专利名称：无强制散热器的大功率智能快速复合开关的制作方法
技术领域：
本发明为电气开关控制领域的一种新型智能半导体与继电器(接触器)复合的快速开关，主要应用于低压供电系统中冲击负荷的开关控制，如无功电容补偿、工业电动机和家电电动机的控制等，替代常规的继电器、接触器、普通复合开关或者带强制散热的可控硅开关，是一种既有普通可控硅开关的快速开关的优点，又有普通复合开关不需要强制散热器的优点的新型智能快速复合开关。
背景技术：
在工业与民用的低压供配电(380V交流)系统中，开关是最重要的电气器件和设备，也是最贵重的器件和设备之一。对于小功率的负荷控制，目前普遍采用继电器或小功率的可控硅(晶闸管)作为开关来控制，对于大功率的负荷，则普遍采用接触器、断路器、大功率的可控硅作为开关来控制。由于大功率的可控硅开关都需要强制散热(如风冷、水冷)，导致其成本较高，重量大，安装维护不方便，针对这一缺点，近几年出现了一种结合可控硅和接触器的大功率开关，称为复合开关，它在导通和截至时投入可控硅，中间正常运行过程中合上接触器，断开可控硅，这样避免了可控硅的发热问题，因此也省掉了强制散热器，同时由于在开关接通和断开的瞬间由可控硅完成，因此也避免了接触器的接点拉弧，对接触器的成本要求降低了很多。大功率可控硅开关和复合开关的一个共同优点是可以实现电流过零导通和过零断开，对减小电网谐波和电网冲击有很大作用，而且可以实现无开关电弧，对防火防爆有很大作用，同时减小了开关的噪音。普通大功率可控硅开关需要强制散热器，普通复合开关虽然可以不要强制散热器，但在频繁开关的场合，普通复合开关却无法取代普通大功率可控硅开关。普通复合开关的开关模式是固定的可控硅导通一延时一接触器导通一接触器断开一延时一可控硅断开。由于这一固定模式需要一个固定的周期，当电气负荷的通断频率大于这一固定周期，即间歇期小于这一固定周期的时间时，普通复合开关是不能正常工作的，目前这一固定周期通常在十几秒到几十秒之间，导致普通复合开关在很多快速开关的场合不能正常投入运行，这时还是只能采用普通大功率可控硅开关。
发明内容
本发明主要是针对普通大功率可控硅开关需要强制散热器的缺点和普通复合开关不能适应频繁开关的缺点，解决了二者的缺点，同时又具备大功率可控硅开关的快速开关能力和复合开关无需强制散热器的优点。其成本远低于普通大功率可控硅开关，略高于普通复合开关，可以在各种场合直接替代普通大功率可控硅开关和复合开关。无强制散热器的大功率智能快速复合开关在开关内部采用了工业级微控制器(MCU)作为核心控制单元，同时采用可控硅和继电器(接触器)作为开关执行单元。微控制器可以在几十微秒内作出判断来控制可控硅或继电器(接触器)的通断，微控制器通过不断采集开关的内部和外部的数据，包括温度、电流、电压等，综合分析后根据内置的逻辑判断来控制可控硅和继电器，并实现过零导通和过零截止。这样既使得可控硅无需因长期导通而导致温度过高，又可以随时控制继电器的通断，不用采用普通复合开关的固定通断循环模式，因此可以适应任何快速频繁通断的应用。无强制散热器的大功率智能快速复合开关由于在内部植入了微控制器，还具有继电保护、谐波测量、监测开关本身和外部设备异常情况报警等功能，以及通讯接口等，真正实现了开关的智能化。本发明公开的无强制散热器的大功率智能快速复合开关是在普通的大功率可控硅开关和普通的复合开关的基础上，内置了微控制器(MCU)及相应软件算法和逻辑，实现了无强制散热器的大功率快速复合开关。与普通大功率可控硅开关相比，无强制散热器的大功率智能快速复合开关省去了强制散热器，降低了成本，免去了因强制散热器的故障导致可控硅烧坏的可能性，提高了开关的可靠性，同时节省了强制散热器所浪费的能源；与普通复合开关相比，无强制散热器的大功率智能快速复合开关可以实现快速开关，适应频繁开关的负荷控制，解决了普通复合开关不能频繁开关的问题。无强制散热器的大功率智能快速复合开关同时实现了过零导通和过零断开功能。无强制散热器的大功率智能快速复合开关主要由大功率双向可控硅、继电器(接触器)、微控制器(MCU)、电源模块、温度传感器、电流传感器、可控硅过零触发电路、通信接口等主要器件和功能模块组成。其中双向可控硅、继电器(接触器)的功率可根据负荷的大小配置，微控制器(MCU)根据附加功能的配置采用了两种不同的型号，以尽量节省成本，如果不含继电保护和谐波测量功能则采用8位微控制器C8051，否则采用32位微控制器STM32。微控制器(MCU)可通过接收外部开关量输入或通信接口接受外部控制开关分合命令，在50微秒(O. 05毫秒)内综合判断输出导通/截止可控硅、跳/合继电器的指令，对于一个工频周波为20毫秒的时间，50微秒基本没有滞后效应。在开关正常工作期间，微控制器不断采集开关内部的温度、电流、谐波等参数，实时计算分析，综合判断调整可控硅和继电器的工作状态；在判断出开关内部故障时通过通信接口发出告警信息，当判断出外部过流、谐波过大、开关内部严重故障时自动跳闸分断开关并发出告警信息。
图1是无强制散热器的大功率智能快速复合开关原理框图。
权利要求
1.本发明所述无强制散热器的大功率智能快速复合开关是一种新型的智能开关，既不同于普通的机械开关、也不同于普通的可控硅(晶闸管)开关以及普通的复合开关，它集中了以上三种开关的优点，又解决了以上三种开关的不足和缺点，普通机械开关不能实现过零导通过零断开，容易产生冲击电流和谐波，并且不能频繁开关动作；普通可控硅(晶闸管) 开关如果功率较大，都需要装强制散热器散热，否则就会烧坏可控硅；普通复合开关不能适应频繁开关动作，动作频率较高时开关不能正常工作，本发明无强制散热器的大功率智能快速复合开关实现了过零分合动作、可频繁分合动作、可高频率分合动作、并且不需要强制散热器。
2.本发明所采取的技术方案是在开关内部内置了微控制器(MCU)，结合开关内的可控硅和继电器(接触器)，通过微控制器实时检测可控硅的温度、电流、外部输入开关控制信号等，实时控制可控硅和继电器(接触器)的通断来实现开关的正常工作，满足各种负荷对开关的要求，本发明内置的微控制器(MCU)不仅实现了无强制散热器的大功率快速复合开关的开关功能，而且通过实时检测电流、温度、谐波等数据实现了继电保护功能和检测故障预警功能，同时提供了通信接口与外部智能设备和系统通信，是真正意义上的智能开关。
全文摘要
本发明公布了一种无强制散热器的大功率智能快速复合开关，该开关是一种新型的智能开关，既不同于普通的机械开关、也不同于普通的可控硅开关以及普通的复合开关，它集中了以上三种开关的优点，又解决了以上三种开关的不足和缺点。本开关实现了过零分合动作、可频繁分合动作、可高频率分合动作、并且不需要强制散热器。本发明所采取的技术方案是在开关内部内置了微控制器，结合开关内的可控硅和继电器，通过微控制器实时检测可控硅的温度、电流、外部输入开关控制信号等，实时控制可控硅和继电器的通断来实现开关的正常工作，满足各种负荷对开关的要求。而且，通过实时检测电流、温度、谐波实现了继电保护功能和检测故障预警功能，同时提供了通信接口与外部智能设备和系统通信，是真正意义上的智能开关。
文档编号G05B19/042GK102998986SQ20121019290
公开日2013年3月27日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者姚争辉, 石立勇, 许乐平 申请人:姚争辉, 石立勇, 许乐平