專利名稱：電流限制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于連接在交流主電源和負(fù)載之間的電流限制裝置，所述裝置用于在電流超過設(shè)置值時把負(fù)載電流減少到0或一個小的剩余電流值。
已知形式的電氣控制單元包括簡單的保險絲和機電電路斷路器或電流限制器。在保險絲的情況下，一旦電路被切斷，則保險絲必須被更換，在機電電路斷路器或電流限制器的情況下，則必須將其復(fù)位。因此，這些裝置必須是可接近的，因而這些裝置被打開，從而被不合理地使用。在一些供電系統(tǒng)中，正常的電表被省去，根據(jù)電流限制器所允許的最大電流向用戶收費。允許用戶在所有的時間內(nèi)汲取最大電流，顯然，如果電流限制器允許用戶接近以便復(fù)位，就有可能或者通過把限制器旁路，或者通過干擾電流限制器的操作進行舞弊。
本發(fā)明提供一種電流限制裝置，包括線路輸入和輸出端子，用于在使用時在交流主電源的一個端子和負(fù)載的一個端子之間進行連接，可控的半導(dǎo)體器件，其形成在所述輸入端和輸出端之間的載流通路的一部分，在所述載流通路中的檢測電阻，和響應(yīng)在所述檢測電阻兩端產(chǎn)生的電壓的電路裝置，所述電路裝置在流過負(fù)載的電流超過預(yù)定值的情況下使所述半導(dǎo)體器件截止，所述電路裝置包括延遲裝置，從而使得在一個有限的時間間隔內(nèi)電流可以超過所述預(yù)定值，對于較高的過電流，所述有限的時間間隔較短，在負(fù)載短路或者在一個突然的或者非常高的電流的情況下，所述時間間隔實際上是0。因而，當(dāng)半導(dǎo)體器件處于其導(dǎo)通狀態(tài)時，電流流過負(fù)載。然而，當(dāng)半導(dǎo)體器件截止即非導(dǎo)通時，流過負(fù)載的電流被減少到0或者至多等于剩余電流。
按照本發(fā)明的裝置完全是電子型的并且沒有運動部件。通過在一個時間間隔內(nèi)允許電流超過一個預(yù)定值，按照本發(fā)明的裝置不會切斷在浪涌狀態(tài)下的電流，例如由于電氣設(shè)備中的沖擊電流。此外，過電流越大，被切斷的速度也越快。
在短路或者在過電流的情況下，按照本發(fā)明的裝置能夠快速地切斷負(fù)載(一般在幾微秒之內(nèi))，從而阻止破壞裝置中的電子電路。當(dāng)所述裝置用作用戶電源中的電流限制器時，這是重要的，因為用戶可能試圖使限制器失效而獲得額外的電能。通過重復(fù)地使負(fù)載短路可以使機電限制器失效。在短路條件下裝置的魯棒性使得其能夠被安裝在具有非常低的阻抗的電路中。這又意味著所述裝置可以被安裝在用戶用電入口的外部。
一般地說，在電流超過50倍預(yù)定值時裝置的切斷時間小于10微秒。當(dāng)電流超過預(yù)定值兩倍或三倍時，切斷時間可以是一秒或幾秒的數(shù)量級，而在電流大于預(yù)定值的10倍時，所述裝置可以在幾十毫秒的數(shù)量級的時間內(nèi)切斷電路。
在短路或過電流狀態(tài)下按照本發(fā)明的裝置的切斷速度比保險絲或機電電路斷路器大約快1000倍。因此，可以用于減少在故障情況下對電氣設(shè)備或電子設(shè)備的破壞，從而改善安全性，尤其是用于可燃的或爆炸環(huán)境中時。
按照本發(fā)明的裝置一般還包括二極管整流橋。
按照本發(fā)明的裝置最好包括用于在所述半導(dǎo)體器件截止之后再使其導(dǎo)通的裝置?？梢园ǘ〞r器裝置，其通過操作可以使在半導(dǎo)體器件截止之后經(jīng)過預(yù)定時間使其導(dǎo)通。也可以包括禁止裝置，用于禁止所述半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通，直到負(fù)載被切斷。
當(dāng)所述裝置用作用戶電源中的限制器時，自動復(fù)位特征是有益的，因為這使得所述裝置能夠被安裝在不能接近的位置，例如被連接在供電用的電線桿上，借以減少和通過旁路和篡改有關(guān)的舞弊問題。此外，自動復(fù)位特征使得不再需要可更換的元件，例如保險絲，并且使得裝置能夠被完全密封，借以避免由于操作環(huán)境或害蟲的侵入而損害。
特別是，在這種應(yīng)用中，最好在預(yù)定的時間延遲之后發(fā)生自動復(fù)位。這種延遲可以是幾秒到幾分的數(shù)量級，一般5秒到60秒。一般地說，延遲應(yīng)當(dāng)是足夠的，以便使用戶能夠切斷負(fù)載，把電流減少到小于使半導(dǎo)體器件截止的預(yù)定值，而不會使用戶在一個過長的時間內(nèi)斷電。合適的延遲大約是30秒。在一個實際應(yīng)用中，所述裝置可以以這樣的方式構(gòu)成，其允許用戶汲取足夠的用于給規(guī)定數(shù)量的電燈供電的電流。此時如果用戶接通其它的電燈，因而超過預(yù)定的電流值，所述半導(dǎo)體器件就截止，因而停止電流的供給。此時30秒的延遲足夠使用戶切斷多余的電燈，使得在延遲結(jié)束時，當(dāng)恢復(fù)電流的供應(yīng)時，不再發(fā)生跳閘。如果用戶不切斷附加的電燈，則重復(fù)供電中斷和再連接的處理，直到負(fù)載被充分減小，使得電流下降到預(yù)定限制以下。
所述裝置最好被安裝在電源主電纜和用戶的用電入口之間的位置，即在屬于由供電部門管理而不是由用戶管理的位置。所述裝置還最好被完全封裝和密封，使得任何用戶不能篡改。
所述裝置另外最好還包括用于確保當(dāng)負(fù)載被連接時，在交流電壓過零的區(qū)域使半導(dǎo)體器件導(dǎo)通的裝置。
通過使在復(fù)位時在電壓過零時接通負(fù)載，按照本發(fā)明的裝置可以減少沖擊電流和負(fù)載中的相關(guān)的應(yīng)力，使電磁干擾最小。
按照本發(fā)明的裝置最好還包括在所述電源電壓低于一個預(yù)定值的情況下能夠通過操作使所述半導(dǎo)體器件截止的裝置。
這種欠電壓截止能夠幫助保護電壓敏感負(fù)載，例如電動機，免受由于在太低的電壓下操作而受到損害，并保護半導(dǎo)體器件由于低的電源電壓引起的驅(qū)動電壓的減少而產(chǎn)生過大的導(dǎo)通電壓降而造成的過熱。
可控的半導(dǎo)體器件可以是晶體管，特別是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。最好使用晶體管，因為它可以在主周期上的任何點截止，而例如雙向可控硅或可控硅只能在電壓過零時截止。在短路的情況下，晶體管的快速截止會使裝置免遭破壞，在所述短路狀態(tài)下將破壞雙向可控硅或可控硅。使用IGBT是特別合適的，因為這種晶體管在短路條件下比其它的形式的晶體管更健壯。
使晶體管在正常操作期間保持連續(xù)地導(dǎo)通也是特別合適的。這能夠消除射頻干擾，而在利用雙向可控硅或可控硅時，在每個周期截止之后經(jīng)過一個延遲繼續(xù)導(dǎo)通，則會產(chǎn)生射頻干擾。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種用于限制對用戶的房屋的電力供應(yīng)的方法，所述方法包括在電源主電纜和用戶的用電入口之間安裝一個上述的裝置。
下面參照


按照本發(fā)明的電流限制裝置的例子，其中圖1表示裝置的主要元件；圖2表示低壓電源，以及
圖3是所述裝置的第二實施例的類似于圖1的圖。
參看附圖，所述裝置包括線路輸入和輸出端子10，11，用于分別連接交流電源的線路端子和負(fù)載的線路端子。所述裝置還具有中性輸入和輸出端子12，13，用于連接交流電源的中性端子和負(fù)載的中性端子。
線路端子10，11用于連接包括二極管D1-D4的橋式整流器的相對的連接點，而其它的相對的連接點分別和第一線14以及第二線15相連。
呈絕緣柵雙極晶體管形式的可控的半導(dǎo)體器件Q3具有和線15相連的集電極和通過電流檢測電阻R2和線14相連的發(fā)射極。在使用時，只要晶體管Q3處于導(dǎo)通狀態(tài)，在電源的正半周，電流就通過二極管D1、晶體管Q3、檢測電阻R2和二極管D4流過負(fù)載，在負(fù)半周，則通過二極管D2、晶體管Q3、電阻R2和二極管D3流過負(fù)載。在電阻R2兩端產(chǎn)生和負(fù)載電流成正比的電壓，并且對于最大連續(xù)操作電流，所述電壓是0.1V的數(shù)量級。
晶體管Q3的柵極的驅(qū)動電壓借助于電阻R3、R4由18V的直流電源獲得，所述電阻R3、R4串聯(lián)連接，并具有借助于場效應(yīng)晶體管Q1的載流通路和線14連接的接點。18V的電源相對于線14是正的，其來源將在下面說明。在使用時，只要晶體管Q1截止，驅(qū)動電壓就被加于晶體管Q3的柵極，電流就流過負(fù)載。在正常使用時，在電阻R2兩端產(chǎn)生的電壓對于提供給晶體管Q3的有效驅(qū)動電壓沒有什么影響，但是在負(fù)載中短路的情況下，即使在使晶體管Q1導(dǎo)通之前，將借助于將要說明的其它電路的作用使晶體管Q3截止，加于晶體管Q3上的有效驅(qū)動電壓將由于電阻R2上的電壓的增加而減少。這具有減少晶體管Q3的電流，借以限制其中的功率消耗的效果。
Q1的導(dǎo)通由包括集成電路IC2，一種555型的定時器IC的定時器控制，其操作由分別包括IC1A，IC1B，IC1C和IC1D的4個其它的電路確定。包括IC1A的另一個電路提供最大電流控制，包括IC1B的另一個電路提供對突然嚴(yán)重過載和短路的快速響應(yīng)的控制，包括IC1C的另一個電路用于確保只在交流電源過零附近發(fā)生過載跳閘(當(dāng)負(fù)載連接時)之后使所述裝置進行自動恢復(fù)，并且包括IC1D的另一個電路用于確保在電源電壓低于一個預(yù)定值的情況下斷開所述負(fù)載。
電阻R21和電容C5形成定時器的一部分，所述電阻和電容被串聯(lián)連接在5V的直流電源的正端和線14之間。電阻和電容的節(jié)點被連接到一個門限和集成電路IC2的放電端。IC2的控制電壓后端借助于串聯(lián)連接的電阻R19、R20和5V電源相連，并且觸發(fā)端通過電阻R14和5V電源相連。
集成電路IC2的觸發(fā)端和集成電路IC1A，IC1B以及IC1D的輸出相連，下面說明這些電路的外圍電路。
首先考慮集成電路IC1A，該電路被連接成一個比較器，其具有和一對電阻R9、R10的節(jié)點相連的同相輸入端，所述電阻分別和5V的電源端和線14相連。反相輸入端首先通過串聯(lián)連接的電阻R6、R7和晶體管Q3與電阻R2的節(jié)點相連，其次通過電容C3和線14相連。電阻R9、R10確定施加到比較器上的參考電壓，因此確定電阻R2兩端的電壓降和使比較器改變狀態(tài)的負(fù)載中的預(yù)定的電流值。當(dāng)比較器改變狀態(tài)時，晶體管Q1導(dǎo)通，晶體管Q3截止，從而切斷負(fù)載。但是，因為在正常使用時，例如由于電機啟動具有浪涌電流以及流入電源和燈中的沖擊電流，這些電流可能超過預(yù)定值，在這種情況下，需要阻止切斷負(fù)載，因而，電阻R6、R7和電容C3一道提供時間延遲功能。對于較高的電流浪涌，例如當(dāng)施加太長的時間時將會破壞晶體管Q3的浪涌電流，則通過PNP晶體管Q2的作用使延遲時間常數(shù)被減少，晶體管Q2使電阻R8接入，從而增加電容器C3的充電速率。
提供上述的時間延遲意味著在負(fù)載電流突然高速增長恒值在負(fù)載中短路的情況下可能破壞晶體管Q3。在這種情況下，具有集成電路IC1B的電路將阻止在這種情況下的破壞，這種電路由于能夠減少晶體管Q3上的電壓而具有電流限制效果。IC1B作為比較器，其具有和一對電阻R11、R12的節(jié)點相連的同相輸入端，所述電阻分別和5V電源以及線14相連。反相輸入端借助于電阻R13和晶體管Q3以及電阻R2的節(jié)點相連，一個和電容器C3相比具有非常低的值的電容器C4被連接在反相輸入端和線14之間，作為高頻濾波器，并且不會對比較器響應(yīng)電阻R2兩端電壓的變化提供大的延遲。施加于比較器IC1B的參考電壓遠大于施加于比較器IC1A的參考電壓，因此，該比較器只在非常高的電流的情況下改變使晶體管Q3開始截止時的狀態(tài)。
包括集成電路IC1D的其它電路如圖2所示，其和低壓電源有關(guān)。集成電路IC1D也被連接成比較器，其輸入端分別和串聯(lián)連接的電阻R25-R27以及R31的節(jié)點相連。電阻R27、R31被連接在5V電源線16和線14之間，電阻R25、R26被連接在18V的電源線17和線14之間。這些電阻的值是這樣的，其使得在正常使用時，在比較器的反相輸入端的電壓是2.5V，在同相輸入端的電壓是3V。
線17借助于電阻24和二極管D8的陰極相連，二極管的陽極和中性端子12、13相連。電源電路的其余元件包括被連接在線17和14之間的存儲電容C7，也被連接在線17和14以及電阻R23之間的齊納二極管D9，以及被串聯(lián)在線17和14之間的5V的精確的參考電壓D11。電源線16和電阻R23以及二極管D11的陰極相連。
在使用時，電容器C7在電源電壓的負(fù)半周被充電到齊納二極管D9的擊穿電壓(18V)，電流通過二極管D8、電阻24以及二極管D3流動。精確電壓D11通過電阻R23確定線16上的電壓。在交流電源的電壓減少的情況下，線17上的電壓在線16上的電壓下降之前將開始下降，并且當(dāng)其降低到使得同相輸入端的電壓小于反相輸入端的電壓時，比較器IC1D則改變狀態(tài)，從而禁止晶體管Q3的操作。用這種方式，當(dāng)電源電壓低時，則保護構(gòu)成負(fù)載的并且可以在低電壓線被破壞的電動機等，并保護晶體管Q3不會由于在太低的電壓下操作而過熱。
包括集成電路IC1C的其它的電路包括被串聯(lián)連接在線14和5V電源線16之間的一對電阻R16、R17，所述兩個電阻R16、R17之間的節(jié)點和集成電路IC1C的反相輸入端相連。同相輸入端借助于電阻R18和NPN晶體管Q4的基極相連，并借助于電阻R15和線路輸入端10相連。晶體管的發(fā)射極和IC1C的輸出相連，集電極和電阻R19、R20的節(jié)點相連。此外，串聯(lián)連接的二極管D5和D6被連接在線14和5V的電源線之間，并相對于5V電源處于非導(dǎo)通狀態(tài)。二極管D5，D6的節(jié)點和集成電路IC1C的同相輸入端相連。二極管D5、D6的用途是把同相輸入端的電壓控制在集成電路IC1C的安全操作限制之內(nèi)，其比交流電源電壓具有相當(dāng)小的范圍。
在正常操作時，晶體管Q1因為IC2的輸出為低而截止，因此晶體管Q3處于導(dǎo)通狀態(tài)，使得電流可以流過負(fù)載。如果由于上述原因使任何一個比較器IC1A，IC1B或IC1D改變狀態(tài)，則在集成電路IC2的觸發(fā)輸入端的電壓被降低，并且集成電路IC2的輸出變高，借以導(dǎo)通晶體管Q1。與此同時，電容C5放電，然后通過電阻R21再次充電，當(dāng)C5兩端的電壓達到預(yù)定的控制電壓時，IC2被復(fù)位，使得晶體管Q1截止，晶體管Q3導(dǎo)通。
如果需要只有負(fù)載被切斷才發(fā)生自動復(fù)位，則使用圖3所示的所述裝置的一種改型。和圖1的電路的區(qū)別在于，其中提供晶體管Q5和電阻30。在晶體管Q3截止時，通過電阻R29、R30有一非常小的電流流過負(fù)載。這個電流在電阻R30兩端產(chǎn)生電壓降，其使晶體管Q5導(dǎo)通，借以阻止電容C5再充電。因而，一旦檢測到過電流或大的浪涌電流或者低的電源電壓時，便使晶體管Q3截止，并被保持截止，直到負(fù)載被切斷。當(dāng)負(fù)載被切斷時，則使晶體管Q5截止，電容器C5被再充電。
盡管已經(jīng)被“切斷”，但是仍然有可以忽略的剩余電流繼續(xù)流過負(fù)載，這不僅是由于通過電阻R29、R30能夠繼續(xù)流過電流，而且因為通過電路元件例如CI和Q3也流過小的漏電流。
電路應(yīng)當(dāng)這樣修改，使得在由于短路、過電流或欠電壓跳閘使晶體管Q3截止的情況下，阻止晶體管Q3的導(dǎo)通，直到通過手動操作進行轉(zhuǎn)換為止。手動復(fù)位的特征可以應(yīng)用于所有的跳閘，或者只應(yīng)用于一些跳閘，并且可以對于所有的跳閘使用一個開關(guān)，或者對于每一種跳閘使用一個開關(guān)。
為了減少當(dāng)使晶體管Q3導(dǎo)通時的大的電流浪涌和電磁干擾，可以這樣設(shè)置，使得這只能發(fā)生在負(fù)載被連接時電源電壓的過零點附近。這個功能由集成電路IC1C和相關(guān)的元件提供。當(dāng)電源電壓低于由電阻R16、R17的相對值確定的門限值時，集成電路IC1C的輸出是低的。此外，只有當(dāng)電源電壓高于大約0.7V時，晶體管Q7才處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此，在這兩個電源電壓之間，施加于IC2上的控制電壓被減少，因而確保只有在接近電源過零點時使晶體管Q1截止，從而允許電流通過晶體管Q3流過負(fù)載。因此，可以使裝置發(fā)生復(fù)位時的浪涌電流和電磁干擾最小。
只有在裝置的輸出端連接有負(fù)載的情況下才發(fā)生過零接通。為了保證晶體管總是在過零時導(dǎo)通而不管是否連接有負(fù)載，應(yīng)當(dāng)借助于高值電阻使得在LOUT和N之間通過一個小電流。
本發(fā)明的自動復(fù)位特征和不含運動部件這個事實意味著電路元件可以被封裝在殼體內(nèi)，并且在使用時被安裝在在物理上不能接近的位置?？刂茊卧浅？焖俚仨憫?yīng)大的過電流和短路，借以使得可能發(fā)生的負(fù)載或線路的破壞最小。
通過使用精密元件可以達到好的精度，和保險絲以及熱斷路器的情況不同，控制單元的操作不依賴于發(fā)熱，因此在一個寬的溫度范圍內(nèi)可以實現(xiàn)好的精度。通過改變電阻和電容值，所述控制單元可以容易地適用于不同的設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種電流限制裝置，包括線路輸入和輸出端子，用于在使用時在交流主電源的一個端子和負(fù)載的一個端子之間進行連接，可控的半導(dǎo)體器件，其形成在所述輸入端和輸出端之間的載流通路的一部分，在所述載流通路中的檢測電阻，和響應(yīng)在所述檢測電阻兩端產(chǎn)生的電壓的電路裝置，所述電路裝置在流過負(fù)載的電流超過預(yù)定值的情況下使所述半導(dǎo)體器件截止，所述電路裝置包括延遲裝置，從而使得在一個有限的時間間隔內(nèi)電流可以超過所述預(yù)定值，對于較高的過電流，所述有限的時間間隔較短，在負(fù)載短路或者在一個突然的或者非常高的電流的情況下，所述時間間隔實際上是0。
2.如權(quán)利要求1所述的控制單元，還包括在所述半導(dǎo)體器件截止之后自動地使其導(dǎo)通的裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的控制單元，其中所述用于使半導(dǎo)體器件導(dǎo)通的裝置包括定時器裝置，其在所述半導(dǎo)體器件截止之后經(jīng)過一個預(yù)定時間通過操作使所述半導(dǎo)體器件導(dǎo)通。
4.如權(quán)利要求2或3所述的控制單元，還包括直到負(fù)載被切斷之前通過操作禁止所述半導(dǎo)體器件導(dǎo)通的裝置。
5.如權(quán)利要求2到4中的任何一個當(dāng)從屬于權(quán)利要求2時所述的控制單元，還包括當(dāng)負(fù)載被連接時，用于確保所述半導(dǎo)體器件在交流電源的過零區(qū)域內(nèi)導(dǎo)通的裝置。
6.如前面任何一個權(quán)利要求所述的控制單元，其中所述檢測電阻在負(fù)載短路的情況下用于減少在所述半導(dǎo)體器件中流過的電流。
7.如前面任何一個權(quán)利要求所述的控制單元，還包括在所述電源電壓下降到預(yù)定值以下時通過操作使所述半導(dǎo)體器件截止的裝置。
8.如前面任何一個權(quán)利要求所述的控制單元，其中所述半導(dǎo)體器件是絕緣柵雙極晶體管或其它類型的晶體管。
9.如前面任何一個權(quán)利要求所述的控制單元，還包括二極管整流器橋。
10.一種用于限制對用戶的房屋的電力供應(yīng)的方法，所述方法包括在電源主電纜和用戶的用電入口之間安裝一個如前面任何一個權(quán)利要求所述的裝置。
全文摘要
一種被連接在交流主電源和負(fù)載之間的電流限制裝置。所述裝置具有在電源和負(fù)載之間的載流通路中的可控半導(dǎo)體器件Q3。在所述通路中還有檢測電阻R2。單元還具有響應(yīng)檢測電阻R2兩端產(chǎn)生的電壓的電路裝置。所述電路裝置在流過負(fù)載的電流超過一個預(yù)定值的情況下使所述半導(dǎo)體器件截止。在一個時間間隔內(nèi)電流可以超過所述預(yù)定值,對于較高的過電流,所述有限的時間間隔較短,在負(fù)載短路或者在一個突然的或者非常高的電流的情況下,所述時間間隔實際上是O。所述半導(dǎo)體器件在截止之后可以再返回導(dǎo)通,但是只有經(jīng)過預(yù)定時間間隔之后并且在負(fù)載尚未被切斷之前從能返回導(dǎo)通。
文檔編號H02H3/093GK1334984SQ99815880
公開日2002年2月6日 申請日期1999年11月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月26日
發(fā)明者奈杰爾·保羅·安德魯·史密斯 申請人:奈杰爾·保羅·安德魯·史密斯