CN103123882A - 双稳态永磁真空断路器智能控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双稳态永磁真空断路器智能控制器，属于智能化低压电器的技术领域。所述智能控制器包括微处理器、隔离驱动模块、合分闸线圈驱动模块、电源掉电检测模块、电源电压范围检测模块、开关电源模块、合分闸电容充电模块、合分闸电容充电电流检测模块、掉电维持模块。本发明实现了合分闸电容的恒流充电，增加了电容的使用寿命；同时本发明中的掉电维持模块和电源掉电检测模块电路能够保证在掉电情况下能量的有效利用和断路器的可靠分闸，简化了电路，进一步提高了整个智能控制器的可靠性，保证了供电的安全。

Description

双稳态永磁真空断路器智能控制器

技术领域

本发明公开了双稳态永磁真空断路器智能控制器，属于智能化低压电器的技术领域。

背景技术

在配电和供电系统中，断路器是十分重要的电气设备。它的任务是关、合负荷电流及开断短路故障电流，保护电网及回路上电器设备免受损坏，因此断路器的可靠性至关重要。研究真空断路器双稳态永磁机构智能控制技术对于保证供电的可靠性、稳定性，改善供电质量，切实提高企业的经济效益和工作效率具有重要意义。经检索，专利号为200610025257.8的专利“断路器控制器”的中国专利和专利号为200810203392.6的专利“断路器控制器”的中国专利均只是提出了断路器控制器中的每个基本单元，未就合分闸电容充电电路和掉电处理方式做出具体的描述。而合分闸电容充电电路和掉电处理方式则是整个控制器的核心内容。常规的断路器电容充电电路多常用将交流输入电源整流后直接充电，这种充电方式在上电瞬间对电容和电阻的冲击都很大，缩短了电容的寿命；而且常规电路在掉电后多采用电池给电路供电，由于断路器在掉电后需要分闸，在IGBT驱动电路即光耦的输出端需要15V及以上电源供电，这就需要电池的容量很大，进而导致电池的体积增大，增加了电路板的体积，而且电池在长时间充电放电之后无法正常使用，需要经常改换，有时会因为更换不及时，而造成事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了可恒流充电的双稳态永磁真空断路器智能控制器。

 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

双稳态永磁真空断路器智能控制器，包括微处理器、隔离驱动模块、合分闸线圈驱动模块、电源掉电检测模块、电源电压范围检测模块、开关电源模块、合分闸电容充电模块，所述双稳态永磁真空断路器智能控制器还包括合分闸电容充电电流检测模块，其中：

所述开关电源模块将交流电源输出的交流电转换为直流电后供给掉电维持模块、隔离驱动模块；

所述电源电压范围检测模块将检测到的交流电源输出电压范围传输至微处理器；

所述电源掉电检测模块在检测到交流电源掉电时输出高电平；

所述合分闸电容充电模块将交流电源输出的交流电转换为直流电后，为分合闸电容充电；

所述合分闸电容充电电流检测模块用于检测合分闸电容充电电流；

所述微处理器根据合分闸电容充电电流输出PWM；在电源掉电检测模块输出高电平维持时间超出设定值时发出掉电信号；在当前时刻交流电源输出电压超出市电电压范围时，向合分闸线圈驱动模块发出分闸信号；

所述隔离驱动模块根据微处理器输出的PWM得到分合闸电容充电模块的驱动信号以及分合闸线圈驱动模块的驱动信号； 

所述合分闸线圈驱动模块由合分闸电容供电，在隔离驱动模块的驱动下给合分闸线圈充电，在微处理器发出的分闸信号时控制分闸线圈放电。  

所述双稳态永磁真空断路器智能控制器中，所述双稳态永磁真空断路器智能控制器还包括掉电维持模块，所述掉电维持模块在交流电源掉电后，将合分闸电容充电模块储存的电能供给电源掉电检测模块、微处理器、合分闸线圈驱动模块。

所述双稳态永磁真空断路器智能控制器中，掉电维持模块包括：第一电压转换稳压模块、第二电压转换稳压模块、直流电压转换模块、两个储能电容，其中：

所述第一电压转换稳压模块输入端接开关电源模块输出端，第一电压转换稳压模块两输出端子之间接一个储能电容；所述直流电压转换模块输入端接合分闸电容充电模块，直流电压转换模块输出端接第二电压转换稳压模块输入端；所述第二电压转换稳压模块两输出端子之间接另一个储能电容；所述两个储能电容并联连接；

每一个储能电容正极输出一路维持微处理器工作的直流电压，直流电压转换模块正输出端输出维持电源掉电检测模块工作的直流电压。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明实现了合分闸电容的恒流充电，增加了电容的使用寿命；同时本发明中的掉电维持模块和电源掉电检测模块电路能够保证在掉电情况下能量的有效利用和断路器的可靠分闸，简化了电路，进一步提高了整个智能控制器的可靠性，保证了供电的安全。

附图说明

图1为双稳态永磁真空断路器智能控制单元原理框图。

图2为合分闸电容充电模块电路图。

图3为合闸电容向合闸线圈放电的示意图。

图4为开关管栅极驱动模块电路图。

图5为电源掉电维持模块电路图。

图6为电源掉电检测模块电路图。

图7为电源电压范围检测模块电路图。

图中标号说明：FU1为熔断器，RV1为压敏电阻，B1、B2为第一、第二电桥，C1至C11为第一至第十一电容，R1至R12为第一至第十二电阻，D1为第一二极管，D3至D5为第三至第五二极管，K1至K4为第一至第四开关管，EC1至EC4为第一至第四储能电容，ZD1至ZD3为第一至第三稳压二极管，U1、U5均为光耦，U2、U3均为三端稳压芯片，U4为DC/DC芯片。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示的双稳态永磁真空断路器智能控制器，包括微处理器、隔离驱动模块、合分闸线圈驱动模块、电源掉电检测模块、电源电压范围检测模块、开关电源模块、合分闸电容充电模块、合分闸电容充电电流检测模块。

开关电源模块输入端接交流电源，隔离驱动模块电源端口与开关电源模块输出端连接。

电源电压范围检测模块输入端接交流电源，输出端接微处理器AD端口。

隔离驱动模块输入端接微处理器PWM端口。

合分闸电容充电模块包括整流桥、输出滤波电容、合分闸电容充电支路，交流电源输出的交流电经过保护电路与整流桥输入端连接，输出滤波电容并联在整流桥输出端，合分闸电容充电支路依次并联在输出滤波电容两端。合分闸电容充电模块第一输入端接交流电源，第二输入端接隔离驱动模块第一输出端。

合分闸电容充电电流检测模块输入端接合分闸电容充电模块第一输出端，输出端接微处理器AD端口。

掉电维持模块输入端接合分闸电容充电模块第二输出端，第一输出端接合分闸线圈驱动模块，第二输出端接微处理器。

电源掉电检测模块第一输入端接交流电源，第二输入端接掉电维持模块第三输出端，输出端微处理器。

合分闸电容充电模块第三输出端、隔离驱动模块第二输出端、掉电维持模块第三输出端、微处理器I/O端口分别与合分闸线圈驱动模块连接。

此外，本发明所述的双稳态永磁真空断路器智能控制器还包括与微处理器连接的通信模块、电压电流参考数据采集模块、按键控制模块、显示模块。

开关电源模块将交流电源输出端交流电转换为直流电后供给掉电维持模块、隔离驱动模块.。

电源电压范围检测模块将检测到的交流电源输出电压范围传输至微处理器。

电源掉电检测模块在检测到交流电源掉电时输出高电平。

合分闸电容充电模块将交流电源输出的交流电转换为直流电后，为分合闸电容充电。

合分闸电容充电电流检测模块用于检测合分闸电容充电电流。

微处理器根据合分闸电容充电电流输出PWM；在电源掉电检测模块输出高电平维持时间超出设定值时发出掉电信号，显示模块显示掉电信号；在当前时刻交流电源输出电压不在市电电压范围内时，检查断路器状态，当断路器处于合闸状态时，向合分闸线圈驱动模块发出分闸信号。

隔离驱动模块根据微处理器输出的PWM得到分合闸电容充电模块的驱动信号以及分合闸线圈驱动模块的驱动信号。 

合分闸线圈驱动模块由合分闸电容供电，在隔离驱动模块的驱动下给合分闸线圈充电，在微处理器发出的分闸信号时控制分闸线圈放电。   

通信模块用于传输上位机的指令以及相应参数给微处理器。按键控制模块控制显示模块，将操作人员的指令传输至微处理器。

电压电流参数采集模块用于采集一次回路中的电压电流，根据采集的电压和电流做出相应的保护措施。

合分闸电容充电模块如图2所示，熔断器FU1、压敏电阻RV1组成的串联支路作为保护电路；第一电桥B1输入端接在压敏电阻RV1两端，输出端接输出滤波电容C1；第一电阻R1、第二电阻R2组成的串联支路并联在输出滤波电容C1输出端；由第一开关管K1、点第三电阻R3、第一二极管D1、第一电感L1组成的充电支路，其输入端并接在第一电阻R1、第二电阻R2组成的串联支路之后，输出端并接有合闸电容充电支路、分闸电容充电支路；合闸电容充电支路由串联连接的第二开关管K2、第一储能电容EC1组成；分闸电容充电支路由串联连接的第三开关管K3、第二储能电容EC2。当发生短路时，压敏电阻RV1两端的电压增加，压敏电阻RV1阻值减小，电流增加，超过了熔断器FU1的额定值，熔断器FU1熔断，电路断开达到保护电路的作用。交流电经过整流滤波后输出300V的直流电压，中间通过第一开关管K1、第三电阻R3、第一电感L1、第二开关管K2和第三开关管 K3同时为第一储能电容EC1和第二储能电容EC2充电。第一二极管D1的作用为续流，当第一开关管K1关断后，通过第一电感L1为第一储能电容EC1和第二储能电容EC2充电。第一储能电容EC1即为合闸电容，第二储能电容EC2即为分闸电容，第一电感L1为储能电感。可见，利用如图2所示的合分闸电容充电模块：既能保证分别为合闸电容和分闸电容充电也能同时为合闸电容和分闸电容充电；由第二开关管K2和第三开关管 K3来控制是分闸电容放电还是合闸电容放电，保证两者不同时为线圈放电，保证了线圈的安全。

合闸电容向合闸线圈放电的电路图如图3所示，合闸线圈支路由串联连接的第四开关管K4、合闸线圈L2组成，合闸电容EC1作为合闸线圈支路输入源并联在合闸线圈支路两端。分闸线圈电容向分闸线圈放电与图3同理。

第一开关管K1、第二开关管 K2和第三开关管 K3、第四开关管 K4的栅极均由光耦及其周边电路组成的栅极驱动模块控制，光耦兼有隔离的作用；通过改变第一开关管 K1栅极驱动端PWM频率和储能电感L1的大小来控制充电电流的脉动和大小。所有开关管栅极驱动模块构成了本发明所述的隔离驱动模块，开关管栅极驱动模块电路如图4所示，当微处理器的PWM端口输出为高电平的时候，光耦U1关断，光耦U1的6脚、7脚的输出为-4.7V，此时开关管关断，当微处理器的PWM端口输出低电平时，光耦U1打开，光耦U1的6脚、7脚输出为+15V，此时开关管打开；此电路能保证开关管的可靠关断。第五电阻R5一端与光耦U1的7脚连接，另一端与开关管栅极连接；第六电阻R6一端与光耦U1的7脚连接，另一端与开关管发射极连接；第五电阻R5和第六电阻R6的作用均是为了防止开关管误导通；

掉电维持模块如图5所示，包括：第一电压转换稳压模块、第二电压转换稳压模块、直流电压转换模块、两个储能电容。第一电压转换稳压模块输入端接开关电源模块输出端，第一电压转换稳压模块两输出端子之间接一个储能电容；直流电压转换模块输入端接合分闸电容充电模块，直流电压转换模块输出端接第二电压转换稳压模块输入端；第二电压转换稳压模块两输出端子之间接另一个储能电容；两个储能电容并联连接。第一电压转换稳压模块由第二电容C2、第三电容C3、三端稳压芯片U2、第四电容C4和第五电容C5组成的，第二电容C2并接在三端稳压芯片U2两个输入端子之间，第三电容C3并接在三端稳压芯片U2两个输入端子之间，第四电容C4并接在三端稳压芯片U2两个输出端子之间，第五电容C5并接在三端稳压芯片U2两个输出端子之间，第二电容正输入端的VCC为开关电源模块输出的直流电。第四储能电容EC4并接在第五电容C5两端，第四储能电容EC4正极输出一路维持微处理器工作的直流电压。直流电压转换模块由DC/DC芯片U4、第八电阻R8和第二稳压二极管ZD2组成，DC/DC芯片U4输入端接图2中第二电阻R2两端电压，即为输出滤波电容C1采样电压；DC/DC芯片U4正输出端接第八电阻R8一端，负输出端接第二稳压二极管ZD2正极，第二稳压二极管ZD2阴极与第八电阻R8另一端连接后输出维持电源掉电检测模块工作的直流电压。第二电压转换稳压模块由第八电容C8、第九电容C9、三端稳压芯片U3、第六电容C6和第七电容C7组成，第八电容C8并接在三端稳压芯片U3两个输入端子之间，第九电容C9并接在三端稳压芯片U3两个输入端子之间，第七电容C7并接在三端稳压芯片U3两个输出端子之间，第六电容C6并接在三端稳压芯片U3两个输出端子之间。第三储能电容EC3并接在第六电容C6两端，第三储能电容EC3正极输出一路维持微处理器工作的直流电压。第三二极管D3、第四二极管D4起到单向流通电流的作用。

在交流电源未掉电时：交流电经过开关电源模块转化得到的VCC，经过三端稳压芯片U2、第三二极管D3同时为第三储能电容EC3、第四储能电容EC4充电，维持第三储能电容EC3、第四储能电容EC4两端电压均为3.3V，3.3V电压为微处理器供电；第二电阻R2两端AB两点之间电压经过DC/DC芯片U4、第八电阻R8、第二稳压二极管ZD2得到稳定的5V电压，5V电压为电源掉电检测模块中的上拉电阻R10供电，与此同时，5V电压经过三端稳压芯片U3、第四二极管D4同时为第三储能电容EC3、第四储能电容EC4充电，第三储能电容EC3、第四储能电容EC4充电为微处理器供电。当交流电源掉电时，由于第二电阻R2与第一滤波电容C1相连，经过第一滤波电容C1输出的300V直流电压保证了DC/DC芯片U4在很长时间内有较稳定的输出，提高了电源掉电检测模块、微处理器的供电时间，于此同时，DC/DC芯片U4在很长时间内有较稳定的输出使得第三储能电容EC3、第四储能电容EC4的供电，维持了微处理器的工作时间，进而实现断路器的可靠分闸。

电源掉电检测模块如图6所示，交流电作为本模块的输入，经过一个半波整流二极管D5和限流电阻R9与光耦U5是1脚连接，光耦U5的3脚接地，光耦U5的4脚经上拉电阻R10接到微处理器。当交流电源未掉电时，光耦4脚输出周期为20ms的方波。20ms即为判断电源是否掉电的设定值，该数值根据实际运用灵活设置。当发生掉电后光耦4脚输出为高电平。通过检测高电平维持的时间来判断交流电源是否掉电，如果高电平的时间为20ms说明发生了掉电，此时发出跳闸指令，使断路器跳闸。

电源电压范围检测模块如图7所示，交流电作为本模块的输入，因为本模块中的电压互感器为2mA：2mA，所以使用电阻R11将交流电源输出电压转换成2mA左右的电流，这样电流互感器的输出端同样输出2mA的电流，使用电阻R12将电流转换成电压，经过第二电桥B2整流、滤波电容C10转换成恒定的直流电压，恒定的直流电压为储能电容C11充电，使用3.3V的稳压二极管ZD3将电压限制在3.3V以下，这样能保证不损坏微处理器，如果交流电源输出电压发生变化，输出端能够跟随发生变化，经过实验发现，输出随输入成线性变化，同时将稳压二极管ZD3的阴极输入到微处理器AD输入口。

综上所述，本发明所述的双稳态永磁真空断路器智能控制器具有以下优点： 

（1）利用模糊自适应方法处理实时检测的合分闸电容充电电流得到隔离驱动模块输入端的PWM，通过改变微处理器输出PWM的占空比来实时调节电流的大小，实现了合分闸电容的恒流充电，增加了电容的使用寿命，同时，不会因为合分闸储能电容容量的改变，而需要改变其他元件参数；

（2）掉电维持模块的设计考虑到智能控制器在电源掉电后要依赖大容量的蓄电池供电的缺陷，以合分闸电容充电模块中整流滤波电容存储的电能为电源掉电模块、微处理器、合分闸线圈驱动模块继续供电，掉电维持模块和电源掉电检测模块电路能够保证在掉电情况下能量的有效利用和断路器的可靠分闸，简化了电路，进一步提高了整个智能控制器的可靠性，保证了供电的安全。

Claims (3)

1.双稳态永磁真空断路器智能控制器，包括微处理器、隔离驱动模块、合分闸线圈驱动模块、电源掉电检测模块、电源电压范围检测模块、开关电源模块、合分闸电容充电模块，其特征在于，所述双稳态永磁真空断路器智能控制器还包括合分闸电容充电电流检测模块，其中：

所述开关电源模块将交流电源输出的交流电转换为直流电后供给掉电维持模块、隔离驱动模块；

所述电源电压范围检测模块将检测到的交流电源输出电压范围传输至微处理器；

所述电源掉电检测模块在检测到交流电源掉电时输出高电平；

所述合分闸电容充电模块将交流电源输出的交流电转换为直流电后，为合分闸电容充电；

所述合分闸电容充电电流检测模块用于检测合分闸电容充电电流；

所述微处理器根据合分闸电容充电电流输出PWM；在电源掉电检测模块输出高电平维持时间超出设定值时发出掉电信号；在当前时刻交流电源输出电压超出市电电压范围时，向合分闸线圈驱动模块发出分闸信号； 

所述隔离驱动模块根据微处理器输出的PWM得到分合闸电容充电模块的驱动信号以及分合闸线圈驱动模块的驱动信号； 

所述合分闸线圈驱动模块由合分闸电容供电，在隔离驱动模块的驱动下给合分闸线圈充电，在微处理器发出的分闸信号时控制分闸线圈放电。

2.根据权利要求1所述的双稳态永磁真空断路器智能控制器，其特征在于，所述双稳态永磁真空断路器智能控制器还包括掉电维持模块，所述掉电维持模块在交流电源掉电后，将合分闸电容充电模块储存的电能供给电源掉电检测模块、微处理器、合分闸线圈驱动模块。

3.根据权利要求2所述的双稳态永磁真空断路器智能控制器，其特征在于，所述掉电维持模块包括：第一电压转换稳压模块、第二电压转换稳压模块、直流电压转换模块、两个储能电容，其中：

所述第一电压转换稳压模块输入端接开关电源模块输出端，第一电压转换稳压模块两输出端子之间接一个储能电容；所述直流电压转换模块输入端接合分闸电容充电模块，直流电压转换模块输出端接第二电压转换稳压模块输入端；

所述第二电压转换稳压模块两输出端子之间接另一个储能电容；

所述两个储能电容并联连接；

每一个储能电容正极输出一路维持微处理器工作的直流电压，直流电压转换模块正输出端输出维持电源掉电检测模块工作的直流电压。

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