专利名称：数控投切开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数控投切开关。主要用作计算机控制、嵌入式系统、电力控制以及工业自动化等领域的电容器无功功率补偿开关以及电力通断控制。属电器控制元件技术领域。
背景技术：
在工业、农业和生活用电负载中，很多是阻感负载如异步电动机、变压器、荧光灯等。阻感负载工作时在电力线路中产生了无功功率。无功功率对公用电网产生了如下影响1、增加了设备容量；2、设备及线路损耗增加；3、使线路及变压器的电压降增大，使供电质量降低。
为了减小这样的损耗，因此要对线路进行无功功率补偿。用无功补偿电容器是补偿无功功率最常用的方法。该方法是通过开关在线路上并联补偿电容器。由于该方法具有结构简单、经济方便、补偿效果显著等优点。目前在国内外均得以了广泛的应用。但该方法有一个最大的不足之处就是由于电容上的电压不能突变，线路上有电压时，电容并接到线上瞬间将有一个较大的充电冲击电流。单纯使用机械触点式开关易造成机械触头的烧蚀、损坏。单纯采用电子元件作为开关由于电路中的高电压大电流。使电子器件极易损坏，并在切换时产生谐波。所以又有把机械开关和电子器件并联形成复合开关来进行补偿电容投切。但在交流电力线路的接通和断开过程中，由于存在大电流和强电场仍然造成开关经常损坏。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种数控投切开关，通过对机械开关触点接通或断开时刻的精确控制，实现按给定条件控制机械开关的触点闭合或断开，避免机械触点在闭合或断开时的较大的冲击充电电流、延长触点使用寿命。
本发明的目的是这样实现的一种数控投切开关，其特征在于它包括电源电路、投切控制检测电路、主控电路、机械开关控制电路、电压检测电路、电流检测电路、机械开关触头以及补偿电容，J1为电源电路，电路外接稳压电源接口，1脚为+5V，2脚为+5V地，3脚为+24V，4脚为+24V地，+5V电源供计算机电路工作，+24V电源供继电器电路工作，两部分电路电气隔离；二极管D1阴极接+5V，电阻R1一端接D1阳极和J1的1脚，另一端分二路，一路与电阻R2一端连接，另一路接芯片U1的18脚，R2另一端分为二路，一路接+5V地，另一路接芯片O1的4脚；电容C1、芯片O1、二极管D3、电阻R3组成继电器闭合、断开控制的信号投切控制检测电路，二极管D3阳极接外部无功补偿控制仪的输出信号端电压为+5V，D3阴极与电阻R3一端相连，R3另一端分二路，一路与芯片O1的1脚相连，另一路与电容C1的正极相连，C1的负极与O1的2脚共同接至外部无功补偿控制仪输出信号端+5V地，O1的3脚接芯片U1的19脚，芯片U1、电容C3、C4、C6、C7、晶振Y1组成计算机主控电路，电容C3一端接J1的1脚，另一端接+5V地，电容C4正极接J1的1脚，另一端接+5V地，电容C6一端接+5V地，另一端与Y1的一端和芯片U1的5脚相连接，电容C7一端接+5V地，另一端与Y1的另一端和U1的4脚相连接，U1的1脚、10脚接+5V地，U1的20脚接J1的1脚，电阻R6、芯片U3、电阻R10、R11、三极管Q2、二极管D4、继电器J2、二极管D9、三极管Q1、电阻R16、R9、芯片U2、电阻R7、电容C5组成继电器J2的闭合和断开机械开关控制电路，电阻R6一端接U1的11脚，另一端接U3的2脚，U3的1脚接J1的1脚，U3的3脚接J1的3脚，电阻R10一端接U3的4脚，另一端接三极管Q2的基极，电阻R11一端接U3的4脚，另一端接J1的4脚，Q2的发射极接J1的4脚，二极管D4的阴极接J1的3脚，D4的阳极接Q2的集电极，继电器J2的1脚接J1的3脚，J2的2脚接Q2的集电极，J2的3脚接三极管Q1的集电极，二极管D9的阴极接J1的3脚，二极管D9的阳极接Q1的集电极，电阻R16一端接芯片U2的4脚，另一端Q1的基极，电阻R9一端U2的4脚，另一端接J1的4脚，Q1的发射极接J1的4脚，U2的1脚接J1的1脚，U2的3脚接J1的3脚，U2的2脚与电阻R7一端相连，电阻R7的另一端接U1的9脚，电容C5的正极接J1的3脚，电容C5的负极接J1的4脚；芯片U5、二极管D5、D2、电阻R12组成电压过零检测电路，芯片U5的3脚接U1的16脚，U5的4脚接J1的2脚，二极管D5的阴极接U5的1脚，D5的阳极接U5的2脚，二极管D2的阴极接U5的1脚，D2的阳极接R12的一端，R12的另一端接J2的4脚，U5的2脚接J1的5脚；电感L1、电阻R13、芯片U4、电容D6组成电流过零检测电路，芯片U4的3脚接U1的17脚，U4的4脚接J1的2脚，U4的1脚接电容D6的阴极，U4的2脚接电容D6的阳极，电阻R13的一端接D6的阴极，另一端接电感L1的一端，电感L1的另一端接D6的阳极；电容C9、电阻R8组成吸收电路，电容C9的一端接J2的4脚，另一端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端接J2的5脚。
本发明的关键点在于电路控制原理和电路实现形式。
本发明的创新点在于1)开关的机械触头上不并接任何开关元件；2)通过检测电路的电压和电流参数直接控制机械开关触点的接通和断开。
3、弱电电路和强电电路完全隔离。
本发明与同类产品相比具有如下优点1、在开关内部由于不需并联电力器件，从而从根本上解决了电力器件损坏的问题。
2、由于不需要并联电力器件，省去了电力器件及其保护电路，使得生产及维护成本下降。
3、在用户使用过程中由于不需在线路中串接电感器件，降低了线路复杂程度。降低了用户使用成本和维护成本，提高了可靠性。
4、由于并联电容器的补偿方法与其它补偿方法相比简单经济，方便灵活，补偿效果显著。
图1为本发明的电路组成方框图。
图2为本发明的电路原理图。
图3为波形图，显示了数控继电器工作过程中各部分波形。
具体实施例方式
参见图1，本发明数控投切开关，主要由电源电路、投切控制检测电路、主控电路、机械开关控制电路、电压检测电路、电流检测电路、机械开关触头以及补偿电容组成。
参见图2，J1为电源电路，电路外接稳压电源接口。1脚为+5V，2脚为+5V地，3脚为+24V，4脚为+24V地。+5V电源供计算机电路工作，+24V电源供继电器电路工作，两部分电路电气隔离。
二极管D1阴极接+5V，电阻R1一端接D1阳极和J1的1脚，另一端分二路，一路与电阻R2一端连接，另一路接芯片U1的18脚，R2另一端分为二路，一路接+5V地，另一路接芯片O1的4脚。
电容C1、芯片O1、二极管D3、电阻R3组成继电器闭合、断开控制的信号投切控制检测电路。二极管D3阳极接外部无功补偿控制仪的输出信号端电压为+5V，D3阴极与电阻R3一端相连，R3另一端分二路，一路与芯片O1的1脚相连，另一路与电容C1的正极相连，C1的负极与O1的2脚共同接至外部无功补偿控制仪输出信号端+5V地。O1的3脚接芯片U1的19脚。当通过D3输入+5V控制信号时，继电器闭合。输入信号为0时，继电器断开。
芯片U1、电容C3、C4、C6、C7、晶振Y1组成计算机主控电路。电容C3一端接+5V(J1的1脚)，另一端接+5V地，电容C4正极接+5V(J1的1脚)，另一端接+5V地，电容C6一端接+5V地，另一端与Y1的一端和U1的5脚相连接，电容C7一端接+5V地，另一端与Y1的另一端和U1的4脚相连接，U1的1脚、10脚接+5V地，U1的20脚接+5V(J1的1脚)，当U1的P1.7(U1的19脚)为低电平，U1的P1.4(U1的16脚)为高电平时，U1的P3.7(U1的11脚)输出低电平，控制继电器J2触点闭合，当U1的P1.7(U1的19脚)、U1的P1.5(U1的17脚)为高电平时，U1的P3.5(U1的9脚)输出低电平，控制继电器J2触点断开。
电阻R6、芯片U3、电阻R10、R11、三极管Q2、二极管D4、继电器J2、二极管D9、三极管Q1、电阻R16、R9、芯片U2、电阻R7、电容C5组成继电器J2的闭合和断开机械开关控制电路。U1的P3.7(U1的11脚)输出低电平时继电器J2闭合。U1的P3.5(U1的9脚)输出低电平时继电器J2断开。电阻R6一端接U1的11脚，另一端接U3的2脚，U3的1脚接J1的1脚，U3的3脚接J1的3脚，电阻R10一端接U3的4脚，另一端接三极管Q2的基极，电阻R11一端接U3的4脚，另一端接J1的4脚，Q2的发射极接J1的4脚，二极管D4的阴极接J1的3脚，D4的阳极接Q2的集电极，继电器J2的1脚接J1的3脚，J2的2脚接Q2的集电极，J2的3脚接三极管Q1的集电极，二极管D9的阴极接J1的3脚，二极管D9的阳极接Q1的集电极，电阻R16一端接芯片U2的4脚，另一端Q1的基极，电阻R9一端U2的4脚，另一端接J1的4脚，Q1的发射极接J1的4脚，U2的1脚接J1的1脚，U2的3脚接J1的3脚，U2的2脚与电阻R7一端相连，电阻R7的另一端接U1的P3.5(U1的9脚)，电容C5的正极接J1的3脚，电容C5的负极接J1的4脚。
芯片U5、二极管D5、D2、电阻R12组成电压过零检测电路，电路电压过零时U1的P1.4(U1的16脚)为高电平。芯片U5的3脚接U1的P1.4(U1的16脚)，U5的4脚接J1的2脚，二极管D5的阴极接U5的1脚，D5的阳极接U5的2脚，二极管D2的阴极接U5的1脚，D2的阳极接R12的一端，R12的另一端接J2的4脚，U5的2脚接J1的5脚。
电感L1、电阻R13、芯片U4、电容D6组成电流过零检测电路，电路电流为零时，U1的P1.5(U1的17脚)为高电平。芯片U4的3脚接U1的P1.5(U1的17脚)，U4的4脚接J1的2脚，U4的1脚接电容D6的阴极，U4的2脚接电容D6的阳极，电阻R13的一端接D6的阴极，另一端接电感L1的一端，电感L1的另一端接D6的阳极。
电容C9、电阻R8组成吸收电路，电容C9的一端接J2的4脚，另一端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端接J2的5脚。
本发明的主要控制芯片单片机可用数字信号处理器等替代。
电路工作过程参见图31、起始时开关上电压Vk的电路电压Vs相等，电容C上电压Vc为0，电路中电流Ic为0。
2、在t1时刻开关闭合，电容C上电压Vc和电路电压Vs相等。开关上电压Vk为0。电容C上有一个从0开始的充电电源。
3、在t2时刻电路电压和电容上电压达到负的最大值，电容充电电流为0。
4、在t3时刻电路电压过零点，电容C的正向充电电流达最大值。
5、在t4时刻电容电流为0时开关断开。电容C电流为0，电容的电压由于反向充电而达到最大值。电路中开关上电压由电容上电压和线路中电压迭加，反向达到2倍线路最大值。
6、在开关断开之后，随着电容C逐渐放电，Vc逐渐减小。开关上电压Vk电平逐渐向上抬，渐渐和电路电压Vs相等。
附术语解释无功功率在正弦电路中，负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。设电压和电流可分别表示为u＝U sin ωti＝I sin(ωt-)＝I cossin ωt-I sincosωt式中-电流滞后电压的相角。
电流i被分解为和电压同相位的分量ip和比电压滞后90°的分量iq。
ip和iq分别为
ip＝I cossinωtiq＝-I sincosωt电路的有功率P就是其平均功率。
P=12π∫02πuid(ωt)=12π∫02π(uip+uiq)d(ωt)]]> 电路的无功功率定义为 Q＝UIsin无功补偿为了消除无功功率而采取的措施。
电力器件一般指可耐受高电压、大电流的电子器件。常用于电力控制场合。
电容投切为了减小无功功率而在电路中加接补偿电容器，电容接入电路的过程称投入、电容从电路中断开的过程称切除。一般将电容这样的工作过程称为电容投切。
复合开关一般指由机械触头组成的开关和电子器件组成的并联开关，由此而形成的开关控制装置称为复合开关。
权利要求
1.一种数控投切开关，其特征在于它包括电源电路、投切控制检测电路、主控电路、机械开关控制电路、电压检测电路、电流检测电路、机械开关触头以及补偿电容，J1为电源电路，电路外接稳压电源接口，1脚为+5V，2脚为+5V地，3脚为+24V，4脚为+24V地，+5V电源供计算机电路工作，+24V电源供继电器电路工作，两部分电路电气隔离；二极管D1阴极接+5V，电阻R1一端接D1阳极和J1的1脚，另一端分二路，一路与电阻R2一端连接，另一路接芯片U1的18脚，R2另一端分为二路，一路接+5V地，另一路接芯片O1的4脚；电容C1、芯片O1、二极管D3、电阻R3组成继电器闭合、断开控制的信号投切控制检测电路，二极管D3阳极接外部无功补偿控制仪的输出信号端电压为+5V，D3阴极与电阻R3一端相连，R3另一端分二路，一路与O1的1脚相连，另一路与电容C1的正极相连，C1的负极与O1的2脚共同接至外部无功补偿控制仪输出信号端+5V地，O1的3脚接芯片U1的19脚，芯片U1、电容C3、C4、C6、C7、晶振Y1组成计算机主控电路，电容C3一端接J1的1脚，另一端接+5V地，电容C4正极接J1的1脚，另一端接+5V地，电容C6一端接+5V地，另一端与Y1的一端和U1的5脚相连接，电容C7一端接+5V地，另一端与Y1的另一端和U1的4脚相连接，U1的1脚、10脚接+5V地，U1的20脚接J1的1脚，电阻R6、芯片U3、电阻R10、R11、三极管Q2、二极管D4、继电器J2、二极管D9、三极管Q1、电阻R16、R9、芯片U2、电阻R7、电容C5组成继电器J2的闭合和断开机械开关控制电路，电阻R6一端接U1的11脚，另一端接U3的2脚，U3的1脚接J1的1脚，U3的3脚接J1的3脚，电阻R10一端接U3的4脚，另一端接三极管Q2的基极，电阻R11一端接U3的4脚，另一端接J1的4脚，Q2的发射极接J1的4脚，二极管D4的阴极接J1的3脚，D4的阳极接Q2的集电极，继电器J2的1脚接J1的3脚，J2的2脚接Q2的集电极，J2的3脚接三极管Q1的集电极，二极管D9的阴极接J1的3脚，二极管D9的阳极接Q1的集电极，电阻R16一端接芯片U2的4脚，另一端Q1的基极，电阻R9一端U2的4脚，另一端接J1的4脚，Q1的发射极接J1的4脚，U2的1脚接J1的1脚，U2的3脚接J1的3脚，U2的2脚与电阻R7一端相连，电阻R7的另一端接U1的9脚，电容C5的正极接J1的3脚，电容C5的负极接J1的4脚；芯片U5、二极管D5、D2、电阻R12组成电压过零检测电路，芯片U5的3脚接U1的16脚，U5的4脚接J1的2脚，二极管D5的阴极接U5的1脚，D5的阳极接U5的2脚，二极管D2的阴极接U5的1脚，D2的阳极接R12的一端，R12的另一端接J2的4脚，U5的2脚接J1的5脚；电感L1、电阻R13、芯片U4、电容D6组成电流过零检测电路，芯片U4的3脚接U1的17脚，U4的4脚接J1的2脚，U4的1脚接电容D6的阴极，U4的2脚接电容D6的阳极，电阻R13的一端接D6的阴极，另一端接电感L1的一端，电感L1的另一端接D6的阳极；电容C9、电阻R8组成吸收电路，电容C9的一端接J2的4脚，另一端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端接J2的5脚。
全文摘要
本发明涉及一种数控投切开关，用作计算机控制等领域的电容器无功功率补偿开关以及电力通断控制。包括电源电路、投切控制检测电路、主控电路、机械开关控制电路、电压检测电路、电流检测电路、机械开关触头以及补偿电容，C1、O1、D3、R3组成信号投切控制检测电路，U1、C3、C4、C6、C7、Y1组成计算机主控电路，R6、U3、R10、R11、Q2、D4、J2、D9、Q1、R16、R9、U2、R7、C5组成继电器J2的闭合和断开机械开关控制电路；U5、D5、D2、R12组成电压过零检测电路；L1、R13、U4、D6组成电流过零检测电路；C9、R8组成吸收电路。本发明通过对机械开关触点接通或断开时刻的精确控制，实现按给定条件控制机械开关的触点闭合或断开，延长了触点使用寿命。
文档编号H02J3/18GK1933069SQ20061009618
公开日2007年3月21日 申请日期2006年9月26日 优先权日2006年9月26日
发明者陈建荣, 范潮, 陈金华 申请人:陈建荣