CN207426673U - 控制与保护开关设备的硬件电路结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及控制与保护开关设备的硬件电路结构，属开关电器技术领域，信号调理电路、开关电源、相序检测模块、按键模块连接单片机的信号输入端，单片机的信号输出端连接电子脱口器出模块、直流线圈吸合驱动电路模块、无源信号输出模块和有源信号输出模块，所述单片机还连接存储模块和RS‑485模块，以直流线圈吸合CPS的方式替代现有的控制与保护开关中传统的电磁系统依靠带电保持接通的方式，在需要接通CPS时，是给开关内部的直流线圈通电产生磁场，达到吸合目的，吸合后通过电磁脱扣器的机械结构锁住机构，然后停止给直流线圈供电，整个过程在20ms内完成。当需要断开CPS时,只需要给顶端的电磁脱扣器脱扣信号就可以完成脱扣动作。

Description

控制与保护开关设备的硬件电路结构

技术领域

本实用新型属于开关技术领域，具体地说，是控制与保护开关设备的硬件电路结构。

背景技术

传统的控制与保护开关设备(CPS)在控制主电路的接通与分断的结构是类似于交流接触器的结构，在接通期间，需要一直给予交流线圈电流，进而保持主电路持续接通状态，一般其功率在20W左右，随着控制与保护开关设备的广泛应用，以及国家对于节能的重视，能耗过大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供控制与保护开关设备的硬件电路结构。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型涉及控制与保护开关设备的硬件电路结构，其特征在于，包括信号采集电路、信号调理电路、开关电源模块、相序检测模块、单片机、按键模块、显示模块、存储模块、RS-485模块、电子脱扣器输出模块、直流线圈吸合驱动电路模块、无源信号输出模块和有源信号输出模块，所述信号采集电路包括电流采样电路、漏电采样电路、电压采样电路，所述信号采集电路电连接与其各自对应的信号调理电路，所述信号调理电路、开关电源、相序检测模块、按键模块连接单片机的信号输入端，单片机的信号输出端连接电子脱口器出模块、直流线圈吸合驱动电路模块、无源信号输出模块和有源信号输出模块，所述单片机还连接存储模块和RS-485模块。

作为本实用新型的进一步方案，所述开关电源模块是基于VIPer22A芯片的电路，其中RV1为压敏电阻，SMPS_DP1为整流桥，将220V交流电全波整流成脉冲直流电，在经过电容SMPS_C1整成直流电；SMPS_D4为TVS管，它与SMPS_D6构成防冲击电路，变压器下方线圈L2L2感应产生的脉冲电压经过SMPS_D5整流和 SMPS_C6滤波后用来给芯片供电。L3感应产生的脉冲电压经过二极管SMPS_D3整流和电容SMPS_C4和SMPS_L1滤波后用来给控制与保护开关设备的电路板供电。其中SMPS_R7为假负载，SMPS_C5和SMPS_C10为滤波电容。SMPS_R1、SMPS_R2、SMPS_R4、SMPS_R3、SMPS_R5、SMPS_C8、可调精密电压基准源TL431 以及光耦PC817B构成反馈电路，通过SMPS_R3和SMPS_R5构成的分压电路作为输出电压采样电路。

作为本实用新型的进一步方案，所述单片机最小系统采用的是单片机PIC24H64GP506的最小系统。

作为本实用新型的进一步方案，所述相序检测模块中，相序检测模块的输入端与三相电机输出端的三相分别连接，三相电机的三相输出端分别通过限流电阻连接光耦PC817，再经过三极管Q9连接单片机的中断口，光耦PC817还连接整流二极管M7。

作为本实用新型的进一步方案，所述电压采样电路中，市电220v的强电经过R21降压限流后接入光耦PC817，光耦PC817的输出端连接单片机的ADC端口。

作为本实用新型的进一步方案，所述按键模块中包括四个按键，四个按键的一脚共接到单片机的中断口，另外一个按键脚分别连接不同单片机的普通I/O口。

作为本实用新型的进一步方案，所述显示模块采用TM1629D数码管驱动芯片。

作为本实用新型的进一步方案，所述的存储模块采用24C02芯片，芯片的SDA、 SCL引脚直接经过上拉电阻R3、R4连接单片机端口。与现有技术相比，本实用新型的积极效果是：

1.本实用新型以直流线圈吸合CPS的方式替代现有的控制与保护开关中传统的电磁系统依靠带电保持接通的方式，在需要接通CPS时，是给开关内部的直流线圈通电产生磁场，达到吸合目的，吸合后通过电磁脱扣器的机械结构锁住机构，然后停止给直流线圈供电，整个过程在20ms内完成。当需要断开CPS时,只需要给顶端的电磁脱扣器脱扣信号就可以完成脱扣动作。电磁脱扣器在CPS接通后通过机械结构自动复位。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图；

图2是本实用新型所述开关电源模块电路图；

图3是所述单片机最小系统电路图；

图4是相序检测模块的电路图；

图5是以A相为例，A相电流放大调理电路图；

图6是以C相为例，C相电压采样电路图。

图7是按键模块电路图；

图8是显示模块电路图；

图9是存储模块电路图；

图10是RS-485模块电路图；

图11是电子脱扣器输出模块电路图；

图12是直流线圈吸合驱动电路模块电路图；

图13是无源信号输出模块电路图；

图14是有源信号输出模块电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

控制与保护开关设备的硬件电路结构，其特征在于，包括信号采集电路、信号调理电路、开关电源模块、相序检测模块、单片机、按键模块、显示模块、存储模块、 RS-485模块、电子脱扣器输出模块、直流线圈吸合驱动电路模块、无源信号输出模块和有源信号输出模块，所述信号采集电路包括电流采样电路、漏电采样电路、电压采样电路，所述信号采集电路电连接与其各自对应的信号调理电路，所述信号调理电路、开关电源、相序检测模块、按键模块连接单片机的信号输入端，单片机的信号输出端连接电子脱口器出模块、直流线圈吸合驱动电路模块、无源信号输出模块和有源信号输出模块，所述单片机还连接存储模块和RS-485模块。

控制与保护开关设备的电子分断功能是由单片机控制一个小型的电磁脱扣器实现的，其驱动电路如图11所示，其中网络标识Trip是直接连接在单片机I/O口的，当单片机检测到电压、电流或者剩余电流异常并要进行分断动作来保护CPS后面的电机时，单片机就会给该I/O口一个高电平并致使三极管导通，从而电磁脱扣器动作，继而使控制与保护开关设备分断，当单片机检测到由微动构成的，用来检测CPS 智能控制与保护开关的分断状态的信号，给出已经分断的信号后，该单片机端口就会恢复为低电平。

在这个电路中TRIP_R1为限流电阻，在这里其阻值为2K欧，目的除了限流外，还有就是在硬件上消除单片机在执行读-修改-写指令过程中发生的问题。TRIP_R2为下拉电阻，其目的是确保在单片机不执行CPS分断动作时，三极管的b级可靠为 0，为了减少功耗，其阻值一般比较大，在本设计中设定为10K欧。二极管TRIP_D2 是续流二极管，线圈通电后，也就是三极管导通时，会在脱扣器线圈两端产生感应电动势，当电流消失时，感应电动势会产生反向电压，容易击穿三极管，造成损坏。续流二极管并在电磁脱扣器两端后，当电磁脱扣器线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过续流二极管再返回到电磁脱扣器中的线圈中做功并将其消耗掉，从而避免了三极管被击穿的命运。由于电磁脱扣器在动作时，流经线圈的电流大约为200m A，这里选择三极管2SD1664，因该三极管CE之间的压降典型值只有0.15V， Ic/Ia＝500m A/50m A。

如图11所示，在实际的应用中，线圈的吸合是通过将220V交流市电用整流桥整流后的电流导通到线圈中产生磁场，从而达到吸合的目的。该线路是通过一个继电器控制整流桥前端交流电的通断来控制直流线圈的接通和分断的，这种方式电路简单，成本低。

控制与保护开关设备需配有八组无源输出信号，如图12所示，为电子控制的六组无源输出信号电路(第7、8组为机械部分给出)，图中有三组继电器，当控制与保护开关设备在接通和断开时分别控制继电器分断和吸合，而每组继电器的1、2和 4、6脚分别作为一组无源信号输出。

控制与保护开关设备还需提供三组有源信号输出，在电路中的体现就是当控制与保护开关设备在接通和分断两种不同状态时单片机控制光耦次级接通或分断(根据客户需求)。如图13为其电路。其中Signal_1、Signal_2和Signal_3直接接单片机普通数字I/O引脚。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性的实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.控制与保护开关设备的硬件电路结构，其特征在于，包括信号采集电路、信号调理电路、开关电源模块、相序检测模块、单片机、按键模块、显示模块、存储模块、RS-485模块、电子脱扣器输出模块、直流线圈吸合驱动电路模块、无源信号输出模块和有源信号输出模块，所述信号采集电路包括电流采样电路、漏电采样电路、电压采样电路，所述信号采集电路电连接与其各自对应的信号调理电路，所述信号调理电路、开关电源、相序检测模块、按键模块连接单片机的信号输入端，单片机的信号输出端连接电子脱口器出模块、直流线圈吸合驱动电路模块、无源信号输出模块和有源信号输出模块，所述单片机还连接存储模块和RS-485模块。

2.根据权利要求1所述的控制与保护开关设备的硬件电路结构，其特征在于，所述开关电源模块是基于VIPer22A芯片的电路，其中RV1为压敏电阻，SMPS_DP1为整流桥，将220V交流电全波整流成脉冲直流电，在经过电容SMPS_C1整成直流电；SMPS_D4为TVS管，它与SMPS_D6构成防冲击电路，变压器下方线圈L2L2感应产生的脉冲电压经过SMPS_D5整流和SMPS_C6滤波后用来给芯片供电，L3感应产生的脉冲电压经过二极管SMPS_D3整流和电容SMPS_C4和SMPS_L1滤波后用来给控制与保护开关设备的电路板供电，其中SMPS_R7为假负载，SMPS_C5和SMPS_C10为滤波电容，SMPS_R1、SMPS_R2、SMPS_R4、SMPS_R3、SMPS_R5、SMPS_C8、可调精密电压基准源TL431以及光耦PC817B构成反馈电路，通过SMPS_R3和SMPS_R5构成的分压电路作为输出电压采样电路。

3.根据权利要求1所述的控制与保护开关设备的硬件电路结构，其特征在于，所述单片机最小系统采用的是单片机PIC24H64GP506的最小系统。

4.根据权利要求1所述的控制与保护开关设备的硬件电路结构，其特征在于，所述相序检测模块中，相序检测模块的输入端与三相电机输出端的三相分别连接，三相电机的三相输出端分别通过限流电阻连接光耦PC817，再经过三极管Q9连接单片机的中断口，光耦PC817还连接整流二极管M7。

5.根据权利要求1所述的控制与保护开关设备的硬件电路结构，其特征在于，所述电压采样电路中，市电220v的强电经过R21降压限流后接入光耦PC817，光耦PC817的输出端连接单片机的ADC端口。

6.根据权利要求1所述的控制与保护开关设备的硬件电路结构，其特征在于，所述按键模块中包括四个按键，四个按键的一脚共接到单片机的中断口，另外一个按键脚分别连接不同单片机的普通I/O口。

7.根据权利要求1所述的控制与保护开关设备的硬件电路结构，其特征在于，所述显示模块采用TM1629D数码管驱动芯片。

8.根据权利要求1所述的控制与保护开关设备的硬件电路结构，其特征在于，存储模块采用24C02芯片，芯片的SDA、SCL引脚直接经过上拉电阻R3、R4连接单片机端口。