CN101505052A - 控制保护开关实现中相零分零合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种控制保护开关实现中相零分零合的方法，实现该方法的载体是控制保护开关，控制保护开关中包括中心处理模块和接触器模块，该方法的特征是：由中心处理模块的主CPU单片机通过电压信号采集电路采集电压信号、通过电流信号采集电路采集电流信号；然后将三相电过零点周期与接触器模块通电吸合机械时间和失电分断机械时间比较；判断后发出吸合或分断信号，使控制保护开关的接触器模块在三相电的中相零点处吸合和分断；是一种缓解过电压过电流冲击的简单、有效方法，同时，提高了开关本体的使用寿命；降低对触头材料的磨损，减少贵金属资源的消耗。

Description

控制保护开关实现中相零分零合的方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种控制保护开关实现中相零分零合的方法。

背景技术

目前，现有电机控制保护系统中，一般都有断路器、接触器、热继电器甚至加上时间继电器组成，断路器只有过流保护功能，而且使用寿命在1万次左右；接触器使用寿命长，但不具有分断能力；热继电器保护功能单一、精度低、动作不稳定，调查发现，异步电机的90％以上是定子绕组因过热损坏，其中近60％是因断相故障引起的，这说明了热继电器作为断相保护是不可靠的。

此外，在近年出现一种新型的电气设备：控制保护开关；控制保护开关电器(CPS)是低压电器中的新产品，作为新的大类产品，其产品类别代号为“CPS”，其英文“Control andProtective Switching Device”的缩写；

CPS的主要特征：在单一结构形式的产品上实现集成化的、内部协调配合的控制与保护功能，能够代替断路器(熔断器)、接触器、过载(或过流、断相)保护继电器、起动器、隔离器等多种传统的分离器件。它集成了多种分立元件，具有多种保护功能。

而现有的控制保护开关设备，在吸合和分断时都是瞬时分断，这样电路启停瞬间产生的过电压、过电流，既对电路工作造成冲击，又对电网造成波动，更严重影响电气设备寿命，并对周围的工作电路产生强电磁干扰，这是目前的控制保护开关设备尚未克服的严重技术缺陷。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明的目的是，提供一种解决方案，在控制保护开关中采用一种缓解过电压过电流冲击的简单、有效方法，既利用交流电压电流周期性过零点的时机，控制交流负载电路的启停，实现控制保护开关中相零分零合。

为实现上述目的，本发明是采用这样的方案实现的：所述控制保护开关，包括中心处理单元、控制模块、电源模块、通讯模块、显示模块、按键及指示模块、外部接口模块、接触器模块、电流互感器(L1、L2、L3)，所述中心处理单元分别与控制模块、通讯模块、显示模块、按键及指示模块、外部接口模块、电流互感器(L1、L2、L3)连接，所述控制模块与接触器模块连接，所述电源模块分别与中心处理单元、控制模块、通讯模块、显示模块、按键及指示模块、外部接口模块连接。

所述控制保护开关实现中相零分零合的方法：实现该方法的载体是控制保护开关，控制保护开关中包括中心处理模块和接触器模块，该方法的特征是：由中心处理模块的主CPU(单片机)通过电压信号采集电路采集电压信号、通过电流信号采集电路采集电流信号；然后将三相电过零点周期与接触器模块通电吸合机械时间和失电分断机械时间比较；判断后发出吸合或分断信号，使控制保护开关的接触器模块在三相电的中相零点处吸合和分断；该方法包括如下步骤：

(1)首先测试所述控制保护开关的接触器模块通电吸合和失电分断的机械动作时间；获得接触器模块通电吸合机械时间和失电分断机械时间数据；

测试条件：

测试电压：AV 220V/50Hz；

测试接触器模块数量：50台；

测试器模块吸合和分断试验次数：5000次；

获得接触器模块的测试数据：机械吸合时间为通电后7.5±0.5ms；

机械分断时间为失电后4±0.5ms；

(2)根据三相交流电变化周期得到：中相交流电过零点间隔为5ms；

(3)控制保护开关启动或断开的控制信号的标准时间为：

接触器模块吸合机械时间-中相交流电过零点间隔＝7.5-5＝2.5ms；

接触器模块断开机械时间-中相交流电过零点间隔＝4-5＝-1ms；

(4)主CPU初始化程序中，预设接触器模块的机械吸合时间7.5ms，机械分断时间4ms；

(5)主CPU采集电压、电流信号，由预制程序判断后发出控制信号的时间为；

吸合时，采集电压信号，在过最近的零点2.5ms处发出吸合信号；

断开时，采集电流信号，在过最近的零点1ms处发出分断信号。

(6)在主CPU程序中包括“零点校准功能程序”；记录开关次数超过700次时，“零点校准程序”自动延时0.5ms。

吸合时，主CPU(单片机)采集电压信号时，将三相电压信号接入由稳压二极管、光电耦合器、LM324运算放大器构成的电压信号采集电路，电压信号从LM324运算放大器输出端进入主CPU(单片机)处理；

断开时，主CPU(单片机)采集电流信号时，接入由主要电流互感器、差分放大电路构成的电流信号采集电路，三相电流信号经过电流互感器隔离，输出信号经过差分放大电路进入CPU(单片机)处理。

本发明的有益效果是：控制保护开关采用电压零点吸合，可以减小触头弹跳，减小触头粘接的几率；采用B相零点吸合，而A、C两相此时相对距离较远，不会相互引电弧，电源中相零点分断，确保电源三相脱扣时的总能量最小，减小了对电网的冲击；延长影响电气设备寿命，对周围的工作电路电磁干扰大大减少。，

同时采用零分断、零吸合，提高了控制保护开关本体的分断能力，提高了开关本体的使用寿命；降低对触头材料的磨损，减少贵金属资源的消耗。

附图说明

图1、控制保护开关电路框图；

图2、主CPU程序流程图；

图3、电压信号采集电路；

图4、电流信号采集电路；

图5、CPU单片机管脚图；

图6、按键采集信号图；

图7、接触器模块触发电路。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明：

本发明涉及的控制保护开关实现中相零分零合的方法，应用载体是控制与保护开关，如图1所示，控制保护开关电器由中心处理模块、电流互感器、控制单元模块、电源模块、通讯模块、显示模块、按键及指示模块、和外部接口模块组成。

中心处理模块，包括电流信号采集、相序信号采集、信号处理电路、以及信号输出；由电源模块供电。

电路之间的信号传递：按键信号、电流信号输入、电流互感器、相序输入信号经过信号处理电路后，进入中央微处理器处理，处理后到各部分输出模块(液晶、指示灯、蜂鸣器)或到存储单元EEPR0M存储，同时驱动电磁机构来完成动作；中央微处理器处理的数据与显示模块、Modbus总线互传。

通过实时有效的监测三相(U、V、W、)电流，来实现对线路中各种预测现象进行快速有效的处理。

中心处理单元采集L1、L2、L3三个互感器的信号，并计算出线上的电流值。当电流值在大于用户设定的范围时，根椐不同的情况采取不同的处理。

控制保护开关实现中相零分零合的方法：由中心处理模块的主CPU采集电压、电流信号，将三相电过零点周期与接触器模块通电吸合机械时间和失电分断机械时间比较；判断后发出吸合或分断信号，使控制保护开关的接触器模块在三相电的中相零点处吸合和分断；该方法包括如下步骤：

首先通过大量的试验测量，接触器模块吸合和断开的机械动作时间，50台接触器模块、每一台记录100次，在一共5000次的吸合和分断试验中，工作电压为AC220V，其中4900次以上分断机械时间在4±0.5ms，4800次以上机械吸合时间7.5±0.5ms。

通过大量实验数据，吸合时，采集电压相位信号，在过最近的零点2.5ms处发出吸合信号；断开时，采集电流信号，在过最近的零点1ms处发出分断信号。

吸合时，采集电压相位信号，如图3所示的电压信号采集电路，将电压信号接入光电耦合器NEC2701，输出后经LM324运算放大器进入单片机Dspic30F5015处理。

断开时，采集电流信号，如图4所示电流信号采集电路，三相电流信号经过电流互感器隔离，输出信号经过差分放大电路进入单片机Dspic30F5015处理。

如图5所示的CPU(单片机Dspic30F5015)管脚22、23、24分别与电压信号采集电路的信号输出端即LM324运算放大器的管脚1、7、8连接，

CPU(单片机Dspic30F5015)管脚11、12、13、14、15、16、分别与电流信号采集电路的信号输出端ADC06～ADC01连接；

图6所示，电路中取电压触发信号，连接到CPU(单片机Dspic30F5015)管脚；

图7所示为接触器模块触发电路，由光电耦合器、二极管、电阻组成，电路输入端L、H连接CPU(单片机Dspic30F5015)管脚30、31，CPU根据监测的电流值，以及按键情况输出动作信号，通过光电耦合器输出触发信号到交流接触器(接触器模块)的线圈。

在主CPU的初始记忆中，预设接触器模块的机械吸合时间7.5ms，机械分断时间4ms，而主CPU采集主回路电压、电流能够每20ms采集256次；从按键(合闸或分闸)，到主CPU采集到信号之需要几微秒的时间，从CPU发出信号到接触器模块接收需要几微秒的时间，这些都可以忽略不计。关键在于主CPU采集电压、电流信号，判断后发出信号的时机；吸合时，采集电压信号，在过最近的零点2.5ms处发出吸合信号；断开时，采集电流信号，在过最近的零点1ms处发出分断信号。而当电流过载时，主CPU会根据不同的过载等级进入脱扣延时，延时过后采集中相电流，过零点1ms处发出分断信号。

控制保护开关还包括“零点校准程序”，根据示波器观察，每台控制保护开关的吸合和分断时间在零点±1ms处，这时就需要“零点校准程序”，根据上次结果，可以延时或提前动作几毫秒，最小精度为0.5ms。这样确保每一台控制保护开关出厂为合格产品。

而随着产品的使用，接触器模块有老化现象，根据程序设定，菜单项：“开关次数”上，记录超过700次，“零点校准程序”自动延时0.5ms，以保证零分零合更为准确。

上述步骤包括的主CPU程序流程如下：

开关通电

初始化，

零分：过零点1ms发信号；

零合：过零点2.5ms发信号；

监测：三相电流值；

扫描：是否有按键，是否有电流过载

是，继续

根据采集按键，触发接触器模块动作；

电流过载，延时，触发接触器模块动作；

零点校准程序：调整吸合和分断时，中相过零点，微调0.5ms；

记录开关动作次数，一合一分算一次，超过700次，零分零合初始化值增加0.5ms；

否，转入

记录开关动作次数，一合一分算一次，超过700次，零分零合初始化值增加0.5ms；

结束。

Claims (2)

1、控制保护开关实现中相零分零合的方法：实现该方法的载体是控制保护开关，控制保护开关中包括中心处理模块和接触器模块，其特征是：由中心处理模块的主CPU单片机通过电压信号采集电路采集电压信号、通过电流信号采集电路采集电流信号；然后将三相电过零点周期与接触器模块通电吸合机械时间和失电分断机械时间比较；判断后发出吸合或分断信号，使控制保护开关的接触器模块在三相电的中相零点处吸合或分断；该方法包括如下步骤：

(1)首先测试所述控制保护开关的接触器模块通电吸合和失电分断的机械动作时间；获得接触器模块通电吸合机械时间和失电分断机械时间数据；

测试条件：测试电压：AV220V/50Hz；

          测试接触器模块数量：50台；

          测试器模块吸合和分断试验次数：5000次

获得接触器模块的测试数据：机械吸合时间为通电后7.5±0.5ms；

                          机械时间分断为失电后4±0.5ms；

(2)根据三相交流电变化周期得到：中相交流电过零点间隔为5ms；

(3)控制保护开关启动或断开的控制信号的标准时间为；

接触器模块吸合机械时间-中相交流电过零点间隔＝7.5-5＝2.5ms；

接触器模块断开机械时间-中相交流电过零点间隔＝4-5＝-1ms；

(4)主CPU单片机初始化程序中，预设接触器模块的机械吸合时间7.5ms，机械分断时间4ms；

(5)主CPU单片机采集电压、电流信号，由预制程序判断后发出控制信号的时间为；

吸合时，采集中相电压信号，在过最近的零点2.5ms处发出吸合信号；

断开时，采集中相电流信号，在过最近的零点1ms处发出分断信号；

(6)在主CPU单片机程序中包括“零点校准功能程序”；记录开关次数超过700次时，“零点校准程序”自动延时0.5ms。

2、如权利要求1所述的控制保护开关实现中相零分零合的方法，其特征是：主CPU单片机采集电压信号时，将三相电压信号接入由稳压二极管、光电耦合器、LM324运算放大器构成的电压信号采集电路，电压信号从LM324运算放大器输出端进入主CPU单片机处理；主CPU单片机采集电流信号时，接入由主要电流互感器、差分放大电路构成的电流信号采集电路，三相电流信号经过电流互感器隔离，输出信号经过差分放大电路进入CPU单片机处理。

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