CN1074187C - 无触点智能开关装置 - Google Patents

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Abstract

一种无触点智能开关，包括信号采样器、控制电路板、可控硅组合、风机、显示电路板、操作面板、显示面板、输入输出端子、测控接口、电源板、外壳组成，靠可控硅的分合实现开关的无触点分合，可自动进行短路判定、过载延时判定、漏电判定、温度保护判定，并发出可控硅分/合及风机关/启信号，可自动进行电能计量和电流、电压及电能切换显示，并可与其它开关联络，实现不间断供电，还可与测控计算机连接，实现实时监测和控制。

Description

无触点智能开关装置
本发明无触点智能开关装置属电子电器产品，特别涉及电力工业的电子控制技术。
电器开关是社会生产生活中应用非常广泛的电器产品，目前使用的低压开关主要是以机械开关为主(其中包括手动刀开关、电磁开关和自动空气开关)，它们都是通过机械传动操作触头的分合实现电流的导通和断开，为了使开关保护灵敏、运行可靠并延长开关使用寿命等，国内外开关研制单位和生产厂家为此熬费心机。众所周知，开关分断时拉弧问题是降低开关寿命和造成事故的主要原因，尽管为此采取了各种灭弧措施，也没有得到根本的解决，在使用中因电弧造成***事故的屡见不鲜，由此带来的生命财产和经济损失难以估量。也正是由于电弧的作用，开关的触头易烧熔烧灼，若触头被烧毛则会因接触不良而发生事故，若烧结在一起则会发生因短路、过流或触电事故时无法分断，使事故无限扩大，因此机械开关的使用寿命和可靠性都不是很高。为了使电力安全可靠的服务于社会，并防止事故的发生，在开关的使用中又安装了漏电保护、短路保护、过流保护、过热保护、及熔断器等附属设备，为了满足生产生活中不间断供电，需要双路供电，为实现开关联络，又不得不采用大量各种各样的继电器和繁琐的二次线来完成。随着自动化技术日新月异的发展，电力运行中的测量与监控越来越受到人们的重视，并已成为一些单位急需解决的问题，为了进行测量和监控，与现代化设备匹配接轨，又不得不安装电流、电压互感器进行信号采样来实现，不但可靠性能差，而且给安装检修工作也带来很多麻烦。
本发明无触点智能开关装置的目的是：①取消传统开关的所有电器部分的机械装置，从根本上解决开关分合时出现的拉弧问题，从而避免因此而造成的事故和损失，实现无机械磨损与触头烧损，提高可靠性，延长试用寿命；②取消电磁、热敏保护装置，取消对流互感器及机械显示仪表，采用微电子技术实现开关所控***的智能保护与电能计量；③取消互锁用的各类继电器和烦琐的二次接线，采用开关间的计算机通讯与电源状态判定，达到开关互锁目的；④通过开关的标准接口与计算机连接，实现远距离计量、监测、控制，可达到全***的自动化控制的目的。
本发明无触点智能开关装置主要由信号采样器、电源板、控制电路板、可控硅组合、风机、显示电路板、操作面板、显示面板、接线端子、测控接口、外壳等部分组成。
本发明无触点智能开关装置的信号采样器由电流采样器、电压采样器、温度采样器、漏电电流采样器等部分组成，电流采样器为锰铜材料冲压成的分流器，将其串接在电路中，利用分流原理对电力线路中的电流进行采样，输出模拟量信号；电压采样器采用一个低功耗大电阻并联在电路上进行取样，将其转换为电压信号后输出；温度采样器采集可控硅组合测温点的温度并将其转换为电压信号后输出；漏电电流采样器采集开关所控电力线路中的漏电流，将其转换为电压信号后输出；采样器的输出信号经隔离放大后送控制电路板。
本发明无触点智能开关装置的电源板是通过电源变换为本装置控制电路、风机以及电子器件等提供工作电源。
本发明无触点智能开关装置的控制电路板是由隔离放大器、多路选择器、可变程增益控制器、模/数转换器、单片机、数/模转换器、可控硅组合驱动电路、输入输出接口及相应的控制电路等部分组成，并与信号采样器、可控硅组合、显示电路板及电源等进行电连接；控制电路板将采样器送来的模拟量信号经过隔离放大器滤除杂波干扰，通过多路选择器与单片机的结合实现信号选通，经可变程增益放大器放大后送单片机，由单片机实现各种控制功能的计算与判定并发出数控信号，数字信号经数/模转换器转换为模拟量信号，再经隔离放大后送可控硅驱动电路，去控制可控硅组合的分/断及风机启控。单片机主要是由中央处理器CPU、程序存储器、数据存储器、晶体振荡器以及相应的***电路等部分组成。可变程增益控制器对采样信号进行处理的方法是：对所采样的信号分别设定一额定值和最大值，采样信号小于等于额定值时直接输出采样信号，采样信号大于额定值且小于等于设定的最大值时对其按比例进行衰减，送单片机后乘以相应的放大系数恢复采样信号数值，当采样信号大于设定的最大值时按最大值输出给单片机。单片机的主要任务是：根据电流采样进行短路判定、过载延时判定、漏电判定以及温度保护判定等，输出可控硅组合分/合和风机启控数控信号；根据电流、电压采样结果进行电能计量；根据互锁信号采样和判定进行三个或两个开关的连锁控制；根据操作面板的状态拨动开关或按钮进行各种功能的选定；通过接口与外部计算机的实时通讯，实现远距离监控。单片机根据温度采样进行温度保护判定，按要求输出风机控制信号和可控硅组合分合信号，其方法是：设定温度许可值T1、温度最大值T2和控制门坎ΔT，为防止风机频繁启动而确定的风机启控条件是：温度高于T1+ΔT；风机关闭条件是：温度低于T1-ΔT，当温度大于T2时发出可控硅组合分断信号和风机关闭信号；单片机通过测控接口与其它开关交换互锁信号，判定其它两个开关的分合状态，确保在断电情况下自动投入工作，其方法是：本开关通过面板设定为联络开关使用时，不间断地对采集的互锁信号进行判定，若另外的开关目前为分断状态则本开关须置为合闸状态，若另外的开关送来合闸信号，则本开关置分断状态；单片机进行电能计量的方法是：根据电流、电压的采样结果进行数值积分和有效值整定，将采样结果换算为电流、电压有效值，通过电流与电压相乘计算功率，再对功率积分进行电能计量；单片机进行短路判定的方法是：设定短路电流值为额定电流值的若干倍，根据采样电流值与短路电流值进行比较判定，若采样电流值大于短路电流则判定为短路，开关置分断状态，发送可控硅组合分断信号；单片机进行过载延时判定的方法是：若电流采样值大于额定电流且小于短路电流时，判定为过载，过载大则延时短，过载小则延时长，以满足重载启动时的过流要求的反时限特性为原则，根据过载倍数确定延时分断时间，过载时间超过延时时间时发出可控硅组合分断信号；漏电判定的方法是：若漏电电流连续几次采样值均大于20mA则判定为漏电，适时发出可控硅组合分断信号。
本发明无触点智能开关装置的可控硅组合是由单向可控硅、散热器、风机及相应的电路组成，每一相电流通路采取两个单向可控硅反向并联达到交流电的导通作用，通过并联一个RC电路抑制电路中的浪涌电压，两个可控硅组合的控制极接在一起并与其它通路的可控硅组合控制极电连接，作为可控硅组合的控制极。在可控硅组合的本体上安装散热器和风机，风机的供电电源通过一个可控硅组合与电源板相连，可控硅组合受控于控制电路板的风机启控信号。可控硅组合的输入端通过信号采样器的接线端子与供电电源连接，输出端与开关的输出端子相连，可控硅组合的控制极接收控制电路板发出的经过驱动电路放大的控制信号。
本发明无触点智能开关装置的操作面板装配在外壳上并与控制电路板及显示电路相连，控制面板上设置开关分/合操作、显示切换按键和选定开关/联络方式、过载延时档位、自动/手动方式及状态选择等拨动开关，以便进行手动操作和功能选定。显示面板设置数字显示与指示灯显示，显示面板装配在开关的外壳上并受控于显示电路，红外数码管显示电流、电压有效值和电能计量结果，可通过操作面板上的显示切换按键进行显示切换，指示灯显示开关的分合状态。本开关的接线端子包括电源输入端子和供电输出端子，电源输入端子与电源线连接，供电输出端子与用电线路连接。测控接口是本开关的单片机与其它开关及测控计算机交换信息的端口，本开关通过测控接口与其它开关交换互锁信号，测控计算机通过测控接口采集本开关单片机的数据信息实现实时监测，同时还可以向单片机装订参数、发送指令，替代面板操作控制开关分合、设定开关功能。开关外壳采用绝缘材料制成，是固定开关各组成部分的机体。
本发明无触点智能开关装置的各项保护判定、联锁控制以及与计算机的数据交换等，主要是由本开关的单片机软件实现的。单片机的软件固化在EPROM中，单片机将一定时域内的采样结果和运算结果保存在RAM芯片中，经单片机软件处理整定后的电流、电压有效值和电能计量结果送显示电路板处理后在显示面板上显示；开关的分合状态转换为模拟信号后在面板上用指示灯显示；可控硅组合控制信号和风机控制信号经隔离放大后去控制可控硅组合的分断和风机启控；控制电路板接收操作面板的控制信号和功能选择信号后送单片机进行处理，操作面板上的状态选择开关与单片机结合实现电源断电后开关是处于分断状态还是合闸状态的选定；操作面板上的延时整定开关分为多档，与单片机结合实现不同等级的延时分断，在多级开关联合使用时可将故障影响缩小到最小范围；显示转换开关与显示电路结合，实现电能、电流、温度等参数的显示切换；测控接口可实现与通用计算机的实时通讯、数据交换及远程控制，计算机可通过输入输出接口向开关单片机装订参数及发送控制指令，同时也可以读取存放在单片机内存中的参数，以便进行远距离监控。
本发明无触点智能开关装置的主要功能是：①保护功能(短路保护、长延时保护、漏电保护、温度保护)；②三个开关的互锁联动；③具有计算机远距离监测控制能力，标准接口输出(可读取存储的三相电流、电能计量和分合闸次数等数据)；④动态显示(分合闸指示灯显示，三相电流循环数字显示，电能显示)；⑤绝缘监测功能；⑥电源断电后开关状态选择功能(通过面板转换开关实现)；⑦故障报警功能；⑧自动与手动切换功能。
本发明无触点智能开关与目前同类技术产品相比具有以下优点：①由于本发明无触点智能开关采用可控硅组合替代了机械接触装置，所以在线路接通和断开时不会出现电弧，从而避免火灾和***事故的发生，以及因开关触头烧损或烧结所造成的一切损失，确保开关的可靠分合，保证安全运行；②由于本发明无触点智能开关取消了电器部分的机械装置，无机械磨损，因此可大大提高使用寿命；③由于本发明无触点智能开关集多种保护功能于一体，取消了各类继电器、互感器以及操作、传动、保护脱扣等附属设施，实现了智能数控和电能计量，无需另装电能表，采用本开关可以大大简化用电***的设施和安装工艺；④通过开关的标准接口与计算机连接，实现远距离测量与监控，提高用电***的自动化管理程度，通过开关与开关之间的通讯即可实现电器互锁；⑤由于本发明无触点智能开关取消了机械显示仪表而采用电子数码管显示，显示精度高，可靠性高。
以下结合附图详细介绍本发明无触点智能开关装置的工作原理。
图1为本发明无触点智能开关装置的原理图；
图2为本发明无触点智能开关的控制电路板原理图；
图3为本发明无触点智能开关装置的单片机软件流程图。
本发明无触点智能开关装置通过接线端子与电源及供电线路连接，事先需通过开关控制面板选定开关/联络方式、过载延时档位、自动/手动方式及状态选择等，电源供电后，若在手动工作方式须人工操作分合按键控制开关装置的分合；若切换到自动工作方式，开关装置自动投入工作，其工作原理是：电源板负责为本装置各用电部分提供工作电源，控制电路工作，单片机软件开始首先进行初始化，初始化完成后对开关面板选定的工作方式进行辨识和确认，等待定时中断，进入中断执行程序，首先进行互锁判定，若本开关不作为联络开关使用时，直接转入状态判定与保护判定，否则应与另外两个开关进行互锁，访问测控接口读取互锁信号H2、H3，当H2、H3有一个为分断状态(等于“0”)时，本开关发出合闸信号(K1=1,H1=1)；当收到互锁开关合闸信号时，本开关发出可控硅组合分断信号；互锁判定完成后，进行状态字判定，确认开关是否由于各类保护状态字置为“分断”状态，若状态字为“分断”状态，则返回等待面板“合闸”操作或者计算机远程控制信号，否则发送合闸信号(K1=1)并向其它两个开关发送互锁信号(H1=1)；之后根据采样信号进行各类保护判定，适时发送可控硅组合分断信号和风机控制信号。
本发明无触点智能开关装置的信号采样器负责采集电流、电压、温度和漏电电流信号，电流采样器采集流过本开关的电流信号，电压采样器采集相电压信号，温度采样器采集可控硅组合测温点的温度信号，漏电采样器采集漏电信号，电流采样信号与漏电电流信号须通过控制电路板的前置信号处理器处理，以解决小信号高精度辨识要求和大信号不超出模数转换要求的范围的矛盾，上述采样信号送控制电路板的模数转换器进行A/D变换后送单片机，单片机通过采样信号入口地址对上述信号进行采样和数据变换，将采样信号换算为测量值，并将数据保存在RAM区以便与测控计算机进行通讯和数据交换；之后对采样电流进行短路判定，判断采样电流是否大于设定的短路电流，若连续两次或几次的采样电流均大于短路电流，则确认为短路，在短路情况下按照操作面板选择的延时值发出延时分断指令或速断指令；在确认非短路状态时进行过载长延时判定，若过载时间达到延时值要求时，发出可控硅组合分断指令，否则根据漏电电流采样值判断是否漏电，在连续两次以上采样值大于20mA时，则判定为漏电，根据面板选择的延时值实时发出可控硅组合分断指令；若非漏电情况，进行温度保护判定，当温度采样值连续两次采样超过最高许可温度T2时，实时发出可控硅组合分断指令和风机关机指令，否则判断连续两次温度采样值是否大于风机启控温度上界(T1+ΔT)，若大于上界值则发出风机启动指令，否则判断是否低于风机启控温度的下界(T1-ΔT)，若低于下界值则发出风机关闭指令。在上述工作完成后返回，等待定时中断，执行下一个过程，如此循环往复进行下去。
由单片机发出的数控信号经控制电路板数模转换器转换为模拟信号，经过隔离放大后去控制可控硅组合分断和风机启控。

Claims (9)

1．一种无触点智能开关，由信号采样器、电源板、控制电路板、可控硅组合、风机、显示电路板、操作面板、显示面板、接线端子、测控接口、外壳等部分组成，其特征在于：可控硅组合的一端通过信号采样器与输入端子连接，输入端子接供电线路，另一端通过输出端子与用电线路连接；可控硅组合的控制极与控制电路板连接，接收控制电路板发出的分/合信号，通过可控硅组合的分/合实现开关的分/合；信号采样器采集电力线路中的电流、电压、漏电电流及可控硅组合测温点的温度等信号，送控制电路板，控制电路板依据采样信号进行短路判定、过载延时判定、漏电判定及温度保护判定，适时发出可控硅组合分/合信号和风机关/启信号，并可根据采样信号自动进行电能计量；操作面板装配在外壳上，并与控制电路板及显示电路板相连；显示面板装配在外壳上，并受控于显示电路板；电源板通过电源变换，为本开关的电路及风机供电；测控接口用于和其它开关联络，交换互锁信号，确保不间断供电，并可与测控计算机连接，实现实时监测和远程控制。
2．根据权利要求1所述的无触点智能开关，其特征在于：信号采样器由电流采样器、电压采样器、温度采样器、漏电电流采样器组成，电流采样器串接在电路中，利用分流原理对电力线路中的电流进行采样；电压采样器并联在电路中，利用分压原理测量电力线路中的相电压；温度采样器采集可控硅组合测温点的温度并将其转换为电信号；漏电电流采样器采集开关所控电力线路中的漏电流，将其转换为电压信号后输出；采样器的输出信号经隔离放大后送控制电路板。
3．根据权利要求1所述的无触点智能开关，其特征在于：控制电路板是由隔离放大器、多路选择器、可变程增益控制器、模/数转换器、单片机、数/模转换器、可控硅驱动电路、输入输出接口及相应的控制电路等部分组成，并与信号采样器、可控硅组合、显示电路板及电源等进行电连接；控制电路板将采样器送来的模拟量信号经过隔离放大器滤除杂波干扰，通过多路选择器与单片机的结合实现信号选通，经可变程增益放大器放大后送单片机，由单片机实现各种控制功能的计算与判定并发出数控信号，数字信号经数/模转换器转换为模拟量信号，再经隔离放大后送可控硅驱动电路，去控制可控硅的分/断及风机启控；单片机主要是由中央处理器CPU、程序存储器、数据存储器、晶体振荡器以及相应的***电路等部分组成。
4．根据权利要求1所述无触点智能开关，其特征在于：可控硅组合由单向可控硅、散热器、风机及相应的电路组成，每一相电流通路采取两个单向可控硅反向并联达到交流电的导通作用，通过并联一个RC电路抑制电路中的浪涌电压，将可控硅的控制极接在一起并与其它通路的可控硅控制极电连接，作为可控硅组合的控制极；在可控硅的本体上安装散热器和风机，风机的供电电源也通过一个可控硅与电源板相连，该可控硅受控于控制电路板的风机启控信号；可控硅组合的输入端通过信号采样器的接线端子与供电电源连接，输出端与开关的输出端子相连，可控硅组合的控制极接收控制电路板发出的经过驱动电路放大的控制信号。
5．根据权利要求3所述无触点智能开关，其特征在于：可变程增益控制器对采样信号进行处理的方法是：对所采样的信号分别设定一额定值和最大值，采样信号小于等于额定值时直接输出采样信号，采样信号大于额定值且小于等于设定的最大值时对其按比例进行衰减，送单片机后乘以相应的放大系数恢复采样信号数值，当采样信号大于设定的最大值时按最大值输出给单片机。
6．根据权利要1所述的无触点智能开关，其特征在于：短路判定、漏电判定、过载延时判定、温度保护判定、电能计量、与其它开关联络及实现实时监测和远程控制等是通过单片机及固化在单片机EPROM中的软件实现的，进行短路判定的方法是，设定短路电流值为额定电流值的若干倍，根据采样电流值与短路电流值进行比较，若采样电流值大于短路电流值则判定为短路；进行过载延时判定的方法是，若电流采样值大于额定电流值且小于短路电流值，判定为过载，根据过载倍数确定延时分断时间，过载大则延时短，过载小则延时长，过载时间超过延时则发出可控硅组合分断信号；漏电判定的方法是，若漏电电流连续几次采样值均大于20MA，则判定为漏电，发出可控硅组合分断信号；温度保护判定的方法是，设定温度许可值T1、温度最大值T2和控制门坎ΔT，当采样温度高于T1+ΔT，发出风机启控信号，当温度低于T1-ΔT时，发出风机关闭信号，当温度高于T2时，发出可控硅组合分断和风机关闭信号；进行电能计量的方法是，对电流、电压的采样值进行数值积分和有效值整定，将采样结果换算为电流、电压有效值，通过电流与电压相乘计算功率，再对功率积分进行电能计量；与其它开关联络的方法是，当本开关通过操作面板设定为联络开关时，本开关的单片机通过测控接口与其它开关不间断地交换互锁信号并进行判定，若另外的开关处于分断状态则本开关须置合闸状态，若另外的开关送来合闸信号则本开关置分断状态，由此可保证在一个开关分断时其它开关自动投入工作，实现不间断供电；单片机通过测控接口与测控计算机连接，测控计算机可读取本开关单片机的数据，实现实时监测，同时还可向单片机装订参数、发送指令，替代面板操作，实现远程控制；单片机将一定时域内的采样结果和运算结果保存在RAM芯片中，经软件处理整定后的电流、电压有效值和电能计量结果经显示电路板处理后送显示面板上显示。
7．根据权利要求1所述的无触点智能开关，其特征在于：操作面板上设置开关分/合操作、显示切换按键和选定开关联络方式、过载延时挡位、自动/手动方式及状态选择等拨动开关，以便进行手动操作和功能选定。
8．根据权利要求1所述的无触点智能开关，其特征在于：显示面板设置数字显示和指示灯显示，红外数码管显示电流、电压有效值和电能计量结果，可通过操作面板上的显示切换按键进行显示切换，指示灯显示开关的分合状态。
9．根据权利要1所述的无触点智能开关，其特征在于：外壳采用绝缘材料制成，是固定开关各组成部分的机体。
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