专利名称：电压侦测控制装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种电压侦测控制装置及方法，尤指一种可有效监控电源的相电压变 化，进而调整其电压值以避免电力无谓损耗、提高用电效率的电源监控装置。
背景技术：
目前台湾一般家庭用电是单相的110V，而工厂、医院及学校等特定场所，由于需要 大电力，故采用三相电源。原因在于三相电源较单相电源具有更高的效率，而由单相电源与 三相电源的应用可看出优劣所在1.三相整流电路较单相整流电路具有较低的涟波及较高的功率。2.当三相电源与单相电源传送相同的电力时，三相电源可比单相电源省下一半的 压降与电力损失。3.三相发电机、变压器、电动机较单相的体积小且价廉。4.三相电动机特性较佳且效率高，可自行产生旋转磁场，而单相电动机则需加装 起动线圈。5.三相系统是由完整的单相正弦波整合而成，可由用户自行选择单相或三相使 用，单相则无选择余地。由上述可知，三相电源在运用上的诸多优势，因此用电量较大的场所，如前述的工 厂、医院及学校等，自然选用效率较高的三相电源；且如前文所述，采用三相电源时可取其 中两相以选择使用单相电源。然而，一般虽认为三相电源具有较高的效率与选择性，但就负 载端的用电效率上，仍不无可待检讨商榷之处按一般民生用电为220V/110V，如采取三相电源，各相之间(UV，Vff, WU)的电压为 220V，若取其中两相(UV)作为单相电源，其电压也为220V，但为考虑电力传输过程中的损 耗及令用户端有足够电压的电源可以使用，一般三相电源各相之间(UV，Vff, WU)的电压均 高于220V很多，尽管如此，当用户端选择三相电源或取其中两相以使用单相电源时，用户 端仍需将较高的相电压转换至相对的低电压(如200 220V)，然而在前述相对高低电压的 转换过程中即已造成电力的无谓损耗，此损耗不仅将转嫁到用户的使用成本，同时就整体 电力资源而言也已造成浪费。由上述可知，关于三相电源的使用效率上仍有相当的检讨空间，故有待进一步谋 求积极可行的解决方案。
发明内容
因此本发明主要目的在于提供一种电压侦测控制装置，用以在电源进入用户端之 前先侦测各相的电压变化，并调整至适当的电压值后再由用户端使用，从而避免电力无谓 损耗、提高用电效率。为达成前述目的采取的主要技术手段是，前述电压侦测控制装置包括自耦变压器，具有多个绕组，各绕组分别具有一次侧及二次侧，其中一次侧分别与输入三相电源的至少两相连接，其二次侧在不同匝数分别拉出抽头，以可选择地构成一相 电源输出端；开关组，具有多个电磁开关及对应的开关接点，开关接点分设于自耦变压器各绕 组二次侧的各个抽头之间；通过电磁开关的激磁与否决定相对应开关接点的开闭；侦测控制单元，分别与自耦变压器各绕组的相电源输出端及开关组的电磁开关连 接，从而判断输入电源的各相电压，并控制开关组各开关接点的开闭，使自耦变压器各绕组 的相电源输出端与二次侧上不同的抽头连接，由此将输入电源进行降压后，再由各相电源 输出端送出；该侦测控制单元进一步包括有多个相电压检出电路，其分别具有输入端及输出端，其输入端与自耦变压器各绕 组的相电源输出端连接，以检出该相电源的电压值，并转换为直流电压而由输出端送出；多工选择电路，其具有多个输入端及至少一个输出端，各输入端分别与各相电压 检出电路的输出端连接，以选择其中一个相电压检出电路的输出信号由输出端送出；微处理器，其具有多个输入端及多个输出端，其中一个输入端与多工选择电路连 接；切换电路，主要是由驱动器及多个继电器所组成，该驱动器受控于微处理器，各继 电器具有开关接点，各开关接点分别连接于前述开关组的电磁开关与电源之间，以便由微 处理器通过该驱动器及继电器控制开关组各电磁开关的激磁与否。利用前述电路设计将在确保用电安全的前提下，提供多段电压切换功能，当各自 耦变压器的一次侧分别与输入电源的至少两相连接，在启始状态下，开关组不动作，三相电 源将由自耦变压器的各相电源输出端送出，各相电压将由多工选择电路轮询各相电压检出 电路的输出端而检出，进而分别送至微处理器判读，该微处理器将先行判断各相电压中的 哪一个为最低，再以该最低的相电压与设定的基准电压值比较，若最低相电压低于基准电 压值，即令三相电源直接送出，若高于该基准电压值，则微处理器将视该最低相电压大于基 准电压值的不同程度，通过切换电路选择接通开关组中的开关接点，使自耦变压器各绕组 的相电源输出端切换与二次侧上不同的抽头连接，此时各绕组即成为降压变压器，将输入 电源先行降压后再送入用户端；由此，不仅可避免无谓的电力损耗浪费，还可确保对用户端 的正常供电。值得特别一提的是该微处理器决定是否对输入电源进行降压的判断条件，是以 输入电源中电压最低的其中一相的相电压作为判断对象，而非取各相电压的平均值，原因 在于提高用电效率的前提应在于用电安全已被确保。所谓用电安全指输入电源的电压不 应低于安全的临界值，若电压低于临界值，即会影响用电安全。因此，若取各相电压的平均 值作为判断对象，由于各相电源的电压可能因不平衡而有所不同，在此状况下，若取各相电 压的平均值作为判断对象，虽平均值高于临界值，但进行电压调整时，将各相电压同时调降 相同的值，在此状况下，即可能造成某一相电压低于临界值而直接冲击用电安全；基于前述 安全理由，本发明并不采用各相电压的平均值作为判断对象，而以最低的相电压作为判断 对象，在此状况下，只要最低的相电压高于基准电压值，其他相必然高于基准电压值，在同 时对各相电压进行调降时，不会发生某一相电压低于临界值的情况，因而可有效确保用电 安全。
图1为本发明一优选实施例的配线示意图。图2A为本发明一优选实施例的详细电路图的第一部分。图2B为本发明一优选实施例的详细电路图的第二部分。图2C为图2A与图2B中的电路图合并的本发明该优选实施例的完整电路图。图3为本发明又一优选实施例的配线示意图。图2A与图2B是同一个实施例的电路图的两部分放大图，以清楚地表示图2C的细节。主要元件符号说明10自耦变压器 11 13绕组20开关组21 24电磁开关31 33相电压检出电路310 3；30运算(OP)放大器40多工选择电路41微控制器42多工器43放大器50微处理器60切换电路61驱动器70电源电路71稳压电路100侦测控制单元
具体实施例方式关于本发明的一优选实施例，是针对三相电源的应用场合，首先请参阅图1所示， 其包括自耦变压器10，该自耦变压器10在同一铁芯上设有三个绕组11 13，每一绕组 11 13分别具有一次侧及二次侧，其一次侧分别构成三相电源的各相电源输入端(R，S， T)，其二次侧则分别与相电源输出端(U，V，W)连接；并且，各绕组11 13的二次侧分别在 不同匝数处拉出抽头(U，U3，U2，U1)、(V，V3，V2，VI)、(W，W3，W2，Wl)，各绕组11 13的其 中一个抽头(高压端)(U，V，W)分别与相电源输出端(U,V,W)连接，其他抽头(U3，U2，U1)、 (V3, V2, VI)、(W3，W2, Wl)则分别通过开关组20的多个开关接点(MFL, MFM, MFH, MR)相互 连接，所述开关接点(MFL，MFM, MFH, MR)分别由开关组20中对应的电磁开关21 24控制 其开闭路，当不同的电磁开关21 24激磁时，将使对应的开关接点(MFL，MFM, MFH, MR)转 成闭合，然后各绕组11 13通过不同的抽头(U3，V3，W3)、(U2，V2，W2)或(Ul，V1，W1)与 相电源输出端(U, V, W)连接，由于各绕组11 13的抽头(U，U3，U2，U1)、(V，V3，V2，VI)、 (W, W3, W2，Wl)匝数是由高压端向低压端递减，其分别代表不同的降压比例，当越下端的抽 头与相电源输出端(U，V，W)连接时，由相电源输出端(U，V，W)送出的相电压则越低。 前述开关组20进一步包括多个常闭开关接点(MFM, MFH, MR )，其交叉地与
各电磁开关21 24串联，以产生互斥作用，确保各电磁开关21 24及对应开关接点(MFL， MFM, MFH, MR)的独立运作。 前述开关组20中各电磁开关21 24的激磁与否是由侦测控制单元100所控制，关于该侦测控制单元100的具体电路结构请参阅图2A或图2B所示，其包括多个相电压检出电路31 33，分别由变压器T2 T4、桥式整流器BD3 BD5及 运算(OP)放大器310 330所组成，该变压器T2 T4的一次侧分别与前述相电源输出端 (U, V，W)连接，以分别取得其相间电压(U-V，V-ff, W-U)，变压器T2 T4的二次侧与桥式 整流器BD3 BD5的输入端连接，将经降压后的相电压整流成直流电压，再送至OP放大器 310 330进行信号放大；多工选择电路40，主要是由微控制器41、多工器42及放大器43组成，该微控制器 41具有多个输入端及至少一个输出端，该多工器42具有多个输入端、至少一个输出端及控 制端，而前述各相电压检出电路31 33的输出端分别与微控制器41及多工器42的输入端 连接，多工器42的控制端与微控制器41的输出端连接；由此，利用微控制器41控制多工器 42的切换，可将各相电压通过多工器42的多工切换轮流地送至放大器43进行信号放大；微处理器50，作为运算控制中枢，其可供判断电压最低的相电压，并与设定的基准 电压值进行比较；该微处理器50具有多个输入端及多个输出端，其中两个输入端R41，R42 上分别设有可变电阻VR5，VR4，供设定前述基准电压值，以便与检出的各相电压进行比较， 其另一输入端R40与前述放大器43连接，以接收被检出的各相电压信号；切换电路60，主要是由驱动器61及多个继电器RYl RY4所组成，该驱动器61 具有多个输入端Il 15，其分别与微处理器50的输出端连接，驱动器61的输出端则分别 与各继电器RYl RY4的激磁线圈连接，该继电器RYl RY4分别包括多个开关接点，各继 电器RYl RY4的开关接点分别连接于前述开关组20的各电磁开关21 24与直流电源 (+5V)之间，以便由微处理器50通过该驱动器61及继电器RYl RY4控制开关组20各电 磁开关21 24的激磁与否；电源电路70，用以供应工作电源给前述侦测控制单元的各个电路及开关组20的 用电，其包括变压器Tl、两个桥式整流器BD1，BD2及稳压电路71，该变压器Tl的一次侧与 前述相电源输出端(U，V，W)的其中两相连接，以取得单相的交流电源，该交流电源经变压 器Tl降压后分别送至两个桥式整流器BDl，BD2的输入端，以整流成直流电源，经过其中一 个桥式整流器BDl整流后提供24V的直流工作电源，而由另一桥式整流器BD2整流后的直 流电源则再经稳压电路71进行稳压，以提供多组直流工作电源及参考电压。由上述说明可了解本发明的详细电路构造，至于其工作方式如下详述当自耦变压器10各绕组11 13 —次侧上的相电源输入端(R，S，T)有电源送入 时，刚开始各绕组11 13 二次侧上的常开开关接点(MFL，MFM，MFH，MR)均不动作，三相电 源经由各绕组11 13高压端的抽头(U，V，W)直送到相电源输出端(U，V，W)，该三相电源 的各相电压随即分别由各相电压检出电路31 33所检出，通过多工选择电路40中的微控 制器41与多工器42的多工切换，使三相电源的各相电压轮流地送至微处理器50进行判 断，该微处理器50将先经过比较后找出最低的相电压，进而判断该相电压是否大于设定的 基准电压值，若等于或小于基准电压值，表示输入电源的各相电压原即不高，故不存在高压 转低压的损耗问题，故各绕组11 13 二次侧上的常开开关接点(MFL，MFM, MFH, MR)维持 开路，输入的三相电源将经自耦变压器10但不作降压处理而直接送出。但是侦测控制单元100仍将持续监控三相电源的变化状况，一旦三相电源中最低 的相电压高于微处理器50设定的基准电压值时，则由微处理器50根据该相电压高出基准电压值的不同程度，通过切换电路60选择使其中一相应的电磁开关21 24激磁，进而使 与该电磁开关对应的开关接点(MFL，MFM，MFH，MR)闭合。举例而言，当本发明的侦测控制装置运用在220V的场合，则设定一最低工作电压 作为基准电压值，例如208V，并以一电压范围作为切换的单位(例如8V)，当输入电源中最 低的相电压为228V时，228V-208V = 20V，因此可至少进行两段降压，而将该相电压调降至 212V(228V-8V-8V)，其他两相电压也同步调降16V。至于如何使各相电压同时降下16V，则 通过选择其中一个电磁开关导通而使其对应的开关接点闭合来实现。请参阅图1所示，当微处理器50运算的结果是令电磁开关22导通及各绕组11 13 二次侧上相对应的开关接点(MFM)闭合时，各绕组11 13 二次侧以抽头(U2，V2，W2) 上的绕匝分别与相电源输出端(u，v，w)连接，由此达到降低三相电源各相电压的目的。而 在电磁开关22导通及开关接点(MFM)闭合的情况下，因其常开开关接点转呈开路， 故切断其他电磁开关21、23、24的电源回路，故可确保该电磁开关22与开关接点(MFM)的 独立运作。又前述自耦变压器10分别于各绕组11 13上分别设有温度感测器(TH1，TH2, TH3)，各温度感测器(TH1，TH2, TH3)并分别控制常闭开关接点(TH1,TH2,TH3)，各常闭开
关接点( TH1,TH2,TH3)串联在一起，于本实施例中，若自耦变压器10任一绕组11 13的
温度超过摄氏100度，其常闭开关接点转呈开路，此时将通过光耦合器PC2送回信号至微处 理器50(请参阅图2Α或图2Β所示)，由微处理器50产生警示信息或中断工作。前述图1的电路设计针对220V三相电源的运用场合，当其运用在380V三相电源 的场合时，如图3所示，只需在自耦变压器10的相电源输入端(R，S)、相电源输出端(U，V) 与侦测控制单元100之间分别设变压器TR1，TR2，而将输入的三相电源进行降压后再送至 侦测控制单元100进行监控。再者，前述实施例以三相电源的应用场合为例说明，事实上也可运用在单相电源 的使用场合，不同之处在于自耦变压器只需两个绕组，绕组的一次侧仍构成相电源输入 端，绕组的二次侧拉出数个抽头，可切换地与相电源输出端连接；由于单相电源是取三相 电源中的其中两相，故在此应用场合中，令输入电源的两相(UV)分别与两绕组的一次侧连 接，供侦测控制单元由各绕组相电源输出端检出其相电压，进而判断U相电压或V相电压较 低，再以较低的相电压与设定的基准电压值比较，进而决定是否调降各相电压的电压值。
权利要求
一种电压侦测控制装置，包括自耦变压器，具有多个绕组，各绕组分别具有一次侧及二次侧，其中一次侧分别与输入电源的各相连接，其二次侧在不同匝数分别拉出抽头，以可选择地构成相电源输出端；开关组，具有多个电磁开关及对应的开关接点，开关接点分设于自耦变压器各绕组二次侧的各个抽头之间；通过电磁开关的激磁与否决定相对应开关接点的开闭；侦测控制单元，分别与自耦变压器各绕组的相电源输出端及开关组的电磁开关连接，从而判断输入电源的各相电压，并控制开关组各开关接点的开闭，使自耦变压器各绕组的相电源输出端与二次侧上不同的抽头连接，由此将输入电源的各相电压降压后，再由各相电源输出端送出；该侦测控制单元进一步包括有多个相电压检出电路，其分别具有输入端及输出端，其输入端与自耦变压器各绕组的相电源输出端连接，以检出该相电源的电压值，并转换为直流电压而由输出端送出；多工选择电路，其具有多个输入端及至少一个输出端，各输入端分别与各相电压检出电路的输出端连接，以选择其中一个相电压检出电路的输出信号由输出端送出；微处理器，是由输入电源各相电压中找出电压最低的相电压，并与设定的基准电压值进行比较，该微处理器具有多个输入端及多个输出端，其中一个输入端与多工选择电路连接；切换电路，主要是由驱动器及多个继电器所组成，该驱动器受控于微处理器，各继电器具有开关接点，各开关接点分别连接于前述开关组的电磁开关与电源之间，以便由微处理器通过该驱动器及继电器控制开关组各电磁开关的激磁与否。
2.根据权利要求1所述的电压侦测控制装置，该切换电路主要是由驱动器及多个继电 器所组成，该驱动器具有多个输入端，其分别与微处理器的输出端连接，且驱动器的输出端 分别与各继电器的激磁线圈连接，该继电器分别包括多个开关接点，各继电器的开关接点 分别连接于前述开关组各电磁开关与电源之间。
3.根据权利要求2所述的电压侦测控制装置，各相电压检出电路分别由变压器、桥式 整流器及运算(OP)放大器所组成，该变压器的一次侧分别与前述相电源输出端连接以分 别取得其相间电压；以及各变压器的二次侧与桥式整流器的输入端连接，将经降压后的相电压整流成直流电 压，再送至运算放大器进行信号放大。
4.根据权利要求3所述的电压侦测控制装置，多工选择电路主要是由微控制器、多工 器及放大器组成，该微控制器具有多个输入端及至少一个输出端，该多工器具有多个输入 端、至少一个输出端及控制端，而前述各相电压检出电路的输出端分别与微控制器及多工 器的输入端连接，且多工器的控制端与微控制器的输出端连接。
5.根据权利要求4所述的电压侦测控制装置，该微处理器具有多个输入端及多个输出 端，其中两输入端上分设可变电阻，供设定基准电压值，且其另一输入端与多工选择电路的 输出端连接，以接收被检出的各相电压信号。
6.根据权利要求5所述的电压侦测控制装置，进一步包括电源电路，该电源电路包括 变压器、两个桥式整流器(BD1，BD2)及稳压电路，该变压器的一次侧与前述相电源输出端 连接，以取得单相的交流电源，该变压器二次侧分别连接两桥式整流器(BD1，BD2)的输入端，以整流成直流电源，其中一个桥式整流器(BDl)提供直流工作电源，另一桥式整流器输 出端连接该稳压电路，并提供多组直流工作电源及参考电压。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电压侦测控制装置，该自耦变压器具有三个绕 组，各绕组分别具有一次侧及二次侧，其中一次侧分别与三相电源的各相连接。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的电压侦测控制装置，该自耦变压器具有两个绕 组，两个绕组分别具有一次侧及二次侧，其中一次侧分别与输入电源的两相连接。
9.根据权利要求7所述的电压侦测控制装置，该自耦变压器的一、二次侧与侦测控制 单元进一步设有降压变压器，以适用于高电压电源的场合。
10.根据权利要求8所述的电压侦测控制装置，该自耦变压器的一、二次侧与侦测控制 单元进一步设有降压变压器，以适用于高电压电源的场合。
11.一种电压侦测控制方法，包括 取得输入电源至少两相的相电压； 找出最低电压的相电压；令最低相电压与设定的基准电压值进行比较； 当最低相电压高于基准电压值时，调降输入电源各相电压的电压值。
全文摘要
本发明涉及一种电压侦测控制装置及方法，主要令三相电源的至少两相分别通过自耦变压器的各个绕组与负载端连接，各绕组上分别由不同匝数处拉出抽头，并分别通过开关组与负载端连接；各开关组是由侦测控制单元所控制，该侦测控制单元取电压最低的一相，判断其电压是否高于基准电压值，若高于基准电压值，则通过切换前述开关组将自耦变压器各绕组二次侧转换至不同抽头，以便降低输入电源的电压后，再供应给负载端；由此可在确保用电安全的前提下，避免无谓的能源损耗，并提高用电效率。
文档编号H02M5/38GK101938215SQ20091015125
公开日2011年1月5日 申请日期2009年6月29日 优先权日2009年6月29日
发明者尤翠敏 申请人:尤翠敏