电能表外置断路器的制作方法

1.本实用新型涉及低压电器领域，特别是涉及一种电能表外置断路器。


背景技术：

2.电能表外置断路器可以通过有线和无线两种方式与电能表连接，如果采用有线连接的方式，则容易出现错接、乱接和窃电现象，而且控制方式是电平信号，在使用过程中出现过欠压时，断路器易误动作。如果采用无线连接的方式，则具有配对难度大，产生无线连接的功率导致的电能表额外计费的问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种配对简单且不产生额外计费的电能表外置断路器。
4.为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
5.一种电能表外置断路器，包括与电能表连接的断路器本体，所述断路器本体包括电源电路、控制电路以及分别与控制电路连接的配对电路和蓝牙通讯电路，配对电路包括电抗元件和与电抗元件连接的可控开关元件，电抗元件能够产生无功电流改变流过断路器本体的电流波形，配对电路与电源电路连接，且用于与电能表相连，可控开关元件的控制端与控制电路连接。
6.优选的，所述电抗元件为高压电容c15或电感。
7.优选的，还包括分别与控制电路连接的电压检测电路和机械检测电路，电压检测电路与断路器本体的负载端连接，机械检测电路与断路器本体的手柄配合，控制电路根据电压检测电路和机械检测电路分别检测断路器本体为合闸状态还是分闸状态。
8.优选的，所述电压检测电路包括正极与断路器本体的负载端连接的整流二极管d9，整流二极管d9的负极经过降压电阻r36、降压电阻r37和降压电阻r38 后分别与控制电路、钳位二极管d10的正极、耦合滤波电容c31和采样电阻r39 连接，钳位二极管d10的负极与电源电路连接，耦合滤波电容c31和采样电阻 r39的另一端相连后接地。
9.优选的，所述电压检测电路包括正极与断路器本体的负载端连接的整流二极管d4，整流二极管d9的负极与电阻r11、电阻r12、电阻r13和光耦u5的输入端串联后接地，光耦u5输出端的一端与电源电路连接，光耦u5输出端的另一端分别与控制电路、电阻r14和电容c12的一端连接，电阻r14和电容c12 的另一端相连后接地。
10.优选的，所述电压检测电路包括电压互感器t2，电压互感器t2的一次绕组与断路器本体的负载端连接，电压互感器t2的二次绕组的一端经过电阻r19与控制电路连接，电压互感器t2的二次绕组的另一端依次经过二极管d7、二极管 d77和电阻r21接地，且在电压互感器t2的二次绕组的两端并联有电阻r20，二极管d7和二极管d77之间的节点与电阻r19和电压互感器t2的二次绕组之间的节点连接。
11.优选的，所述机械检测电路包括与控制电路连接的触发开关，触发开关对应设置
在断路器本体的手柄的合闸位置或分闸位置，断路器本体的手柄在合闸和分闸后，能够闭合或关断所述触发开关。
12.优选的，所述触发开关为接触开关j2、霍尔元件j1或光电传感器u1。
13.优选的，所述电抗元件为高压电容c15，所述配对电路包括光电可控硅u3，光电可控硅u3的输入端经过限流电阻r21和mos管q1与电源电路连接，mos管 q1的控制端与控制电路连接，光电可控硅u3的输出端经过高压电容c15与电能表连接，在高压电容c15两端并联有放电电阻r22。
14.优选的，还包括与控制电路连接的过欠压检测电路，过欠压检测电路包括分别与控制电路连接的采样电阻r32、滤波储能电容c29、钳位二极管d8和限流电压电阻r31，限流电压电阻r31的另一端经过限流电压电阻r29和限流电压电阻r30与电源电路连接，钳位二极管d8的负极与电源电路连接，滤波储能电容c29的另一端和采样电阻r32的另一端相连后接地。
15.优选的，还包括电源电路，所述电源电路包括交流输入电路、ac
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dc开关电源电路和dc
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dc电压转换电路，交流输入电路为ac
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dc开关电源电路提供交流电，ac
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dc开关电源电路将交流电转换为直流电并送至dc
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dc电压转换电路，dc
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dc电压转换电路再降压后为断路器本体供电。
16.优选的，所述dc
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dc电压转换电路包括开关转换芯片u10、使能调节电阻 r6、滤波存储电容c6和滤波存储电容c7，开关转换芯片u10的vin引脚、使能调节电阻r6、滤波存储电容c6和滤波存储电容c7的一端分别与dc
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dc电压转换电路的输入端连接，调节电阻r6的另一端与开关转换芯片u10的en引脚连接，滤波存储电容c6和滤波存储电容c7的另一端相连后接地；开关转换芯片 u10的sw引脚依次经过功率电感l3和整流二极管d4与dc
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dc电压转换电路的输出端连接，整流二极管d4的两端分别经过滤波存储电容c9和滤波存储电容 c10接地，功率电感l3用于连接sw引脚的一端经过自举电容c3与开关转换芯片u10的bst引脚连接，功率电感l3的另一端经过调节电阻r9与开关转换芯片u10的fb引脚相连后一起经过调节电阻r10接地。
17.优选的，所述蓝牙通讯电路包括蓝牙通讯集成模块u6，以及连接在蓝牙通讯集成模块u6与电源电路之间的微型mos管v1，微型mos管v1的g极经过限流电阻r35与控制电路连接，微型mos管v1的d极分别与蓝牙通讯集成模块u6 和滤波耦合电容c30连接，微型mos管v1的s极经过限流电阻r33与电源电路连接，微型mos管v1的s极与g极通过限流电阻r34连接。
18.本实用新型的电能表外置断路器，通过配对电路改变电能表和断路器本体的电流波形，使电能表与电流波形相同的断路器本体配对，不仅配对更精确，而且配对速度更快，所述配对电路通过电抗元件改变电流波形，工作时产生无功功率，电能表只计量有功功率，可以避免产生额外计费。
19.此外，控制方式是数字信号，电压波动不会造成断路器本体误动作。
附图说明
20.图1是本实用新型实施例电能表外置断路器的原理框图；
21.图2是本实用新型实施例配对电路的电路图；
22.图3是本实用新型实施例电压检测电路的第一种实施方式；
23.图4是本实用新型实施例电压检测电路的第二种实施方式；
24.图5是本实用新型实施例电压检测电路的第三种实施方式；
25.图6是本实用新型实施例电压检测电路的第一种实施方式；
26.图7是本实用新型实施例触发开关与手柄的配合示意图；
27.图8是本实用新型实施例电压检测电路的第二种实施方式；
28.图9是本实用新型实施例电压检测电路的第三种实施方式；
29.图10是本实用新型实施例手柄上设有感应磁铁的结构示意图；
30.图11是本实用新型实施例ac
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dc开关电源电路的电路图；
31.图12是本实用新型实施例dc
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dc电压转换电路的电路图；
32.图13是本实用新型实施例控制电路的电路图；
33.图14是本实用新型实施例过欠压检测电路的电路图；
34.图15是本实用新型实施例蓝牙通讯电路的电路图；
35.图16是本实用新型实施例执行检测电路的电路图；
36.图17是本实用新型实施例执行驱动电路的电路图。
具体实施方式
37.如图1所示，本实用新型的电能表外置断路器包括与电能表连接的断路器本体，断路器本体包括控制电路以及分别与控制电路连接的配对电路和蓝牙通讯电路，配对电路包括电抗元件，电抗元件能够产生无功电流改变断路器本体的电流波形，电能表能够依次唤醒范围内的断路器本体的蓝牙通讯电路，使电能表的蓝牙通讯模块能够基于电流波形与电流波形相同的断路器本体的蓝牙通讯电路配对连接。
38.本实用新型的电能表外置断路器，通过配对电路改变电能表和断路器本体的电流波形，使电能表与电流波形相同的断路器本体配对，不仅配对更精确，而且配对速度更快，所述配对电路通过电抗元件改变电流波形，工作时产生无功功率，电能表只计量有功功率，可以避免产生额外计费。
39.以下结合附图1至17给出的实施例，进一步说明本实用新型的电能表外置断路器的具体实施方式。本实用新型的电能表外置断路器不限于以下实施例的描述。
40.如图1所示，所述断路器本体包括控制电路以及分别与控制电路连接的配对电路、蓝牙通讯电路、执行驱动电路、状态检测电路、执行检测电路、过欠压检测电路和电源电路，电源电路为断路器本体供电，控制电路先通过配对电路将蓝牙通讯电路与电能表配对，在电能表与控制电路之间无线通讯，使电能表能够通过执行驱动电路驱动电动机带动断路器本体分合闸，如在欠费时分闸，缴费后合闸；
41.所述执行检测电路用于检测电动机的位置，以及断路器本体是处于手动操作模式还是电动操作模式；
42.所述状态检测电路用于检测断路器本体的工作状态，断路器本体处于分闸还是合闸；
43.所述过欠压检测电路用于检测供电电压是否在标准范围内，如果不在标准范围内，控制电路可以使执行驱动电路驱动断路器本体分闸以进行保护。
44.如图2所示，所述配对电路工作时产生无功功率，电能表只计量有功功率，所以无
功功率的配对电路可以避免产生额外计费。所述电抗元件为高压电容c15 或电感，配对电路包括与电抗元件连接的可控开关元件，可控开关元件的控制端与控制电路连接。
45.本实施例的配对电路中可控开关元件为光电可控硅u3，电抗元件为高压电容c15，所述配对电路包括光电可控硅u3，光电可控硅u3的输入端经过限流电阻r21和mos管q1与电源电路连接，mos管q1的控制端与控制电路连接，光电可控硅u3的输出端经过高压电容c15与电能表连接，在高压电容c15两端并联有放电电阻r22。
46.控制电路能够导通mos管q1为光电可控硅u3的输入端供电，光电可控硅 u3的输出端导通使高压电容c15开始工作，通过高压电容c15反复充放电，以无功功率的方式改变电能表和断路器本体的电流波形，电能表和断路器本体以各自电流波形分别得到形成电流码，电流码可以包括电流的频率和形状等，电能表和断路器本体的电流码一致时，说明电能表与断路器本体接在同一电力运输线上，可以开始配对，配对结束后由控制电路在关断配对电路的mos管q1，使配对电路停止工作。
47.可以理解的是，也可以通过电感代替配对电路的高压电容c15改变电流的波形，同样可以做无功功率。此外，所述mos管q1也可以采用其它可控开关元件，可控开关元件在控制电路控制下能够可靠导通和断开即可，如可控硅或三极管。
48.进一步，所述蓝牙通讯电路在配对连接时，还能够向电能表发送加密的随机码，电能表分别校对电流码和随机码，确认无误后进行配对，配对完成后配对电路停止工作。控制方式是数字信号，电压波动不会造成断路器本体误动作。
49.本实施例电能表和断路器的配对过程如下：
50.断路器先随机产生断路器电流码，断路器的配对电路以无功方式，将断路器电流码以及与断路器电流码对应生成的断路器校验码调制循环发送到与电能表相连的电缆线，同时断路器的蓝牙通讯电路以广播发送断路器校验码；电能表初始化后，若未检测到相连的断路器从机，则自动开始寻找断路器进行匹配：电能表先开始采样记录电缆线的电流数据，电流数据采样足够时，根据电缆线的电流数据计算解调出电能表电流码和电能表校验码。电能表的蓝牙通讯模块扫描断路器的蓝牙通讯广播，由于断路器的蓝牙通讯广播带有断路器校验码，当断路器校验码与电能表校验码一致时，电能表再校验电能表电流码和断路器电流码，当电能表电流码和断路器电流码也一致时，电能表与断路器完成配对。
51.本实施例电能表和断路器的配对流程基于现有技术，当然也可以采用其它基于断路器电流码的配对流程。
52.进一步，还可以进行一次额外校对，当电能表电流码和断路器电流码一致时，电能表记录断路器地址，有多个匹配一致的结果时，则将多个断路器地址记录为地址列表；电能表连接断路器地址列表中的一个断路器，并随机产生新的断路器电流码，即二次断路器电流码，并通过蓝牙通讯发送至断路器；断路器接收二次断路器电流码后，生成二次断路器校验码，并将二次断路器电流码和二次断路器校验码发送至电缆线，然后回复电能表更改完成。电能表收到断路器回复后，根据电缆线的电流数据计算解调出新的电能表电流码和电能表校验码，即二次电能表电流码和二次电能表校验码。如果电能表解调出的二次电能表电流码，等于其产生的二次断路器电流码，则可以确认该断路器为该电能表后安装的断路器，此时再将电能表与断路器完成配对。如果电能表解调出的二次电能表电流码，不等于其产生的二次断路器电流码，则表示配对失败，断开该断路器，并在扫描列表中删除该断路器
地址，重复连接地址列表中的其它断路器，或重新寻找新的断路器地址，直至无法找到新的断路器地址。
53.如图1所示，所述状态检测电路用于检测断路器本体的工作状态，本实施例的状态检测电路包括电压检测电路和机械检测电路，通过电压检测电路和机械检测电路双路分别进行检测，电压检测电路根据断路器本体的负载端电压判断工作状态，机械检测电路根据断路器本体的手柄100位置判断工作状态，电压检测电路和机械检测电路相互独立且同时检测，能够更准确判断工作状态。
54.控制电路能够记录最近一段时间内，电压检测电路的电平状态，当机械检测电路变化时，控制电路能够根据电压检测电路的电平变化判断是否一致，如结果一致则说明检测准确，如果两者不一致，则出现故障。
55.参阅图3示出电压检测电路的第一种实施方式，本实施方式的电压检测电路通过模拟电路检测断路器本体负载端的电压，断路器本体分闸时无电流通过，断路器本体合闸时可能有电流通过。
56.具体的，所述电压检测电路包括正极与断路器本体的负载端连接的整流二极管d9，整流二极管d9的负极经过降压电阻r36、降压电阻r37和降压电阻r38 后分别与控制电路的swch_status1端口、钳位二极管d10的正极、耦合滤波电容c31和采样电阻r39连接，钳位二极管d10的负极与电源电路连接，耦合滤波电容c31和采样电阻r39的另一端相连后接地。
57.控制电路根据swch_status1端口的电平判断断路器本体的状态， swch_status1端口为低电平时，断路器本体为断开状态，swch_status1端口为高电平时，断路器本体为闭合状态。
58.参阅图4示出电压检测电路的第二种实施方式，本实施方式的电压检测电路，通过光耦u5检测断路器本体的负载端是否存在电压。
59.具体的，所述电压检测电路包括正极与断路器本体的负载端连接的整流二极管d4，整流二极管d9的负极与电阻r11、电阻r12、电阻r13和光耦u5的输入端串联后接地，光耦u5输出端的一端与电源电路电源电路连接，光耦u5输出端的另一端分别与控制电路的swch_status1端口、电阻r14和电容c12的一端连接，电阻r14和电容c12的另一端相连后接地。
60.控制电路根据swch_status1端口的电平判断断路器本体的状态， swch_status1端口为低电平时，光耦u5的输入端未导通，断路器本体为断开状态，swch_status1端口为高电平时，光耦u5的输入端导通，断路器本体为闭合状态。
61.参阅图5示出电压检测电路的第三种实施方式，本实施方式的电压检测电路，通过电压互感器t2检测断路器本体的负载端是否存在电压。
62.具体的，所述电压检测电路包括电压互感器t2，电压互感器t2的一次绕组与断路器本体的负载端连接，电压互感器t2的二次绕组的一端经过电阻r19 与控制电路的swch_status1端口连接，电压互感器t2的二次绕组的另一端依次经过二极管d7、二极管d77和电阻r21接地，且在电压互感器t2的二次绕组的两端并联有电阻r20，二极管d7和二极管d77之间的节点与电阻r19和电压互感器t2的二次绕组之间的节点连接。
63.控制电路根据swch_status1端口的电平判断断路器本体的状态， swch_status1
端口为低电平时，电压互感器t2的一次绕组未通电，断路器本体为断开状态，swch_status1端口为高电平时，电压互感器t2的一次绕组通电，断路器本体为闭合状态。
64.参阅图6
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7示出机械检测电路的第一种实施方式，机械检测电路通过触发开关200与断路器本体的手柄100配合，手柄100在断路器本体分合闸时处于不同的位置，根据手柄100的停靠位置判断断路器本体的分合闸状态，本实施方式的触发开关200为接触开关j2。
65.具体的，所述机械检测电路包括接触开关j2、上拉电阻r25和储能电容c22，接触开关j2、上拉电阻r25和储能电容c22的一端相连后分别与控制电路的wk4 端口连接，上拉电阻r25的另一端与电源电路连接，储能电容c22和接触开关 j2的另一端分别接地；
66.接触开关j2的控制端对应设置在断路器本体的手柄100的分闸位置，断路器本体分闸时，手柄100移动到分闸位置使接触开关j2闭合，wk4端口为低电平，控制电路根据wk4端口为低电平判断出手柄100在分闸位置；
67.断路器本体合闸时，手柄100移动到合闸位置离开并关断接触开关j2，wk4 端口为高电平，控制电路根据wk4端口为高电平判断出手柄100在合闸位置。当然，也可以将接触开关j2的控制端对应设置在断路器本体的手柄100的合闸位置。
68.参阅图8
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9示出机械检测电路的第二种实施方式，本实施方式的区别在于将所述触发开关200改为霍尔元件j1，并在断路器本体的手柄100上设置感应磁铁110，通过感应磁铁110靠近和远离霍尔元件j1，使霍尔元件j1导通和断开，实现与接触开关j2相同的目的。如手柄100移动到分闸位置时，带动感应磁铁 110靠近并使霍尔元件j1闭合，wk4端口为低电平，进而判断出手柄100在分闸位置，断路器本体合闸过程同理。
69.参阅图10示出机械检测电路的第三种实施方式，本实施方式的区别在于将所述触发开关200改为光电传感器u1，通过断路器本体的手柄100遮挡和避让光电传感器u1的光源，使光电传感器u1导通和断开，实现与接触开关j2相同的目的。如手柄100移动到分闸位置时离开光电传感器u1，使光源照射到光电传感器u1上，使光电传感器u1闭合，wk4端口为低电平，进而判断出手柄100 在分闸位置，断路器本体合闸过程同理。
70.如图1所示，所述电源电路包括交流输入电路、ac
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dc开关电源电路和dc
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dc 电压转换电路，交流输入电路为ac
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dc开关电源电路提供85v
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285v交流电， ac
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dc开关电源电路与现自动重合闸断路器(断路器本体)的电源电路基本一致，将交流输入电路的交流电转换为12v直流电并送至dc
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dc电压转换电路，dc
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dc 电压转换电路再将12v直流电压降压后为断路器本体供电。
71.参阅图11，所述ac
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dc开关电源电路包括电源芯片u2和高频变压器t1，高频变压器t1包括两个一次绕组，高频变压器t1的一个一次绕组连接在交流输入电路与电源芯片u2的两个sw引脚之间，高频变压器t1的另一个一次绕组分别与电源芯片u2的fb引脚和vcc引脚连接后接地，高频变压器t1的二次绕组与dc
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dc电压转换电路连接，用于输出12v直流电。
72.参阅图12，所述dc
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dc电压转换电路包括开关转换芯片u10、使能调节电阻r6、滤波存储电容c6和滤波存储电容c7，开关转换芯片u10的vin引脚、使能调节电阻r6、滤波存储电容c6和滤波存储电容c7的一端分别与dc
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dc电压转换电路的输入端连接，调节电阻r6的另一端与开关转换芯片u10的en引脚连接，滤波存储电容c6和滤波存储电容c7的另一端相连后接地；开关转换芯片u10的sw引脚依次经过功率电感l3和整流二极管d4与dc
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dc电压转换电路的输出端连接，整流二极管d4的两端分别经过滤波存储电容c9和滤波存储电容c10接
地，功率电感l3用于连接sw引脚的一端经过自举电容c3与开关转换芯片u10的bst引脚连接，功率电感l3的另一端经过调节电阻r9与开关转换芯片u10的fb引脚相连后一起经过调节电阻r10接地。优选的，所述开关转换芯片u10的型号为la1631。
73.如图13所示，所述控制电路为mcu电路，图13示出了mcu及外围电路图，包括集成处理器u4以及分别与集成处理器u4连接的复位检测电路、石英晶振 y1、下拉电平检测电阻r20和耦合滤波电容c23
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c27，复位检测电路包括电阻 r24和电容c21。
74.如图14示出过欠压检测电路的电路图，过欠压检测电路检测断路器本体的供电电压是否在标准范围内，如果不在标准范围内，则为过欠压故障，控制电路可以通过执行驱动电路使断路器本体分闸，将电路断开以进行保护。
75.所述过欠压检测电路包括分别与控制电路pow_check端口连接的采样电阻 r32、滤波储能电容c29、钳位二极管d8和限流电压电阻r31，限流电压电阻r31 的另一端经过限流电压电阻r29和限流电压电阻r30与电源电路连接，钳位二极管d8的负极与电源电路连接，滤波储能电容c29的另一端和采样电阻r32的另一端相连后接地。
76.如图15示出蓝牙通讯电路的电路图，蓝牙通讯电路包括蓝牙通讯集成模块 u6，以及连接在蓝牙通讯集成模块u6与电源电路之间的微型mos管v1，微型 mos管v1的g极经过限流电阻r35与控制电路连接，微型mos管v1的d极分别与蓝牙通讯集成模块u6和滤波耦合电容c30连接，微型mos管v1的s极经过限流电阻r33与电源电路连接，微型mos管v1的s极与g极通过限流电阻r34 连接。
77.图16为执行状态检测电路，执行状态检测电路包括与控制电路 init_position端口连接的开关s1、与控制电路trip_position端口连接的开关s2、与控制电路clos_position端口连接的开关s3和与控制电路a/m端口连接的开关s4，以及分别与开关s1连接的电阻r16和电容c16、分别与开关s2 连接的电阻r17和电容c17、分别与开关s3连接的电阻r18和电容c18、分别与开关s4连接的电阻r18和电容c18。
78.图17为执行驱动电路，执行驱动电路主要通过芯片u55驱动电动机动作。
79.以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术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，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。