CN106597974B - 电能表外置断路器的控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电能表外置断路器的控制装置，包括整流电路，稳压电路、变压器、电机驱动电路、电机、检测电路、控制器、控制电路、芯片供电电路、功率变换电路、启动开关管和供电开关管；整流电路输出连接变压器原边一端；稳压电路并联在整流电路输出端与地之间，输出电压信号到启动开关管的活动端和控制电路；启动开关管的活动端连接芯片供电电路电源；控制器根据检测电路信号控制启动开关管和供电开关管；供电开关管活动端一端接地，另一端通过芯片供电电路和功率变换电路连接变压器原边另一端。本发明还公开了所述电能表外置断路器的控制装置的控制方法。本发明大大降低了电路的成本，而且电路更加安全可靠。

Description

电能表外置断路器的控制装置及其控制方法

技术领域

本发明具体涉及一种电能表外置断路器的控制装置及其控制方法。

背景技术

随着国家经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的能源之一。电能表作为电力系统中唯一的对用户使用的电能进行计量的工具，其重要性自然不言而喻。

同时，由于现今智能化和无人化技术的发展，具备远程断电和合闸功能的智能型电能表已经成为了现今电力系统的主流电能表。该类型电能表一般带有外置的断路器，电能表的控制器根据电能表的数据和用户的数据控制外置断路器的开通和关断，从而实现对用户的远程断电和合闸。

但是，根据国家标准的要求，电能表外置断路器要求具有极低的待机功耗。目前的主要实现方式是通过控制高压开关管进行关断，来断开功率变换电路的输入，从而实现超低待机功耗，具体如图1和图2所示：电路在整流电路后通过稳压电路稳压，然后在高压母线中插入一个开关管QP5（此处采用的是MOS管），通过启动电路控制芯片供电电路的供电，从而控制功率变换电路的工作，最终达到通过变压器输出电机驱动电路的驱动信号，控制外置断路器的电机工作，达到实现断路器断电和合闸的功能；检测电路用于检测电机的工作状态并进行反馈。其中，高压母线中的开关管的作用在于在电路不工作时关断后级电源，从而降低功耗。

但是，在输入高压母线中插入一个高压开关管（高压MOS），通过控制开关管的通断，来开通或者关断后级电机驱动电路，降低电路的待机功耗。但是这种设计思路的缺点是母线上需要一个耐压比较高的开关管来控制后级电机驱动电路（具体应用时要求开关管耐压800V），成本较高，且抗浪涌抑制能力较差。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种电路安全可靠、成本低廉的电能表外置断路器的控制装置。

本发明的目的之二在于提供一种所述电能表外置断路器的控制装置的控制方法。

本发明提供的这种电能表外置断路器的控制装置，包括整流电路，稳压电路、变压器、电机驱动电路、电机、检测电路、控制器、控制电路、芯片供电电路和功率变换电路，还包括启动开关管和供电开关管；整流电路的输出端直接连接变压器原边的一端；稳压电路并联在整流电路输出端与地之间，用于对输入到后级的电压进行稳压；稳压电路还输出一路稳定的电压信号，同时连接到启动开关管的活动端一端和控制电路，并提供稳定的电压信号；启动开关管的活动端的另一端通过启动电路连接到供电开关管的活动端的另一端，同时也连接到芯片供电电路的电源端；控制器根据检测电路的信号输出控制信号，通过控制电路产生两路驱动信号，分别控制启动开关管和供电开关管的开通和关断；供电开关管的活动端一端接地，另一端通过芯片供电电路和功率变换电路连接变压器的原边的另一端。

所述的电能表外置断路器的控制装置还包括滤波电容，滤波电容并联在整流电路输出端与地之间，用于滤除电路中的杂波和抑制浪涌电流。

所述的稳压电路包括热敏电阻、若干个分压电阻、齐纳二极管和滤波电容；热敏电阻串接在整流电路的输出端；若干个分压电阻并接在热敏电阻的输出端和地之间，用于将整流电路的输出端电压进行分压，并输出一路分压后的电源信号；齐纳二极管并联在输出的分压电源信号和地之间，用于防止稳压电路输出信号的电压过高；滤波电容与齐纳二极管并联，用于滤波。

所述的启动电路包括第一二极管和启动电阻，第一二极管和启动电阻串接在启动开关管的活动端的另一端；启动开关管的活动端的另一端通过所述启动电路连接到供电开关管的活动端的另一端，同时也连接到芯片供电电路的电源端。

所述的控制电路包括供电开关管限流电阻、启动开关管限流电阻、第一开关管限流电阻、第一开关管上拉电阻、第一开关管下拉电阻、第二开关管限流电阻、第二开关管下拉电阻、第二开关管上拉电阻、齐纳二极管、第一开关管和第二开关管；稳压电路输出的稳定的电压信号直接连接启动开关管的活动端一端，同时也通过第二开关管上拉电阻连接第二开关管的活动端一端；第二开关管的活动端一端还通过启动开关管限流电阻连接启动开关管的控制端；齐纳二极管并连接第二开关管的活动端两端；第二开关管的活动端另一端直接接地；第二开关管的控制端通过第二开关管下拉电阻接地，同时还直接连接第一开关管的活动端一端；第一开关管的活动端一端通过第二开关管限流电阻连接稳压电路的输出端；第一开关管的活动端的另一端直接接地；第一开关管的控制端通过第一开关管下拉电阻接地，也通过第一开关管上拉电阻连接稳压电路的输出端，还通过第一开关管限流电阻连接控制器；供电开关管的控制端也通过供电开关管限流电阻连接控制器。

所述的功率变换电路包括型号为SH1601的集成开关管控制芯片电路和功率变换开关管组成的电路；所述芯片的电源引脚直接与启动电路的输出端连接。

所述的芯片供电电路由串接的二极管和限流电阻以及滤波电容组成；二极管和限流电阻串接在变压器的副边绕组与芯片的电源引脚之间；滤波电容连接芯片的电源引脚和地。

本发明还提供了一种所述电能表外置断路器的控制装置的控制方法，包括如下步骤：

S1. 控制器获取接收到的电能表动作信息；所述动作信息包括断电指令和合闸复电指令；

S2. 控制器根据接收到的信息，控制启动开关管导通与芯片供电电路开关管截止，功率变换电路开始工作，功率变换器工作后，断开启动开关管，接着控制器发出电机转动指令，从而控制电机转动，完成相应的合闸或断开指令；

S3. 检测电路实时检测电机的转动状态，并将检测信息发送到控制器；

S4. 控制器根据检测电路的检测信息判断电机的状态：若电机已运动到位，则控制电路发出停转指令，电机停止转动，此时控制器发出进入低功耗模式，通过将芯片供电电路短路，功率变换电路停止工作，进入低功耗模式。

本发明提供的这种电能表外置断路器的控制装置和控制方法，通过增加两个开关管来控制功率变换电路的驱动信号的方式，避免了原有的在高压电路上增加开关管来降低功耗的方式，因此本发明提供的控制装置和控制方法，其仅仅在低压电路上增加了开关管，因此相对于现有技术大大降低了电路的成本，而且电路更加安全可靠。

附图说明

图1为现有技术的电能表外置短路器的控制装置功能模块图。

图2为现有技术的电能表外置短路器的控制装置的电路原理图。

图3为本发明的电能表外置短路器的控制装置功能模块图。

图4为本发明的电能表外置短路器的控制装置电路原理图。

图5为本发明的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

如图3所示为本发明的电能表外置短路器的控制装置功能模块图：本发明提供的这种电能表外置断路器的控制装置，包括整流电路，稳压电路、变压器、电机驱动电路、电机、检测电路、控制器、控制电路、芯片供电电路和功率变换电路，还包括滤波电容CP1、启动开关管QP3和供电开关管QP2；整流电路的输出端直接连接变压器原边的一端；滤波电容并联在整流电路输出端与地之间，用于滤除电路中的杂波；稳压电路并联在整流电路输出端与地之间，用于对输入到后级的电压进行稳压；稳压电路还输出一路稳定的电压信号，同时连接到启动开关管的活动端一端和控制电路，并提供稳定的电压信号；启动开关管的活动端的另一端通过启动电路连接到供电开关管的活动端的另一端，同时也连接到芯片供电电路的电源端；控制器根据检测电路的信号输出控制信号，通过控制电路产生两路驱动信号，分别控制启动开关管和供电开关管的开通和关断；供电开关管的活动端一端接地，另一端通过芯片供电电路和功率变换电路连接变压器的原边的另一端。

如图4所示即为本发明的电能表外置短路器的控制装置电路原理图：图中稳压电路包括热敏电阻RP1、若干个分压电阻（R1、R3、R7、R9、R11和R15）、齐纳二极管（DP2）和滤波电容（C1）；启动电路包括第一二极管D2和启动电阻R6；控制电路包括供电开关管限流电阻R17、启动开关管限流电阻R5、第一开关管限流电阻R14、第一开关管上拉电阻R12、第一开关管下拉电阻R16、第二开关管限流电阻R10、第二开关管下拉电阻R14、第二开关管上拉电阻（R2、R4和R8）、齐纳二极管DP1、第一开关管QP4和第二开关管QP2a；功率变换电路由功率变换开关管（型号STND2N105K5）、和由型号为SH1601的集成开关管控制芯片电路组成；芯片供电电路由二极管DA4、限流电阻RA2和滤波电容CA2组成；。

稳压电路的热敏电阻串接在整流电路的输出端；若干个分压电阻并接在热敏电阻的输出端和地之间，用于将整流电路的输出端电压进行分压，并输出一路分压后的电源信号（即图中电阻R15的端电压信号）；齐纳二极管并联在输出的分压电源信号和地之间，用于防止稳压电路输出信号的电压过高；滤波电容与齐纳二极管并联，用于滤波；第一二极管和启动电阻串接在启动开关管的活动端的另一端；启动开关管的活动端的另一端通过所述启动电路连接到供电开关管的活动端的另一端，同时也连接到芯片供电电路的电源端；稳压电路输出的稳定的电压信号直接连接启动开关管的活动端一端，同时也通过第二开关管上拉电阻连接第二开关管的活动端一端；第二开关管的活动端一端还通过启动开关管限流电阻连接启动开关管的控制端；齐纳二极管并连接第二开关管的活动端两端；第二开关管的活动端另一端直接接地；第二开关管的控制端通过第二开关管下拉电阻接地，同时还直接连接第一开关管的活动端一端；第一开关管的活动端一端通过第二开关管限流电阻连接稳压电路的输出端；第一开关管的活动端的另一端直接接地；第一开关管的控制端通过第一开关管下拉电阻接地，也通过第一开关管上拉电阻连接稳压电路的输出端，还通过第一开关管限流电阻连接控制器；供电开关管的控制端也通过供电开关管限流电阻连接控制器；功率变换开关管的活动端一端通过限流电阻接地，活动端另一端通过保护二极管连接整流电路的输出端；所述功率变换开关管的活动端另一端也同时连接变压器原边绕组的另一端；功率变换开关管的控制端的控制信号由芯片供电电路输出；芯片供电电路中的芯片1脚悬空，2脚通过电阻接地，同时还通过上拉电阻RA1和RA2以及保护二极管DA4连接变压器的副边绕组；芯片的3脚通过串接的RC电路（RA5和CA5）接地；芯片的6脚为电流感应引脚，通过滤波电容CA6接地，同时还通过采样电阻RA6和RA8连接功率变换开关管的控制端；芯片的5脚为电压反馈引脚，通过分压电阻RA3和RA9采样变压器副边的电压；芯片的7脚为驱动信号输出引脚，其输出的驱动信号通过限流电阻RA4输出到功率变换开关管的控制端；芯片的8脚为电源引脚，通过上拉电阻RA2和二极管DA4连接变压器的副边绕组，同时也直接连接到供电开关管QP2的集电极。

本发明电路的具体工作过程如下：断路器断电后，若要求断路器合闸，则接受控制端合闸指令后，控制器控制电路通过POWEROFF1打开启动控制电路（POWEROFF1置高电平，POWEROFF2置低电平），此时第一开关管QP4导通，第二开关管QP2a基极拉低为低电平，第二开关管截止；此时启动开关管的控制端被上拉电阻R2、R4、R8和R5拉高，启动开关管导通，此时稳压电路输出的电源信号通过D2和R6给芯片供电电路充电。当功率变换芯片的电源引脚电压达到芯片的工作电压后，功率变换电路开始工作，此时再控制POWEROFF1断开芯片启动控制电路（POWEROFF1和POWEROFF2均置低电平），此时芯片由芯片供电电路维持工作。接着控制器发出电机转动指令，电机开始转动。电机转动由检测电路检测转动是否到位，当电机到位后控制器发出电机停转指令，此时功率变换电路仍然工作。接着控制器发出进入低功耗模式指令。低功耗模式通过POWEROFF2将芯片供电电路短路（POWEROFF置低电平，POWEROFF置高电平），此时供电开关管QP2基极为高电平，开关管导通，此时功率变换芯片的电源引脚被直接拉低为低电平，芯片掉电，功率变换电路停止工作，进入低功耗模式。

如图5所示为本发明的控制方法的流程示意图：本发明提供的这种所述电能表外置断路器的控制装置的控制方法，包括如下步骤：

S1. 控制器获取接收到的电能表动作信息；所述动作信息包括断电指令和合闸复电指令；

S2. 控制器根据接收到的信息，控制启动开关管导通与芯片供电电路开关管截止，功率变换电路开始工作，功率变换器工作后，断开启动开关管，接着控制器发出电机转动指令，从而控制电机转动，完成相应的合闸或断开指令；

S3. 检测电路实时检测电机的转动状态，并将检测信息发送到控制器；

S4. 控制器根据检测电路的检测信息判断电机的状态：若电机已运动到位，则控制电路发出停转指令，电机停止转动，此时控制器发出进入低功耗模式，通过将芯片供电电路短路，功率变换电路停止工作，进入低功耗模式。

Claims (7)

1.一种电能表外置断路器的控制装置，包括整流电路，稳压电路、变压器、电机驱动电路、电机、检测电路、控制器、控制电路、芯片供电电路和功率变换电路，其特征在于还包括启动开关管和供电开关管；整流电路的输出端直接连接变压器原边的一端；稳压电路并联在整流电路输出端与地之间，用于对输入到后级的电压进行稳压；稳压电路还输出一路稳定的电压信号，同时连接到启动开关管的活动端一端和控制电路，并提供稳定的电压信号；启动开关管的活动端的另一端通过启动电路连接到供电开关管的活动端的另一端，同时也连接到芯片供电电路的电源端；控制器根据检测电路的信号输出控制信号，通过控制电路产生两路驱动信号，分别控制启动开关管和供电开关管的开通和关断；供电开关管的活动端一端接地，另一端通过芯片供电电路和功率变换电路连接变压器的原边的另一端；

所述的控制电路包括供电开关管限流电阻、启动开关管限流电阻、第一开关管限流电阻、第一开关管上拉电阻、第一开关管下拉电阻、第二开关管限流电阻、第二开关管下拉电阻、第二开关管上拉电阻、齐纳二极管、第一开关管和第二开关管；稳压电路输出的稳定的电压信号直接连接启动开关管的活动端一端，同时也通过第二开关管上拉电阻连接第二开关管的活动端一端；第二开关管的活动端一端还通过启动开关管限流电阻连接启动开关管的控制端；齐纳二极管并连接第二开关管的活动端两端；第二开关管的活动端另一端直接接地；第二开关管的控制端通过第二开关管下拉电阻接地，同时还直接连接第一开关管的活动端一端；第一开关管的活动端一端通过第二开关管限流电阻连接稳压电路的输出端；第一开关管的活动端的另一端直接接地；第一开关管的控制端通过第一开关管下拉电阻接地，也通过第一开关管上拉电阻连接稳压电路的输出端，还通过第一开关管限流电阻连接控制器；供电开关管的控制端也通过供电开关管限流电阻连接控制器。

2.根据权利要求1所述的电能表外置断路器的控制装置，其特征在于还包括滤波电容，滤波电容并联在整流电路输出端与地之间，用于滤除电路中的杂波和抑制浪涌电流。

3.根据权利要求1或2所述的电能表外置断路器的控制装置，其特征在于所述的稳压电路包括热敏电阻、若干个分压电阻、齐纳二极管和滤波电容；热敏电阻串接在整流电路的输出端；若干个分压电阻并接在热敏电阻的输出端和地之间，用于将整流电路的输出端电压进行分压，并输出一路分压后的电源信号；齐纳二极管并联在输出的分压电源信号和地之间，用于防止稳压电路输出信号的电压过高；滤波电容与齐纳二极管并联，用于滤波。

4.根据权利要求3所述的电能表外置断路器的控制装置，其特征在于所述的启动电路包括第一二极管和启动电阻，第一二极管和启动电阻串接在启动开关管的活动端的另一端；启动开关管的活动端的另一端通过所述启动电路连接到供电开关管的活动端的另一端，同时也连接到芯片供电电路的电源端。

5.根据权利要求4所述的电能表外置断路器的控制装置，其特征在于所述的功率变换电路包括包括型号为SH1601的集成开关管控制芯片电路和功率变换开关管组成的电路；所述芯片的电源引脚直接与启动电路的输出端连接。

6.根据权利要求5所述的电能表外置断路器的控制装置，其特征在于由串接的二极管和限流电阻以及滤波电容组成；二极管和限流电阻串接在变压器的副边绕组与芯片的电源引脚之间；滤波电容连接芯片的电源引脚和地。

7.一种权利要求1~6之一所述的电能表外置断路器的控制装置的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

S1. 控制器获取接收到的电能表动作信息；所述动作信息包括断电指令和合闸复电指令；

S2. 控制器根据接收到的信息，控制启动开关管导通与芯片供电电路开关管截止，功率变换电路开始工作，功率变换器工作后，断开启动开关管，接着控制器发出电机转动指令，从而控制电机转动，完成相应的合闸或断开指令；

S3. 检测电路实时检测电机的转动状态，并将检测信息发送到控制器；

S4. 控制器根据检测电路的检测信息判断电机的状态：若电机已运动到位，则控制电路发出停转指令，电机停止转动，此时控制器发出进入低功耗模式，通过将芯片供电电路短路，功率变换电路停止工作，进入低功耗模式。