通用型智能功率保护控制器及保护方法
【专利摘要】本发明提出了一种通用型智能功率保护控制器及保护方法，包括：电源适配器、电流/电压（A/V）互感器和A/D数字取样转换器；单片微型计算机与参数设置按键和参数存贮器连接；A/D数字取样转换器与单片微型计算机的输入端连接，单片微型计算机的输出端分别与显示译码器、显示驱动器及LED数码管连接，驱动控制器依次与控制继电器和功率型设备电连接，功率型设备的供电端在继电器的控制下与供电端串联连接。本发明通过从供电端实时提取运行状态下电源能量的方法与存贮在控制器内部的四级动态标准数据进行科学分析监控，并采用动态交替式取样与比较判别的方法，实现了功率型设备在全寿命期内的可靠保护和连续无故障运行。
【专利说明】通用型智能功率保护控制器及保护方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电气控制领域，特别是指一种通用型智能功率保护控制器及保护方法。
【背景技术】
[0002]传统的功率型设备保护原理一般设计在实际负荷超出现有额定功率3—5倍左右才起作用。但大量实践表明:由于种种原因导致负荷长时间工作在大于额定功率而又小于保护功率时，是引起设备损坏的最主要原因。如某设备的额定功率为500W，保护值按5倍额定功率设计。当设备的实际负荷达到2.5倍额定功率时，保护电路是不起任何作用的，而这种状态必然会导致设备在长时间连续工作状态下损坏。这就是目前任何功率型设备都已设计有保护电路，而又常损坏的根本原因。再之，功率型设备的每次维修成本几乎占到了整个新设备的1/3-1/4。显然，研制一种新型的智能保护设备的必要性是目前非常有现实意义和非常重要的一项工作。
[0003]从目前通用保护技术的资料上查看，现行的各种保护措施都存在局限即不能根据功率型电器设备的外部运行条件遇到不同变化的程度而随时灵活采取有效的可靠性预防性和保护性措施，因此导致在保护电路没有发挥作用时就将设备损坏的现象频频发生。主要原因在于:当电器设备的实际负荷大于额定功率而又小于过载保护功率时，并在相对长时间内保护电路没有起到任何作用而使设备损坏。另一方面，绝大多数保护电路的设计都没有采用智能化措施，所设计的保护值也都是固定值，因此也不可能对电器设备在工作时当外部运行条件出现严重恶化但又尚未达到保护值时，将设备损坏。
【发明内容】
[0004]本发明提出一种通用型智能功率保护控制器，能够使任意功率型电器设备在全寿命期内连续、稳定、安全、可靠地有效工作，解决了现有技术中的设备不能根据实际负荷运行条件的变化而随时灵活采取可靠地预防性和保护性措施，最终导致设备损毁的问题。
[0005]本发明的技术方案是这样实现的:
[0006]通用型智能功率保护控制器，包括:
[0007]与市电连接的电源适配器，电源适配器用于提供电路电源；
[0008]与功率型设备电连接的电流/电压(A/V)互感器，互感器用于获取功率型设备的电源信号；
[0009]与互感器和电源适配器电连接的A/D数字取样转换器，A/D数字取样转换器用于将互感器实时测量的模拟信号转换成数字信号；
[0010]与电源适配器和A/D数字取样转换器电连接的单片微型计算机，单片微型计算机与参数设置按键连接；
[0011]A/D数字取样转换器与单片微型计算机的输入端连接，单片微型计算机的输出端分别与显示驱动器和驱动控制器连接，显示驱动器与显示器连接，驱动控制器与控制继电器电连接，控制继电器与功率型设备电连接，功率型设备与市电连接。
[0012]优选的，单片微型计算机为STC90C52RC单片机。
[0013]优选的，还包括语音报警器，语音报警器分别与扬声器和驱动控制器连接。
[0014]优选的，显示器为八段LED数码管，显示驱动器为74LC164或ICM7218驱动器。
[0015]优选的，互感器为高精度线性电流/电压(A/V)互感器。
[0016]通用型智能功率保护控制器的保护方法，包括以下步骤:
[0017]S1:互感器从功率型设备供电端的电源处获取实时电源信号，并通过单片微型计算机数字取样转换器将互感器实时测量的模拟信号转换成数字信号，并输入至单片微型计算机；
[0018]S2:通过参数设置按键将不同功率型设备的额定功率输入至参数存储器；
[0019]S3:通过参数设置按键将四级动态保护值输入至单片微型计算机；
[0020]S4:当被保护的功率型设备在实际运行中出现过载并达到四级动态保护值的任何一级时，驱动控制器执行单片微型计算机发来的控制命令，向控制继电器和语音报警器送出控制命令，控制继电器作用，断开功率型设备的供电电源，使之自动停机并通过语音报警器发出语音报警信息。
[0021]优选的，四级动态保护值包括被保护值和与被保护值对应设置的保护时间值，所述被保护值包括依次递增的被保护值1、被保护值2、被保护值3和被保护值4，所述保护时间值包括依次递减的保护时间值1、保护时间值2、保护时间值3和保护时间值4，所述任一级被保护值和对应的保护时间值的乘积相等。
[0022]优选的，被保护值为功率型设备的瞬时功率值，保护时间值为功率型设备工作的持续时间值。
[0023]优选的，在每级动态保护值的过渡取样期间采用动态交替式取样与比较方法。
[0024]优选的，以初始化设置的最小取样时间值为标准，并在1/2最小取样时间值内对动态范围内连续实时采集的数据进行交替统计数据比较的方法。
[0025]本发明的有益效果为:
[0026]1、依据能量守衡定律的基本原则对被保护设备从电源端获取能量并与设备在实际运行的负荷电源能量消耗的状态进行科学分析监控；
[0027]2、采用动态交替式取样与比较判别保护控制，防止在每级动态保护值的过渡取样期间出现时间错漏，导致保护失控或漏控现象发生，确保系统运行在高精度、连续动态监管范围之内；
[0028]3、采用高精度线性电流/电压互感器直接从设备供电端的电源处获取实时能量；
[0029]4、采用多级(本项目中选用四级)保护控制参数对功率型设备进行监控；
[0030]5、采取通用型保护参数任意设置的方法，只需将被保护设备的额定功率、输入电源或控制电压、保护控制值等参数输入控制器内即可自动实现多级保护参数在程序内部自动转换生成；
[0031]6、采用“高速数字抽样”、“模糊统计”、“大数判别”并运用单片微型计算机及相关数字逻辑电路和数控电路并按照能量守衡原理进行智能控制，实现对任何需要被保护的功率型电器设备在不改变现有设备的基础上实现“即插即用”的智能控制方法。【专利附图】
【附图说明】
[0032]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]图1为本发明的电路结构原理框图；
[0034]图2为本发明的主程序的流程图；
[0035]图3为本发明的定时中断服务处理程序的流程图；
[0036]图4为本发明的抗干扰自恢复程序的流程图；
[0037]图5为本发明四级保护值的原理框图。
[0038]图中:
[0039]1、电源适配器；2、互感器；3、单片微型计算机；4、A/D数字取样转换器；5、显示驱动器；6、显示器；7、驱动控制器；8、控制继电器；9、参数存贮器；10、语音报警器；11、参数设置按键；12、扬声器；13、通用型功率型设备。
【具体实施方式】
[0040]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]如I为本发明的电路结构原理框图，如图1所示，本发明的通用型智能功率保护控制器包括分别与电源适配器I连接的A/D数字取样转换器4、单片微型计算机3和显示驱动器5，显示驱动器5与显示器6连接，用于使显示器6正常工作，优选的，显示器6为数码管，互感器2通过A/D数字取样转换器4与单片微型计算机3的输入端连接，单片微型计算机3的输出端分别与显示驱动器5、参数贮存器9和驱动控制器7连接，驱动控制器7与控制继电器8和语音报警器10连接，电源适配器1、互感器2和控制继电器8均与通用型功率型设备13连接，其中互感器2为电流/电压(A/V)互感器。
[0042]电源适配器1，与市电连接，用于为本发明的通用型智能功率保护控制器中的各部分电路提供独立的电源，它不受通用型智能功率保护控制器在断开负荷时停电的影响，只直接受控于市电；互感器2，与功率型设备的电源串联获取直接的电源能量，用于为后端的智能分析模块提供直接数据；A/D数字取样转换器4在单片微型计算机3的控制下，将互感器2实时测量的模拟量快速转换成数字量，以供后端进行智能分析控制。
[0043]参数设置模块，包括与单片微型计算机3连接的参数存贮器9和参数设置按键11，参数设置按键11包括功能设置键、向上键和向下键，参数设置按键11根据不同的功率型设备的额定功率，通过三个按键(一个功能设置键、二个控制方向键)输入，以供单片微型计算机3在开始运行时对设置的数据进行分析以确定对功率型设备四级保护状态实际参数的设定；参数存贮器9，用于记忆参数设置按键11输入的数据，保证在各种条件下如断电、停电、程序受干扰跑飞等可迅速恢复各种有效数据。显示驱动模块，包括显示驱动器5和显示器6，可以实时动态地显示保护状态所设置的所有参数值；单片微型计算机3是本发明通用型智能功率保护控制器的核心部件，实现所有数据采集、多重保护数据的综合智能分析判断并向驱动控制器7发出控制命令；驱动控制器7，执行单片微型计算机3发来的控制命令，向控制继电器8和语音报警器10送出控制命令；控制继电器8，串接在通用型功率型设备的供电回路中，当收到保护控制动作命令后，迅速断开电源，使通用型功率型设备断电从而与负荷断开，起到保护设备的作用；语音报警器11与扬声器12连接，当发生保护动作断开负荷时，向用户发出数字合成语音提示，以警示用户故障原因和类型，为迅速排除故障提供信息并建立良好的人机界面。
[0044]根据“能量守衡”定律可知:被保护的通用型功率型设备13所输出的功率应与它实际从市电电源端获取的能量成正比(对于不同的功率型设备，输出的额定功率与从市电电源端获取的实际功率有不同的比例关系)，因此实时地对通用型功率型设备13从市电电源端提取的数据进行能量分析，便可精确计算出设备的动态瞬时输出功率值，从而为精准可靠保护控制起到了至关重要的作用。
[0045]本发明与被保护的通用型功率型设备13串联在一起，共同由市电供电，当被保护的通用型功率型设备13在实际运行中负荷出现过载并达到本发明所设计的四级动态保护值(如图5所示)的任何一级时，控制继电器8作用，断开通用型功率型设备13的供电电源，使之自动停机并可通过语音报警器10发出语音报警信息，此时通用型功率型设备13处于被保护状态，由于电源适配器I直接设置在市电两端，因此它不会受到通用型功率型设备13在断电时的影响，从而能够正常工作。
[0046]如2为本发明系统控制程序的主程序的流程图，本发明的系统控制程序主要包括主程序、定时中断服务处理程序和抗干扰自恢复程序。主程序用于完成整个智能控制处理程序中的初始化参数的设置、显示、以及对通用型功率型设备13运行状态现场采集的数据进行实时多重智能分析并最终向执行机构模块做出正确的控制命令。图3为定时中断服务处理程序的流程图，定时中断服务处理程序用于保证系统工作在高精度状态，并对通用型功率型设备13的实际运行状态进行实时高速率取样，为主程序提供高可靠性的原始处理数据，此模块设定于高速实时取样状态；在中断服务程序执行有效期间，完成对高线性电流/电压互感器送来的动态模拟信号进行高速率数据采集转换工作；按照初始化参数设置中的智能算法，自动按四级“控制时间”进行统计分析，并对相应状态进行状态标志设置，为主程序的控制处理提供数据参数。图4为抗干扰自恢复程序的流程图，抗干扰自恢复程序用于完成当被保护的通用型功率型设备13工作在电磁环境比较恶劣的条件下，容易出现程序受到严重干扰后“死机”或“跑飞”现象，导致控制保护系统不能正常可靠工作的状态出现，因此增加了此模块程序来保证当系统出现上述现象时，立即暂停现行状态，无条件返回到系统自动复位状态，即实时控制系统重新开始运行。
[0047]本发明的通用型智能控制保护电路依据能量守衡定律，通过通用型功率型设备13实时从市电中获取电源的能量，运用高精度“数字抽样”技术、“模糊数学”技术、“概率统计”分析技术、“大数表决”技术、“数字语音”技术以及“计算机智能控制”等综合先进技术措施来综合分析判比，最终通过电器设备运行的实际状态与额定功率状态的值进行相比较后，实时确定“主动式”的控制保护措施，从而能有效保护功率型设备免遭毁坏。本发明通过专用的高精度线性电流/电压互感器来进行实时动态分析功率型设备从电源端获取的瞬时电源的总能量来确定在何时达到何种状态时，采取何种积极有效的保护措施。[0048]如图5所示，根据在不同瞬时功率条件下，对保护值的设置也是不同的。因此本发明目前采取了四级保护值的设定，其中四级保护控制值的设置均符合能量守衡定律，即保护控制I (被保护值I X保护时间值I)=保护控制2 (被保护值2X保护时间值2)=保护控制3 (被保护值3X保护时间值3)=保护控制4 (被保护值4X保护时间值4)，保护原理如图5所示:
[0049](I)以被保护的通用型功率型设备的额定功率(允许长时间连续无故障运行)做为
参考值。
[0050](2)现设有四级保护控制参数值，依据四级保护控制值X保护控制时间均相等的原则，可以看出，当通用型功率型设备发生超负荷运行时，可依据原先设定的四级保护控制参数值进行相比对，只要其中某一种状态相符合，就立即采取保护控制措施，防止通用型功率型设备被毁坏。通过观测四组数据可清楚得出能量守衡定律在具体实施控制过程中的作用，即:保护控制4的值比保护控制I的值要高，但发生控制动作的时间要短，而两者的总乘积是一样的，也就是两者同样遵循能量守衡定律。
[0051]本发明依据能量守衡定律的基本原则对被保护的通用型功率型设备从电源端获取功率并与设备在实际运行的负荷电源功率消耗的状态的进行科学分析监控，采用动态交替式取样与比较判别保护控制，从而防止在每级动态保护值的过渡取样期间出现时间错漏，导致保护失控或漏控现象发生，确保系统运行在高精度、连续动态监管范围之内。此外，本发明采用高精度线性电流/电压互感器，直接从设备供电端的电源处获取实时能量，采用多级保护控制参数的监控方法和通用型保护参数任意设置的方法，只需将被保护设备的额定功率、输入电源或控制电压、保护控制值等参数输入控制器内即可自动实现多级保护参数在程序内部自动转换生成。
[0052]以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.通用型智能功率保护控制器，其特征在于，包括: 与市电连接的电源适配器，用于提供电路电源； 与功率型设备电连接的互感器，用于获取功率型设备的电源信号； 与所述互感器和电源适配器电连接的A/D数字取样转换器，用于将所述互感器实时测量的模拟信号转换成数字信号； 与所述电源适配器和A/D数字取样转换器电连接的单片微型计算机，所述单片微型计算机与参数设置按键连接； 所述A/D数字取样转换器与所述单片微型计算机的输入端连接，所述单片微型计算机的输出端分别与显示驱动器和驱动控制器连接，所述显示驱动器与显示器连接，所述驱动控制器与控制继电器电连接，所述控制继电器与功率型设备电连接，所述功率型设备与市电连接。
2.根据权利要求1所述的通用型智能功率保护控制器，其特征在于，所述单片微型计算机为STC90C52RC单片机。
3.根据权利要求2所述的通用型智能功率保护控制器，其特征在于，还包括语音报警器，所述语音报警器分别与扬声器和所述驱动控制器连接。
4.根据权利要求1所述的通用型智能功率保护控制器，其特征在于，所述显示器为八段LED数码管，所述显示驱动器为74LC164或ICM7218驱动器。
5.根据权利要求1所述的通用型智能功率保护控制器，其特征在于，所述互感器为高精度线性电流/电压(A/V)互感器。
6.通用型智能功率保护控制器的保护方法，其特征在于，包括以下步骤: 51:A/V互感器从功率型设备供电端的电源处获取实时电源信号，并通过A/D数字取样转换器将所述互感器实时测量的模拟信号转换成数字信号，并输入至单片微型计算机； 52:通过参数设置按键将不同功率型设备的额定功率输入至参数存储器； 53:通过参数设置按键将四级动态保护值输入至单片微型计算机； S4:当被保护的功率型设备在实际运行中出现过载并达到四级动态保护值的任何一级时，驱动控制器执行单片微型计算机发来的控制命令，向控制继电器和语音报警器送出控制命令，控制继电器作用，断开功率型设备的供电电源，使之自动停机并通过语音报警器发出语音报警信息。
7.根据权利要求6所述的通用型智能功率保护控制器的保护方法，其特征在于，所述四级动态保护值包括被保护值和与被保护值对应设置的保护时间值，所述被保护值包括依次递增的被保护值1、被保护值2、被保护值3和被保护值4，所述保护时间值包括依次递减的保护时间值1、保护时间值2、保护时间值3和保护时间值4，任一级所述被保护值和对应的保护时间值的乘积相同。
8.根据权利要求7所述的通用型智能功率保护控制器的保护方法，其特征在于，所述被保护值为功率型设备的瞬时功率值，所述保护时间值为功率型设备工作的持续时间值。
9.根据权利要求7所述的通用型智能功率保护控制器的保护方法，其特征在于，在每级动态保护值的过渡取样期间采用动态交替式取样与比较方法。
10.根据权利要求9所述的通用型智能功率保护控制器的保护方法，其特征在于，所述动态交替式取样与比较方法为以初始化设置的最小取样时间值为标准，并在1/2最小取样时间值内对动态范围内连续实时采集的数`据进行交替统计数据比较的方法。
【文档编号】H02H3/42GK103855683SQ201410088150
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】于京光, 郑渊源 申请人:北京北方圣光网络科技有限公司