專利名稱：數(shù)字繼電保護用開關電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是針對數(shù)字繼電保護裝置對電源的一些特殊技術指標要求而設計的 一種開關電源，屬于電力系統(tǒng)繼電保護技術領域。
背景技術：
隨著數(shù)字繼電保護裝置在變電站自動化系統(tǒng)中的大規(guī)模應用，繼電保護裝置 的可靠性成為一個很重要的問題。屬于保護裝置一部分的電源，其性能的高低直 接影響著繼電保護裝置整體的可靠性。數(shù)字繼電保護用開關電源是一個多路輸出 電源，輸入為交直流通用，輸出有三組電壓，+5￥提供0 1]等數(shù)字電路的工作電 源，士15V作為模擬電源供給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，+24￥用于開關量輸入輸出回路。與 常規(guī)電源相比，繼電保護用電源增加了一些特殊技術指標，如輸出過欠壓保護、 5V與24V的時序配合以及更高等級的電磁兼容要求等，其目的是為了提高電源 的安全可靠性，防止由于電源的問題而引起繼電保護裝置的誤操作。常規(guī)電源對輸出都要求過電壓保護，主要考慮的是輸出電壓太高會損壞后級 負載電路，而欠壓由于影響較小就不予設計保護。繼電保護用電源由于其特殊的 應用背景而對輸出電壓的大小有著更嚴格的控制。電源啟動時間為電源通電到輸出電壓上升到穩(wěn)壓范圍內時的時間，保持時間 為電源斷電到輸出電壓下降到穩(wěn)壓范圍外時的時間。常規(guī)多路輸出電源對各路輸 出的啟動與保持時間沒有先后要求。繼電保護用電源要求開機啟動建立時間5V 先于24V 40 140ms，關機保持時間5V晚于24V 20ms以上。啟動時5V電壓先 建立，保護裝置中CPU完成初始化程序，進入正常工作狀態(tài)，開出回路信號電平 狀態(tài)確定，不會引起保護裝置誤動。關機時24V先于5V消逝也是基于此目的。目前的數(shù)字繼電保護裝置上所用電源一般只有5V輸出配有短路保護、輸出 過壓保護，有電源開機5V先于24V建立時序，而無電源關機5V晚于24V消逝時 序，這些都降低了電源的可靠性，增加了繼電保護裝置誤操作中的電源因數(shù)比例
發(fā)明內容
技術問題為了實現(xiàn)數(shù)字繼電保護裝置對電源的特殊技術指標要求，本發(fā)明 設計了一款數(shù)字繼電保護用開關電源，實現(xiàn)了各路輸出的過欠壓保護、短路保護 以及5V和24V的開關機時序配合。技術方案本發(fā)明的數(shù)字繼電保護用開關電源，由輸入電路、電源主電路、 電源輸出異常保護模塊、開機時序控制器、關機時序控制器組成，輸入電路的輸 出端與關機時序控制器、電源主電路連接，關機時序控制器的輸出端接電源主電 路(2)中的24V電源開關控制電路，電源主電路中的5V、 15V、 24V三路輸出電源 對應連接到電源輸出異常保護模塊中的5V電源監(jiān)視器、15V電源監(jiān)視器、24V 電源監(jiān)視器的輸入端，5V電源監(jiān)視器、15V電源監(jiān)視器、24V電源監(jiān)視器的輸出 端分別接電源異常控制器的輸入端，電源異常控制器的輸出端接電源主電路中的 PWM控制器；開機時序控制器的輸入端接5V輸出電源，輸出端接電源主電路中 的24V電源開關控制電路。電源主電路中的24V電源開關控制電路由柵源電壓可控制開合的功率開關 管構成，開機時序控制器是一個充電延時控制電路，其輸出端接入24V電源開關 控制電路中功率開關管"Q1"的第一柵源控制光耦合器"U1";關機時序控制器 是電源主電路交流輸入端失電快速采樣電路，其兩個輸出端"off_A、 off—K"接 入24V電源開關控制電路中功率開關管"Q1"的第二柵源控制光耦合器"U2 "。采用單端反激拓撲結構形成電源的主電路，功率開關管由電流模式控制器 UC2842驅動，5V主輸出配有帶TL431的精密光耦反饋電路。輸入電源經(jīng)過EMI 濾波、全橋整流與大電容濾波后接入變壓器初級繞組，輸入設欠壓保護，變壓器 三組分離次級繞組分別輸出5V、 士15V與24V電壓。5V、 15V、 24V三組輸出都配有電壓監(jiān)視電路，各路電壓監(jiān)視的輸出相串聯(lián)， 聯(lián)合控制UC2842的補償管腳。任一路輸出過欠壓時，串聯(lián)回路被切斷，控制關 斷UC2842，電源進入"打嗝"保護狀態(tài)直至異常情況消失。任一路輸出發(fā)生短 路時，短路瞬間電流劇增，電壓劇降，引發(fā)輸出欠壓保護，將短路保護納入到了 輸出電壓保護的范疇。24V輸出回路中配有一個IRFZ44N開關管，5V輸出通過延時電路控制導通該 開關管，實現(xiàn)電源開機啟動時序。調節(jié)延時電路參數(shù)可方便實現(xiàn)延時長短。電源 關機時，失電采樣電路檢測到電源斷電，控制關斷開關管，切斷24V輸出，5V
輸出由輸入濾波大電容上存儲的能量繼續(xù)維持一段時間，達到關機時序要求。 有益效果本發(fā)明取得如下有益效果
(1) 設計實現(xiàn)了數(shù)字繼電保護用開關電源各路輸出的過欠壓保護、短路保護， 并將短路保護與過欠壓保護揉合在一起，電路簡單有效。
(2) 設計實現(xiàn)了電源輸出5V與24V的開關機時序配合，滿足不同帶載情況下 的時序要求。


圖l是電源結構示意圖。
圖2是輸入電路1的電路原理圖。
圖3 a是電源主電路2的電路原理圖的左半部，圖3 b是電源主電路2的電 路原理圖的右半部。
圖4是電源輸出異常保護模塊3的電路原理圖。 圖5是開機時序控制器4的電路原理圖。 圖6是關機時序控制器5的電路原理圖。
以上的圖中有輸入電路l、電磁干擾濾波器ll;電源主電路2、輸入欠壓 保護器21、反饋電路22、 PWM控制器23、 24V電源開關控制電路24;電源輸出 異常保護模塊3、 5V電源監(jiān)視器31、 15V電源監(jiān)視器32、 24V電源監(jiān)視器33、 電源異?？刂破?4;開機時序控制器4、關機時序控制器5。
具體實施例方式
圖1中，數(shù)字繼電保護用開關電源，由輸入電路l、電源主電路2、電源輸 出異常保護模塊3、開機時序控制器4、關機時序控制器5組成，輸入電路l的 輸出端與關機時序控制器5、電源主電路2連接，關機時序控制器5的輸出端接 電源主電路2中的24V電源開關控制電路24，電源主電路2中的5V、 15V、 24V 三路輸出電源對應連接到電源輸出異常保護模塊3中的5V電源監(jiān)視器31、 15V 電源監(jiān)視器32、 24V電源監(jiān)視器33的輸入端，5V電源監(jiān)視器31、 15V電源監(jiān)視 器32、 24V電源監(jiān)視器33的輸出端分別接電源異?？刂破?4的輸入端，電源異 ?？刂破?4的輸出端接電源主電路2中的P觀控制器23;開機時序控制器4的 輸入端接5V輸出電源，輸出端接電源主電路2中的24V電源開關控制電路24。
電源主電路2中的24V電源開關控制電路24由柵源電壓可控制開合的功率
開關管構成，開機時序控制器4是一個充電延時控制電路，其輸出端接入24V 電源開關控制電路24中功率開關管的第一柵源控制光耦合器；關機時序控制器 5是電源主電路2交流輸入端失電快速采樣電路，其兩個輸出端接入24V電源開 關控制電路24中功率開關管的第二柵源控制光耦合器。
當電源出現(xiàn)輸出過欠壓或短路時，電源輸出異常保護模塊3控制關斷電源主 電路2，實現(xiàn)對電源的保護。電源主電路2的5V輸出電源接入開機時序控制器4， 開機時序控制器4的輸出接入電源主電路2，控制電源主電路2的24V輸出電源。 輸入電路1的輸出接入關機時序控制器5，關機時序控制器5的輸出接入電源主 電路2，控制電源主電路2的24V輸出電源。
1) 輸入電路
圖2中，電源輸入經(jīng)過一個并接的瞬態(tài)電壓抑制器RV1接入電磁干擾濾波器 11，濾除共模干擾和差模干擾。電磁干擾濾波器11的一個輸出端串接保險絲Fl， 另一個輸出端串接壓敏電阻RT1，保險絲Fl與壓敏電阻RT1的另一端接入電源 開關S1。
2) 電源主電路
圖3中，輸入電路1的輸出經(jīng)過整流、濾波，接入變壓器初級繞組，PWM控 制器23由整流濾波后的直流電提供電源，實現(xiàn)自啟動，控制功率開關管的導通 與關斷，變壓器次級繞組與反饋繞組輸出電壓，此時PWM控制器23的電源轉由 反饋繞組提供。經(jīng)過單端反激DC-DC變換后次級輸出5V、 土15V、 24V三組直流 電壓。輸入欠壓保護器21監(jiān)視輸入濾波后的直流電壓值，如果低于欠壓保護值， 輸入欠壓保護器21中三極管Q6飽和導通，P麗控制器23中PWM控制電路UC2842 的補償管腳電壓被拉低至IV以下，PWM控制器23關斷。5V輸出電源接入反饋電 路22，反饋電路22是帶穩(wěn)壓管TW31的的精密光耦合器反饋電路，以保證5V 的穩(wěn)定精度。士15V與24V配有帶穩(wěn)壓管TL431的電壓自調節(jié)電路，以控制輸出 電壓偏差。24V輸出電源接入24V電源開關控制電路24， 24V電源開關控制電路 24由柵源電壓可控制開合的功率開關管構成。開機時序控制器4的輸出端接入 24V電源開關控制電路24中功率開關管的一個柵源控制光耦合器，關機時序控 制器5的兩個輸出端接入24V電源開關控制電路24中功率開關管的另一個柵源 控制光耦合器，實現(xiàn)對24V輸出電源的控制。
3) 電源輸出異常保護模塊
圖4中，5V電源監(jiān)視器31、 15V電源監(jiān)視器32以及24V電源監(jiān)視器33的 輸出端接入電源異?？刂破?4，電源異?？刂破?4的輸出接入PWM控制器23。 5V電源監(jiān)視器31中，輸出電壓處于正常允許范圍時，穩(wěn)壓管TL431 二極管D5 關斷，二極管D6導通，光耦合器U4導通。輸出過壓時，穩(wěn)壓管TL431 二極管 D5導通，二極管D6關斷，光耦合器U4關斷，過壓門檻值由電阻R67、電阻R47 設定。輸出欠壓時，穩(wěn)壓管;TL431 二極管D5、 二極管D6以及光耦合器U4都關 斷，欠壓門檻值由電阻R68、電阻R49設定。15V電源監(jiān)視器32、 24V電源監(jiān)視 器33的原理與5V電源監(jiān)視器31相同。電壓監(jiān)視器的輸出結果體現(xiàn)在光耦合器 的對應狀態(tài)，光耦合器導通時表示電壓處于正常允許范圍內，光耦關斷時表示電 壓異常。三路輸出電壓都處于正常時，三個輸出光耦都導通，電源異?？刂破?34中三極管Q12基極電壓低于導通門檻值，三極管截止，PWM控制器23中的PWM 控制電路UC2842正常工作。當三路輸出電壓中任一路發(fā)生異常時，三極管Q12 由PWM控制電路UC2842的參考輸出管腳獲得基極電壓，三極管飽和導通，PWM 控制電路UC2842的補償管腳電壓被拉低至IV以下，PWM控制電路23關斷，電 源進入"打嗝"保護狀態(tài)直至異常情況消失。電源異?？刂破?4中電阻R70與 電容C49實現(xiàn)上電短暫充電延時，充電延遲時間需大于電源啟動時間。
輸出短路時，輸出電流驟升，電壓驟降，引發(fā)輸出欠壓保護，間接實現(xiàn)短路 保護功能。
4) 開機時序控制器
圖5中，TL431 U7的陰極管腳1與電阻R53、 R54的一端相連，參考管腳3 與電阻R80電容C51的一端相連，陽極管腳2接5V地。電阻R80、 R53的另一端 連到+5V輸出，電容C51的另一端接5V地。電阻R54的另一端連接到24V電源 開關控制電路24中光耦Ul的發(fā)光二極管負端。
圖5中5V輸出通過電阻R80對電容C51充電，當電容C51的電壓達到2. 5V 時，穩(wěn)壓管TL431U7導通，控制24V電源開關控制電路24中光耦合器U1導通， 24V電源開關控制電路24中的開關管Q1獲取柵極電壓，Q1導通，提供24V輸出。 24V相對5V輸出的延時時間由電阻R80和電容C51形成的充電時間常數(shù)決定， 調整兩者參數(shù)可靈活調節(jié)延時時間大小。
5) 關機時序控制器
圖6中，二極管DIO、 Dll、 D12、 D28組成整流橋，其一個輸入端通過電阻
R78連接到電源主電路2中整流橋BR1的輸入管腳1，另一個輸入端連接到電源 主電路2中整流橋BR1的輸入管腳3。整流橋的輸出端并接電容C50，其一個輸 出端通過電阻R79連接到24V電源開關控制電路24中光耦合器U2的發(fā)光二極管 正端，另一個輸出端連接到24V電源開關控制電路24中光耦合器U2的發(fā)光二極 管負端。
圖6中整流濾波完成了對電源交流供電信息的采樣，電阻R78、電阻R79用 于控制該采樣電路的輸出電壓大小值。正常供電時，該電路保持輸出，控制24V 電源開關控制電路24中光耦合器U2導通。失電時，電容C50迅速放電完畢，控 制24V電源開關控制電路24中光耦合器U2關斷，24V電源開關控制電路24中 開關管Q1失去柵極電壓，開關管Q1關斷，切斷24V輸出。電阻R78、電阻R79， 電容C50的參數(shù)要合適選取，以滿足正常供電時采樣電路保持一定電壓輸出，失 電時采樣電路電壓輸出快速消逝。
權利要求
1.一種數(shù)字繼電保護用開關電源，由輸入電路(1)、電源主電路(2)、電源輸出異常保護模塊(3)、開機時序控制器(4)、關機時序控制器(5)組成，其特征是輸入電路(1)的輸出端與關機時序控制器(5)、電源主電路(2)連接，關機時序控制器(5)的輸出端接電源主電路(2)中的24V電源開關控制電路(24)，電源主電路(2)中的5V、15V、24V三路輸出電源對應連接到電源輸出異常保護模塊(3)中的5V電源監(jiān)視器(31)、15V電源監(jiān)視器(32)、24V電源監(jiān)視器(33)的輸入端，5V電源監(jiān)視器(31)、15V電源監(jiān)視器(32)、24V電源監(jiān)視器(33)的輸出端分別接電源異?？刂破?34)的輸入端，電源異常控制器(34)的輸出端接電源主電路(2)中的PWM控制器(23)；開機時序控制器(4)的輸入端接5V輸出電源，輸出端接電源主電路(2)中的24V電源開關控制電路(24)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字繼電保護用開關電源，其特征是電源主電路 (2)中的24V電源開關控制電路(24)由柵源電壓可控制開合的功率開關管構成， 開機時序控制器(4)是一個充電延時控制電路，其輸出端接入24V電源開關控制 電路(24)中功率開關管"Q1"的第一柵源控制光耦合器"Ul ";關機時序控制 器(5)是電源主電路(2)交流輸入端失電快速釆樣電路，其兩個輸出端"off—A、 off一K "接入24V電源開關控制電路(24)中功率開關管"Q1"的第二柵源控制 光耦合器"U2 "。
全文摘要
數(shù)字繼電保護用開關電源是一種滿足數(shù)字繼電保護裝置對電源的特殊技術指標要求的開關電源，由輸入電路(1)、電源主電路(2)、電源輸出異常保護模塊(3)、開機時序控制器(4)、關機時序控制器(5)組成，電源5V、±15V、24V三路輸出分別配有電壓監(jiān)視電路，聯(lián)合控制電源脈寬調制芯片，實現(xiàn)輸出過欠壓保護。輸出發(fā)生短路時會引起電壓驟降，通過輸出欠壓保護電路間接實現(xiàn)短路保護。電源開機時，5V通過控制電路延時開通24V輸出，實現(xiàn)啟動建立5V先于24V，電源關機時，失電采樣電路快速切斷24V輸出，5V輸出由輸入濾波大電容繼續(xù)維持一段時間，實現(xiàn)關機保持5V晚于24V。
文檔編號H02H1/06GK101159372SQ20071013140
公開日2008年4月9日 申請日期2007年8月28日 優(yōu)先權日2007年8月28日
發(fā)明者吳在軍, 張如瑤, 杜炎森, 秦申蓓, 竇曉波, 胡敏強, 趙上林, 鄭建勇 申請人:東南大學