一种用于交流电源的远程数控软启动器的制作方法

本实用新型属于单相或三相交流电源领域，更具体地，涉及一种用于交流电源的远程数控软启动器。

背景技术：

通常的，单相或三相交流电源通过电源开关接入负载，电源开关打开瞬间，注入负载的瞬时电流通常远大于稳态工作电流，即产生浪涌电流，浪涌电流不仅会使设备内的交流开关、保险丝、EMI滤波器等损坏，还会对电网电源产生干扰，触发电源保护设备开启，导致断电，或者干扰其他设备的正常工作。在电源开启的瞬间，负载产生的浪涌电流超过正常工作电流几十倍，必须对该浪涌电流进行抑制处理，目前普遍采用的一种处理方式是采用软启动器。其基本原理是电源开关打开后，通过软启动器控制输出到负载的电压逐渐升高，从而消除浪涌电流。

目前用于交流电源的软启动器通常有两类，第一类是采用电阻R、电容C与MOS管组成软启动器，通过电阻R对电容C充电以调整电源启动时间，MOS管作为电源的开关，由电容C的电压进行控制，电阻R通常采用大功率电阻，工作过程中会产生散热和额外功耗的问题，为了解决该问题，通常将电阻R与继电器并联，软启动完成后继电器闭合，将电阻R短路；第二类是采用电阻R和电容C与时序控制芯片连接，时序控制芯片的输出控制可控硅的开关，通过调整电阻R和电容C控制电源启动时间，并且需要采用变压器和整流桥实现过零检测。

然而，上述两类软启动器存在一些不可忽视的缺陷：1、这两类软启动器在使用过程中无法调节R和C的参数值，难以满足不同负载对不同软启动时间的需求；2、为满足电源反复启动的需求，需要对电容C进行放电处理，增加了电路复杂度，且电源反复启动之间必须要有等待时间；3、这两类软启动器无法通过远程输入实现电源开和关的控制，无法满足仪器仪表领域设备组网后电源开关远程自动化控制的要求；4、使用电阻R等大功率器件，存在额外的功率消耗、并且需要散热的问题；5、引入的继电器、变压器存在体积大、寿命有限的问题；

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种用于交流电源的远程数控软启动器，其目的在于，解决现有软启动器中存在的无法满足不同负载对不同软启动时间的需求、反复重启时需要等待时间、无法通过远程输入实现开关、使用大功率器件引来额外的功率消耗和散热问题、以及采用继电器、变压器等体积大、寿命有限的技术问题。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种用于交流电源的远程数控软启动器，包括过零检测电路、控制电路、以及电源开关电路，过零检测电路的输入端与交流电源相线输入和零线输入连接，以检测交流电源相线输入上交流正弦波电压的零点位置，并将检测到的该零点位置以过零检测脉冲信号的形式传送到控制电路，控制电路与电源开关电路连接，以在外部使能信号处于使能状态时，根据来自过零检测电路的过零检测脉冲信号的上升沿启动计时，在计时到达计时值时，向电源开关电路输出可控硅开启脉冲，使电源开关电路打开并输出一部分正弦波电压；检测到后续的上升沿时，计数值逐渐减小，使电源开关输出的正弦波长度增加，软启动器输出的电压逐渐升高。在计时值减小到0时，控制电路向电源开关电路持续输出高电平信号，使电源开关电路处于持续打开状态。电源开关电路的输入端与交流电源相线输入和零线输入连接，输出端与交流电源相线输出连接，以根据来自控制电路的可控硅开启脉冲或高电平信号，对交流电源相线输出进行开或关操作。

优选地，过零检测电路包括整流桥、第一电阻、第一光电耦合器、以及第二电阻，整流桥的输入端与交流电源相线输入连接，第一输出端通过第一电阻连接到第一光电耦合器输入侧的正极，第二输出端与第一光电耦合器输入侧的负极连接，第一光电耦合器的第一输出端通过第二电阻与直流输入连接，同时连接到控制电路的第一输入端，第一光电耦合器的第二输出端接地。

优选地，整流桥为表贴型整流桥，并直接将相线输入上的交流正弦波电压整流转换为全正半周正弦波电压，当整流桥整流转换后的电压高于第一光电耦合器的开启电压时，第一光电耦合器的输出侧导通，输出低电平的过零检测信号到控制电路，当整流桥整流后的电压低于第一光电耦合器的开启电压时，第一光电耦合器的输出侧关闭，输出高电平的过零检测脉冲信号到控制电路。

优选地，控制电路还在外部使能信号处于失能状态时，向电源开关电路持续输出低电平信号，使电源开关电路处于持续关闭状态。

优选地，控制电路包括控制器、多位拨码开关、第三电阻、以及第四电阻，控制器的第一输出端与电源开关电路的第五电阻连接，控制器的多位第二输入端分别与拨码开关的各位连接，控制器的第三输入端通过第四电阻与第三电阻的一端、以及外部接口连接，以获取来自于该外部接口的外部输入开关信号，第三电阻的另一端接地，控制器的第四输入端与远程通信网络连接，以接收来自于该远程通信网络的远程通信控制信号，控制器对远程通信控制信号的使能状态与外部输入开关信号的使能状态进行与操作，其结果就是外部使能信号。

优选地，在外部使能信号处于使能状态时：

当控制电路第1次到第n次接收到来自于过零检测电路的过零检测脉冲信号的上升沿时，计时值应小于交流正弦波电压的半周时间与可控硅开启脉冲宽度的差，且大于或等于交流正弦波电压的半周时间与可控硅开启脉冲宽度的差取整后的整数值，其中n为每个计时值被连续重复使用的次数，其取值等于控制电路中多位拨码开关输入电平所对应的十进制数值；

当控制电路在第n+1次到第2n次、第(2n+1)到第3n次，…第mn+1到第(m+1)n次接收到来自于过零检测电路1的过零检测脉冲信号的上升沿时，计时值的取值逐步递减，其中m表示计时值递减到0的递减总次数。

优选地，当电源开关电路从控制电路接收到的是高电平信号时，电源开关电路对交流电源相线输出进行持续打开操作，当从控制电路接收到的是可控硅开启脉冲时，电源开关电路在可控硅开启脉冲的上升沿将交流电源相线输出打开，并在交流电源相线输入电压变为0时，将交流电源相线输出关闭，电源开关电路还在从控制电路接收到的是低电平信号时，对交流电源相线输出进行持续关闭操作。

优选地，电源开关电路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、电容、双向可控硅、光耦可控硅、以及三极管，第六电阻的一端与双向可控硅的第二阳极、第七电阻的一端、以及交流电源相线输入连接，另一端通过电容连接到双向可控硅的第一阳极、第八电阻的一端、以及交流电源相线输出，第八电阻的另一端连接到双向可控硅的控制极、以及光耦可控硅的第一阳极，光耦可控硅的第二阳极连接到第七电阻的另一端，光耦可控硅输入侧的正极通过第九电阻连接到直流电源，输入侧的负极连接到三极管的集电极，三极管的发射极接地，基极连接到第五电阻。

当三极管的基极为高电平时，三极管和光耦可控硅导通，光耦可控硅驱动双向可控硅导通，交流电源相线输出将与交流电源相线输入导通，并输出电压。当接收到来自于控制电路的可控硅开启脉冲时，三极管和光耦可控硅短暂开启，并在光耦可控硅U1开启上升沿激发双向可控硅导通，双向可控硅会持续开启，直到交流电源的相线输入电压变为0V，此时双向可控硅自动关闭。

优选地，所述远程数控软启动器进一步包括浪涌保护电路，其与交流电源相线输入连接，以吸收交流电源相线输入和零线输入上可能存在的尖峰电压。

优选地，浪涌保护电路包括空气放电管、第一压敏电阻、第二压敏电阻、以及第三压敏电阻，第一压敏电阻、第二压敏电阻、以及第三压敏电阻呈π型连接，第一压敏电阻和第三压敏电阻的公共连接端与空气放电管的一端连接，空气放电管的另一端接地，第一压敏电阻和第二压敏电阻的公共连接端连接到交流电源相线输入，第二压敏电阻和第三压敏电阻的公共连接端连接到交流电源的零线输入。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本实用新型软启动器在使用过程中是使用控制器控制启动时间，无需更改任何元件的参数，因此该软启动器可以满足不同负载对不同软启动时间的需求；

2、本实用新型使用的控制器在电源关闭时即停止工作，不受任何外部元件的影响，电源关闭后可立即重启，不需要等待时间；

3、本实用新型通过远程通信控制信号中的使能信号和外部输入开关信号来控制电源开关电路的开和关，从而可实现远程控制；

4、本实用新型没有使用大功率器件，没有额外的功率消耗，因此不存在散热问题；

5、本实用新型没有使用继电器、变压器、大功率电阻等大体积、机械执行元件，因此能够解决现有软启动器存在的设备体积大、寿命有限的问题；

6、本实用新型中使用的双向可控硅能承受10至40A的电流，使本实用新型的软启动器可使用于各种功率的负载场合，应用范围很广；

7、本实用新型根据控制电路中多个拨码开关输入电平所对应的十进制数值由控制电路重复开启双向可控硅的延时时间n次，通过调整n的大小，可控制交流电源相线输入的开启速度，以适应不同特性的负载缓启动要求。

附图说明

图1是本实用新型用于交流电源的远程数控软启动器的电路框图；

图2是本实用新型用于交流电源的远程数控软启动器的详细电路图；

图3(A)示出检测相线输入上的交流正弦波电压；图3(B)示出整流桥整流转换后的电压；图3(C)示出第一光电耦合器输出的过零检测脉冲信号；

图4(A)示出交流正弦波电压与过零检测脉冲信号的叠加；图4(B)示出控制电路根据来自于过零检测电路的过零检测脉冲信号的上升沿所设置的不同时刻的计时值、以及向电源开关电路输出的可控硅开启脉冲；图4(C)示出电源开关电路根据来自控制电路可控硅开启脉冲、高电平信号或低电平信号，对交流电源相线输出进行开或关操作后得到的电压波形图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-过零检测电路；2-控制电路；3-电源开关电路；4-浪涌保护电路。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和2所示，本实用新型用于交流电源的远程数控软启动器包括过零检测电路1、控制电路2、电源开关电路3、以及浪涌保护电路4。

过零检测电路1的输入端与交流电源相线输入和零线输入连接，用于检测交流电源相线输入上交流正弦波电压(如图3(A)所示)的零点位置，并将检测到的该零点位置以过零检测脉冲信号的形式传送到控制电路2。

交流电源的相线输入交流正弦波电压的频率是50Hz，输出的过零检测脉冲信号的频率是100Hz，并与交流正弦波的零点同步。

过零检测电路1包括整流桥BR、第一电阻R6、第一光电耦合器U2、以及第二电阻R9。

整流桥BR的输入端与交流电源相线输入连接，第一输出端通过第一电阻R6连接到第一光电耦合器U2输入侧的正极，第二输出端与第一光电耦合器U2输入侧的负极连接，第一光电耦合器U2的第一输出端通过第二电阻R9与直流输入连接，同时连接到控制电路2的第一输入端IO2，第一光电耦合器U2的第二输出端接地。

整流桥BR为表贴型整流桥，用于直接将相线输入上的交流正弦波电压整流转换为全正半周正弦波电压(如图3(B)所示)。

第一电阻R6的阻值为100KΩ以上，以限制第一光电耦合器U2输入侧的电流，该电阻为小功率电阻。

整流桥BR选用的型号为DF08S，第一光电耦合器U2的型号是TLP521-1。

第一光电耦合器U2的输入侧和输出侧分别用于实现高电压和低电压的隔离。

当整流桥BR整流转换后的电压高于第一光电耦合器U2的开启电压(0.7V)时，第一光电耦合器U2的输出侧导通，输出低电平的过零检测信号到控制电路2；当整流桥BR整流后的电压低于第一光电耦合器U2的开启电压(0.7V)时，第一光电耦合器U2的输出侧关闭，输出高电平的过零检测脉冲信号到控制电路2，如图3(C)所示。

控制电路2与电源开关电路3连接，用于在外部使能信号处于使能(Enabled)状态时，根据来自于过零检测电路1的过零检测脉冲信号的上升沿启动计时，在计时到达计时值时，向电源开关电路3输出可控硅开启脉冲(如图4(B)所示)，并在计时值为0时，向电源开关电路3持续输出高电平信号，使电源开关电路3处于持续打开状态；

控制电路2还用于在外部使能信号处于失能(Disabled)状态时，控制电路2向电源开关电路3持续输出低电平信号，使电源开关电路3处于持续关闭状态。

具体而言，在外部使能信号处于使能状态时：

如图4(A)和(B)所示，当控制电路第1次到第n次接收到来自于过零检测电路1的过零检测脉冲信号的上升沿时，计时值应小于交流正弦波电压的半周时间(即10毫秒)与可控硅开启脉冲宽度的差，且大于或等于交流正弦波电压的半周时间(即10毫秒)与可控硅开启脉冲宽度的差取整后的整数值，优选为靠近前者越好，其中n为每个计时值被连续重复使用的次数，其取值等于控制电路2中多位拨码开关SW1输入电平所对应的十进制数值。例如，如果可控硅开启脉冲的宽度是0.1毫秒，则该计时值的取值范围是9到9.9毫秒之间，可取值9.8ms，如果控制电路2包括3个拨码开关，且其输入电平分别为0、1、1，则n的取值等于011所对应的十进制数值3，且控制电路2向电源开关电路3输出可控硅开启脉冲的计时值前3次均为9.8ms。

当控制电路在第n+1次到第2n次、第(2n+1)到第3n次，…第mn+1到第(m+1)n次接收到来自于过零检测电路1的过零检测脉冲信号的上升沿时，计时值的取值逐步递减，其中m表示计时值递减到0的递减总次数，递减可以是以固定的步长(例如每次都减少0.1毫秒)，也可以是先慢后快的方式进行(例如，开始时减少0.1毫秒，后来变成减少0.2毫秒，…，以此类推)。

控制电路2包括控制器U3、多位拨码开关SW1、第三电阻R7、以及第四电阻R8。

控制器U3可以是单片机(Microcontroller unit，简称MCU)、可编程门阵列(CPLD或FPGA)或数字信号处理器DSP，其第一输出端IO1与电源开关电路3的第五电阻R5连接，多位第二输入端IO4到ION分别与拨码开关SW1的各位连接，第三输入端IO3通过第四电阻R8与第三电阻R7的一端、以及外部接口J1连接，用于获取来自于该外部接口J1的外部输入开关信号，第三电阻R7的另一端接地，第四输入端Com与远程通信网络J2连接，用于接收来自于该远程通信网络J2的远程通信控制信号。控制器U3接收远程通信控制信号的命令，并解析命令表示的使能(Enabled)或失能(Disabled)状态；控制器U3同时接收外部接口J1的外部输入开关信号，外部输入开关信号为高电平时表示失能(Disabled)，外部输入开关信号为低电平时表示使能(Enabled)。控制器U3对远程通信控制信号的使能状态与外部输入开关信号的使能状态进行与操作，其结果就是外部使能信号。

控制器U3的型号是SIM32F103C8，多位拨码开关SW1的型号是DSHP4SS，第三电阻R7的阻值是220Ω，第四电阻R8的阻值是220Ω。

电源开关电路3的输入端与交流电源相线输入和零线输入连接，输出端与交流电源相线输出连接，用于根据来自控制电路2的可控硅开启脉冲或高电平信号，对交流电源相线输出进行开或关操作(如图4(C)所示)；

具体而言，当从控制电路2接收到的是高电平信号时，电源开关电路3对交流电源相线输出进行持续打开操作。

当从控制电路2接收到的是可控硅开启脉冲时，电源开关电路3在可控硅开启脉冲的上升沿将交流电源相线输出打开，并在交流电源相线输入电压变为0时，将交流电源相线输出关闭。

电源开关电路3还用于从控制电路2接收到的是低电平信号时，对交流电源相线输出进行持续关闭操作。

电源开关电路3包括第五电阻R5、第六电阻R1、第七电阻R2、第八电阻R3、第九电阻R4、电容C1、双向可控硅D3、光耦可控硅U1、以及三极管Q1。

第六电阻R1的一端与双向可控硅D3的第二阳极、第七电阻R2的一端、以及交流电源相线输入连接，另一端通过电容C1连接到双向可控硅D3的第一阳极、第八电阻R3的一端、以及交流电源相线输出，第八电阻R3的另一端连接到双向可控硅D3的控制极、以及光耦可控硅U1的第一阳极，光耦可控硅U1的第二阳极连接到第七电阻R2的另一端。光耦可控硅U1输入侧的正极通过第九电阻R4连接到直流电源，输入侧的负极连接到三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接地，基极连接到第五电阻R5。

第五电阻R5的阻值是33Ω，第六电阻R1的阻值是10Ω，第七电阻R2的阻值是51Ω，第八电阻R3的阻值是33Ω，第九电阻R4的阻值是51Ω，电容C1的电容值是1000F，双向可控硅D3的型号是BTA24-600BWRG，光耦可控硅U1的型号是MOC3021，三极管Q1的型号是BSP19AT1。

当三极管Q1的基极为高电平时，三极管Q1和光耦可控硅U1导通，光耦可控硅U1驱动双向可控硅D3导通，交流电源相线输出将与交流电源相线输入导通，并输出电压。当接收到来自于控制电路2的可控硅开启脉冲时(该脉冲宽度为10us～100us)，三极管Q1和光耦可控硅U1短暂开启，并在光耦可控硅U1开启上升沿激发双向可控硅D3导通，双向可控硅D3会持续开启，直到交流电源的相线输入电压变为0V，此时双向可控硅D3自动关闭。

在该电路中，光耦可控硅U1低压侧、第六电阻R1、三极管Q1、第五电阻R5均工作于低电压，功率极低；光耦可控硅U1高压侧、第七电阻R2、第八电阻R3工作于高压状态，但消耗的电流不超过50mA，功率很小；这些元件全部使用小尺寸、低功率器件。

双向可控硅D3作为对交流电源相线输入和相线输出进行开关操作的核心器件，其开启电阻很小，正常工作时其消耗的功率很小，只需要安装很小的散热片，依靠空气对流自然散热即可。

浪涌保护电路4与交流电源相线输入连接，用于吸收交流电源相线输入上可能存在的尖峰电压(例如雷击、静电释放等产生的瞬间高电压)，使本实用新型的远程数控软启动器具备防雷击、防静电的能力。

浪涌保护电路4包括空气放电管D1、第一压敏电阻ZNR1、第二压敏电阻ZNR2、以及第三压敏电阻ZNR3。第一压敏电阻ZNR1、第二压敏电阻ZNR2、以及第三压敏电阻ZNR3呈π型连接，第一压敏电阻ZNR1和第三压敏电阻ZNR3的公共连接端与空气放电管D1的一端连接，空气放电管D1的另一端接地，第一压敏电阻ZNR1和第二压敏电阻ZNR2的公共连接端连接到交流电源相线输入，第二压敏电阻ZNR2和第三压敏电阻ZNR3的公共连接端连接到交流电源的零线输入。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。