CN102522274B - 一种智能磁保持微型断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能磁保持微型断路器，包括壳体、磁保持继电器、驱动电路，驱动电路接受控制信号后驱动磁保持继电器动作；磁保持继电器包括动簧组合、静簧组合、拨杆、推动片、磁钢组合，还设有中央处理器、通信芯片、计量模块。计量模块，用于计量功率、电压、电流数据并发送给中央处理器。本发明突破了传统的微型断路器设计理念，将磁保持继电器与中央处理器、电流互感器、计量芯片和通信芯片组合到微型断路器的壳体中，使微型断路器具备保护、计量、控制和通信功能。
Description
技术领域
本发明属于一种断路器装置，尤其涉及小型断路器装置领域的智能磁保持微型断路器。
背景技术
微型断路器是建筑电气终端配电装置引中使用最广泛的一种终端保护电器。微型断路器只是一种机械开关电器，装置功能有限，正常操作只能是手动的。不能满足配电系统信息化、网络化、智能化和多功能化程度不断提高的要求，开发一种多功能智能型微型断路器已是大势所趋，也是微型断路器的发展方向。
磁保持继电器是近几年发展起来的一种新型继电器，也是一种自动开关。磁保持继电器最早是主要用于IC卡预付费电表、集中抄表系统中。磁保持继电器虽然是一种自动开关，但需要有控制电路配合才能实际使用，而现有的磁保持继电器尤其缺乏过载保护功能和完善的手自动一体的操作功能。
在物联网到来的时代，智能家居逐渐走进普通百姓家庭，亟需要发展性能可靠、结构简单、制造简便、成本低廉，既满足普通百姓使用习惯，又能提供智能控制的家用微型断路器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，在低压一极（1P）微型断路器外型标准下，提供一种具有手自动相互协调操作、过载保护、计量功能的智能磁保持微型断路器及其控制方法。
本发明采取的技术方案为：一种智能磁保持微型断路器，包括壳体、磁保持继电器、驱动电路，驱动电路接受控制信号后驱动磁保持继电器动作；磁保持继电器包括动簧组合、静簧组合、拨杆、推动片、磁钢组合；磁钢组合转动时带动拨杆，再通过推动片使动簧组合、静簧组合的触头闭合或者断开，还设有中央处理器、通信芯片、计量模块，通信芯片与中央处理器连接，用于中央处理器与外部的信息交互；中央处理器与驱动电路连接，用于向驱动电路发送的控制信号；计量模块，用于计量功率、电压、电流数据并发送给中央处理器。
计量模块包括电压调理电路、电流调理电路、互感模块、计量芯片，电压调理电路一端与静簧组合的延伸导线连接，另一端与计量芯片连接；互感模块与电流调理电路连接并安装在动簧组合的延伸导线上；计量芯片一端与电流调理电路连接，另一端与中央处理器连接。
计量芯片可以与中央处理器集成为一块芯片。
互感模块可以是电流互感器，或者霍尔元件，或者锰铜电阻。
电压调理电路采用电阻分压方式获得计量芯片的ADC电压信号输入。
电流调理电路采用电阻网络将互感模块的电流输出信号调理成计量芯片的ADC电压信号输入。根据采用的计量芯片的功能配置电压调理电路和电流调理电路，通过计量芯片处理得出计量参数，尤其是有效电流的处理有实时要求，中央处理器实时采集有效电流用于实现过载保护和短路保护。
还设有电源模块，电源模块用于向壳体内电路或者模块供电。电源模块包括电容降压模块、全波整流模块、滤波模块和稳压模块，电容降压模块通过限流实现与火线连接；全波整流模块能够增大电流以便减小电容降压模块中高压电容体积。
磁保持继电器是本发明的关键部件，现有成熟技术的磁保持继电器额定电流为80A，但外型不能满足本发明的外型要求，必须将磁保持继电器的零件与壳体内部结构设计成总体，才能保证壳体外型完全兼容低压一极（1P）微型断路器外型标准；微型断路器标准（GB10963.1-2005）对触点分断能力有明确的指标要求和实验规范，而磁保持继电器标准（JB/T10923-2010）对触点分断能力的指标要低于微型断路器标准，因此在现有磁保持继电器标准上，对于本发明的过载保护只能依靠采用软件方法简化硬件电路由电子控制部分来互补实现；虽然磁保持继电器磁保持继电器其触点开、合状态平时由永久磁铁所产生的磁力所保持。当继电器的触点需要开或合状态时，只需要用正（反）直流脉冲电压激励线圈，继电器在瞬间就完成了开与合的状态转换。但直流脉冲电压的电压为9V(7.5V-13.5V)、电流100mA、脉冲宽度为80-100ms，本发明要在有限的空间内设计出满足要求的电源；电子部分的设计难点是小型化，像计量、MCU的小型化可以通过芯片选型来解决，但电源的小型化设计是不能靠选型来解决的，需要创造性的设计。
本发明以高集成度的中央处理器（STC11F04E）、计量芯片（CS5463-ISZ）和485（SN75176）芯片为核心，通过配置相应的外围电路和电源构建智能磁保持微型断路器的硬件电路系统。
与现有技术相比，本发明采用微型断路器的外型标准，通过将额定电流80A的磁保持继电器组件直接在智能磁保持微型断路器壳体内组装，不仅提高强电部分与弱点部分的抗干扰能力，而且有效节省了微型断路器壳体内的空间。突破了微型断路器机械开关的模式，采用磁保持继电器技术替换机械开关，通过壳体与磁保持继电器的一体化融合设计，留出空间用于电子部分的安装。
本发明在功能上实现了正常状态下的手动和远程操作线路分、合；异常情况下的保护，包括过载保护和短路保护；远程能获取开关的状态；作为扩展功能能实现计量，并能远程获取计量数据。
本发明具有高精度计量功能，可随时了解用电器的能耗，便于节能；当线路发生故障短路时，该装置可自动断开，实现过载保护；远程控制功能可通过多种方式控制用电器。
本发明突破了传统的微型断路器设计理念，将磁保持继电器与中央处理器、电流互感器、计量芯片和通信芯片组合到微型断路器的壳体中，使微型断路器具备保护、计量、控制和通信功能，从而实现了一种高智能化的智能磁保持微型断路器，真正满足了微型断路器多功能化、智能化要求。
说明书附图
图1为现有低压一极（1P）微型断路器外形图。
图2为本发明结构示意图。
图3为本发明电路结构框图。
图4为本发明电压状态电路原理图。
图5为本发明中电源电路原理图。
具体实施方式
参见图1，本发明的外形沿用现有低压一极（1P）微型断路器外形，由基座和上盖通过铆钉装配成一体，符合国家标准GB10963规定的方式嵌入导轨，通过卡板的弹性与导轨固定，实现与既有低压一极（1P）微型断路器外形和安装方式的完全兼容。
参见图2、图3，一种智能磁保持微型断路器，包括壳体、磁保持继电器、驱动电路，驱动电路接受控制信号后驱动磁保持继电器动作；磁保持继电器包括动簧组合2、静簧组合1、拨杆4、推动片3、磁钢组合6、绕有线圈的铁芯8、轭铁组合5、转轴7；磁钢组合6转动时带动拨杆4，再通过推动片3使动簧组合2、静簧组合1的触头闭合或者断开，智能控制器11包括中央处理器、通信芯片、电压状态电路、驱动电路、电源模块、计量模块。计量模块，用于计量功率、电压、电流数据并发送给中央处理器。
计量模块包括电压调理电路、电流调理电路、互感模块、计量芯片，电压调理电路一端与静簧组合的延伸导线连接，另一端与计量芯片连接；本实施例中互感模块为电流互感器，通过引线13安装在动簧组合的延伸导线上并与电流调理电路连接；计量芯片一端与电流调理电路连接，另一端与中央处理器连接。
计量芯片可以与中央处理器集成为一块芯片。
互感模块还可以是霍尔元件，或者锰铜电阻。
电压调理电路采用电阻分压方式获得计量芯片的ADC电压信号输入。
电流调理电路采用电阻网络将互感模块的电流输出信号调理成计量芯片的ADC电压信号输入。根据采用的计量芯片的功能配置电压调理电路和电流调理电路，通过计量芯片处理得出计量参数，尤其是有效电流的处理有实时要求，中央处理器实时采集有效电流用于实现过载保护和短路保护。
通信芯片与中央处理器连接，用于中央处理器与外部的信息交互，通信芯片设有接口（A、B）；中央处理器与驱动电路连接，用于向驱动电路发送的控制信号，驱动电路通过引线10与磁保持继电器连接；电压状态电路一端通过引线9与动簧组合2的延伸导线连接，另一端与中央处理器连接，用于向中央处理器发送磁保持继电器的动作状态信号；拨杆4经壳体上的通孔向外伸出，用于手动操作。通信芯片选用485芯片，中央处理器选用宏晶公司的STC11F04E。
参见图2、图4，动作状态信号为电压信号，电压状态电路包括两个电阻R1、R2和转换器，电阻R1的一端接到市电火线Lout，即通过引线9与动簧组合2的延伸导线连接，另一端接到电阻R2和转化器的输入端；电阻R2的另一端接地N；转化器的输出端与中央处理器连接，转换器将两个电阻R1、R2分压产生的电压转换为中央处理器的输入电压。
转换器包括三个电阻R3、R4、R5和一个三极管G，电阻R3的一端作为转换器的输入端，另一端与电阻R4和三极管G的基极连接；电阻R4的另一端接地；三极管G的发射极与电阻R5连接，并作为转换器的输出端，三极管G的集电极接地；电阻R5的另一端接转换器电源。
转换器中的电阻R4和三极管G可由光藕替代，起到强电与中央处理器之间的隔离作用。
参见图2、图3、图5，还设有电源模块，电源模块用于向壳体内电路或者模块供电。电源模块通过引线12连接市电火线Lin，电源模块包括电容降压模块、全波整流模块、滤波模块和稳压模块，电容降压模块通过限流实现与市电火线连接；全波整流模块能够增大电流以便减小电容降压模块中高压电容体积，从而实现在现有低压一极（1P）微型断路器的狭小空间内设置电源的目的。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种智能磁保持微型断路器，包括壳体、磁保持继电器、驱动电路，驱动电路接受控制信号后驱动磁保持继电器动作；磁保持继电器包括动簧组合、静簧组合、拨杆、推动片、磁钢组合；磁钢组合转动时带动拨杆，再通过推动片使动簧组合、静簧组合的触头闭合或者断开，其特征在于：还设有中央处理器、通信芯片、计量模块，通信芯片与中央处理器连接，用于中央处理器与外部的信息交互；中央处理器与驱动电路连接，用于向驱动电路发送控制信号；计量模块，用于计量功率、电压、电流数据并发送给中央处理器；计量模块包括电压调理电路、电流调理电路、互感模块、计量芯片，电压调理电路一端与静簧组合的延伸导线连接，另一端与计量芯片连接；互感模块与电流调理电路连接并安装在动簧组合的延伸导线上；计量芯片一端与电流调理电路连接，另一端与中央处理器连接。
2.根据权利要求1所述的智能磁保持微型断路器，其特征在于：计量芯片可以与中央处理器集成为一块芯片。
3.根据权利要求1所述的智能磁保持微型断路器，其特征在于：互感模块可以是电流互感器，或者霍尔元件，或者锰铜电阻。
4.根据权利要求1所述的智能磁保持微型断路器，其特征在于：电压调理电路采用电阻分压方式获得计量芯片的ADC电压信号输入。
5.根据权利要求1所述的智能磁保持微型断路器，其特征在于：电流调理电路采用电阻网络将互感模块的电流输出信号调理成计量芯片的ADC电压信号输入。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的智能磁保持微型断路器，其特征在于：还设有电源模块，电源模块用于向壳体内电路或者模块供电。
7.根据权利要求6所述的智能磁保持微型断路器，其特征在于：电源模块包括电容降压模块、全波整流模块、滤波模块和稳压模块，电容降压模块通过限流实现与火线连接；全波整流模块能够增大电流以便减小电容降压模块中高压电容体积。
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