专利名称：智能型双电源自动切换开关及其运行方法
技术领域：
本发明的技术方案涉及用于配电系统从正常电源断开并连到备用电源的带有自动转换的回路装置，具体地说是智能型双电源自动切换开关及其运行方法。
背景技术：
随着我国国民经济的飞速发展，各行各业对电力系统的供电质量和供电可靠性的要求越来越高，要求实现持续供电，即使在出现故障时，也能够尽可能在短时间内恢复供电。自动切换开关电器就应运而生了，它由一个或几个切换开关电器和切换控制部分组成， 能够直接检测两路接入电源的电压和频率等相应参数的变化并进行逻辑判断，从而实现电源的自动切换，即在供电系统出现问题时，将负载电路从一个问题电源自动切换至另一个正常的电源，以确保重要负荷连续和可靠地运行。CN 201708542U,CN 201601532U、CN 101567580、CN 201213098 和 CN 201623530U 披露了双电源自动切换开关的整体的机械结构，CN1632896公开了双电源自动切换开关的传动机构，上述已公开的双电源自动切换开关的技术都是机械的内容，这些技术均存在不能直接自动检测两路接入电源的电压和频率相应参数的变化并进行逻辑判断，当供电系统出现电压或频率异常问题时，不能将负载电路从一个问题电源自动切换至另一个正常的电源的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供智能型双电源自动切换开关及其运行方法， 以单片机为核心构成控制部分，能直接自动检测两路接入电源的电压和频率相应参数的变化并进行逻辑判断，当供电系统出现问题时，即出现电压或频率异常时，电机转动，经由机械连锁结构带动断路器动作，以实现电源的自动切换，从而克服了现有技术的双电源自动切换开关当供电系统出现电压或频率异常问题时，不能将负载电路从一个问题电源自动切换至另一个正常的电源的缺点。本发明解决该技术问题所采用的技术方案是智能型双电源自动切换开关，包括控制部分和执行部分，其中，控制部分主要由单片机、电压互感器、电压提升电路、光电耦合器、按键、IXD显示器和芯片74LS164构成，执行部分主要由电机、机械连锁结构和断路器构成；上述部件的连接方式是，由单片机分别与电压提升电路和光电耦合器相连接，加之电压提升电路和光电耦合器又分别与电压互感器相连接由此形成电压和频率采集电路，由单片机通过三极管和继电器与电机和断路器依次相连形成电机驱动电路，由单片机与芯片74LS164和设置在IXD显示器中的发光二极管依次相连形成电源状态指示电路，由单片机与LCD显示器和按键相连形成人机交互模块，电机经由机械连锁结构带动断路器动作。上述智能型双电源自动切换开关，所述断路器是具有过电流的脱扣器的断路器， 属于CB级自动切换开关。
上述智能型双电源自动切换开关，所述IXD显示器型号为0CMJ48C-3，是一种带有字库的液晶显示器。上述智能型双电源自动切换开关，所述单片机中存有操作软件，其总体流程是开始一初始化一消防复位？ 一Y，消防复位程序一返回消防复位？ ；N，断路器辅助信号检测一脱扣？ 一Y，脱扣处理程序一返回消防复位？ ；N，按键信号检测保存一自动？ 一Y，自动进程 —返回消防复位？ ；N，手动进程一返回消防复位？上述智能型双电源自动切换开关，用外接电源为其中的单片机和其他电路供电提供所需要的电力。上述智能型双电源自动切换开关，所涉及的零部件均是本技术领域的技术人员所熟知并可以商购获得的，所涉及的元器件和电路的连接方法是本技术领域的技术人员所熟知的。上述智能型双电源自动切换开关的运行方法，其实现电源自动切换的过程是电压互感器将检测到的两路电源电压信号经电压提升电路输入到单片机中，经电压互感器输出的电压信号经过光电耦合器也输入到单片机中，单片机将输入的电压信号作如下处理 单片机利用其A/D转换模块采用等时间间隔采集模拟电压信号，进行A/D转换得到若干序列的离散采样值，然后应用均方根算法从这些序列的采样值来获得等效于输入电压信号的有效值。电压互感器将检测到的两路电源的电压信号同时经过光电耦合器也输入到单片机中，单片机对由光电耦合器输入的两路电源的电压信号进行采样，通过计时和计算，单片机得到两路电源电压的有效值和频率值，并将这两路电源电压的有效值和频率值信息实时显示在LCD显示器上。用户通过控制部分上的按键来即时设定或预先设定需要使用的电源电压的有效值和频率值。单片机将实时监测是否有按键即时按下，若有，则根据即时按下的按键指令进行参数设定；若没有按键即时按下，单片机则循环检测电压信号的有效值和频率值。单片机将当前时刻的电源电压的有效值和频率值与上述的预先设定需要使用的电源电压的有效值和频率值相比较，若当前时刻的电源电压的有效值或频率值超出了设定值的范围，即电压出现异常，单片机发出电源切换命令，使电机转动，经由机械连锁结构带动断路器切断故障电源，并切换到另一路正常电源，使实现持续供电。上述智能型双电源自动切换开关的运行方法，其实现电源自动切换有以下手动工作模式和自动工作模式两种模式手动工作模式是通过按键控制执行部分动作，将上述的电路在常用电源、备用电源和双分再扣三个状态间切换；自动工作模式是智能型双电源自动切换开关的控制部分随时对常用电源和备用电源进行监测，当常用电源三相中有任意一相或多相的电压和频率出现异常情况，甚至失电，即断相时，经过适当的延时t1;确定供电故障是不可逆的，常用电源已经无法提供正常的供电时，即将常用电源断开，再经过t2时间延时后，将备用电源闭合，此时备用电源的三相电压是正常的；当在备用电源运行一段时间后，常用电源又恢复正常时，控制部分经过t3 延时确认常用电源恢复正常，然后将备用电源切断，再经t4延时将常用电源闭合，此操作过程为自投自复；当在备用电源供电一定时间后，常用电源又恢复正常，此时不再从备用电源切换到常用电源，仅当备用电源故障时切换，此操作过程为自投不自复。上述智能型双电源自动切换开关的运行方法，其实现电源自动切换的程序是
第一步，上电后，对通用寄存器和专用寄存器进行初始化，其中包括定时器和A/D 转换的寄存器的初始化，以及LED显示器的初始化，设置采样频率，采样频率远大于两路电源电压信号的频率，初始化完成后转第二步；第二步，通过断路器辅助报警信号检测是否有脱扣，若出现脱扣，则报警提示，若无脱扣，转第三步；第三步，采用峰值检测法对两路电源电压进行相序检测，若电源相序错误，则报警提示，若电源相序正常，转第四步；第四步，根据采样频率对两路电源电压信号进行采集，完成一个周期的采样后，计算电压信号的有效值和频率，并将电压信号的有效值和频率显示在液晶屏上，转第五步；第五步，判断电压信号的有效值和频率是否在允许偏差范围之内，当电压有效值或频率超出了允许偏差范围时，发出电源切换命令，使电机转动，带动断路器切断故障电源，实现电源切换。本发明的有益效果，与现有技术相比本发明的优点如下(1)本发明智能型双电源自动切换开关及其运行方法，既检测出了电源电压的幅值，还测出了电源电压的频率，如果电源频率出现异常，亦能实现自动切换。(2)本发明智能型双电源自动切换开关以单片机为核心，LCD带背光中文显示，轻触按键操作，通过控制部分上的按键用户可以对控制参数过电压、欠电压值、频率偏差值和切换延时进行设定，从液晶屏上可看到设定结果，方便了人们对各相电源情况的监测。(3)本发明智能型双电源自动切换开关及其运行方法切换延时可设定常用电源异常时，电源自常用电源切换到双分的延时tl ；从双分状态，切换到备用电源的延时t2 ；备用电源异常或自复时，切换到双分状态的延时t3 ；从双分状态，切换到常用电源的延时t4。(4)本发明智能型双电源自动切换开关及其运行方法切具有三相相序自动识别功能。总之，本发明智能型双电源自动切换开关及其运行方法切以单片机为核心构成控制部分，能直接自动检测两路接入电源的电压和频率相应参数的变化并进行逻辑判断，当供电系统出现问题时，即出现电压或频率异常时，电机转动，经由机械连锁结构带动断路器动作，以实现电源的自动切换，从而克服了现有技术的双电源自动切换开关当供电系统出现电压或频率异常问题时，不能将负载电路从一个问题电源自动切换至另一个正常的电源的缺点。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明智能型双电源自动切换开关组成框图。图2是本发明智能型双电源自动切换开关构成方式示意图。图3是本发明智能型双电源自动切换开关外形示意侧视图。图4是本发明智能型双电源自动切换开关的电压和频率采集电路构成和连接原理图。图5是本发明智能型双电源自动切换开关的电机驱动电路和电源状态指示电路构成和连接原理图。
图6是本发明智能型双电源自动切换开关的操作软件总体流程图。图7是本发明智能型双电源自动切换开关实现电源自动切换程序的流程图。图中，1.单片机，2.电压提升电路，3.电压互感器，4.光电耦合器，5.芯片 74LS164，6.发光二极管，7.按键，8. LCD显示器，9.三极管，10.继电器，11.电机，12.机械连锁结构，13.断路器，14.液晶屏，15.外壳，16.外接电源插口，17.两路电源插口，Dl.电压和频率采集电路，D2.电机驱动电路，D3.电源状态指示电路。
具体实施例方式图1所示实施例表明，本发明智能型双电源自动切换开关包括控制部分和执行部分，其中，控制部分是由单片机1、电压互感器3、电压提升电路2、光电耦合器4、按键7、LCD 显示器8和芯片74LS1645构成，执行部分是由电机11、机械连锁结构12和断路器13构成。图2所示实施例表明，本发明智能型双电源自动切换开关的构成方式是，由单片机1分别与电压提升电路2和光电耦合器4相连接，加之电压提升电路2和光电耦合器4 又分别与电压互感器3相连接由此形成电压和频率采集电路D1，由单片机1通过三极管 9和继电器10与电机11和断路器13依次相连形成电机驱动电路D2，由单片机1与芯片 74LS1645和设置在IXD显示器8中的发光二极管6依次相连形成电源状态指示电路D3。其中由单片机1与IXD显示器8和按键7相连形成人机交互模块，电机11经由机械连锁结构 12带动断路器13动作。图3所示实施例表明，本发明智能型双电源自动切换开关的外形为长方体，外壳 15上设置有按键7、液晶屏14、外接电源插口 16和两路电源插口 17。图4所示实施例表明，本发明智能型双电源自动切换开关的电压和频率采集电路 Dl包括单片机1、电压互感器3、光电耦合器4、通道选择器⑶4051、电压提升电路2和电源。 它们实现电压和频率采集作用的运行方法是单片机1选通某个模拟通道，假设选通模拟通道0，此时⑶4051B_1、⑶4051B_2和⑶4051B_3的通模拟通道0将同时被选通，通过一次选通既实现了模拟地和数字地的连接又将常用电源A相电压引入进来，引入的A相电压信号经电压提升电路2输入到单片机1中，其中⑶4051B_2和⑶4051B_3的VEE端与-5V相连接，可以通过完整的交流信号，这里的-5V从负电压产生器ICL7600处产生。同时A相电压信号经电压互感器3输出后经过光电耦合器4后再经74LS04整形后通过⑶4051B_1也输入到单片机1中，单片机1将输入的电压信号作如下处理单片机1利用其A/D转换模块采用等时间间隔采集模拟电压信号，进行A/D转换得到若干序列的离散采样值，然后应用均方根算法从这些序列的采样值来获得等效于输入电压信号的有效值；单片机1对通过 CD4051B_1的电压信号进行采样，通过计时和计算，单片机1可得到电源电压的频率值。对于常用电源的B相C相电压、备用电源的各相电压和频率的采集方法同上所述。 图5所示实施例表明，本发明智能型双电源自动切换开关的电机驱动电路D2和电源状态指示电路D3的构成和连接方式是，其中电机驱动电路D2包括单片机1、继电器10、 三极管9和电机11。它们实现电机驱动作用的运行方法是若电压出现异常，假设常用电源异常，单片机1RD5端口发出高电平，使三极管9T3导通，进而使继电器10吸合，切换到备用电源为电机11供电；再由单片机1RD6端口发出高电平，使三极管9T2导通，进而使继电器10吸合，电机11正转控制回路导通，电机11转动，经由机械连锁结构12带动断路器13切断故障电源，并切换到另一路正常电源，使实现持续供电。电源状态指示电路D3部分包括单片机1、芯片74LS1645和发光二极管6。它们实现电源状态指示作用的运行方法是单片机1将电源信息数据锁存到芯片74LS1645中，当需要输出这些信息时，芯片74LS1645采用并行输出的方式点亮LED显示器8，从而实现了单片机1输出信息的显示，这些信息包括当前两路电源状态和常用电源合闸信号、脱扣信号状态以及备用电源合闸信号、脱扣信号状态。图6所示实施例表明，本发明智能型双电源自动切换开关中存入单片机1的操作软件总体流程是开始一初始化一消防复位？ 一Y，消防复位程序一返回消防复位？ ；N，断路器辅助信号检测一脱扣？ 一Y，脱扣处理程序一返回消防复位？ ；N，按键信号检测保存一自动？ 一Y，自动进程一返回消防复位？ ；N，手动进程一返回消防复位？图7所示实施例表明，本发明智能型双电源自动切换开关实现电源自动切换程序的流程是开始一初始化一脱扣？一是，脱扣处理一返回初始化；否，相序检测一相序正常？一否，报警并显示故障原因一返回初始化；是，电压检测并显示一电压正常？一是，返回初始化；否，需要转换？一否，返回初始化；是，驱动电机一返回初始化。实施例1按照图2、3、4和5所示装置构成智能型双电源自动切换开关，存入单片机1的操作软件具有图6所示的操作软件总体流程。其中，所用断路器13是具有过电流的脱扣器的断路器，属于CB级自动切换开关；所用IXD显示器8的型号为0CMJ48C-3，是一种带有字库的液晶显示器。该智能型双电源自动切换开关，用外接电源为其中的单片机1和其他电路供电提供所需要的电力。本实施例的智能型双电源自动切换开关的工作程序是，电压互感器3将检测到的两路电源电压信号经电压提升电路2输入到单片机1中，经电压互感器3输出的电压信号经过光电耦合器4也输入到单片机1中，单片机1将输入的电压信号作如下处理单片机 1利用其A/D转换模块采用等时间间隔采集模拟电压信号，进行A/D转换得到若干序列的离散采样值，然后应用均方根算法从这些序列的采样值来获得等效于输入电压信号的有效值。电压互感器3将检测到的两路电源的电压信号同时经过光电耦合器4也输入到单片机 1中，单片机1对由光电耦合器4输入的两路电源的电压信号进行采样，通过计时和计算，单片机1得到两路电源的电压值和频率值，并将这两路电源电压的有效值和频率值信息实时显示在LCD显示器8上。用户通过控制部分上的按键7来即时设定或预先设定需要使用的电源电压的有效值和频率值。单片机1将实时监测是否有按键7即时按下，若有，则根据即时按下的按键指令进行参数设定；若没有按键7即时按下，单片机1则循环检测电压信号的有效值和频率值。单片机1将当前时刻的电源电压的有效值和频率值与上述的预先设定需要使用的电源电压的有效值和频率值相比较，若当前时刻的电源电压的有效值或频率值超出了设定值的范围，即电压出现异常，单片机1发出电源切换命令，使电机11转动，经由机械连锁结构12带动断路器13切断故障电源，并切换到另一路正常电源，使实现持续供电。本实施例的智能型双电源自动切换开关的运行方法，其实现电源自动切换有以下手动工作模式和自动工作模式两种模式手动工作模式是通过按键7控制执行部分动作，将上述的电路在常用电源、备用电源和双分再扣三个状态间切换；
自动工作模式是智能型双电源自动切换开关的控制部分随时对常用电源和备用电源进行监测，当常用电源三相中有任意一相或多相的电压和频率出现异常情况，甚至失电，即断相时，经过适当的延时t1;确定供电故障是不可逆的，常用电源已经无法提供正常的供电时，即将常用电源断开，再经过t2时间延时后，将备用电源闭合，此时备用电源的三相电压是正常的；当在备用电源运行一段时间后，常用电源又恢复正常时，控制部分经过t3 延时确认常用电源恢复正常，然后将备用电源切断，再经t4延时将常用电源闭合，此操作过程为自投自复；当在备用电源供电一定时间后，常用电源又恢复正常，此时不再从备用电源切换到常用电源，仅当备用电源故障时切换，此操作过程为自投不自复。本实施例的智能型双电源自动切换开关的运行方法，其实现电源自动切换的程序是第一步，上电后，对通用寄存器和专用寄存器进行初始化，其中包括定时器和A/D 转换的寄存器的初始化，以及LED显示器8的初始化，设置采样频率，采样频率远大于两路电源电压信号的频率，初始化完成后转第二步；第二步，通过断路器辅助报警信号检测是否有脱扣，若出现脱扣，则报警提示，若无脱扣，转第三步；第三步，采用峰值检测法对两路电源电压进行相序检测，若电源相序错误，则报警提示，若电源相序正常，转第四步；第四步，根据采样频率对两路电源电压信号进行采集，完成一个周期的采样后，计算电压信号的有效值和频率，并将电压信号的有效值和频率显示在液晶屏14上，转第五
止
少；第五步，判断电压信号的有效值和频率是否在允许偏差范围之内，当电压有效值或频率超出了允许偏差范围时，发出电源切换命令，使电机11转动，带动断路器13切断故障电源，实现电源切换。
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权利要求
1.智能型双电源自动切换开关，其特征在于包括控制部分和执行部分，其中，控制部分主要由单片机、电压互感器、电压提升电路、光电耦合器、按键、LCD显示器和芯片 74LS164构成，执行部分主要由电机、机械连锁结构和断路器构成；上述部件的连接方式是，由单片机分别与电压提升电路和光电耦合器相连接，加之电压提升电路和光电耦合器又分别与电压互感器相连接由此形成电压和频率采集电路，由单片机通过三极管和继电器与电机和断路器依次相连形成电机驱动电路，由单片机与芯片74LS164和设置在IXD显示器中的发光二极管依次相连形成电源状态指示电路，由单片机与LCD显示器和按键相连形成人机交互模块，电机经由机械连锁结构带动断路器动作。
2.根据权利要求1所说智能型双电源自动切换开关，其特征在于所述断路器是具有过电流的脱扣器的断路器，属于CB级自动切换开关。
3.根据权利要求1所说智能型双电源自动切换开关，其特征在于所述LCD显示器型号为0CMJ48C-3，是一种带有字库的液晶显示器。
4.根据权利要求1所说智能型双电源自动切换开关，其特征在于所述单片机中存有操作软件，其总体流程是开始一初始化一消防复位？ 一 Y，消防复位程序一返回消防复位？ ；N，断路器辅助信号检测一脱扣？ 一Y，脱扣处理程序一返回消防复位？ ；N，按键信号检测保存一自动？ 一Y，自动进程一返回消防复位？ ；N，手动进程一返回消防复位？
5.权利要求1所说智能型双电源自动切换开关的运行方法，其特征在于实现电源自动切换的过程是电压互感器将检测到的两路电源电压信号经电压提升电路输入到单片机中，经电压互感器输出的电压信号经过光电耦合器也输入到单片机中，单片机将输入的电压信号作如下处理单片机利用其A/D转换模块采用等时间间隔采集模拟电压信号，进行A/D转换得到若干序列的离散采样值，然后应用均方根算法从这些序列的采样值来获得等效于输入电压信号的有效值；电压互感器将检测到的两路电源的电压信号同时经过光电耦合器也输入到单片机中，单片机对由光电耦合器输入的两路电源的电压信号进行采样，通过计时和计算，单片机得到两路电源电压的有效值和频率值，并将这两路电源电压的有效值和频率值信息实时显示在LCD显示器上；用户通过控制部分上的按键来即时设定或预先设定需要使用的电源电压的有效值和频率值；单片机将实时监测是否有按键即时按下，若有，则根据即时按下的按键指令进行参数设定；若没有按键即时按下，单片机则循环检测电压信号的有效值和频率值；单片机将当前时刻的电源电压的有效值和频率值与上述的预先设定需要使用的电源电压的有效值和频率值相比较，若当前时刻的电源电压的有效值或频率值超出了设定值的范围，即电压出现异常，单片机发出电源切换命令，使电机转动，经由机械连锁结构带动断路器切断故障电源，并切换到另一路正常电源，使实现持续供电。实现电源自动切换有以下手动工作模式和自动工作模式两种模式手动工作模式是通过按键控制电动机构动作，将上述的电路在常用电源、备用电源和双分再扣三个状态间切换；自动工作模式是智能型双电源自动切换开关的控制部分随时对常用电源和备用电源进行监测，当常用电源三相中有任意一相或多相的电压和频率出现异常情况，甚至失电，即断相时，经过适当的延时tl，确定供电故障是不可逆的，常用电源已经无法提供正常的供电时，即将常用电源断开，再经过t2时间延时后，将备用电源闭合，此时备用电源的三相电压是正常的；当在备用电源运行一段时间后，常用电源又恢复正常时，控制器经过t3延时确认常用电源恢复正常，然后将备用电源切断，再经t4延时将常用电源闭合，此操作过程为自投自复；当在备用电源供电一定时间后，常用电源又恢复正常，此时不再从备用电源切换到常用电源，仅当备用电源故障时切换，此操作过程为自投不自复。 实现电源自动切换的程序是第一步，上电后，对通用寄存器和专用寄存器进行初始化，其中包括定时器和A/D转换的寄存器的初始化，以及显示屏的初始化，设置采样频率，采样频率远大于两路电源电压信号的频率，初始化完成后转第二步；第二步，通过断路器辅助报警信号检测是否有脱扣，若出现脱扣，则报警提示，若无脱扣，转第三步；第三步，采用峰值检测法对两路电源电压进行相序检测，若电源相序错误，则报警提示，若电源相序正常，转第四步；第四步，根据采样频率对两路电源电压信号进行采集，完成一个周期的采样后，计算电压信号的有效值和频率，并将电压信号的有效值和频率显示在液晶屏上，转第五步；第五步，判断电压信号的有效值和频率是否在允许偏差范围之内，当电压有效值或频率超出了允许偏差范围时，发出电源切换命令，使电机转动，带动断路器切断故障电源，实现电源切换。
全文摘要
本发明智能型双电源自动切换开关，涉及用于配电系统从正常电源断开并连到备用电源的带有自动转换的回路装置，包括控制部分和执行部分，其中，控制部分主要由单片机、电压互感器、电压提升电路、光电耦合器、按键、LCD显示器和芯片74LS164构成，执行部分主要由电机、机械连锁结构和断路器构成；本发明以单片机为核心构成控制部分，能直接自动检测两路接入电源的电压和频率相应参数的变化并进行逻辑判断，当供电系统出现电压或频率异常时，电机转动，经由机械连锁结构带动断路器动作，实现电源的自动切换，从而克服了现有技术当供电系统出现电压或频率异常问题时，不能将负载电路从一个问题电源自动切换至另一个正常电源的缺点。
文档编号H02J9/06GK102355048SQ20111027694
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者刘宏勋, 孟宪春, 李志刚, 李文华, 杜江, 马超 申请人:河北工业大学