CN101192747A - 无触点长寿命软启动节能配电箱 - Google Patents

Abstract

一种新型配电箱，具有无触点、长寿命、软启动和节能的特性，适用于易燃易爆、粉尘等恶劣环境下使用，是配电箱的创新换代产品，它改变了现有的机械式配电箱结构模式，不用交流接触器，把原来只能控制电源通断的配电结构，改变为根据负载的需要智能化自动化的结构。不产生火花，安全可靠，使用寿命大大延长。结构分四部分：串联晶闸管主电路；中央控制电路；多功能保护电路；消除谐波瞬流净化电路。它有多功能保护系统，保障设备安全。有先进的软启动系统，大大降低电流电压，完全取消笨重的降压启动设备，节省投资。它有快速检测和中央处理系统，随机控制使用电量，可提高功率因数而节电。体积小重量轻，全自动易操作，运行稳定，很少维修。

Description

无触点长寿命软启动节能配电箱

技术领域：

本发明涉及一种配电装置，特别是一种无触点、长寿命、软启动、节能配电箱。它是机电一体化的全自动新型配电装置。

背景技术：

在当今的电气时代，输电是一个庞大的产业链，它是电气化电能利用的必要设备，数量十分庞大。以往的配电设备，是采用机械式的交流接触器，断路器，空气开关等。用以控制电源的通断，但只能起到通断的作用，而不能达到电能的控制作用，又易在触点间产生电弧火花，而造成烧蚀损坏，环境也不安全。特别是对大功率设备，如电动机等感性负载，为了顺利的启动，必须增设降压启动单元，如自耦变压器，Y-△降压启动，频敏电阻降压启动等，十分麻烦，且设备庞大，笨重。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是针对现有的配电设备上述不足而提出的新的配电箱，它完全改变了以往配电箱采用的机械式的触点模式。采用机电一体化，微电子控制的方法，不用交流接触器，而是用半导体功能器件-晶闸管，用微电子数字逻辑电路控制其通断，并根据需要有机的改变供电线路的电压和电流。达到智能供电，因需供电，自动化智能化目标。无触点通断，消除了触点产生的电弧和火花，使用寿命大大增加。同时该新型配电箱的另一个特点是，采用了微电子控制的柔性启动系统，或在恒流下缓慢启动，或使启动电压缓慢上升，使启动电流大为降低，达到软启动的目的。避免了对电器设备和电网的冲击。彻底去掉了原先采用笨重庞大的降压启动设施。节约了大量有色金属材料。它的另一大特点是：可以有效的节能：这是因为半导体功能元件能根据需要，随机地改变供电功率的大小(电压和电流)，改变导通角的大小。使用电设备始终在高效率的最佳运行状态下运行。使功率因数大幅度提高。电能消耗大为减小。达到大幅度节约用电的目的。总之来说，本发明的配电系统，从根本上改变了以往的机械配电箱的模式，由有触点的机械式通断改变成无触点的可控制通断；有只起到电源的通断作用，而改变成可控的智能控电系统，实现了由机械式到智能化的转变，是配电系统的重大突破，是配电系统的换代产品和发展方向，有着不可估量的意义。

本发明的上述技术问题是由如下技术方案实现的：整体结构分四大部分：主线路；中央控制系统电路；晶闸管保护电路，浪涌、谐波净化电路。均采用积木式模块化结构数字逻辑电路。主电路(强电)串联晶闸管或1GBT做通断和跟踪控制单元，它是由中央控制系统来自控的。中央控制系统分三大部分：积木式模块化结构组成。第一部分是由电源电路、保护电路、和软启动电路。第二部分是触发、快速检测、中央处理，自动跟踪指令输出的集成。第三部分是自动转换，软启动调节电路，晶闸管保护电路和净化电路。

具体结构是：

1、电源及综合保护电路：取输入端电源，降压，整流，稳压后作为控制系统的电源，取±12V(DC)，然后接多功能保护电路和软启动电路及供给第二部分控制电路，作为控制系统的基本电路。

2、多功能保护电路：由1接2，首先是缺相保护电路，这是最容易烧坏电机的，我们是采用双重保护设计，其一是：以电压为基准的零位漂移为检测手段的网电缺相保护电路(在室外非常重要)，其方法是从R，S，T三相取电源，然后降压降流。取中性点的电流信号作基础，然后作比较，放大，光电耦合，数字逻辑门电路，给出指令信号。其二：是以电流为基准的电机方面的缺相保护，这对大型电机特别重要，大电机有时因电流大，造成接头氧化或松动造成电机本身的缺相而烧坏，损失很大，所以采用此设计，双重保护，能确保电机的运行安全。

3、软启动电路：是由一个集成电路、控制元件和庞大的负反馈系统组成，以保证稳定的无级调整。可实现完美的软启动过程到节电运行的自动转换。

4、触发指令板：由电源板来的电源信号，指令信号通过桥线引入此板，并由晶闸管两端直接取电压电流信号，组成随时检测电路，测定功率因数角。它的检测速度是毫秒级的，接下来的是中央处理系统电路，它的功能是快速检测信号处理，运算，及时的给出一个指令信号。去控制主电路的晶闸管的导通角，以实现对强电电路供电的智能化控制。除此之外接下来还有两大功能电路，那就是移相节电和电机突变和负载快速跟踪电路。移相电路是由多组集成电路和庞大的负反馈系统组成。其目的是增大其可靠性和节电深度。它的调节是由精密电位器完成。而自动跟踪系统则是由光电耦合电路、基准电路和集成电路以及比较运算电路组成，随机地供应所需电能，来满足做功的需求。最大限度的节约电能。这样就把原来只是起通断、开关作用的配电箱变成一台智能化的按需求供电的自动化系统，使电机始终在最佳状态运行。所以它是配电系统的重大突破和发展方向。

5、为达到一机带多台负载泵机节电运行的功效：经过深入研究，又增设了防止电压波动的自动快速反应系统，其电路如图4，此电路保障了在一台配电箱带多台电机节电运行的情况下，各电机的自由启、停和电压突然降低的情况下电机电压自动上升，保障正常运行。

6、为了进一步提高在电机高负载率下的节电，我们经过许多年的深入研究，又增加了双跟踪控制系统，其电路如图5所示，此系统使节电率大为提高，解决了重载下的节电难题，这是我们的首创，达到了世界先进水平。

本发明的优点在于：

该配电系统体积小，重量轻，无触点，不产生火花，在易燃易爆恶劣环境下使用更安全可靠。因无触点避免了机械式触点间通、断电火花的烧蚀，寿命特别长，正常使用下可使用十年以上，甚至几十年。它具有先进的软启动设计，彻底去掉了笨重的机械式降压启动装置。把本来困难的启动过程变得轻松自如，启动电流、电压很低，避免对机器和电网的冲击，它适用范围广，可用于低电压和电压波动大的地区。它设有多功能的保护系统，可确保长期安全运行。它故障率低，几乎是免维修，可节省大量的维修费用。它是一个智能化的供电系统，随时按需供电，功率因数大幅度提高，可不用就地电容补偿，或减少补偿容量，并可大量节约电能。

具体实施方式：

下面结合图作进一步说明：

本发明的原理方框图(图1)

本发明的电路原理图(图2)：电源及保护，软启动部分

本发明的检测，中央处理及自动跟踪系统电源原理图(图3)

本发明自动转换，软启动设定及电压波动保障系统原理图(图4)

本发明的双跟踪系统的原理图(图5)

本发明的净化电路图(图6)

如图1所示：是本发明的整体结构电路原理方框图，其功能电路主要可分五大部分。即①主电路：由空开接电网，中间串接双向晶闸管模块，输出端接电机。它受控于控制电路。②控制系统功能电路：它包括基本电源电路；缺相过流等多功能保护电路；软启动电路；快速检测电路；中央处理电路；自动跟踪电路；节电调整电路组成。它连接于输入电网电源，经主令开关，限流保险管，变压器等而进行AC/DC转换得±12V直流电作为各个控制系统的基本电源和指令信号。各个控制电路单元的总输出是接晶闸管的触发脉冲，去控制晶闸管的门极触发和导通角。③自动转换和一机带多机节电运行电路：其输入端是按DC电源和主电路的输出端取样它是由继电器，延时电路，调整电路，电压波动跟随电路所组成。其输出端接软启动信号线S和节电调整。其特征是可实现软启动及启动后自动转换成节电运行及电压波动的防止，跟随提高电压。④精密双跟踪系统电路，它的输入接电源±12V及主电路的输出端，经光电耦合，精密电位器调整，电压波动自动跟踪，其输出信号接节电调整电路。⑤旁路开关：手动旁路是由主电路并联的空开来完成。输入接主电网电源，输出接负载电机。

如图2所示：是具体的控制系统功能电路原理图。其特征包括AC/DC电源电路，图中虚线内(1)部分；缺相过流保护电路，虚线内(2)部分软启动线路；虚线内(3)部分。下面将连接方式分述于下：AC/DC电源电路其输入是接自电网，经主令开关，保险管，进入变压器，经降压整流(V22，V23)，IC4，IC5(7810，7910)稳压和C30，C31滤波后得到±12V直流电源，作为供给整个控制系统的电源和指令信号。缺相过流保护电路：输入连接R，S，T三相输入电网电源，经电阻器限流降压后取0位点，(R45-R47)经整流(V26)后，经比较放大，光电耦合(IC2)逻辑门电路输出接信号线S，控制指令信号。如图中虚线内(2)所示。软启动电路，如图中虚线框内(3)部分所示，其输入与±12电源相连，经过精密电位器、比较器，电阻电容组成的负反馈系统，其输出与S线相连，并用桥线导入图3所示的控制系统，作指令信号。

图3所示为主控制系统中的检测电路(1)，和中央处理电路(2)和自动跟踪电路(3)及精密双跟踪电路(4)所组成。检测电路输入接晶闸管两端和DC电源，经比较，放大，将信号输出接于中央处理电路(2)；中央处理电路(3)，输入接DC电源和检测电路，经比较，放大综合处理信号后给出指令信号，并与基波信号叠加送入脉冲变压器，脉冲变压器给出双脉冲信号接晶闸管触发门极G1、G2。

图4.是自动转换和一机带多机电路图，其(1)部分为自动转换电路，其(2)是一机带多机自由开、停部分。它的输入接DC电源及信号线S2，经稳压、分压后进入IC电的比较器，经单稳态及反相放大给继电器信号，控制继电器吸合，再经延时给转换信号，实现自动转换，并由LED1、LED2进行指示。第(2)部分为一机带多机防止电压波动电路，它的输入接(1)部分的DC电源和由J常开点引入的G信号，(来源于转换电路)，经延时输出接节电调整电路。其作用主要是防止电压波动，以保障多台电机的启、停。

双跟踪系统(5)，如图5所示，它的输入接主电路输出端和DC电源及指令信号线S，经过电阻降压限流，精密电位器调整进入自制的耦合放大IC，输入的指令信号S及DC电源G，经精密电位调整控制，输出给节电调整电路中的N2集成电路比较器，再与基波信号相叠加输出给触发脉冲信号，控制晶闸管的导通角。以此完成控制主电路，达到智能供电之目的。

图6.是净化电路：是为消除电网系统的浪涌和谐坡而设置的。其原理是并联于主电路中，利用箝位的方法，将大的谐波、浪涌传导出去，以达到净化的目的。

Claims (10)

1.一种无触点、长寿命、软启动、节能配电箱，它是包括由晶闸管，或IGBT控制的主电路和中央控制电路；自动检测触发电路；电源及保护电路；软启动电路；自动转换电路；电压波动保护电路；以及净化电路等所组成的机电一体化配电装置，其特征在于：该装置是应用航天技术而设计的全自动跟踪，智能化管理系统。

各功能电路的联接是：AC/DC电源电路是接于电网电源端，而其输出(±12V)是接与各功能电路的电源。缺相，过流多功能保护电路是接于输入电网电源的R，S，T三相电源，经电阻降压限流取0位点，其输出接逻辑门电路，门电路的输出接指令信号线S。软启动电路接直流+12电源，经比较电路，充电电路输出接S线。再接入自动转换电路；快速检测电路接晶闸管两端，而其输出接中央处理电路。中央处理电路上接检测电路，下接基波发生电路和脉冲电路，脉冲电路下接触发输出再接晶闸管触发门极G1、G2；自动跟踪电路上接晶闸管两端取信号，经比较放大，光电耦合输出接节电调整电路。节电调整电路上接自动跟踪电路和DC电源，并通过精密电位器调整后输出接触发脉冲及双跟踪系统；双跟踪电路输入接主电路的输出端和DC电源，下接节电调整电路。自动转换和一机带多机电路输入接DC电源，经延时输出接继电器的接点。完成自动转换和防止电压波动保障一机带多机的自由启、停。两者的输出都接节电调整电路。

2.根据权利要求1所说的配电箱，其特征在于中央控制系统是采取模块化设计，逻辑电路，精确度高。长期安全运行。其电路可分以下部分。

①AC/DC基本电路和指令信号设定电路；②多功能保护及声光报警电路；③软启动系统；④快速检测及中央处理系统电路；⑤自动跟踪系统；⑥节电调整设定；⑦自动转换及防止电压波动系统电路；⑧双跟踪稳压电路及净化谐波、浪涌电路；⑨晶闸管保护电路。

3.根据权利要求2所说的中央控制系统，(1)AC/DC电源及指令信号，是取自晶闸管的输入端电源，经过主令开关及保险管，供变压器得±16伏交流电源。再经整流稳压、滤波、缓冲得到稳定的±12V直流电源，作为中央控制系统的基本电压和指令信号。

4.根据权利要求2所说，中央控制系统(2)，多功能保护电路，其缺相保护是采用特别设计的，高灵敏度双重保护的形式。一是以电压为基础的网络缺相保护，其原理是根据三相电源其中缺相时，零位点会产生偏移，产生电流而设计的。具体电路是：取电源A、B、C三相，经电阻降压，取中点然后经过放大电路，光电耦合，比较电路，逻辑门电路而输出指令信号，控制电机运行，保护电机。二是基于电流为基础的电机本身缺相保护，其电路是：从输出三相取电流信号，经调整放大，光电耦合，逻辑门电路而输出指令信号，保障电机的安全。这对大型电机特别重要。取过流保护电路是采用反时限原理，过流超过门限，可根据过流等级自动延时长短切断电源，准确而合理，其电路是经交流互感器，取电流信号。经调整、放大、比较电路及设定门限，启动延时，逻辑门电路而输出指令信号。当出现事故时即声光报警，并指令停机。

5.根据权利要求2所说的中央空控制系统(3)，软启动及设定调整电路是由集成电路比较器，大规模反馈系统和信号叠加而完成的。正如图2中划线部分(3)所示。它即可实现恒压软启动，也可以实现恒流软启动。完全可以代替现有的自耦变压器，星-三角转换，频敏电阻降压启动，节省大量的设备投资。

6.根据权利要求2所说的中央控制系统(4)快速检测电路和中央处理系统，如图3中划线的部分(1)中所示的电路。它是直接取电压，电流信号于晶闸管的输入输出两端，通过比较电路而直接快速检测电压和电流的夹角(Φ角)，功率因数角，Φ角的变化，即体现了电机运行情况的变化。其电路如图3中划线(2)部分所示，其主要是中央处理器，基波发生器、比较器等组成。它的作用是接收检测信号，快速运算，给出新的指令信号，以控制晶闸管的导通角，来实现主电路中输出电能的控制。

7.根据权利要求2所说中央控制系统(5)，自动跟踪系统其电路设计正如图3中划线框内(3)部分所示。其中主要由光电耦合，集成电路，比较电路及基准电压电路等组成，其作用是突变负载的快速跟踪，跟踪速度达毫秒级，它的作用是紧紧跟踪电机负载的变化，把握节电时段，并保障电机正常出力和运行。

8.根据权利要求2所说的中央控制系统(6)，节电调整设定电路，其结构如图3中划线部分(4)所示。是由集成电路，比较电路，负反馈电路组成，其中用精密电位器(4R27)来调整移相功能，调整节电的深度，和启动运行的节电最佳点。由于有庞大的负反馈系统设计，运行非常稳定，其调整范围也非常大(通常选用：415V-250V)。

9.根据权利要求2所说的中央控制系统(7)自动转换及防止电压波动电路，如图4所示，其电路结构如图4，它是由稳压滤波，分压，比较，单稳态，反相放大，集成电路，指示电路，继电器等组成。又分两大部分，(1)是自动转换电路，它的作用是软启动的设定调节，软启动完成后自动转换成节电运行，(2)部分电压波动自行调整，和保障一机带多机的自由启、停的部分。

10.根据权利要求2所说中央控制系统(8)双跟踪及精密调节电路，它是独特设计的一个电路，其结构如图5所示，它是由大规模集成电路，光电耦合，负反馈，指令信号叠加等功能电路组成，它的作用：一是能对配电箱节电曲线更精密的控制使电机在较高负载情况下达到较大幅度的节电，进一步提高节电率。二是调整的最佳点可进一步浮动，使节电率大为提高，使整体运行状态进一步优化，这是本发明的又一新特点。净化电路则是利用，气体放电管，压敏电阻及半导体瞬流抑制二级管的三级箝位作用，而滤除电路的谐波、瞬流污染。起到即净化电网又节电的目的。

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