CN101924344A - 一种多功能控制与保护开关电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能控制与保护开关电器，包括含主电路、控制电磁铁、脱扣电磁铁和操作机构的动力模块，所述操作机构通过机械控制触头通断控制电磁铁的电源回路，所述操作机构与信报触头模块和脱扣电磁铁机械关联，所述操作机构通过传动机构实现主电路的分断与闭合；含脱扣电磁铁驱动电路、电流传感器和信号处理控制单元的保护模块；以及分别提供电源给控制电磁铁驱动电路、脱扣电磁铁驱动电路和信号处理控制单元的电源模块。本发明提供的多功能控制与保护开关电器，通过采用一体式模块化的结构设计，提供兼具接触器的控制功能、断路器的短路分断功能以及过载继电器的过载保护功能的开关电器。

Description

一种多功能控制与保护开关电器

技术领域

本发明涉及一种控制与保护开关电器，尤其涉及一种多功能控制与保护开关电器，属于低压电器技术领域。

背景技术

一般的低压电器构成的电气系统主要有两种方式：一种是由分别实现保护作用（配电电器，主要为断路器）与控制作用（控制电器，主要为接触器和热继电器或电动机保护器）的分立式的开关电器构成，各自独立安装，两种电器串联，连接在电源和负载之间(如图1 a所示)。配电电器的操作机构接受检测单元的故障信号而脱扣并分断配电电器的主电路，控制电器的控制电路接受人为的或自动的控制信号而操作电磁系统并接通或分断控制电器的主电路。

另一种是由同时带有控制与保护作用的集成化的多功能电器即控制与保护开关电器（简称为CPS）构成，其结构构成一般为模块化的一体化安装方式，接在电源和负载之间。其保护装置分为电磁式保护装置、电子式保护装置两种形式。

其中，对于完全由电磁式保护装置构成的CPS（如图1 b所示），其操作机构可接受一般故障（除短路以外的故障，如过载、断相等故障）检测单元的故障信号实现分断电路并（或）报警，同时，CPS的操作机构可对串连在控制电源和控制电路中的一对机械控制触头进行人为操作。受控于操作机构的机械控制触头可接受人为的或自动的控制信号，通过控制电路操作电磁系统，实现接通或分断CPS的主电路。这种CPS还同时带有短路保护脱扣系统（即短路故障检测单元和高速电磁系统），短路故障发生时通过机械方式直接作用于主电路。

对于由电子式保护装置构成的CPS，按保护装置是否作用于脱扣机构又有两种不同的方案。

一种是保护装置由独立的一般故障检测单元和短路故障检测单元组成，一般故障不通过机械方式直接作用于操作机构（如图1 c所示），而对与控制电路串联的一对机械控制触头（如图1 c中的机械控制触头2）进行操作，通过控制机械控制触头2的分与合，实现通过控制电路操作电磁系统的分与合；通过短路保护脱扣系统（即短路故障检测单元和高速电磁系统）实现短路故障保护，短路保护的方式是通过机械方式直接作用于主电路。

另一种是保护装置由单一的故障检测处理单元组成（如图1d所示），一般故障和短路故障均由该单一故障检测处理单元进行检测和处理，不同故障发生时，处理单元通过脱扣控制触点和通断控制触点对脱扣电磁铁和控制电路的控制进行故障保护，并通过脱扣电磁铁和电磁系统的动作先后次序对一般故障和短路故障进行区分。

专利文献ZL 00813988.1中提及的接触器-断路器，属于保护装置由单一的故障检测处理单元组成的CPS（图1d所示类型，其结构示意图见文献ZL 00813988.1中图1，以下描述中所述的相关序号为该文献图1中相关序号），但存在以下问题：

虽解决了接触器模式下的可靠工作与断路器模式下的高断路速度的协调问题，但其机械和电气的布局使得触头灭弧系统难以居中对称布局，即电源端与负载端侧的灭弧室空间不相等，无法最大程度的利用灭弧室内部的有效空间缩小外部的飞弧距离，使用时需要更大的空间并可能带来安全隐患。保护和控制装置一方面通过线夹或插头与主电路连接，一方面进行电压转换，前者的接触电阻和后者的AC/DC转换均会产生较大的发热，导致发热相对集中，不利于电子元器件的正常。工作电磁铁缺少状态反馈环节，降低了使用的可靠性。作为接触器功能使用时，当外部控制电源频繁通断时，由于保护装置和控制装置的电源同时被频繁通断，可能会导致部分电子元器件的寿命降低。

因此，有必要提供新的一体式模块化的多功能控制与保护开关电器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多功能控制与保护开关电器，兼具接触器的控制功能、断路器的短路分断功能以及过载继电器的过载保护功能。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种多功能控制与保护开关电器，包括动力模块，所述动力模块包括主电路、控制电磁铁、脱扣电磁铁和操作机构，所述操作机构通过机械控制触头通断控制电磁铁的供电回路，所述操作机构与信报触头模块和脱扣电磁铁机械关联，所述操作机构通过传动机构实现主电路的分断与闭合；保护模块，所述保护模块包括脱扣电磁铁驱动电路和电流传感器；所述电流传感器的一次回路通过线夹或插头与主电路连接，电流传感器的二次回路的感应信号和信号处理控制单元相连，从而实现对主电路电流的检测和判断；电源模块，所述电源模块包括电源转换电路，分别提供电源给控制电磁铁驱动电路、脱扣电磁铁驱动电路和信号处理控制单元。

上述的多功能控制与保护开关电器，其中，所述动力模块包括有反馈触头模块，所述反馈触头模块的触头支持与传动机构关联，检测判断控制电磁铁是否按照要求正常闭合或断开，反馈触头模块的输出端和信号处理控制单元相连，若控制电磁铁未正常动作，则信号处理控制单元会发出报警信号或通过脱扣电磁铁驱动电路使得脱扣器脱扣分断主电路。

上述的多功能控制与保护开关电器，其中，所述信号处理控制单元包括短路检测电路，当主电路出现短路故障后，所述短路检测电路直接发出命令触发脱扣电磁铁驱动电路分断主电路；当出现一般故障时，所述信号处理控制单元通过软件分析发出命令触发脱扣电磁铁驱动电路分断主电路。

上述的多功能控制与保护开关电器，其中，所述主电路包含动触头和静触头用于接通和分断主电路，所述动触头、静触头和灭弧室相连，所述灭弧室用于快速熄灭接通和分断瞬间在动、静触头间产生的电弧；静触头通过导电板分别连接到电源端和负载端，负载端设有断点，该断点通过线夹或插头与电流传感器连接，动触头布局在桥形触头上，桥形触头的一端和弹簧相连，另一端通过触头支持和传动机构相连。

上述的多功能控制与保护开关电器，其中，所述操作机构和控制电磁铁位于开关电器的中间位置，所述保护模块位于开关电器的负载端一侧，所述电源模块位于开关电器的电源端一侧。

上述的多功能控制与保护开关电器，其中，所述控制电磁铁驱动电路的电源输入端设置有机械控制触点，所述机械控制触点通过辅助按钮、旋钮和电源相连，使得所述控制电磁铁的电源与保护模块的电源分离。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的多功能控制与保护开关电器，通过采用一体式模块化的结构设计，提供兼具接触器的控制功能、断路器的短路分断功能以及过载继电器的过载保护功能的开关电器。此外，本发明通过设置反馈触头，用于判断控制电磁铁是否按照要求正常闭合或断开，提高控制的可靠性。

 

附图说明

图1a为现有的由分立的开关电器组成的电气系统示意图；

图1b为现有的由电磁式保护装置构成的集成化控制与保护开关电器组成的电气系统示意图；

图1c为现有的由电子式保护装置构成的集成化控制与保护开关电器组成的电气系统示意图；

图1d为现有的由单一故障检测处理单元构成的控制与保护开关电器组成的电气系统示意图；

图2为本发明多功能控制与保护开关电器结构示意图；

图3为本发明控制电磁铁处于闭合位置时的结构示意图；

图4为本发明的短路检测电路原理图；

图5为本发明带辅助触头和按钮的多功能控制与保护开关电器结构示意图。

图中：

1 动力模块            2 电源模块            3 保护模块

12 控制电磁铁         13 脱扣电磁铁         14 操作机构

15 传动机构           15a 直接与控制电磁体关联的传动机构部分

15b 直接与操作机构关联的传动机构部分        16 信报触头模块

17 辅助触头模块       18 反馈触头模块        21 电源转换电路

22 机械控制触头       23 控制电磁铁驱动电路 31 脱扣电磁铁驱动电路

32 电流传感器         33 信号处理控制单元    33a 短路检测电路

101 动触头            102 静触头          103 桥形触头

104 导电板            105 弹簧              106 触头支持

107 反馈触头模块的触头支持     108 第二弹簧      109 灭弧室

110 第二辅助触头              111辅助按钮      112 旋钮（或按钮）

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图2为本发明多功能控制与保护开关电器结构示意图。

请参见图2，本发明提供的多功能控制与保护开关电器包括动力模块1，所述动力模块包括主电路、控制电磁铁12、脱扣电磁铁13和操作机构14，所述操作机构14通过机械控制触头22通断控制电磁铁12的电源回路，所述操作机构14与信报触头模块16和脱扣电磁铁13机械关联，所述操作机构14通过传动机构15实现主电路的分断与闭合；

保护模块3，所述保护模块包括信号处理控制单元33、脱扣电磁铁驱动电路31和电流传感器32；所述电流传感器32的一次回路通过线夹或插头与主电路连接，电流传感器的二次回路的感应信号和信号处理控制单元33相连，从而实现对主电路电流的检测和判断；

电源模块2，所述电源模块包括电源转换电路21，分别提供电源给控制电磁铁驱动电路23、脱扣电磁铁驱动电路31和信号处理控制单元33。

本发明提供的一体式模块化的多功能控制与保护开关电器包括动力模块1、 保护模块3、电源模块2三部分，各模块在机械、电气方面相互关联、协调配合，可提供兼具接触器的控制功能、断路器的短路分断功能以及过载继电器的过载保护功能的开关电器。

为了增加反馈控制功能，动力模块1可以包括有反馈触头模块18。请参见图3，传动机构15一般包括两部分，分别是直接与控制电磁铁关联的传动机构15a以及直接与操作机构关联的传动机构15b。所述反馈触头模块18的触头支持107与传动机构15关联，可检测判断控制电磁铁12是否按照要求正常闭合或断开，反馈触头模块18的输出端与信号处理控制单元33电气连接，若控制电磁铁12未正常动作，则信号处理控制单元33会发出报警信号或通过脱扣电磁铁驱动电路31使得脱扣电磁铁13脱扣分断主电路。辅助触头模块17的工作原理和方式与反馈触头模块18相同，在此不再一一详述。

为了能够快速输出控制和保护信号，信号处理控制单元33可以包括短路检测电路33a，当主电路出现短路故障后，所述短路检测电路33a直接发出命令触发脱扣电磁铁驱动电路31分断主电路；当出现一般故障时，所述信号处理控制单元33通过软件分析发出命令触发脱扣电磁铁驱动电路31分断主电路。

请继续参见图4，本发明用于检测短路电流的短路检测电路33a组成如下，电压比较器U3D根据参考电压VR＋，判定输入信号IA1最大值超出阈值与否，若超出则输出脱扣信号反之则不输出，电压比较器U3C根据参考电压VR-，判定输入信号IA1最小值超出阈值与否，若超出则输出脱扣信号反之则不输出，电压比较器U3A、U4A原理同电压比较器U3D，电压比较器U3B、U4B原理同电压比较器U3C。电压比较器U3A、U3B、U3C、U3D、U4A、U4B输出并联，当有1个或以上电压比较器输出脱扣信号则此短路检测电路33a输出短路脱扣信号。

下面接着详细介绍各其它主要单元模块的构成:

1）主电路的构成

控制与保护开关电器的动触头101和静触头102用于接通和分断主电路，灭弧室109用于快速熄灭接通和分断瞬间在动、静触头间产生的电弧。静触头102通过导电板104分别连接到电源端和负载端，负载端一侧设有断点，该断点通过线夹或插头与电流传感器32连接，动触头101布局在桥形触头103上，桥形触头103受到弹簧105的作用力使得动静触头闭合，同时传动机构15施加作用力在触头支持106上时，桥形触头103会带着动触头101发生位置的变化，当传动机构15施加的作用力大于弹簧105的作用力时，动静触头断开；当传动机构15不对触头支持106施加作用力时，动静触头在弹簧105的作用下闭合。

动静触头闭合时，控制与保护开关电器内部的电流流向为：从电源端流经动静触头、线夹或插头、电流传感器到达负载端。

为了减少发热，所述操作机构14和控制电磁铁12最好位于开关电器的中间位置，所述保护模块3位于开关电器的负载端一侧（后部），所述电源模块2位于开关电器的电源端一侧（前部）。由于电源模块2与保护模块3均匀地分布在产品的前后部，使得操作机构14和控制电磁铁12能够较为居中地布局在产品长度方向，因此产品的触头可以在产品长度方向居中，即灭弧室109居中对称，可以有效地利用产品内部的灭弧空间缩小外部的飞弧距离。此外，由于电源模块2与保护模块3分别位于产品的前部与后部，使得保护模块中连接主电路的线夹或插头与电源模块中电源转换电路21中的AC/DC转换电路部分距离较远，即将线夹或插头这一发热源与AC/DC转换电路部分这一发热源有效隔离，使产品内部的发热源均匀分布提高了散热效率和效果，有利于电子元器件等安全、可靠地工作。

2）接触器控制功能的实现

与接触器类似，控制与保护开关电器具有控制电磁铁及其传动机构和用于指示主触头状态的辅助触头。

当外部控制电源Us满足额定值要求时，电源转换电路21将Us通过AC/DC变换，将Us至少转换为3路电源，分别提供给控制电磁铁驱动电路23、信号处理控制单元33和脱扣电磁铁驱动电路31。

控制电磁铁12的线圈得电后（此时机械控制触头22处于闭合位置，操作机构未施加作用力于传动机构 15b上，传动机构 15b仅受到第二弹簧108的作用，与触头支持106分离不会向触头支持106施加作用力），动静铁芯吸合，传动机构15a通过传动机构15b接受第二弹簧108的作用，也不会向触头支持106施加作用力，即传动机构 15a与传动机构 15b均未施力在触头支持106上，则动静触头闭合。同时，辅助触头模块17的触头支持和反馈触头模块18的触头支持107均未受到传动机构 15b的作用，也均未受到传动机构 15a通过传动机构 15b传递的作用力，其内部的触头状态与常态相比发生了变化，如常闭触头转为断开，常开触头转为闭合（此处的常态与控制电磁铁断开位置相对应）。

控制电磁铁12的线圈失电后（可能是机械控制触头22断开或Us断电引起，此处仅说明Us断电的情况），控制电磁体12的动静铁芯处于释放位置，动铁芯带动传动机构 15a运动并推动传动机构 15b作用在触头支持106上，使得主电路的动触头101和静触头102断开，同时，在传动机构 15a推动传动机构 15b时，传动机构 15b施加作用力在辅助触头模块17的触头支持和反馈触头模块18的触头支持107上，辅助触头模块17和反馈触头模块18内部的触头状态恢复为常态。

辅助触头17外接电源和指示灯后，可用于运行状态的指示，也可用于二次控制线路中的电气互锁，还可用于在外接按钮控制Us通断时的自锁等。

控制电磁铁12是DC型电磁铁，无论产品的Us为何种电源，电源模块均将其转换为一特定的电源，如吸合触动期间提供1A电流，铁芯闭合后的保持状态时，提供200mA的恒定电流，即Us为任意额定值时，控制电磁铁（含线圈）均可为一种型式而无需调整。

3）断路器短路保护和过载继电器一般故障保护功能的实现

控制与保护开关电器主电路闭合通电后（此时控制电磁铁12闭合，传动机构 15a受到传动机构 15b传递的弹簧105的作用力，不向触头支持106传递任何作用力），若电流传感器32检测到线路中发生短路故障，信号处理控制单元33将接收到故障电流转变为故障信号，并直接通过短路检测电路33a对比判断为短路故障，此时硬件电路一方面直接触发脱扣器驱动电路31使得脱扣电磁铁13带动操作机构14以最快的速度分断主电路（操作机构对传动机构 15b施加作用力使得触头支持106带着动触头101与静触头102分离），同时操作机构14的动作带动机械控制触头22断开使得控制电磁铁12断开，另一方面，故障信号送给信号处理控制单元33，进行软件计算、分析后报警并记录。

若电流传感器32检测到线路中发生一般故障，信号处理控制单元33将接收到故障电流转变为故障信号，通过短路检测电路33a比较后判断为一般故障，故障信号被送给信号处理控制单元33，进行软件计算、分析后触发脱扣电磁铁驱动电路31使得脱扣电磁铁13带动操作机构分断主电路，同时操作机构的动作带动机械控制触头22断开使得控制电磁铁12断开，另一方面，报警并记录本次故障。

发生故障后脱扣电磁铁13动作，会带动信报触头模块16中的一组或多组（常闭或常开）触头动作，即内部的触头状态发生变化，如常闭触头转为断开，常开触头转为闭合，信报触头模块16可通过外接电源和指示灯等指示线路中出现故障。

4）操作机构的手动操作：

前面描述了操作机构的自动动作，即故障情况下的自由脱扣动作，操作机构处于脱扣状态，此时，传动机构 15b推动触头支持106使得主电路动静触头断开，脱扣电磁铁13处于释放状态。

还可以通过旋钮112（或按钮）对操作机构14进行手动控制，当手动控制使得操作机构14处于合位置时，传动机构 15b与触头支持106脱离、机械控制触头22闭合，控制电磁铁12通过传动机构 15a推动传动机构 15b对主电路的通断进行控制，此时信报触头模块16中的一组或多组与手动控制联动的触头状态保持在常开或常闭状态；当手动控制使得操作机构14处于关位置状态时，脱扣电磁铁13处于闭合位置，传动机构 15b推动触头支持106使得主电路动、静触头断开，机械控制触头22断开，此时，控制电磁铁12也处于断开状态，传动机构 15a通过传动机构 15b也施加作用力在触头支持106上，即传动机构 15a与传动机构 15b共同施加作用力在触头支持106上，此时信报触头模块16中的一组或多组与手动控制联动的触头状态与操作机构14处于合位置时相反，信报触头模块16中的一组或多组与脱扣电磁铁13联动的触头与操作机构14处于脱扣状态时相反。操作机构14还可以通过手动操作将脱扣状态的操作机构14恢复到合位置。具体的操作机构可以采用现有各种的操作机构或改进的操作机构，如本申请人提出的申请号为200610119125.1，名称为“带有锁定装置的开关操作机构” 的申请文件，在此不再详述。

5）控制电磁铁和脱扣电磁铁的实施：

本发明多功能控制与保护开关电器中控制电磁铁12和脱扣电磁铁13的实施可以采用现有各种实施方案，如本申请人提出的申请号为200810202045.1，名称为“一种特性优化的低压电器用电磁铁”的申请文件，申请号为200810202043.2，名称为“一种低压电器的脱扣器电磁铁装置” 的申请文件，在此不再详述。

图5为本发明带辅助触头和按钮的多功能控制与保护开关电器结构示意图。请参见图5，本实施例除了具有外部控制电源输入端子（图5中的A1、A2端子）外，还增加了控制端子A3、A4，使用时， A1、A2端子接入外部控制电源Us，分别将电源送至电源转换电路21和控制电磁铁驱动电路23，至电源转换电路21的电源直接注入（电源至电源转换电路21后经过变换，分送至保护模块3中的脱扣电磁铁驱动电路31、信号控制处理单元33，并为电源模块中的控制电磁铁驱动电路23提供电源），至控制电磁铁驱动电路23的电源还受到机械控制触点22和控制端子A3、A4的控制，仅当机械控制触点22和控制端子A3、A4均接通时，控制电磁铁驱动电路23才得电，即在操作机构14处于合位置时（此时，机械控制触点22闭合），A3、A4端子之间通过辅助按钮111等其他可控制通断的电器接通和分断时，控制电磁铁驱动电路23则可得到或断开电源使得控制电磁体12吸合或释放，从而完成主电路的接通与分断。此时，可使用CPS的与控制电磁体12关联的第二辅助触头110进行自锁（如前所述）。在这种典型的使用方式下，由于施加至保护模块3中的脱扣电磁铁驱动电路31和信号控制处理单元33的电源与施加至控制电磁体12的电源分离，即不受辅助按钮111的控制，即使频繁操作的情况，信号控制处理单元33和脱扣电磁特驱动电路31也始终处于工作电源正常提供的状态，即控制电磁铁12的电源与保护模块3的电源分离，控制电磁铁12断电时保护模块3可以不断电，因此可方便地实现频繁操作而不对电子元器件的寿命有任何附加的不利影响。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种多功能控制与保护开关电器，其特征在于，包括：

动力模块（1），所述动力模块包括主电路、控制电磁铁（12）、脱扣电磁铁（13）和操作机构（14），所述操作机构（14）通过机械控制触头（22）通断控制电磁铁（12）的电源回路，所述操作机构（14）与信报触头（16）和脱扣电磁铁（13）机械关联，所述操作机构（14）通过传动机构（15）实现主电路的分断与闭合；

保护模块（3），所述保护模块包括信号处理控制单元（33）、脱扣电磁铁驱动电路（31）和电流传感器（32）；所述电流传感器（32）的一次回路通过线夹或插头与主电路连接，电流传感器的二次回路的感应信号和信号处理控制单元（33）相连，从而实现对主电路电流的检测和判断；

电源模块（2），所述电源模块包括电源转换电路（21），分别提供电源给控制电磁铁驱动电路（23）、脱扣电磁铁驱动电路（31）和信号处理控制单元（33），所述控制电磁铁驱动电路（23）驱动控制电磁铁（12），所述脱扣电磁铁驱动电路（31）驱动脱扣电磁铁（13）。

2.如权利要求1所述的多功能控制与保护开关电器，其特征在于，所述动力模块（1）包括有反馈触头模块（18），所述反馈触头模块（18）的触头支持（107）与传动机构（15）关联，检测判断控制电磁铁(12)是否按照要求正常闭合或断开，反馈触头模块（18）的输出端和信号处理控制单元（33）电气连接，若控制电磁铁(12)未正常动作，则信号处理控制单元（33）会发出报警信号或通过脱扣电磁铁驱动电路(31)使得脱扣电磁铁（13）脱扣分断主电路。

3.如权利要求1所述的多功能控制与保护开关电器，其特征在于，所述信号处理控制单元（33）包括短路检测电路（33a），当主电路出现短路故障后，所述短路检测电路（33a）直接发出命令触发脱扣电磁铁驱动电路（31）分断主电路；当出现一般故障时，所述信号处理控制单元（33）通过软件分析发出命令触发脱扣电磁铁驱动电路（31）分断主电路。

4.如权利要求1～3所述的任一多功能控制与保护开关电器，其特征在于，所述主电路包含动触头（101）和静触头（102）用于接通和分断主电路，所述动触头（101）、静触头（102）和灭弧室（109）相连，所述灭弧室（109）用于快速熄灭接通和分断瞬间在动、静触头间产生的电弧；静触头通过导电板（104）分别连接到电源端和负载端，负载端设有断点，该断点通过线夹或插头与电流传感器（32）连接，动触头（101）布局在桥形触头（103）上，桥形触头（103）的一端和弹簧（105）相连，另一端通过触头支持（106）和传动机构（15）相连。

5.如权利要求1～3所述的任一多功能控制与保护开关电器，其特征在于，所述操作机构（14）和控制电磁铁（12）位于开关电器的中间位置，所述保护模块（3）位于开关电器的负载端一侧，所述电源模块（2）位于开关电器的电源端一侧。

6.如权利要求1～3所述的任一多功能控制与保护开关电器，其特征在于，所述控制电磁铁驱动电路（23）的电源输入端设置有机械控制触点（22），所述机械控制触点（22）通过辅助按钮（111）、旋钮（112）和电源相连，使得所述控制电磁铁（12）的电源与保护模块（3）的电源分离。

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