一种断路器的制作方法

本发明涉及一种断路器，属于低压电气技术领域。

背景技术：

随着配电技术的不断发展，配电网络化的不断应用，对断路器的功能的要求也越来越高。近年来塑壳断路器产品也在朝着小型化、多功能化、经济型的方向不断发展，以满足用户多样化的要求。如要求作为断路器控制核心的电子脱扣器，除具有长延时、短延时、瞬时过流保护，接地、欠压保护等功能，还具有电量测量功能，除电流测量外，还要求具有电压、功率测量等功能。

现有具备功率测量功能的断路器，其实现电压、电流以及功率测量所需的电路普遍存在结构复杂、体积较大的问题，不符合智能型断路器小型化、低成本化的发展趋势。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种断路器，可对电压、电流以及功率等参数进行准确测量，并且具有结构简单、体积较小、实现成本低的优点。

本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种断路器，包括处理单元、电流互感器、电源电路以及分别与处理单元连接的电流测量电路、电压测量电路；所述电流测量电路包括桥式整流取样电路、极性检测电路，桥式整流取样电路用于对电流互感器二次侧输出的电流信号进行整流并对整流后电流进行采样，所述极性检测电路将取自桥式整流取样电路输入的与输入电流波形相对应的电平信号送至处理单元；所述电压测量电路包括电压差分电路和频率检测电路，所述电压差分电路用于将取自主回路的三相电压信号进行降压后输出至处理单元的A/D转换输入端口，所述频率检测电路用于对电压差分电路输出的降压后信号进行处理以获得对应于电压频率的脉冲信号；所述处理单元可根据桥式整流取样电路的电流采样信号、极性检测电路输出的电平信号、电压差分电路输出并经A/D转换后的信号以及频率检测电路输出的脉冲信号，获得主回路的电压、电流、功率的检测值；所述电源电路用于对桥式整流取样电路的整流后输出进行转换后为塑壳断路器中的用电部件供电。

作为一种进一步改进方案，所述断路器还包括剩余电流互感器、剩余电流测量电路，用于对主回路的剩余电流进行检测。

作为另一种进一步改进方案，所述电流测量电路还包括用于对桥式整流取样电路输出的电流采样信号进行放大的放大电路。所述放大电路优选为二阶无限增益多路反馈反相放大电路。

作为还包括三相开关电源电路，用于将主回路的三相电压转换为直流电压后送至所述电源电路。从而可与电流互感器所提供电源一起形成冗余供电，提高断路器的工作可靠性。

优选地，所述电流互感器为铁芯互感器，其包括：铁芯、骨架、线圈、连接线组件。所述铁芯优选为硅钢带卷绕而成的圆角矩形结构。

相比现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

相对于采用单纯的反向放大的电流测量电路，本实用新型所采用的二阶无限增益多路反馈反相放大的电流测量电路的结构提高了低端的测量精确性；本实用新型所采用的电压测量电路可使电路结构简化，占用空间减小，有利于将电压测量内置在智能控制器上，便于在低压断路器的智能控制器中实现电压测量和频率测量功能，完善了智能控制器的功能。本实用新型进一步采用电流互感器供电和三相开关电源供电的冗余设计，无需外部辅助电源，同时还可实现剩余电流保护、功率测量。

附图说明

图1为本实用新型一个优选实施例的结构原理框图；

图2为桥式整流取样电路和极性检测电路的电路图；

图3为极性检测电路输出的电平状态和电流互感器的输出之间的波形关系图；

图4为放大电路的电路图；

图5为差分电路的电路图；

图6为频率检测电路的电路图；

图7为铁芯互感器的结构示意图，其中，1为铁芯，2为骨架，3为线圈，4为连接线组件，5为绝缘层。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明：

图1显示了本实用新型一个优选实施例的结构原理。本实施例中的断路器包括断路器本体和安装在本体内的电子脱扣器、电流互感器、剩余电流互感器以及磁通变换器，如图1所示，所述电子脱扣器包括电流测量电路、电压测量电路、电源电路、微处理单元电路，人机界面，三相开关电源电路，剩余电流测量电路，实时时钟电路，接口电路，通信电路以及脱扣驱动电路。所述电流测量电路包括桥式整流取样电路、反相放大电路和极性检测电路，所述电压测量电路包括电压差分电路和频率检测电路，所述微处理单元电路包括微控制器(MCU)、基准电路、复位电路、存储电路、晶振电路。所述人机界面包括按键、指示灯和LCD液晶显示模块。通信电路包括隔离电源和隔离RS485接口芯片。

电流互感器二次侧输出的电流信号经桥式整流后进行电流采样，同时整流输出送至电源电路，进行恒压控制、滤波处理，并生成脱扣用电源和微处理单元、电流测量电路、电压测量电路、剩余电流测量电路等的工作电源。极性检测电路将取自整流电路输入的与输入电流波形相对应的电平信号送到微控制器进行检测。取自整流电路整流桥负桥臂的电流取样信号经反相放大后送到微控制器的A/D转换输入进行离散采样。主回路的三相电压信号输入经差分电路降压处理后送到微控制器的A/D转换输入，差分电路的输出同时送到频率检测电路获得对应于电压频率的脉冲信号，送到微控制器进行处理。当有剩余电流故障时，剩余电流互感器输出的对应于剩余电流的测量信号经剩余电流测量电路处理后送微控制器的A/D转换输入采样处理，剩余电流互感器采用圆形或椭圆形。三相开关电源电路取三相输入电压信号，经动态PWM闭环控制后输出直流电源电压，送到电源电路，和电流互感器产生的自供电电源一起实现冗余供电。复位电路、晶振电路保证微控制器正常工作，基准电路为A/D采样提供参考电平，存储电路保存设定参数、故障参数维护信息及系统信息等内容。通过人机界面进行设定、查询等操作，并显示电参数、设定参数、故障记录等，通过LED指示运行、工作状态。实时时钟提供系统的时间参考。通信电路实现与外界通信。微控制器检测测量信号，当满足故障动作条件时，发出指令至脱扣驱动电路，使磁通变换器得电动作，推动断路器的执行机构使断路器分闸断开。

图2为本实施例中整流取样电路及极性检测电路的具体电路。如图2所示，电流互感器输出的交流电流信号送至整流桥D5，输出为脉动直流信号，整流桥输出连接采样电阻Ra，把电流信号转换为电压信号。电阻R5、电阻R6、晶体管V1构成极性判别电路，当交流信号为正半波时，其经过R5限流后使晶体管V1导通，输出(PA)为低电平，当交流信号为负半波时，晶体管V1截止，输出(PA)为高电平，也就是说，PA的电平状态和电流互感器的输出有对应的关系(图3为对应的波形关系图)，MCU根据PA的电平状态，可以得到整流后对应半波的情况，区分出哪一个半波是整流前为正的，哪一个半波整流前为负的，从而还原出的整流前的对应波形，也就是说，将整流后的连续半波脉动信号还原为全波信号。MCU的A/D对电流信号采样，同时采样PA的电平信号，当PA为高电平时，将电流采样信号取负，当PA为低电平时，将电流采样信号取正，得到电流离散数字信号。

图4为本实施例中所采用的反相放大电路，其为二阶无限增益多路反馈反相放大电路，对取样信号进行放大，使信号达到合适的幅度后送MCU进行A/D转换处理。电阻R8和电容C2构成两个反馈支路，其反馈的强弱均与信号的频率有关，构成无限增益多路反馈滤波电路，这种滤波电路不会因通带电压放大倍数过大而产生自激振荡，性能稳定。为了提高低端的测量精确性，可采用大量程和小量程分别放大的方式。

现有采用单纯的反向放大的电流测量电路，相对于本实用新型采用二阶无限增益多路反馈反相放大的电流测量电路低端的测量精确性较差。

图5为本实施例中电压测量电路中的差分电路，电阻R10～R17、电容C3～C6、运算放大器N3A、N3B、N3C组成三路差分电路，得到对应于相电压的输出信号，差分放大器的元件参数按照R10＝R12＝R14＝R16、R11＝R13＝R15＝R17，C3＝C4＝C5＝C6选取。差分放大电路的输出可以运用叠加原理进行计算，将每个信号单独施加于差分放大电路，得到对应的输出，最后将几个信号单独作用的输出进行叠加获得最终的结果。以A相为例，可将输入信号UA、UN、VREF分别施加至输入，每次只加一个信号，其它信号按照电压源短路电流源开路的原则来对原来的电路进行变化，运用叠加定理可得：

定义UAN为A相和中性线(零线)间的电压(UA-UN)，

则

按相同方法可计算出Ubn和Ucn。其中C3～C6的作用是相位补偿。

MCU的A/D对电压信号采样，将采样得到的数字信号减去V_REF值，小于V_REF的电压值为负值，大于V_REF的电压值为正值，得到电压离散数字信号。

如上所示，经过MCU的A/D采样后，得到离散的电流、电压数字信号。电流、电压信号为周期信号，其周期为T，根据电流、电压的有效值定义，计算出电流、电压的有效值：

根据计算得到的电流有效值、电压有效值，计算出视在功率：

视在功率S＝U*I，

根据有功功率的定义，计算出有功功率：

图6为本实施例中的频率检测电路，其由电阻R18～R21、比较器IC2组成。将输出的任一路信号与V_REF比较或者将输出的任二路信号进行比较，此以任一路输出信号与V_REF进行比较作说明，输出取Uan为例，假定输出初始状态为低电平，则在比较器IC2的+端信号时，比较器IC2输出高电平；然后在+端信号时，比较器输出低电平，由此得到对应于输入信号频率的脉冲信号，送到MCU进行捕捉测量。相同的，如果取任意两路输出，也可以得到对应于输入信号频率的脉冲信号送到MCU进行捕捉测量。

在需要剩余电流保护功能时，本实用新型还可增加剩余电流测量电路来实现，通过检测零序电流互感器的信号，并经信号调理后送MCU的A/D输入进行数字采样，并经运算后得到剩余电流，在剩余电流达到设定值时发出动作指令分断断路器，实现保护功能。

图7为本具体实施例中的电流互感器结构示意图，采用一种铁芯互感器。其包括铁芯1、骨架2、线圈3、连接线组件4和绝缘层5。铁芯1采用抗饱和能力强的硅钢带卷绕而成，其形状是带圆角的矩形，根据需求确定卷绕圈数和卷绕后的带圆角的矩形的长宽。铁芯1的两对边各有一个与其形状相匹配的骨架2；骨架2的外面缠绕有线圈3，线圈3采用单芯漆包线在骨架2上均匀绕制而成；线圈3的首尾抽头连接至连接线组件4；线圈3外面覆盖有绝缘层5，绝缘层5可采用绝缘胶带或塑料外壳。