CN206022274U - 一种断路器及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种断路器及其控制装置。所述断路器包括电机传动机构，所述电机传动机构用于将开关触头闭合或者分离。该电机传动机构包括蜗杆、第一双联斜齿轮、第二双联齿轮、第三双联齿轮和不完全齿轮；其中，所述第一双联斜齿轮与设置在电机驱动轴上的齿轮啮合，所述第一双联斜齿轮与所述第二双联齿轮啮合，所述第二双联齿轮与所述第三双联齿轮啮合，第三双联齿轮与所述不完全齿轮啮合；所述蜗杆固定在所述不完全齿轮上。本实用新型可以兼顾断路器分闸或者合闸时的可靠性与稳定性。

Description

一种断路器及其控制装置

技术领域

本实用新型涉及智能电网技术领域，具体涉及一种断路器及其控制装置。

背景技术

随着国家对智能电网的投入，对国家电网的用电设备的标准也在制定，例如，电能表的断路器。因此需要根据新的用户设备的标准推出新的产品。

目前，对断路器的设计包括以下方式：“断路器+控制单元”：在断路器外部附加一个控制单元实现自动控制。该方式的优点在于利用现有断路器成熟的技术，减少开发成本。但是也附加的控制单元会增加断路器的体积，无法利用现有断路器的内部资源，造成资源浪费，导致设计成本增加。

以小型断路器为例：断路器的分闸动作主要依靠弹簧推动触头分离，由于分离带电回路时触点间会产生电弧。电弧会对触点产生较大吸力。为克服电弧的影响，弹簧通常输出较大力矩，使触点能快速分离以断开带电回路。分闸的关键在于脱扣，在断路器内部实现分闸控制，只需要设计一个动作装置即。另外还需要设置合闸控制，以克服弹簧的输出力矩。但是分闸与合闸同时实现(即可以实现分闸又可以合闸，但不是同时)时，则对该断路器的可靠性和稳定性带来不小的挑战。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供一种断路器及其控制装置，可以兼顾断路器分闸或者合闸时的可靠性与稳定性。

第一方面，本实用新型提供了一种断路器，包括电机传动机构，所述电机传动机构用于将开关触头闭合或者分离。

可选地，所述电机传动机构包括蜗杆、第一双联斜齿轮、第二双联齿轮、第三双联齿轮和不完全齿轮；其中，所述第一双联斜齿轮与设置在电机驱动轴上的蜗杆啮合，所述第一双联斜齿轮与所述第二双联齿轮啮合，所述第二双联齿轮与所述第三双联齿轮啮合，第三双联齿轮与所述不完全齿轮啮合。

可选地，所述不完全齿轮与所述第一双联斜齿轮的传动比为419.3。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种用于上文所述的断路器的控制装置，包括：传动机构控制模块、电源模块和状态检测模块；

所述状态检测模块连接所述传动机构控制模块，用于获取开关触头状态、脱扣装置状态并反馈给所述传动机构控制模块；

所述传动机构控制模块连接所述电源模块，用于根据所述开关触头状态以及所述脱扣装置状态生成控制指令，并将所述控制指令发送给所述电源模块；

所述电源模块连接电机传动机构，用于根据所述控制指令输出预设转矩以控制电机传动机构动作以将开关触头驱动到预设位置。

可选地，还包括待机电源模块，所述待机电源模块用于在储能完成时通过短时间放电驱动所述电源模块工作，以使所述断路器闭合。

可选地，所述待机电源模块包括第一二极管V1、第二二极管V2、第三二极管V3、稳压二极管V4、第一晶体管V5、第二晶体管V6、第四二极管V7、第五二极管V8、第三晶体管V9、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻F5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R11、第十电阻R12；其中

第一电阻R1与第六电阻R6构成分压电路，该分压电路的第一端连接地，另一端连接第一电源线L1；所述第六电阻R6的第二端连接第十电阻R12的第一端，第十电阻R12的第二端连接接线端子J4的第一输入端；

所述第三晶体管的基板连接所述第一电阻R6的第一端与所述第一电阻R1的第二端，集电极通过第八电阻连接5V电源，发射极连接地；

所述接线端子J4的第二输入端同时连接第一二极管V1、第二二极管V2、第三二极管V3的阳极；所述第二二极管的阴极通过所述第二电阻R2后连接第六晶体管V6的集电极、第六电容C6的第一极、第五电阻的第二端以及第一晶体管V5的基极；

所述第一二极管V1的阴极连接所述第九电阻R11的第二端以及所述第七电阻R7的第一端；所述第七电阻R7的第二端同时连接所述第一电容C1的第一极、第三电阻R3的第二端以及稳压二极管V4的阴极；所述第一电容C1的第二极、第三电阻R3的第一端以及稳压二极管V4的阳极同时连接至所述第五二极管V8的阳极；所述第五二极管V8的阴极接地；

所述第六晶体管V6的基极连接所述稳压二极管V4的阳极，同时经过第二电容C2后接地，其发射极接地；

所述第六电容C6的第二极接地，所述第五电阻R5的第一端接地；所述第一晶体管V5的发射极接地，其集电极连接第一继电器K1的第二电源输入端；所述第一继电器K1的第一电源输入端连接所述第四二极管V7的阴极，所述第四二极管V7的阳极连接第二继电器的常闭触点。

由上述技术方案可知，本实用新型通过设置电机传动机构与控制装置，可以控制开关触头闭合或者分离。本实用新型提供的断路器以及控制装置结构简单，同时可以兼顾断路器分闸或者合闸时的可靠性与稳定性。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本实用新型的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本实用新型进行任何限制，在附图中：

图1是本实用新型实施例提供的一种断路器的传动机构的侧面示意图；

图2是本实用新型实施例提供的控制装置的结构框图；

图3是本实用新型实施例提供的控制装置初始化流程示意图；

图4是断路器处于合闸状态的处理流程示意图；

图5是断路器处于中间位置状态的处理流程示意图；

图6是断路器处于分闸状态的处理流程示意图；

图7是待机电源模块的电路图；

图8是电源模块的电路图；

图9是开关状态监测模块工作流程示意图；

图10是状态反馈模块的工作流程示意图；

图11是瞬时冻结状态反馈流程示意图；

图12是冻结处理阶段流程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供了一种断路器，如图1所示，包括电机传动机构，所述电机传动机构用于将开关触头闭合或者分离。本实用新型实施例中电机传动机构包括蜗杆a、第一双联斜齿轮b、第二双联齿轮c、第三双联齿轮d和不完全齿轮e；其中，第一双联斜齿轮b与设置在电机驱动轴上蜗杆a啮合，第一双联斜齿轮b与第二双联齿轮c啮合，第二双联齿轮c与第三双联齿轮d啮合，第三双联齿轮d与不完全齿轮e啮合。

本实用新型实施例中齿轮参数如表1所示：

表1各部分参数

项目名称	齿数和模数
		蜗杆头数(模数)	1(0.4mm)
第一双联斜齿轮	26(13)/0.4mm
		第二双联齿轮	37(12)/0.4mm(0.5mm)
第三双联齿轮	28(14)/0.5mm(0.6mm)
		不完全齿轮	22/0.6mm

本实用新型实施例中括号内为双联斜齿轮或者双联齿轮的小齿轮的齿数和模数，括号外面是大齿轮的齿数与模数。

通过表1可以计算齿轮的传动比：

假设第一双联斜齿轮、第二双联齿轮、第三双联齿轮和不完全齿轮正常使用时的最低效率分别为0.4、0.75、0.75、0.75；分合闸拉杆(图中未示出)半径为15mm，则到达最后一级的空载转矩：

T₂＝419.3×1.43×0.4×0.75×0.75×0.75＝101.2N。 (2)

合闸阻尼力矩T₃，合闸时电机负载转矩为T₅，则合闸时：

T₂-T₃＝419.3×T₅×0.4×0.75×0.75×0.75； (3)

根据式(3)可以得到电机负载转矩为T₅。然后再根据式(4)：

T₅＝9550×P/n₅； (4)

式(4)中n₅为电机负载转速，P为电机功率(kW)。

利用式(5)可以计算分合闸时拉杆的角速度ω₁：

进而可以得到合闸的时间t₁。

分闸时，分闸时电机负载转矩为T₆，可以通过式(6)计算T₆：

T₂+T₄＝419.3×T₆×0.4×0.75×0.75×0.75； (6)

式(6)中T₄为分闸从动力，未知。

根据式(7)计算电机负载转速n₆；

T₆＝9550×P/n₆； (7)

进而得到分闸时的角速度ω₂：

根据角速度ω₂可以得到分闸时间t₂。

本实用新型实施例中分合闸拉杆转角为θ₁，不完全齿轮转角θ₂，每次分闸到位或者合闸到位回转一定角度θ₃，以方便下次动作和切换到手动动作留有空间。这个角度θ₃以不完全齿轮的一半为最优，那么到下一次合闸或者分闸到位，该不完全齿轮将转到

空载情况下不完全齿轮转速

t＝0.42s即空载状态下，分合闸所需时间0.42s。

本实用新型实施例中，电机选用直流电机。位置传感器采用红外发射管与接收管，其中红外发射管型号为IR26-21C/L110/TR8，接收管型号：PT26-21B-TR8。并且发射管散射角度为±15°。该发射管与接收管并排焊接在电路板上，中心间距为2.3mm。不完全齿轮上设置有一块直径为2mm的铜箔用于反射红外光，进而实现位置控制。

当不完全齿轮转到预设位置时，对应的红外接收管接收到反射的红外光，产生电平变化，经过运放门限电路，产生0或者1的高低电平信号给单片机。

本实用新型实施例中电机驱动芯片选用BD6221F，单片机选用R5F10268实现。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种用于断路器的控制装置，如图2所示，包括：传动机构控制模块1、电源模块2和状态检测模块4；

状态检测模块4连接传动机构控制模块1，用于获取开关触头状态、脱扣装置状态并反馈给传动机构控制模块1；

传动机构控制模块1连接电源模块2，用于根据开关触头状态以及脱扣装置状态生成控制指令，并将控制指令发送给电源模块2；

电源模块连接电机传动机构3，用于根据控制指令输出预设转矩以控制电机传动机构3动作以将开关触头驱动到预设位置。

本实用新型实施例中电机的预设位置包括合闸位置、中间位置和分闸位置。如图3所示，传动机构控制模块在每次上电初始化时，获取由红外发射管与接收管检测的开关触头、动作机构以及状态检测模块的当前状态，并判定断路器当前所处状态。根据判定结果(合闸位置、中间位置、分闸位置或者其他位置)执行相应的处理流程。

如图4所示，当处于合闸位置时判断开关反馈状态，若开关反馈状态断开时，则反转电机。若开关反馈状态闭合时，继续判断电机是否处于正转状态，若电机正转则停止电机结束流程；若电机不是正转则判断电机是否处于反转状态，若处于反转状态，则保持电机的当前状态结束流程。若电机状态不是反转则判断电机是否处于停止状态，若停止则结束流程，若电机停止则使电机反转再结束流程。

如图5所示，当处于中间位置时判断开关反馈状态是否闭合，闭合则使电机反转然后结束流程；若断开则结束流程，若未断开则停止电机，并将开关状态初始化成功标志置1。

如图6所示，当处于分闸位置时判断电机状态是否正转，则是机状态为正转则保持电机的当前状态然后结束流程。否则判断电机状态是否处于反转状态，如果电机处于反转状态则保持电机反转状态然后结束流程。否则判断电机状态是否处于停止状态，则保持电机反转状态然后结束流程。如果电机状态不是停止状态则结束流程。

进一步地，本实用新型实施例还包括待机电源模块5。待机电源模块5用于在储能完成时通过短时间放电驱动电源模块2工作，以使断路器闭合。如图7所示，待机电源模块5包括第一二极管V1、第二二极管V2、第三二极管V3、稳压二极管V4、第一晶体管V5、第二晶体管V6、第四二极管V7、第五二极管V8、第三晶体管V9、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻F5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R11、第十电阻R12；其中，

第一电阻R1与第六电阻R6构成分压电路，该分压电路的第一端连接地，另一端连接第一电源线L1；所述第六电阻R6的第二端连接第十电阻R12的第一端，第十电阻R12的第二端连接接线端子J4的第一输入端；

所述第三晶体管的基板连接所述第一电阻R6的第一端与所述第一电阻R1的第二端，集电极通过第八电阻连接5V电源，发射极连接地；

所述接线端子J4的第二输入端同时连接第一二极管V1、第二二极管V2、第三二极管V3的阳极；所述第二二极管的阴极通过所述第二电阻R2后连接第六晶体管V6的集电极、第六电容C6的第一极、第五电阻的第二端以及第一晶体管V5的基极；

所述第一二极管V1的阴极连接所述第九电阻R11的第二端以及所述第七电阻R7的第一端；所述第七电阻R7的第二端同时连接所述第一电容C1的第一极、第三电阻R3的第二端以及稳压二极管V4的阴极；所述第一电容C1的第二极、第三电阻R3的第一端以及稳压二极管V4的阳极同时连接至所述第五二极管V8的阳极；所述第五二极管V8的阴极接地；

所述第六晶体管V6的基极连接所述稳压二极管V4的阳极，同时经过第二电容C2后接地，其发射极接地；

所述第六电容C6的第二极接地，所述第五电阻R5的第一端接地；所述第一晶体管V5的发射极接地，其集电极连接第一继电器K1的第二电源输入端；所述第一继电器K1的第一电源输入端连接所述第四二极管V7的阴极，所述第四二极管V7的阳极连接第二继电器的常闭触点。

本实用新型实施例中第一二极管V1、第二二极管V2、第三二极管V3为半波整流二极管，将交流220V控制信号经过半波整流后给第一电容C1、第三电容C3充电。当稳压二极管V4两端的电压达到反向击穿电压时，第一晶体管V5、第二晶体管V6导通，传动机构控制模块1发出的控制信号T形成回路控制继电器K1(型号JZC-49F)的分合，从而达到控制电机的目的。本实用新型实施例提供的待机电源分为待机状态和驱动状态，其输入电流小于1mA的交流电，在待机状态下，待机电源输出电压小于15V，输出电流小于0.5mA；在驱动状态输出电流不低于20mA，持续时间不低于20ms，期间电压跌落不高于8V。

本实用新型实施例提供的传动机构控制模块1采用STC15系列芯片，实现采集、记录开关的合闸分闸状态、控制状态等信息，能根据需要控制主电源的通断、驱动直流电动机执行相关的操作等。如图8所示，U1为STC15系列芯片，可以控制继电器K2的断开与闭合，从而控制待机电源触发信号T的输出。U3为7905TO-92型稳压集成电路，其主要作用是输出稳定的+5V电源，对电路进行热过载保护和短路保护。U1的第4管脚(P1.5)连接继电器K2线圈的一端(第8端)，第1管脚(T0/P1.2)通过电阻R9连接继电器K2线圈的另一端(第1端)以及5V电源，第3管脚(TOCLK/P1.4)通过电阻R10连接继电器K2线圈的另一端(第1端)以及5V电源(+5V1)。继电器K2的常开触点(第4端)同时连接第二接线端子J2的第一端、12V电源(+12V2)以及U3的输入端(第3管脚IN)。第二接线端子J2的第二端同时连接地(GND1)、U3的公共端GND以及电容C8的第一端。U3的输出端OUT连接5V电源(+5V1)与电容C8的第二端。

本实用新型实施例中电机传动机构3的详细说明请参见上文，在此不再赘述。

本实用新型实施例中开关触头、动作机构的状态采用开关状态监测模块(图中未示出)实现。该开关状态监测模块的工作流程如图9所示：

获取反馈输入状态，判断当前反馈输入状态与上一次反馈输入状态是否一致；当不一致时，记录当时时间，将更新上一次反馈输入状态为当前输入反馈输入状态；如果一致，则比较当前时间与记录时间差是否大于20ms，若不大于20ms则更新上一次反馈输入状态为当前输入反馈输入状态；如果大于20ms则更新反馈状态为当前反馈输入状态，然后更新上一次反馈输入状态为当前输入反馈输入状态结束流程。

本实用新型实施例提供的控制装置还包括状态反馈模块(图中未示出)，该状态反馈模块的工作流程如图10所示：

判断状态反馈是否完成，如果没有完成则判断状态反馈是否为瞬时冻结方式；如果不是瞬时冻结方式则执行设参冻结反馈流程；如果是瞬时冻结方式则执行瞬时冻结反馈流程；如果状态反馈已经完成则判断开关状态是否确定，如果没有确定则结束流程；如果开关状态已经确定则判断反馈状态与开关状态一致，如果一致则结束流程，如果不一致则启动反馈流程。

瞬时冻结状态反馈流程如图11所示：

判断是否处于冻结阶段，如果处于冻结阶段，则执行冻结阶段处理流程；如果没有处于冻结阶段则延时阶段A，如果反馈完成则标示位置位在延时1分钟到时切换到冻结阶段；如果没有延时阶段A则结束流程。

冻结处理阶段流程如图12所示：

判断是否处于启动发送阶段，如果开关断开或者延时1分钟标志到，则写入数据到发送缓冲区，启动发送冻结命令，切换到正在发送阶段。如果开关未断开或者延时1分钟标志未到则切换至延时阶段A。如果未处于启动发送阶段则正在发送阶段，如果处于该发送阶段，则判断发送是否完成，记录发送完时刻忙的到延时阶段B，如果没有发送完成则结束流程。如果未处于发送阶段，则判断是否处于延时阶段B，然后延时500ms，并切换到抄读阶段。本实用新型实施例中抄读阶段流程采用现有技术的方案实现，在此不再介绍。

在本实用新型中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (5)

1.一种断路器，其特征在于，包括电机传动机构，所述电机传动机构用于将开关触头闭合或者分离；所述电机传动机构包括蜗杆、第一双联斜齿轮、第二双联齿轮、第三双联齿轮和不完全齿轮；其中，所述第一双联斜齿轮与设置在电机驱动轴上的蜗杆啮合，所述第一双联斜齿轮与所述第二双联齿轮啮合，所述第二双联齿轮与所述第三双联齿轮啮合，第三双联齿轮与所述不完全齿轮啮合。

2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述不完全齿轮与所述第一双联斜齿轮的传动比为419.3。

3.一种用于权利要求1～2任意一项所述的断路器的控制装置，其特征在于，包括：传动机构控制模块、电源模块和状态检测模块；

所述状态检测模块连接所述传动机构控制模块，用于获取开关触头状态、脱扣装置状态并反馈给所述传动机构控制模块；

所述传动机构控制模块连接所述电源模块，用于根据所述开关触头状态以及所述脱扣装置状态生成控制指令，并将所述控制指令发送给所述电源模块；

所述电源模块连接电机传动机构，用于根据所述控制指令输出预设转矩以控制电机传动机构动作以将开关触头驱动到预设位置。

4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，还包括待机电源模块，所述待机电源模块用于在储能完成时通过短时间放电驱动所述电源模块工作，以使所述断路器闭合。

5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述待机电源模块包括第一二极管V1、第二二极管V2、第三二极管V3、稳压二极管V4、第一晶体管V5、第二晶体管V6、第四二极管V7、第五二极管V8、第三晶体管V9、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻F5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电 阻R11、第十电阻R12；其中

第一电阻R1与第六电阻R6构成分压电路，该分压电路的第一端连接地，另一端连接第一电源线L1；所述第六电阻R6的第二端连接第十电阻R12的第一端，第十电阻R12的第二端连接接线端子J4的第一输入端；

所述第三晶体管的基板连接所述第一电阻R6的第一端与所述第一电阻R1的第二端，集电极通过第八电阻连接5V电源，发射极连接地；

所述接线端子J4的第二输入端同时连接第一二极管V1、第二二极管V2、第三二极管V3的阳极；所述第二二极管的阴极通过所述第二电阻R2后连接第六晶体管V6的集电极、第六电容C6的第一极、第五电阻的第二端以及第一晶体管V5的基极；

所述第一二极管V1的阴极连接所述第九电阻R11的第二端以及所述第七电阻R7的第一端；所述第七电阻R7的第二端同时连接所述第一电容C1的第一极、第三电阻R3的第二端以及稳压二极管V4的阴极；所述第一电容C1的第二极、第三电阻R3的第一端以及稳压二极管V4的阳极同时连接至所述第五二极管V8的阳极；所述第五二极管V8的阴极接地；

所述第六晶体管V6的基极连接所述稳压二极管V4的阳极，同时经过第二电容C2后接地，其发射极接地；

所述第六电容C6的第二极接地，所述第五电阻R5的第一端接地；所述第一晶体管V5的发射极接地，其集电极连接第一继电器K1的第二电源输入端；所述第一继电器K1的第一电源输入端连接所述第四二极管V7的阴极，所述第四二极管V7的阳极连接第二继电器的常闭触点。