數控投切開關的制作方法

專利名稱：數控投切開關的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種數控投切開關。主要用作計算機控制、嵌入式系統、電力控制以及工業自動化等領域的電容器無功功率補償開關以及電力通斷控制。屬電器控制元件技術領域。
背景技術：
在工業、農業和生活用電負載中，很多是阻感負載如異步電動機、變壓器、熒光燈等。阻感負載工作時在電力線路中產生了無功功率。無功功率對公用電網產生了如下影響1、增加了設備容量；2、設備及線路損耗增加；3、使線路及變壓器的電壓降增大，使供電質量降低。
為了減小這樣的損耗，因此要對線路進行無功功率補償。用無功補償電容器是補償無功功率最常用的方法。該方法是通過開關在線路上并聯補償電容器。由于該方法具有結構簡單、經濟方便、補償效果顯著等優點。目前在國內外均得以了廣泛的應用。但該方法有一個最大的不足之處就是由于電容上的電壓不能突變，線路上有電壓時，電容并接到線上瞬間將有一個較大的充電沖擊電流。單純使用機械觸點式開關易造成機械觸頭的燒蝕、損壞。單純采用電子元件作為開關由于電路中的高電壓大電流。使電子器件極易損壞，并在切換時產生諧波。所以又有把機械開關和電子器件并聯形成復合開關來進行補償電容投切。但在交流電力線路的接通和斷開過程中，由于存在大電流和強電場仍然造成開關經常損壞。

發明內容
本發明的目的在于克服上述不足，提供一種數控投切開關，通過對機械開關觸點接通或斷開時刻的精確控制，實現按給定條件控制機械開關的觸點閉合或斷開，避免機械觸點在閉合或斷開時的較大的沖擊充電電流、延長觸點使用壽命。
本發明的目的是這樣實現的一種數控投切開關，其特征在于它包括電源電路、投切控制檢測電路、主控電路、機械開關控制電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、機械開關觸頭以及補償電容，J1為電源電路，電路外接穩壓電源接口，1腳為+5V，2腳為+5V地，3腳為+24V，4腳為+24V地，+5V電源供計算機電路工作，+24V電源供繼電器電路工作，兩部分電路電氣隔離；二極管D1陰極接+5V，電阻R1一端接D1陽極和J1的1腳，另一端分二路，一路與電阻R2一端連接，另一路接芯片U1的18腳，R2另一端分為二路，一路接+5V地，另一路接芯片O1的4腳；電容C1、芯片O1、二極管D3、電阻R3組成繼電器閉合、斷開控制的信號投切控制檢測電路，二極管D3陽極接外部無功補償控制儀的輸出信號端電壓為+5V，D3陰極與電阻R3一端相連，R3另一端分二路，一路與芯片O1的1腳相連，另一路與電容C1的正極相連，C1的負極與O1的2腳共同接至外部無功補償控制儀輸出信號端+5V地，O1的3腳接芯片U1的19腳，芯片U1、電容C3、C4、C6、C7、晶振Y1組成計算機主控電路，電容C3一端接J1的1腳，另一端接+5V地，電容C4正極接J1的1腳，另一端接+5V地，電容C6一端接+5V地，另一端與Y1的一端和芯片U1的5腳相連接，電容C7一端接+5V地，另一端與Y1的另一端和U1的4腳相連接，U1的1腳、10腳接+5V地，U1的20腳接J1的1腳，電阻R6、芯片U3、電阻R10、R11、三極管Q2、二極管D4、繼電器J2、二極管D9、三極管Q1、電阻R16、R9、芯片U2、電阻R7、電容C5組成繼電器J2的閉合和斷開機械開關控制電路，電阻R6一端接U1的11腳，另一端接U3的2腳，U3的1腳接J1的1腳，U3的3腳接J1的3腳，電阻R10一端接U3的4腳，另一端接三極管Q2的基極，電阻R11一端接U3的4腳，另一端接J1的4腳，Q2的發射極接J1的4腳，二極管D4的陰極接J1的3腳，D4的陽極接Q2的集電極，繼電器J2的1腳接J1的3腳，J2的2腳接Q2的集電極，J2的3腳接三極管Q1的集電極，二極管D9的陰極接J1的3腳，二極管D9的陽極接Q1的集電極，電阻R16一端接芯片U2的4腳，另一端Q1的基極，電阻R9一端U2的4腳，另一端接J1的4腳，Q1的發射極接J1的4腳，U2的1腳接J1的1腳，U2的3腳接J1的3腳，U2的2腳與電阻R7一端相連，電阻R7的另一端接U1的9腳，電容C5的正極接J1的3腳，電容C5的負極接J1的4腳；芯片U5、二極管D5、D2、電阻R12組成電壓過零檢測電路，芯片U5的3腳接U1的16腳，U5的4腳接J1的2腳，二極管D5的陰極接U5的1腳，D5的陽極接U5的2腳，二極管D2的陰極接U5的1腳，D2的陽極接R12的一端，R12的另一端接J2的4腳，U5的2腳接J1的5腳；電感L1、電阻R13、芯片U4、電容D6組成電流過零檢測電路，芯片U4的3腳接U1的17腳，U4的4腳接J1的2腳，U4的1腳接電容D6的陰極，U4的2腳接電容D6的陽極，電阻R13的一端接D6的陰極，另一端接電感L1的一端，電感L1的另一端接D6的陽極；電容C9、電阻R8組成吸收電路，電容C9的一端接J2的4腳，另一端與電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端接J2的5腳。
本發明的關鍵點在于電路控制原理和電路實現形式。
本發明的創新點在于1)開關的機械觸頭上不并接任何開關元件；2)通過檢測電路的電壓和電流參數直接控制機械開關觸點的接通和斷開。
3、弱電電路和強電電路完全隔離。
本發明與同類產品相比具有如下優點1、在開關內部由于不需并聯電力器件，從而從根本上解決了電力器件損壞的問題。
2、由于不需要并聯電力器件，省去了電力器件及其保護電路，使得生產及維護成本下降。
3、在用戶使用過程中由于不需在線路中串接電感器件，降低了線路復雜程度。降低了用戶使用成本和維護成本，提高了可靠性。
4、由于并聯電容器的補償方法與其它補償方法相比簡單經濟，方便靈活，補償效果顯著。


圖1為本發明的電路組成方框圖。
圖2為本發明的電路原理圖。
圖3為波形圖，顯示了數控繼電器工作過程中各部分波形。
具體實施例方式
參見圖1，本發明數控投切開關，主要由電源電路、投切控制檢測電路、主控電路、機械開關控制電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、機械開關觸頭以及補償電容組成。
參見圖2，J1為電源電路，電路外接穩壓電源接口。1腳為+5V，2腳為+5V地，3腳為+24V，4腳為+24V地。+5V電源供計算機電路工作，+24V電源供繼電器電路工作，兩部分電路電氣隔離。
二極管D1陰極接+5V，電阻R1一端接D1陽極和J1的1腳，另一端分二路，一路與電阻R2一端連接，另一路接芯片U1的18腳，R2另一端分為二路，一路接+5V地，另一路接芯片O1的4腳。
電容C1、芯片O1、二極管D3、電阻R3組成繼電器閉合、斷開控制的信號投切控制檢測電路。二極管D3陽極接外部無功補償控制儀的輸出信號端電壓為+5V，D3陰極與電阻R3一端相連，R3另一端分二路，一路與芯片O1的1腳相連，另一路與電容C1的正極相連，C1的負極與O1的2腳共同接至外部無功補償控制儀輸出信號端+5V地。O1的3腳接芯片U1的19腳。當通過D3輸入+5V控制信號時，繼電器閉合。輸入信號為0時，繼電器斷開。
芯片U1、電容C3、C4、C6、C7、晶振Y1組成計算機主控電路。電容C3一端接+5V(J1的1腳)，另一端接+5V地，電容C4正極接+5V(J1的1腳)，另一端接+5V地，電容C6一端接+5V地，另一端與Y1的一端和U1的5腳相連接，電容C7一端接+5V地，另一端與Y1的另一端和U1的4腳相連接，U1的1腳、10腳接+5V地，U1的20腳接+5V(J1的1腳)，當U1的P1.7(U1的19腳)為低電平，U1的P1.4(U1的16腳)為高電平時，U1的P3.7(U1的11腳)輸出低電平，控制繼電器J2觸點閉合，當U1的P1.7(U1的19腳)、U1的P1.5(U1的17腳)為高電平時，U1的P3.5(U1的9腳)輸出低電平，控制繼電器J2觸點斷開。
電阻R6、芯片U3、電阻R10、R11、三極管Q2、二極管D4、繼電器J2、二極管D9、三極管Q1、電阻R16、R9、芯片U2、電阻R7、電容C5組成繼電器J2的閉合和斷開機械開關控制電路。U1的P3.7(U1的11腳)輸出低電平時繼電器J2閉合。U1的P3.5(U1的9腳)輸出低電平時繼電器J2斷開。電阻R6一端接U1的11腳，另一端接U3的2腳，U3的1腳接J1的1腳，U3的3腳接J1的3腳，電阻R10一端接U3的4腳，另一端接三極管Q2的基極，電阻R11一端接U3的4腳，另一端接J1的4腳，Q2的發射極接J1的4腳，二極管D4的陰極接J1的3腳，D4的陽極接Q2的集電極，繼電器J2的1腳接J1的3腳，J2的2腳接Q2的集電極，J2的3腳接三極管Q1的集電極，二極管D9的陰極接J1的3腳，二極管D9的陽極接Q1的集電極，電阻R16一端接芯片U2的4腳，另一端Q1的基極，電阻R9一端U2的4腳，另一端接J1的4腳，Q1的發射極接J1的4腳，U2的1腳接J1的1腳，U2的3腳接J1的3腳，U2的2腳與電阻R7一端相連，電阻R7的另一端接U1的P3.5(U1的9腳)，電容C5的正極接J1的3腳，電容C5的負極接J1的4腳。
芯片U5、二極管D5、D2、電阻R12組成電壓過零檢測電路，電路電壓過零時U1的P1.4(U1的16腳)為高電平。芯片U5的3腳接U1的P1.4(U1的16腳)，U5的4腳接J1的2腳，二極管D5的陰極接U5的1腳，D5的陽極接U5的2腳，二極管D2的陰極接U5的1腳，D2的陽極接R12的一端，R12的另一端接J2的4腳，U5的2腳接J1的5腳。
電感L1、電阻R13、芯片U4、電容D6組成電流過零檢測電路，電路電流為零時，U1的P1.5(U1的17腳)為高電平。芯片U4的3腳接U1的P1.5(U1的17腳)，U4的4腳接J1的2腳，U4的1腳接電容D6的陰極，U4的2腳接電容D6的陽極，電阻R13的一端接D6的陰極，另一端接電感L1的一端，電感L1的另一端接D6的陽極。
電容C9、電阻R8組成吸收電路，電容C9的一端接J2的4腳，另一端與電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端接J2的5腳。
本發明的主要控制芯片單片機可用數字信號處理器等替代。
電路工作過程參見圖31、起始時開關上電壓Vk的電路電壓Vs相等，電容C上電壓Vc為0，電路中電流Ic為0。
2、在t1時刻開關閉合，電容C上電壓Vc和電路電壓Vs相等。開關上電壓Vk為0。電容C上有一個從0開始的充電電源。
3、在t2時刻電路電壓和電容上電壓達到負的最大值，電容充電電流為0。
4、在t3時刻電路電壓過零點，電容C的正向充電電流達最大值。
5、在t4時刻電容電流為0時開關斷開。電容C電流為0，電容的電壓由于反向充電而達到最大值。電路中開關上電壓由電容上電壓和線路中電壓迭加，反向達到2倍線路最大值。
6、在開關斷開之后，隨著電容C逐漸放電，Vc逐漸減小。開關上電壓Vk電平逐漸向上抬，漸漸和電路電壓Vs相等。
附術語解釋無功功率在正弦電路中，負載是線性的，電路中的電壓和電流都是正弦波。設電壓和電流可分別表示為u＝U sin ωti＝I sin(ωt-)＝I cossin ωt-I sincosωt式中-電流滯后電壓的相角。
電流i被分解為和電壓同相位的分量ip和比電壓滯后90°的分量iq。
ip和iq分別為
ip＝I cossinωtiq＝-I sincosωt電路的有功率P就是其平均功率。
P=12π∫02πuid(ωt)=12π∫02π(uip+uiq)d(ωt)]]> 電路的無功功率定義為 Q＝UIsin無功補償為了消除無功功率而采取的措施。
電力器件一般指可耐受高電壓、大電流的電子器件。常用于電力控制場合。
電容投切為了減小無功功率而在電路中加接補償電容器，電容接入電路的過程稱投入、電容從電路中斷開的過程稱切除。一般將電容這樣的工作過程稱為電容投切。
復合開關一般指由機械觸頭組成的開關和電子器件組成的并聯開關，由此而形成的開關控制裝置稱為復合開關。
權利要求
1.一種數控投切開關，其特征在于它包括電源電路、投切控制檢測電路、主控電路、機械開關控制電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、機械開關觸頭以及補償電容，J1為電源電路，電路外接穩壓電源接口，1腳為+5V，2腳為+5V地，3腳為+24V，4腳為+24V地，+5V電源供計算機電路工作，+24V電源供繼電器電路工作，兩部分電路電氣隔離；二極管D1陰極接+5V，電阻R1一端接D1陽極和J1的1腳，另一端分二路，一路與電阻R2一端連接，另一路接芯片U1的18腳，R2另一端分為二路，一路接+5V地，另一路接芯片O1的4腳；電容C1、芯片O1、二極管D3、電阻R3組成繼電器閉合、斷開控制的信號投切控制檢測電路，二極管D3陽極接外部無功補償控制儀的輸出信號端電壓為+5V，D3陰極與電阻R3一端相連，R3另一端分二路，一路與O1的1腳相連，另一路與電容C1的正極相連，C1的負極與O1的2腳共同接至外部無功補償控制儀輸出信號端+5V地，O1的3腳接芯片U1的19腳，芯片U1、電容C3、C4、C6、C7、晶振Y1組成計算機主控電路，電容C3一端接J1的1腳，另一端接+5V地，電容C4正極接J1的1腳，另一端接+5V地，電容C6一端接+5V地，另一端與Y1的一端和U1的5腳相連接，電容C7一端接+5V地，另一端與Y1的另一端和U1的4腳相連接，U1的1腳、10腳接+5V地，U1的20腳接J1的1腳，電阻R6、芯片U3、電阻R10、R11、三極管Q2、二極管D4、繼電器J2、二極管D9、三極管Q1、電阻R16、R9、芯片U2、電阻R7、電容C5組成繼電器J2的閉合和斷開機械開關控制電路，電阻R6一端接U1的11腳，另一端接U3的2腳，U3的1腳接J1的1腳，U3的3腳接J1的3腳，電阻R10一端接U3的4腳，另一端接三極管Q2的基極，電阻R11一端接U3的4腳，另一端接J1的4腳，Q2的發射極接J1的4腳，二極管D4的陰極接J1的3腳，D4的陽極接Q2的集電極，繼電器J2的1腳接J1的3腳，J2的2腳接Q2的集電極，J2的3腳接三極管Q1的集電極，二極管D9的陰極接J1的3腳，二極管D9的陽極接Q1的集電極，電阻R16一端接芯片U2的4腳，另一端Q1的基極，電阻R9一端U2的4腳，另一端接J1的4腳，Q1的發射極接J1的4腳，U2的1腳接J1的1腳，U2的3腳接J1的3腳，U2的2腳與電阻R7一端相連，電阻R7的另一端接U1的9腳，電容C5的正極接J1的3腳，電容C5的負極接J1的4腳；芯片U5、二極管D5、D2、電阻R12組成電壓過零檢測電路，芯片U5的3腳接U1的16腳，U5的4腳接J1的2腳，二極管D5的陰極接U5的1腳，D5的陽極接U5的2腳，二極管D2的陰極接U5的1腳，D2的陽極接R12的一端，R12的另一端接J2的4腳，U5的2腳接J1的5腳；電感L1、電阻R13、芯片U4、電容D6組成電流過零檢測電路，芯片U4的3腳接U1的17腳，U4的4腳接J1的2腳，U4的1腳接電容D6的陰極，U4的2腳接電容D6的陽極，電阻R13的一端接D6的陰極，另一端接電感L1的一端，電感L1的另一端接D6的陽極；電容C9、電阻R8組成吸收電路，電容C9的一端接J2的4腳，另一端與電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端接J2的5腳。
全文摘要
本發明涉及一種數控投切開關，用作計算機控制等領域的電容器無功功率補償開關以及電力通斷控制。包括電源電路、投切控制檢測電路、主控電路、機械開關控制電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、機械開關觸頭以及補償電容，C1、O1、D3、R3組成信號投切控制檢測電路，U1、C3、C4、C6、C7、Y1組成計算機主控電路，R6、U3、R10、R11、Q2、D4、J2、D9、Q1、R16、R9、U2、R7、C5組成繼電器J2的閉合和斷開機械開關控制電路；U5、D5、D2、R12組成電壓過零檢測電路；L1、R13、U4、D6組成電流過零檢測電路；C9、R8組成吸收電路。本發明通過對機械開關觸點接通或斷開時刻的精確控制，實現按給定條件控制機械開關的觸點閉合或斷開，延長了觸點使用壽命。
文檔編號H02J3/18GK1933069SQ20061009618
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月26日 優先權日2006年9月26日
發明者陳建榮, 范潮, 陳金華 申請人:陳建榮