万能式断路器电子控制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种万能式断路器电子控制器，包括中央控制器、电源模块、电流采集模块、电压采集模块、相位检测模块、显示及输入模块、执行机构检测与驱动模块、通信模块和输出模块；本发明采用双电源供电，通过多路交流信号采集电流、电压信号，实时计算电流、电压值并通过相位检测模块检测相位差；采集的电流、电压信号经中央控制器处理后可以根据是过载、短路、瞬断、缺相、电流不平衡或电压不平衡或者是正常情况对电路做出不同情况下的保护；中央控制器输出的信号通过通信模块进行信号传输；显示及输入模块可以对断路器的参数进行调整；而断路器的工作状态通过输出模块输出；本发明具有系统稳定性好、电路简化、低功耗的优点。
【专利说明】万能式断路器电子控制器
【技术领域】
[0001]本发明属于断路器【技术领域】，尤其是一种万能式断路器或者框架断路器的电子控制器。
【背景技术】
[0002]万能断路器又称框架式断路器，是一种能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常电路如过载、短路、瞬断、缺相、电流不平衡、电压不平衡等条件下保护电路的开关设备。万能断路器广泛应用于电力配电系统，对电网的安全、稳定运行起到十分重要的作用。而电子控制器作为断路器正确完成功能的核心部件，因此人们对电子控制器的可靠性要求愈加严格。
[0003]现有的断路器智能控制器包括中央控制器、电源模块、电流互感器、电压互感器、显示及输入模块、执行机构检测与驱动模块、通信模块以及输出模块；电源模块为中央控制器供电，电流互感器的输出端与中央控制器的电流采样信号输入端连接，电压互感器采集电压后与中央控制器的电压采样信号输入端连接，经中央控制器处理后输出的信号经控制执行机构检测与驱动模块检测后是否属于正常或异常电路并驱动不同调节下的脱扣器执行相应的操作，同时通过通信模块将中央控制器输出的信号传输出去，并通过显示及输入模块对断路器的相关参数如保护电流的整定值、通信速度等作出修改设定，电路的正常或异常状态通过输出模块输出。
[0004]现有技术中的电源模块虽然是双电源供电模式，但其缺陷是大部分采用线性稳压电源芯片或者采用开关电源芯片，没有根据电流互感器供电中电流周期性变化的特点设计出灵活的供电方法，而且对低功耗设计的考虑不够。
[0005]现有技术中的电流模块在采集电流信号时，通常没有根据待测电流的大小来进行自动分档选择精度更高的运放而导致测量精度低的问题；而电压模块在采集电压信号时，通常采用大电阻分压直接测量的方法，该方法与采用隔离测量相比，具有不够稳定的缺陷。
[0006]现有技术的执行机构检测与驱动模块为了能控制执行机构动作，需要额外配备电源，结构复杂，成本高。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种低功耗、简化电路、供电稳定的万能式断路器电子控制器。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种万能式断路器电子控制器，包括中央控制器(I)、电源模块(4)、电流采集模块、电压采集模块、相位检测模块(3)、显示
(7)及输入模块(81)、执行机构检测与驱动模块(6)、通信模块(5)以及输出模块(82);所述电源模块(4)的输出端与所述中央控制器(I)连接，所述电流采集模块包括与所述中央控制器(I)的电流采集输入端连接的电流互感器(21);电压采集模块包括与所述中央控制器(O的电压采集输入端连接的电压互感器(22)，相位检测模块(3)的输入端分别与所述电流采集模块以及电压采集模块连接，相位检测模块(3)的输出端与所述中央控制器(I)连接，所述显示(7)及输入模块(81)、执行机构检测与驱动模块(6)、通信模块(5)以及输出模块(82)分别与所述中央控制器(I)连接，其特征在于:所述电源模块(4)包括变压器供电模块和电流互感器供电模块，
所述变压器供电模块包括变压器，变压器的输出端连接有共模扼流圈(L2)，共模扼流圈(L2)的输出端通过整流器(BRl)与开关电源以及稳压电路连接，稳压电路的输出端与所述中央控制器(I)连接；
所述电流互感器供电模块包括共模扼流圈(L1)、M0S管驱动芯片，MOS管驱动芯片的高位输出端连接有MOS管(Ql)，MOS管驱动芯片的低位输出端连接有MOS管(Q7)，共模扼流圈(LI)的一端与所述电流互感器(21) —端连接，共模扼流圈(LI)的另一端分别与所述MOS管(Ql)和MOS管(Q7)连接；所述电流互感器(21)的另一端与所述中央控制器(I)的电流采集输入端连接。
[0009]上述结构中，万能式断路器电子控制器采用双电源供电，电源一是220V交流电经变压器变成24V交流信号，整流后经低功耗开关电源L5970D输出12V电压，经HT7533稳压在3.3V，为电流、电压采集模块、相位检测模块(3)、通信模块(5)、中央控制器(I)等各个模块供电；电源二是由速饱和电流互感器(21)供电，该电流互感器供电模块与上述变压器供电模块共用一套开关电源以及稳压电路；该路采用软硬件结合的方式，保证系统的供电；速饱和电流互感器(21)如同电流源，电流由小变大到一定程度时，MOS管驱动芯片IR2101达到正常供电电压，在此期间，中央控制器(I)未启动，MOS管驱动芯片IR2101高位输出端控制MOS管(Ql)导通，将输入端短接，当中央控制器(I)正常启动时，由软件输出脉冲，MOS管驱动芯片IR2101低位输出信号控制MOS管(Q7)导通，通过这种方法，保证系统供电的稳定。
[0010]作为本发明的进一步设置，所述电流采集模块包括电流信号调理模块，电流信号调理模块包括共模扼流圈(L5)与两级运算放大器，共模扼流圈(L5)的输入端与所述电流互感器(21)连接，共模扼流圈(L5)的输出端与所述两级放大器的输入端连接，两级运算放大器的输出端与所述中央控制器(I)的电流采集输入端连接。
[0011]上述结构中，电流采集通过电流互感器(21)输入可以抑制外界干扰，保证电流信号可靠传输；此外，由于采样的电流变化范围较大，额定电流In为1000A，采样电流变化范围从几安培?几万安培，电流放大部分采用自动分档的方式，可以提高测量精确度；当采样电流为小电流时，可采用两级运放的输入数据；而当采用电流为大电流时，采用单级运放的输入数据；两种方式有针对性地进行适当的放大，更加灵活。
[0012]作为本发明的进一步设置，所述电流采集模块包括虚拟地模块，虚拟地模块包括虚拟地放大器(U10D)、等阻值的电阻(R19)和电阻(R20)、以及滤波电容(CE7)，虚拟地放大器(UlOD)的输入端与所述电源模块(4)连接，虚拟地放大器(UlOD)的输出端与呈并联连接的电阻(R20)和滤波电容(C14)串联后与电阻(R19)连接并输出电压为所述电源模块(4)的输出电压的1/2。
[0013]上述结构中，电流采样由电流互感器(21)输入，经共模厄流圈(L5)后，输入到电流信号调理模块，由于系统采集的是交流信号，对于现有技术中的电源模块(4)而言，需要提供正负双电源用于供电，这样不仅增加设备增加成本，同时还复杂了电路结构；而该虚拟地模块的设置将交流信号零点电压提升到Vcc/2，这样只需要提供单电源供电，简化了电源电路，方便采集。
[0014]作为本发明的进一步设置，所述电压采集模块包括三相限流电阻，分别为电阻(R41)、电阻(R42)、电阻(R43)，所述三相限流电阻的输入端与所述变压器连接，三相限流电阻的输出端分别通过电压互感器(Tl、T2、T3)转换后与所述中央控制器(I)的电压采集输入端连接。
[0015]上述结构中，电压信号采集时，通过电压互感器(Tl、T2、T3)隔离，通过电压-电流-电压(V-1-V)的转换，比起现有技术中的采用大电阻分压方式的直接测量方法，具有可避免电压信号直接干扰中央控制器的I/o 口，显著提高系统稳定性的作用。
[0016]作为本发明的进一步设置，所述执行机构检测与驱动模块包括升压模块，所述升压模块包括共模扼流圈(L4)、MOS管(Q5)、整流二极管(D15)、电容(CE4)、电阻(R100)、电阻(R9)和电阻(R10)，所述共模扼流圈(L4)的输入端与所述电源模块(4)正极连接，所述MOS管(Q5)的漏极端与电阻(R9)串联后与共模扼流圈(L4)的输出端以及电容(CE4)的正极连接，MOS管(Q5)的另一端通过电阻(RlO)与所述电源模块(4)接地端连接，所述电容(CE4)负极与接地端连接。
[0017]上述结构中，执行机构检测与驱动模块(6)利用中央控制器(I)输出脉冲信号，控制MOS管(Q5)开或关从而达到升压的作用，电压信号经升压模块升压后再经稳压管(D12)稳压后可以为执行机构即断路器的脱扣器提供电源，这样就不需额外给脱扣器提供电源，简化了设备。
[0018]采用上述方案，本发明采用双电源供电，稳定性更好；通过多路交流信号采集电流、电压信号，实时计算电流、电压值并通过相位检测模块(3)进行相位差的检测可以计算功率因素；采集的电流、电压信号经中央控制器(I)运算后，可以根据电流电压值的不同范围，判断是属于过载、短路、瞬断、缺相、电流不平衡或电压不平衡或者是正常情况，并根据不同情况下的保护特性做出相应的处理，即执行机构检测与驱动模块(6)根据中央控制器(I)输出的信号做出判断后驱动脱扣器动作；此外，中央控制器(I)输出的信号还可以通过隔离型RS485通信模块(5)将信号传输到其他智能设备，另外，通过显示(7)及输入模块
(81)可以对断路器的一些参数进行调整，例如电流整定值、通信速率等参数进行调整；而断路器的工作状态可以通过输出模块(82)输出；本发明的中央控制器(I)具有热记忆功能，能同时对三相电流信号进行32次谐波分析，支持MODBUS通信协议，系统从器件选择、电源电路设计等多方面都具有低功耗的效果。
[0019]下面结合附图对本发明作进一步描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]附图1为本发明具体实施例电子控制器系统框图；
附图2为本发明具体实施例双电源供电电路图；
附图3为本发明具体实施例电流信号采集电路图；
附图4为本发明具体实施例虚拟地电路图；
附图5为本发明具体实施例电压信号采集电路图；
附图6为本发明具体实施例执行机构检测与驱动模块的电路图。【具体实施方式】
[0021]本发明的具体实施例如图1-6所示是万能式断路器电子控制器，包括中央控制器
1、电源模块4、电流采集模块、电压采集模块、相位检测模块3、显示模块7、输入模块81、执行机构检测与驱动模块6、通信模块5以及输出模块82。
[0022]如图1所示，该中央控制器I采用Cortex_M3单片机，该单片机中包括AD模数信号转换模块11、DMA存储模块12、UART通信模块13、定时器模块14、多任务操作模块15以及GPIO输入输出模块16。
[0023]该电流采集模块包括与中央控制器I的电流采集输入端即AD模数信号转换模块11连接的速饱和电流互感器21 ;电压采集模块包括与中央控制器I的电压采集输入端即AD模数信号转换模块11连接的电压互感器22，相位检测模块3的输入端分别与电流采集模块以及电压采集模块连接，相位检测模块3的输出端与中央控制器I连接，显示模块7即液晶显不器、输入模块81、执行机构检测与驱动模块6以及输出模块82分别与中央控制器I的GPIO输入输出模块16连接，上述通信模块5与中央控制器I的UART通信模块13连接。
[0024]该电源模块4的输出端与中央控制器I连接为中央控制器I供电，电源模块4包括变压器供电模块和电流互感器供电模块；如图2所示，变压器供电模块包括变压器即压敏电阻7D101，变压器7D101的输出端连接有共模扼流圈L2，共模扼流圈L2的输出端通过整流器BRl与开关电源电路以及稳压电路连接，稳压电路的输出端与中央控制器I连接；电流互感器供电模块包括共模扼流圈L1、M0S管驱动芯片IR2101，MOS管驱动芯片IR2101的高位输出端连接有MOS管Ql，MOS管驱动芯片IR2101的低位输出端连接有MOS管Q7，共模扼流圈LI的一端与电流互感器21 —端连接，共模扼流圈LI的另一端分别与MOS管Ql和MOS管Q7连接；电流互感器21的另一端与中央控制器I的电流采集输入端连接。
[0025]上述结构中，万能式断路器电子控制器采用双电源供电，电源一是220V交流电经变压器变成24V交流信号，经二极管整流桥BRl整流后由低功耗开关电源L5970D输出12V电压，经稳压电路HT7533稳压在3.3V ；电源二是由速饱和电流互感器21供电，该路采用软硬件结合的方式，保证系统的供电；速饱和电流互感器21如同电流源，电流由小变大到一定程度时，MOS管驱动芯片IR2101达到正常供电电压，在此期间，中央控制器I未启动，MOS管驱动芯片IR2101高位输出端控制MOS管Ql导通，将输入端短接，当中央控制器I正常启动时，由软件输出脉冲，MOS管驱动芯片IR2101低位输出信号控制MOS管Q7导通，通过这种方法，保证系统供电的稳定。
[0026]如图3所示，上述电流采集模块包括电流信号调理模块，电流信号调理模块包括共模扼流圈L5和三组不同放大倍数的两级运算放大器，共模扼流圈L5的输入端分别与经过电流互感器21传输的三相交流电流信号连接，共模扼流圈L5的输出端分别与上述三组不同放大倍数的两级运算放大器输出，每个两级运算放大器的输出端分别与中央控制器I的电流采集输入端连接。上述三组的两级运算放大器分别与三相交流电信号相对应连接，三组两级运算放大器为:第一组两级运算放大器包括初级运算放大器(U7A)和次级运算放大器(U9A);第二组两级运算放大器包括初级运算放大器(U7B)和次级运算放大器(U9B);第三组两级运算放大器包括初级运算放大器(U7C)和次级运算放大器(U9C)上述结构中，电流采集通过电流互感器21输入可以抑制外界干扰，保证电流信号可靠传输；此外，由于采样的电流变化范围较大，额定电流In为1000A，采样电流变化范围从几安培?几万安培，电流放大部分采用分档的方式，可以提高测量精确度；当采样电流为小电流时，可采用两级运放；而当采用电流为大电流时，采用单级运放；两种方式有针对性地进行适当的放大，更加灵活。
[0027]如图4所示，上述电流采集模块包括虚拟地模块，虚拟地模块包括虚拟地放大器U10D、等阻值的电阻R19和R20、以及滤波电容CE7电容C14，虚拟地放大器UlOD的输入端与电源模块连接，虚拟地放大器UlOD的输出端与呈并联连接的电阻R20和滤波电容C14串联后与电阻R19连接输出电压为电源模块的输出电压的1/2。
[0028]上述结构中，电流采样由电流互感器21输入，经共模厄流圈L2后，输入到电流信号调理模块，由于系统采集的是交流信号，对于现有技术中的电源模块而言，需要提供正负双电源用于供电，这样不仅增加设备增加成本，同时还复杂了电路结构；而该虚拟地模块的设置将交流信号零点电压提升到Vcc/2，这样只需要提供单电源供电，简化了电源电路，方便采集，同时还降低了功耗。
[0029]如图5所示，上述电压采集模块包括三相限流电阻，分别为电阻R41、电阻R42、电阻R43，三相限流电阻的输入端与变压器连接，三相限流电阻的输出端分别通过电压互感器Tl、电压互感器T2、电压互感器T3转换后与中央控制器I的电压采集输入端连接。
[0030]上述结构中，电压信号采集时，通过电压互感器Tl、电压互感器T2、电压互感器T3隔离，通过电压-电流-电压(V-1-V)的转换，比起现有技术中的采用大电阻分压方式的直接采用方法，具有可避免电压信号直接干扰中央控制器的I/o 口，显著提高系统稳定性的作用。
[0031]如图6所示，上述执行机构检测与驱动模块包括升压模块，升压模块包括共模扼流圈L4、MOS管Q5、整流二极管D15、电容CE4、电阻R100、电阻R9和电阻R10，共模扼流圈L4的输入端与电源模块4正极连接，MOS管Q5的一端与R9串联后与共模扼流圈L4的输出端以及电容CE4的输入端连接，MOS管Q5的另一端通过电阻RlO与电源模块4负极连接，电容CE4与MOS管Q5并联连接。
[0032]上述结构中，执行机构检测与驱动模块利用中央控制器I输出脉冲信号，控制MOS管Q5开或关从而达到升压的作用，电压信号经升压模块升压后再经稳压管D12稳压后可以为执行机构即断路器的脱扣器提供电源，这样就不需额外给脱扣器提供电源，简化了设备。
[0033]本发明采用双电源供电，稳定性更好；通过多路交流信号采集电流、电压信号，实时计算电流、电压值并通过相位检测模块进行相位差的检测可以便于降低损耗的研究设计；采集的电流、电压信号经中央控制器I处理后输出的信号可以根据是过载、短路、瞬断、缺相、电流不平衡或电压不平衡或者是正常情况对电路做出不同情况下的保护动作即执行机构检测与驱动模块根据中央控制器输出的信号做出判断后驱动脱扣器发生动作或不发生动作或者延迟发生动作等保护动作；此外，中央控制器输出的信号还可以通过隔离型RS485通信模块5将信号传输到上下级电网，另外，通过液晶显示器7、输入模块81可以对断路器的一些参数进行调整，例如电流整定值、通信速率等参数进行调整；而断路器的工作状态可以通过输出模块82输出；本发明的中央控制器具有热记忆功能，能同时对三相电流信号进行32次谐波分析，支持MODBUS通信协议，系统从器件选择、电源电路设计等多方面都具有低功耗的效果。本发明具有系统稳定性好、电路简化、低功耗的优点。
【权利要求】
1.一种万能式断路器电子控制器，包括中央控制器(1)、电源模块(4)、电流采集模块、电压采集模块、相位检测模块(3)、显示(7)及输入模块(81)、执行机构检测与驱动模块(6)、通信模块(5)以及输出模块(82);所述电源模块(4)的输出端与所述中央控制器(1)连接，所述电流采集模块包括与所述中央控制器(1)的电流采集输入端连接的电流互感器(21);电压采集模块包括与所述中央控制器(1)的电压采集输入端连接的电压互感器(22)，相位检测模块(3)的输入端分别与所述电流采集模块以及电压采集模块连接，相位检测模块(3)的输出端与所述中央控制器(1)连接，所述显示(7)及输入模块(81)、执行机构检测与驱动模块(6)、通信模块(5)以及输出模块(82)分别与所述中央控制器(1)连接，其特征在于:所述电源模块(4)包括变压器供电模块和电流互感器供电模块， 所述变压器供电模块包括变压器，变压器的输出端连接有共模扼流圈(L2)，共模扼流圈(L2)的输出端通过整流器(BRl)与开关电源以及稳压电路连接，稳压电路的输出端与所述中央控制器(1)连接； 所述电流互感器供电模块包括共模扼流圈(L1)、M0S管驱动芯片，MOS管驱动芯片的高位输出端连接有MOS管(Ql)，MOS管驱动芯片的低位输出端连接有MOS管(Q7)，共模扼流圈(LI)的一端与所述电流互感器(21) —端连接，共模扼流圈(LI)的另一端分别与所述MOS管(Ql)和MOS管(Q7)连接；所述电流互感器(21)的另一端与所述中央控制器(1)的电流采集输入端连接。
2.根据权利要求1所述的万能式断路器电子控制器，其特征在于:所述电流采集模块包括电流信号调理模块，电流信号调理模块包括共模扼流圈(L5)与两级运算放大器，共模扼流圈L5的输入端与所述电流互感器(21)连接，共模扼流圈(L5)的输出端与所述两级放大器的输入端连接，两级运算放大器的输出端与所述中央控制器(1)的电流采集输入端连接。
3.根据权利要求1或2所述的万能式断路器电子控制器，其特征在于:所述电流采集模块包括虚拟地模块，虚拟地模块包括虚拟地放大器(U10D)、等阻值的电阻(R19)和电阻(R20)、以及滤波电容(CE7)，虚拟地放大器(UlOD)的输入端与所述电源模块(4)连接，虚拟地放大器(UlOD)的输出端与呈并联连接的电阻(R20)和滤波电容(C14)串联后与电阻(R19)连接并输出电压为所述电源模块(4)的输出电压的1/2。
4.根据权利要求1或2所述的万能式断路器电子控制器，其特征在于:所述电压采集模块包括三相限流电阻，分别为电阻(R41)、电阻(R42)、电阻(R43)，所述三相限流电阻的输入端与所述变压器连接，三相限流电阻的输出端分别通过电压互感器(T1、T2、T3)转换后与所述中央控制器(1)的电压采集输入端连接。
5.根据权利要求3所述的万能式断路器电子控制器，其特征在于:所述电压采集模块包括三相限流电阻，分别为电阻(R41)、电阻(R42)、电阻(R43)，所述三相限流电阻的输入端与所述变压器连接，三相限流电阻的输出端分别通过电压互感器(Τ1、Τ2、Τ3)转换后与所述中央控制器(1)的电压采集输入端连接。
6.根据权利要求1或2所述的万能式断路器电子控制器，其特征在于:所述执行机构检测与驱动模块包括升压模块，所述升压模块包括共模扼流圈(L4)、MOS管(Q5)、整流二极管(D15)、电容(CE4)、电阻(R100)、电阻(R9)和电阻(R10)，所述共模扼流圈(L4)的输入端与所述电源模块(4)正极连接，所述MOS管(Q5)的漏极端与电阻(R9)串联后与共模扼流圈(L4)的输出端以及电容(CE4)的正极连接，MOS管(Q5)的另一端通过电阻(RlO)与所述电源模块(4)接地端连接，所述电容(CE4)负极与接地端连接。
7.根据权利要求3所述的万能式断路器电子控制器，其特征在于:所述执行机构检测与驱动模块包括升压模块，所述升压模块包括共模扼流圈(L4)、MOS管(Q5)、整流二极管(D15)、电容(CE4)、电阻(R100)、电阻(R9)和电阻(R10)，所述共模扼流圈(L4)的输入端与所述电源模块(4)正极连接，所述MOS管(Q5)的漏极端与电阻(R9)串联后与共模扼流圈(L4)的输出端以及电容(CE4)的正极连接，MOS管(Q5)的另一端通过电阻(RlO)与所述电源模块(4)接地端连接，所述电容(CE4)负极与接地端连接。
8.根据权利要求4所述的万能式断路器电子控制器，其特征在于:所述执行机构检测与驱动模块包括升压模块，所述升压模块包括共模扼流圈(L4)、MOS管(Q5)、整流二极管(D15)、电容(CE4)、电阻(R100)、电阻(R9)和电阻(R10)，所述共模扼流圈(L4)的输入端与所述电源模块(4)正极连接，所述MOS管(Q5)的漏极端与电阻(R9)串联后与共模扼流圈(L4)的输出端以及电容(CE4)的正极连接，MOS管(Q5)的另一端通过电阻(RlO)与所述电源模块(4)接地端连接，所述电容(CE4)负极与接地端连接。
9.根据权利要求5所述的万能式断路器电子控制器，其特征在于:所述执行机构检测与驱动模块包括升压模块，所述升压模块包 括共模扼流圈(L4)、MOS管(Q5)、整流二极管(D15)、电容(CE4)、电阻(R100)、电阻(R9)和电阻(R10)，所述共模扼流圈(L4)的输入端与所述电源模块(4)正极连接，所述MOS管(Q5)的漏极端与电阻(R9)串联后与共模扼流圈(L4)的输出端以及电容(CE4)的正极连接，MOS管(Q5)的另一端通过电阻(RlO)与所述电源模块(4)接地端连接，所述电容(CE4)负极与接地端连接。
【文档编号】G05B19/04GK103901786SQ201410102839
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】游颖敏, 陈冲, 吴桂初, 舒亮, 叶鹏, 梁步猛, 倪侃 申请人:温州大学