CN102323472B - 电压过零检测装置及过零投切开关 - Google Patents

Abstract

本发明电压过零检测装置及过零投切开关属于电子电器领域，本电压过零检测装置利用输入电压在非过零期间对储能电容储能，由储能电容储存的能量提供光电耦合器工作能量，电压检测电路在输入电压过零期间控制光电耦合器导通输出，具有电压过零检测准确、能耗低的特点；采用本发明电压过零检测装置作为过零检测的过零投切开关，很大地提高了主回路开关电压过零接通的准确性，减少了接通负载瞬间对主回路开关的大电流冲击，使得本发明的过零投切开关具有接通涌流小、可靠性高、电寿命长的优点。

Description

电压过零检测装置及过零投切开关

技术领域

本发明电压过零检测装置及过零投切开关属于电子电器领域，特别是一种能方便应用在各种需电压过零检测的场合，且能准确检测电压过零、能耗低、光电隔离的电压过零检测装置及一种接通涌流小、可靠性高的过零投切开关。

背景技术

目前在电力系统中，广泛使用晶闸管、同步开关、复合开关这几种过零投切开关对电容等负载进行电压过零投入，为了使电容投入冲击电流小，必须保证开关能在电压过零点准确接通，这就要求与主回路开关两端连接的电压过零检测装置检测准确，目前常用的是由光电耦合器OPT1输入端与限流电阻R1串联组成输入回路(见附图1)，由光电耦合器OPT1的输出端输出电压过零检测信号的电压过零检测装置，在交流电压较低时光电耦合器OPT1输出端截止，输出电压过零信号，因光电耦合器受目前半导体材料和制造工艺的限制，都要达到1毫安以上驱动输入电流才能可靠输出，光电耦合器存在驱动电流大和光电传输效率离散性大的缺点，如要求电压过零检测装置检测准确度达到正负5V，则要求限流电阻的阻值为5伏/0.001安＝5000欧姆，这里光电耦合器的导通压降忽略不计，当输入电压为交流380V时，输入回路的能耗为(380伏/5000欧姆)×380伏＝28.88瓦，这就要求限流电阻功率很大来保证足够的驱动电流，为兼顾到可接受的能耗，一般限流电阻功率控制在5W左右，如按5W计算，限流电阻的阻值为：380伏/(5瓦/380伏)＝28880欧姆；电压过零检测装置检测准确度为：0.001安×28880欧姆＝28.88伏，大多数这种简单采用限流电阻串联光电耦合器的电压过零检测装置，电压过零检测有正负几十伏特偏差，由于电压过零检测准确差的原因，开关接通会产生较大的浪涌电流，对负载和开关本身的使用寿命和可靠性带来极其不利的影响。

发明内容

本发明的目的在于避免现有电压过零检测装置的不足之处而提供一种电压过零检测准确、能耗低的电压过零检测装置及一种电压过零投入准确、可靠性高的过零投切开关。

实现本发明的目的是通过以下技术方案来达到的：一种电压过零检测装置，限流电阻与整流电路连接，所述整流电路输出回路连接储能电容，电压检测电路连接在输入回路中，所述电压检测电路输出端与所述光电耦合器连接，所述电压检测电路在电压过零时控制所述光电耦合器输出电压过零信号，所述光电耦合器的工作能量由所述储能电容提供。

一种电压过零检测装置，其特征在于所述电压检测电路输入端与所述整流电路输出端连接，所述电压检测电路输出端与所述光电耦合器连接，所述整流电路输出端通过二极管与所述储能电容连接。

一种电压过零检测装置，其特征在于所述整流电路输出回路连接有限幅电路。

一种电压过零检测装置，其特征在于所述整流电路输入回路连接有限幅电路。

一种电压过零检测装置，其特征在于所述电压检测电路工作电源端连接至所述储能电容。

一种过零投切开关，其特征在于，包括以上所述任意项的电压过零检测装置、主回路开关、控制电路，所述电压过零检测装置输入端与所述主回路开关连接，所述电压过零检测装置输出端与所述控制电路连接，所述控制电路与所述主回路开关控制端连接，所述控制电路连接有供电电源；

一种过零投切开关，其特征在于所述控制电路连接有控制端口。

一种过零投切开关，其特征在于所述主回路开关为机械开关。

一种过零投切开关，其特征在于所述主回路开关为功率半导体。

一种过零投切开关，其特征在于所述主回路开关由机械开关与功率半导体并联组成。

其工作原理：本电压过零检测装置在输入电压非过零期间通过限流电阻、整流电路对储能电容储能，利用电容储存的能量提供光电耦合器工作能量，电压检测电路在输入电压过零期间驱动光电耦合器输出电压过零信号。

本发明设计合理，本电压过零检测装置利用输入电压在非过零期间通过限流电阻、整流电路整流对储能电容储能，由储能电容储存的能量提供光电耦合器工作能量，电压检测电路在输入电压过零期间驱动光电耦合器导通输出，由于交流电非过零期间时间长，储能电容能有足够的时间进行储能，而光电耦合器驱动输出过零信号时间极短(几微秒至数十微秒)，这样整个电路消耗能量很小的情况下，光电耦合器也能获的足够的驱动电流，具有极快的响应速度，可以使得电压过零检测装置选用阻值较大、功率很小的限流电阻，也可达到电压过零检测准确的目的(可达几伏范围内)，本电压过零检测装置具有电压过零检测准确、能耗低的特点，适合于各种需电压过零检测的场合中应用。采用本发明电压过零检测装置作为过零检测的过零投切开关，很大地提高了主回路开关电压过零接通的准确性，减少了接通负载瞬间对主回路开关的大电流冲击，使得本发明的过零投切开关具有接通涌流小、可靠性高、电寿命长的优点。

附图说明

附图1是目前常用的电压过零检测装置电路示意图。

附图2是本发明电压过零检测装置实施例之一电路示意图。

附图3是本发明电压过零检测装置实施例之二电路示意图。

附图4是本发明电压过零检测装置实施例之三电路示意图。

附图5是本发明过零投切开关实施例之一电路示意图。

附图6是本发明过零投切开关实施例之二电路示意图。

附图7是本发明过零投切开关实施例之三电路示意图。

具体实施方式

如附图2所示的电压过零检测装置，J1、J2为电压过零检测装置输入回路的输入端点，J3、J4为本电压过零检测装置输出端点，输入信号经限流电阻R1、整流电路D1整流(附图2中D1为二极管)、储能电容C1储能，储能电容C1连接限幅电路Z1(附图2中限幅电路由稳压二极管Z1组成)，电压检测电路A连接在本装置的输入回路中，电压检测电路A输出端与光电耦合器OPT1连接，光电耦合器OPT1供电能量由储能电容C1提供。

工作过程：本电压过零检测装置在输入电压非过零期间通过限流电阻R1、整流电路D1整流对储能电容C1储能，当电压检测电路A在输入电压过零期间输出为低电平，储能电容C1提供驱动工作能量驱动光电耦合器OPT1，输出电压过零检测信号。

注：在此实施例中，整流电路D1与限流电阻R1连接不分前后，即限流电阻R1可以放在整流电路D1输入端也可以放在整流电路D1输出端，工作原理相同，限幅电路有两个：稳压二极管Z1、稳压二极管Z2，当在输入电压较低时可以省略；电压检测电路A中，R2、R3为限流电阻，IC1为电压监控IC，R3与IC1输出端串联。

如附图3所示的电压过零检测装置，J1、J2为电压过零检测装置输入回路的输入端点，J3、J4为本电压过零检测装置输出端点，输入信号经限流电阻R1、整流电路BR1、二极管D1(二极管D1用于在输入电压过零时阻止储能电容C1电流回流，避免影响到电压检测电路A的电压过零检测)，给储能电容C1储能，整流电路BR1输出回路中连接有限幅电路Z1(附图3中限幅电路由稳压二极管Z1组成，当电压检测电路A内置有限幅电路时，限幅电路Z1可以省略)，电压检测电路A输入端与整流电路BR1输出端连接，电压检测电路A输出端与光电耦合器OPT1连接，光电耦合器OPT1由储能电容C1提供驱动工作能量。

工作过程：本电压过零检测装置在输入电压非过零期间通过限流电阻R1限流、整流电路BR1整流、限幅电路Z1限幅、再经二极管D1对储能电容C1储能，当电压检测电路A在输入电压过零期间输出为低电平，光电耦合器OPT1输入端由储能电容C1提供工作能量，光电耦合器OPT1输出过零检测信号。

注：在此实施例中，由于驱动输出过零信号时间极短约几微秒至几十微秒，储能电容C1能量消耗很低，在驱动输出过零信号期间储能电容C1时间已处于一种充满电状态，本装置整个输入回路呈现的是高阻状态(即呈现阻性而非容性)，输出电压过零信号不会产生附加相移；电压检测电路A，可以用电压监控IC、比较器或晶体管分立元件电路组成，由于电路简单在此就不赘述，在此实施例附图中，限幅电路Z1连接在整流电路BR1的输出端，在实际应用中也可以连接在整流电路BR1的输入回路中(限幅电路Z1由附图3的单只稳压二极管改为两只稳压二极管反相串联即可)，或连接在整流电路BR1输出回路中的储能电容C1两端，工作原理完全相同。

如附图4所示的电压过零检测装置，J1、J2为电压过零检测装置输入端点，J3、J4为本电压过零检测装置输出端点，输入信号经限流电阻R1、整流电路BR1、二极管元件D1隔离，给储能电容C1储能，整流电路BR1输入回路连接有由稳压二极管Z1与稳压二极管Z2反向串联组成的限幅电路，电压检测电路A输入端与整流电路BR1输出端连接，电压检测电路A工作电源端与储能电容C1连接，电压检测电路A输出端与光电耦合器OPT1连接，光电耦合器OPT1驱动工作能量由储能电容C1提供。

工作过程：本电压过零检测装置在输入电压非过零期间通过限流电阻R1限流、限幅电路限幅、整流电路BR1整流、再通过二极管D1对储能电容C1储能，当电压检测电路A在输入电压过零期间输出为高电平，光电耦合器OPT1输入端由储能电容C1提供工作能量，光电耦合器OPT1输出过零检测信号。

注：实施例3与实施例4主要不同之处在于，电压检测电路A有一工作电源连接至储能电容C1端，适合于需要稳定电压才能工作的电压检测电路使用；与整流电路BR1输入回路连接的由稳压二极管Z1、Z2组成的限幅电路，完全也可以连接在整流电路BR1输出回路中(如：整流电路BR1整流输出端、储能电容C1两端)，工作原理相同。

如附图5所示的过零投切开关，J1、J2为主回路开关KM1(附图5主回路开关KM1为机械开关)的输入和输出端点，电压过零检测装置C与主回路开关KM1连接，电压过零检测装置C的输出端和主回路开关KM1控制端与控制电路B连接，J3、J4为控制电路B的电源输入端口，J5、J6为控制电路B控制端口(当过零投切开关是上电闭合，断电分断控制方式的，J5、J6控制端口可以省略)。

工作过程：控制电路B得电，当控制电路B的控制端口J5、J6输入有控制信号时，控制电路B根据电压过零检测装置C输入的过零电压信号，控制电路B开始打开内部定时器定时，根据机械开关KM1的控制线圈上电到机械开关KM1闭合的时间来计算出控制电路B输出到机械开关KM1控制线圈的控制信号相对于电压过零点的滞后时间，使得在电压过零时机械开关KM1接通，控制电路B输出驱动机械开关KM1的控制线圈期间，控制电路B不断检测由电压过零检测装置C输入的电压过零信号，如机械开关KM1闭合不是在电压零点的要求范围内，修正控制电路B内的存储器数据，以便下次准确电压过零投入，此开关很适合对电容等负载无涌流投入。

如附图6所示的过零投切开关，J1、J2为主回路开关功率半导体SCR1(附图6功率半导体SCR1为晶闸管)输入和输出端点，电压过零检测装置C与主回路开关SCR1连接，电压过零检测装置C的输出端和主回路开关SCR1控制端与控制电路B连接，J3、J4为控制电路B的电源输入端口，J5、J6为控制电路B控制端口(当过零投切开关是上电闭合，断电分断控制方式的，J5、J6控制端口可以省略)。

工作过程：控制电路B得电，当控制电路B的控制端口J5、J6输入有控制信号时，控制电路B在电压过零检测装置C输入有过零电压信号期间，控制主回路开关SCR1电压过零接通，可以达到对负载(如电容)电压过零投入的目的，消除接通涌流冲击对主回路开关功率半导体SCR1和负载电容寿命的影响；当控制电路B在控制端口J5、J6输入无控制信号时，控制电路B控制主回路开关SCR1关闭。

如附图7所示的过零投切开关，主回路开关由功率半导体SCR1与机械开关KM1并联组成，J1、J2为主回路开关的输入和输出端点，电压过零检测装置C与主回路开关连接，电压过零检测装置C的输出端、主回路开关SCR1的控制端和机械开关KM1的控制端与控制电路B连接，J3、J4为控制电路B的电源输入端口，J5、J6为控制电路B控制端口(当过零投切开关是上电闭合，断电分断控制方式的，J5、J6控制端口可以省略)。

工作过程：控制电路B得电，当控制电路B的控制端口J5、J6输入有控制信号时，控制电路B在电压过零检测装置C输入有过零电压信号期间，控制主回路开关SCR1电压过零接通，然后控制机械开关KM1接通，达到对电容等负载无涌流投入的目的，消除接通涌流冲击对主回路开关功率半导体SCR1和负载电容寿命的影响；当控制电路B在控制端口J5、J6输入无控制信号时，控制电路B控制主回路开关SCR1导通，然后控制机械开关KM1分断，机械开关KM1分断后，关闭功率半导体SCR1，完成分断过程。

Claims (10)

1.一种电压过零检测装置，包括限流电阻、光电耦合器，其特征在于其还包括：整流电路、储能电容、电压检测电路；所述限流电阻与所述整流电路连接，所述整流电路输出回路连接所述储能电容，所述电压检测电路连接在输入回路中，所述电压检测电路输出端与所述光电耦合器连接，所述电压检测电路在电压过零时控制所述光电耦合器输出电压过零信号，所述光电耦合器的工作能量由所述储能电容提供。

2.根据权利要求1所述的电压过零检测装置，其特征在于所述电压检测电路输入端与所述整流电路输出端连接，所述电压检测电路输出端与所述光电耦合器连接，所述整流电路输出端通过二极管与所述储能电容连接。

3.根据权利要求1所述的电压过零检测装置，其特征在于所述整流电路输出回路连接有限幅电路。

4.根据权利要求1所述的电压过零检测装置，其特征在于所述整流电路输入回路连接有限幅电路。

5.根据权利要求1所述的电压过零检测装置，其特征在于所述电压检测电路工作电源端连接至所述储能电容。

6.一种过零投切开关，其特征在于包括根据权利要求1至5中任意一项所述的电压过零检测装置、主回路开关、控制电路，所述电压过零检测装置输入端与所述主回路开关连接，所述电压过零检测装置输出端与所述控制电路连接，所述控制电路与所述主回路开关控制端连接，所述控制电路连接有供电电源。

7.根据权利要求6所述的过零投切开关，其特征在于所述控制电路连接有控制端口。

8.根据权利要求6所述的过零投切开关，其特征在于所述主回路开关为机械开关。

9.根据权利要求6所述的过零投切开关，其特征在于所述主回路开关为功率半导体。

10.根据权利要求6所述的过零投切开关，其特征在于所述主回路开关由机械开关与功率半导体并联组成。