智能磁保持微型断路器

1.本实用新型涉及一种智能断路器，涉及到单片机技术、传感器技术、网络通信技术等多学科的发展与交叉融合，研究应用磁保持技术的微型智能断路器。属于配电自动化技术领域。


背景技术：

2.随着时代的发展，智能化建筑对电力系统的供电稳定性和配电的灵活性提出了更高的要求，这样微型断路器就在配电系统中起到了关键性的作用。
3.传统的微型断路器仅具有短路、过载保护功能，而何时发生故障、故障发生时相关参数是多少无法获知，对于故障的识别追溯和责任查处带来一定的困难；此外传统的微型断路器只检测到配电箱的用电情况，并且没有反馈信号，对于能源管控无法做到闭环控制。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种智能微型断路器，可实现传统断路器所有基本功能，同时能实现通信、电参数测量，从而进行远程操控。其规格型号统一，体积小巧，与传统微型断路器尺寸相同，方便用户替换，负载能力达到了100a能够满足大部分用户的需求。
5.本实用新型技术方案如下：
6.一种智能磁保持微型断路器，包括壳体和自由脱扣机构；自由脱扣机构转动连接在壳体内，自由脱扣机构的手动操作钮露出于壳体表面；随着自由脱扣机构的转动，自由脱扣机构的触头与断路器的输出端可分合电连接；自由脱扣机构的触头通过导体电连接于断路器的输入端；
7.断路器的主电路为：断路器输入端经自由脱扣机构及其触头电连接于断路器的输出端；
8.作为改进：还包括电源模块、单片机模块、通信模块、计量模块、分合闸驱动电路和磁保持继电器；
9.单片机模块与通信模块进行通信；壳体表面连接有通信接口接插件，通信接口接插件与通信模块的相应接口电连接；
10.计量模块的输入端电连接于断路器的主电路，采集断路器的主电路的电压和电流参数；计量模块的数据输出端电连接于单片机模块的数据输入端；
11.单片机模块的分合闸控制信号输出端电连接于分合闸驱动电路的控制信号输入端，分合闸驱动电路通过磁保持继电器带动自由脱扣机构做转动动作。
12.进一步的，所述电源模块、单片机模块、通信模块、计量模块和分合闸驱动电路载于电路板上，电路板在壳体内；单片机模块的发热面通过导热金属连接于壳体外表面的散热片，单片机模块的发热面与导热金属通过导热硅脂热传导。
13.进一步的，磁保持继电器由工字型的永磁铁和绕有励磁线圈的u型铁芯构成；
14.永磁铁的中心位置连接转轴(即在结构实现时候，自由脱扣机构的转动轴)，工字
型的顶边和底边分别是两个磁极；
15.u型铁芯的两边分别绕励磁线圈，转轴在u型铁芯的开口位置中间；
16.所述分合闸驱动电路有两个输出回路，它们的输出端分别连接两个励磁线圈；
17.单片机模块的分合闸控制信号输出端分别电连接于两个输出回路的输入端；任一输出回路的输入端和输出端之间连接有放大电路。
18.在结构实现上：所述自由脱扣机构是“八”字形结构；自由脱扣机构的底边连接于工字型的永磁铁的顶边；自由脱扣机构的一个分支作为手动操作钮露出于壳体表面；自由脱扣机构的另一个分支作为自由脱扣机构的触头连接机构。
19.本断路器的外壳与现有的普通断路器类似，具有与标准的机箱安装导轨对应槽。
20.本断路器的电源模块可以通过导线取电于机箱内的ac/dc电源，并在断路器内实现dc/dc转换。电源模块也可从采用高耐压的ac/dc转换模块，直接从断路器的输入端子取电。
21.本断路器的磁保持继电器动作原理如图8～图11所示：
22.动作原理
23.磁保持继电器其触点开、合状态平时是由永久磁铁所产生的磁力所保持。
24.当继电器的触点需要开或合状态时，只需要用正(反)直流脉冲电压激励线圈，继电器在瞬间就完成了开与合的状态转换。
25.通常触点处于保持状态时，线圈不需要继续通电，仅靠永久磁铁的磁力就能维持继电器的状态不变。
26.动作过程
27.当继电器的触点需要置位时，只需要用正直流脉冲电压激励线圈j2，线圈j2励磁后产生的磁极与永磁铁的磁极相互作用，同极性相互排斥，异极性相互吸引，使得继电器在瞬间就完成了复位到置位的状态转换。
28.图8～图11演示了具体状态转换过程。
29.磁保持继电器由置位状态转换为复位状态的原理相同。
30.与传统的断路器相比，传统断路器的过流脱扣驱动单元、热(过载)脱扣驱动单元的功能在本断路器中，是由单片机模块、计量模块和分合闸驱动电路实现。
31.由计量模块采集到主电路上的电压电流值，当该数值达到预设阈值时候，单片机输出分闸信号，该信号为脉冲信号，脉冲信号通过经分合闸驱动电路使磁保持继电器动作，并带动自由脱扣机构做转动动作，实现脱扣。
32.由于单片机具有多个i/o端口可以用于数据或信号的输入/输出，通过通信模块实现与云端设备的数据交换。
33.单片机技术是极其成熟技术，上述功能是单片机的基础功能。
34.本实用新型的有益效果为：
35.该断路器除了具备传统断路器的过负荷、过电压、漏电等保护功能之外，采用以单片机为核心的电路，采用电能计量芯片采集电力参数、通信芯片把电力参数上传到云端，对于来自云端的控制信号，借助于单片机以及分合闸控制电路实现对断路器的远程控制。
36.本断路器为负载分析提供硬件支撑；本断路器利用磁保持继电器的线圈磁保持特性来控制断路器的开合等功能；本断路器为断路器与物联网或移动终端设备之间的通信提
供硬件支撑，使断路器能通过相应的通信接口与物联网云平台和手机app或者是电脑上位机进行双向通信。
37.本断路器所用单片机实现以上功能特点是单片机的基本功能，无需创造性劳动即可完成。
38.通过上述技术特点，可以基于本断路器，构成一套集监控、保护、信息交互于一体的物联网闭环系统，使断路器从基本的本地保护升级为智能化、网络化的远程保护。
附图说明
39.图1为本实用新型的电路部分系统框架图。
40.图2为本实施例的壳体内部结构示意图。
41.图3为本实施例的单片机模块电路示意图。
42.图4为本实施例的计量模块电路示意图。
43.图5为本实施例的分合闸驱动电路示意图。
44.图6为本实施例的通讯模块示意图(rs
‑
485接口)电路示意图。
45.图7为本实用新型外部俯视图。
46.图8～图11是磁保持继电器的动作原理示意图，其中：
47.图8是继电器复位时候磁保持继电器的状态，图9是j2线圈脉冲励磁时候磁保持继电器的状态，图10是j2线圈脉冲励磁时候磁保持继电器的状态；图11是继电器复位时候磁保持继电器的状态。
48.图中：壳体1、自由脱扣机构2、手动操作钮3、自由脱扣机构的触头4、断路器的输出端5、断路器的输入端6、电路板7、工字型的永磁铁8、u型铁芯9、转轴10、通信接口接插件11。
具体实施方式
49.下面结合附图对本实用新型进行详细说明。
50.如图2，一种智能磁保持微型断路器，包括壳体和自由脱扣机构；自由脱扣机构转动连接在壳体内，自由脱扣机构的手动操作钮露出于壳体表面；随着自由脱扣机构的转动，自由脱扣机构的触头与断路器的输出端可分合电连接；自由脱扣机构的触头通过导体电连接于断路器的输入端；
51.断路器的主电路为：断路器输入端经自由脱扣机构及其触头电连接于断路器的输出端；
52.再参考图1，作为改进：还包括电源模块、单片机模块、通信模块、计量模块、分合闸驱动电路和磁保持继电器；
53.单片机模块与通信模块进行通信；壳体表面连接有通信接口接插件，通信接口接插件与通信模块的相应接口电连接；
54.计量模块的输入端电连接于断路器的主电路，采集断路器的主电路的电压和电流参数；计量模块的数据输出端电连接于单片机模块的数据输入端；
55.单片机模块的分合闸控制信号输出端电连接于分合闸驱动电路的控制信号输入端，分合闸驱动电路通过磁保持继电器带动自由脱扣机构做转动动作。
56.本例中，所述电源模块、单片机模块、通信模块、计量模块和分合闸驱动电路载于
电路板上，电路板在壳体内；单片机模块的发热面通过导热金属连接于壳体外表面的散热片，单片机模块的发热面与导热金属通过导热硅脂热传导。
57.磁保持继电器由工字型的永磁铁和绕有励磁线圈的u型铁芯构成；
58.永磁铁的中心位置连接转轴，工字型的顶边和底边分别是两个磁极；
59.u型铁芯的两边分别绕励磁线圈，转轴在u型铁芯的开口位置中间；
60.所述分合闸驱动电路有两个输出回路，它们的输出端分别连接两个励磁线圈；
61.单片机模块的分合闸控制信号输出端分别电连接于两个输出回路的输入端；任一输出回路的输入端和输出端之间连接有放大电路。
62.在结构实现上：自由脱扣机构是“八”字形结构；自由脱扣机构的底边连接于工字型的永磁铁的顶边；自由脱扣机构的一个分支作为手动操作钮露出于壳体表面；自由脱扣机构的另一个分支作为自由脱扣机构的触头连接机构。
63.本实施例中，单片机模块采用stc11f04e单片机作为主控单元，通信模块采用485 接口芯片max3483esa，计量模块采用cs5463芯片。具体来说：
64.计量模块中使用cs5463芯片直接读取断路器主电路上的电压电流参数。
65.在单片机模块中，采用stc11f04e单片机作为主控单元，读取cs5463(计量模块) 采集到的电压电流数据，并由modbus通讯协议通过通信模块向上层传输。单片机模块还对输出脉冲进行控制磁保持继电器，进而实现断路器的通断。
66.通过分合闸驱动电路，当有一个脉冲信号即可控制磁保持继电器通断，使用三极管和电阻之间互相配合，保证单片机输出为0时驱动继电器线圈导通，控制继电器的吸合与断开。
67.通信模块采用485接口芯片max3483esa，该芯片具有隔离、抗雷击设计，485 接口部分的电源采用低功耗稳压器ht7133，输出3.3v供电，静态电流小于3μa。
68.单片机模块的供电部分采用低功耗稳压器ht7150，输出5v供单片机模块及模拟前端部分电路。
69.如图3所示，本断路器采用单片机和磁保持继电器技术，单片机读取计量模块的数据并通过modbus通讯向上层传输，以及对输出脉冲进行控制，通过磁保持驱动电路，当有一个脉冲信号即可控制继电器通断。
70.如图4所示计量芯片电路，采用cs5463芯片直接读取电力线上的电压电流参数，电压通道输入引脚vin
±
两端输入一电压信号波，电流通道输入引脚iin
±
两端输入一电压信号波，为适应不同电平的输入电压。
71.如5所示，磁保持继电器及其驱动电路中，使用三极管放大电路和电阻之间互相配合，保证单片机模块输出为0时驱动继电器线圈导通，控制吸合与断开。
72.而当断路器内部模块温度过高，由于单片机模块上涂了硅脂材料，可通过硅脂和金属导热结构，把热量散到断路器外部。
73.如图6所示，采用485接口芯片max3483esa，她隔离、抗雷击设计，隔离耐压可达2000vac/min，通信电路成本低、自保护性能强，能保证分布式系统正常通信。485 接口部分的电源采用低功耗稳压器ht7133，输出3.3v供电，静态电流小于3μa。单片机的供电部分采用低功耗稳压器ht7150，输出5v供cpu及模拟前端部分电路。
74.如图1反映了断路器整个架构，通过modbus通信以及电参数测量来对断路器进行
分合闸控制。
75.如图2、7所示，断路器尺寸与传统断路器一致，从其内部结构来看，设计精巧，内部模块结构紧凑，可方便地加入了散热结构进行散热，增加运行稳定性。
76.本实用新型未尽事宜为公知技术。
77.相较于传统的微型断路器需要设置多种不同的脱扣装置，体积往往过于庞大，且功能较为单一，保护精度不高，规格类型繁多(不同的过载电流等)。
78.本实用新型的智能磁保持微型断路器，由于没有传统断路器的过流脱扣器线圈和热脱扣器等部分，大节约了壳内空间。本断路器具有测量相关电参数功能、规格型号统一、并能进行远程操控。
79.本断路器是集保护功能、通信、电测量功能于一体的智慧型微型断路器。该智能断路器采用了单片机和磁保持技术，规格型号统一，体积小巧，可以做到与传统断路器尺寸相同(或更小)，便于更换。其负载能力达到了100a，能够满足大部分用户的需求，不仅能提高线路保护功能的精度和稳定性，还支持远程通过移动端控制断路器触点的开闭，进行电压电流功率因素等数据的读取，便于用户尤其是智慧工厂和智能化建筑根据所在区域的用电情况进行控制，为智慧工厂安全、高效的生产和智能化建筑节能管理提供了坚实的技术保障
80.上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。