CN209626945U - 低压自动开关系统用智能单路双重保护断路开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的低压自动开关系统用智能单路双重保护断路开关，包括双重开关、检测控制通讯电路、电流传感器、温度传感器和高速驱动，市电输入火线串接两所述N型超结型MOS管开关后连接所述高功率继电器和所述电流传感器。本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统用智能单路双重保护断路开关，创新采用先进的半导体功率器件和高功率继电器组合成开关器件，产品构架简单，功能强大实用，智能化、物联化和互联化，综合性价比高。

Description

低压自动开关系统用智能单路双重保护断路开关

技术领域

本实用新型涉及低压用电系统技术领域，特别是低压用电智能化产品。

背景技术

现有技术低压用电系统的传统空气开关他产品，功能单一，没有普遍适用于现有空气开关、插座改造升级的产品，更没有智能、物联、互联的功能。适用性广的低压用电智能化系统及产品的研发很有必要。

实用新型内容

基于此，针对现有技术，本实用新型的所要解决的技术问题就是提供一种构架简单、功能强、适用性广、性价比高的的智能双重保护低压自动开关系统。

本实用新型的技术方案如下：

一种低压自动开关系统用智能单路双重保护断路开关，包括双重开关、检测控制通讯电路、电流传感器、温度传感器和高速驱动，市电输入火线串接两N型超结型MOS管开关后连接高功率继电器和所述电流传感器，所述N型超结型MOS管开关与所述高速驱动电连接，所述检测控制通讯电路与所述高功率继电器的线圈、电压传感器、电流传感器和温度传感器分别电连接，所述N型超结型MOS管开关反向串联后连接所述高功率继电器，两所述N型超结型MOS管开关导通后其等效电阻值小于20毫欧。

在其中一个实施例中，所述N型超结型MOS管开关的栅极对源极的控制电源小于开通阈值，所述N型超结型MOS管开关断开，所述高功率继电器断开其功率触点开关。

在其中一个实施例中，两所述N型超结型MOS管的源极电连接，漏极相对分开，栅极通过平衡电阻连接所述高速驱动。

在其中一个实施例中，所述检测控制通讯电路包括高速比较锁存电路、开关控制继电器控制电路、电源管理电路、有线通讯模块、多路传感器信号调理及检测电路、主控MCU、无线通讯模块，所述主控MCU的MCU_SW_ON接口接入所述高速比较锁存电路、MCU_RL_ON接口接入所述开关控制继电器控制电路、UART1串接口接入所述有线通讯模块和UART2串接口接入所述无线通讯模块，所述主控MCU通过AD串接所述多路传感器信号调理和检测电路，传感器信号包括电压、电流、漏电电流和温度信号，有线通讯方式为RS-485，无线通讯方式包括LoRa、ZigBee，所述高速比较锁存电路包括信号放大电路、高速比较器、信号锁存和超限信号联合控制电路。

相对现有技术，本实用新型低压自动开关系统用智能单路双重保护断路开关的有益效果为，创新采用先进的半导体功率器件和高功率继电器组合成开关器件，产品构架简单，功能强大实用，智能化、物联化和互联化，综合性价比高。

具体地，本实用新型的低压自动开关系统用智能单路双重保护断路开关具有如下的技术效果：

1）、适用面广，安装简便，可以直接替换现有传统空气开关；

2）、创新采用先进的半导体功率器件和高功率继电器组合成开关器件，实现双重保护；

3）、系统响应的动作时间比传统空气开关（100ms），快5000倍（小于20us）；

4）、漏电电流采用霍尔型传感器，检测精度高，响应时间短（小于5us），动作更迅速，更安全可靠；

5）、每一个智能开关、插座、插排都具有用电电量计量功能，适用于阶梯电价计算；

6）、遇到漏电、过流、过功率、过压、欠压、过温等异常情况，主动向用户手机APP或者电脑客户端软件报警。并自动触发智能低压自动开关断开，起到保护人身安全和电器安全的作用；故障消失以后，可以自动恢复。

7）、根据预先设置的条件，自动定时接通开关，供电给连接至智能低压自动开关、插座、插排的电器设备，实现电器设备的智能化运行、管理；

9）、用户可以随时使用手机APP或者电脑客户端软件，掌握智能低压自动开关的工作情况，各种参数，还可以远程控制开关接通、断开；

10）、功率、电流超限趋势警示，并通过internet推送到用户手机APP或者电脑客户端软件；用户可以根据情况，遥控断开用电开关；

11）、自动生成每个部件工作日志，参数测量、计算结果存储于云端，便于用户查询、诊断。让用户对历史数据进行分析，对后期合理用电进行规划、管理，达到省电的目的。

附图说明

图1为本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统的构架示意图；

图2为本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统的应用连接示意图；

图3为本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统的智能漏电双重保护开关的功能结构示意图；

图4为本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统的智能漏电双重保护开关的等效电路图；

图5为本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统的智能漏电双重保护开关的导通等效电路图；

图6为本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统的智能漏电双重保护开关的关闭等效电路图；

图7为本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统的检测控制通讯电路功能框图；

图8为本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统的信号调理、检测及高速比较锁存功能示意图；

图9为本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统的智能两路双重保护断路开关的功能结构示意图；

图10为本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统的智能单路双重保护断路开关的功能结构示意图；

图11为本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统的智能双重保护插座的功能结构示意图；

图12为本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统的智能电能管理网关的功能结构框图；

图13为本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统的主电源与后备电源的电路示意图。

具体实施方式

下面参考附图并结合实施例对本实用新型进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下各实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1给出了本实用新型的智能双重保护低压自动开关系统的构架示意图，该智能双重保护低压自动开关系统，包括智能电能管理网关、云端数据服务软件、远程访问电脑、微信平台、智能手机APP、智能漏电双重保护开关、智能两路双重保护开关、智能单路双重保护开关、智能双重保护插座和/或智能双重保护插排，所述云端数据服务软件通过Internet分别与智能电能管理网关、远程访问电脑、微信平台和智能手机APP进行双向通讯连接，所述智能手机APP还分别与所述微信平台和所述智能电能管理网关进行Internet通讯连接，所述智能电能管理网关通过有线或无线通讯模块电连接所述智能漏电双重保护开关、智能两路双重保护开关、智能单路双重保护开关、智能双重保护插座和智能双重保护插排。

由图1构架可知，智能电能管理网关连接internet，把其管理的系统开关、插座、插排等部件的信息，传输至云端数据服务器软件。其连接internet的方式有几种：WIFI、LAN、GPRS，以实际应用安装条件选择。服务器软件提供接口给PC、智能手机APP，登录查看系统中每一个部件的运行情况。

同一个开关盒里面，由于距离智能电能管理网关很近，就可以可以通过RS-485通讯，例如：与智能漏电双重保护开关，智能两路双重保护断路开关，智能单路双重保护断路开关等，同时给上述部件供电。当距离智能电能管理网关比较远时，比如：智能双重保护插座、插排、智能保护开关等，通过ZigBee、LoRa通讯，避免布线麻烦。

图2给出了智能双重保护低压自动开关系统的应用连接示意图，由图可知，Lin是市电输入火线，Nin是市电输入零线，Ein是市电输入接地线。智能漏电双重保护开关的输入端与市电输入火线和市电输入零线电连接，其输出端所述智能两路双重保护开关分别串接述智能电能管理网关、智能两路双重保护开关和智能单路双重保护开关，智能单路双重保护开关直接串接电器，智能两路双重保护开关通过智能双重保护插座串接后电连接电器或直接电连接电器，市电输入接地线与智能双重保护插座和电器。

由图2可知，智能电能管理网关、智能两路双重保护断路开关、智能单路双重保护断路开关、智能双重保护插座、插排等，接在智能漏电双重保护开关的输出侧（后面），从而实现了对整个用电单元里各个用电开关、电器的用电情况监测。

a）、智能漏电双重保护开关能实现对该开关的输入电压、电流、漏电流、连接端子、功率器件的温度的监测，通过MCU采集实时电压电流值，计算出流过该保护开关的用电功率。核心创新点是：采用先进的半导体功率器件+高功率继电器构成无触点组合开关，动作时不拉弧。并且动作时间可以达到微秒（uS）级别，比传统空气开关（100ms）缩短很多。此创新措施可以大幅度调高发生意外漏电时，对用电用户的人身保护。此外，还可以实现过压、欠压、过电流、过功率、过温度、漏电电流等参数检测和保护。该产品还可以检测参数、用电电量计算等情况，传送给智能电能管理网关，智能电能管理网关再根据情况传递给系统内部产品或者云端；

b）、智能两路双重保护断路开关、智能单路双重保护断路开关实现对该开关的输入电流、连接端子、功率器件的温度的监测，通过MCU采集实时电流值，以及从智能电能管理网关通讯得到的实时电压，计算出流过该断路开关的用电功率；同样采用半导体开关器件，开关时间非常短，当发生过电流等故障时，可以迅速切掉负载；该产品还可以检测参数、用电情况等，传送给智能电能管理网关，智能电能管理网关再根据情况传递给系统内部产品或者云端；

c）、智能双重保护插座、插排，对该产品的输入电压、电流、漏电流、连接端子、功率器件的温度的监测，通过MCU采集实时电压电流值，计算出流过该保护开关的用电功率。核心创新点是：采用先进的半导体功率器件+高功率继电器构成无触点组合开关，动作时不拉弧。并且动作时间可以达到微秒（uS）级别，比传统空气开关（100ms）缩短很多。此创新措施可以大幅度调高发生意外漏电时，对用电用户的人身保护。此外，还可以实现过压、欠压、过电流、过功率、过温度参数检测和保护。该产品还可以检测参数、用电情况等，传送给智能电能管理网关，智能电能管理网关再根据情况传递给系统内部产品或者云端；

d）、智能电能管理网关，把数据上传到云端服务器程序和手机APP，用户就可以很实时了解该新型智能低压自动开关系统里面每一路开关上流过的用电功率，以及电费、温度、电压、电流等情况，并且可以通过APP发出控制命令，实现对每一个开关的开通、断开控制。从而可以实现对用电情况的智慧管理。智慧网关本身集成高效开关电源，不仅可以给自身供电，还可以给系统其他产品供电。同时，提供有线和无线两种通讯接口，连接系统产品。通讯功能采用模块化设计，便于快速切换。该产品结构紧凑，功耗低。

智能漏电双重保护开关、智能两路双重保护开关、智能单路双重保护开关、智能双重保护插座和智能双重保护插排的动作时间小于50微秒。

图3、图9～11分别给出了智能漏电双重保护开关、智能两路双重保护断路开关、智能单路双重保护断路开关和智能双重保护插座的功能结构示意图，由图可知，智能漏电双重保护开关、智能两路双重保护开关、智能单路双重保护开关、智能双重保护插座和智能双重保护插排都包括两个半导体功率开关和一个高功率继电器，两半导体功率开关由两N型超结型MOS管反向串联构成，两半导体功率开关反向串联后电连接所述高功率继电器。

两N型超结型MOS管的源极电连接，漏极相对分开，栅极通过平衡电阻连接高速驱动。

图7给出了检测控制通讯电路功能框图，智能电能管理网关包括主控MCU、有线通讯模块、无线通讯模块、AD-DC电源、电源管理，所述电源管理包括后备供电系统超级储能电容，外电网220VAC供电时，所述后备供电系统超级储能电容的充电路径为二极管D1--Mos管Q1--电阻R1--超级储能电容C1；外电网停电时，主控MCU供电路径为超级储能电容C1--二极管管D3--低压差降芯片U2--主控MCU，外界通讯通过所述主控MCU控制COM_POW供电给无线通讯模块供电开关Q3。

由图7可知，检测控制通讯电路：主要实现对电压、电流、漏电电流、温度等传感器输出信号的调理、放大，采集，超限比较，锁存，半导体开关控制、继电器开关控制，以及与外界通讯连接等功能。

该智能控制单元由6个部分组成，分别是：开关控制继电器控制、高速比较锁存、电源管理模块、传感器信号调理及检测、主控MCU、无线通讯模块、有线通讯模块。

每一部分功能描述简述如下：

A）、主控MCU是实现该开关智能化的核心，其由ARM32位单片机构成，完成电压、电流、漏电电流，温度等信号的采集，以及计时、实时电量计算等工作。根据设定的条件，使能开关的开通和关断。同时，以自己的 UART口与通讯模块通信，通过有线或者无线模块与外界产品通讯。

B）、电源管理：将外部12V电源变换，产生系统工作必要的电压。同时进行系统启动、掉电时的电源时序管理。

C）、有线通讯模块：实现智能开关把实时采集的基础数据、状态量，以及计算后的结果通过该模块发送给上级智能电能管理网关。也及时把上级服务器端的命令、需求传递回来。该部分采用RS-485电路，兼容ModBus协议，简单易用，适合几点数量不多，短距离走线。

D）、无线通讯模块

该部分实现智能开关把实时采集的基础数据、状态量，以及计算后的结果通过该模块发送给上级智能电能管理网关。也及时把上级服务器端的命令、需求传递回来。

设计考虑到多种实际组网可能性，这里兼容2种有无线通讯模式：ZigBee、LoRa通讯方式。客户根据实际情况，选择其中一种作为实际产品的通讯方式。ZigBee和LoRa是连接系统内智能电能管理网关用的，采用嵌入式UART-ZigBee (串口-ZigBee)模块，UART-LoRa(串口-LoRa)模块。都是主控MCU通过UART口，与成熟的ZigBee和LoRa模块通信，模块负责协议解析，这样达到系统内交互信息和命令通过ZigBee和LoRa模块透明传输的目的，从而实现无线通讯和信息交换。

E）、多路传感器信号调理及检测：包括：电压、电流、漏电电流，温度等传感器，由于每种传感器输出信号不同，需要通过调理电路，整定至统一的电压信号，给MCU采集。

F）、高速比较锁存，当故障发生时，确保系统及时采集到该故障信号，并且当故障信号消失时，存储记忆该故障，避免系统控制开关重复动作。而且，该部分不经过MCU判断，独立起作用。

图8为智能双重保护低压自动开关系统的信号调理、检测及高速比较锁存功能示意图，由图可知，核心部分是：信号放大、高速比较器，信号锁存，MCU和超限信号联合控制电路。工作原理如下：传感器（电压、电流、漏电电流、温度）输出信号，经过运算放大器A1，调理、放大，一路送给MCU的AD采用通道（ADx），另一路A_smp直接送入高速比较器A2的输入端。A_Ref是设定超限阈值，当A_smp信号小于超限阈值A_Ref时，高速比较器A2输出A_Com为低电平。一旦传感器输出信号，大于超限阈值A_Ref，高速比较器A2在正反馈电阻R1的作用下，输出A_Com迅速反转为高电平。此时MCU_SW_ON为高电平，M1、M2开通。一旦A_Com为高电平，经过反相器U1变成低电平，RS触发器U2的输入S端为0，R端为1，其输出端 由1变成0. 即使S端再次变成1，由于MCU_SW_ON为高电平，所以U2其输出端状态不变， =0被锁存起来。因为Alarm_Sg1变成0，与门U3输出变为0，因此，M1、M2断开。

经过上面电路设计，一旦发生漏电、或者超功率等事故，不需要经过MCU的判断，电路会在第一时间断开半导体开关M1、M2，从而切断用电回路，保证用户的人身安全和电器不被损坏。

图3～6分别给出来智能漏电双重保护开关的功能结构示意图、等效电路、导通等效电路和关闭等效电路，由图3～6可知，智能漏电双重保护开关包括双重开关、检测控制通讯电路、电压传感器、电流传感器、漏电电流传感器和温度传感器和高速驱动，市电输入火线和市电输入零线接入漏电电流传感器并入电压传感器，双重开关包括两个N型超结型MOS管开关和高功率继电器，火线串接两N型超结型MOS管开关后连接高功率继电器和电流传感器，零线串接N型超结型MOS管开关后电连接高功率继电器， N型超结型MOS管开关与高速驱动电连接，检测控制通讯电路与高功率继电器的线圈、电压传感器、电流传感器和温度传感器分别电连接，N型超结型MOS管开关反向串联后连接高功率继电器，两N型超结型MOS管开关导通后其等效电阻值小于20毫欧； N型超结型MOS管开关的栅极对源极的控制电源小于开通阈值， N型超结型MOS管开关断开，高功率继电器断开其功率触点开关。

图3可知，智能漏电双重保护开关由2路新型双重保护开关（M1、M2和Relay1；M11、M22和Relay11；）和检测控制通讯电路，以及电压传感器、电流传感器、漏电电流传感器、温度传感器等组成。正常工作时，火线开关M1、M2、Relay1和零线开关M11、M22、Relay11，都会按照动作顺序依次闭合。当检测控制电路检测到过压、欠压、过流、过功率、过温、漏电时，会触发比较、锁存器，关闭火线开关M1、M2、Relay1和零线开关M11、M22、Relay11。或者接收到远程发来的断开命令，也会关闭火线开关M1、M2、Relay1和零线开关M11、M22、Relay11，从而断开L、N两路电气连接，实现开关功能。

此外，还可以实现过压、欠压、过电流、过功率、过温度、漏电电流等参数检测和保护。该产品还可以检测参数、用电电量计算等情况，传送给智能电能管理网关，智能电能管理网关再根据情况传递给系统内部产品或者云端、APP。

图4的智能漏电双重保护开关的等效电路可知，双重保护开关由2部分构成：新型半导体功率开关M1、M2和高功率继电器Relay1。其中，新型半导体功率开关由两个N型超结型MOS管（M1、M2）反向串联构成，当开关控制电流很大时，可以采用M1和M2并联多个超结型MOS管，扩大容量。由于超结MOS管有着：在相同的高击穿电压下，具有远低于普通MOS管导通电阻的优点。而且其结电容小，开关时间显著加快。抗冲击电流能力强，是额定电流的4~5倍。可以看到两个N型超结型MOS管的S极（源极）连接在一起，各自的D极（漏极）相对分开，G极（栅极）分别通过各自的平衡电阻连接在高速驱动器上。这种反向串联结构，使得M1、M2构成了能够控制交流电流导通和关断的新型半导体开关。

图5的智能漏电双重保护开关的导通等效电路图，当G极（栅极）对S极（源极）的控制电压Ug高于超结型MOS管M1、M2的开通阈值时，M1、M2均导通。M1、M2导通以后，相当于两个电阻Ron和Ron’，其阻值非常低，<20mΩ。交流电流 I+，I-均可从SW1到SW1’流通。

图6的智能漏电双重保护开关的关闭等效电路图，当G极（栅极）对S极（源极）的控制电压Ug小于超结型MOS管M1、M2的开通阈值时，M1、M2均关断。M1、M2关断瞬间，交流电流 I+（或者I-）会继续沿着未关断前方向，通过吸收电阻Rs和电容Cs，从SW1到SW1’流动。这样就避免了在M1，M2的D~S极上产生大的尖峰电压，造成损坏。

高功率继电器Relay1的作用是，当新型半导体功率开关关断以后，Relay1断开功率触点开关，从而完全切断SW1和SW2间的电气连接，符合电气安全规范。

新型双重保护开关动作时，半导体功率开关和继电器Relay1的动作顺序是：

1）、当新型双重保护开关需要开通时，继电器Relay1首先闭合功率触点开关。此时，由于回路中的半导体功率开关M1和M2没有闭合，回路当中没有电流。继电器Relay1属于零电压零电流开通，不会拉弧。然后延时20ms，半导体功率开关M1和M2，在检测到市电交流电压过零时，闭合。此时半导体功率开关M1和M2，近似零电压开通，冲击最小。

2）、当新型双重保护开关需要关断时，首先立即关断半导体功率开关M1和M2。由于M1和M2没有机械触点，不会拉弧。然后延时20ms，继电器Relay1再断开功率触点开关。此时由于回路中的半导体功率开关M1和M2已经断开，回路当中没有电流。继电器Relay1属于零电压零电流断开，也不会拉弧。

这样设计的动作顺序，其优点在于：

（1）充分利用半导体功率开关无机械触点的优势，使继电器的开通、闭合动作都处于无负荷状态，不会让其机械触点拉弧，从而最大限度延长了开关的使用寿命。

（2）即使半导体功率开关失效发生，与其串联的继电器还是可以切断SW1和SW2回路，多了一重切断功能，可以更好的保护开关回路中电器和人的安全。

图9为智能两路双重保护断路开关的功能结构示意图，由图可知，所述智能两路双重保护断路开关包括双重开关、检测控制通讯电路、电压传感器、电流传感器、温度传感器和高速驱动，市电输入火线和市电输入零线并入电压传感器，双重开关包括两个N型超结型MOS管开关和高功率继电器，火线串接两N型超结型MOS管开关后连接高功率继电器和电流传感器，零线串接N型超结型MOS管开关后电连接高功率继电器， N型超结型MOS管开关与高速驱动电连接，检测控制通讯电路与高功率继电器的线圈、电压传感器、电流传感器和温度传感器分别电连接，N型超结型MOS管开关反向串联后连接高功率继电器，两N型超结型MOS管开关导通后其等效电阻值小于20毫欧；N型超结型MOS管开关的栅极对源极的控制电源小于开通阈值， N型超结型MOS管开关断开，高功率继电器断开其功率触点开关。

正常工作时，智能两路双重保护断路开关的火线开关M1、M2、Relay1和零线开关M11、M22、Relay11，都会按照动作顺序依次闭合。当检测控制电路检测到过压、欠压、过流、过功率、过温时，会触发比较、锁存器，关闭火线开关M1、M2、Relay1和零线开关M11、M22、Relay11。或者接收到远程发来的断开命令，也会关闭火线开关M1、M2、Relay1和零线开关M11、M22、Relay11，从而断开L、N两路电气连接，实现开关功能。

除了没有漏电电流检测功能，其他功能与智能漏电双重保护开关相同。

图10为智能单路双重保护断路开关的功能结构示意图，智能单路双重保护断路开关包括双重开关、检测控制通讯电路、电流传感器、温度传感器和高速驱动，市电输入火线串接两所述N型超结型MOS管开关后连接所述高功率继电器和电流传感器， N型超结型MOS管开关与高速驱动电连接，检测控制通讯电路与高功率继电器的线圈、电压传感器、电流传感器和温度传感器分别电连接，N型超结型MOS管开关反向串联后连接高功率继电器，两N型超结型MOS管开关导通后其等效电阻值小于20毫欧； N型超结型MOS管开关的栅极对源极的控制电源小于开通阈值， N型超结型MOS管开关断开，高功率继电器断开其功率触点开关。

再结合图7，检测控制通讯电路包括高速比较锁存电路、开关控制继电器控制电路、电源管理电路、有线通讯模块、多路传感器信号调理及检测电路、主控MCU、无线通讯模块，主控MCU的MCU_SW_ON接口接入高速比较锁存电路、MCU_RL_ON接口接入开关控制继电器控制电路、UART1串接口接入有线通讯模块和UART2串接口接入无线通讯模块，主控MCU通过AD串接多路传感器信号调理和检测电路，传感器信号包括电压、电流、漏电电流和温度信号，有线通讯方式为RS-485，无线通讯方式包括LoRa、ZigBee，高速比较锁存电路包括信号放大电路、高速比较器、信号锁存和超限信号联合控制电路。

图11为智能双重保护插座的功能结构示意图，智能双重保护插座、插排由2路新型双重保护开关（M1、M2和Relay1；M11、M22和Relay11）和检测控制通讯电路，以及电压传感器、电流传感器、漏电电流传感器、温度传感器等组成。Lin是市电输入火线，Nin是市电输入零线，Lout是市电输出火线，Nout是市电输出零线。正常工作时，火线开关M1、M2、Relay1和零线开关M11、M22、Relay11，都会按照动作顺序依次闭合。当检测控制电路检测到过压、欠压、过流、过功率、过温、漏电时，会触发比较、锁存器，关闭火线开关M1、M2、Relay1和零线开关M11、M22、Relay11。或者接收到远程发来的断开命令，也会关闭火线开关M1、M2、Relay1和零线开关M11、M22、Relay11，从而断开L、N两路电气连接，实现开关功能。此外，还可以实现过压、欠压、过电流、过功率、过温度、漏电电流等参数检测和保护。该产品还可以检测参数、用电电量计算等情况，传送给智能电能管理网关，智能电能管理网关再根据情况传递给系统内部产品或者云端、APP。

图12为智能电能管理网关的功能结构框图，智能电能管理网关，在系统内部与智能漏电双重保护开关、智能两路双重保护断路开关、智能单路双重保护断路开关、智能双重保护插座、插排通讯，获取每个产品的实时运行数据。并把这些数据上传到云端服务器程序和手机APP，用户就可以很实时了解连接至该网关系统里每一路开关、插座、插排上消耗的用电功率以及电费、温度、电压、电流等情况，并且可以通过APP发出控制命令，实现对每一个产品中开关的开通、断开控制。从而可以实现对用电情况的智慧管理。

智能网关本身集成高效开关电源，不仅可以给自身供电，还可以给系统其他产品供电。同时，提供有线和无线两种通讯接口，连接系统产品。通讯功能采用模块化设计，便于快速切换。该产品结构紧凑，功耗低。AC-DC电源采用80~265Vac通用输入范围，输出范围：12V±1%/3A.该电源不仅给智能网关供电，还可以给总数不超过10个智能漏电双重保护开关、智能两路双重保护断路开关、智能单路双重保护断路开关供电。

图13为智能双重保护低压自动开关系统的主电源与后备电源的电路示意图，电源管理，考虑系统停电或者意外断电，这里设计了一个以超级电容C1作为储能核心的后备供电系统。该电路可以在主电源停止时，自动无缝切换至后备电源供电。反之，主电源正常时，自动无缝切换至给后备电源C1充电。

由图13可知，当电网220Vac正常时，开关电源从电网获取能源，通过U1低压差降压芯片给控制系统各个部分供电：主控MCU、通讯模块、其他外设，同时，还给超级电容C1充电。主控MCU从电阻R2、R3分压信号AC_OK，获知220Vac正常，就会一直让BAK_POW和COM_POW控制的两路电源开通。主控MCU、无线通讯模块和超级电容C1都可以正常供电。其中超级电容C1的充电路径是：二极管D1—>mos管Q1—>电阻R1—>超级电容C1。电阻R1起到限制充电电流的作用。

当电网220Vac停电时，开关电源停止工作，由于系统正常储能电容的作用，因此U1低压差降压芯片输出电压会降低直到0V.外设和主控MCU、其他外设均不能从电网获取电源，即将停止工作。但是由于二极管D3的存在，当U1输出电压低于超级电容C1的存储电压时，C1立即通过D3给U2和MCU供电，实现主电、后备电源供电的无缝切换。同时，主控MCU从电阻R2、R3分压信号AC_OK（降低直到0V），获知220Vac停止供电，就立即让BAK_POW和COM_POW控制的两路电源断开。当Q1，Q3断开后，只有主控MCU从超级电容获取供电，供电路径是：C1—>二极管D3—>低压差降压芯片U2—>主控MCU。此时，MCU进入低功耗工作模式，节省用电。只有当需要与外界通讯时，MCU控制COM_POW开通给无线通讯模块供电开关Q3。通讯任务完成，则MCU控制COM_POW切断Q3，停止给无线通讯模块供电。

当电网220Vac停电时，MCU定时检查信号AC_OK。一旦信号AC_OK从0V变成正常电平，说明电网220Vac恢复正常供电。此时，主控MCU就会恢复正常运行模式，一直让BAK_POW和COM_POW控制的两路电源开通。超级电容C1自动结束放电，进入充电状态。

有线通讯模块，RS-485模块具备ModBus通讯规约，方便与近距离智能漏电双重保护开关，智能两路双重保护断路开关，智能单路双重保护断路开关通讯。LAN主要是为了在无线网络不通畅的情况下，通过RJ-45网口，连接至internet。

无线通讯模块，WiFi、GPRS模块是为连接至internet云端服务器，采用嵌入式UART-WIFI(串口-无线网)模块，UART-GPRS (串口-GPRS)模块。主控MCU通过UART跟UART-WIFI(串口-无线网)模块通讯，UART-WIFI(串口-无线网)模块负责TCP/IP协议解析，这样达到系统内交互信息和命令通过WIFI模块透明传输的目的，从而实现无线通讯和信息交换。

ZigBee和LoRa是连接系统内部成员用的，采用嵌入式UART-ZigBee (串口-ZigBee)模块，UART-LoRa (串口-LoRa)模块。都是主控MCU通过UART口，与成熟的ZigBee和LoRa模块通信，模块负责协议解析，这样达到系统内交互信息和命令通过ZigBee和LoRa模块透明传输的目的，从而实现无线通讯和信息交换。

从上面可知，本实用新型的低压自动开关系统用智能单路双重保护断路开关，创新采用先进的半导体功率器件和高功率继电器组合成开关器件，产品构架简单，功能强大实用，智能化、物联化和互联化，综合性价比高。

具体地，本实用新型的的低压自动开关系统用智能单路双重保护断路开关具有如下的技术效果：

1）、适用面广，安装简便，可以直接替换现有传统空气开关；

2）、创新采用先进的半导体功率器件和高功率继电器组合成开关器件，实现双重保护；

3）、系统响应的动作时间比传统空气开关（100ms），快5000倍（小于20us）；

4）、漏电电流采用霍尔型传感器，检测精度高，响应时间短（小于5us），动作更迅速，更安全可靠；

5）、每一个智能开关、插座、插排都具有用电电量计量功能，适用于阶梯电价计算；

6）、遇到漏电、过流、过功率、过压、欠压、过温等异常情况，主动向用户手机APP或者电脑客户端软件报警。并自动触发断智能低压自动开关断开，起到保护人身安全和电器安全的作用；故障消失以后，可以自动恢复。

7）、根据预先设置的条件，自动定时接通开关，供电给连接至智能低压自动开关、插座、插排的电器设备，实现电器设备的额智能化运行、管理；

9）、用户可以随时使用手机APP或者电脑客户端软件，掌握智能低压自动开关的工作情况，各种参数，还可以远程控制开关接通、断开；

10）、功率、电流超限趋势警示，并通过internet推送到用户手机APP或者电脑客户端软件；用户可以根据情况，遥控断开用电开关；

11）、自动生成每个部件工作日志，参数测量、计算结果存储于云端，便于用户查询、诊断。让用户对历史数据进行分析，对后期合理用电进行规划、管理，达到省电的目的。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种低压自动开关系统用智能单路双重保护断路开关，其特征在于，包括双重开关、检测控制通讯电路、电流传感器、温度传感器和高速驱动，市电输入火线串接两N型超结型MOS管开关后连接高功率继电器和所述电流传感器，所述N型超结型MOS管开关与所述高速驱动电连接，所述检测控制通讯电路与所述高功率继电器的线圈、电压传感器、电流传感器和温度传感器分别电连接，所述N型超结型MOS管开关反向串联后连接所述高功率继电器，两所述N型超结型MOS管开关导通后其等效电阻值小于20毫欧，智能单路双重保护断路开关的动作时间小于50微秒，所述智能单路双重保护断路开关串接智能电能管理网关，所述智能单路双重保护断路开关直接串接电器，所述智能电能管理网关包括电源管理，所述电源管理包括后备供电系统超级储能电容。

2.根据权利要求1所述的低压自动开关系统用智能单路双重保护断路开关，其特征在于，所述N型超结型MOS管开关的栅极对源极的控制电源小于开通阈值，所述N型超结型MOS管开关断开，所述高功率继电器断开其功率触点开关。

3.根据权利要求1所述的低压自动开关系统用智能单路双重保护断路开关，其特征在于，两所述N型超结型MOS管的源极电连接，漏极相对分开，栅极通过平衡电阻连接所述高速驱动。

4.根据权利要求1所述的低压自动开关系统用智能单路双重保护断路开关，其特征在于，所述检测控制通讯电路包括高速比较锁存电路、开关控制继电器控制电路、电源管理电路、有线通讯模块、多路传感器信号调理及检测电路、主控MCU、无线通讯模块，所述主控MCU的MCU_SW_ON接口接入所述高速比较锁存电路、MCU_RL_ON接口接入所述开关控制继电器控制电路、UART1串接口接入所述有线通讯模块，UART2串接口接入所述无线通讯模块，所述主控MCU通过AD串接所述多路传感器信号调理和检测电路，传感器信号包括电压、电流、漏电电流和温度信号，有线通讯方式为RS-485，无线通讯方式包括LoRa、ZigBee，所述高速比较锁存电路包括信号放大电路、高速比较器、信号锁存和超限信号联合控制电路。