专利名称：数字化控制与保护开关电器的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字化控制器，更确切地说涉及一种数字化控制与保护开关电器的控制装置，属于电动机控制与保护技术领域。
背景技术：
控制与保护开关电器(CPS)是低压电器中的新产品，作为新的大类产品，其产品类别代号为“CPS”，其英文”Control and Protective SwitchingDevice”的缩写。
CPS的主要特征为在单一的结构形式的产品上实现集成化的、内部协调配合的控制与保护功能，能够替代断路器(熔断器)、接触器、过载(或过流、断相)保护继电器、起动器、隔离器等多种传统的分离器件。
中国专利号为01238478.X的实用新型专利“一种集成化的控制与保护开关电器”采用模块化，具有隔离、断相及完善的定时限、反时限、瞬时三段保护和就地、远程自动控制功能。主要由底座、接触组、电磁传动机构、操作机构、隔离机构及过电流脱扣器组成。
上述实用新型专利，其断相、过载和过流保护主要是通过双金属片来实现的。存在着精度低，整定困难，可靠性差等问题。从电动机保护技术角度，目前采用微处理器技术，开发的模块化，数字化的电动机保护装置已经是技术发展的趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数字化控制与保护开关电器的控制装置，该装置具有基本保护功能，实现数字化控制。
为达到上述目的，本发明的技术方案是该控制器包括主体模块、电流检测模块、参数整定输入模块、输出驱动模块、输出显示模块以及电源模块；所述的控制装置软件包括主程序以及相关子程序；其所述结构包括电路板布局、连接以及互感器摆放等内部结构。
所述的主体模块包括微处理器时钟晶振电路、上电复位电路、在线编程电路；所述的电流检测模块包括电流信号和零序电流信号采集电路、信号调理放大电路；所述的参数整定输入模块包括电位器整定电路、DIP拨码选择开关整定电路、按键电路；所述的输出驱动模块包括输出固态继电器驱动控制电路；所述的输出显示模块包括发光二极管显示电路；所述的电源模块包括交流直流变换电路、滤波电路、直流变换电路等。
上述电路之间的信号传递电流信号、零序电流信号经过信号调理放大电路进入微处理器；电位器整定信号、拨码选择开关整定信号、按键信号等直接进入微处理器；微处理器对电流信号进行模数转换，并根据参数整定情况进行分析计算，然后输出控制驱动控制电路和发光二极管显示电路，来对负载进行保护和控制。
其中检测参数包括A相电流、B相电流、C相电流、零序电流；设定参数包括电流整定、起动时间整定、剩余动作电流整定、脱扣级别整定、断相使能整定、剩余电流故障保护使能整定。
其中保护功能包括过载保护、断相保护、过流保护、剩余电流故障保护。
其中按键控制功能包括起动和运行时的紧急停车控制、故障后的复位功能、接通状态下的切断主回路测试功能。
其中输出驱动电路能提供两副常闭触点和一副常开触点。
其中发光二极管显示电路包括电动机状态指示灯、过载故障指示灯、断相故障指示灯、剩余电流故障指示灯。电动机状态指示灯能够指示电动机的运行、起动和停车状态；故障指示灯能发出故障预警信号和报警信号。
所述的控制器结构包括三个电流互感器为穿心式互感器，嵌入安装在控制器内部。零序电流互感器在外部安装，将其信号引入到控制器。电路板划分三块，器件合理布局，采用插针连接。面板布局合理，整定方便，操作界面友好。
本发明的有益效果这是一种采用微处理器技术，多种参数整定，具有保护功能和控制功能的数字化控制器。其与控制与保护开关电器主体构成的新的数字化控制与保护开关电器，在成本上与原有的控制与保护开关电器相当。由于技术先进、采用模块化结构，不影响原有的控制与保护开关电器的优点。由于有很好的市场前景，会为电动机保护技术起到推动作用，有较明显的经济效益和一定的社会效益。
以下结合附图和实施实例对本发明作比较详细的说明。
图1为本发明的数字化控制装置主体模块原理框图；图2为本发明的数字化控制装置三项电流信号采样电路原理图；图3为本发明的数字化控制装置零序电流信号采样电路原理图；图4为本发明的数字化控制装置的微处理器及外围电路图；图5为本发明的数字化控制装置的主电路板完整电路图；图6为本发明的数字化控制装置的电位器整定电路图；图7为本发明的数字化控制装置的拨码开关整定电路；图8为本发明的数字化控制装置的按键电路；图9为本发明的数字化控制装置的发光二极管控制电路；图10为本发明的数字化控制装置的电源模块与输出控制电路的原理图；图11为本发明的数字化控制装置的主程序流程图；图12为本发明的数字化控制装置的控制器与控制与保护开关主体配合结构图具体实施方式
本发明的数字化控制器包括主体模块、电流检测模块、参数整定输入模块、输出驱动模块、输出显示模块以及电源模块。
参照图1，为本发明的数字化控制装置的原理图框图。如图所示，电流互感器以及零序电流互感器过来的电流信号经过信号调理回路的整流滤波放大，送入微处理器，微处理器对信号进行AD模数转换，并计算出当前的电流值。参数整定回路将用户设定的一些参数信号送入微处理器进行保存，按键回路将按键当前的状态信号送入微处理器。微处理器对采集的信号进行分析运算处理，判断出目前控制与保护开关电器的负载所处于的状态以及是否故障，并发出相应的信号。通过发光二极管控制电路对负载的状态进行指示，并能发出预警和报警信号。通过输出驱动控制电路控制输出触点，输出触点控制控制与保护开关电器主体，进而切断主回路，达到保护的目的。
参照图2，为三相电流采集电路图。如图所示，从互感器二次侧采集的电流信号经过肖特基二极管进行滤波，然后通过采样电阻变为电压信号，再经过运算放大器对信号进行放大送入微处理器。
参照图3，为零序电流互感器采集电路图。如图所示，外接的零序电流互感器二次侧的电流信号，通过数字化控制装置的输入端子送入主电路板，主电路板的信号调理放大回路对零序电流信号进行滤波整流放大，然后送入微处理器进行AD模数转换。
参照图4，为本发明的数字化控制装置的微处理器及外围电路。如图所示，本微处理器采用的是性能稳定的PIC16F716微处理器。上方为上电复位电路，下方为在线编程电路。
参照图5，主电路板的电路原理图。如图所示，在这块电路板上集成了微处理器以及相关电路，和信号采集调理电路，本电路板全部采用表面封装元器件，有效得解决EMC电磁抗干扰问题。
参照图6，为本发明的数字化控制装置的电位器整定电路。如图所示，通过数字化控制器的表面旋钮的调节使得输入到微处理器的电压信号为0-5V连续可调，微处理器对信号进行AD模数转换，确定旋钮的位置，判断用户的整定参数。通过三个电位器可以整定额定电流，起动时间以及剩余动作电流。
参照图7，为本发明的拨码开关整定电路。如图所示，通过一个DIP开关，用户拨码设定，来改变输入到微处理器的信号，微处理器判别拨码开关的位置，来确定用户的设定参数。通过四个拨码开关，可以整定脱扣级别，复位模式以及断相使能。
参照图8，为本发明的数字化控制装置的按键电路。如图所示，通过控制器面板上的按键来改变输入到微处理器的信号，进而判断按键是否按下，进而实现按键的紧急停车、复位以及测试功能。
参照图9，为本发明的数字化控制装置的发光二极管控制电路。如图所示，该电路与微处理器的输出端口直接相连，微处理器通过控制输出端口的电平来控制发光二极管的电压来控制发光二极管的发光和熄灭。通过四个发光二极管能够显示控制器负载的状态以及过载、断相以及剩余电流故障状态。
参照图10，为本发明的数字化控制装置的电源模块和输出驱动控制模块电路原理图。如图所示，本数字化控制器的电源为交流220V输入，输入经过电阻电容以及压敏电阻进行EMC处理，然后经过模块电源转换为12V直流电压，经过电容以及滤波电容，再经过7808转换为8V的直流电压，8V的直流电压送给运算放大器工作，7808的8V输出再经过7805转换为5V直流电压，给系统供电。
参照图11，为本发明的数字化控制装置的输出驱动电路。微处理器的输出经过光电耦合二极管隔离，然后驱动三极管增强驱动能力，然后控制两个固态继电器，继电器的控制端并联一个续流二极管，解决干扰问题。两个继电器提供三副输出触点，作为本控制器的输出触点。
参照图12，为本发明的数字化控制装置的主程序流程图。如图所示，微处理器从上电开始《程序开始》1，然后进入《寄存器时间中间开启》2，然后进入《100mS到？》3，判断定时100mS是否到？如果到，则进入《A相电流采样20 mS Ia》4，《B相电流采样20 mS Ib》5，《C相电流采样20 mS Ic》6，《零电流采样20 mS Ig》7，《额定电流设定读取Ie》8，《脱扣级别读取TC》9，《起动时间设定读取TQ》10，《剩余动作电流设定读取》11，《复位模式设定读取》12，《断相使能读取》13，然后进入《起动过程判定》14，根据采集到的三相电流来判断电动机所处的状态，停车，起动或停车；然后依次执行《断相判定》15，《过载判定》16，《剩余电流故障判定》17，根据不同的停车状态分别进行相应的故障处理；在起动或运行状态进行断相判定，如果负载处于断相故障，则对相应寄存器变量置位；在运行状态进行过载判定，如果电动机处于过载状态，则将相应的寄存器变量置位；在停车、起动及运行状态进行剩余电流故障判定，如果负载处于剩余电流故障，则将相应的寄存器变量置位；然后程序进入《故障判定LED显示》18，微处理器进行故障处理，分别依次检查各个故障寄存器赋值时间中变量，根据变量的值来对控制发光二极管发出预警及报警信号，同时通过输出驱动电路控制主回路的通断；接着程序进入《复位/测试/急停按键判定》19，对按键状态进行处理，结合不同的运行状态，判断按键的按下与否，并对按下时间进行判断，综合一起判断按键的功能，是紧急停车、测试和复位；程序最后执行《自动复位判断》20，对自动复位进行判断，如果设置的是自动复位，并且电动机因为过载故障而跳闸，则执行自动复位程序。
程序最后执行20，对自动复位进行判断，如果设置的是自动复位，并且电动机因为过载故障而跳闸，则执行自动复位程序。
参照图12，为本发明的数字化控制装置与控制与保护开关主体配合的结构图。如图所示，控制装置的输出触点通过控制主体的电磁传动机构，从而控制主电路的接触组，来控制主回路的通断。
虽然本发明已参照上述的实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员，应当认识到以上的实施例仅是用来说明本发明，应理解其中可作各种变化和修改而在广义上没有脱离本发明，所以并非作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述的实施例的变化、变形都将落入本发明权利要求的保护范围。
权利要求
1.数字化控制与保护开关电器的控制装置，包括主体模块、电流检测模块、参数整定输入模块、输出驱动模块、输出显示模块以及电源模块；其特征在于所述的主体模块包括微处理器、时钟晶振电路、上电复位电路、在线编程电路；所述的电流检测模块包括电流信号和零序电流信号采集电路、信号调理放大电路；所述的参数整定输入模块包括电位器整定电路、DIP拨码选择开关整定电路、按键电路；所述的输出驱动模块包括输出固态继电器驱动控制电路；所述的输出显示模块包括发光二极管显示电路；所述的电源模块包括交流直流变换电路、滤波电路、直流变换电路；上述电路之间的信号传递电流互感器以及零序电流互感器过来的电流信号经过信号调理回路的整流滤波放大，送入微处理器，微处理器对信号进行AD模数转换，并计算出当前的电流值；参数整定回路将用户设定的一些参数信号送入微处理器进行保存，按键回路将按键当前的状态信号送入微处理器；微处理器对采集的信号进行分析运算处理，判断出目前控制与保护开关电器的负载所处于的状态以及是否故障，并发出相应的信号；通过发光二极管控制电路对负载的状态进行指示，并能发出预警和报警信号；通过输出驱动控制电路控制输出触点，输出触点控制控制与保护开关电器主体，进而切断主回路，达到保护的目的；所述的控制装置软件包括主程序以及相关子程序与硬件结合，该装置具有基本保护功能，实现数字化控制。
2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述的三相电流采集电路，从互感器二次侧采集的电流信号经过肖特基二极管进行滤波，然后通过采样电阻变为电压信号，再经过运算放大器对信号进行放大送入微处理器。
3.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述的零序电流互感器采集电路，外接的零序电流互感器二次侧的电流信号，通过数字化控制装置的输入端子送入主电路板，主电路板的信号调理放大回路对零序电流信号进行滤波整流放大，然后送入微处理器进行AD模数转换。
4.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述的微处理器及外围电路，微处理器采用的是性能稳定的PIC16F716微处理器，上方为上电复位电路，下方为在线编程电路。
5.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述的主电路板的电路，在这块电路板上集成了微处理器以及相关电路，和信号采集调理放大电路，本电路板全部采用表面封装元器件，有效得解决EMC电磁抗干扰问题。
6.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述的电位器整定电路，通过数字化控制器的表面旋钮的调节使得输入到微处理器的电压信号为0-5V连续可调，微处理器对信号进行AD模数转换，确定旋钮的位置，判断用户的整定参数，通过三个电位器可以整定额定电流，起动时间以及剩余动作电流。
7.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述的发光二极管控制电路，该电路与微处理器的输出端口直接相连，微处理器通过控制输出端口的电平来控制发光二极管的电压来控制发光二极管的发光和熄灭，通过四个发光二极管能够显示控制器负载的状态以及过载、断相以及剩余电流故障状态。
8.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述的电源模块和输出驱动控制模块电路，电源为交流220V输入，输入经过电阻电容以及压敏电阻进行EMC处理，然后经过模块电源转换为12V直流电压，经过电容以及滤波电容，再经过7808转换为8V的直流电压，8V的直流电压送给运算放大器工作，7808的8V输出再经过7805转换为5V直流电压，给系统供电；输出驱动模块电路，微处理器的输出经过光电耦合二极管隔离，然后驱动三极管增强驱动能力，然后控制两个固态继电器，继电器的控制端并联一个续流二极管解决干扰问题。
9.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述的控制装置的主程序流程，其步步骤为微处理器从上电开始《程序开始》1，然后进入《寄存器时间中间开启》2，然后进入《100mS到？》3，判断定时100mS是否到？如果到，则进入《A相电流采样20mS Ia》4，《B相电流采样20mS Ib》5，《C相电流采样20mS Ic》6，《零电流采样20mS Ig》7，《额定电流设定读取Ie》8，《脱扣级别读取TC》9，《起动时间设定读取TQ》10，《剩余动作电流设定读取》11，《复位模式设定读取》12，《断相使能读取》13，然后进入《起动过程判定》14，根据采集到的三相电流来判断电动机所处的状态，停车，起动或停车；然后依次执行《断相判定》15，《过载判定》16，《剩余电流故障判定》17，根据不同的停车状态分别进行相应的故障处理；在起动或运行状态进行断相判定，如果负载处于断相故障，则对相应寄存器变量置位；在运行状态进行过载判定，如果电动机处于过载状态，则将相应的寄存器变量置位；在停车、起动及运行状态进行剩余电流故障判定，如果负载处于剩余电流故障，则将相应的寄存器变量置位；然后程序进入《故障判定LED显示》18，微处理器进行故障处理，分别依次检查各个故障寄存器赋值时间中变量，根据变量的值来对控制发光二极管发出预警及报警信号，同时通过输出驱动电路控制主回路的通断；接着程序进入《复位/测试/急停按键判定》19，对按键状态进行处理，结合不同的运行状态，判断按键的按下与否，并对按下时间进行判断，综合一起判断按键的功能，是紧急停车、测试和复位；程序最后执行《自动复位判断》20，对自动复位进行判断，如果设置的是自动复位，并且电动机因为过载故障而跳闸，则执行自动复位程序。
10.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述的控制装置与控制与保护开关主体配合的结构，输出触点通过控制主体的电磁传动机构，从而控制主电路的接触组，来控制主回路的通断。
全文摘要
本发明涉及数字化控制与保护开关电器的控制装置，主体模块包括微处理器、在线编程电路；电流检测模块包括电流信号和零序电流信号采集、信号调理电路；参数整定输入模块包括电位器整定、DIP拨码选择开关整定、按键电路；输出驱动模块包括输出固态继电器驱动控制；输出显示模块包括二极管显示电路；并以电流互感器以及零序电流互感器的电流信号经过整流滤波放大送入微处理器，并进行AD模数转换和计算出电流值；参数整定回路设定参数信号送入微处理器保存，对采集的信号进行分析运算，判断的负载所处的状态以及故障；通过输出驱动控制电路切断主回路；控制装置软件包括主程序以及相关子程序与硬件结合，该装置具有基本保护功能，实现数字化控制。
文档编号H01H71/00GK1988098SQ200610028549
公开日2007年6月27日 申请日期2006年7月3日 优先权日2006年7月3日
发明者郭其一, 黄世泽, 屠瑜权 申请人:浙江中凯电器有限公司