CN101369136A - 一种可分时上电的电源分配单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可分时上电的电源分配单元，属于工业控制技术领域，其结构包括电源插排、逻辑控制单元、输入端子连接器和AC－DC转换电路，输入端子连接器连接总电源，为电源分配器提供全部功率，电源插排和逻辑控制单元之间以信号排线相连，AD－DC转换电路以开关电源的方式将交流220V电压变换为5V TTL直流电压并提供给逻辑控制单元，设备采用单片机作为延时输出逻辑的控制器，通过采集控制面板上的延时设定，从而达到分别控制每位插座的开关电路，对其进行精确的分时上电的作用。设备还可以对总负载电流进行测量和显示，并提供过流保护。本发明解决了工业应用中多负载同时上电造成的瞬间电流过大，引起设备损坏和电网波动的问题，提高了设备的可靠性和安全性。

Description

一种可分时上电的电源分配单元

(一)技术领域

本发明涉及一种工业控制技术，具体地说是一种以单片机作为逻辑控制中心，实现了具有分时上电功能的电源分配单元。

(二)技术背景

电源分配技术几乎可以应用于需要电能的所有领域。在民用场合，由于负载的数量一般都不多，功率也不会很大，电源分配方式的重要性就被忽略了，无论如何分配对用户的使用都不会有明显的影响；而在工业应用环境中，往往伴随着大量设备的集中使用，功率也较高，能否有效地进行电源分配，关系到设备和应用的安全。

当设备启动时，会产生一个瞬时启动电流，依据负载的不同，这个启动电流的大小也不同，通常为设备额定电流的3～10倍，而该电流的持续时间也不同，有些极短，有些可达1～2S。这就产生了问题，若有许多设备在相对集中的时间内同时启动，就会在瞬间产生巨大的电流，不但可能损伤甚至烧毁供电设备，还会使电网产生大的波动。

现有的电源分配器往往使用手动操作的方式控制负载设备的上电，这在操作大量设备时就比较繁琐，不但浪费时间，还容易出错；有的电源分配器甚至手动控制都不具备，接上负载后即直接供电，更是无法保障负载分时启动的要求，容易造成供电设备的损坏，对电网形成冲击；由于普遍不具备内嵌软件，上电的策略受硬件条件制约，十分单一。综合各种条件，开发一种智能化的电源分配单元是十分必要的。

(三)发明内容

本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种自动化程度高、安全可靠的可分时上电的电源分配单元。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可分时上电的电源分配单元，包括包括电源插排、逻辑控制单元、输入端子连接器和AC-DC转换电路，输入端子连接器连接总电源，为电源分配器提供全部功率，电源插排和逻辑控制单元之间以信号排线相连，AD-DC转换电路以开关电源的方式将交流220V电压变换为5V TTL直流电压并提供给逻辑控制单元，逻辑控制单元根据设定的上电顺序对电源插排中的各个插座进行分时自动上电，实现对电源分配器的冲击电流保护，提高其可靠性。

上述输入端子连接器连接总电源，为电源分配器提供全部功率。其线径由电源分配器能提供的最大负载功率决定。设每位插座的额定负载为i安培，则输入端子连接器至少可承受N×M×i安培的电流。在火线回路上串接一个熔断器，为电源分配器提供过流保护。AD-DC转换电路以开关电源的方式将交流220V电压变换为5V直流电压和24V直流电压，分别提供给逻辑控制单元和电源插排中的开关继电器。

上述电源插排和逻辑控制单元之间以信号排线相连，并被封装在一个屏蔽良好的金属壳体中，金属壳体与插排的接地端子相连。电源插排可有N个输出插座组，每组具有M个工业标准输出插座，共可提供N×M位输出。N≥1，M≥4。每一位插座由其对应的开关电路控制其接通与断开。开关电路由单节点继电器与RC电弧吸收回路组成。继电器通过控制火线回路的通断来控制插座是否供电，RC电弧吸收回路可以去除继电器干结点的打火现象，提高继电器使用寿命。

上述逻辑控制单元采用单片机作为延时输出逻辑的控制器，以高精度的晶振作为时间基准。由‘增’、‘减’按钮+LED数码管显示构成用户设定延时时间的交互界面。逻辑控制单元设有N×M位拨码开关，由用户选择每位插座是否供电。单片机通过IO口采集用户的时间设定和输出设定，在内部定时器的计时控制下，以一定的时间间隔向开关电路的继电器发送控制信号，达到限制电源分配器瞬间启动总电流、提高设备可靠性的作用。同时，控制单元对负载电流进行监测：采用电流互感器将电源分配器的总负载电流变换为mA级的可测电流，在电流互感器的输出端进行电阻取样而变换成电压。该电压经过放大调理、AD采样和数值换算后得到显示值，并通过LED驱动电路送往LED数码管显示。

上述逻辑控制单元提供对电源插排的每组输出插座的延时设定面板，可以对各组输出插座分别设定上电时间，并控制各组中每一位输出插座的上电与否；逻辑控制单元还提供每一位插座的输出状态的LED灯指示及电源分配器的总负载电流显示。

本发明的一种可分时上电的电源分配单元与现有技术相比，所产生的有益效果是：

1)本发明采用单片机作为延时输出逻辑的控制器，通过采集控制面板上的延时设定，从而达到分别控制每位插座的开关电路，对其进行精确的分时上电的作用。

2)本发明还可以对总负载电流进行测量和显示，并提供过流保护。

3)本发明解决了工业应用中多负载同时上电造成的瞬间电流过大，引起设备损坏和电网波动的问题，提高了设备的可靠性和安全性。

(四)附图说明

附图1为本发明的电源分配单元的结构框图；

附图2为本发明的电源分配单元的内部连接关系图；

附图3为本发明的开关电路的结构示意图；

附图4为本发明的逻辑控制单元的结构示意图；

附图5为本发明的程序控制流程图。

图中，1、电源插排，2、逻辑控制单元，3、输入端子连接器，4、AD-DC转换电路。

(五)具体实施方式

下面结合附图1—5对本发明的一种可分时上电的电源分配单元作以下详细地说明。

如附图1所示，本发明的一种可分时上电的电源分配单元，其结构包括电源插排1、逻辑控制单元2、输入端子连接器3和AC-DC转换电路4，由输入端子连接器3连接总电源，为电源分配器提供全部功率，电源插排1和逻辑控制单元2之间以信号排线相连，AD-DC转换电路4以开关电源的方式将交流220V电压变换为5V TTL直流电压并提供给逻辑控制单元2，逻辑控制单元2根据设定的上电顺序对电源插排1中的各个插座进行分时自动上电，实现对电源分配器的冲击电流保护，提高其可靠性。设备电源取自墙体AC220V插座，此电源一方面供给负载使用，另一方面输入AC-DC转换电路模块，经变换产生5V和24V直流电压。其中5V电压提供给逻辑控制单元，24V电压供给电源插排中的开关电路。逻辑控制单元输出控制信号到电源插排，控制开关电路的通断，从而接通或断开负载。

如附图2所示，电源插排由多位输出插座组成，各插座的零线N和地线G各自互相联通，仅火线L由开关电路断开，受到逻辑控制单元2的信号控制。

如附图3所示，开关电路的主要部件是一个单刀单掷的继电器，24V供电，单片机输出的控制信号控制线圈的电流，进而控制触点的开闭。由于5V TTL芯片的扇入电流有限，不足以驱动继电器线圈，因此加入一个三极管放大电路进行电流放大。此外，继电器触点接通的是火线与负载，220V的高压使继电器触点在闭合与断开时常会出现电弧和打火现象，这使触点产生高温，降低了继电器的使用寿命。为此，触点两端并联了RC电弧吸收回路，减弱甚至消除电弧，以保证使用安全。

如附图4所示，电源分配单元的逻辑控制芯片为单片机AT89S52，外接陶瓷晶体Y1与内部振荡电路产生单片机的时钟信号，此时钟信号也是定时的基准。采用带地址选择的锁存器74HC259，锁存输出到继电器的控制信号。74HC259带有8位输出，因此最多可以控制8个开关继电器；A15～A13为单片机的高3位地址线，用来选择锁存器8个输出中的一个(因此74HC259也是一个分配器)。如当A15～A13为000时，选择OUTO操作，当A15～A13为111时即选择OUT1操作；CTR为单片机的某一位数据线，即由该信号控制由A15～A13选择的继电器。A15～A13在不同的时间选择不同的继电器，由此实现了电源分配单元的分时上电功能。图3所示为逻辑控制单元对输出插排中的一组插座进行控制的情形，当系统要进行扩展时(即需要控制多组插座时)，只需要扩展74HC259的数量，并增加参与译码的地址线的数量即可实现。LED0～LED7为继电器输出状态指示灯，当CTR输出0时，相应继电器闭合，指示灯点亮；当CTR输出1时，相应继电器断开，指示灯灭。

定时设置面板可以定制顺序上电的延时时间，由‘增’、‘减’两个按键和一个7段数码管组成。数码管显示当前延时设定值，系统默认为2s，可设置范围是0～8s。8位拨码开关用来使能和禁止开关继电器的输出，优先级最高，延时设定对被禁止的继电器无效。

逻辑控制单元提供负载电流监测：由于流过火线的电流通常为数A至数十A，不可能直接进行检测和量化，因此通常要进行缩小的处理。利用电磁感应原理，使火线电流经过一个电流互感器，互感器的初级线圈和次级线圈有固定的匝数比，通过电磁感应，就达到了电气隔离和比例缩小的效果，转化为mA级微弱电流。再经过后级的精密电阻取样，转换成mV级别的微小电压，该电压经过放大器OP97调理后，输入3位半数码管驱动器ICL7107，7107可直接驱动7段数码管。

如附图5所示，程序开启一个50ms的定时中断，作为系统应用计时的最小单元，中断服务程序(ISR)中设置计数器进行时间累加。同时，在该定时中断中进行拨码和按键的检测，并进行去抖处理，以增加按键的抗干扰性能。由于按键的抖动时间在10～20ms左右，因此在相邻的两个50ms内若读取的按键值一致，则认为是稳定键值。同时，对相邻两个稳定键值进行比较，若一致，则说明没有按键按下，若不同，则说明有新的按键操作，并置相应标志位。主程序是一个无限循环，根据按键的检测结果不断的相端口输出控制信号，从而达到控制的实时性。

根据不同的控制策略，本发明可以有不同的实施方式，这里说明的是其中的一种实施方式，即所有N组插座按位逐次上电的实施方式。其他控制策略和实施方式要依据应用的不同而选择。

Claims (8)

1.一种可分时上电的电源分配单元，包括电源插排(1)、逻辑控制单元(2)、输入端子连接器(3)和AC-DC转换电路(4)，其特征在于，输入端子连接器(3)连接总电源，为电源分配器提供全部功率，电源插排(1)和逻辑控制单元(2)之间以信号排线相连，AD-DC转换电路(4)以开关电源的方式将交流220V电压变换为5V TTL直流电压并提供给逻辑控制单元(2)，逻辑控制单元(2)根据设定的上电顺序对电源插排(1)中的各个插座进行分时自动上电，实现对电源分配器的冲击电流保护，提高其可靠性。

2.根据权利要求1所述的一种可分时上电的电源分配单元，其特征在于，电源插排(1)有N个输出插座组，每组具有M个工业标准输出插座，共可提供N×M位输出，每一位插座由其对应的开关电路控制其接通与断开。

3.根据权利要求2所述的一种可分时上电的电源分配单元，其特征在于，开关电路由单节点继电器与RC电弧吸收回路组成，继电器通过控制火线回路的通断来控制插座是否供电，RC电弧吸收回路可以去除继电器干结点的打火现象，提高继电器使用寿命。

4.根据权利要求1所述的一种可分时上电的电源分配单元，其特征在于，逻辑控制单元(2)提供对电源插排(1)的每组输出插座的延时设定面板，可以对各组输出插座分别设定上电时间，并控制各组中每一位输出插座的上电与否；逻辑控制单元(2)还提供每一位插座的输出状态的LED灯指示及电源分配器的总负载电流显示。

5.根据权利要求1或4所述的一种可分时上电的电源分配单元，其特征在于，逻辑控制单元(2)采用单片机作为延时输出逻辑的控制器，以高精度的晶振作为时间基准；由‘增’、‘减’按钮+LED数码管显示构成用户设定延时时间的交互界面；逻辑控制单元(2)设有N×M位拨码开关，由用户选择每位插座是否供电；单片机通过IO口采集用户的时间设定和输出设定，在内部定时器的计时控制下，以一定的时间间隔向开关电路的继电器发送控制信号，达到限制电源分配器瞬间启动总电流、提高设备可靠性的作用。

5.根据权利要求1所述的一种可分时上电的电源分配单元，其特征在于，输入端子连接器(3)的线径由电源分配器能提供的最大负载功率决定，设每位插座的额定负载为i安培，则输入端子连接器(3)至少承受N×M×i安培的电流。

6.根据权利要求1所述的一种可分时上电的电源分配单元，其特征在于，采用电流互感器(CT)将电源分配器的总负载电流变换为mA级的可测电流，在电流互感器的输出端进行电阻取样，进一步变换成电压；该电压经过放大调理、AD采样和数值换算后得到显示值，并通过LED驱动电路送往LED数码管显示。

7.根据权利要求1所述的电源分配单元，其特征在于，在火线回路上串接有熔断器(FU)，为电源分配器提供过流保护，提高设备安全性。

8.根据权利要求1所述的一种可分时上电的电源分配单元，其特征在于，电源插排(1)和逻辑控制单元(2)封装在一个屏蔽良好的金属壳体中，金属壳体与电源插排(1)的接地端子相连。

Images