新型低压智能复合开关的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种新型低压智能复合开关，包括：微处理器，用于接收输入的指令信号和取样信号，并对输入的信号进行计算、处理；指令输入电路，用于向微处理器发送指令信号；信号取样电路，用于向微处理器反馈外部电源的取样信号；可控硅及继电器输出驱动电路，用于接收微处理器发出的可控硅及继电器控制信号，并根据可控硅及继电器控制信号控制可控硅及继电器组的通断；显示电路，用于接收微处理器发出的显示信号，并通过状态显示灯显示；电源电路，将外部电源转化成供微处理器和可控硅及继电器输出驱动电路使用的直流电源。本实用新型的新型低压智能复合开关具有降低成本，降低开关的功耗，提高了开关的可靠性，延长了开关的使用寿命等优点。
【专利说明】新型低压智能复合开关
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种开关器件，尤其是一种电力系统中使用的新型低压智能复合开关，属于低压补偿控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]由于在输配电系统中大部分的负载为电感性,其功率因素较低，因此输电电路中对电流的需求较大，这样会造成输配电系统中的传输效率降低，而且会增大负载端的电压调整率。为克服以上问题，常用的方法是在输配电系统中加入电容器开关器件，达到提高电路系统整体功率因素的目的。
[0003]目前的电容器开关主要分为三大类:一类是传统的接触器类开关，如申请号为200820050810.8的中国专利，公开了一种“交流接触器控制开关”，它包括第一开关和第二开关，其中第一开关包括外壳、按钮、传动键、推动棘爪、棘轮、触桥和止反棘爪，按钮可相对外壳上下移动，按钮与外壳之间装有复位弹簧；按钮与传动键固定连接，传动键的侧部固定连接推动棘爪的一端；止反棘爪一端固定在外壳上，在止反棘爪上连接有接线端子；推动棘爪和止反棘爪的另一端插入棘轮的齿间；棘轮具有相互间隔的导电区域和绝缘区域，棘轮导电区域连接第二开关的第一触点，所述触桥固定在传动键上，按钮按下时，触桥连接第二开关的第一触点和第二触点。但是，这种类型的开关在投切时涌流较大，很容易对电容器形成冲击，从而造成配电系统的谐波污染。另一类是电子开关，如申请号为200620048203.9的中国专利，公开了“一种晶闸管新型智能复合开关试验装置”，它包括CPU、输入输出信号采集电路、开关电源、输入输出接口、触摸屏通信、上位机通信、CPLD信号处理电路、晶闸管触发电路、功率回路和晶闸管；晶闸管触发电路触发晶闸管将信号传给输入信号采集电路，经过CPU处理后，分别到触摸屏通信、上位机通信、输入输出接口和CPLD信号处理电路。这类开关主要采用大电流的晶闸管来控制投切，但是由于晶闸管自身的特性，导致这种开关存在生产制造成本高、工作过程中能耗大以及易损坏而且维护难度大的缺陷。还有一类复合开关，如申请号为200620012581.1的中国专利，公开了“一种投切电容器组的串联型复合开关电路”，它是由一个高压硅堆二极管与一个高压限流电阻串联后，并联一个机械开关，作为慢速低精度高耐压开关；一个二极管和一个晶闸管的并联电路组成快速高精度低耐压开关与上述慢速低精度高耐压开关串联，在串联一个电抗器和一个电容器，控制器控制晶闸管的导通截止，同时控制器控制机械开关的开合。此类产品在实用过程中存在可靠性及寿命短的问题。
实用新型内容
[0004]针对现有技术中的上述不足，本实用新型的主要目的在于解决电容器开关在闭合时涌流大、断开时容易产生电弧的问题，进一步还解决了电容器开关成本高、能耗大以及易损坏的问题，并提供一种在投切时对电容器无冲击、低功耗、高寿命的新型低压智能复合开关。[0005]本实用新型的技术方案:新型低压智能复合开关，包括:
[0006]微处理器，用于接收输入的指令信号和取样信号，并对所述输入的信号进行计算、处理，然后在所述新型低压智能复合开关两端的电压或电流为零的时刻分别发送用于控制所述新型低压智能复合开关闭合或开启的可控硅及继电器控制信号，并实时输出用于显示所述低压新型智能复合开关工作状态的显示信号；
[0007]指令输入电路，用于向微处理器发送指令信号；
[0008]信号取样电路，用于向微处理器反馈外部电源的取样信号；
[0009]驱动电路，用于接收微处理器发出的可控硅及继电器控制信号，并根据所述可控硅及继电器控制信号控制可控硅及继电器组的通断；
[0010]显示电路，用于接收微处理器发出的显示信号，并通过状态显示灯显示；
[0011 ] 电源电路，将外部电源转化成供微处理器和继电器输出驱动电路使用的直流电源。
[0012]本实用新型所述的新型低压智能复合开关的工作原理:
[0013]工作时，由电源电路将220V的外部电源转换成5V和40V的直流电源，其中5V直流电源提供给以微处理器为主的低压工作电路，40V的直流电源提供给继电器输出驱动电路；指令输入电路将外部输入的直流电压信号(如按钮输入的信号)隔离处理后，生成TTL标准电平信号(即指令信号)输入微处理器；同时，信号取样电路通过光耦合器将外部电源的380V的正弦信号转换成标准TTL方波同步信号(即取样信号)并输入微处理器。微处理器在接收到输入的指令信号和取样信号后，通过内部设置的控制程序对采集的数据进行分析，并计算出开关两端电压为零的时刻和电流为零的时刻，然后在开关两端电压为零的时刻和电流为零的时刻分别发送可控硅及继电器控制信号控制给可控硅及继电器输出驱动电路，继电器输出驱动电路根据接收到的控制信号执行闭合或断开继电器组的操作。微处理器在发送继电器控制信号时，是在开关两端电压为零的时刻发送闭合开关的指令，在开关两端电流为零的时刻发送断开开关的指令。在本实用新型的新型低压智能复合开关工作时，微处理器还实时的发送用于表示开关工作状态的显示信号给显示电路，显示电路通过不同色彩的指示灯进行显示，以提示开关处于投、切以及出现故障的各种状态。
[0014]本实用新型的微处理在工作时，是按照如下步骤执行的:通电后微处理器的芯片先上电复位，微处理器实时检测开关的工作状态并发送显示信号，同时微处理器对继电器复位；然后微处理器处于等待指令输入状态，当有指令信号输入后，微处理器通过信号取样电路开始对电压进行采样，并计算得出开关两端电压为零的时刻和电流为零的时刻；然后微处理在电压为零的时刻发送可控硅及继电器控制信号，控制可控硅及继电器闭合；同样的，在电流为零的时刻发送可控硅及继电器控制信号，控制可控硅及继电器断开；经过一次闭合、断开可控硅及继电器的操作后，微处理回复到等待指令输入状态。
[0015]进一步，所述指令输入电路和信号取样电路均通过光耦合器与微处理器的输入端相连，所述微处理器的输出端也通过光耦合器与可控硅及继电器输出驱动电路连接。本实用新型通过在微处理器的信号输入、输出端都设置光耦合器，对输入、输出的电信号都能起到良好的隔离作用，从而增强了信号的抗干扰能力。
[0016]相对于现有技术，本实用新型具有以下优点:
[0017]本实用新型的新型智能复合开关采用信号取样电路来检测电源的电压值，而且通过计算后能够准确的在开关接点两端电压为零的时刻将开关闭合，在开关接点两端电流为零的时刻将开关断开，从而实现了电容器的无涌流投入和开关接点的无电弧分断，对电容器不造成冲击，减少了谐波污染；并且优化了可控硅及继电器输出电路结构，极大的降低了成本，还降低了开关的功耗和故障的发生率，提高了开关的可靠性，延长了开关的使用寿命O
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型低压智能复合开关的电路结构框图；
[0019]图2为本实用新型低压智能复合开关的电路原理图。
[0020]附图中标号说明，1-微处理器，2-指令输入电路，3-信号取样电路，4-显示电路，5-可控硅及继电器输出驱动电路，6-电源电路，7-可控硅及继电器组。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步说明。
[0022]如图1所示，一种新型低压智能复合开关，包括:微处理器1，用于接收输入的指令信号和取样信号，并对所述输入的信号进行计算、处理，然后在所述新型智能复合开关两端的电压或电流为零的时刻分别发送用于控制所述低压新型智能复合开关闭合或开启的可控硅及继电器控制信号，并实时输出用于显示所述低压新型智能复合开关工作状态的显示信号;
[0023]指令输入电路2，用于向微处理器I发送指令信号；
[0024]信号取样电路3，用于向微处理器I反馈外部电源的取样信号；
[0025]可控硅及继电器输出驱动电路5，用于接收微处理器I发出的可控硅及继电器控制信号，并根据所述继电器控制信号控制可控硅及继电器组7的通断；
[0026]显示电路4，用于接收微处理器I发出的显示信号，并通过状态显示灯显示；
[0027]电源电路6，将外部电源转化成供微处理器I和可控硅及继电器输出驱动电路5使用的直流电源。
[0028]本实用新型的微处理器采用型号为国产宏晶新型STC系列控制芯片，它作为控制核心将各部分电路有机联系起来，并根据设计的程序进行工作，能够自动识别外部的指令输入信号，精确控制各部分电路工作，使得整体装置如一个智能开关，并且一但出现故障还能自动处理并输出报警。
[0029]参见图1和图2，电源电路6工作时，是将外部AC220V电源通过电容C3、电感Tl滤波后接入变压器T2降压，变压器T2输出IlV左右的交流电压经整流桥D6后输出DC15V左右的直流电压，再经三端稳压管Ul输出稳定的+5V提供给低压工作电路(如微处理器)；AC220V的另一路经二极管D2、电容C13半波整流后接入由可控硅Q3和稳压二极管D14组成的稳压电路，经稳压处理后输出直流40V左右的电压提供给继电器输出驱动电路。
[0030]参见图1和图2，指令输入电路2工作时，是将外接直流指令信号(5V-24V)经接线拄CNl接入，经极性判别后接入光耦合器U2，光耦合器U2的第三脚输出标准高电平信号并输入微处理器Ul的19脚。当外接指令为OV电压时，光耦合器U2输出低电平信号至微处理器Ul的19脚。[0031]参见图1和图2，信号取样电路3工作时，是将三相电源A、B、C相经电阻R11、R13、R14输入光耦合器U3、U4进行隔离，电压经隔离后输出同步信号经引脚AB、C到微处理器Ul,从而完成电压取样工作。
[0032]参见图1和图2，所述显示电路4主要由发光二极管D3 (黄色)、D4 (红色)、D5 (绿色)组成。当开关处于断开状态时，微处理器Ul的Xl引脚输出低电平，发光二极管D4红灯点亮；当微处理器接收到闭合开关的指令并且开关处于正常接通状态时，微处理器Ul的Xl引脚输出高电平，发光二极管D5绿灯点亮；如果微处理器Ul检测到三相电源缺相、停电或开关状态不到位的情况时，微处理器Ul将自动执行复位继电器，并通过X2引脚输出低电平，报警黄灯D3点亮并不断闪烁，提示用户出现故障。
[0033]参见图1和图2，可控硅及继电器组7的独特结构是由继电器触点与单向可控硅并联组成。所述可控硅及继电器输出驱动电路5包括用于控制可控硅及继电器组7通断的三相继电器驱动电路U13(型号ULN2003)和2个控制大功率可控硅元件(SCR1、SCR2)的光耦元件 U12、U13。
[0034]所述三相驱动电路是由相同结构的A相、B相和C相驱动电路构成，在A相、B相和C相驱动电路上各连接有一个继电器(CJA、CJB、CJC)，在每个继电器的正、负极分别连接到达林顿驱动芯片U13，状态开关JlA-1作正反供电选择，以控制继电器的闭合、断开。驱动芯片U13通过6个光耦合元件U6?Ull与微处理器Ul相连。可控硅SCR1、SCR2的触发端通过光耦合元件U12、U13与微处理器Ul相连。
[0035]A相继电器CJA工作为例，当接到闭合命令时，JlA-1接通二极管D8给继电器CJA正极供电，驱动芯片U13通过光耦合器Ull接收到微处理器Ul的A相闭合指令，U13将CJA的负极与地接通，CJA内部线圈得到正向电流，
[0036]本实用新型的继电器输出驱动电路工作原理如下:
[0037]参见图2，这里以A相驱动电路的控制为例:首先由微处理器Ul输出原状态信号Xl为低电平“O” ( “O”表示装置已经断开，“I”代表开关已经闭合)，显示电路红色发光二极管D4点亮代表装置处于断开状态，三极管Ql截止，辅助继电器JAl断开，JAl的辅助触点JAl-1与二极管D8接通，给A相主继电器CJA正极供电，作好闭合准备。
[0038]当微处理器Ul得到闭合指令后，由Tl输出A相触发指令(低有效)经光耦合器U13触发A相可控硅SCRl导通，同时输出A相继电器闭合指令A-on，经光耦合器Ull接入继电器驱动芯片U13的A-on端，U13的输出端A-与地接通，CJA正向得电并闭合，CJA主触点CJA-1接通，由于主继电器为磁保持型继电器，当指令Tl、A-on取消后，继电器CJA仍保持接通状态。经延时后，微处理器Ul状态指令Xl变为高“1”，绿色发光二极管D5导通，显示变为绿色，Ql导通使辅助继电器JlA闭合，JAl的辅助触点变为与二极管Dll接通，给A相主继电器CJA负极供电，作好断开准备。
[0039]当微处理器Ul得到断开指令后，由Tl输出A相触发指令(低有效)经光耦合器U13触发A相可控硅SCRl导通，同时输出A相继电器断开指令A-off，经光耦合器U8接入继电器驱动芯片U13的A-off端，U13的输出端A十与地接通，CJA反向得电并断开，CJA主触点CJA-1断开，由SCRl继续保持IOms导通，当指令Tl、A_off取消后，继电器CJA仍保持断开状态，SCRl在电源反向后自然关断。经延时后，微处理器Ul状态指令Xl变为低“0”，重新变为红色发光二极管D4导通，显示变回红色，三极管Ql截止，辅助继电器JAl断开，JAl的辅助触点JAl-1与二极管D8接通，给A相主继电器CJA正极供电，作好下一轮闭合准备。
[0040]由于B相和C相驱动电路与A相驱动电路具有相同的结构，因此B相和C相驱动电路的工作原理也相同，在此不详述，由于主电路采用单向可控硅过渡，其每相开、关切换必须在半个周波(IOms)之内完成，其软件及硬件电路设计满足快速、精确。
[0041]在本实用新型的开关电路中，为减小输入、输出信号受到的干扰，在设计时，采用了指令输入电路和信号取样电路均通过光耦合器与微处理器的输入端相连，而微处理器的输出端也通过光I禹合器与继电器输出驱动电路连接。这样不仅可以对输入、输出的电信号都能起到良好的隔离作用，还能减少谐波污染，降低开关工作时的能耗。
【权利要求】
1.新型低压智能复合开关，其特征在于，包括: 微处理器(I)，用于接收输入的指令信号和取样信号，发送用于控制所述新型低压智能复合开关闭合或开启的可控硅及继电器控制信号，并实时输出用于显示所述新型低压智能复合开关工作状态的显示信号； 指令输入电路(2)，用于向微处理器(I)发送指令信号； 信号取样电路(3)，用于向微处理器(I)反馈外部电源的取样信号； 可控硅及继电器输出驱动电路(5)，用于接收微处理器(I)发出的可控硅及继电器控制信号，并根据可控硅及继电器控制信号控制可控硅及继电器组(7)的通断； 显示电路(4)，用于接收微处理器(I)发出的显示信号，并通过状态显示灯显示； 电源电路出)，将外部电源转化成供微处理器(I)和可控硅及继电器输出驱动电路(5)使用的直流电源。
2.根据权利要求1所述的新型低压智能复合开关，其特征在于，指令输入电路(2)和信号取样电路(3)均通过光耦合器与微处理器(I)的输入端相连，所述微处理器(I)的输出端也通过光耦合器与可控硅及继电器输出驱动电路(5)连接。
3.根据权利要求1所述的新型低压智能复合开关，其特征在于，所述可控硅及继电器组(7)的独特结构是由继电器触点与单向可控硅并联组成。
4.根据权利要求1所述的新型低压智能复合开关，其特征在于，所述微处理器(I)采用型号为国产宏晶新型STC系列控制芯片。
【文档编号】H02J3/18GK203734317SQ201320591334
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】宁宏宇 申请人:宁婕