CN101673967A - 电路断路器闭合致动器和操作方法 - Google Patents

电路断路器闭合致动器和操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明名称为“电路断路器闭合致动器和操作方法”。提供一种电路断路器闭合致动器和一种操作方法。闭合致动器(72)设置成从跳闸单元(48)传送和接收信号(94)。跳闸单元(46)包括从远程位置传送和接收数据和信号的通信。跳闸单元(46)响应从远程位置接收闭合信号而将信号(94)传送到闭合致动器(72)。闭合致动器(72)验证信号(94)，并且如果信号(94)通过验证，则激活驱动电路(86)。驱动电路(86)允许电力到螺线管(68)，螺线管(68)将电路断路器闭合。

Description

电路断路器闭合致动器和操作方法
技术领域
本发明涉及一种电路断路器，以及具体来说涉及能够从远程位置闭合的电路断路器。
背景技术
电路断路器是安装来用于控制从电源到电子电路的电流的流动的配电装置。电路断路器常常设置成检测电子电路中的非期望状况，例如短路或上升的电流电平。在检测到非期望状况的事件中，电路断路器跳闸或暂停电子电流的流动，以防止该非期望的状况损坏电子电路的接线。
在纠正了非期望状况之后，操作员或电气工人需要走到跳闸的每个电路断路器并手动复位电路断路器，以允许电流再一次流到电子电路中。电路断路器通常包括含有用于将电路断路器闭合的弹簧的机械装置。根据涉及的电路断路器的类型，该机械装置可以通过杠杆或通过对闭合弹簧充电随后由激活按钮释放来激活。
在大设施中，例如加工厂中，可能有许多需要复位的电路断路器。这些电路断路器还可能分布在广阔的区域上。因此，将电路断路器复位的过程可能花费长时间周期，因为电气工人要到达每个电路断路器所在地并执行必要的复位动作。为了解决此问题，提出了允许远程操作电路断路器的附件。这些附件具有与电路断路器分离的控制功能，这需要在电路断路器与控制中心之间安装附加的通信管道。这种对分离的通信管道的需求往往使得远程操作附件的安装复杂且成本高昂。当已经安装了电路断路器之后再安装附件时，这种情况尤其如此。
因此，虽然目前的电路断路器对于它们预设的目的来说是适合的，但是在本领域中存在对于一种电路断路器的需求，其可以容易地连接到远程站点而无需分离的通信管道。
发明内容
提供一种电路断路器，其具有带有外部通信装置的跳闸单元。该跳闸单元包括第一处理器，第一处理器响应可执行计算机指令在第一处理器上执行时，用于生成生成第一信号，以响应外部通信装置接收到第二信号。机械装置以可操作方式耦合到跳闸单元。螺线管以可操作方式耦合到该机械装置。控制器电耦合于跳闸单元与螺线管之间，该控制器包括第二处理器，第二处理器响应可执行计算机指令在第二处理器上执行时，用于启用到螺线管的电流，以响应从所述跳闸单元接收到第一信号。
还提供一种远程命令的电路断路器闭合致动器(closingactuator)，该闭合致动器用于与具有跳闸单元的电路断路器一起使用，跳闸单元配置成与外部装置通信。该闭合致动器包括螺线管。电源电路电耦合到螺线管。控制器电耦合到螺线管。远程命令电路电耦合于跳闸单元与控制器之间。驱动器电路电耦合于控制器与螺线管之间。控制器还包括处理器，该处理器响应可执行计算机指令在该处理器上执行时，用于以驱动器电路启用到螺线管的电流并且闭合电路断路器，以响应从远程命令电路接收到第一信号。
还提供一种远程操作电路断路器的方法。该方法包括从远程站点传送第一信号的步骤。在跳闸单元中接收第一信号。将第二信号传送到闭合致动器。确定第二信号是否满足第一阈值和第二阈值。如果第二信号满足第一阈值和第二阈值，则激活MOSFET装置。响应MOSFET装置被激活，将电流提供到螺线管。
附图说明
当参考附图阅读下文的详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在所有这些附图中相似符号表示相似的部分，其中：
图1是具有电路断路器的电子电路的示意图，其具有根据示范实施例的远程操作的闭合致动器；
图2是图1的远程操作的闭合致动器的框图。
图3是根据示范实施例远程操作电路断路器的方法的流程图；以及
图4是远程操作电路断路器的另一种方法的流程图。
具体实施方式
电子系统通常结合了多种配电和控制装置，这些装置允许电子电路的有效力且有效率的操作。图1示出具有电源22的示范电子电路20，该电源22将三相电力A、B、C提供到由信号可控制的电路断路器30保护的三个相应的总线24、26、28。功率经由这些总线提供到一个或多个负载32。
电路断路器30一般设置成在异常操作状况(例如短路)下打开或“跳闸”。在清除或纠正异常状况之后，将电路断路器30复位，并且电流再一次流到负载32。正如下文将更详细论述的，可以使用命令操作的闭合线圈闭合致动器34来允许操作员从远程位置将电路断路器30重新闭合，以避免派遣专人到该电路断路器所在位置。
电路断路器30还包括一个或多个接触臂36，这些接触臂36设置成在闭合状态与打开状态之间移动，在闭合状态中电流从电源22流到负载32，而在打开状态中，电源的电流被中断。接触臂36电耦合到输入端子38，输入端子38将电路断路器30电连接到电源22。接触臂36还耦合到机械装置40，机械装置40包括例如弹簧和连杆(linkage)等组件以在操作员通过例如打开按钮或手柄42来激活时将接触臂36从闭合移到打开位置。机械装置40还可以包括闭合闩锁(closing latch)(未示出)，该闭合闩锁允许对闭合弹簧(未示出)放电以允许接触臂36闭合，正如本领域中所公知的。该机械装置还使用跳闸杆(trip bar)部件44，跳闸杆部件44允许接触臂36在异常操作状况的事件中快速打开。输出端子50将电路断路器30耦合到总线24、26、28。
机械装置40还耦合到跳闸单元46。跳闸单元46可以是电子的，其具有含执行用于控制电路断路器30的操作的计算机指令的处理器的控制器。跳闸单元46还可以是机械部件，其结合了例如磁铁或热响应装置的在异常操作状况的事件中激活跳闸杆部件44的组件。在跳闸单元46是电子单元的情况中，与输出端子50邻接设置一组电流互感器48以提供指示通过电路断路器30流入总线24、26、28的电流电平的信号。
跳闸单元46还包括通信电路或装置52。通信装置52将跳闸单元46连接到通信管道54。通信管道54提供用于在电路断路器30与远程站点56之间传递的信号和数据的连接。此类数据和信号可以包括，例如但不限于，电路断路器状态、测量的电气特性和错误码等信息。通信管道54可以是任何适合的通信，包括但不限于有线、无线、无线电和光信号传输系统。通信装置52配置成使用例如TCP/IP(传输控制/因特网协议)、以太网、IEEE 802.11、RS-232、ModBus等的公知计算机通信协议来与远程站点56通信。
闭合致动器34耦合到跳闸单元46和机械装置40。在示范的实施例中，闭合致动器34通过允许信号传输的一对管道58耦合到跳闸单元46。控制器60接收这些信号，控制器60具有响应可执行计算机指令的处理器。在一个实施例中，处理器执行由方法62表示的计算机指令。在框64中，方法62查询从跳闸单元46接收的信号。如果从跳闸单元46接收的信号的频率和电压满足某些阈值，则方法进行到框66，其中将电路断路器30闭合。在该示范实施例中，通过激励螺线管68将电路断路器闭合。螺线管68激活结构40中的闭合闩锁，其释放闭合弹簧中存储的能量，并使得接触臂36闭合，由此，电流将再一次流到负载32。如果信号不满足期望的阈值，则在框69中，方法62忽略该信号并等待新的信号。
现在转到图2，示出闭合致动器34的另一个实施例。该闭合致动器34包括微控制器70。微控制器70是能够接受数据和指令、执行这些指令以处理数据并呈示结果的适合电子装置。微控制器70可以通过用户接口或通过其它方式来接受指令，例如但不限于电子数据卡、语音激活方式、手动可操作的选择和控制方式、辐射波长和电子或电气传输。因此，微控制器70可以是但不限于微处理器、微计算机、小型计算机、光计算机、插件式计算机、复杂指令集计算机、ASIC(专用集成电路)、精简指令集计算机、模拟计算机、数字计算机、固态计算机、单板计算机或任何前述项目的混合。
微控制器70设置成从以可操作方式耦合到闭合致动器34的电路和装置接收多个输入以及向其传送多个输出。微控制器70包括以应用代码实施的操作控制方法，例如图3和图4所示的方法，这些方法利用所述多个输入以确定适合的响应或动作。然后将这些响应传送到连接的电路以实现期望的结果。这些方法以计算机指令来实施，这些计算机指令编写成由处理器来执行，通常采用软件形式。软件可以采用任何语言来编码，包括但不限于，汇编语言、VHDL(Verilog硬件描述语言)、VHSIC HDL(超高速IC硬件描述语言)、Fortran(公式翻译)、C、C++、Visual C++、Java、ALGOL(算法语言)、BASIC(初学者全能符号指令代码)、visual BASIC、ActiveX、HTML(超文本标记语言)和前述语言的至少一种的派生或任何组合。此外，操作员可以使用例如电子表格或数据库的现有软件应用，并将多个单元格(cell)与算法中枚举的变量关联。而且，该软件可以是独立于其它软件或依赖于其它软件，例如采用集成软件的形式。
闭合致动器34包括用于执行微控制器70的指令的多个电路和装置。例如，供电电路72从外部电源接收高电压电力。供电电路72包括若干子电路，例如但不限于输入滤波器74、整流器电路76和电压传感器78。供电电路72调节接收的高电压电力以及调节该电力以供螺线管68使用。电压传感器78监视整流器电路76输出的电压，并输出表示此电压的信号80，然后该信号80成为到微控制器70的输入。整流器电路76还包括第二输出82，第二输出82将高电压电力传输到内部电源84。电源84还调节电力并将电力分配到闭合致动器34的子电路和微控制器70。
驱动器电路86执行到螺线管68的电流的控制。在该示范实施例中，驱动器电路86是能够控制高电平电力流的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。正如下文将更详细论述的，驱动器电路86响应来自微控制器70的信号88来启动和暂停到螺线管68的电力流。如上文论述，当驱动器电路86启动到螺线管68的电力流时，螺线管68啮合闭合闩锁，这使得来自闭合弹簧的能量释放，从而使得电路断路器接触臂36的闭合。
远程命令电路90提供微控制器70与跳闸单元46之间的接口。远程命令电路90包括来自电源电路84的第一输入92和来自跳闸单元46的第二输入94。第一输入是3.3V信号，用于启用远程命令电路90的组件，例如光耦合器集成电路。第二输入94提供跳闸单元46与远程命令电路90之间的通信管道。响应从远程站点56接收到将电路断路器30闭合的命令，跳闸单元46经由输入94以期望的电压和频率将闭合命令信号传送到远程命令电路90。在该示范实施例中，闭合命令信号是5伏特1000赫兹的信号。信号的频率选取成避免与周围环境的干扰。电压可以基于远程命令电路内使用的所选组件来选取，例如光耦合器的驱动电压。
远程命令电路从跳闸单元46接收信号94，并对照期望的闭合命令参数验证信号94。如果信号94与期望的参数匹配，例如5V，1000赫兹，则远程命令电路90将信号96传送到微控制器70。正如下文将论述的，微控制器70响应信号96执行导致螺线管68的激活和电路断路器的闭合的操作方法。
在一个实施例中，闭合致动器34还包括本地命令电路98，本地命令电路98使微控制器70与电路断路器用户接口(例如按钮42)实现接口。与远程命令电路90相似，本地命令电路98包括均电耦合到按钮42的第一输入100和第二输入102。响应操作员激活按钮42，经由第二输入102传送NO(正常打开)至NC(正常闭合)形式的闭合信号。一旦本地命令电路98经由按钮42接收到NC信号，本地命令电路98将信号104传送到微控制器70。如上所述，微控制器70响应信号104执行导致螺线管68的激活和电路断路器30的闭合的操作方法。应该认识到本地命令信号功能提供控制电路断路器的闭合的附加优点。例如，可以将附加的逻辑或测试结合在微控制器70中以便在某些情况下仅允许通过按钮42进行电路断路器30的闭合。在一个实施例中，仅当从远程站点56和按钮42接收到命令信号时，微控制器70才激活驱动电路86以激励螺线管68。
闭合致动器34可以包括用于提供期望的功能性的附加电路。例如，闭合致动器34可以包括低电压保护(brownout protection)电路106。低电压保护电路106监视电源84输出的电压。在电压落在期望的阈值(例如2.7V)以下的事件中，将复位信号108传送到微控制器70。复位信号108使得微控制器70复位和重新启动操作。应该认识到，在不背离要求权利的本发明的范围的前提下，闭合致动器34可以包括一个或多个此类电路。
微控制器70执行以应用代码实施的操作控制方法110，如图3所示。方法110开始于框112，并且例如当接收到5伏、1000赫兹的信号94时，在询问框114中确定是否已接收到远程命令信号。如果询问框114返回否定，则方法110进行到询问框116，并确定是否已接收到本地命令信号，例如NC(正常闭合)信号104。如果询问框116返回否定，则该方法110循环回到开始框112。
如果询问框114或询问框116返回肯定，这意味着已接收到远程命令信号或本地命令信号，则方法110进行到询问框118，其中确定是否有足够可用的电压来操作螺线管68。例如，该可用电压由传感器78来测量。如果没有足够的电压，则方法110循环回到开始操作112，并重复方法110的先前步骤。当询问框118返回肯定时，方法110移到定时器框122，其中启动定时器。在该示范实施例中，定时器设置为100毫秒。然后在框124中激活MOSFET驱动电路86。这导致螺线管68被激励，这使得电路断路器30使机械装置释放闭合弹簧，从而引起接触臂36的闭合。
询问框126执行检查以查看定时器是否期满。如果询问框126返回否定，则方法110循环回到框124，并将MOSFET驱动电路86保持在激活状态(例如，螺线管68被激励)。当询问框126返回肯定时，例如100毫秒之后，方法110进行到减活框(deactivate block)128，其中对MOSFET驱动电路86和螺线管68解除激励。
方法110然后进行到询问框129，其中确定是否仍存在远程命令信号或本地命令信号。如果询问框129返回肯定，意味着仍在接收本地或远程命令，则方法110循环回到询问框129的输入。询问框129防止电路断路器反复地重新闭合导致错误，并因此对每个命令信号仅允许一次重新闭合。一旦命令信号停止，则方法110循环回到开始框112并再次开始该过程。
图4中示出远程操作电路断路器的另一个方法。在此实施例中，方法130开始于开始框132。根据将电路断路器闭合的命令是否由例如远程站点56的远程位置处的操作员发出(如框134所示)，或该命令是否由操作员使用电路断路器用户接口(例如通过按钮42)在本地发出以将接触臂闭合(如框136所示)，该过程分支成两个并行过程。如果命令是本地的，则方法130进行到框138，其中将信号传送到闭合致动器34。
如果闭合信号是从远程位置传送的(框134)，则方法130进行到框140，其中跳闸单元46接收闭合信号。在框142中，跳闸单元46接收闭合信号，并将闭合命令信号传递到闭合致动器34。一旦在框138或框142中将闭合命令信号传送到闭合致动器34，则方法130进行到询问框144。询问框144确定闭合致动器34接收的信号是否有效。在该示范实施例中，询问框144验证闭合命令信号的电压和频率以确定这些参数是否与那些期望的电压和频率匹配。如果询问框144返回否定，这意味着这些参数与期望的参数不匹配，则该方法130循环回到开始框132。
如果闭合信号是有效的，则询问框144返回肯定并进行到框146，其中激活驱动电路，例如MOSFET驱动电路38。在框148中，驱动电路的激活使得螺线管被激励。在框150中，螺线管的激励释放电路断路器闭合闩锁，这允许闭合弹簧将接触臂36移到闭合位置。一旦电路断路器闭合，则方法130循环回到开始框132并再次开始该过程。
应该认识到，具有闭合致动器34的电路断路器30提供多个优点。闭合致动器34允许以最小成本在初始的电路断路器安装之后安装闭合致动器34，因为闭合致动器34使用电路断路器跳闸单元的通信能力以避免对分离的通信管道的需求。闭合致动器还允许由闭合致动器来执行将电路断路器闭合的功能，而非由内部电路断路器机械装置来执行，这允许更大程度的控制。
本发明的实施例可以采用计算机实现的过程以及用于实施这些过程的设备的形式来实施。本发明还可以采用计算机程序产品的形式来实施，该计算机程序产品具有收录在有形媒体中的包含指令的计算机程序代码，有形媒体诸如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器、USB(通用串行总线)驱动器、或任何其它计算机可读存储媒体，例如随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性存储器(NVM)或可擦除可编程只读存储器(EPROM)，例如其中当将计算机程序代码加载到计算机中并由计算机执行时，计算机成为用于实施本发明的设备。本发明还可以采用计算机程序代码的形式来实施，例如，无论是存储在存储媒体中、加载到计算机中和/或由计算机来执行或通过某种传输媒体来传送(例如通过电气接线或电缆敷设、通过光纤或经由电磁辐射来传送)，其中当计算机程序代码被加载到计算机中并由计算机执行时，计算机成为用于实施本发明的设备。当在通用微处理器上实现时，这些计算机程序代码段配置微处理器以创建特定的逻辑电路。可执行指令的技术效果是要允许从远离电路断路器的位置将电路断路器闭合。
虽然本发明是参考示范实施例来描述的，但是将理解，在不背离本发明范围的前提下可以进行多种更改以及以等效物替换其元件。此外，在不背离本发明实质范围的前提下，可以进行多种修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明并不旨在限制于作为为实现本发明而设想的最佳或唯一模式来公开的特定实施例，而是本发明将包含落在所附权利要求的范围内的所有实施例。同样，在附图和描述中，公开了本发明的示范实施例，虽然已采用特定的术语，但是除非另行指出，否则仅是在通用和说明性意义上而非出于限制的目的来使用它们，因此本发明的范围并不由此受限。而且，术语第一、第二等的使用不表示任何顺序或重要性，相反术语第一、第二等用于将元件彼此区分。此外，使用术语一个(a、an)等不表示数量的限制，而是表示所引用的项目存在至少一个。
各部分列表
  20   电子电路
  22   电源
  24   总线A
  26   总线B
  28   总线C
  30   电路断路器
  32   负载
  34   闭合致动器
  36   接触臂
  38   输入端子
  40   机械装置
  42   按钮
  44   跳闸杆部件
  46   跳闸单元
  48   电流互感器
  50   输出端子
  52   通信装置
  54   通信管道
  56   远程站点56
  58   管道对
  60   控制器
  62   方法
  64   询问框
  66   闭合电路断路器框
  68   螺线管
  69   忽略信号框
  70   微控制器
  72   供电电路
  74   输入滤波器
  76   整流器电路
  78   电压传感器
  80   电压信号
  82   整流器高电压输出
  84   电源电路
  86   驱动器电路
  88   信号(从微控制器到MOSFET驱动器)
  90   远程命令电路
  92   第一输入(远程命令电路)
  94   第二输入(远程命令电路)
  96   闭合信号(从远程命令电路到微控制器)
  98   本地命令电路
  100   第一输入
  102   第二输入
  104   闭合信号(从本地命令电路到微控制器)
  106   低电压保护电路
  108   复位信号
  110   方法
  112   开始框
  114   远程命令信号框
  116   本地命令信号框
  118   足够电压框
  120   等待直到足够电压框
  122   启动定时器框
  124   激活MOSFET框
  126   定时器期满询问框
  128   减活MOSFET框
  129   询问框(信号仍存在？)
  130   方法
  132   开始框
  134   从远程位置传送闭合信号框
  136   从本地用户接口传送闭合信号
  138   将信号传送到闭合致动器框
  140   接收闭合信号框
  142   将信号传送到闭合致动器框
  144   询问框(闭合信号有效)
  146   激活驱动电路
  148   激励螺线管
  150   将电路断路器闭合

Claims (10)

1.一种电路断路器(30)，包括：
跳闸单元(46)，具有外部通信装置(52)，所述跳闸单元包括第一处理器，所述第一处理器响应可执行计算机指令在所述第一处理器上执行时，用于生成第一信号(94)，以响应所述外部通信装置(52)接收到第二信号；
机械装置(40)，以可操作方式耦合到所述跳闸单元(46)；
螺线管(68)，以可操作方式耦合到所述机械装置(40)；以及
控制器(60)，电耦合于所述跳闸单元(46)与所述螺线管(68)之间，所述控制器(60)包括第二处理器，所述第二处理器响应可执行计算机指令在所述第二处理器上执行时，用于启用到所述螺线管(68)的电流，以响应从所述跳闸单元(46)接收到所述第一信号(94)。
2.如权利要求1所述的电路断路器(30)，其中所述第二处理器还响应可执行计算机指令在所述第二处理器上执行时，用于控制到所述螺线管(68)的所述电流，以响应接收到第三信号(102)。
3.如权利要求2所述的电路断路器(30)，还包括电耦合到所述控制器(60)的用户接口(42)，所述用户接口(42)响应用户激活所述用户接口(42)而生成所述第三信号。
4.如权利要求1所述的电路断路器(30)，其中所述控制器(60)还包括MOSFET驱动器电路(86)，所述MOSFET驱动器电路(86)电耦合于所述处理器与所述螺线管(68)之间，其中所述MOSFET驱动器电路(86)控制到所述螺线管(68)的电流。
5.如权利要求4所述的电路断路器(30)，其中
所述第二处理器响应从所述跳闸单元(46)接收到所述第一信号(94)而向所述MOSFET驱动器(86)传送第四信号(88)；以及
所述第一信号(94)包括电压电平参数和频率参数。
6.如权利要求5所述的电路断路器，其中所述第二处理器响应所述电压电平参数满足第一阈值以及所述频率参数满足第二阈值而传送所述第四信号(88)。
7.一种远程命令的电路断路器闭合致动器(34)，用于与具有跳闸单元(46)的电路断路器(30)一起使用，所述跳闸单元(46)配置成与外部装置(56)通信，所述闭合致动器(34)包括：
螺线管(68)；
电源电路(72)，电耦合到所述螺线管(68)；
控制器(70)，电耦合到所述螺线管(68)；
远程命令电路(90)，电耦合于所述跳闸单元(46)与所述控制器(70)之间；以及
驱动器电路(86)，电耦合于所述控制器(70)与所述螺线管(68)之间；
其中所述控制器(70)包括处理器，所述处理器响应可执行计算机指令在所述处理器上执行时，用于以所述驱动器电路(86)启用到所述螺线管(68)的电流，以响应从所述远程命令电路(90)接收到第一信号(94)。
8.如权利要求7所述的闭合致动器(34)，还包括电耦合到所述控制器(70)的本地命令电路(98)，其中所述处理器还响应可执行计算机指令在所述处理器上执行时，用于启用到所述螺线管(68)的电流，以响应从所述本地命令电路(98)接收到第二信号(102)。
9.如权利要求8所述的闭合致动器(34)，其中所述第二处理器用所述驱动器电路(86)启用到所述螺线管(68)的电流预定的时间量。
10.如权利要求9所述的闭合致动器(34)，其中
所述远程命令电路(90)响应从所述跳闸单元(46)接收到命令信号(94)而向所述控制器(70)传送第三信号(96)；以及
所述命令信号(94)包括电压电平参数和频率参数，以及其中所述远程命令电路(90)响应所述电压电平参数满足第一阈值以及所述频率参数满足第二阈值而传送所述第三信号(96)。
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