背景技术
断路器是用于配电保护及电动机保护用,配电保护用断路器在配电网络中用来分配电能且作为线路及电源设备的过载和短路保护,保护电动机用断路器在配电网络中用于鼠笼型电动机的起动和停止的控制及过载和短路保护。
现有使用的用于配电保护及电动机保护用的断路器主要分为:
1、传统式塑壳断路器(热磁式断路器),它是由双金属片和机械脱扣机构组成的控制系统再结合开关本体组成,这种断路器在应用中,可以很好的实现线路及电源设备的过载和的保护功能;但是,由于控制机构的原理是线路中电流通过双金属片产生热量使双金属片发生弯曲,弯曲到一定程度撞针顶到牵引杆,使断路器动作实现保护的,同时,控制机构由机械部分组成;这样,传统式塑壳断路器(热磁式断路器)就具有很多局限性,例如:
(1)每台断路器都需要进行调整双金属片来确定额定动作电流,这样就造成工作量繁重,生产效率低下,且不易保证准产品的一致性;
(2)每台断路器出厂以后,动作电流用户是不可调的,当用户的负载增大就需要更换新的断路器,造成一定的重复购买,给客户带来一定的损失;
(3)断路器正常工作和安装对环境有一定要求,跟环境温度有较大联系(受环境温度影响较大);
(4)传统式塑壳断路器(热磁式断路器)无法实现远程控制、外界通信及故障记录等。
2、普通电子式塑壳断路器用微处理器(MCU)和电子器件组成的控制系统替代了传统双金属片和机械脱扣机构组成的控制系统;由于控制机构是由智能的微处理器组成,不少参数是可以让用户进行调整的,这样一来普通电子式塑壳断路器,就可以克服传统塑壳断路器上述的缺点。在一定时期也算比较完善的智能断路器。但是随着器件和技术的发展,它也突显出一些局限性,例如:
(1)由于电路结构及器件的原因,造成控制精度不高;
(2)无法实现实时显示线路中的ABC相的电流及简洁明了查看各项设定参数;
(3)参数设定是分级设定的,个别参数值无法实现设定;
(4)还不具备故障点记录功能。
综上所述,特别需要一种多功能智能断路器,以克服技术存在的上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种多功能智能断路器,不但具备普通电子式塑壳断路器的所有优势,且克服了其局限,增加了人机界面,采用多功能轻触按键,操作更增加人性化,以克服传统式塑壳断路器及普通电子式断路器存在的问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现:
一种多功能智能断路器,其特征在于,它包括一主控制单元和一电源单元,所述电源单元的输出端与所述主控制单元互相连接,所述主控制单元的输入端连接电流互感器采集线路中电流信号,所述主控制单元的输出端连接执行部件,所述主控制单元还连接有一显示当前状态的状态指示单元和一用于设定的各项参数的面板设置单元。
在本发明的一个实施例中,所述多功能智能断路器还包括一辅助电源及一通讯接口,所述辅助电源和通讯接口分别与所述主控制单元连接。
在本发明的一个实施例中,所述电源单元包括电源控制芯片U5、接插件JX1、单相桥式整流器BZ1、BZ2、BZ3、芯片RS、调整管M1、二极管D1、稳压管Z1、Z2、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、电容C1和C2;单相桥式整流器BZ1的4脚连接接插件JX1的6脚,单相桥式整流器BZ1的3脚连接接插件JX1的5脚,单相桥式整流器BZ2的4脚连接接插件JX1的4脚,单相桥式整流器BZ2的3脚连接接插件JX1的3脚,单相桥式整流器BZ3的4脚连接接插件JX1的2脚,单相桥式整流器BZ3的3脚连接接插件JX1的1脚,单相桥式整流器BZ1的2脚连接芯片RS的1脚,单相桥式整流器BZ2的2脚连接芯片RS的3脚,单相桥式整流器BZ3的2脚连接芯片RS的5脚,芯片RS的2、4、6、7、8脚互相连接并接地,单相桥式整流器BZ1的1脚、单相桥式整流器BZ2的1脚和单相桥式整流器BZ3的1脚互相连接并分别连接二极管D1的正极和调整管M1的1脚,二极管D1的负极分别连接电容C1的一端、稳压管Z1的负极、电阻R1的一端和电阻R3的一端并接+VA电源,稳压管Z1的正极分别连接稳压管Z2的负极、调整管M1的3脚和电阻R4的一端,电阻R4的另一端连接PWM端,电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接并连接U/AD端,电阻R3的另一端分别连接电容C2的另一端、电阻R5的一端和电源控制芯片U1的1脚并连接VDD端,电阻R5的另一端分别连接电阻R6的一端和电源控制芯片U1的8脚,电源控制芯片U1的7、6、5脚互相连接再与电阻R6的另一端连接并接地,电源控制芯片U1的2、3、4脚互相连接并分别连接电容C2的另一端、电阻R2的另一端、稳压管Z2的正极、电容C1的另一端和调整管M1的2脚再接地。
在本发明的一个实施例中,所述主控制单元包括控制芯片U2、保护芯片MK1、接插件JX2、三极管U3、稳压管Z3、Z4、Z5、晶振X1、可调电位器VR1、VR2、VR3、电阻R8、R9、R10、R11、R13、R16、电容C3、C4、C5、C7、C8、C9、C10、C11、C12和二极管D2;接插件JX2的2脚连接二极管D2的负极并接+VA端,接插件JX2的1脚分别连接二极管D2的正极和三极管U3的集电极,三极管U3的基极通过电阻R13连接TK端,三极管U3的发射极接地;可调电位器VR1的一端连接VDD端,可调电位器VR1的另一端接地,可调电位器VR1的调节端连接POT1端;可调电位器VR2的一端连接VDD端,可调电位器VR2的另一端接地,可调电位器VR2的调节端连接POT2端;可调电位器VR3的一端连接VDD端,可调电位器VR3的另一端接地,可调电位器VR3的调节端连接POT3端;可调电位器VR4的一端连接VDD端,可调电位器VR4的另一端接地,可调电位器VR4的调节端连接POT4端;保护芯片MK1的12脚通过电阻R8连接+VA端,保护芯片MK1的13脚接地,保护芯片MK1的6脚连接稳压管Z5的负极,保护芯片MK1的5脚连接稳压管Z4的负极,保护芯片MK1的4脚连接稳压管Z3的负极,保护芯片MK1的8脚依次连接稳压管Z5的正极、稳压管Z4的正极、稳压管Z3的正极、保护芯片MK1的3脚和保护芯片MK1的1脚并接地;控制芯片U2的1脚通过电阻R9连接VDD端,控制芯片U2的28脚通过电阻R10连接VDD端,控制芯片U2的3脚接地,控制芯片U2的4脚分别连接电阻R11的一端、晶振X1的一端和电容C3的一端,控制芯片U2的5脚分别连接电阻R11的另一端、晶振X1的另一端和电容C4的一端,电容C3的另一端和电容C4的另一端互相连接后接地,控制芯片U2的6脚接地,控制芯片U2的7脚分别连接电容C5的一端和VDD端,电容C5的另一端分别连接控制芯片U2的8、9脚并接地,控制芯片U2的27脚分别连接控制芯片U2的25脚和电阻R16的一端并接地,电阻R16的另一端连接控制芯片U2的23脚,控制芯片U2的22脚连接电容C7的一端,控制芯片U2的19脚连接电容C8的一端,控制芯片U2的2218脚连接电容C9的一端,控制芯片U2的17脚连接电容C10的一端,控制芯片U2的16脚连接电容C11的一端,控制芯片U2的15脚连接电容C12的一端,电容C7的另一端、电容C8的另一端、电容C9的另一端、电容C10的另一端、电容C11的另一端和电容C12的另一端互相连接并接地。
在本发明的一个实施例中,所述状态指示单元包括显示模块和状态指示模块。
进一步,所述显示模块包括LCD显示器或者LED显示器。
进一步,所述状态指示模块包括发光二极管LED1、LED2、电阻R14和R15;发光二极管LED1的负极和发光二极管LED2的负极互相连接并接地,发光二极管LED1的正极通过电阻R14连接LED1端,发光二极管LED2的正极通过电阻R15连接LED2端。
本发明的多功能智能断路器具有如下特点:
(1)采用点阵式液晶屏,显示内容更加丰富、灵活,各项设置参数和线路实时电流可以在液晶屏上一目了然;
(2)采用多功能轻触式按键,实现灵活设置、查看各个数据;同时可以对设置参数进行无极设定,用户可以随意设定,不受分级调整时某些设定值无法设定的缺憾;
(3)不但可以保存脱口前的各项设定参数,无需每次断电重新设置,更可以记录脱扣时的脱扣电流,同时还具备工作状态指示;
(4)运算速度更快,功耗更低。
本发明的多功能智能断路器,采用性能更优良、运算能力更强、运算速度更快且功耗更低的微处理器(MCU)和电子器件组成的控制系统,不但具备普通电子式塑壳断路器的所有优势,且克服了其局限,增加了人机界面,采用多功能轻触按键,操作更增加人性化,实现本发明的目的。
本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。
如图1所示,本发明的多功能智能断路器,它包括一主控制单元100和一电源单元200,所述电源单元200的输出端与所述主控制单元100互相连接,所述主控制单元100的输入端连接电流互感器110采集线路中电流信号,所述主控制单元100的输出端连接执行部件300,所述主控制单元100还连接有一显示当前状态的状态指示单元400和一用于设定的各项参数的面板设置单元500。
面板设置单元500是通过调节开关对断路器的保护特性参数进行设置。可以设置的参数有长延时、短延时的整定电流和时间,瞬时保护的电流值等。当主电路的电流值大于设定,产生报警状态时,可以通过状态指示单元400显示。
本发明的多功能智能断路器采用电流互感器110(也可采用线圈互感器或霍尔电流互感器)来采集线路中的电流信号,将这一个模拟的电流信号经过一系列的运算处理转化为一个与线路中电流有一定对应关系的数字信号,把这一数字信号经过主控制单元100按一定的算法进行运算处理,与用户设定的各项参数进行比较处理,通过执行部件300对断路器进行控制,来实现保护线路及电源设备出现的过载和短路情况。
在本发明中,所述多功能智能断路器还包括一辅助电源600及一通讯接口700,辅助电源600和通讯接口700分别与所述主控制单元100连接;辅助电源600和通讯接口700是专为可通讯断路器设计的,通过通讯接口700,可以实现对断路器的远程监控。
执行部件300通过通讯接口700,采用MODBUS协议与总线连接,通过远程控制可以对断路器进行远程电流读取,参数设置、分合闸操作等。还可以通过相应的接口转换器,与DEVICENET、PROFIBUS等总线系统连接,进入不同的系统组态。
如图2所示,电源单元200包括电源控制芯片U5、接插件JX1、电流互感器BZ1、BZ2、BZ3、芯片RS、调整管M1、二极管D1、稳压管Z1、Z2、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、电容C1和C2;单相桥式整流器BZ1的4脚连接接插件JX1的6脚,单相桥式整流器BZ1的3脚连接接插件JX1的5脚,单相桥式整流器BZ2的4脚连接接插件JX1的4脚,单相桥式整流器BZ2的3脚连接接插件JX1的3脚,单相桥式整流器BZ3的4脚连接接插件JX1的2脚,单相桥式整流器BZ3的3脚连接接插件JX1的1脚,单相桥式整流器BZ1的2脚连接芯片RS的1脚,单相桥式整流器BZ2的2脚连接芯片RS的3脚,单相桥式整流器BZ3的2脚连接芯片RS的5脚,芯片RS的2、4、6、7、8脚互相连接并接地,单相桥式整流器BZ1的1脚、单相桥式整流器BZ2的1脚和单相桥式整流器BZ3的1脚互相连接并分别连接二极管D1的正极和调整管M1的1脚,二极管D1的负极分别连接电容C1的一端、稳压管Z1的负极、电阻R1的一端和电阻R3的一端并接+VA电源,稳压管Z1的正极分别连接稳压管Z2的负极、调整管M1的3脚和电阻R4的一端,电阻R4的另一端连接PWM端,电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接并连接U/AD端,电阻R3的另一端分别连接电容C2的另一端、电阻R5的一端和电源控制芯片U1的1脚并连接VDD端,电阻R5的另一端分别连接电阻R6的一端和电源控制芯片U1的8脚,电源控制芯片U1的7、6、5脚互相连接再与电阻R6的另一端连接并接地,电源控制芯片U1的2、3、4脚互相连接并分别连接电容C2的另一端、电阻R2的另一端、稳压管Z2的正极、电容C1的另一端和调整管M1的2脚再接地。
电流互感器110感应的电流,经过整流后通过二极管D1给电容C1充电,这样电容C1两端就有一个电压,经过电阻R1和R2的分压可以得到一个参考电压送给控制芯片U2进行运算,当这个值高于一定的设定值就通过PWM端口输出一个高电平,让调整管M1导通,这样整流以后的电流被短路到地了,电容C1两端的电压经过负载的消耗就会降低,电阻R1和R2的分压也跟着降低,到一定值时PWM端口输出一个低电平让调整管M1截止,电容C1两端电压就又被充高,经过这样一个闭环系统,就可以将电容C1两端维持一个相对稳定的电压。
电源单元200的原理是从主回路的电流互感器110上取电源能量,因为控制芯片U2只需少量能量就可以正常工作,所以断路器在正常通电情况下可以不用辅助电源600而独立工作,这样更节能环保,正好响应国家的节能环保的、绿色能源的号召。
如图3所示,主控制单元100包括控制芯片U2、保护芯片MK1、接插件JX2、三极管U3、稳压管Z3、Z4、Z5、晶振X1、可调电位器VR1、VR2、VR3、电阻R8、R9、R10、R11、R13、R16、电容C3、C4、C5、C7、C8、C9、C10、C11、C12和二极管D2;接插件JX2的2脚连接二极管D2的负极并接+VA端,接插件JX2的1脚分别连接二极管D2的正极和三极管U3的集电极,三极管U3的基极通过电阻R13连接TK端,三极管U3的发射极接地;可调电位器VR1的一端连接VDD端,可调电位器VR1的另一端接地,可调电位器VR1的调节端连接POT1端;可调电位器VR2的一端连接VDD端,可调电位器VR2的另一端接地,可调电位器VR2的调节端连接POT2端;可调电位器VR3的一端连接VDD端,可调电位器VR3的另一端接地,可调电位器VR3的调节端连接POT3端;可调电位器VR4的一端连接VDD端,可调电位器VR4的另一端接地,可调电位器VR4的调节端连接POT4端;保护芯片MK1的12脚通过电阻R8连接+VA端,保护芯片MK1的13脚接地,保护芯片MK1的6脚连接稳压管Z5的负极,保护芯片MK1的5脚连接稳压管Z4的负极,保护芯片MK1的4脚连接稳压管Z3的负极,保护芯片MK1的8脚依次连接稳压管Z5的正极、稳压管Z4的正极、稳压管Z3的正极、保护芯片MK1的3脚和保护芯片MK1的1脚并接地;控制芯片U2的1脚通过电阻R9连接VDD端,控制芯片U2的28脚通过电阻R10连接VDD端,控制芯片U2的3脚接地,控制芯片U2的4脚分别连接电阻R11的一端、晶振X1的一端和电容C3的一端,控制芯片U2的5脚分别连接电阻R11的另一端、晶振X1的另一端和电容C4的一端,电容C3的另一端和电容C4的另一端互相连接后接地,控制芯片U2的6脚接地,控制芯片U2的7脚分别连接电容C5的一端和VDD端,电容C5的另一端分别连接控制芯片U2的8、9脚并接地,控制芯片U2的27脚分别连接控制芯片U2的25脚和电阻R16的一端并接地,电阻R16的另一端连接控制芯片U2的23脚,控制芯片U2的22脚连接电容C7的一端,控制芯片U2的19脚连接电容C8的一端,控制芯片U2的2218脚连接电容C9的一端,控制芯片U2的17脚连接电容C10的一端,控制芯片U2的16脚连接电容C11的一端,控制芯片U2的15脚连接电容C12的一端,电容C7的另一端、电容C8的另一端、电容C9的另一端、电容C10的另一端、电容C11的另一端和电容C12的另一端互相连接并接地。
控制芯片U2的运算速度极高,使得PWM控制的频率也很高,可以减小电源单元200的体积;控制芯片U2的功耗也是极低,只需少量能量就可以正常工作,所以断路器在正常通电情况下就可以不用辅助电源600而独立工作,这样更节能环保。
POT1端用于短路瞬时整定电流的调整,POT3端用于长延时系数K2的调整,POT4端用于长延时系数K1的调整,接插件JX2为脱扣器线圈。
在本发明中,状态指示单元400包括显示模块410和状态指示模块420;显示模块410可以灵活显示各种信息,例如当前线路中通过断路器运行电流,设定电流,故障电流,故障出现时间点,公司log等。这些信息对日后的故障查找维护都很有帮助。
显示模块410包括LCD显示器或者LED显示器。
如图4所示,状态指示模块420包括发光二极管LED1、LED2、电阻R14和R15;发光二极管LED1的负极和发光二极管LED2的负极互相连接并接地,发光二极管LED1的正极通过电阻R14连接LED1端,发光二极管LED2的正极通过电阻R15连接LED2端。
发光二极管LED1作为电源灯,发光二极管LED2作为过载灯。
本发明的多功能智能断路器所要实现的功能是:根据断路器预设定的整定电流、整定倍数、瞬动电流倍数、脱扣时间实现电力的传送和保护线路及电源设备出现的过载和短路情况,实现安全用电。
1、整定电流、整定倍数和脱扣时间可调节
整定电流可调,同一个断路器的整定电流在一个范围内可调的。例如100型号壳架的断路器:整定电流可从16至100A可调节,也就是说这个断路器既可以当做整定电流为16A的使用,也可以当做整定电流为100A使用。可以用于16至100A中设定的任一个档位整定电流的断路器使用。
整定倍数可调,有时需要的整定电流并不一定是面板设置单元500上设置的那几个固定的整定电流时怎么办,这时我们可以通过一个系数来调整到我们需要的整定电流,这样可选择的范围就更大了。例如225型号壳架的断路器,整定电流的设定方法是通过两个系数K1*K2*Ir来实现,K1的范围为0.5~1;K2的范围是0.8~1,Ir=225,这样可以组合出来很多种整定电流,供用户选择。
同样长延时整定电流、短路短延时整定电流、瞬动脱扣电流及脱扣时间都可以通过面板设置单元500(按键或拨码开关)预设定好。
2、工作状态指示
当断路器在承担传输电力的过程中,我们可以看到其工作状态就可以做到心中有数了。简洁的方法是我们通过LED指示灯来示意开关状态,可以大致了解断路器是否处于正常状态,当过载指示灯亮起来或报警蜂鸣器响时,我们就该提高警惕,检查线路是否出现异常了。
还可以通过LCD显示屏来更加清楚直观的来显示当前线路中流过的电流,等更多信息。
3、通信、远程控制
当断路器工作在环境恶劣对人体有害,或者操作人员不方便接近的场所时,通信和远程控制就可以轻松应对这种局面,断路器可以把断路器工作场合的温度、湿度及断路器运行电流、设定电流、过载电流、报警信号、脱扣信号等一系列信息传送给终端控制设备,控制设备可以远程对其遥控操作。
4、节能环保
该控制系统可以采用自生电源,供其工作,不需要外接能源。自生电源是从主回路的电流互感器上取电源能量,经过微处理器对其进行处理,变成稳定的直流电源,供给整个控制系统。因为由微处理器组成的控制系统,只需少量能量就可以正常工作,所以断路器在正常通电情况下可以不用辅助电源而独立工作,这样更节能环保。
本发明的多功能智能断路器采用控制芯片U2控制流程,对各个控制程序采用中断方式,确保电路时钟的精确,采样时序和主回路的电流频率一致。流程如图5所示:
控制芯片U2运行后循环等待中断的产生,各个中断程序分别完成电流采样、参数设定、通讯程序的操作,作出脱扣或通讯等判断如图6所示。
1、定时采样程序
由于经过整流后,50Hz的主回路电流源周期变为10ms。0.5ms为一个采样周期,当程序进行20次采样后读入大小通道电流值用A/D转换。A/D转换为线形变换为输入电压信号范围从0~5V,对应表示为相应的电流值,如图7所示。
2、每相采样是独立的通道,每个采样周期三相电流相位差60度,波形是一样的。用一个周期电流的采样值Ii进行平方求和,就可近似得到电流的有效值。
I2有效值=∑Iin2/m(其中Iin为每次采样的电流平均值,m为采样次数)
3、电流换算
采样到的电流值I有效值其数值只能反映AD转换的结果,不能直接用于读取电流大小值,要通过换算,不同的型号的脱扣器换算公式略有不同,换算公式如下:
I实际值=AD转换值*(I最大值/256)
I实际值=AD转换值*(I有效值*/256)
4、脱扣能量的计算
运用标准所称的数据。例如2倍电流、110s脱扣,脱扣能量就是
Q=I2t=(2In)2*110*100
其中电流In用有效值计算,100表示毫秒与秒时间换算。
5、脱扣信号的判断
采样得到电流能量累加和脱扣能量进行比较,当超过了设定的能量,脱扣器就动作,断开主回路。如果电流未达到需要脱扣的启动电流(a*In)时,就释放热记忆的能量。热记忆能量的释放公式选用最简单的工程算式∑Im2=∑Im2-∑Im2/256,程序中减去16位数的高8位,编程实现方便。实验证明此方法可行。流程如图8所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。