一种断路器及其控制装置的制造方法
【专利摘要】本发明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。本发明可以兼顾断路器分闸或者合闸时的可靠性与稳定性。
【专利说明】
-种断路器及其控制装置
技术领域
[0001] 本发明设及智能电网技术领域，具体设及一种断路器及其控制装置。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 目前，对断路器的设计包括W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。
[0004] W小型断路器为例：断路器的分闽动作主要依靠弹黃推动触头分离，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，弹黃通常输 出较大力矩，使触点能快速分离W断开带电回路。分闽的关键在于脱扣，在断路器内部实现 分闽控制，只需要设计一个动作装置即。另外还需要设置合闽控制，W克服弹黃的输出力 矩。但是分闽与合闽同时实现（即可W实现分闽又可W合闽，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。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种断路器及其控制装置，可W兼顾断路器 分闽或者合闽时的可靠性与稳定性。
[0006] 第一方面，本发明提供了一种断路器，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。
[0007] 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=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晒合，所述第 一双联斜齿轮与所述第二双联齿轮晒合，所述第二双联齿轮与所述第=双联齿轮晒合，第 =双联齿轮与所述不完全齿轮晒合。
[000引可选地，所述不完全齿轮与所述第一双联斜齿轮的传动比为419.3。
[0009] 第二方面，本发明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；
[0010] 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；
[0011] 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W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；
[0012] 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W控制电 机传动机构动作W将开关触头驱动到预设位置。
[0013] 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，W使所述断路器闭合。
[0014] 可选地，所述待机电源模块包括第一二极管VI、第二二极管V2、第S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S晶体管V9、 第一电容CU第二电容C2、第=电容C3、第四电容C6、第一电阻RU第二电阻R2、第=电阻R3、 第四电阻R4、第五电阻巧、第六电阻R6、第屯电阻R7、第八电阻R8、第九电阻Rll、第十电阻 R12;其中
[0015] 第一电阻Rl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LI;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；
[0016] 所述第S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Rl的第二 端，集电极通过第八电阻连接5V电源，发射极连接地；
[0017] 所述接线端子J4的第二输入端同时连接第一二极管VI、第二二极管V2、第S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W及第一晶体管V5的基极；
[0018] 所述第一二极管Vl的阴极连接所述第九电阻Rll的第二端W及所述第屯电阻R7的 第一端;所述第屯电阻R7的第二端同时连接所述第一电容Cl的第一极、第=电阻R3的第二 端W及稳压二极管V4的阴极;所述第一电容Cl的第二极、第S电阻R3的第一端W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；
[0019] 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；
[0020] 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Kl的第二电源输入端;所述第一继电器Kl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。
[0021] 由上述技术方案可知，本发明通过设置电机传动机构与控制装置，可W控制开关 触头闭合或者分离。本发明提供的断路器W及控制装置结构简单，同时可W兼顾断路器分 闽或者合闽时的可靠性与稳定性。
【附图说明】
[0022] 通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理 解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0023] 图1是本发明实施例提供的一种断路器的传动机构的侧面示意图；
[0024] 图2是本发明实施例提供的控制装置的结构框图；
[0025] 图3是本发明实施例提供的控制装置初始化流程示意图；
[0026] 图4是断路器处于合闽状态的处理流程示意图；
[0027] 图5是断路器处于中间位置状态的处理流程示意图；
[00%]图6是断路器处于分闽状态的处理流程示意图；
[0029] 图7是待机电源模块的电路图；
[0030] 图8是电源模块的电路图；
[0031] 图9是开关状态监测模块工作流程示意图；
[0032] 图10是状态反馈模块的工作流程示意图；
[0033] 图11是瞬时冻结状态反馈流程示意图；
[0034] 图12是冻结处理阶段流程示意图。
【具体实施方式】
[0035] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明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 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0036] 本发明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。本发明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=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晒合，第一双联斜齿轮b与第二双联齿轮C晒合，第二双联齿轮C与第=双 联齿轮d晒合，第=双联齿轮d与不完全齿轮e晒合。
[0037] 本发明实施例中齿轮参数如表1所示：
[0038] 表1各部分参数
[0040] 本发明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。
[0041] 通过表1可W计算齿轮的传动比：
[0042]
( I )
[0043] 假设第一双联斜齿轮、第二双联齿轮、第=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;分合闽拉杆（图中未示出）半径为15mm，则到达最后 一级的空载转矩：
[0044] T2 = 419.3X1.43X0.4X0.75X0.75X0.75 = 101.2N。 （2)
[0045] 合闽阻尼力矩T3，合闽时电机负载转矩为Ts，则合闽时：
[0046] T2-T3 = 419.3X Ts XO.4X0.75 XO. 75 XO. 75； (3)
[0047] 根据式(3)可W得到电机负载转矩为Ts。然后再根据式(4):
[004引 T5 = 9550XP/ns; (4)
[00例式(4)中n日为电机负载转速，P为电机功率化W)。
[0050]利用式(5)可W计算分合闽时拉杆的角速度《1:
[0051] lS )
[0052] 化raw w#到合闽的时间ti。
[0053] 分闽时，分闽时电机负载转矩为Te，可W通过式(6)计算Te:
[0054] T2+T4 = 419.3X Te XO.4X0.75 XO. 75 XO. 75； (6)
[0055]式(6)中T4为分闽从动力，未知。
[0056] 根据式(7)计算电机负载转速ns;
[0057] 16 = 9550 XP/ne； (7)
[005引进而得到分闽时的角速度CO 2:
[0059]
(8.)
[0060] 根据角速度O 2可W得到分闽时间t2。
[0061] 本发明实施例中分合闽拉杆转角为01，不完全齿轮转角02,每次分闽到位或者合闽 到位回转一定角度03, W方便下次动作和切换到手动动作留有空间。运个角度03?不完全齿 轮的一半为最优，那么到下一次合闽或者分闽到位，该不完全齿轮将转到f + f。
[0062] 空载情况下不完全齿轮转娃
[0063]
[0064] t = 0.42s即空载状态下，分合闽所需时间0.42s。
[0065] 本发明实施例中，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，中屯、间距为2.3mm。不完全齿轮上设置有 一块直径为2mm的铜锥用于反射红外光，进而实现位置控制。
[0066] 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，经过运放口限电路，产生0或者1的高低电平信号给单片机。
[0067] 本发明实施例中电机驱动忍片选用抓6221F，单片机选用R5F10268实现。
[0068] 第二方面，本发明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;
[0069] 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;
[0070] 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W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;
[0071] 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W控制电机传动 机构3动作W将开关触头驱动到预设位置。
[0072] 本发明实施例中电机的预设位置包括合闽位置、中间位置和分闽位置。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W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(合闽 位置、中间位置、分闽位置或者其他位置)执行相应的处理流程。
[0073] 如图4所示，当处于合闽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。
[0074] 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。
[0075] 如图6所示，当处于分闽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。
[0076] 进一步地，本发明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，W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VI、第二二极管V2、第S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=晶体管V9、第一电容Cl、第二电容C2、第=电容C3、第 四电容C6、第一电阻RU第二电阻R2、第S电阻R3、第四电阻R4、第五电阻F5、第六电阻R6、第 屯电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R11、第十电阻R12;其中，
[0077] 第一电阻Rl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LI;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；
[0078] 所述第S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Rl的第二 端，集电极通过第八电阻连接5V电源，发射极连接地；
[0079] 所述接线端子J4的第二输入端同时连接第一二极管VI、第二二极管V2、第S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W及第一晶体管V5的基极；
[0080] 所述第一二极管Vl的阴极连接所述第九电阻Rll的第二端W及所述第屯电阻R7的 第一端;所述第屯电阻R7的第二端同时连接所述第一电容Cl的第一极、第=电阻R3的第二 端W及稳压二极管V4的阴极;所述第一电容Cl的第二极、第S电阻R3的第一端W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；
[0081] 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；
[0082] 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Kl的第二电源输入端;所述第一继电器Kl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。
[0083] 本发明实施例中第一二极管VI、第二二极管V2、第=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Cl、第S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Kl(型号JZC-49F)的分合，从而达到控制电机的目的。 本发明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ImA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。
[0084] 本发明实施例提供的传动机构控制模块1采用STC15系列忍片，实现采集、记录开 关的合闽分闽状态、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，Ul为STC15系列忍片，可W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7905T0-92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。Ul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端似及5V电源， 第3管脚（T0CLK/P1.4)通过电阻RlO连接继电器K2线圈的另一端（第1端）W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) W 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(GNDl)、U3的公共端GND W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。
[0085] 本发明实施例中电机传动机构3的详细说明请参见上文，在此不再寶述。
[0086] 本发明实施例中开关触头、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：
[0087] 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。
[0088] 本发明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：
[0089] 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。
[0090] 瞬时冻结状态反馈流程如图11所示：
[0091 ]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。
[0092] 冻结处理阶段流程如图12所示：
[0093] 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。 本发明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。
[0094] 在本发明中，术语"第一"、"第二"、"第立"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W上，除非另有明确的限定。
[0095] 虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可W在不脱离本发 明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，运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。
【主权项】
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。2. 根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，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。3. 根据权利要求2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。4. 一种用于权利要求1~3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。5. 根据权利要求4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。6. 根据权利要求5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 VI、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VI、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VI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。
【文档编号】H01H71/43GK105845520SQ201610397717
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】熊德智, 陈向群, 李劲柏, 胡军华, 杨帅, 陈福胜, 张蓬鹤, 薛阳
【申请人】国家电网公司, 国网湖南省电力公司, 国网湖南省电力公司计量中心, 中国电力科学研究院