CN102570586A - 双电源转换自动控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明双电源转换自动控制器，包括主副变压器、电压检测电路、电源电路、切换电路及其开关位置回馈电路、单片机、键盘电路、显示电路和通讯电路。电压检测电路分别采集主、副变压器的AB线电压和AC线电压，单片机将采集到的主、副变压器AB线电压和AC线电压分别转换为三相电压，并与三相电压的设定值进行比较，然后将相应的电源切换指令发送至切换电路，切换电路完成相应的电源切换动作。本发明双电源转换自动控制器的优点和积极效果在于：可以减少2个检测变压器，检测方式得到简化，采用电压调节器构成电源电路用于自身供电，省去了外接电源，降低了双电源转换自动控制器的成本。由于增加了通讯电路，功能进一步完善，使用非常方便。

Description

双电源转换自动控制器
技术领域
本发明涉及控制装置，特别涉及一种双电源转换自动控制器。 
背景技术
目前，双电源转换器用于一些要求电力不能中断的重要场合，如建筑电气中要求的一级负荷。供电的连续性对于某些特殊的用户部门，如医院，机场等，目前已广泛应用于高层楼宇、邮电通讯、煤矿、军事设施、大型工业流水线和消防等需要不间断供电的场所。为了保证供电的可靠与连续性，一般都采用两路电源，一路电源为供电的主电源，另一路为副电源，一旦主电源出现故障无法工作时，要求副电源马上工作，以维持电气设备的正常运行，这样就需要一种能对两路电源都进行实时监控检测并能在主电源发生故障时可自动在两路电源之间进行可靠自动切换以保证供电的装置。但是，目前双电源转换控制器普遍存在性能不高而成本较高的缺陷，其功能较少，如没有通讯功能等。 
传统的双电源转换控制器在检测电源时，需要采用3个变压器检测三相电压，或者将交流电通过与一个恒定直流电压相加后才能送至微处理器的A/D端口，多个检测变压器造成控制器成本较高。缺少通讯功能则无法向上级监控设备提供信号，上位机也无法通过通讯端口对双电源转换控制器工作模式进行设置。 
发明内容
本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种检测方式简单、功能更加完善、成本较低、使用方便的双电源转换自动控制器。 
为达到上述目的，本发明提供的双电源转换自动控制器，包括主、副变压器，还包括电压检测电路、电源电路、切换电路及其开关位置回馈电路、单片机和通讯电路，其中，电压检测电路接在主、副变压器与单片机之间，电源电路与电压检测电路相连，开关位置回馈电路接在切换电路与单片机之间，通讯电路与所述单片机相连，电压检测电路分别采集主、副变压器的AB线电压和AC线电压，经变压、整流和滤波后接至单片机，单片机将采集到的主、副变压器的AB线电压和AC线电压采用赋值比较法分别转换为三相电压，并与三相电压的设定值进行比较，然后将相应的电源切换指令发送至切换电路，切换电路完成相应的电源切换 动作；赋值比较法将主、副变压器的AB线电压和AC线电压转换为三相电压的步骤包括： 
1)在公式UAC 2＝UA 2+UC 2+UA×UC、UAB 2＝UA 2+UB 2+UA×UB和UBC 2＝UB 2+UC 2+UB×UC中，对三个相电压分别赋以初值，即令UA＝220V，UB＝220V，UC＝220V，得出其线电压UAB、UAC和UBC值； 
2)令UAB＝UAB 2-UA 2-UB 2-UA×UB， 
    UAC＝UAC 2-UA 2-UC 2-UA×UC和 
    UBC＝UBC 2-UB 2-UC 2-UB×UC，判断： 
如果UAB＞0，UAC＞0，则UA偏小，让UA自加1； 
如果UAB＞0，UBC＞0，则UB偏小，让UB自加1； 
如果UAC＞0，UBC＞0，则UC偏小，让UC自加1； 
如果UAB＜0，UAC＜0，则UA偏大，让UA自减1； 
如果UAB＜0，UBC＜0，则UB偏大，让UB自减1； 
如果UAC＜0，UBC＜0，则UC偏大，让UC自减1； 
循环代入求解，得到不断逼近三个相电压UA、UB和UC的真实值，直到最后近似等于真实值。 
本发明双电源转换自动控制器，还包括键盘电路和显示电路，键盘电路和显示电路分别与所述单片机相连。 
本发明双电源转换自动控制器，其中所述切换电路包括光耦合放大器电路和与之相连的继电器驱动电路。 
本发明双电源转换自动控制器，其中所述单片机采用型号为MC9S08DZ60的芯片构成。 
本发明双电源转换自动控制器，其中所述电源电路采用型号为LM2596的芯片构成。 
本发明双电源转换自动控制器，其中所述光耦合放大器电路采用型号为IL420X007的芯片构成。 
本发明双电源转换自动控制器，其中所述通讯电路包括485通讯电路和CAN通讯电路。 
本发明双电源转换自动控制器的优点和积极效果在于：由于主、副变压器是采集AB和 AC线电压，可以减少2个检测变压器，检测方式得到简化。另外，采用电压调节器构成电源电路，用于双电源转换自动控制器本身供电，省去了外接电源。这都降低了双电源转换自动控制器的成本。由于增加了通讯电路，功能进一步完善，使用非常方便。 
下面将结合实施例参照附图进行详细说明。 
附图说明
图1是本发明双电源转换自动控制器的方框图； 
图2是单片机的电路原理图； 
图3是电压检测电路和电源电路的电路原理图； 
图4是开关位置回馈电路的电路原理图； 
图5是切换电路的电路原理图一； 
图6是切换电路的电路原理图二； 
图7是键盘电路和显示电路的电路原理图； 
图8是485通讯电路的电路原理图； 
图9是CAN通讯电路的电路原理图； 
图10是三路相电压的计算原理图。 
具体实施方式
参照图1，本发明双电源转换自动控制器，包括主变压器1、副变压器2、电压检测电路4、电源电路6、切换电路3及其开关位置回馈电路5、单片机10、键盘电路7、显示电路8和通讯电路9。 
其中，电压检测电路4接在主、副变压器1、2与单片机10之间，对电网输入的三相交流电压进行实时检测。结合参照图3，电源电路6与电压检测电路4相连，输出5V电压。电源电路6采用型号为LM2596的芯片构成。 
由于电源输入的电压是380V，为了将此电压转换成单片机能够接收的信号，先将输入电压进行变压，变压后的电压分成两路。参照图3，一路电压经过整流后接到芯片LM2596，LM2596是一个电压调节器，它可以输出0到37V的不同电压值，在这里，它作为电源电路，将电压转换成5V，用于双电源转换自动控制器本身供电，省去了外接电源。另外一路电压先经过全波整流，变成比较平稳的直流电压，再经过一个二阶低通滤波电路，滤除高频干扰信号。经过变压，整流，滤波处理后的电压接至单片机10。主、副变压器1、2的电压信号检测电路4构成相同。 
电压检测电路4分别采集主、副变压器1、2的AB线电压和AC线电压，经变压、整流和滤波后接至单片机10。单片机10采用型号为MC9S08DZ60的芯片构成。单片机10将采集到的主、副变压器1、2的AB线电压和AC线电压分别转换为三相电压，并与设定值进行比较，然后将相应的电源切换指令发送至切换电路3，切换电路3完成相应的电源切换动作。 
单片机10将变压器AB线电压和AC线电压转换为三相电压时，将UAC与ACMP1+接入一比较器，输出高电平时启动定时器，将UAB与ACMP2+接入另一比较器，输出低电平时停止定时器，由定时器的计数和单片机的时钟频率可算出UAB和UAC的时间差，进而算出其相位差。已知UAB，UAC及它们的相位差，由余弦定理可求出UA，UB，UC。 
若用主、副变压器1、2两个变压器检测两路的相电压，检测到的两路相电压与未知的第三路相电压不能构成一个三角形。因此，只能用这两个变压器来检测两路的线电压，再用三路线电压所构成的三角形来计算第三路线电压和三路相电压。下面给出第三路线电压和三路相电压的计算方法。 
假设所检测的三相电压相位差互为120°，以 
Figure BDA0000119511140000041
作为参考向量，则相电压为 
Figure BDA0000119511140000042
线电压为 
Figure BDA0000119511140000043
如图10所示，线电压 
Figure BDA0000119511140000044
与 
Figure BDA0000119511140000045
的夹角为α，此角可由相位检测得到。 
参照图10，在三角形ODE中，由三角形余弦定理可得： 
UBC 2＝UAB 2+UAC 2-2UABUACcosα公式1 
再对UBC 2进行开方运算，即可得到线电压UBC的电压值。 
当三相电压平衡时，可直接由公式2计算出相电压的电压值： 
相电压 
Figure DEST_PATH_GDA0000143247970000016
公式2 
而在绝大多数情况下，三相电压是不平衡的，所以需要用下面的公式来进行三个相电压的求解： 
在△OAD中，由图可得△OAD＝120°，由三角形余弦定理可得： 
UAC 2＝UA 2+UC 2+UA×UC    公式3 
在△OAB中，由图可得△OAB＝120°，由三角形余弦定理可得： 
UAB 2＝UA 2+UB 2+UA×UB           公式4 
在△AOB中，由图可得△OAB＝120°，由三角形余弦定理可得： 
UBC 2＝UB 2+UC 2+UB×UC         公式5 
由上面的公式3，4，5可计算出三个相电压UA、UB和UC的电压值，可借助于MATLAB得出计算UA、UB和UC的公式。 
在考虑到尽量减少单片机的运算开销的前提下，下面给出赋值比较法来进行相电压UA，UB，UC的求值计算。 
先对公式3，4，5进行变型，得到公式如下： 
令UAB＝UAB 2-UA 2-UB 2-UA×UB             公式9 
  UAC＝UAC 2-UA 2-UC 2-UA×UC             公式10 
  UBC＝UBC 2-UB 2-UC 2-UB×UC             公式11 
给三个相电压赋个初值，可令UA＝220V，UB＝220V，UC＝220V，将已经赋值的三个相电压分别代入公式3，4，5中，这样可以得出UAB，UAC，UBC的值的大小，即判断： 
如果UAB＞0，UAC＞0，则UA偏小，让UA自加1； 
如果UAB＞0，UBC＞0，则UB偏小，让UB自加1； 
如果UAC＞0，UBC＞0，则UC偏小，让UC自加1； 
如果UAB＜0，UAC＜0，则UA偏大，让UA自减1； 
如果UAB＜0，UBC＜0，则UB偏大，让UB自减1； 
如果UAC＜0，UBC＜0，则UC偏大，让UC自减1； 
循环代入求解，得到不断逼近三个相电压UA、UB和UC的真实值，直到最后近似等于真实值。此方法虽要循环代入计算，但避免了开方运算，使得计算变得简单。 
开关位置回馈电路5接在切换电路3与单片机10之间，单片机10通过开关位置回馈电路5的开关位置信号判断当前工作负载连接位置。参照图4，两路开关位置信号分别经过小型光耦合器TLP113进入单片机10，单片机10对开关量输入信号进行判断，然后经过发光二极管来显示当前工作负载是接在主变压器1还是接在副变压器2上。信号经过TLP113后再进入单片机 10，可以抗干扰，使输入信号更准确。 
参照图5和图6，切换电路3包括光耦合放大器电路和与之相连的继电器驱动电路。参照图5，光耦合放大器电路采用型号为IL420X007的芯片构成。单片机10通过CroutE/CroutN脚给出一个信号，信号经过光耦合放大器电路IL420X007进行隔离和放大，参照图6，进而由继电器驱动电路完成主、备电源之间的切换。采用光耦合放大器电路IL420X007进行光电隔离，可以提高电路的抗干扰能力。 
键盘电路7和显示电路8分别与单片机10相连。参照图7，为了更适合双电源自动切换装置的应用现场，方便操作人员观察操作，采用四位数码管及12个发光二极管显示系统的状态及参数。6个按键，其中4个按键用于进行过压欠压动作值以及动作时间中延时时间的设置，另外2个按键分别提供了手动和自动工作模式，自投自复和互为备用两种工作模式，用户可以根据需要进行工作模式的选择。 
通讯电路9与单片机10相连。通讯电路9包括485通讯电路和CAN通讯电路，参照图8，RS485通讯电路采用MAX485电平转换芯片，实现RS485通讯。参照图9，CAN通讯电路采用芯片TJA1040作为其收发器，实现CAN总线通讯。上述通讯电路9采用光耦隔离芯片6N137可靠地将输入输出进行隔离，降低干扰。 
上述继电器驱动电路、键盘电路7和显示电路8及通讯电路9均为已知技术，故不作赘述。 
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。 

Claims (7)

1.一种双电源转换自动控制器，包括主、副变压器(1、2)，其特征在于：还包括电压检测电路(4)、电源电路(6)、切换电路(3)及其开关位置回馈电路(5)、单片机(10)和通讯电路(9)，其中，所述电压检测电路(4)接在所述主、副变压器(1、2)与所述单片机(10)之间，所述电源电路(6)与所述电压检测电路(4)相连，所述开关位置回馈电路(5)接在所述切换电路(3)与所述单片机(10)之间，所述通讯电路(9)与所述单片机(10)相连，所述电压检测电路(4)分别采集所述主、副变压器(1、2)的AB线电压和AC线电压，经变压、整流和滤波后接至所述单片机(10)，所述单片机(10)将采集到的所述主、副变压器(1、2)的AB线电压和AC线电压采用赋值比较法分别转换为三相电压，并与所述三相电压的设定值进行比较，然后将相应的电源切换指令发送至所述切换电路(3)，所述切换电路(3)完成相应的电源切换动作；所述赋值比较法将所述主、副变压器(1、2)的AB线电压和AC线电压转换为三相电压的步骤包括：
1)在公式UAC 2＝UA 2+UC 2+UA×UC、UAB 2＝UA 2+UB 2+UA×UB和UBC 2＝UB 2+UC 2+UB×UC中，对三个相电压分别赋以初值，即令UA＝220V，UB＝220V，UC＝220V，得出其线电压UAB、UAC和UBC值；
2)令UAB＝UAB 2-UA 2-UB 2-UA×UB，
    UAC＝UAC 2-UA 2-UC 2-UA×UB和
    UBC＝UBC 2-UB 2-UC 2-UB×UC，判断：
如果UAB＞0，UAC＞0，则UA偏小，让UA自加1；
如果UAB＞0，UBC＞0，则UB偏小，让UB自加1；
如果UAC＞0，UBC＞0，则UC偏小，让UC自加1；
如果UAB＜0，UAC＜0，则UA偏大，让UA自减1；
如果UAB＜0，UBC＜0，则UB偏大，让UB自减1；
如果UAC＜0，UBC＜0，则UC偏大，让UC自减1；
通过循环代入求解，得到不断逼近三个相电压UA、UB和UC的真实值，直到最后近似等于真实值。
2.根据权利要求1所述的双电源转换自动控制器，其特征在于：还包括键盘电路(7)和显示电路(8)，所述键盘电路(7)和显示电路(8)分别与所述单片机(10)相连。
3.根据权利要求1或2所述的双电源转换自动控制器，其特征在于：其中所述切换电路(3)包括光耦合放大器电路和与之相连的继电器驱动电路。
4.根据权利要求3所述的双电源转换自动控制器，其特征在于：其中所述单片机(10)采用型号为MC9S08DZ60的芯片构成。
5.根据权利要求4所述的双电源转换自动控制器，其特征在于：其中所述电源电路(6)采用型号为LM2596的芯片构成。
6.根据权利要求5所述的双电源转换自动控制器，其特征在于：其中所述光耦合放大器电路采用型号为IL420X007的芯片构成。
7.根据权利要求6所述的双电源转换自动控制器，其特征在于：其中所述通讯电路(9)包括485通讯电路和CAN通讯电路。
本发明双电源转换自动控制器，包括主副变压器、电压检测电路、电源电路、切换电路及其开关位置回馈电路、单片机、键盘电路、显示电路和通讯电路。电压检测电路分别采集主、副变压器的AB线电压和AC线电压，单片机将采集到的主、副变压器AB线电压和AC线电压分别转换为三相电压，并与三相电压的设定值进行比较，然后将相应的电源切换指令发送至切换电路，切换电路完成相应的电源切换动作。本发明双电源转换自动控制器的优点和积极效果在于：可以减少2个检测变压器，检测方式得到简化，采用电压调节器构成电源电路用于自身供电，省去了外接电源，降低了双电源转换自动控制器的成本。由于增加了通讯电路，功能进一步完善，使用非常方便。
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