CN100555490C - 使用于交流电路的电力开关的投入/切离方法及装置 - Google Patents

使用于交流电路的电力开关的投入/切离方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用于交流电路的电力开关的投入/切离方法及装置,是由电压/电流感测电路侦测到交流电路中的电压/电流信号,并提供实时电气角度,电气角度设定电路预设及储存有欲投入/切离的电气角度,当电气角度侦测电路依据实时电气角度及预设的投入/切离电气角度侦测到电气角度符合并发出信号,投入/切离时机判断电路接收由外部送入的随机投入/切离命令,配合角度符合的信号,在实时电气角度等于预设的投入/切离电气角度瞬间,产生最终的投入/切离信号,经主开关驱动电路驱动电力开关,使进行投入/切离的动作。

Description

使用于交流电路的电力开关的投入/切离方法及装置
技术领域:
本发明涉及一种使用于交流电路的电力开关的投入/切离方法及装置,特别是关于一种为投入/切离电气角度可经由模拟或数字组件构成的电气角度控制器预先规划或设定,使电力开关确实于预期的电气角度投入/切离的使用于交流电路的电力开关的投入/切离方法及装置。
背景技术:
商用与工业用的交流电路使用弦式电源,电路的负载不外电阻、电容、电感、变压器、交流电机等产生弦式电流的负载,或由各式电力转换器如整流器、变频器等产生非弦式电流的负载。电源与负载间以开关作为两者的联结与脱离,每当开关投入/切离时,常伴随时间长短不一且大小程度不同的电路瞬时现象,电路于瞬时发生时间内,会出现超出正常运作值的电压及电流。这些瞬时现象有时仅引起本身或周边轻微的干扰,有时会造成电路误动作,过于严重的瞬时现象则可能造成严重的故障,引发事故。现有技术中抑制瞬时现象的方式不外于电路中加入缓冲组件,如电感可抑制瞬时电流,电容可抑制瞬时电压,也有以电感、电容及电阻以串并联组合达到抑制瞬时现象的目的。这些使用被动组件抑制瞬时的方式虽然可靠,但大大增加设备成本,电路的复杂度也提高。图1所示即为现有技术抑制瞬时电流的方法,其中负载为电容器,电感器则以其抑制电流变化的特性,以达到抑制瞬时电流的作用。如图1所示,三相系统以并联进相电容器改善功率因子的接线图,三相电源10经开关11与负载连接,其中负载为电容器13,电感器12则以其抑制电流变化的特性,可达到抑制瞬时电流的作用。
一般电路投入/切离的时机在时间上为一随机信号,然交流电路瞬时现象的程度,与投入/切离瞬间弦式电源的电气角度有密切关系,如能将随机式的投入/切离时机,经适当的延迟,可有效的减轻甚至消除瞬时现象。现有中有开关控制器可执行零交越点(0°或180°电气角度)投入/切离,如电压零交越点投入,电流零交越点切离,均以零交越点为限。图2为现有技术具备零交越点投入/切离的开关控制器,其中电源电压经变压器降压后由零交越点产生与0°及180°电气角度同步的方波及脉冲,利用此脉冲可控制开关于0°或180°电气角度投入或切离。如图2所示为现有技术具备零交越点投入/切离的开关控制器,其中电源电压20经变压器21降压后由零交越电路22及脉冲产生电路23,产生与0°及180°电气角度同步的方波及脉冲,利用此脉冲控制开关24于0°或180°电气角度投入或切离。由于已知技术有增加设备成本、提高复杂度及投入/切离无弹性及无法规划,因此其确有改进的必要与空间。
发明内容:
本发明所要解决的技术问题是:针对上述现有技术的不足,提供一种使用于交流电路的电力开关的投入/切离方法及装置,其系投入/切离电气角度可经由模拟或数字组件构成的电气角度控制器预先规划或设定,使开关确实于预期的电气角度投入/切离,能有效的减轻甚至消除电路瞬时现象。
为了解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种使用于交流电路的电力开关的投入/切离方法,包括:由一电压/电流感测电路将一电压及电流讯号转换成实时电气角度讯号;由一电气角度设定电路预设及储存欲投入/切离的电气角度;由一电气角度侦测电路根据实时电气角度及预设之投入/切离电气角度而产生角度符合的信号时,即可供一投入/切离时机判断电路在接收到由一开关送入的随机投入/切离命令,配合角度符合的信号,在实时电气角度等于预设的投入/切离电气角度瞬间,产生一投入/切离信号,进行投入/切离的动作。
用于上述方法的装置,包括有一电压/电流感测电路侦测电压/电流讯号提供实时电气角度;一电气角度设定电路,预设及储存欲投入/切离的电气角度;一电气角度侦测电路,侦测实时电气角度及预设的投入/切离电气角度所产生的信号;一投入/切离时机判断电路,使接收一随机投入/切离命令,配合上述角度符合的信号,产生投入/切离信号;及一主开关驱动电路,接到投入/切离信号进行投入/切离的动作。
本发明电力开关由高功率固态电子开关零件如二极管(diode)、双接面晶体管(BJT)、闸极隔离晶体管(IGBT)或金氧半场效晶体管(MOSFET)等组成。而组成方式依使用电子开关种类与数目有数种不同的结构。
本发明所采用的另一种方法是:包括:启动系统;判断输入的讯号是否改变,如没改变继续侦测系统,如讯号改变则抓取侦测电路的讯号;等待欲动作角度;及判断是否符合投入/切离的讯号,如符合投入讯号,则进入开关投入流程,若符合切离讯号,则进入开关切离流程。
用于上述方法的装置是:该装置包括一电压感测电路、一电流感测电路、一弦波转方波电路、一接口通讯电路及一数字微处理器,该电压/电流感测电路与电源电压及电流同步的信号的回授信号分别可由该弦波转方波电路转换成与电压及电流同步的信号以供该数字微处理器侦测实时电气角度,而该接口通讯电路提供一投入/切离角度的设定,藉由该微处理处判断电气角度是否与预设电气角度符合,而控制投入/切离动作。
本发明的使用于交流电路的电力开关的投入/切离装置采用的另一种技术方案是:该装置包括一电压感测电路、一电流感测电路、一弦波转方波电路、一接口通讯电路及一数字微处理器,该电压/电流感测电路与电源电压及电流同步的信号的回授信号分别可由该弦波转方波电路转换成与电压及电流同步的信号以供该数字微处理器侦测实时电气角度,而该接口通讯电路提供一投入/切离角度的设定,藉由该微处理处判断电气角度是否与预设电气角度符合,而控制投入/切离动作。
本交流电路的电力开关的投入/切离装置可供控制数组三相开关的投入/切离。
本发明可由两种方式实现,分别为数字式(可程序规划)及非数字式。如以非数字式实现时,前述各电路均可由电子组件构成达到电路所须的功能,如使用运算放大器、比较器、电阻、电容及逻辑电路等电子组件。而电气角度的设定则以模拟电压或电流方式设定,如以0-10V或4-20mA设定0°~360°。如以数字式实现时,电气角度设定/侦测电路及投入/切离时机判断电路,将由数字式微处理器,如单片微机(single-chip CPU)或数字信号处理器(digital signal processor)实现,配合可程序进行相关信号的设定、比较、侦测与产生。该电气角度的设定可预设于微处理器的内存内,也可透过数字传输接口随时修正或变更,如此将使本发明的应用更具弹性及灵活。
交流电路依电源的结构主要有单相及三相两种,本发明可分别应用于此两种电源,且依实际需求能有多种应用类型。
附图说明:
图1为已知技术三相系统以并联进相电容器改善功率因子的接线示意图;
图2为已知技术具备零交越点投入/切离的开关控制器示意图;
图3为本发明使用于交流电路的电力开关的投入/切离的系统架构图;
图4a-图4c为本发明的电力开关示意图;
图5a-图5b为本发明电压/电流感测电路的示意图;
图6为本发明电气角度设定电路及电气角度侦测电路的示意图;
图7a-图7b为投入/切离时机判断电路的示意图;
图8为本发明以数字式实现时的电路架构示意图;
图9a为本发明数字微处理处的流程示意图;
图9b为本发明开关投入流程示意图;
图9c为本发明开关切离流程示意图;及
图10为本发明投入/切离角度设定画面示意图。
符号说明:
三相电源10                        开关11
电感器12                          电容器13
电源电压20                        变压器21
零交越电路22                      脉冲产生电路23
脉冲控制开关24                    电压/电流感测电路30
电气角度设定电路31                电气角度侦测电路32
投入/切离时机判断电路33
主开关驱动电路34                    电力开关40
二极管41                            闸极隔离晶体管42
高功率固态电子开关43                高功率固态电子开关44
电气角度设定电路50                  电气角度侦测电路51
可调电阻52                          回授信号53
比较器54                            第一判断电路60
第二判断电路61                      第一逻辑电路62
随机投入/切离命令63                 投入时机判断电路64
切离时机判断电路65                  第二逻辑电路66
电压感测电路70                      电压传感器71
运算放大器72                        电流感测电路73
电流传感器74                        弦波转方波电路80
接口通讯电路81                      数字微处理器82
输入讯号A 83                        输入讯号B 84
输出讯号A-1、输出讯号A-2、输出讯号A-385
输出讯号B-1、输出讯号B-2、输出讯号B-386
具体实施方式:
请参阅图3为本发明使用于交流电路的电力开关的投入/切离的系统架构图,本发明使用于交流电路的电力开关的投入/切离装置包括有一电压/电流感测电路30、一电气角度设定电路31、一电气角度侦测电路32、一投入/切离时机判断电路33及一主开关驱动电路34,当该电压/电流感测电路30将一交流电路(图中未示)中的电压及电流讯号转换成控制用的信号,以提供实时电气角度。亦即在正常情况下,电压及电流具弦波形式,此控制用的信号可提供实时电气角度。该电气角度设定电路31可预设及储存欲投入/切离的电气角度,当该电气角度侦测电路32根据实时电气角度及预设的投入/切离电气角度而产生角度符合的信号时,即可供该投入/切离时机判断电路33在接收到由外部开关送入的随机投入/切离命令,配合角度符合的信号,在实时电气角度等于预设的投入/切离电气角度瞬间,产生最终的投入/切离信号,经该主开关驱动电路34放大后驱动电力开关40,进行投入/切离的动作。
本发明使用于交流电路的电力开关的投入/切离方法包括由该电压/电流感测电路30将一电压及电流讯号转换成实时电气角度讯号;由该电气角度设定电路31预设及储存欲投入/切离的电气角度,当该电气角度侦测电路32根据实时电气角度及预设的投入/切离电气角度而产生角度符合的信号时,即可供该投入/切离时机判断电路33在接收到由一开关送入的随机投入/切离命令,配合角度符合的信号,在实时电气角度等于预设的投入/切离电气角度瞬间,产生一投入/切离信号,经该主开关驱动电路34放大后驱动电力开关40,进行投入/切离的动作。
请参阅图4a-图4c为本发明的电力开关示意图,其中图4a为开关40的示意图,图4b为以四个二极管41与一个闸极隔离晶体管42(IGBT)组成的高功率固态电子开关43,图4c为使用两个闸极隔离晶体管42组成的高功率固态电子开关44。图中虽以闸极隔离晶体管为实例,然其它固态电子开关如金氧半场效晶体管(MOSFET)、双接面晶体管(BJT)或门流体(Thyristor)等均为等效的组合实施例。
本发明可由两种方式实现,分别为数字式(可程序规划)及非数字式,首先为非数位式,请参阅图5a-图5b为本发明电压/电流感测电路的示意图,该电压感测电路70系由一电压传感器71将该交流电路的电压转换为低电压信号,再经运算放大器72调整为适当的振幅,然后传至该电气角度侦测电路51,如图6所示,侦测实时电压电气角度。或该电流感测电路73系由一电流传感器74将该交流电路的电流转换为低电流信号,再经运算放大器72调整为适当的振幅,传至该电气角度侦测电路51,侦测实时电流电气角度。
请参阅图6为本发明电气角度设定电路及电气角度侦测电路的示意图,该电气角度设定电路50及该电气角度侦测电路51是以电子组件组成,该电气角度设定是以该电气角度设定电路50中的一可调电阻52设定,而该实时电气角度则由该电压感测电路70或该电流感测电路73取得与电源电压或电流同步的信号的回授信号53,该回授信号53则由该电气角度侦测电路51转成与角度值成线性关系的锯齿波电压,以与由该可调电阻52设定的电气角度经一比较器54判断是否相符。
请参阅图7a-图7b为投入/切离时机判断电路的示意图,该投入/切离时机判断电路包括一第一判断电路60、一第二判断电路61、一第一逻辑电路62、一随机投入/切离命令63、一投入时机判断电路64、一切离时机判断电路65及一第二逻辑电路66,该实时电气角度与该投入设定电气角度相符合时,由该第一判断电路60送出上升缘及下降缘(方便逻辑选择)的信号,而该第二判断电路61则用以处理实时电气角度与切离设定电气角度相是否符合。该第一逻辑电路62系将外部送入的随机投入/切离命令63转换成上升缘及下降缘(方便逻辑选择)的信号。如此使该投入时机判断电路64依据该第一判断电路60及该第一逻辑电路62的信号,产生正确的投入信号。该切离时机判断电路65依据该第二判断电路61及该第一逻辑电路62的信号,产生正确的切离信号。投入信号及切离信号再经该第二逻辑电路66转换成上升缘及下降缘(方便逻辑选择)的信号,以产生投入/切离信号,进行投入/切离的动作。
请参阅图8为本发明以数字式实现时的电路架构示意图,该电路架构包括一电压感测电路70、一电流感测电路73、一弦波转方波电路80、一接口通讯电路81及一数字微处理器82,该接口通讯电路81可为RS-232或RS-485,在本实施例中,是采用RS-232通讯电路,该电压感测电路70及该电流感测电路73与电源电压及电流同步的信号的回授信号分别可由该弦波转方波电路80转换成与电压及电流同步的信号以供该数字微处理器82侦测实时电气角度。该RS-232通讯电路81提供由外部投入/切离角度的设定,此设定功能包括预先设定及在线及时修改,同时也可作为该数字微处理机82与外部的信息沟通。一输入讯号A 83为由外部送入的随机投入/切离命令,其与输出讯号A-1、输出讯号A-2及输出讯号A-3 85对应,这种一输入三输出的搭配是针对三相系统而言,在这种搭配下,三相中的每个开关均可独立设定投入/切离角度,且投入/切离角度可选择以电压感测电路70或电流感测电路73的回授信号为依据。前述一输入三输出的搭配可以复数组搭配同时存在,亦即本发明可同时接受复数个外部送入的随机投入/切离命令,且控制复数组三相开关的投入/切离。如图8中输入讯号B 84及输出讯号B-1、输出讯号B-2及输出讯号B-386为另一组一输入三输出的搭配。因此藉由微处理处82判断电气角度是否与预设电气角度符合,而控制投入/切离动作。
请参阅图9a为本发明数字微处理处的流程示意图,首先启动本发明系统,接着判断输入的讯号是否改变,如果没改变继续侦测系统,如果讯号改变则抓取侦测电路的讯号,等待欲动作角度,判断是否符合投入/切离的讯号,如果符合投入讯号,则进入开关投入流程,若符合切离讯号,则进入开关切离流程。
请参阅图9b为本发明开关投入流程示意图,当进入开关投入流程时,先抓取侦测电路的讯号,等待投入角度。当开关投入时,判断三相开关是否均投入,若是,则判断输出回授讯号是否正确,如是则投入动作完成。若三相开关尚未完全投入,则持续等待,一直到三相均正确投入,再判断输出回授讯号是否正确,如否则持续判断,如是则投入动作完成。
请参阅图9c为本发明开关切离流程示意图,当进入开关切离流程时,先电译切离讯号,接着抓取侦测电路的讯号,等待切离角度。当开关切离时,判断三相开关是否均切离,若是,如是则切离动作完成。若不是,则持续等待,一直到三相均正确切离,才完成切离动作。
为了能够方便及快速的设定三相开关投入/切离角度,本发明以Visual Basic设计开关投入/切离角度的人机接口,于个人计算机上可预先(preset)或在线(on-line set)设定三相开关投入/切离角度,透过RS-232通讯电路81将所设定三相开关投入/切离角度透过RS-232通讯电路81传入数字微处理器82,作为投入/切离软件程序的判断依据。图10即为本发明投入/切离角度设定画面图,图10中地址30(16进位)至35(16进位)用以设定第一组三相开关投入/切离角度,本发明的设计可供控制复数组三相开关的投入/切离,故图10中地址36(16进位)至3D(16进位)用以设定第二组三相开关投入/切离角度。改投入/切离角度值的设定亦以16进位值输入,角度的分辨率为2度,所以若动作角度为90度,则于缓存器中必须存入45,以16进制来看则为2D(16进位),例如图10中地址30(16进位)、32(16进位)、34(16进位)均设定为2D(16进位),地址31(16进位)、33(16进位)、35(16进位)均设定为87(16进位),则表示第一组三相开关投入角度均为90度,第一组三相开关切离角度均为270度。

Claims (10)

1.一种使用于交流电路的电力开关的投入/切离方法,其特征在于:该方法包括:
由一电压/电流感测电路将一电压及电流讯号转换成实时电气角度讯号;
由一电气角度设定电路预设及储存欲投入/切离的电气角度;
由一电气角度侦测电路根据实时电气角度及预设之投入/切离电气角度而产生角度符合的信号时,即可供一投入/切离时机判断电路在接收到由一开关送入的随机投入/切离命令,配合角度符合的信号,在实时电气角度等于预设的投入/切离电气角度瞬间,产生一投入/切离信号,进行投入/切离的动作。
2.根据权利要求1所述的使用于交流电路的电力开关的投入/切离方法,其特征在于:该投入/切离信号经一主开关驱动电路放大后驱动一电力开关。
3.根据权利要求1所述的使用于交流电路的电力开关的投入/切离方法,其特征在于:该电压及电流讯号为一弦波讯号。
4.一种使用于交流电路的电力开关的投入/切离装置,其特征在于:该装置包括有:
一电压/电流感测电路,侦测电压/电流讯号提供实时电气角度;
一电气角度设定电路,预设及储存欲投入/切离的电气角度;
一电气角度侦测电路,侦测实时电气角度及预设的投入/切离电气角度所产生的信号;
一投入/切离时机判断电路,使接收一随机投入/切离命令,配合角度符合的上述信号,产生投入/切离信号;及
一主开关驱动电路,接到投入/切离信号进行投入/切离的动作。
5.根据权利要求4所述的使用于交流电路的电力开关的投入/切离装置,其特征在于:所述电压/电流讯号为弦波讯号。
6.根据权利要求4所述的使用于交流电路的电力开关的投入/切离装置,其特征在于:所述主开关驱动电路放大后可驱动一电力开关,进行投入/切离的动作。
7.根据权利要求6所述的使用于交流电路的电力开关的投入/切离装置,其特征在于:所述电力开关为高功率固态电子开关。
8.根据权利要求4所述的使用于交流电路的电力开关的投入/切离装置,其特征在于:所述电压/电流感测电路由一电压/电流传感器将交流电路的电压/电流转换为低电压/电流信号,再经运算放大器调整为适当的振幅,然后传至该电气角度侦测电路。
9.根据权利要求4所述的使用于交流电路的电力开关的投入/切离装置,其特征在于:所述电气角度设定电路使用一可调电阻设定一电气角度,而该电气角度侦测电路则侦测电压/电流的电气角度,使两者经一比较器判断是否相符。
10.根据权利要求4所述的使用于交流电路的电力开关的投入/切离装置,其特征在于:所述投入/切离时机判断电路包括一第一判断电路、一第二判断电路、一第一逻辑电路、一随机投入/切离命令、一投入时机判断电路、一切离时机判断电路及一第二逻辑电路,该实时电气角度与该投入设定电气角度相符合时,由该第一判断电路送出信号,而该第二判断电路则用以处理实时电气角度与切离设定电气角度相是否符合而送出信号,该第一逻辑电路系将随机投入/切离命令信号送出,使该投入时机判断电路按该第一判断电路及该第一逻辑电路的信号,产生正确的投入信号,而该切离时机判断电路依据该第二判断电路及该第一逻辑电路的信号,产生正确的切离信号,最后将投入信号及切离信号再经该第二逻辑电路产生的信号,进行投入/切离的动作。
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