新型的無備用磁保持繼電器的多功能編碼開關的制作方法

新型的無備用磁保持繼電器的多功能編碼開關的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種新型的無備用磁保持繼電器的多功能編碼開關，包括主控MCU、磁保持繼電器、工作電源模塊、數據存儲器、溫度采集模塊、485通訊模塊、交流采集模塊、電流互感器、電壓互感器和開關驅動電路，其特征在于，所述的工作電源模塊、數據存儲器、溫度采集模塊和485通訊模塊分別與主控MCU連接，主控MCU通過開關驅動電路連接磁保持繼電器，主控MCU通過交流采集模塊分別與電流互感器和電壓互感器連接。實現了以單片機快速計算過零投切時刻點，確保了磁保持繼電器來控制電容器的過零投切，代替傳統的采用可控硅與磁保持繼電器并接作為過零投切，解決了可控硅容易出現損壞和燒毀的現象。
【專利說明】新型的無備用磁保持繼電器的多功能編碼開關

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種開關，尤其涉及一種新型的無備用磁保持繼電器的多功能編 碼開關。

【背景技術】
[0002] 在電力行業中低壓成套裝置中電容器的投切開關即復合開關，由于復合開關采用 可控硅與磁保持繼電器并接，實現電壓過零導通和電流過零切斷，使復合開關在接通和斷 開的瞬間具有可控硅開關過零投切的優點。其實現方法是：投入時是在電壓過零瞬間可控 硅先過零觸發，然后再將磁保持繼電器吸合導通；而切除時是先將磁保持繼電器斷開，可控 硅延時過零斷開，從而實現電流過零切除。因此復合開關對磁保持繼電器的電氣性能及工 藝要求相當高。而現有市面上的磁保持繼電器還未能達到相應的要求，由于磁保持繼電器 觸點容量低容易出現吸蝕現象，同時磁保持繼電器的機械結構決定了其動作的不穩定性； 可控硅是屬于功率型半導體元件，對使用時的電壓電流條件要求苛刻，一旦電壓電流出現 較大波動時導致可控硅損壞或燒毀現象；因此造成現有市面上的復合開關還存在著應用方 面的先天不足。本實用新型是針對可控硅和磁保持繼電器在低壓成套裝置應用方面存在的 先天不足而精心研制開發的一種最新科技成果。


【發明內容】

[0003] 本實用新型的目的在于，針對上述發現的問題，提供一種新型的無備用磁保持繼 電器的多功能編碼開關，實現了以單片機快速計算過零投切時刻點，確保了磁保持繼電器 來控制電容器的過零投切，代替傳統的采用可控硅與磁保持繼電器并接作為過零投切，解 決了可控硅容易出現損壞和燒毀的現象。
[0004] 本實用新型還可以監測電力電容器的投入電流值，實時上報電容器的容值損耗確 保電容器的利用率。也可以實時采集電容器運行時的溫度值，在溫度超限的情況下，強行退 出電容投入；又可以實時采集在電容投入時的電流值，在電流值超出電容額定電流2倍時， 強行退出電容投入；還可以在切除電容時，實時監測各個開關通道的電流值，在判定磁保持 繼電器吸合的故障狀態下，強行斷開備用的磁保持繼電器，避免電容長期處于投入狀態，是 一種具有高安全性，高可靠性的新型的無備用磁保持繼電器的多功能編碼開關。
[0005] 本實用新型的目的可以這樣實現的，所述的新型的無備用磁保持繼電器的多功能 編碼開關，包括主控MCU、磁保持繼電器、工作電源模塊、數據存儲器、溫度采集模塊、485通 訊模塊、交流采集模塊、電流互感器、電壓互感器和開關驅動電路，其特點為所述的工作電 源模塊、數據存儲器、溫度采集模塊和485通訊模塊分別與主控MCU連接，主控MCU通過開 關驅動電路連接磁保持繼電器，主控MCU通過交流采集模塊分別與電流互感器和電壓互感 器連接。
[0006] 其結構中還可以包含了多個（l~n)磁保持繼電器、多個（l~n)備用磁保持繼電器、 開關驅動電路、工作電源模塊、數據存儲器、溫度采集模塊、LED指示燈顯示模塊、485通訊 模塊、交流采集模塊、多個（l~n)電流互感器、多個（l~n)電壓互感器和開關驅動電路。所 述的多個（Γη)磁保持繼電器是在驅動電路控制下作為電容器的投切開關；所述的多個 (1~η)備用磁保持繼電器是作為保護開關使用，在電容切除時，實時監測各個開關通道的 電流值，在判定用于投切使用的磁保持繼電器吸合的故障狀態下，強行斷開備用的磁保持 繼電器，避免電容長期處于投入狀態，保護設備可靠運行；所述的工作電源模塊是將交流 220V作為電源輸入，經過電源模塊轉換成多路直流電壓供給個電路模塊使用；所述的數據 存儲器是用于對各種實時與歷史運行數據進行存儲；所述的溫度采集模塊是采集電容器自 身的溫度值，在溫度超限的情況下，強行退出電容投入；所述的LED指示燈顯示模塊是包括 工作電源和投切信號指示燈，可以通過指示燈觀察本實用新型的多功能編碼開關是否正常 工作以及電容器投切情況；所述的485通訊模塊是用于與外接控制設備的數據通訊與信息 交換；所述的交流采集模塊包括電能計量芯片和信號處理電路，電能計量芯片采用高精度 AD芯片，高精度AD芯片作為電壓電流計量使用，信號處理電路的作用是將輸入的電壓電流 信息調理成高精度AD芯片內能做精確模擬數字轉換及計算的信號，再將結果定時傳送給 主控MCU，主要是采集電流、相電壓、線電壓、電容器電壓、電容投入電流等數據參數用于判 斷電壓過零投入及電流過零斷開以及電容器損耗參數計算；所述的多個（l~n)電流互感器 是用于采集電容投入時的電流，在電流值超出電容額定電流2倍時，強行退出電容投入，同 時投入的電流也可以作為計算電容器損耗的一個參數；所述的多個（l~n)電壓互感器是用 于采集相電壓、線電壓、電容器電壓等參數可以作為判斷電壓過零及計算電容器損耗的依 據。
[0007] 本實用新型的優點：
[0008] 本實用新型在正常通電運行時，主控MCU在首次控制磁保持繼電器進行投切動作 時，主控MCU能夠準確的記錄磁保持繼電器在發出閉合或斷開指令的時刻點以及磁保持繼 電器真正閉合或斷開的時刻點，并計算出磁保持繼電器在閉合與斷開時的行程時間。由于 每個磁保持繼電器的投切行程時間各異，采用本實用新型的計算方法，能夠根據不同磁保 持繼電器的投切行程時間，主控MCU計算并提前發出驅動信號，以便磁保持繼電器能夠在 正確的時刻正常動作。
[0009] 本實用新型的多功能編碼開關，可以通過溫度采集模塊實時采集電容器的溫度 值，當采集的溫度值超出預置的參數時(參數可根據實際運行環境設置)，其中的備用磁保 持繼電器強行斷開，防止電容器溫度過高，造成電容器出現爆裂或燒毀等故障。
[0010] 本實用新型的多功能編碼開關，可以通過多個（l~n)電流互感器及交流采集模塊 實時采集電容器投入時的電流值，在電流值超出電容額定電流2倍時，其中的備用磁保持 繼電器強行斷開，強行退出電容投入，保護設備可靠運行。
[0011] 本實用新型的多功能編碼開關，可以在切除電容時，實時監測各個開關通道的電 流值，在判定磁保持繼電器吸合的故障狀態下，其中的備用磁保持繼電器強行斷開，避免電 容長期處于投入狀態。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1是本實用新型實施例的結構圖。
[0013] 圖1-1是圖1中沒有安裝485通訊模塊的電路原理框圖。
[0014] 圖1-2是圖1中沒有安裝溫度采集模塊的電路原理框圖。
[0015] 圖1-3是圖1中沒有安裝備用磁保持繼電器的電路原理框圖。
[0016] 圖2是本實用新型實施例的電壓過零閉合及行程時間曲線圖。
[0017] 圖3是本實用新型實施例的電流過零斷開及行程時間曲線圖。
[0018] 圖4是本實用新型實施例的工作原理框圖。
[0019] 圖5是本實用新型實施例的保護電路工作原理框圖。

【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖和實施例對本實用新型工作原理及工作過程進行詳細說明：
[0021] 如圖1所示，是本實用新型所述實施例結構圖。包括主控MCU，多個(可以是l~n) 磁保持繼電器，多個(可以是Γη)備用磁保持繼電器，工作電源模塊，數據存儲器，溫度采集 模塊，LED指示燈顯示模塊，485通訊模塊，交流采集模塊，多個(可以是1~η)電流互感器， 多個(可以是1~η)電壓互感器，開關驅動電路。本實用新型所述的η為自然數。所述的工 作電源模塊、數據存儲器、溫度采集模塊、LED指示燈顯示模塊和485通訊模塊分別與主控 MCU連接，主控MCU通過一開關驅動電路連接磁保持繼電器，主控MCU通過另一開關驅動電 路連接備用磁保持繼電器，主控MCU通過交流采集模塊分別與電流互感器和電壓互感器連 接。本實用新型應用時如圖5所示，備用磁保持繼電器一方面接到A線、B線、C線、N線，另 一方面與磁保持繼電器連接，磁保持繼電器接到電力電容器上。本實用新型下述的電容器 指"電力電容器"。
[0022] 1)主控MCU :采用現有市售產品，完成傳輸與控制、并發出控制信號驅動磁保持繼 電器進行投切動作，這些校準分析及計算程序為一般技術人員能實現的。
[0023] 2)多個（l~n)磁保持繼電器：采用現有市售產品，作為電力行業中低壓成套裝置 中電容器的投切元件。
[0024] 3)多個（Γη)備用磁保持繼電器：采用現有市售產品，充當一種開關元件，在判定 磁保持繼電器吸合的故障狀態下，多功能編碼開關中的備用磁保持繼電器強行斷開，避免 電容長期處于投入狀態，為一般技術人員能實現的。
[0025] 4)工作電源模塊：交流220V作為電源輸入，經過電源模塊轉換成多路直流電壓供 給個電路模塊使用，其中主控MCU、數據存儲器，485通訊模塊工作電源為3. 3V直流電壓，交 流采集模塊工作電壓為5V，投切開關控制模塊工作電壓為12V。這些工作電源模塊為一般 技術人員能實現的。
[0026] 5)數據存儲器：此模塊對各種實時與歷史運行數據進行存儲，可以采用各類存儲 介質，為現有技術。
[0027] 6)溫度采集模塊：采用市售的ptlOO鉬電阻，外接直接置于電容器表面可以快速 響應溫度變化，所述的ptlOO鉬電阻為現有市售產品。
[0028] 7) LED指示燈顯示模塊：包括工作電源和投切信號指示燈，指示燈顯示的內容包 含多功能編碼開關的工作狀態以及電容器投切狀態。
[0029] 8) 485通訊模塊：此模塊是對外接控制設備進行數據通訊與信息交換，為現有技 術。
[0030] 9)交流采集模塊：包括電能計量芯片和信號處理電路，電能計量芯片采用高精度 AD芯片，高精度AD芯片作為電壓電流計量使用，信號處理電路的作用是將輸入的電壓電流 信息調理成高精度AD芯片內能做精確模擬數字轉換及計算的信號，再將結果定時傳送給 主控MCU，為一般技術人員能實現的。
[0031] 10)多個（l~n)電流互感器：采用現有市售產品，用于采集電容投入時的電流，線 電流、相電流等。
[0032] 11)多個（l~n)電壓互感器：采用現有市售產品，用于采集相電壓、線電壓、電容器 電壓等參數可以作為判斷電壓過零及計算電容器損耗的依據。
[0033] 12)開關驅動電路：此模塊為一般開關電路，當主控MCU發出控制信號指令時，經 工作電源模塊提供12V的直流電壓供給開關電路使用，使得開關電路閉合，這些開關電路 為一般技術人員能實現的。
[0034] 如圖1-1所示，是圖1中沒有安裝485通訊模塊的電路原理框圖。本實用新型可 以不安裝485通訊模塊，此時本實用新型的結構就不具有485通訊模塊功能，但本實用新型 還能實現本實用新型的目的，只是不能通過網絡傳輸數據了。
[0035] 如圖1-2所示，是圖1中沒有安裝溫度采集模塊的電路原理框圖。本實用新型可 以不安裝溫度采集模塊，此時本實用新型的結構就不具有溫度采集模塊功能，但本實用新 型還能實現本實用新型的目的，只是不具有溫度報警功能以及防止電容器溫度過高，出現 爆裂或燒毀等故障。
[0036] 如圖1-3所示，是圖1中沒有安裝備用磁保持繼電器的電路原理框圖。本實用新型 可以不安裝備用磁保持繼電器，此時本實用新型的結構就不具有備用磁保持繼電器功能， 但本實用新型還能實現本實用新型的目的，只是不具有強行斷開多個（Γη)備用磁保持繼 電器，防止電容器溫度過高，出現爆裂或燒毀等故障的功能。
[0037] 如圖2所示的是本實用新型實施例的多功能編碼開關的電壓過零閉合及行程時 間曲線圖，其中Α為主控MCU首次發出的閉合指令的時刻點，t 2為磁保持繼電器驅動電路接 收閉合指令且磁保持繼電器真正閉合的時刻點，Λ A為磁保持繼電器閉合的行程時間（單 位ms)，Ta為首次檢測到的電壓過零的時刻點，由于工頻交流電源的周期是20ms，在一個工 頻周期里，電源電壓過零會出現2次過零時刻，因此Ta+ΙΟ為第二次檢測到的電壓過零的時 刻點（單位ms)，?\為第二次檢測到電壓過零時刻點，即主控MCU發出磁保持繼電器的閉合 指令的時刻點。
[0038] 如圖3所示的是本實用新型實施例的多功能編碼開關的電流過零斷開及行程時 間曲線圖，其中t 3為主控MCU首次發出的斷開指令的時刻點，t4為磁保持繼電器驅動電路接 收斷開指令且磁保持繼電器真正斷開的時刻點，Λ t2為磁保持繼電器斷開的行程時間（單 位ms)，Tb為首次檢測到的電流過零的時刻點，由于工頻交流電源的周期是20ms，在一個工 頻周期里，電源電流過零會出現2次過零時刻，Tb+ΙΟ為第二次檢測到的電流過零的時刻點 (單位ms)，T 2為第二次檢測到電流過零時，主控MCU發出磁保持繼電器的斷開指令的時刻 點。
[0039] 結合圖1、圖2、圖3所示，為了計算出磁保持繼電器閉合的行程時間即Λ h、磁保 持繼電器斷開的行程時間即Λ t2、主控MCU發出磁保持繼電器的閉合指令時刻點?\以及主 控MCU發出磁保持繼電器的斷開指令的時刻點Τ 2。若主控MCU發出控制閉合指令驅動開關 驅動電路閉合磁保持繼電器，在這個過程中數據存儲器存儲主控MCU發出控制閉合指令的 時刻點ti，數據存儲器存儲磁保持繼電器閉合時刻點t2。當數據存儲器存儲完ti和t2后， 主控MCU計算出的磁保持繼電器閉合的行程時間即Λ Wh，此時數據存儲器繼續存儲 主控MCU計算出的磁保持繼電器閉合的行程時間Λ h。當交流采集模塊檢測到第一次電壓 過零時刻點Ta后，主控MCU開始計算發出磁保持繼電器的閉合指令時刻點TfTa+lO- Λ &， 主控MCU控制在?\時刻時發出磁保持繼電器的閉合指令驅動電器驅動電路進行閉合動作， 確保磁保持繼電器在Ta+ΙΟ該時刻點過零投切。數據存儲器存儲常量Λ h和變量?\作為 閉合磁保持繼電器的計算參數，以便本實用新型所述的多功能編碼開關進行閉合磁保持繼 電器時使用。若主控MCU發出控制斷開指令驅動開關驅動電路斷開磁保持繼電器，在這個 過程中數據存儲器存儲主控MCU發出控制斷開指令的時刻點t 3，數據存儲器存儲磁保持繼 電器斷開時刻點t4。當數據存儲器存儲完t3和t 4后，主控MCU計算出的磁保持繼電器斷開 的行程時間即At2=t4-t 3，此時數據存儲器繼續存儲主控MCU計算出的磁保持繼電器斷開 的行程時間Λ t2。當交流采集模塊檢測到第一次電流過零時刻點Tb后，主控MCU開始計算 發出磁保持繼電器的斷開指令時刻點T 2=Tb+10- Λ t2，主控MCU控制在T2時刻時發出磁保 持繼電器的斷開指令驅動電器驅動電路進行斷開動作，確保磁保持繼電器在Tb+ΙΟ該時刻 點過零投切。數據存儲器存儲常量Λ t2和變量T2作為斷開磁保持繼電器的計算參數，以便 本實用新型所述的新型的多功能編碼開關進行斷開磁保持繼電器時使用。
[0040] 當本實用新型所述的新型的多功能編碼開關中的交流采集模塊檢測到電壓過零 點時刻Ta且需要閉合磁保持繼電器時，主控MCU調用數據存儲器存儲的常量Λ 和變 量1\作為閉合磁保持繼電器的計算參數，計算出此時檢測到電壓過零投入時的時刻點為 TfTa+lO- Λ &，主控MCU將控制在?\時刻時發出磁保持繼電器的閉合指令驅動電器驅動電 路進行閉合動作。當交流采集模塊檢測到電流過零點時刻Tb且需要斷開磁保持繼電器時， 主控MCU調用數據存儲器存儲的常量Λ t2和變量T2作為斷開磁保持繼電器的計算參數，計 算出此時檢測到電壓過零斷開時的時刻點為T 2=Tb+10- Λ t2。主控MCU將控制在Τ2時刻時 發出磁保持繼電器的斷開指令驅動電器驅動電路進行斷開動作。
[0041] 如圖4所示，是本實用新型所述實施例的新型的多功能編碼開關的工作原理框 圖。其中Α線、Β線、C線、Ν線分別通過銅導線連接至新型的多功能編碼開關A、B、C、Ν端 口，工作電源模塊將采集的交流220V作為電源輸入，經過電源模塊轉換成多路直流電壓供 給個電路模塊使用，其中主控MCU、數據存儲器，485通訊模塊工作電源為3. 3V直流電壓，交 流采集模塊工作電源為5V直流電壓，投切開關控制模塊工作電源為12V直流電壓。
[0042] 如圖5所示，是本實用新型所述實施例的保護電路工作原理框圖，為了保證設備 可靠安全運行，為了加強電力電容器的使用壽命，本實用新型增加了多個（l~n)備用磁保持 繼電器作為保護開關使用。當本實用新型正常工作時，多個（Γη)備用磁保持繼電器處于常 閉狀態，電容器的投切是通過控制多個（1~η)磁保持繼電器的通斷實現。當溫度采集模塊實 時采集電容器的溫度值超出預置的參數時(參數可根據實際運行環境設置)，主控MCU分析 比較后通過I/O 口發出邏輯控制信號，經開關驅動電路轉換為具有驅動多個（1~η)備用磁 保持繼電器動作能力的控制信號中，強行斷開多個（1~η)備用磁保持繼電器，防止電容器溫 度過高，出現爆裂或燒毀等故障。當交流采集模塊中的多個（1~η)電流互感器實時采集的 電容器投入時電流值超出電容器額定電流2倍時，主控MCU分析比較后通過I/O 口發出邏 輯控制信號，經開關驅動電路轉換為具有驅動多個（Γη)備用磁保持繼電器動作能力的控 制信號中，強行斷開多個（Γη)備用磁保持繼電器，保護多個（Γη)磁保持繼電器的可靠動 作。當設備切除電容時，交流采集模塊中的多個（fn)電流互感器實時監測各個開關通道的 電流值，若還存在投入時的電流值時，即判定多個（1~η)磁保持繼電器出現吸合的故障，此 時主控MCU通過I/O 口發出邏輯控制信號，經開關驅動電路轉換為具有驅動多個（1~η)備 用磁保持繼電器動作能力的控制信號中，強行斷開多個（Γη)備用磁保持繼電器避免電容 器長期處于投入狀態。因此通過增加多個（1~η)備用磁保持繼電器來作為保護開關，能夠 提高新型的多功能編碼開關運行的安全性、可靠性。
[0043] 結合圖4、圖5所示，當Α線、Β線、C線、Ν線及電容器分別接入新型的多功能編碼開 關的相應的接線端子上時，新型的多功能編碼開關中的交流采集模塊實時采集線路電壓、 電流和電容器運行數據，通過其信號處理電路調理后送入電能計量芯片，主控MCU通過SPI 通信總線控制電能計量芯片（數據采集模塊芯片）對該信號做精確模擬數字轉換及計算， 以便獲得相電壓、線電壓、電容電壓、投入電流等信息，再通過SPI通信總線將相電壓、線電 壓、電容電壓、投入電流等信息定時傳送給主控MCU，主控MCU把計算出合適的投切策略由 I/O 口發出邏輯控制信號，經開關驅動電路轉換為具有驅動磁保持繼電器動作能力的控制 信號，驅動相應通道的磁保持繼電器通斷。由于每個磁保持繼電器的閉合和斷開的行程時 間各異，為了保證磁保持繼電器在接點的動作時刻點準確，新型的多功能編碼開關將通過 主控MCU準確計算各個磁保持繼電器的斷開和閉合行程時間，并存儲在數據存儲器中。當 新型的多功能編碼開關的交流采集模塊檢測到電壓過零點時刻Ta且需要閉合磁保持繼電 器時，主控MCU調用數據存儲器存儲的常量Λ h和變量?\作為閉合磁保持繼電器的計算參 數，計算出此時檢測到電壓過零投入時的時刻點為T^Ta+lO- Λ h，主控MCU將控制在?\時 刻時發出磁保持繼電器的閉合指令開關驅動電路進行閉合動作。當交流采集模塊檢測到電 流過零點時刻Tb且需要斷開磁保持繼電器時，主控MCU調用數據存儲器存儲的常量Λ t2和 變量T2作為斷開磁保持繼電器的計算參數，計算出此時檢測到電壓過零斷開時的時刻點為 T2=Tb+10- Λ t2。主控MCU將控制在Τ2時刻時發出磁保持繼電器的斷開指令開關驅動電路 進行斷開動作。同時主控MCU將根據磁保持繼電器實際閉合與斷開的情況由I/O 口發出控 制信號，經LED指示燈顯示模塊電路控制LED指示燈的顯示狀態，來指示新型的多功能編碼 開關的工作狀態以及電容器投切狀態。新型的多功能編碼開關的交流采集模塊連接了多個 (l~n)電流互感器和多個（l~n)電壓互感器，可以實時采集線路的相電壓、線電壓，電容器的 電容電壓及投切電流等信息反饋至主控MCU，通過采集的這些信息，可以認為的計算出電容 器實際運行后的損耗。若經交流采集模塊采集的電容電壓為U，線電壓為U AB，UB。，Ua，電容 器投切電流IAB，I BC，ICA，則可以計算電容實際的投入容量QC=UABX I# +UBCX IBC+UCAX ICA。根 據電容器額定容量Qe可以知道，電容器未出現損耗時的投入量Qcl=QeX (U/Ue) 2,（其中U 是采集的電容電壓，Ue是電力電容器的額定電壓)，這樣可以計算出損耗系數。由 于當電容器損耗值達到1/3時，電容器的利用率降低，在成套裝置中利用電容器作為補償 的效果下降，當電容器損耗值達到2/3時，電容器的輸出電流加大，電容器的發熱量高，電 容器容易出現安全隱患，因此在檢測電容器的損耗系數β具有發明創造意義。
【權利要求】
1. 一種新型的無備用磁保持繼電器的多功能編碼開關，包括主控MCU、磁保持繼電器、 工作電源模塊、數據存儲器、溫度采集模塊、485通訊模塊、交流采集模塊、電流互感器、電壓 互感器和開關驅動電路，所述主控MCU完成傳輸與控制、并發出控制信號驅動磁保持繼電 器進行投切動作，其特征在于，所述的工作電源模塊、數據存儲器、溫度采集模塊和485通 訊模塊分別與主控MCU連接，主控MCU通過開關驅動電路連接磁保持繼電器，主控MCU通過 交流采集模塊分別與電流互感器和電壓互感器連接。
【文檔編號】H02J3/18GK203839953SQ201420011356
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年1月8日 優先權日:2014年1月8日
【發明者】易智勇, 傅宇宏, 郭毓斌, 王功焰 申請人:福建陽谷智能技術有限公司