CN110931277B - 一种无变压器电机式断路器及其分合闸控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无变压器电机式断路器及其分合闸控制方法，无变压器电机式断路器包括电源模块、MCU模块、电机驱动模块、信号采集模块和隔离485接口模块，电源模块分别与MCU模块、电机驱动模块、信号采集模块、隔离485接口模块电信号连接；电源模块包括取电单元、雷击浪涌抑制单元、主电源、485电源和MCU电源。本发明的无变压器电机式断路器采用降压式无隔离的变换电路，能够提供过温、过流、过压、欠压等完善的保护功能；无变压器电机式断路器的分合闸控制方法具有故障处理的多冗余保护和故障的预警和报警功能，能够确保电机正常完成合闸或分闸动作，有效减少断路器的使用缺陷，保障使用安全。

Description

一种无变压器电机式断路器及其分合闸控制方法

技术领域

本发明涉及智能断路器技术领域，尤其涉及一种带485接口的无变压器电机式断路器及其分合闸控制方法。

背景技术

从2015年开始启动的电表外置式断路器，使得基于电机控制断路器合闸/分闸的机构经过了市场验证，并趋于稳定。请参见图1，图1为电表外置式断路器与电表之间的接口关系与控制关系图，电表外置式断路器与电表之间具有以下特点：

1、一对一配合使用

2、信号关系为：控制信号和反馈信号，信号为AC220V。

电表外置式断路器的机构由早期的小电机与金属齿轮组合体改成了成本更低的大电机与塑料齿轮组合体，虽然降低了成本，但牺牲了电控板的空间。同时，在电表外置式断路器的实际使用过程中，也暴露出一些使用缺陷，使用缺陷着重表现在断路器的合闸和分闸是采用电机控制的，前期表现出来的问题有：

1、执行合闸指令时，电机容易运行一半就停止，导致手柄处于线路分断与接通之间，因为电机已经锁死，导致人工操作不了手柄；

2、电机逆时针运转到合闸位置开关实现合闸—接通线路，继续运转到分闸位置实现分闸—分断线路，出现断路器执行合闸或分闸指令时，电机不停机的情况，造成断路器线路在接通与分断之间来回切换，用户无法正常用电。

另外，现有的重合闸断路器大多通过采集断路器出线端有无电压来判断断路器接通/分断状态，这一判断方式存在一定的缺陷，尤其是对于容性负载，会存在判断延时，且延时时间随负载变化。对于采用上述判断方法的1P和3P断路器，负载为阻性负载时还存在通路。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种无变压器电机式断路器及其分合闸控制方法，确保电机正常完成合闸或分闸动作。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种无变压器电机式断路器，包括电源模块、MCU模块、电机驱动模块、信号采集模块、隔离485接口模块和光耦隔离电路，所述电源模块分别与所述MCU模块、所述电机驱动模块、所述信号采集模块、所述隔离485接口模块电信号连接；所述电源模块包括取电单元、雷击浪涌抑制单元、主电源、485电源和MCU电源，所述取电单元的输出端连接所述雷击浪涌抑制单元的输入端，所述雷击浪涌抑制单元的输出端连接所述主电源的输入端，所述主电源分别连接所述485电源、所述MCU电源，所述485电源用于为所述隔离485接口模块供电，所述MCU电源用于为所述MCU模块供电；所述电源模块与所述MCU模块连接后，与所述光耦隔离电路连接。

优选地，所述电源模块采用降压式无隔离的变换电路，即Buck电路。

优选地，所述取电单元包括内部取电单元和侧板取电单元。

优选地，所述雷击浪涌抑制单元包括高能压敏、限流电阻和耐压二极管，所述高能压敏并联在所述取电单元的输出端，所述限流电阻、所述耐压二极管串联在所述高能压敏之后的电路中。

优选地，所述主电源包括Π型滤波电路、主芯片和输出电路，所述Π型滤波电路的输入端连接所述雷击浪涌抑制单元的输出端，所述Π型滤波电路的输出端连接所述主芯片的输入端，所述输出电路的输入端连接所述主芯片的输出端。

优选地，所述电机驱动模块包括电机和电机驱动芯片，所述电机驱动芯片分别与所述MCU模块、所述电机电性连接，所述电机驱动芯片用于控制所述电机的启停或正反转；

优选地，所述电机的额定电压为DC12V，额定电流为230mA，额定转速≥16000rpm，额定负载10g·cm，启动负载≥35g·cm；所述电机驱动芯片采用PN7705型芯片。

根据本发明的另一面，提供一种无变压器电机式断路器的分合闸控制方法，包括合闸控制方法、分闸控制方法和解锁控制方法。

所述合闸控制方法如下：读取断路器反馈，MCU模块根据其输出端的低电平宽度来判断断路器是否接通，若断路器处于接通状态，则合闸控制操作完毕；若断路器未接通，则设置合闸超时时间，逆时针启动电机；若电机驱动芯片报警，则取消MCU输出控制，延时3s，调整合闸超时时间，若合闸超时时间＜15s，则重新逆时针启动电机，直到电机驱动芯片不再报警，执行合闸操作；若合闸超时时间≥15s，则发出异常标志1，并停止电机。

所述分闸控制方法如下：读取断路器反馈，MCU模块根据其输出端的低电平宽度来判断断路器是否分断，若断路器处于分断状态，则分闸控制操作完毕；若断路器未分断，则设置分闸超时时间，逆时针启动电机；若电机驱动芯片报警，则取消MCU输出控制，延时3s，调整分闸超时时间，若分闸超时时间＜10s，则重新逆时针启动电机，直到电机驱动芯片不再报警，执行分闸操作；若分闸超时时间≥10s，则发出异常标志3，并停止电机。

所述解锁控制方法如下：读取断路器反馈，MCU模块根据其输出端的低电平宽度来判断断路器是否接通，若断路器处于接通状态，则解锁控制操作完毕；若断路器未接通，则设置解锁超时时间，顺时针启动电机；若电机驱动芯片报警，则取消MCU输出控制，延时3s，调整解锁超时时间，若解锁超时时间＜10s，则重新顺时针启动电机，直到电机驱动芯片不再报警，执行解锁操作；若解锁超时时间≥10s，则发出异常标志5，并停止电机。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)电源模块采用降压式无隔离的变换电路，即Buck电路，采用无变压器的电源设计，能够提供过温、过流、过压、欠压等完善的保护功能，具有集成度高、体积小、外围器件少、低成本的优势；

(2)MCU模块连接有光耦隔离电路，解决了阻性负载存在通路的问题；采用MCU半波检测方式，通过波形判断解决容性负载延时的问题；

(3)无变压器电机式断路器的分合闸控制方法对电机启动后的停止条件设置了电机运转位置信号(合闸和分闸位置信号)、线路接通/分断状态信号、电机运转超时(合闸超时、分闸超时、解锁超时)和PN7705故障处理的多冗余保护和故障的预警和报警，有效减少断路器的使用缺陷，保障使用安全。

附图说明

图1为电表外置式断路器与电表之间的接口关系与控制关系图；

图2为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的各模块连接结构示意图；

图3为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的电源模块的结构示意图；

图4为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的电源模块的电路原理图；

图5为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的合闸控制方法的流程图；

图6为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的合闸控制方法的电机运转图；

图7为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的分闸控制方法的流程图；

图8为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的分闸控制方法的电机运转图；

图9为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的解锁控制方法的流程图；

图10为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的解锁控制方法的电机运转图。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

请结合参见图2至图4，图2为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的各模块连接结构示意图；图3为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的电源模块的结构示意图；图4为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的电源模块的电路原理图。

本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器，包括电源模块10、MCU模块20、电机驱动模块30、信号采集模块40和隔离485接口模块50，电源模块10分别与MCU模块20、电机驱动模块30、信号采集模块40、隔离485接口模块50电信号连接，MCU模块20用于实现远程通信和作为控制中心，电机驱动模块30用于驱动电机实现断路器分闸、合闸操作，信号采集模块40用于采集断路器信号，隔离485接口模块50用于将断路器通过485总线与其他设备连接，实现物与物之间的信息互通。本发明采用无变压器的电源设计，能够提供过温、过流、过压、欠压等完善的保护功能，具有集成度高、体积小、外围器件少、低成本的优势。

优选地，请参见图4，电源模块10采用降压式无隔离的变换电路，即Buck电路。电源模块10包括取电单元11、雷击浪涌抑制单元12、主电源13、485电源14和MCU电源15，取电单元11的输出端连接雷击浪涌抑制单元12的输入端，雷击浪涌抑制单元12的输出端连接主电源13的输入端，主电源13分别连接485电源14、MCU电源15，485电源14与隔离485接口模块50电性连接，485电源14用于为隔离485接口模块50供电；MCU电源15与MCU模块20电性连接，MCU电源15用于为MCU模块20供电。

优选地，取电单元11包括内部取电单元111(L、N)和侧板取电单元112(J1)，能够兼容2P断路器。

雷击是很普通的物理现象，据统计，全世界有四万多个雷暴中心，每天大约有八百万次雷击发生，这意味着每秒钟至少有一百次雷击。此外，输出电路中的开关动作也能产生许多高能量的脉冲，它们对电子设备的可靠性有很大的影响。在电子设计中，浪涌主要指的是电源刚开通的那一瞬息产生的强力脉冲，由于电路本身的线性有可能高于电源本身的脉冲；或者由于电源或电路中其它部分受到本身或外来尖脉冲干扰叫做浪涌，它很可能使电路在浪涌的一瞬间烧坏，如PN结电容击穿，电阻烧断等等。因此，为了保障使用安全和延长断路器的使用寿命，本发明的断路器设计有雷击浪涌抑制单元12，雷击浪涌抑制单元12包括高能压敏RY1、限流电阻R1和耐压二极管D1，高能压敏RY1并联在取电单元11的输出端，限流电阻R1、耐压二极管D1串联在高能压敏之后的电路中，耐压二极管(6000V)能够实现半波整流功能。雷击浪涌抑制单元12能够有效地吸收突发的巨大能量，以保护断路器免于受损。

优选地，主电源13包括Π型滤波电路、主芯片U1和输出电路，Π型滤波电路的输入端连接雷击浪涌抑制单元12的输出端，Π型滤波电路的输出端连接主芯片U1的输入端，输出电路的输入端连接主芯片U1的输出端。本发明实施例1中，Π型滤波电路由电容C1、电感L1和电容C2组成Π型电路结构，其中电容C1的电容量为10uF，电感L1的电感量为1mH，电容C2的电容量为10uF，Π型滤波电路能够进行滤波，保证电路稳定；由于单相(1P、2P、4P)断路器电源应用于AC220V的环境，三相三线(3P)应用于AC380V的环境，因此在选择降压式无隔离的变换电路(Buck电路)需要选择不低于800V的内置MOSFET芯片。综合各项参数考量，本发明实施例1的断路器中，主芯片U1采用无锡芯朋微电子股份有限公司的PN8016芯片，PN8016芯片采用电流模式PWM控制方式，提供过温、过流、过压、欠压等完善的保护功能，具有集成度高、体积小、外围器件少的优点，且已国产化，具有低成本优势，已广泛应用于小家电领域。本发明采用PN8016芯片，PN8016芯片内置800VMOSFET，输出电压12V，输出电流300mA，集成度高、体积小、成本低。本发明采用PN8016实现AC220V到DC12V的无变压器降压变换，R2和R3通过PN8016的FB端口定义主芯片的输出，即：

Vout＝2.5*(R2+R3)/R2＝2.5*(20+5.1)/5.1＝12.30392V

围绕主芯片U1(PN8016)配置的电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、二极管D2、二极管D3、初级电感T1、电阻R5、电阻R6构成输出12V、300mA的输出电路，利用PN8016芯片电流模式的PWM控制方式使用微型变压器T1为隔离485接口模块50提供DC5V隔离电源，避免断路器受到现场总线上多台设备的干扰，保障使用安全。

优选地，电机驱动模块30包括电机31和电机驱动芯片32，电机驱动芯片32分别与MCU模块20、电机31电性连接，电机驱动芯片32用于控制电机31的启停或正反转；进一步的，电机驱动模块30的选择需要与电源模块10的功率相匹配，综合各项考量，本发明实施例1中，电机31的额定电压为DC12V，额定电流为230mA，额定转速≥16000rpm，额定负载10g·cm，启动负载≥35g·cm；电机驱动芯片32采用PN7705型芯片，PN7705型芯片集成了欠压保护、过温保护、输出短路保护和外部可调节驱动限流等功能，并且可以将错误状态反馈给MCU模块20，保障电机安全工作。

现有的重合闸断路器大多通过采集断路器出线端有无电压来判断断路器接通/分断状，这一判断方式存在缺陷，尤其是对于容性负载，会存在判断延时，且延时时间随负载变化。另外若1P和3P断路器采用这种方式，当为阻性负载时还存在通路。针对上述问题，本发明的断路器中，电源模块10与MCU模块20连接后，还连接有光耦隔离电路60，采用MCU半波检测的方式来采集断路器的接通或分断状态信号，不仅解决了阻性负载存在通路的问题，还利用MCU半波检测方式解决容性负载判断延时的问题。

根据本发明的另一面，提供一种无变压器电机式断路器的分合闸控制方法，请结合参见图5至图10，图5为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的合闸控制方法的流程图；图6为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的合闸控制方法的电机运转图；图7为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的分闸控制方法的流程图；图8为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的分闸控制方法的电机运转图；图9为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的解锁控制方法的流程图；图10为本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的解锁控制方法的电机运转图。

本发明实施例1的一种无变压器电机式断路器的分合闸控制方法包括合闸控制方法、分闸控制方法和解锁控制方法。

请结合参见图5和图6，合闸控制方法如下：读取断路器反馈，MCU模块根据其输出端的低电平宽度来判断断路器是否接通，若断路器处于接通状态，则合闸控制操作完毕；若断路器未接通，则设置合闸超时时间，逆时针启动电机；若电机驱动芯片报警，则取消MCU输出控制，延时3s，调整合闸超时时间，若合闸超时时间＜15s，则重新逆时针启动电机，直到电机驱动芯片不再报警，执行合闸操作；若合闸超时时间≥15s，则发出异常标志1，并停止电机。

请结合参见图7和图8，分闸控制方法如下：读取断路器反馈，MCU模块根据其输出端的低电平宽度来判断断路器是否分断，若断路器处于分断状态，则分闸控制操作完毕；若断路器未分断，则设置分闸超时时间，逆时针启动电机；若电机驱动芯片报警，则取消MCU输出控制，延时3s，调整分闸超时时间，若分闸超时时间＜10s，则重新逆时针启动电机，直到电机驱动芯片不再报警，执行分闸操作；若分闸超时时间≥10s，则发出异常标志3，并停止电机。

请结合参见图9和图10，解锁控制方法如下：读取断路器反馈，MCU模块根据其输出端的低电平宽度来判断断路器是否接通，若断路器处于接通状态，则解锁控制操作完毕；若断路器未接通，则设置解锁超时时间，顺时针启动电机；若电机驱动芯片报警，则取消MCU输出控制，延时3s，调整解锁超时时间，若解锁超时时间＜10s，则重新顺时针启动电机，直到电机驱动芯片不再报警，执行解锁操作；若解锁超时时间≥10s，则发出异常标志5，并停止电机。

电机处于合闸位置时，若接收到分闸控制信号，则电机逆时针从合闸位置转动至分闸位置，完成分闸操作，同时进行分闸锁定，此时，利用断路器手柄不能将断路器接通；电机处于合闸位置时，若接收到解锁控制信号，则电机从合闸位置逆时针转动至分闸位置，再从分闸位置顺时针转动至合闸位置，完成解锁操作，解锁状态时，利用断路器手柄能够将断路器分断或接通；电机处于分闸位置时，若接收到合闸控制信号，则电机逆时针从分闸位置转动至合闸位置，完成合闸操作。

上述流程对电机启动后的停止条件设置了电机运转位置信号(合闸和分闸位置信号)、线路接通/分断状态信号、电机运转超时(合闸超时、分闸超时、解锁超时)和PN7705故障处理的多冗余保护和故障的预警和报警。

综上所述，本发明提供一种无变压器电机式断路器及其分合闸控制方法，无变压器电机式断路器的电源模块采用降压式无隔离的变换电路，即Buck电路，采用无变压器的电源设计，能够提供过温、过流、过压、欠压等完善的保护功能，具有集成度高、体积小、外围器件少、低成本的优势；MCU模块连接有光耦隔离电路，解决了阻性负载存在通路的问题；采用MCU半波检测方式，通过波形判断解决容性负载延时的问题；无变压器电机式断路器的分合闸控制方法对电机启动后的停止条件设置了电机运转位置信号(合闸和分闸位置信号)、线路接通/分断状态信号、电机运转超时(合闸超时、分闸超时、解锁超时)和PN7705故障处理的多冗余保护和故障的预警和报警，有效减少断路器的使用缺陷，保障使用安全。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种无变压器电机式断路器，其特征在于：包括电源模块、MCU模块、电机驱动模块、信号采集模块、隔离485接口模块和光耦隔离电路，所述电源模块分别与所述MCU模块、所述电机驱动模块、所述信号采集模块、所述隔离485接口模块电信号连接；所述电源模块包括取电单元、雷击浪涌抑制单元、主电源、485电源和MCU电源，所述取电单元的输出端连接所述雷击浪涌抑制单元的输入端，所述雷击浪涌抑制单元的输出端连接所述主电源的输入端，所述主电源分别连接所述485电源、所述MCU电源，所述485电源用于为所述隔离485接口模块供电，所述MCU电源用于为所述MCU模块供电；所述电源模块与所述MCU模块连接后，与所述光耦隔离电路连接。

2.如权利要求1所述的无变压器电机式断路器，其特征在于：所述电源模块采用降压式无隔离的变换电路，即Buck电路。

3.如权利要求1所述的无变压器电机式断路器，其特征在于：所述取电单元包括内部取电单元和侧板取电单元。

4.如权利要求1所述的无变压器电机式断路器，其特征在于：所述雷击浪涌抑制单元包括高能压敏、限流电阻和耐压二极管，所述高能压敏并联在所述取电单元的输出端，所述限流电阻、所述耐压二极管串联在所述高能压敏之后的电路中。

5.如权利要求1所述的无变压器电机式断路器，其特征在于：所述主电源包括Π型滤波电路、主芯片和输出电路，所述Π型滤波电路的输入端连接所述雷击浪涌抑制单元的输出端，所述Π型滤波电路的输出端连接所述主芯片的输入端，所述输出电路的输入端连接所述主芯片的输出端。

6.如权利要求1所述的无变压器电机式断路器，其特征在于：所述电机驱动模块包括电机和电机驱动芯片，所述电机驱动芯片分别与所述MCU模块、所述电机电性连接，所述电机驱动芯片用于控制所述电机的启停或正反转。

7.如权利要求6所述的无变压器电机式断路器，其特征在于：所述电机的额定电压为DC12V，额定电流为230mA，额定转速≥16000rpm，额定负载10g·cm，启动负载≥35g·cm；所述电机驱动芯片采用PN7705型芯片。

8.一种无变压器电机式断路器的分合闸控制方法，其特征在于：包括合闸控制方法、分闸控制方法和解锁控制方法；

所述合闸控制方法如下：读取断路器反馈，MCU模块根据其输出端的低电平宽度来判断断路器是否接通，若断路器处于接通状态，则合闸控制操作完毕；若断路器未接通，则设置合闸超时时间，逆时针启动电机；若电机驱动芯片报警，则取消MCU输出控制，延时3s，调整合闸超时时间，若合闸超时时间＜15s，则重新逆时针启动电机，直到电机驱动芯片不再报警，执行合闸操作；若合闸超时时间≥15s，则发出异常标志1,并停止电机；

所述分闸控制方法如下：读取断路器反馈，MCU模块根据其输出端的低电平宽度来判断断路器是否分断，若断路器处于分断状态，则分闸控制操作完毕；若断路器未分断，则设置分闸超时时间，逆时针启动电机；若电机驱动芯片报警，则取消MCU输出控制，延时3s，调整分闸超时时间，若分闸超时时间＜10s，则重新逆时针启动电机，直到电机驱动芯片不再报警，执行分闸操作；若分闸超时时间≥10s，则发出异常标志3，并停止电机；

所述解锁控制方法如下：读取断路器反馈，MCU模块根据其输出端的低电平宽度来判断断路器是否接通，若断路器处于接通状态，则解锁控制操作完毕；若断路器未接通，则设置解锁超时时间，顺时针启动电机；若电机驱动芯片报警，则取消MCU输出控制，延时3s，调整解锁超时时间，若解锁超时时间＜10s，则重新顺时针启动电机，直到电机驱动芯片不再报警，执行解锁操作；若解锁超时时间≥10s，则发出异常标志5，并停止电机。

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