CN105743364A - 用于电切换装置的控制设备的电容性电源设备 - Google Patents

Abstract

一种用于电切换装置的控制设备的电容性电源设备，包括：电源模块(2)，其具有两个输入端子和在两个端子之间的电源电压(U_e)并适于当电源电压低于预定致动阈值(U_t)时将电源电流提供至适于控制所述电切换装置的控制组件(4)，电源模块(2)包括在电压整流部件(14)的输入处连接的第一电容器(6，6’)，所述控制组件(4)连接在整流块(14)的输出处，其特征在于，还包括：第二电容器(8，8’)和第一开关(12)，所述第一开关(12)适于基于电源电压(U_e)和电容器切换阈值(U_c)的比较而连接第二电容器(8，8’)。

Description

用于电切换装置的控制设备的电容性电源设备

技术领域

本发明涉及用于电切换装置的控制设备的电容性电源设备，其具有两个输入端和所述两个端之间的电源电压，并且适于在电源电压低于预定致动阈值时将电源电流提供至适于控制所述电切换装置的控制模块。

此外，本发明涉及电切换装置的关联控制设备。

背景技术

本发明涉及电切换装置(尤其是截止)的领域，并且具体涉及在低电压的情况下的电断路器的控制设备。

此领域的问题之一在于在低电压的情况下电切换装置的控制设备的创建，其具有低空间要求以便适于安装在切换装置的小外壳中，所述控制设备为低电压设备。

需要使用低电压电源设备来为这样的控制设备供电。

切换装置的这种控制设备具有给定工作规范；其必须在由上限和下限限定的给定电源电压范围内由大于或等于最小工作值的电流供电，确保控制设备的正确工作。此外，工作必须可靠并且没有某些预定阈值周围的振荡。最后，优选地，保持控制设备中的散热在给定水平以下，以便避免所连接的切换装置的过热和故障。

用于为低电压装置供电的电容性电源的使用是已知的，尤其对于家用电器而言。这种电源的优点在于其低成本和低空间需求。

然而，已知类型的包括在电压整流部件的输入处连接的电容器的电容性电源的使用不适于为如上所述的控制设备供电，因为所传递的电流水平随着电源电压而增加。为此原因，为了确保所需的电流水平的传递在预定电源电压范围之上，对于接近预定电源电压范围的上限的电源电压值，这样的经典电容性电源将在控制设备中产生过多散热。

这样的电容性电源将因此不允许适于宽电压范围中的电源电压的显著变化的令人满意的工作。

发明内容

本发明的目的在于消除现有技术的上述缺点的至少一个。

为此目的，根据第一方面，本发明提出了一种用于电切换装置的控制设备的电容性电源设备，包括：电源模块，其具有两个输入端子和在两个端子之间的电源电压，并适于当电源电压低于预定致动阈值时将电源电流提供至适于控制所述电切换装置的控制组件，电源模块包括在电压整流部件的输入处连接的第一电容器，所述控制组件连接在整流部件的输出处，其特征在于，还包括：第二电容器和第一开关，所述第一开关适于基于电源电压和电容器切换阈值的比较而连接第二电容器。

有利地，在开关基于电源电压的控制下对第二电容器的使用允许调节控制设备的控制电压，并因此调节提供到控制设备的电流水平，使得允许在限制散热的同时对控制切换装置起作用。

根据本发明的用于电切换装置的控制设备的电容性电源设备还可以呈现以下一个或多个特性：

-确定所述第一和第二电容器的电容值和电容器切换阈值，使得提供至控制组件的电源电流不低于最小电流值，也不高于最大电流值，只要电源电压包含在预定工作电压范围的下限和上限之间；

-最大电流值对应于控制组件中低于或等于预定散热水平的散热；

-所述控制组件是控制模块的一部分，所述控制组件具有相关联的电阻值，所述控制模块还包括安装在整流部件的输出处的电阻性元件、以及适于在整流部件的输出处在所述电阻性元件的连接和所述控制组件的连接之间执行切换的第二开关，所述电阻性元件具有低于所述控制组件的电阻值的电阻值；

-当整流部件的输出处的电压超过对应于基本等于预定致动阈值的电源电压的控制切换阈值时，第二开关在所述电阻性元件的连接和所述控制组件的连接之间切换；

-基于控制组件的电阻值选择电阻性元件的电阻值，以便确保第二开关的预定磁滞值；

-确定第一电容器的电容值，使得当电源模块中仅仅连接第一电容器时提供至控制组件的电源电流等于当电源电压等于所述电压上限时的最大电流值；

-确定第二电容器的电容值，使得当在电源模块中连接所述第一和第二电容器时，提供至控制组件的电流水平至少等于当电源电压等于电压下限时的最小电流值；

当在电容性电源模块中连接所述第一和第二电容器时，基于提供至控制组件的电源电流达到最大电流值时的电源电压值确定电容器切换阈值和相关联的磁滞值，并且当在电容性电源模块中仅连接所述第一电容器时，基于提供至控制组件的电源电流达到最小电流值时的电源电压值确定电容器切换阈值和相关联的磁滞值。

根据第二方面，本发明涉及一种电切换装置的控制设备，其特征在于，其包括根据本发明的第一方面所述的电容性电源设备，适于当电源电压低于预定致动阈值时控制所述电切换装置。

附图说明

本发明的其他特性和优点将从下面作为指示而绝不是限制性的参考附图给出的描述而显现，附图中：

图1示意性图示根据本发明第一实施例的电切换装置的控制设备；

图2示意性图示根据本发明第二实施例的电切换装置的控制设备；

图3示意性图示根据本发明的控制组件的电源电流的改变图。

具体实施方式

图1示意性图示电切换装置(此装置未示出)的控制设备1。例如，这样的电切换装置是断路器。

电切换装置的控制设备1是称为“低电压”的控制设备，当在端子B₁和B₂之间取的电源电压U_e降到给定致动阈值U_t之下时，其导致截止，所述给定致动阈值U_t优选地表示为给定额定电压U_n的百分比。

在此示例中的电源电压U_e是例如三相网络的电气网络的电压。

例如，根据给定计量(gauge)，额定电压U_n包含在最小额定电压U_{n_min}和最大额定电压U_{n_max}之间，致动阈值U_t为0.7xU_{n_min}，因此，当电源电压达到最小额定电压的70％时，达到致动阈值。

例如，U_{n_min}＝220V(伏特)，并且U_{n_max}＝240V，因此U_t＝154V。

切换控制设备1包括电源模块2和控制模块3，所述控制模块3包括优选地为线圈致动器的控制组件4。控制组件4由典型地包含在7到10mA(毫安)之间的电源电流I_c供电。当电源电流I_c在最小电流值(也称为给定保持值I_s-min)之上时，重置控制组件4，并且授权切换装置的关断。相反，当电源电流I_c在最小电流值I_s-min之下时，控制组件4触发切换装置的控制。

根据图1所示的第一实施例，电源模块2包括电容性输入块5，所述电容性输入块5包括具有电容C₁的第一电容器6、以及与第一电容器6并联安装的具有电容C₂的第二电容器8。

电容性输入块5还包括连接在电源端子B₁和B₂之间的第一电压比较器10、以及适于在闭合位置和打开位置之间切换的第一开关12，在闭合位置允许切换到电源模块2中的第二电容器8，在打开位置允许从电源模块2断开第二电容器8。

第一开关12由第一电压比较器10的输出控制，所述第一电压比较器10适于将电源电压U_e与电容器切换阈值电压U_c比较。

电容器切换阈值电压U_c关于电容值C₁和C₂而确定，以便保持提供到控制组件4的电源电流I_c在最大电流I_s-max的预定阈值之下，如下面更详细说明。

因此，有利地，尊重电切换控制设备的工作计量，并且控制组件4中消散的功率在预定热量限制以下，例如等于1.1瓦特。

应当指出，示意性图示第一电压比较器10，并且其以经典方式包括可变电阻器和正峰值检测器，允许基于第一电压比较器10的基准电压U₂调节比较电压U_c。实际上，以已知方式，电压比较器具有固有基准电压和相关联的磁滞值H₂。

电容性输入块5的输出连接到全波整流块14，输出构成例如二极管的桥。整流块14以经典方式合并通过电容器所提供的滤波。

整流块14的输出端以直流为控制模块3供电。整流块14的输出处的电压标记为电压U_p。

控制模块3还包括具有电阻R的电阻性元件16、第二电压比较器18和第二开关20。

第二开关20适于在第一位置P₁和第二位置P₂之间切换，在第一位置P₁电阻性元件16连接在整流块14的输出，在第二位置P₂控制组件4连接在整流块14的输出，电阻性元件16断开。

第二开关20的位置P₁和位置P₂之间的切换由第二电压比较器18的输出控制。

第二电压比较器18能够将整流块14的输出处的电压U_p与控制切换阈值电压U_s比较。

控制切换阈值电压U_s基于电源电压U_e而定。优选地，控制切换阈值电压U_s使得电源电压U_e等于致动阈值U_t＝0.7xU_{n_min}。

应当注意，第二电压比较器18示意性图示，并且以经典方式包括可变电阻器，以允许基于第二电压比较器18的基准电压U₁调节比较电压U_s。实际上，以已知方式，电压比较器具有固有基准电压和相关联的磁滞值H₁。

有利地，电阻值R选择为在控制组件4的电阻R’之下。例如，对于具有线圈的控制组件4，电阻R’是当在低于25℃的温度时冷却的线圈的电阻。

由于电阻R在控制组件4的电阻R’之下，因此电阻性元件16所消耗的电流较大，导致整流块14的输出处的电压U_p的下降。这产生了磁滞效应H₁，其防止了当电源电压U_e稳定化在电压U_t附近时第二开关20的振荡。

例如，在控制组件4的电阻R’以下5％的电阻R的使用允许控制组件的工作更可靠。该区别将允许在25摄氏度的基准温度确保10％的最小磁滞H₁。

在第二实施例中，如图2所示，电源模块包括串联而非并联的两个电容器6’和8’。在此第二实施例中，当电源电压U_e低于电容器切换阈值电压U_c时，第一开关12处于“断开”位置，并且当电源电压在U_c之上时处于“闭合”位置。

图3示意性图示依赖于如箭头所示的电源电压上升或下降的变化、基于电源电压U_e的控制组件4的电源电流I_c的改变图。

随着上升电压工作和随着下降电压工作之间的差别是由于电源模块2中的磁滞H₂和控制模块3中的磁滞H₁的存在。

当电源电压U_e从值0V增加到致动阈值U_t＝0.7xU_{n_min}时，第一开关12处于闭合位置，连接第二电容器8，而第二开关20处于位置P₁，控制组件4未被供电。

当电源电压达到第一电压阈值U_inf之上或等于致动阈值U_t时，整流块14的输出处的电压U_p达到控制切换阈值电压U_s，第二开关20切换到位置P₂，电源电流I_c成为值I_c1。

当电源电压达到等于确保控制组件4的正确操作的电压范围的下限U_inf的电压值时，电源电流I_c等于电流最小值I_s-min，此电流水平允许控制组件4的重置和下游连接的断路器的闭合。

在所示实施例中，U_inf＝0.85xU_{n_min}，此值根据控制组件4的正确工作计量而预定。

在图3上，以虚线示出控制组件4的正确工作计量G。计量G具体包括四个正确工作点，在图上标记为A、B、C和D，这将使得可以确定电容器切换阈值U_c的电容值C₁和C₂以及磁滞H₂。

当电源电压达到电容器切换阈值U_c时，第一开关12进入开路位置，仅第一电容器6保持在电源模块2中。此改变的影响降低了整流块14的输出处的电压到使得控制模块由等于最小电流值I_s-min的电流供电的水平。

为控制模块4供电的电流的水平不超过在工作计量中提供的最大电源电压处的最大电流值I_s-max，所述最大电流值I_s-max对应于控制组件中授权的最大散热，所述最大电源电压等于确保控制组件4的正确工作的电压范围的上限U_sup(图3的计量的点D)。

例如，U_sup＝1.1xU_{n_max}。

最大电流值I_s-max使得控制组件4中的散热低于或等于给定值，例如1.1瓦特。最大电流值I_s-max因此基于最大热应变而选择。

为了创建图3中图示的工作，选择电容器C₁使得当在电源模块中仅存在具有电容C₁的第一电容器6时提供给控制组件4的电源电流I_c等于在工作计量中提供的最大电源电压U_sup处的I_s-max(图3的计量的点D)。

选择电容C₂使得当在电源模块2中并联两个电容器6和8时，提供到控制组件4的电流水平I_c至少等于当电源电压等于正确工作范围的电压下限U_inf时的最小电流值I_s-min(图3的计量的点A)。

将电容器切换阈值电压U_c确定为这样的电源电压值，其使得提供到控制模块的电源电流达到当在电源模块中连接两个电容器时的最大电流值I_s-max(图3的计量的点B)。考虑图3的计量的点C计算电容器切换阈值U_c，其确保提供到控制模块的电流I_c不低于最小保持电压值I_s-min，只要电源电压U_e高于U_inf。类似的，基于在计量的点C处的电压U_cc和在计量的点B处的电压U_cb计算第一电压比较器10的磁滞值H₂。

例如，下面描述基于计量G的点A和D计算电容值C₁、C₂以及基于计量G的点B和C计算电容器切换阈值电压值U_c以及磁滞值H₂的实施例。

所使用的方法是简化的方法。

考虑电源模块具有阻抗Z₂，并且控制模块具有阻抗Z₄。

电源模块的阻抗Z₂主要是电容性的，当电压U_e低于U_c时等于C₁+C₂，并且当电压U_e高于U_c时等于C₁。

控制模块的阻抗Z₄主要包括电阻R。

控制组件4中的电流I_c通过下面的关系式给出：

$\left|I_c\right|=\frac{\left|U_e\right|}{\left|Z_4\right|+\left|Z_2\right|}---\left(1\right)$

注意:|Z_t|＝|Z₄|+|Z₂|(2)

关系式(1)写为:

$\left|I_c\right|=\frac{\left|U_e\right|}{\left|Z_t\right|}---\left(3\right)$

以及:

$\left|\right|Z_t\left|\right|=\sqrt{R^2+\frac{1}{C_T^2{\mathrm{\ω}}^2}}---\left(4\right)$

其中，C_T表示切换控制设备1的等效电容，并且ω是电源电压U_e的脉动(pulsation)。

值C_T依赖于第一开关12的位置，其依赖于电源电压U_e的值。

当电源电压U_e低于U_c时，第一开关12闭合，并且C_T＝C₁+C₂。

当电源电压U_e高于U_c时，第一开关12打开，并且C_T＝C₁。

通过组合关系式(3)和(4)，得出：

$C_T=\sqrt{\frac{1}{(\frac{U_e^2}{I_C^2}-R^2){\mathrm{\ω}}^2}}---\left(5\right)$

以及

$U_e=\sqrt{R^2+\frac{I_C^2}{C_T^2{\mathrm{\ω}}^2}}---\left(6\right)$

关系式(5)用于通过计量G的工作点A和D的连续上下限确定C₁和C₂。

在工作点A，一个具有U_e＝U_inf，其低于U_c，因此第一开关12闭合，因此C_T＝C₁+C₂。其服从：

$C_1+C_2=\sqrt{\frac{1}{(\frac{U_{\inf }^2}{I_{s-min}^2}-R^2){\mathrm{\ω}}^2}}---\left(7\right)$

在工作点D，U_e＝U_sup，其高于U_c，因此，第一开关12打开，C_T＝C₁，并且其服从：

$C_1=\sqrt{\frac{1}{(\frac{U_{sup}^2}{I_{s-max}^2}-R^2){\mathrm{\ω}}^2}}---\left(8\right)$

关系式(8)允许确定C₁，因此通过减去之前计算的C₁的值从关系式(7)获得C₂。

在计算电容值C₁和C₂之后，关系式(6)用于确定对于遵守对应于计量G的工作点B和C的I_c：I_s-min≤I_c≤I_s-max处的工作准则所允许的电容器切换阈值U_c和最大磁滞H₂。

在工作点B，电压U_cb通过关系式(6)确定，当高于所述电压U_cb时，电流I_c高于最大电流值I_s-max，其中，C_T＝C₁+C₂，因为第一开关12闭合：

$U_{cb}=\sqrt{R^2+\frac{I_{s-max}^2}{{(C_1+C_2)}^2{\mathrm{\ω}}^2}}---\left(9\right)$

在工作点C，电压U_cc通过关系式(6)确定，当低于所述电压U_cc时，电流I_c低于最小电流值I_s-min，其中，C_T＝C₁，因为第一开关12断开：

$U_{cc}=\sqrt{R^2+\frac{I_{s-\min }^2}{{C_1}^2{\mathrm{\ω}}^2}}---\left(10\right)$

随后，在计算值U_cb和U_cc之后，确定：

$U_c=\frac{U_{cc}+U_{cb}}{2}---\left(11\right)$

以及

H₂＝U_cb-U_cc(12)

在数字示例中，绝非限制性的，如果I_s-min＝7mA并且I_s-max＝10mA,U_inf＝176V,U_sup＝305V,R＝5500Ω(Ohms)并且f＝50Hz(赫兹)，其中ω＝2πf，则得到：C₁＝106nF(纳法),C₂＝29nF,U_c＝240V并且H₂＝34.9V。

因此校准设备1，使得控制组件4的电源电流服从预定计量G提供的工作条件，同时不超过最大电流值I_s-max，以便确保散热限制于预定水平。

设备1的电源模块2具有低制造成本并呈现低空间需求。

Claims (10)

1.一种用于电切换装置的控制设备的电容性电源设备，包括：电源模块(2)，其具有两个输入端子和在两个端子之间的电源电压(U_e)并适于当电源电压低于预定致动阈值(U_t)时将电源电流提供至适于控制所述电切换装置的控制组件(4)，电源模块(2)包括在电压整流部件(14)的输入处连接的第一电容器(6，6’)，所述控制组件(4)连接在整流部件(14)的输出处，

其特征在于，还包括：第二电容器(8，8’)和第一开关(12)，所述第一开关(12)适于基于电源电压(U_e)和电容器切换阈值(U_c)的比较而连接第二电容器(8，8’)。

2.如权利要求1所述的电容性电源设备，其特征在于，确定所述第一(6，6’)和第二(8，8’)电容器的电容值(C₁，C₂)和电容器切换阈值(U_c)，使得提供至控制组件(4)的电源电流不低于最小电流值(I_s-min)，也不高于最大电流值(I_s-max)，只要电源电压(U_e)包含在预定工作电压范围的下限(U_inf)和上限(U_sup)之间。

3.如权利要求1和2之一所述的电容性电源设备，其特征在于，最大电流值(I_s-max)对应于控制组件(4)中低于或等于预定散热水平的散热。

4.如权利要求1至3的任一所述的电容性电源设备，其特征在于，所述控制组件(4)是控制模块(3)的一部分，所述控制组件(4)具有相关联的电阻值(R’)，所述控制模块(3)还包括安装在整流部件(14)的输出处的电阻性元件(16)、以及适于在整流部件(14)的输出处在所述电阻性元件(16)的连接和所述控制组件(4)的连接之间执行切换的第二开关(20)，所述电阻性元件(16)具有低于所述控制组件(4)的电阻值的电阻值(R)。

5.如权利要求4所述的电容性电源设备，其特征在于，当整流部件(14)的输出处的电压(U_p)超过对应于基本等于预定致动阈值(U_t)的电源电压(U_e)的控制切换阈值时，第二开关(20)在所述电阻性元件(16)的连接和所述控制组件(4)的连接之间切换。

6.如权利要求4和5的任一所述的电容性电源设备，其特征在于，基于控制组件(4)的电阻值(R’)选择电阻性元件(16)的电阻值(R)，以便确保第二开关的预定磁滞值(H₁)。

7.如权利要求1至6的任一所述的电容性电源设备，其特征在于，确定第一电容器(6)的电容值(C₁)，使得当电源模块(2)中仅仅连接第一电容器(6)时提供至控制组件(4)的电源电流(I_c)等于当电源电压(U_e)等于所述电压上限(U_sup)时的最大电流值(I_s-max)。

8.如权利要求7所述的电容性电源设备，其特征在于，确定第二电容器(8)的电容值(C₂)，使得当在电源模块(2)中连接所述第一(6)和第二(8)电容器时，提供至控制组件(4)的电流水平(I_c)至少等于当电源电压(U_e)等于电压下限(U_inf)时的最小电流值(I_s-min)。

9.如权利要求7和8的任一所述的电容性电源设备，其特征在于，当在电容性电源模块(2)中连接所述第一(6)和第二(8)电容器时，基于提供至控制组件(4)的电源电流达到最大电流值(I_s-max)时的电源电压值(U_cb)确定电容器切换阈值(U_c)和相关联的磁滞值(H₂)，并且当在电容性电源模块(2)中仅连接所述第一电容器(6)时，基于提供至控制组件(4)的电源电流达到最小电流值(I_s-min)时的电源电压值(U_cc)确定电容器切换阈值(U_c)和相关联的磁滞值(H₂)。

10.一种电切换装置的控制设备，其特征在于，其包括根据权利要求1至9的任一所述的电容性电源设备，适于当电源电压低于预定致动阈值时控制所述电切换装置。