一個低阻抗電源供電時，一個電源控制開關不僅用於控制加在該負載上的電源，而且也保護系統不受異常負載及短路的危害。當負載出現短路時，電流強度立即上升。其上升率基於電源電壓及線路阻抗。一旦電流達到預定的過電流跳閘點，控制電路則產生一個信號以打開該開關。由於檢測器電路和開關的動作需要一定的時間，電流繼續上升超過跳閘點。例如，在一個270V的直流電源系統中，其線路阻抗為1微亨，開關斷開時間為1微秒，則實際電流可達270安，超出跳閘臨界值，因此，最好有一種控制系統裝置，它能夠在電流達到破壞性強度之前斷開電路。
根據本發明製作的電路可監測電力導體的電流及電流上升率，並且當電流上升率超過第一極限值或電流值超過第二極限值時斷開電力導體電路。
隨後產生一個表示電力導體內電流及電流上升率的狀態信號，並且將狀態信號與第一參考信號相比較，當狀態信號值大於第一參考信號值時，產生一個第一跳閘信號，另外，對狀態信號進行處理，經過處理的狀態信號與第二參考信號相比較，並且當經過處理的狀態信號值大於第二參考信號值時，產生一個第二跳閘信號。之後，電力導體電路響應於第一或第二跳閘信號而被斷開。
對狀態信號的處理可以由一個具有低通過濾器或積分器的裝置對信號進行平均來完成。或者，可以通過過濾狀態信號並利用過濾後的狀態信號作為許多周知的具有I2t，It或峰值跳閘特性的功能性保護電路之一的輸入，而產生第二跳閘信號。
本發明同時包括過電流跳閘電路及用這些電路產生跳閘信號的各種方法。通過檢測電力導體中的電流上升率和響應該電流上升率產生的一個跳閘信號，設置了一個快速動作的跳閘電路，它能用來限制該電力導體中的電流，從而使其不至於達到造成損壞的強度。
本發明通過參考下列附圖將會更容易理解，其中，
圖1是帶有一個開關的電力系統的一個框圖，該開關由根據本發明構成的過電流跳閘電路控制。
圖2是圖1系統中過電流跳閘電路部分的示意圖。
圖3，4和5是表示圖2電路工作的波形圖。
參考附圖，圖1是一個含有一個開關的電力系統框圖，該開關帶有一個根據本發明構成的過電流跳閘電路。一個可以是交流或直流電源的電源10由導體14和開關16與負載12相連，一個帶有電阻Rs和電感Ls的分流器18與電力導體14串聯連接以提供一個用電壓信號Vs表示電源導體中電流的狀態信號，一個緩衝電路20接收狀態信號並將它傳送到第一比較器22，該比較器將狀態信號與端24提供的第一參考信號進行比較。當狀態信號值超過第一參考信號的值時，在線路26上產生跳閘信號。該跳閘信號主要地響應導體14上電流的變化率。
為了提供一個慢跳閘能力，對狀態信號進行處理並且處理後的狀態信號被用於產生一個第二跳閘信號。在此實施例中，平均過濾器28接收狀態信號並且在線路30上產生一個平均的狀態信號，由第二比較器將該平均狀態信號和端34上提供的第二參考信號比較。當導體14的平均電流超過由第二參考信號建立的極限時，在線路36上產生一個跳閘信號。由已知技術構成的控制電路38響應跳閘信號的任何一個來控制開關16的操作。另一方面，慢跳閘功能可以通過根據其它已知技術處理狀態信號來實現以提供一個響應I2t，It或峰值電流的第二跳閘信號。
很明顯，橫跨分路器建立的電壓Vs是瞬時電流和電流上升率二者的函數，從而Vs＝RsI+Ls(dI/dt)橫跨分路器產生的電壓被用來保護系統防止平均過電流以及高的電流變化率。對於平均電流的檢測，橫跨分路器的電壓用一個相當長時間常數進行積分並且與端34上提供的平均跳閘參考信號進行比較。對於變化率跳閘功能的變化率，分路器電壓被緩衝並且與端24上提供的參考電壓的變化率進行比較。
圖2是圖1的系統中跳閘電路部分的示意圖，所示的緩衝電路20包括電阻R1，R2，R3，R4，R5，R6和R7，電容C1和運算放大器U1。放大器U1顛倒狀態信號的極性。第一比較器22包括電阻R8和R9，運算放大器U2。第一參考電壓在由電阻R8和R9形成的分壓器的連接點24處建立，所示平均過濾器28包括電阻R10，R11，R12和R13，電容C2和C3和運算放大器U3。這些部件組合以在線路30上產生一個平均分路電壓，該電壓由第二比較器32所接受，該第二比較器包括R14，R15和R16和運算放大器U4。第二參考電壓在由電阻R14和R15構成的分壓器的連接點34上形成。一個降壓電阻R17保證在線路26和36上跳閘信號的適當電壓值。運算放大器U2和U4是集電極開路型，它們直接連在一起形成一個「布線或」(「Wired OR)的功能。當超過任一比較器參考值時，負的跳閘信號在點40處產生。
圖3，4和5是波形圖，表示圖2的電路工作情況。圖3表示一個典型的諧振電源輸入電流脈衝，在這種情況下，該脈衝寬度約6微秒，強度約140安。圖4表示在由該輸入電流造成的一個50毫伏100安培的分路器上的電壓。該分路器具有0.5毫歐的等效電阻及18毫微亨電感。注意，輸入電流為正弦波，分路器電壓為餘弦波，即該電流波形的導數。分路器電壓可以達到約1.4伏的峰值，遠遠高於分路器靈敏度乘以峰值電流所得到的70mv值。
圖5表示本發明的過電流跳閘電路的性能。負載電流I′的正弦脈衝在本實施例中其寬度約6微秒，強度約140安，它代表在其未被過早切斷的情況下將在電力導體內流動的電流。短脈衝電流Ⅱ′表示跳閘電路在測出電流的快速變化率時動作，從而能夠在約2微秒之內切斷電流。因此可以看到，電源開關響應能夠預測到將要發生的強故障電流，並在該故障電流達到危害強度之前切斷電流。
人們可能認為需要一個高質量的無感應分路器來檢測快速上升的電流，但是本發明則利用一種典型分路器的內在電感來同時檢測電力導體內的平均電流以及電流的變化率。所測的電流變化率即用作衡量將要發生的高電流並用來在該電流達到破壞性強度之前斷開電源開關。
儘管本發明是以目前的其最佳實施例的形式進行描述，很顯然，本領域內的技術人員可以不背離本發明的範圍而提出各種修改。所附權利要求書將包括這些變化。
權利要求
1.一種過電流跳閘電路，其特徵在於，裝置18用於產生一個表示在一個電力導體內的電流及該電流上升率的狀態信號；裝置22用於將上述狀態信號與第一參考信號相比較，並且在上述狀態信號值大於第一參考信號值時產生一個第一跳閘信號；裝置28用於處理上述狀態信號以產生一個處理過的狀態信號；裝置32用於將上述處理過的狀態信號與第二參考信號相比較，並且在上述處理過的狀態信號值大於第二參考信號時產生一個第二跳閘信號；以及，裝置16用於響應上述第一或第二跳閘信號而斷開電路。
2.一種根據權利要求1的過電流跳閘電路，其特徵為，上述用於產生一個狀態信號的裝置包括一個測量分路器。
3.一種根據權利要求1的過電流跳閘電路，其特徵為，上述用於比較上述狀態信號和第一參考信號的裝置包括一個用於接收上述狀態信號的緩衝電路，以及一個用於將上述緩衝電路的輸出與上述第一參考信號相比較的比較器。
4.一種根據權利要求1的過電流跳閘電路，其特徵為，上述用於處理上述狀態信號的裝置包括一個平均過濾器28。
5.一種根據權利要求1的過電流跳閘電路，其特徵為，上述用於將上述處理過的狀態信號與第二參考信號相比較的裝置包括一個第二比較器32。
6.一種過電流跳閘電路，其特徵在於，裝置18用於監測電力導體中的電流以及該電流的上升率;裝置16，22，32用於在電流的上升率超過第一預定限值或電流值超過第二預定限值時，斷開包含上述電力導體的電路。
7.一種在過電流情況下斷開電路的方法，其特徵在於下述步驟產生一個表示在一個電力導體內的電流及該電流上升率的狀態信號;將上述狀態信號與一個第一參考信號相比較，並且在上述狀態信號值大於上述第一參考信號值時產生一個第一跳閘信號;處理上述狀態信號以產生一個經過處理的狀態信號;將上述處理過的狀態信號與第二參考信號相比較，並且在上述處理過的狀態信號值大於上述第二參考信號值時產生一個第二跳閘信號;以及，響應於上述第一或第二跳閘信號，斷開電路。
8.一種在過電流情況下斷開電路的方法，其特徵在於下述步驟監測電力導體內的電流和該電流的上升率;以及，當電流上升率超過每預定限值或該電流值超過第二預定限值時，斷開包含上述電力導體的電路。
全文摘要
一種過電流跳閘電路，監測電力導體內電流及其上升率，並在該上升率超過第一預定限值或該電流值超過第二預定限值時，斷開該導體的電路。測量分路器18的內電感用於產生一個包含導體內電流變化率分量的電壓信號。它與第一參考信號比較，在電壓大於第一參考信號時產生跳閘信號。處理過的電壓信號與第二參考信號比較，當其值大於第二參考信號值時產生第二跳閘信號，從而斷開電路。
文檔編號G01R19/165GK1059429SQ91108610
公開日1992年3月11日 申請日期1991年8月30日 優先權日1990年8月30日
發明者米爾澤·阿克美爾·貝格, 大為·阿蘭·弗克斯 申請人:西屋電氣公司