专利名称：无源电力调整器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种工业上广泛使用的电力调整器，确切地说，涉及一种其工作电源不使用任何形式的外供电电源(无源技术)，以及其信号采用数字化(数码技术)处理的无源电力调整器；属于电力电子器件技术领域。
背景技术：
随着电力电子技术的发展，社会对小型化、智能化、高性能的产品需求越来越迫切，并成为今后产品的主流和发展方向。但是，现在工业上广泛应用的电力调整器仍然大都是由供电电源、信号处理电路、电力模块以及散热器系统所组成，其中供电电源部分是为整个装置的控制电路提供工作电源，一般由变压器、整流、滤波、稳压等电路构成。由于其构成的环节较多，尤其是将220V或380V的交流电降压为所需要的工作电压的变压器，使得整个组件结构复杂、体积庞大，使用较多的户外接线，在安装和检修时容易造成错误，降低了整个装置的工作可靠性。其中变压器的作用是将220V或380V的交流电降压为所需要的工作电压，然后由整流、滤波、稳压等电路完成交直流的转换，才能够完成交直流的转换，得到控制电路所需的工作电源。这种供电方式的缺点是工作电源是由变压器将高压经过降压得到的，而目前变压器的安装的两种通行方案是在线路板上安装和板外安装。在线路板上安装的弊端是强电和弱电处于同一线路板上，需要进行高、低电压隔离，这在面积有限的线路板上会给线路板的设计布线带来难度；同时，强弱电共存会带来一定的电磁干扰，使设备系统性能下降。同样，板外安装也存在许多弊端，如需从变压器连线，导线与线路板之间需用接插件，时间一长，接插件内的金属连接件会产生表面氧化，造成接触不良，使系统不能正常工作。
近年来，微电子技术发展十分迅猛，超大规模集成技术可以把一个功能非常强大、电路非常复杂的电路集成在1～2平方厘米的硅片中。但是，由于各种原因，电源供电电路的集成化却进展缓慢，这给电力调整器的小型化、智能化、高性能和高可靠性的发展带来一个非常大的阻碍。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种能够解决上述种种弊端的无源电力调整器，该装置使用真正的无源供电技术，并实现了产品的小型化、智能化、高性能和高可靠性。
本实用新型的目的是这样实现的一种无源电力调整器，包括有外壳，散热单元、功率模块、安装紧固螺丝、选择工作方式的三位跳线器、印刷电路板及其上的控制电路、该控制电路是由单片微型计算机及其外围的光隔离相位检测电路、输出限幅电路、工作状态LED显示电路、工作方式选择电路、光隔离触发驱动输出及功率器件电路所组成；其特征在于控制电路中的单片微型计算机输入端还连接有信号/电源分离电路，该信号/电源分离电路输入4～20mA的工业标准电流，在向单片微型计算机输出1～5V直流控制信号的同时，还输出5V的电源电压作为整个控制电路的电源。
所述的信号/电源分离电路的输入端是4～20mA的控制信号，输入两端跨接有滤波电容，其后并联接有分别由限流电阻(R1)串接一稳压管(Z1)以及另一稳压管(Z2)串接另一电阻(R2)构成的两条支路。在前一稳压管(Z1)的两端并联接有一滤波电容，同时为整个控制电路输出5V工作电源；在另一支路的另一电阻(R2)的两端向单片机输出1～5V的控制信号。
所述的稳压管(Z1)的稳压参数值是5V。
所述的外壳有两种使用两个紧固螺丝安装的窄体塑料外壳和使用一个紧固螺丝安装的梁式塑料外壳，后者外壳又分为左右两体。
本实用新型是一种工业电力调整器。它的技术特点是不用任何形式的外供电电源，仅利用4～20mA工业标准控制信号，转换成内部的控制信号和工作电源，为内部信号控制电路同时提供控制信号和电源，简称无源电力调整器或自身电源(self-power)的电力调整器。该装置巧妙地利用工业标准控制信号4～20mA的底电流4mA分离出内部所需的供电电源，因为在工业标准信号4～20mA中，4mA在控制系统中逻辑上被定义为0，所以最大程度上简化了电路设计，提高了可靠性。此外，本实用新型还应用现代较为先进的单片机和数字化技术，实现了真正的无源数码技术。它不但能够满足现代工业控制上对调功器进行调功/调压一体化的需求，克服了传统调功器对于调功、调压二者只能选其一的弊端，使其兼具调功、调压两种功能；并且调功、调压的转换非常简单，只需改变跳线J4的插头位置即可。此外，本实用新型结构简单、接线减少、体积小巧、安装方便、工作稳定可靠。该装置可广泛应用于机械、化工、纺织、冶金、电镀等行业。
图1是本实用新型的控制电路的结构方框图。
图2是本实用新型的控制电路的电原理图。
图3是本实用新型中信号/电源分离电路的电原理图。
图4A、图4B分别是本实用新型的双螺丝紧固结构的侧面剖视图和俯视图。
图5A、图5B分别是本实用新型的单螺丝紧固结构的侧面剖视图和俯视图。
具体实施方式
参见图1，本实用新型是一种无源电力调整器，包括有塑料外壳8，散热单元、功率模块10、选择工作方式的三位跳线器16、安装紧固螺丝17、印刷电路板15及其上的控制电路、该控制电路是由单片微型计算机2及其外围的光隔离相位检测电路3、输出限幅电路4、工作状态LED显示电路5、工作方式选择电路6、光隔离触发驱动输出及功率器件电路7所组成；其中单片微型计算机2还连接有信号/电源分离电路1，该信号/电源分离电路1输入4～20mA的工业标准电流，输出5v的电源电压作为整个控制电路的工作电源，同时向单片机2输出1V～5V的直流模拟控制信号。
参见图2，简要介绍本实用新型的工作原理外部4～20mA的信号输入经过信号/电源分离电路1后，转换成+5V工作电源和1V～5VDC的模拟控制信号送入单片机2。其中1V～5V的直流模拟控制信号经过单片机2中的A/D变换单元转换成数字量，同时，光隔离相位检测单元3中的电源相位的同步信号和工作方式选择电路6的输出一起送入单片机2，单片机2根据这些数据进行数学计算，再经比较、线性化处理，形成移相、或占空比、或周波过零的调整信号，该调整信号送入光隔离触发驱动输出及功率器件电路7进行光隔离、放大形成驱动脉冲，并推动功率器件。工作状态LED输出显示电路7则通过驱动LED，使其闪烁、或明暗的变化显示当前的工作状态。输出限幅电路4的作用是通过调整限幅电位器手柄改变中心滑动端的位置，使中心滑动端上得到一个0-5V的电压，该电压通过R13、C3的滤波后，送入单片机2参与数学运算处理，随电压的大小变化可起到限制功率器件的输出功率。
本实用新型中最关键的创新是信号/电源分离电路1，它利用4～20mA的工业标准控制信号取得整个控制电路的5V工作电源，实现真正的无源技术。下面着重介绍一下其工作原理。
参见图3所示的信号/电源分离电路原理图。外部4～20mA的信号输入后，经电容C1滤波，电流I1经节点A流入，电流I2经稳压管Z1和电阻R1流入参考点O，在电阻R1上产生电压U1，在节点B点产生Vcc电源电压，它经电容E1滤波为整个控制电路提供电源，则Uao＝U1+Vcc。另一路电流I3经稳压管Z2和电阻R2，稳压管Z2将节点A的电位稳定在Va，电流I3在电阻R2上产生电压U2，根据基尔霍夫电压定律(KVL)，闭合回路中的电压代数和为零，因此U1+Vcc-U2-Ua＝0，即U1+Vcc＝U2+Ua。因为Vcc和Ua的电压值相同，可以从等式两边消掉，得到U1＝U2。由于U1是随4～20mA信号变化的电压，其对应的电压变化范围是1～5VDC，又U1＝U2，这样就把4～20mA信号变化转换为U2电压的变化，将其送至单片机2进行A/D转换，实现控制信号的采集和数字化，从而完成电源/信号的分离。再根据基尔霍夫电流定律(KCL)I1＝I2+I3，但是，因为I3远远小于I2，因此I3对I2的分流作用可忽略(一般电子工程估算上，如果A≥10B时，则B可忽略之)，所以I2电流可看作4～20mA，Uab的电压可近似看作变化范围为1～5VDC，这就确保了对4～20mA信号转换的准确性。
再参见图2，从信号/电源分离电路输出的1～5V直流信号通过电阻R3限流和电容C2滤波后，送入单片机2的7脚。该单片机2片内集成有A/D变换器，所以1-5VDC信号可直接送入，A/D转换及数字化处理均由单片机2完成。另一路模拟量信号是来自电位器P1，它是作为输出功率限幅值，通过电阻R13限流和电容C3滤波后送入单片机的6脚。光隔离相位检测电路3中的相位同步脉冲取自于主电路的K1、K2两端，经整流桥B1将交流电压转换成脉动直流，经光耦合器OPT3隔离后驱动三极管Q1放大电路，在三极管Q1的集电极(1脚)产生100HZ与交流电压过零点同相位的同步脉冲信号送入单片机2的5脚；工作方式选择电路6中的US是跳线端子，可以接地(0电平)或接VCC(1电平)选择工作方式，1电平表示过零调功方式，0电平表示移相调压方式，该信号送入单片机2的4脚；以上为三个输入信号。单片机2首先根据7脚上的1～5VDC信号和6脚上限幅值电压，计算调压时所需要的0-180度之间的移相导通角度或过零调功时所需要的百分比数值，计算出数值后，再根据5脚的同步脉冲为起始点，对于调压方式，启动单片机2内的定时器进行延时，延时到时后单片机2就从2脚输出一个电压信号驱动光耦合器OP1、OP2，光耦合器OP1、OP2在2脚为高电平时导通，产生驱动电流，使功率器件导通，相当于电路中的开关闭合，使负载上流过电流。对于调功方式，启动单片机2内的定时器进行定时，根据百分比数值从2脚输出一个电压的时间比例周期信号，驱动光耦合器OP1、OP2，使光耦合器OP1、OP2随2脚输出通断，从而负载上流过随2脚输出通断的正弦电流。如果单片机只有1～5VDC信号和+5V工作电源，而没有同步脉冲信号的情况下，单片机2则从3脚输出一个脉冲电压驱动工作状态LED显示电路5中的发光二极管L1快速闪烁，表示故障；如果工作正常，发光二极管L1在调压方式下随单片机的2脚输出而改变亮度，表示负载电压的大小；在调功方式下，则随同单片机的2脚输出通断而同步闪烁，表示负载电压的通与断。
在上述实际电路中，1-5V的DC模拟信号直接送入单片机2进行A/D变换，尽管输入信号中的1V在逻辑被认为是零，传统模拟电路需要一个电平移位电路，但由于本实用新型采用的单片机可直接进行A/D变换为数字量，供信号处理，减小了电路的硬件开销，充分体现了数字化的优越性。负载电源经整流桥B1和光耦合器OP3后，形成跟随电源的过零点的脉冲信号P1。例如，一个调压过程是这样进行的。电源过零点的脉冲信号P1起动了单片机内部定时器，定时器的延时时间和控制数字量进行比较。当相同时，单片机将会输出一个脉冲信号P2，P2经光耦合器后，驱动触发电力器件，周而复始地在每个电源周期内，完成对电力负载的电压控制。除调压工作方式外，单片机还可根据工作方式的设定，选择交流周期过零或边周期的周波过零以及感性负载的特殊过零调功多种输出。
由于本实用新型采用单片机，许多辅助功能可以非常容易地得以实现。例如能随调节功率输出的大小，改变工作状态灯的亮度。当出现故障时又能产生报警的闪烁；功率限制；温度开关检测内部的温度超过保护温度值后，将自动切断输出电流等功能。因为这些原理都属于公知技术，不作具体介绍。
现在使用的单相10KW电力调整器主要由控制线路板、散热单元、功率模块、金属外壳组成，其体积为220×90×175mm3。而本实用新型无源电力调整器的实施例的体积为92×32×55mm3。本实用新型将原本需要一块180×88mm2的信号处理板大大简化并封装在一个模块中，但其功能并没有因为体积的大幅减小而单一化，仍然保持了原电力调整器大部分功能。同时本实用新型的控制部分是和功率器件封装在一个整体中，不仅最大程度地减少了传统电力调整器从控制板到功率器件及用户外接线的数量，而且大量减少了元器件的数量，这也从根本上解决了接触不良，降低元器件损坏概率。由于信号处理部分也封装在外壳中，里面可以用树脂或其它填充材料灌封，可很容易地达到防尘、防潮、抗震的标准，这是传统电力调整器所很难达到的。这些优点都使得其工作可靠性得到一个质的提高。
本实用新型的外形大致可分为两种一种是双螺丝安装的窄体外壳，参见图4。由外壳8、底板9、晶闸管10、动力端子11、电位器12及其调节旋钮、LED13、信号输入端子14、印刷线路板15、工作方式选择的三位跳线16和两个安装螺丝17组成。将晶闸管10安装在底板9上，用于晶闸管10对外界进行热传导；电位器12、LED13、信号输入端子14、工作方式选择跳线16安装于线路板15上，均从外壳8的顶部露出，便于用户操作及观察。线路板15完全封装于外壳8中。4～20mA信号从线路板15输入，经控制电路处理后分离出供电电源5V和控制信号。可通过调节电位器12的旋钮，起到限制功率的作用，顺时针方向为大，逆时针为小。电力调整器的当前工作状态通过LED13的闪动或亮度显示。用户可通过改变跳线16的跳线位置选择工作方式。负载的动力线接于动力端子11。
另一种是单螺丝安装的梁式外壳，参见图5。其也是由外壳8、底板9、晶闸管10、动力端子11、电位器12及其旋钮、LED13、信号输入端子14、印刷线路板15、工作方式选择的三位跳线16和一个安装螺丝17组成。将晶闸管10安装在底板9上，用于晶闸管10对外界进行热传导；其主要区别是外壳分成8-1和8-2两部分，8-1为单螺丝安装的梁式结构，其特点是壳体上部有交叉的两条梁架(即图6中A-A剖面的阴影部分)，当安装螺丝17向下施加压力时，压力会通过横梁均匀传导到壳体8的四壁，使底板9受到一个均匀向下的压力，而与散热器(图中未示)紧密接触。晶闸管10与底板9安装于外壳8-1中，电位器12、LED13、信号输入端子14、工作方式选择跳线16安装于线路板15上，均从外壳8-2顶部露出，便于用户操作及观察。线路板安装在外壳8-2中。4～20mA信号从线路板15输入，经控制电路处理后分离出供电电源5V和控制信号。可通过调节电位器12的旋钮，起到限制功率的作用，顺时针方向为大，逆时针为小。电力调整器的当前工作状态通过LED13的闪动或亮度显示。用户可通过改变跳线16的跳线位置选择工作方式。负载的动力线接于动力端子11。
本实用新型已经研制出性能样品，进行了实施试验，实现了发明目的。
权利要求1.一种无源电力调整器，包括有外壳，散热单元、功率模块、安装紧固螺丝、选择工作方式的三位跳线器、印刷电路板及其上的控制电路、该控制电路是由单片微型计算机及其外围的光隔离相位检测电路、输出限幅电路、工作状态LED显示电路、工作方式选择电路、光隔离触发驱动输出及功率器件电路所组成；其特征在于控制电路中的单片微型计算机输入端还连接有信号/电源分离电路，该信号/电源分离电路输入4～20mA的工业标准电流，在向单片微型计算机输出1～5V直流控制信号的同时，还输出5V的电源电压作为整个控制电路的电源。
2.根据权利要求1所述的无源电力调整器，其特征在于所述的信号/电源分离电路的输入端是4～20mA的控制信号，输入两端跨接有滤波电容，其后并联接有分别由限流电阻(R1)串接一稳压管(Z1)以及另一稳压管(Z2)串接另一电阻(R2)构成的两条支路。在前一稳压管(Z1)的两端并联接有一滤波电容，同时为整个控制电路输出5V工作电源；在另一支路的另一电阻(R2)的两端向单片机输出1～5V的控制信号。
3.根据权利要求2所述的无源电力调整器，其特征在于所述的稳压管(Z1)的稳压参数值是5V。
4.根据权利要求1所述的无源电力调整器，其特征在于所述的外壳有两种使用两个紧固螺丝安装的窄体塑料外壳和使用一个紧固螺丝安装的梁式塑料外壳，后者外壳又分为左右两体。
专利摘要一种无源电力调整器，包括有外壳，散热器、功率模块、安装紧固螺丝、选择工作方式的三位跳线器、印刷电路板及其上的控制电路、该控制电路是由单片微型计算机及其外围的光隔离相位检测电路、输出限幅电路、工作状态LED显示电路、工作方式选择电路、光隔离触发驱动输出及功率器件电路所组成；其特征在于控制电路中的单片微型计算机输入端还连接有信号/电源分离电路，该信号/电源分离电路输入4～20mA的工业标准电流，在向单片微型计算机输出1～5V直流控制信号的同时，还输出5V的电源电压作为整个控制电路的电源。该装置利用工业标准控制信号4～20mA分离出控制电路所需的供电电源，电路简化，接线减少、体积小巧、安装方便、工作稳定可靠。
文档编号G05F3/08GK2624514SQ0323626
公开日2004年7月7日 申请日期2003年1月21日 优先权日2003年1月21日
发明者姜守仁, 毛海云, 李贺钊 申请人:毛海云