CN103346578A - 智能选相开关控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了智能选相开关控制器，属于电力电子技术领域。智能选相开关控制器，包括微处理器，电源电路、显示电路、故障报警电路、电压零点捕捉信号采集处理电路、电流零点捕捉信号采集处理电路、电压故障检测信号采集处理电路、电流故障检测信号采集处理电路、磁保持继电器驱动电路及开关控制器模式转换电路。所述的微处理器接收输入指令和四个信号采集电路输入的信号后，对所述输入信号进行处理，控制磁保持继电器实现过零投切。本发明的智能选相开关控制器，能够实现电容器的无涌流投入和继电器触点的无电弧分断，能够检测并且自动补偿零点投切的动作时间误差，且能够对继电器的性能进行检测，用户能根据实际需要更换不同的磁保持继电器。

Description

智能选相开关控制器

技术领域

本发明涉及智能选相开关控制器，属于电力电子技术领域。 

背景技术

在电器控制领域，许多场合都需要交流电的大电流通断控制。其典型应用是功率因数补偿时，对补偿电容器的投切控制。这类大电流通断主要会产生两个问题，一是浪涌电流会污染电网，二是会导致控制继电器寿命减少。为解决这些问题，已经有一些解决方案提出。 

目前的电容器开关主要分为三大类：一类是传统的纯机械式接触器类的开关，如申请号为200820050810.8的中国专利，公开了一种“交流接触器控制开关”，它包括第一开关和第二开关，其中第一开关包括外壳、按钮、传动键、推动棘爪、棘轮、触桥和止反棘爪，按钮可相对外壳上下移动，按钮与外壳之间装有复位弹簧；按钮与传动键固定连接，传动键的侧部固定连接推动棘爪的一端；止反棘爪一端固定在外壳上，在止反棘爪上连接有接线端子；推动棘爪和止反棘爪的另一端插入棘轮的齿间；棘轮具有相互间隔的导电区域和绝缘区域，棘轮导电区域连接第二开关的第一触点，所述触桥固定在传动键上，按钮按下时，触桥连接第二开关的第一触点和第二触点。但是，这种类型的开关在投切时涌流较大，从而造成配电系统的谐波污染。另一类是电子开关，如申请号为200620048203.9的中国专利，公开了“一种晶闸管选相开关的试验装置”，它包括CPU、输入输出信号采集电路、开关电源、输入输出接口、触摸屏通信、上位机通信、CPLD信号处理电路、晶闸管触发电路、功率回路和晶闸管：晶闸管触发电路触发晶闸管将信号传给输入信号采集电路，经过CPU处理后，分别送到触摸屏通信、上位机通信、输入输出接口和CPLD信号处理电路。这类开关主要采用大电流的晶闸管来控制投切，但是由于晶闸管的自身特性，导致这种开关存在生产制造成本高、工作过程中能耗大以及易损坏而且维护难度大的缺陷。还有一类开关，如申请号为201020279116的中国专利，公开了一种“低压智能选相开关”，它是由微处理器，指令输入电路，信号取样电路，显示电路，继电器输出驱动电路，电源电路和继电器组组成。指令输入电路输入向微处理 器发送指令信号。信号取样电路向微处理器反馈外部电源的取样信号，微处理器处理后向继电器输出驱动电路发送继电器控制信号并且向显示电路发送显示信号。电源电路将外部电源转化成供微处理器和继电器输出驱动电路使用的直流电源。这类开关采用大触点容量的磁保持继电器控制投切，其开关本身具有过零投切功能。但是由于这类开关不能自动监测和补偿投切时间误差，当继电器触点状态及动作时间发生改变时，就无法保证过零投切的准确，从而导致配套的继电器触点过早损坏。而这种装置的继电器不能单独更换，继电器坏了，整个系统就报废了。因此这种开关不仅投切误差较大，寿命也较低。 

发明内容

本发明针对以上问题的提出，主要目的在于解决电容器开关在闭合时涌流大，断开时容易产生电弧的问题，还进一步解决了现有选相开关的零点投切误差大，应用范围窄的问题，并提供一种在投切时对电容器无冲击、低功耗、高精度、可应用与不同场合的智能选相开关控制器。 

本发明的技术手段如下： 

智能选相开关控制器包括微处理器；电源电路为微处理器、显示电路、故障报警电路、电压零点捕捉信号采集处理电路、电流零点捕捉信号采集处理电路、电压故障检测信号采集处理电路、电流故障检测信号采集处理电路、磁保持继电器驱动电路及开关控制器模式转换电路提供工作电压；电源电路、显示电路、故障报警电路、电压零点捕捉信号采集处理电路、电流零点捕捉信号采集处理电路、电压故障检测信号采集处理电路、电流故障检测信号采集处理电路、磁保持继电器驱动电路及开关控制器模式转换电路分别连接微处理器；指令输入电路向微处理器输入指令信号；显示电路实时显示开关控制器的各种信息，故障报警电路用于发出故障警报，电压零点捕捉信号采集处理电路，电流零点捕捉信号采集处理电路，电压故障检测信号采集处理电路及电流故障检测信号采集处理电路，给微处理器提供外部电路的取样信号；磁保持继电器驱动电路驱动磁保持继电器动作；开关控制器模式转换电路控制开关控制器在继电器测试模式和工作模式之间切换。 

首先用户应将双线圈磁保持继电器安装到智能选相开关控制器上，设置磁保持继电器的驱动电压，然后将控制器安装到电容器所在的回路中，开关控制器才能正常工作。开关控制器正常工作时，由电源电路将380V的外部交流电源转换成-5V，5V，12V和24V的直流电源。其中-5V直流电源为整个系统中所有 的运算放大器和电压比较器提供低压电源；5V直流电源给微处理器供电同时给其他电路中的上拉电阻提供上拉电压，并且为磁保持继电器提供驱动电压；12V直流电源为整个系统中所有的运算放大器和电压比较器提供高压电源，并且为磁保持继电器提供驱动电压；24V直流电源为磁保持继电器提供驱动电压。指令输入电路将指令信号输入微处理器，同时电压零点捕捉信号采集处理电路，电流零点捕捉信号采集处理电路将开关控制器两端的电压信号和通过电容器的电流信号转换成标准的TTL方波同步信号（即取样信号）并输入微处理器。微处理器在接收到输入的取样信号后，通过内置的控制程序对采集的数据进行处理，此时如果有动作指令信号输入到微处理器中，微处理器向磁保持继电器驱动电路发送动作信号，磁保持继电器驱动电路根据收到的控制信号执行闭合或断开继电器的操作。微处理器通过内置的控制程序控制继电器在开关两端电压为零的时刻闭合，在通过电容器电流为零的时刻断开。电压故障检测信号采集处理电路及电流故障检测信号采集处理电路将开关控制器两端的电压信号和通过电容器的电流信号转换成高占空比的TTL方波同步信号输入微处理器。微处理器在接收到电压故障检测信号采集处理电路及电流故障检测信号采集处理电路输入的信号后，通过内置的程序对采集的数据进行处理计算，判断开关控制器是否发生故障，计算继电器动作时刻距离电压或电流零点的误差时间，并且自动补偿误差。本发明的选相开关控制器在其进入正常的工作模式之前微处理器会对开关控制器模式转换电路发送信号，使开关控制器进入继电器测试模式，从而对继电器的触点弹跳时间，及动作时间的重复精度进行测试。本发明的选相开关控制器在工作时，显示电路会显示开关控制器的各种信息，包括工作模式，继电器驱动脉冲宽度，及故障。 

本发明的微处理器在工作时，是按照以下步骤执行的：通电后微处理器芯片先上电复位，完成程序初始化，接着向开关控制器模式转换电路发出信号，使开关控制器进入继电器检测模式。然后等待用户设置磁保持继电器驱动脉冲宽度，之后检测继电器是否可以满足要求，如果否，则立即进行故障报警；如果是，则进入工作模式；在整个设备工作过程中，微处理器在交流电每半个周期都会根据继电器开关状态捕捉交流电压或电流零点，然后进行常规延时，常规延时后进入中断程序，判断继电器是否需要动作；如果是，则发出动作信号；如果否，则继续根据继电器开关状态捕捉交流电压或电流零点，进行下一次交流电半个周期内的常规延时；每当继电器动作完成后，开关控制器会自动检测 其动作时间误差并补偿。 

进一步所述的电压故障检测信号采集处理电路是通过电压传感器采集电容器两端的电压信号后输入精密整流电路，精密整流电路输出正值电压信号，精密整流电路连接电压比较电路，正值电压信号经过电压比较电路后输出高占空比的方波信号进入微处理器；电流故障检测信号采集处理电路是通过电流传感器将通过电容器的电流转换为电压信号；电压信号进入精密整流电路，精密整流电路输出正值电压信号，再经过放大电路放大信号，放大电路连接电压比较电路，放大后的正值电压信号经过电压比较电路后输出电压方波信号进入微处理器； 

相对于现有技术，本发明具有以下优点： 

1.能够准确的在开关控制器两端电压为零的时刻将继电器闭合，在通过电容器电流为零的时刻将继电器断开，从而实现了电容器的无涌流投入和继电器触点的无电弧分断，减少了谐波污染。 

2.因为具有自动补偿误差的功能，所以继电器可以根据系统需求进行更换，选择合适触点容量的继电器。 

3.可以进行继电器动作时间重复误差和弹跳误差检测，确定继电器是否适用于选相投切。 

4.当开关控制器检测到继电器触点没有在电压或电流零点动作时，开关控制器可以自动补偿误差以保证下一次投切在电压或电流零点处进行。 

5.如果开关控制器连续几轮自动补偿误差失败，开关控制器的显示屏上会显示故障并利用蜂鸣器报警。 

附图说明

图1是本发明的硬件结构框图。 

图2是本发明的电压零点捕捉信号采集处理示意图。 

图3是本发明的电流零点捕捉信号采集处理示意图。 

图4是本发明的电压故障检测信号采集处理示意图。 

图5是本发明的电流故障检测信号采集处理示意图。 

图6是本发明的磁保持继电器安装后继电器检测示意图。 

图7是本发明的开关控制器模式转换电路原理图。 

图8是本发明的整体电路原理图。 

图9是本发明的软件总体程序流程图。 

图10是本发明的继电器检测程序流程图。 

图11是本发明的自动检测继电器动作时间误差和自动补偿程序流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明： 

如图1所示，智能选相开关控制器，包括微处理器，电源电路、显示电路、故障报警电路、电压零点捕捉信号采集处理电路、电流零点捕捉信号采集处理电路、电压故障检测信号采集处理电路、电流故障检测信号采集处理电路、磁保持继电器驱动电路及开关控制器模式转换电路。电源电路为微处理器、显示电路、故障报警电路、电压零点捕捉信号采集处理电路、电流零点捕捉信号采集处理电路、电压故障检测信号采集处理电路、电流故障检测信号采集处理电路、磁保持继电器驱动电路及开关控制器模式转换电路提供工作电压；电源电路、显示电路、故障报警电路、电压零点捕捉信号采集处理电路、电流零点捕捉信号采集处理电路、电压故障检测信号采集处理电路、电流故障检测信号采集处理电路、磁保持继电器驱动电路及开关控制器模式转换电路分别连接微处理器；指令输入电路向微处理器输入指令信号；显示电路实时显示开关控制器的各种信息，故障报警电路用于发出故障警报，电压零点捕捉信号采集处理电路，电流零点捕捉信号采集处理电路，电压故障检测信号采集处理电路及电流故障检测信号采集处理电路，给微处理器提供外部电路的取样信号；磁保持继电器驱动电路驱动磁保持继电器动作；开关控制器模式转换电路控制开关控制器在继电器测试模式和工作模式之间切换。 

参见图2和图8，电压零点捕捉信号采集处理电路是利用变压器采集开关控制器两端的电压信号后输入电压比较电路，电压比较电路产生方波电压信号输入微处理器。 

参见图3和图8，电流零点捕捉信号采集处理电路是利用电流互感器把通过电容器的电流信号转化为电压信号后进入放大电路进行放大，然后进入电压比较电路，电压比较电路产生方波电压信号进入微处理器。 

参见图4和图8，电压故障检测信号采集处理电路；是利用电压互感器采集电容器两端的电压信号送入精密整流电路，精密整流电路输出正值电压信号，正值电压信号经过电压比较电路后变为高占空比方波信号输入微处理器； 

参见图5和图8，电流故障检测信号采集处理电路是利用电流互感器把通过电容器的电流信号转化为电压信号后输入精密整流电路，精密整流电路输出正 值电压信号，正值电压信号经过放大器放大然后输入电压比较电路，电压比较电路产生高占空比的方波信号输入微处理器。 

参见图6和图8，继电器检测是当继电器安装在智能选相开关控制器上后，微处理器向开关控制器模式转换电路发送信号，使其转换到继电器检测模式。然后，微处理器向磁保持继电器驱动电路发送信号，使磁保持继电器动作，此时微处理器可以通过开关控制器模式转换电路检测磁保持继电器的触点状态信号，从而判断磁保持继电器是否满足要求。 

参见图7和图8，开关控制器模式转换电路工作原理如下：当微处理器控制端2为高电平时，三极管Q7截止，三极管Q6的基极电压为0V，三极管Q6截止，双刀双掷继电器Q5线圈处于断电状态，磁保持继电器的触点两端接入主回路中，开关控制器处于正常工作状态。当微处理器控制端2为低电平时，三极管Q7导通，三极管Q6的基极电压为5V，三极管Q6导通，双刀双掷继电器Q5线圈处于带电状态，磁保持继电器的触点1与微处理器控制端1相连接，磁保持继电器的触点2与地线相连接，开关控制器处于继电器测试状态。 

如图9所示，智能选相开关控制器实现控制的方法，其步骤如下：开关控制器内的微处理器上电后，先完成程序初始化，然后检测继电器是否可以满足要求，如果否，则立即进行故障报警；如果是，则进入工作模式；在整个设备工作过程中，微处理器在交流电每半个周期都会根据继电器开关状态捕捉交流电压或电流零点，然后进行常规延时，常规延时后进入中断程序，判断继电器是否需要动作；如果是，则发出动作信号；如果否，则继续根据继电器开关状态捕捉交流电压或电流零点，进行下一次交流电半个周期内的常规延时,继电器动作完成后，开关控制器会自动检测其动作时间误差并补偿。 

如图10所示，智能选相开关控制器实现检测继电器是否满足要求的方法包括步骤如下：继电器检测开始后，先向开关控制器模式转换电路发送命令使开关控制器进入继电器测试模式，然后检测继电器开关状态发送继电器动作指令接着启动定时器，然后判断继电器开关状态是否发生改变；如果是，则说明继电器动作完毕，关闭定时器并读取时间；如果否，则继续检测继电器开关状态；在读取时间完毕后延时1ms，忽略1ms内发生的弹跳，检测1ms之后是否发生弹跳；如果否，则说明继电器的弹跳周期没有超过1ms，继电器弹跳周期满足要求；如果是，则说明继电器弹跳周期超过了1ms，说明继电器弹跳周期不能满足要求，开关控制器进行故障报警；循环检测6次后判断继电器动作时间重复误 差是否能够满足要求，如果是，则检测结束；如果否，则进行报警。 

如图11所示，智能选相开关控制器实现自动检测其动作时间误差并补偿的方法，其步骤如下：微处理器捕捉电压故障检测信号采集处理电路及电流故障检测信号采集处理电路输出的脉冲信号的脉冲宽度，判断是否达到正常宽度，如果是，则继续检测，如果否，则判断所得的脉冲宽度是否达到了故障报警的条件；如果否，则根据所得的脉冲宽度自动补偿动作时间误差；如果是，则判断是否已经连续三次达到了故障报警的条件，如果没有连续三次达到了故障报警的条件，则根据所得的脉冲宽度自动补偿动作时间误差，如果连续三次达到了故障报警的条件，则进行故障报警。 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.智能选相开关控制器，包括微处理器，其特征在于：电源电路为微处理器、显示电路、故障报警电路、电压零点捕捉信号采集处理电路、电流零点捕捉信号采集处理电路、电压故障检测信号采集处理电路、电流故障检测信号采集处理电路、磁保持继电器驱动电路及开关控制器模式转换电路提供工作电压；电源电路、显示电路、故障报警电路、电压零点捕捉信号采集处理电路、电流零点捕捉信号采集处理电路、电压故障检测信号采集处理电路、电流故障检测信号采集处理电路、磁保持继电器驱动电路及开关控制器模式转换电路分别连接微处理器；指令输入电路向微处理器输入指令信号；显示电路实时显示开关控制器的各种信息，故障报警电路用于发出故障警报，电压零点捕捉信号采集处理电路，电流零点捕捉信号采集处理电路，电压故障检测信号采集处理电路及电流故障检测信号采集处理电路，给微处理器提供外部电路的取样信号；磁保持继电器驱动电路驱动磁保持继电器动作；开关控制器模式转换电路控制开关控制器在继电器测试模式和工作模式之间切换。 

2.根据权利要求1所述的智能选相开关控制器，其特征在于：电压零点捕捉信号采集处理电路包括变压器和电压比较电路；变压器采集开关控制器两端电压信号后输入电压比较电路，电压比较电路输出方波电压信号，最后将方波电压信号输入微处理器。 

3.根据权利要求1所述的智能选相开关控制器，其特征在于：电流零点捕捉信号采集处理电路包括电流互感器，同相放大电路和电压比较电路；电流互感器把通过电容器的电流信号转化为电压信号后进入放大电路进行放大，然后进入电压比较电路，电压比较电路输出方波电压信号进入微处理器。 

4.根据权利要求1所述的智能选相开关控制器，其特征在于：电压故障检测信号采集处理电路包括电压传感器，精密整流电路及电压比较电路；电压传感器采集电容器两端的电压信号后输入精密整流电路，精密整流电路输出正值电压信号，精密整流电路连接电压比较电路，正值电压信号经过电压比较电路后输出电压方波信号进入微处理器。 

5.根据权利要求1所述的智能选相开关控制器，其特征在于：电流故障检测信号采集处理电路包括电流传感器，精密整流电路，放大电路，电压比较电路；电流传感器将通过电容器的电流转换为电压信号；电压信号进入精密整流电路， 精密整流电路输出正值电压信号，再经过放大电路放大信号，放大电路连接电压比较电路，放大后的正值电压信号经过电压比较电路后输出电压方波信号进入微处理器。 

6.根据权利要求1所述的智能选相开关控制器，其特征在于：开关控制器模式转换电路包括一个双刀双掷继电器、一个NPN型三极管、一个PNP型三极管、一个二极管、两个继电器触点接线端子和三个电阻；其中PNP型三极管Q7基极通过电阻R13与微处理器端口相连接；PNP型三极管Q7的发射极与电源电路相连接；PNP型三极管Q7的集电极通过电阻R14与NPN型三极管Q6的基极相连接；PNP型三极管Q7的集电极通过电阻R12与和地线相连接；NPN型三极管Q6的集电极分别于与二极管D3的阳极和双刀双掷继电器Q5线圈的负端相连接；二极管D3的阴极及双刀双掷继电器Q5线圈的正端与电源电路相连接；NPN型三极管Q6的发射极与地线相连接；双刀双掷继电器Q5的接点1,2分别与磁保持继电器的触点两端相连接；双刀双掷继电器Q5的接点3,5分别与主回路的正极和负极相连接；双刀双掷继电器Q5的接点4与微处理器引脚相连接双刀双掷继电器Q5的接点6与地线相连接。 

7.根据权利要求1所述的智能选相开关控制器实现控制的方法，其特征在于：步骤包括：开关控制器安装完毕后，先完成程序初始化，然后检测安装在开关控制器上的继电器是否可以满足要求，如果否，则立即进行故障报警；如果是，则进入工作模式；在整个设备工作过程中，微处理器在交流电每半个周期都会根据继电器的开关状态捕捉交流电压或电流零点，然后进行常规延时，常规延时后进入中断程序，判断继电器是否需要动作；如果是，则发出动作信号；如果否，则继续根据继电器的开关状态捕捉交流电压或电流零点，进行下一次交流电半个周期内的常规延时；每当继电器动作完成后，开关控制器会自动检测其动作时间误差并补偿。 

8.根据权利要求1所述的智能选相开关控制器实现检测继电器是否满足要求的方法，其特征在于：步骤包括：继电器检测开始后，先向开关控制器模式转换电路发送命令使开关控制器进入继电器测试模式，然后检测继电器的开关状态发送继电器动作指令，接着启动定时器，然后判断继电器开关状态是否发生改变；如果是，则说明继电器动作完毕，关闭定时器并读取时间；如果否，则继续检测继电器开关状态；在读取时间完毕后延时1ms，忽略1ms内发生的触点弹跳，检测1ms之后是否发生触点弹跳；如果否，则说明继电器的弹跳周 期没有超过1ms，继电器弹跳周期满足要求；如果是，则说明继电器弹跳周期超过了1ms，说明继电器弹跳周期不能满足要求，开关控制器进行故障报警；循环检测6次后判断继电器动作时间重复误差是否能满足要求，如果是，则检测结束；如果否，则进行报警。 

9.根据权利要求1所述的智能选相开关控制器实现自动检测其动作时间误差并补偿的方法，其特征在于：步骤包括：微处理器捕捉电压故障检测信号采集处理电路及电流故障检测信号采集处理电路输出的脉冲信号的脉冲宽度，判断是否达到正常宽度，如果是，则继续检测，如果否，则判断所得的脉冲宽度是否达到了故障报警的条件；如果否，则根据所得的脉冲宽度自动补偿动作时间误差；如果是，则判断是否已经连续三次达到了故障报警的条件，如果没有连续三次达到了故障报警的条件，则根据所得的脉冲宽度自动补偿动作时间误差，如果连续三次达到了故障报警的条件，则进行故障报警。 

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