專利名稱：智能分相控制型高低壓開關(guān)電器的制作方法
1 本發(fā)明所屬領(lǐng)域高低壓電器，電子控制2 本發(fā)明的技術(shù)背景目前，在國內(nèi)外電力和電器系統(tǒng)中所使用的交流三相開關(guān)，包括高低壓電路中的各種斷路器、脫扣器、空氣開關(guān)、交流接觸器，均采用三相同時接通和分?jǐn)嗟姆桨?。采用這種方案的交流三相開關(guān)，均無法實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流接通和分?jǐn)?，尤其是在高電壓和大電流?yīng)用時，接通和分?jǐn)鄷r火花、飛弧嚴(yán)重，使得開關(guān)的壽命短、成本高，且影響系統(tǒng)安全，電磁干擾嚴(yán)重。本發(fā)明的目的，正是為了消除或減少這些問題而提出的。
3 本發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的特征之一是，采用三相各自有其獨(dú)立的操動機(jī)構(gòu)的高低壓開關(guān)電器結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的特征之二是，它實(shí)質(zhì)上是一個由電壓電流“過零檢測模塊”、“運(yùn)算控制模塊”、“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”、“開關(guān)狀態(tài)反饋模塊”以及“手動操控”模塊等幾部分組成的閉環(huán)測控系統(tǒng)或測控裝置。
本發(fā)明的特征之三是，三相中各相的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別按相序分時接通或分?jǐn)?，并且在三相電壓過零時實(shí)施接通，在三相電流過零時實(shí)施分?jǐn)嗟姆桨浮?br> 本發(fā)明的特征之四是，交流信號過零檢測由其口線具有電平捕捉(CAPTURE)功能的單片微控制器(Single-Chip Microcontroller)對由光電隔離的過零脈沖的上升和下降邊沿進(jìn)行捕捉，從而準(zhǔn)確求出過零點(diǎn)的方法。
本發(fā)明的特征之五是，由“運(yùn)算控制模塊”連續(xù)檢測過零點(diǎn)，計算兩個相臨的過零點(diǎn)時間(時鐘計數(shù)值)，并據(jù)以計算隨后的過零點(diǎn)，再根據(jù)預(yù)裝的“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的脈沖響應(yīng)特性Tp(從“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”接收到“運(yùn)算控制模塊”發(fā)出的控制脈沖到“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”開關(guān)觸點(diǎn)接通或分?jǐn)鄷r刻所經(jīng)歷的時間，Tp也就是控制脈沖提前量)計算控制脈沖提前量的方法。
本發(fā)明的特征之六是，其“開關(guān)狀態(tài)反饋模塊”是由分別安裝在開關(guān)觸點(diǎn)接通和分?jǐn)辔恢玫墓怆妭鞲衅鹘M成的，光電傳感器在開關(guān)接通和分?jǐn)辔恢玫乃查g分別向微控制器傳出TTL電平信號，系統(tǒng)控制器將據(jù)此信號判斷開關(guān)的動作是否到位，即是否確已接通，或是否確已分?jǐn)?。并且根?jù)開關(guān)觸點(diǎn)實(shí)際接通或分?jǐn)嗟臅r刻與預(yù)計的接通或分?jǐn)鄷r刻的偏差，對“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”當(dāng)前的脈沖響應(yīng)特性Tp進(jìn)行校正，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的脈沖響應(yīng)特性Tp自動適應(yīng)(自適應(yīng))的方法。
本發(fā)明的特征之七是，“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的動力由電磁鐵提供，而電磁鐵線圈的供電電源采用帶電容儲能的經(jīng)過穩(wěn)壓的直流電源或頻率為5KHZ左右的脈沖穩(wěn)壓電源供電。本發(fā)明不用普通交流電源給線圈供電，是因?yàn)榭紤]到線圈接通電源時刻，交流正弦波形或已被污染而發(fā)生岐變的波形的幅值的不確定性。
本發(fā)明的特征之八是，當(dāng)本發(fā)明是用于不需要各種保護(hù)功能的開關(guān)，如某些交流接觸器時，可以不用模擬量輸入通道，開關(guān)的通斷僅由手動或遠(yuǎn)距離控制；當(dāng)本發(fā)明是用于需要各種保護(hù)功能的開關(guān)時，如各種智能斷路器時，本發(fā)明還包含電壓電流模入通道，開關(guān)的通斷除可由手動或遠(yuǎn)距離控制外，可以因?yàn)楦鞣N保護(hù)功能而分?jǐn)嗷蚪油ā?br> 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征作進(jìn)一步的說明。
附

圖1是本發(fā)明的原理方框圖。
從附圖1可以看出本發(fā)明的特征之一，即它是“三相各自有其獨(dú)立的操動機(jī)構(gòu)的高低壓開關(guān)電器”。
從附圖1還可以看出本發(fā)明的特征之二，即它實(shí)質(zhì)上是一個由電壓電流“過零檢測模塊”、“運(yùn)算控制模塊”、“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”、“開關(guān)狀態(tài)反饋模塊”以及“手動操控”模塊等幾部分組成的閉環(huán)測控系統(tǒng)或測控裝置。也可以是包括“其他模擬量輸入”模塊的開關(guān)電器。
從附圖1還可以看出本發(fā)明的特征之六，即“開關(guān)狀態(tài)反饋模塊”是由分別安裝在開關(guān)觸點(diǎn)接通和分?jǐn)辔恢玫墓怆妭鞲衅鹘M成的，光電傳感器在開關(guān)接通和分?jǐn)辔恢玫乃查g分別向微控制器傳出TTL電平信號，系統(tǒng)控制器將據(jù)此信號判斷開關(guān)的動作是否到位，即是否確已接通，或是否確已分?jǐn)?。并且根?jù)開關(guān)觸點(diǎn)實(shí)際接通或分?jǐn)嗟臅r刻與預(yù)計的接通或分?jǐn)鄷r刻的偏差，對“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”當(dāng)前的脈沖響應(yīng)特性Tp進(jìn)行校正，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的脈沖響應(yīng)特性Tp自動適應(yīng)(自適應(yīng))的方法。
從附圖1還可以看出本發(fā)明的特征之八，即它可以是不包括附圖1右下角虛線框中“其他模擬量輸入”模塊的開關(guān)電器，本發(fā)明是一個由電壓電流“過零檢測模塊”、“運(yùn)算控制模塊”、“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”、“開關(guān)狀態(tài)反饋模塊”以及“手動操控”模塊等幾部分組成的測控裝置。對于需要過電流保護(hù)、接地保護(hù)，以及其他各種保護(hù)功能的開關(guān)電器，如各種智能斷路器，則本發(fā)明還包括“其他模擬量輸入”模塊。
這里所說的交流信號的“過零”，是指電壓和電流的幅值小于其有效值的5％的一個小的區(qū)間。為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)觸點(diǎn)在電壓或電流“過零”的時刻接通和分?jǐn)?，首先通過“過零檢測模塊”不停的檢測電壓電流的過零信號，“運(yùn)算控制模塊”(單片微控制器，Single-Chip Microcontroller)根據(jù)過零信號精確地求出各相電壓和電流的過零時刻，及其半周期值，同時完成對隨后若干個過零時刻的預(yù)測。當(dāng)“手動操控”模塊有開關(guān)接通或分?jǐn)嗟闹噶顣r，微控制器便根據(jù)“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的脈沖響應(yīng)特性Tp(從“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”接收到“運(yùn)算控制模塊”發(fā)出的控制脈沖到“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”開關(guān)觸點(diǎn)接通或分?jǐn)鄷r刻所經(jīng)歷的時間，Tp也就是控制脈沖提前量)，計算并預(yù)測出可以作為開關(guān)觸點(diǎn)即將接通或分?jǐn)鄷r刻相重合的過零點(diǎn)?！斑\(yùn)算控制模塊”發(fā)出控制脈沖后，在“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”觸點(diǎn)通斷的瞬間，會接收到來自“開關(guān)狀態(tài)反饋模塊”發(fā)回的反饋信息，“運(yùn)算控制模塊”首先根據(jù)反饋信息，判斷三相觸點(diǎn)是否確已接通或分?jǐn)?，本發(fā)明把三相按相序順序接通或分?jǐn)嘁淮畏Q為一個執(zhí)行周期，如果在第一個執(zhí)行周期中有某一相或某兩相未按要求接通或分?jǐn)?，則在隨后的第二個執(zhí)行周期中對未按要求接通或分?jǐn)嗟南嗬^續(xù)執(zhí)行接通或分?jǐn)啵绻诘诙€執(zhí)行周期中仍有某一相或某兩相未按要求接通或分?jǐn)?，則本發(fā)明將執(zhí)行三相分?jǐn)喑绦?，并發(fā)出報警和故障指示信息。否則，即視為本次接通或分?jǐn)喑晒Α?br> 本發(fā)明所包括的“其他模擬量輸入”模塊，主要包括12路模擬信號即A相電壓(Ua)，B相電壓(Ub)，C相電壓(Uc)，中線電壓(Un)，考慮到電流變化范圍較大，每相電流測量均設(shè)置兩個通道，即1∶1采樣模入Ia，Ib，Ic，In四個通道和經(jīng)放大20倍的1∶20采樣模入Ia20，Ib20，Ic20，In20四個通道，共十二個通道。
本發(fā)明采用將交流信號的有效值離散化的方法進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化，即以一個周期內(nèi)有限個(本發(fā)明每周期取60點(diǎn))采樣電壓的數(shù)字量的均方根值(RMS或所謂“真有效值”)來代替該周期的電壓函數(shù)值的方法(計算公式略)對電壓電流信號進(jìn)行交流采樣。由于本發(fā)明采用一種獨(dú)特的均方根值算法，使得本發(fā)明的均方根值的采樣處理速度為一般采用迭代法計算均方根值快5到10倍。
本發(fā)明實(shí)際每次采樣8個通道，因?yàn)?，為了提高速度，MCU將根據(jù)實(shí)際電流的大小決定是從1∶20通道模入，還是從1∶1通道模入，當(dāng)電流值小于開關(guān)額定電流80％時，MCU從1∶20通道模入，當(dāng)電流值大于或等于開關(guān)額定電流80％時，MCU從1∶1通道模入，模數(shù)轉(zhuǎn)換采用AD573(20uS)或AD574(35uS)，微控制器采用具有8個通道的通用捕捉/比較(Capture/Compare)單元和8個以上模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的Infineon公司16位單片機(jī)，對于不包含模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的開關(guān)，系統(tǒng)總的響應(yīng)周期約為20MS，對于包含模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的開關(guān)，系統(tǒng)總的響應(yīng)周期可以做到小于50MS。
附圖2a和2b是兩種可拱選擇的光電隔離的過零檢測電路。附圖2c是交流輸入信號(圖中的“交流信號Uin”)與過零脈沖(圖中的“過零脈沖Uout”)的關(guān)系。從圖中可以看出“過零區(qū)間”是指過零脈沖的“上升沿”與“下降沿”之間的時間區(qū)間，對于正負(fù)兩個半周波形對稱的信號，其過零點(diǎn)(圖中的t0，t1，t2，t3等)即是“過零區(qū)間”的中點(diǎn)，兩個相繼的過零點(diǎn)之間的時間即為“半周期”，對于過零點(diǎn)t0來說，t1、t2、t3等就是隨后的過零點(diǎn)。
附圖3是“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”電磁鐵供電電源的原理方框圖。該圖說明本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用電磁鐵作為開關(guān)的動力，而電磁鐵的線圈可由高頻電源供電，也可以由直流穩(wěn)壓電源供電。“儲能電容器”則可以在電磁鐵線圈接通的瞬間提供附加能量。
權(quán)利要求
1.一種智能分相控制型高低壓開關(guān)電器，其特征在于采用三相各自有其獨(dú)立的操動機(jī)構(gòu)的高低壓開關(guān)電器結(jié)構(gòu)，它是由電壓電流“過零檢測模塊”、“運(yùn)算控制模塊”、“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”、“開關(guān)狀態(tài)反饋模塊”以及“手動操控”模塊等幾部分組成的閉環(huán)測控系統(tǒng)或測控裝置，它實(shí)現(xiàn)三相中各相的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別按相序分時接通或分?jǐn)?，并且在三相電壓過零時實(shí)施接通，在三相電流過零時實(shí)施分?jǐn)嗟姆桨浮?br> 2.按權(quán)利要求書1所述的一種智能分相控制型高低壓開關(guān)電器，其特征在于，交流信號過零檢測是由其口線具有電平捕捉(CAPTURE)功能的單片微控制器(Single-Chip Microcontroller)對由光電隔離的過零脈沖的上升和下降邊沿進(jìn)行捕捉，從而準(zhǔn)確求出過零點(diǎn)的方法。
3.按權(quán)利要求書1所述的一種智能分相控制型高低壓開關(guān)電器，其特征在于，由“運(yùn)算控制模塊”連續(xù)檢測過零點(diǎn)，計算兩個相臨的過零點(diǎn)時間(時鐘計數(shù)值)，并據(jù)以計算隨后的過零點(diǎn)，再根據(jù)預(yù)裝的“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的脈沖響應(yīng)特性Tp(從“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”接收到“運(yùn)算控制模塊”發(fā)出的控制脈沖到“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”開關(guān)觸點(diǎn)接通或分?jǐn)鄷r刻所經(jīng)歷的時間，Tp也就是控制脈沖提前量)計算控制脈沖提前量的方法。
4.按權(quán)利要求書1所述的一種智能分相控制型高低壓開關(guān)電器，其特征在于，其“開關(guān)狀態(tài)反饋模塊”是由分別安裝在開關(guān)觸點(diǎn)接通和分?jǐn)辔恢玫墓怆妭鞲衅鹘M成的，光電傳感器在開關(guān)接通和分?jǐn)辔恢玫乃查g分別向微控制器傳出TTL電平信號，系統(tǒng)控制器將據(jù)此信號判斷開關(guān)的動作是否到位，即是否確已接通，或是否確已分?jǐn)?。并且根?jù)開關(guān)觸點(diǎn)實(shí)際接通或分?jǐn)嗟臅r刻與預(yù)計的接通或分?jǐn)鄷r刻的偏差，對“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”當(dāng)前的脈沖響應(yīng)特性Tp進(jìn)行校正，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的脈沖響應(yīng)特性Tp自動適應(yīng)(自適應(yīng))的方法。
5.按權(quán)利要求書1所述的一種智能分相控制型高低壓開關(guān)電器，其特征在于，“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的動力由電磁鐵提供，而電磁鐵線圈的供電電源采用帶電容儲能的直流穩(wěn)壓電源或5KHZ左右的高頻脈沖電源供電。本發(fā)明不用普通交流電源給線圈供電，是因?yàn)榭紤]到電磁鐵線圈在接通電源時刻，交流正弦波形或已被污染而發(fā)生崎變的波形的幅值的不確定性，而這種不確定性將導(dǎo)致電磁鐵線圈供電能量的不確定以及“分相執(zhí)行機(jī)構(gòu)”脈沖響應(yīng)特性Tp的不確定，以致無法在準(zhǔn)確的過零時刻接通或分?jǐn)嚅_關(guān)觸點(diǎn)。
6.按權(quán)利要求書1所述的一種智能分相控制型高低壓開關(guān)電器，其特征在于，當(dāng)本發(fā)明是用于不需要各種保護(hù)功能的開關(guān)，如某些交流接觸器時，可以不用模擬量輸入通道，開關(guān)的通斷僅由手動或遠(yuǎn)距離控制；當(dāng)本發(fā)明是用于需要各種保護(hù)功能的開關(guān)時，如各種智能斷路器時，本發(fā)明還包含電壓電流模入通道，開關(guān)的通斷除可由手動或遠(yuǎn)距離控制外，還可以因?yàn)楦鞣N保護(hù)功能而分?jǐn)嗷蚪油ā?br> 全文摘要
目前，在國內(nèi)外電力和電器系統(tǒng)中所使用的交流三相開關(guān)，包括高低壓電路中的各種斷路器、脫扣器、空氣開關(guān)、交流接觸器，均采用三相同時接通和分?jǐn)嗟姆桨浮２捎眠@種方案的交流三相開關(guān)，均無法實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流接通和分?jǐn)啵绕涫窃诟唠妷汉痛箅娏鲬?yīng)用時，接通和分?jǐn)鄷r火花、飛弧嚴(yán)重，使得開關(guān)的壽命短、成本高，且影響系統(tǒng)安全，電磁干擾嚴(yán)重。本發(fā)明是采用三相各自有其獨(dú)立的操動機(jī)構(gòu)的一種高低壓開關(guān)電器結(jié)構(gòu)。它使三相中各相的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別按相序分時接通或分?jǐn)啵⑶以谌嚯妷哼^零時實(shí)施接通，在三相電流過零時實(shí)施分?jǐn)嗟姆桨?。用于更新各種高低壓開關(guān)電器。
文檔編號H01H9/56GK1519872SQ0311499
公開日2004年8月11日 申請日期2003年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月20日
發(fā)明者張若愚 申請人:張若愚