用于开关设备的线圈的控制模块和开关设备的制作方法

1.本公开的实施例总体上涉及电力领域，特别地涉及用于开关设备的线圈的控制模块和开关设备。


背景技术：

2.在电力网络中，开关设备用于切断和接通负载电路以及在事故状态下切断故障电路，从而对电力系统起到控制和保护作用，保证了电力网络以及用电设备的安全运行。在开关设备的操作机构中有一个叫电磁铁的重要部件，它的工作原理是利用电磁力的作用，使接触器或断路器中的脱扣机构拉动操作机构动作，从而实现开关的分闸或合闸。对于开关设备的分闸和合闸操作，目前已经运用了微控制器控制技术。然而，需要一种基于硬件的控制模块来实现对开关设备的分闸和合闸的稳定控制。此外，目前的开关设备的控制技术存在开关设备的吸合和吸持功率较高等问题。如何避免这些问题，对于安全供电有着十分重要的意义。


技术实现要素：

3.本公开的实施例提供了一种用于开关设备的线圈的控制模块和开关设备，旨在解决上述问题以及其他潜在的问题中的一个或多个。
4.根据本公开的第一方面，提供了一种用于开关设备的线圈的控制模块，所述线圈与供电模块连接，所述控制模块可以包括：开关单元，与所述线圈串联连接在所述供电模块与接地之间；检测单元，其具有的输入端连接至所述开关单元，被配置为检测所述开关单元所在的线路上在所述开关单元与所述接地之间的位置处的电平以输出电平信号；以及调节单元，连接至所述检测单元以及所述开关单元的控制极，并且被配置为基于从所述检测单元接收到的所述电平信号控制所述开关单元的接通或关断。根据本公开实施例的控制模块，能够实现通过线圈的电流的实时调节，从而使得开关设备的吸合以及吸持操作更加稳定，从而提高了开关设备的安全性。
5.在一些实施例中，所述控制模块还包括：定时单元，连接至所述调节单元，所述控制模块连接到所述供电模块，并且被配置为：在从所述供电模块接收到电力后的、所述定时单元确定的第一预定时段，所述调节单元比较所述电平信号与第一阈值电平，并且响应于所述电平信号高于所述第一阈值电平而生成用于关断所述开关单元的控制信号，以及响应于所述电平信号低于或等于所述第一阈值电平而生成用于接通所述开关单元的控制信号。
6.在一些实施例中，所述第一阈值电平是与所述开关设备的吸合电流相关联的电平，并且所述吸合电流是适于改变所述开关设备的接触状态的电流。
7.在一些实施例中，所述第一预定时段在100ms到200ms之间。
8.在一些实施例中，所述调节单元进一步被配置为在所述第一预定时段之后的、所述定时单元确定的第二预定时段比较所述电平信号与第二阈值电平，并且响应于所述电平信号高于所述第二阈值电平而生成用于关断所述开关单元的控制信号，以及响应于所述电
平信号低于或等于所述第二阈值电平而生成用于接通所述开关单元的控制信号。
9.在一些实施例中，所述第二阈值电平是与所述开关设备的吸持电流相关联的电平，并且所述吸持电流是适于保持所述开关设备的接触状态的电流。
10.在一些实施例中，控制模块还包括测量电阻，所述测量电阻位于所述开关单元与所述接地之间，其中所述第一阈值电平是基于所述测量电阻与所述开关设备的吸合电流确定的，并且所述第二阈值电平是基于所述测量电阻与所述开关设备的吸持电流确定的。
11.在一些实施例中，所述开关单元是三极管，其具有的源极被电连接至所述线圈，其具有的漏极接地，并且其具有的栅极被连接至所述调节单元。
12.根据本公开的第二方面，提供一种开关设备，包括线圈；根据第一方面所述的控制模块；以及供电模块，与线圈连接，其中开关设备是接触器或断路器。
13.在一些实施例中，开关设备还包括续流单元，所述续流单元与所述线圈并联连接。
附图说明
14.通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开的实施例的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例而非限制性的方式示出本公开的若干实施例。
15.图1示出根据本公开的实施例的用于控制开关设备的线圈的控制模块的示意性框图。
16.图2示出根据本公开的实施例的用于控制开关设备的线圈的控制模块的电路原理图。
17.在各个附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
18.下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
19.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示放置或者位置关系的词汇均基于附图所示的方位或者位置关系，仅为了便于描述本公开的原理，而不是指示或者暗示所指的元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本公开的限制。
20.如前所述，诸如接触器、断路器等的开关设备的线圈通常被设置为在微控制单元的控制下实现开关设备的合闸和分闸。作为示例，在正常接通电源时，微控制单元可以对经过线圈的电流进行控制，从而改变线圈中的电磁铁的状态，进而实现开关设备的合闸，并且在断开电源时，微控制单元可以对经过线圈的电流进行控制，从而实现开关设备的分闸。然而，微控制单元本身存在输入电压范围小以及随时可能发生的供应链短缺的问题，因此，需要基于硬件电路对线圈的控制模块进行优化设计，以使开关设备的吸合以及吸持操作更加稳定。
21.进一步地，应理解，由于电磁铁及其相连的操作机构具有可观的质量，故改变开关设备的接触状态所需的电流通常远大于保持开关设备的接触状态所需的电流。因此，传统的开关设备通常会耗费过量的功率来保持开关设备的接触状态。这些过量的功率造成了电力的浪费并且产生了不需要的热量，增加了开关设备的危险性。
22.针对此，根据本公开实施例，提供一种用于开关设备的线圈的控制模块，以在基于硬件电路的基础上，通过优化的电路设计使得开关设备的吸合以及吸持操作更加稳定，进而提高开关设备的安全性。下面结合附图来详细说明根据本公开实施例的用于开关设备的线圈的控制模块的原理。
23.图1示出根据本公开的实施例的用于控制开关设备的线圈的控制模块20的示意性框图。如图1所示，供电模块30将电力传输至线圈10，在线圈10通电时，其中的电磁铁将会产生电磁力，从而拉动开关设备中的操作机构动作。控制模块20以与线圈10串联的方式连接在供电模块30与接地之间。具体地，控制模块20主要可以包含开关单元210、检测单元220、和调节单元230三个部分。
24.开关单元210可以被设置为与线圈10串联连接在供电模块30与接地之间，其通过接通和关断的操作来控制至少包含供电模块30、线圈10、开关单元210、以及测量电阻r的电流路径的通断。检测单元220与开关单元210相连。具体地，检测单元220的输入端连接至开关单元210，以检测开关单元210所在的电流路径上的、在开关单元210与接地之间的位置处的电平，从而输出电平信号，诸如开关单元210与测量电阻r之间的节点的电压。应理解，当检测到该电压时，由于已知测量电阻r，故可以确定该电流路径上的电流，即，流经线圈10的电流i
线圈
。
25.此外，调节单元230分别与开关单元210的控制极以及检测单元220相连，以便基于从检测单元220接收到的电平信号控制开关单元210的接通或关断。应理解，调节单元230可以设置有阈值电平，当检测到的电平信号高于阈值电平时，调节单元230就向开关单元210的控制极发送用于关断开关单元210的控制信号，并且当检测到的电平信号低于阈值电平时，调节单元230就向开关单元210的控制极发送用于接通开关单元210的控制信号。以此方式，并且基于线圈10的电感特性，流经线圈10的电流i
线圈
可以实现动态稳定。应理解，基于硬件电路(集成电路或模拟电路)实现的上述控制模块20可以代替微控制器，从而可以在解决了微控制单元本身存在输入电压范围小以及随时可能发生的供应链短缺的问题的同时，使得开关设备的吸合以及吸持操作更加稳定。
26.在一些实施例中，如图1所示，控制模块20与供电模块30相连，从而使得控制模块20可以在供电模块30向线圈10提供电力时从供电模块30获得工作电压。应理解，当供电模块30开始为线圈10提供电力的第一预定时段中，流经线圈10的电流i
线圈
需要被设置为较大的电流ih(例如，10a)，以便改变开关设备的接触状态。而在开关设备的接触状态改变完成后的第二预定时段中，流经线圈10的电流i
线圈
需要被设置为较小的电流i
l
(例如，1a)，以便保持开关设备的接触状态。应理解，由于测量电阻r已知，故可以基于电流ih和电流i
l
分别确定调节单元230中的第一阈值电平和第二阈值电平。
27.在一些实施例中，控制模块20还包括：定时单元，连接至调节单元230，并且控制模块20还可以被配置为在从供电模块30接收到电力后的、定时单元确定的第一预定时段，调节单元230可以对由检测单元220检测到的电平信号与第一阈值电平进行比较。当电平信号
高于第一阈值电平时，调节单元230可以生成用于关断开关单元210的控制信号，而当电平信号低于或等于第一阈值电平时，调节单元230可以生成用于接通开关单元210的控制信号。应理解，由于电路布局的差异，也可以利用相反的或其他方式来生成控制信号。
28.进而，在第一预定时段之后的、定时单元确定的第二预定时段，调节单元230可以对由检测单元220检测到的电平信号与第二阈值电平进行比较。当电平信号高于第二阈值电平时，调节单元230可以生成用于关断开关单元210的控制信号，而当电平信号低于或等于第二阈值电平时，调节单元230可以生成用于接通开关单元210的控制信号。应理解，由于电路布局的差异，也可以利用相反的或其他方式来生成控制信号。
29.通过上述方式，本公开将通电过程分为两个阶段，并且精准控制两个阶段所需的电流，从而降低了保持开关设备吸持状态所需的功率，进而避免了开关设备产生过多的热量，提升了设备的安全性。
30.应理解，第一阈值电平可以是与开关设备的吸合电流相关联的电平。如上所述，吸合电流是适于改变开关设备的接触状态的电流。对应地，第二阈值电平可以是与开关设备的吸持电流相关联的电平。如上所述，吸持电流是适于保持开关设备的接触状态的电流。此外，第一预定时段是从供电模块30为线圈10供电开始的时段，例如，在100ms到200ms之间。在该第一预定时段内，开关设备可以完成接触状态的改变，例如，合闸。对应地，第二预定时段是第一预定时段之后时段，或者说是开关设备在完成接触状态改变后保持接触状态的时段。
31.在一些实施例中，测量电阻r可以被设置为位于开关单元210与接地之间。应理解，测量电阻r可以用于确定上述阈值电流。例如，第一阈值电平是基于测量电阻r与开关设备的吸合电流确定的，并且第二阈值电平是基于测量电阻r与开关设备的吸持电流确定的。
32.在一些实施例中，开关单元210可以是三极管，其源极被电连接至线圈10，其漏极接地，并且其栅极被连接至调节单元230的输出端。
33.通过上述实施例，本公开通过搭建基于硬件电路的控制模块，实现了对流经线圈的电流的精确控制。由于该控制模块是由硬件电路实现的，故其输入电压的范围更宽，并且实现成本更低。此外，由于本公开至少降低了保持开关设备吸持状态所需的功率，因而避免了开关设备产生过多的热量，提升了设备的安全性。
34.应理解，基于硬件电路的控制模块的至少一部分可以被实现为集成电路、模拟电路等。为了更详细地示出本公开的技术方案，下面将结合图2描述包含集成电路的控制模块。图2示出了根据本公开的实施例的用于控制开关设备的线圈的电路原理图。
35.在图2中，供电模块30将经过整流、稳压处理的电能传输至线圈10。控制模块20以与线圈10串联的方式连接在供电模块30与接地之间。在本实施例中，控制模块20所包含的检测单元和调节单元被实现为集成电路40，并且开关单元210与测量电阻r(例如，图2中的电阻网络)被串联地设置在线圈10与接地之间。
36.如图2所示，集成电路40包含多个管脚。在这些管脚中，管脚vt用于过电压检测，由于此功能与本公开的思想不大相关，故本文不进行详细描述。管脚vin对应于输入电压，管脚vdd对应于集成电路40的电源电压，并且管脚vss对应于接地电压。此外，管脚csh对应于在从供电模块30为线圈10供电开始的时段(即，第一预定时段)中检测到的电压信号，该电压信号用于在第一预定时段与第一阈值电平进行比较，并且管脚csl对应于在第一预定时
段之后的第二预定时段中检测到的电压信号，该电压信号用于在第二预定时段与第二阈值电平进行比较。此外，管脚gt对应于集成电路40的输出。
37.在图2中，管脚csh与管脚csl起到检测单元的作用。具体地，管脚csh与管脚csl均连接至开关单元210，以检测开关单元210所在的电流路径上的、在开关单元210与接地之间的位置处的电平，从而输出电平信号，诸如开关单元210与测量电阻r之间的节点的电压。
38.此外，集成电路40还通过管脚gt与开关单元210的控制极相连，以便基于从管脚csh或管脚csl接收到的电平信号控制开关单元210的接通或关断。应理解，集成电路40中可以设置有阈值电平。当供电模块30开始为线圈10提供电力的第一预定时段中，流经线圈10的电流需要被设置为较大的电流ih(例如，10a)，以便改变开关设备的接触状态。当电流ih已知时，可以基于测量电阻r确定与开关设备的吸合电流相关联的第一阈值电平。作为示例，第一阈值电平v
csth
可以基于以下等式求得：
[0039][0040]
相应地，在第一预定时段之后的第二预定时段中，流经线圈10的电流需要被设置为较小的电流i
l
(例如，1a)，以便保持开关设备的接触状态。当电流i
l
已知时，可以基于测量电阻r确定与开关设备的吸持电流相关联的第二阈值电平。作为示例，第二阈值电平v
cstl
可以基于以下等式求得：
[0041]vcstl
＝i
l
·
r3。
[0042]
在一些实施例中，集成电路40可以在从供电模块30接收到电力后的第一预定时段中对由管脚csh检测到的电平信号与第一阈值电平v
csth
进行比较。当电平信号高于第一阈值电平v
csth
时，集成电路40可以生成并通过管脚gt向开关单元210发送用于关断开关单元210的控制信号，而当电平信号低于或等于第一阈值电平v
csth
时，集成电路40可以生成并通过管脚gt向开关单元210发送用于接通开关单元210的控制信号。进而，在第一预定时段之后的第二预定时段，集成电路40可以对由管脚csl检测到的电平信号与第二阈值电平v
cstl
进行比较。当电平信号高于第二阈值电平v
cstl
时，集成电路40可以生成并通过管脚gt向开关单元210发送用于关断开关单元210的控制信号，而当电平信号低于或等于第二阈值电平v
cstl
时，集成电路40可以生成并通过管脚gt向开关单元210发送用于接通开关单元210的控制信号。
[0043]
根据本公开实施例，能够将通电过程分为两个阶段，从而控制两个阶段所需的电流，由此降低了保持开关设备吸持状态所需的功率，进而避免了开关设备产生过多的热量，提升了设备的安全性。
[0044]
根据本公开的另一方面，提供了一种开关设备，该开关设备包括线圈、上述控制模块以及与线圈连接的供电模块，其中该开关设备可以是接触器或断路器。
[0045]
在一些实施例中，开关设备还可以包括续流单元，该续流单元与线圈并联连接。作为示例，续流单元可以是续流二极管，其可以在开关单元关断时起到续流的作用。
[0046]
此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文
中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。
[0047]
尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。
[0048]
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。