CN103903912A - 同步开关及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种同步开关和一种同步开关的控制方法，所述同步开关包括相位检测电路、中央控制器、辅助投切电路和主投切电路，辅助投切电路包括用于自动检测电压过零点并在电压过零点时导通辅助投切电路的电压过零检测器和用于接收第一控制信号并连通电压过零检测器的开关单元，电压过零检测器与开关单元串联，开关单元与中央控制器相连；所述控制方法用于控制同步开关动作；本发明通过在正半波时间内先闭合开关单元，利用辅助投切电路投入电力电容器，并在负半波时间内，连通主投切电路，实现电力电容器的真正无涌流投入，同步开关的动作时间也由点控制延长到半波时间控制，大大降低了同步开关的控制难度。

Description

同步开关及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电容器无涌流投切技术领域，尤其涉及一种同步开关和一种同步开关的控制方法。
背景技术
同步开关，用于控制三相电力电容器在开关接点两端电压为零的时刻闭合，从而实现电力电容器的无涌流投入，然而，同步开关为机械式开关与电子开关的结合，要实现同步开关投入时的无涌流，一方面要精确的检测电压过零点，并及时发出电压过零点的控制信息，另一方，要保证同步开关的机械特性，使其在电压过零点时精确闭合。然而，现有同步开关的机械特性稳定性不高，若是同步开关的机械特性发生改变或是过零点时出现控制上的误差，都可能导致电力电容器投入时涌流的产生，因此，现有的同步开关存在难以精确控制开关在两端等压点投入的问题。
目前，也有提出通过提高磁保持继电器驱动电压来提升磁保持继电器的闭合时间来解决上述问题，即通过提升开关动作时间和控制开关在开关两端电压过零点投入。但是，上述控制方法，还是避免不了需要保证同步开关机械特性的问题，还是需要精确的检测电压过零点，也就是说无法精确控制在开关两端等压点投入，电容器投入时还是会有四倍以上的涌流产生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有同步开关存在难以精确的在开关两端等压点时投入的上述问题，提供了一种控制难度低、投入无涌流、只需在半波时间内投入电力电容器的一种同步开关和一种同步开关的控制方法。
为解决上述问题，本发明的一种技术方案是：
一种同步开关，所述同步开关包括用于检测单相电源电压相位并输出正半波检测信号与负半波检测信号的相位检测电路、用于接收正半波检测信号与负半波检测信号并输出相应的第一控制信号与第二控制信号的中央控制器、用于接收第一控制信号并自动检测电压过零点的辅助投切电路和用于接收第二控制信号并投入电力电容器的主投切电路，主投切电路、辅助投切电路和相位检测电路分别串联在单相电源与电力电容器之间，相位检测电路、主投切电路和辅助投切电路均与中央控制器相连；所述辅助投切电路包括用于自动检测电压过零点并在电压过零点时导通辅助投切电路的电压过零检测器和用于接收第一控制信号并连通电压过零检测器的开关单元，电压过零检测器与开关单元串联，开关单元与中央控制器相连。
优选地，所述电压过零检测器为二极管，开关单元为功率继电器，电压过零检测器与单相电源相连，开关单元与电力电容器相连，二极管由电力电容器向单相电源方向导通。
优选地，所述主投切电路为磁保持式继电器，磁保持式继电器与中央控制器相连。
优选地，所述电压相位检测电路包括光电耦合器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和二极管D5，第一电阻R1、二极管D5和第二电阻R2顺次串联后并联在辅助投切电路的两端，二极管D5由单相电源向电力电容器方向导通，光电耦合器U1中发光二极管的两输入端并联在二极管D5上，发光二极管由电力电容器向单相电源方向导通，光电耦合器U1中三极管的发射极接地，三极管的集电极通过第三电阻R3与电源相连，三极管的集电极与中央控制器相连，三极管的集电极用于输出正半波检测信号和负半波检测信号。
优选地，所述同步开关还包括用于检测电力电容器内部涌流并输出反馈信号的涌流检测电路，涌流检测电路的输入端连接在主投切电路与电力电容器的连接处，涌流检测电路的输出端与中央控制器相连。
优选地，所述涌流检测电路包括用于调节充电时间并控制输出电压的第一单向充电电路、用于调节充电时间并控制输出电压的第二单向充电电路、比较器和输出控制单元，第一单向充电电路和第二单向充电电路的输入端与主投切电路和电力电容器的连接处相连，第一单向充电电路和第二单向充电电路的输出端分别与比较器的两个输入端相连，比较器的输出端与输出控制单元相连，输出控制单元与中央控制器相连。
优选地，所述第一单向充电电路包括二极管D1、第四电阻R4、第五电阻R5和第一电容C1，二极管D1、第四电阻R4和第五电阻R5顺次连接，第五电阻R5的另一端接地，二极管D1的输入端为第一单向充电电路的输入端，二极管D1由第一单向充电电路的输入端向第四电阻R4方向导通，第一电容C1并联在第五电阻R5的两端，第四电阻R4与第一电容C1的连接处为第一单向充电电路的输出端；所述第二单向充电电路包括二极管D2、第六电阻R6、第七电阻R7和第二电容C2，二极管D2、第六电阻R6和第七电阻R7顺次连接，第七电阻R7的另一端接地，二极管D2的输入端为第二单向充电电路的输入端，二极管D2由第二单向充电电路的输入端向第六电阻R6方向导通，第二电容C2并联在第七电阻R7的两端，第六电阻R6与第二电容C2的连接处为第二单向充电电路的输出端；所述输出控制单元包括顺次连接的二极管D3、第八电阻R8和第九电阻R9，第九电阻R9的另一端接地，二极管D3连接在比较器的输出端上，二极管D3由比较器向第八电阻R8方向导通，第八电阻R8与第九电阻R9的连接处与中央控制器相连。
相比较于现有技术，本发明的同步开关采用双机械开关控制方式，通过在正半波时间内先闭合开关单元，利用电压过零检测器自动实时检测电压过零点，使开关两端电压过零点时，利用辅助投切电路投入电力电容器，并在负半波时间内，连通主投切电路，实现电力电容器的真正无涌流投入，同步开关的动作时间也由点控制延长到半波时间控制，大大降低了同步开关的控制难度；本发明避免了由于同步开关机械特性的变化而造成涌流的现象，在投入时，既不损伤投切开关，也不损伤电力电容器，延长了开关和电力电容器的使用寿命。
本发明的另一种技术方案是：
一种上述提及同步开关的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
a)在中央控制器的控制下，保持磁保持式继电器和功率继电器处于断开状态；
b)相位检测电路实时检测单相电源电压的相位，若检测到单相电源电压的相位φ为0°≤φ<180°时，相位检测电路输出正半波检测信号，并进入步骤c，若检测到单相电源电压的相位φ为180°≤φ<360°时，二极管自动检测并正向导通，同时相位检测电路输出负半波检测信号，并进入步骤d；
c)中央控制器接收相位检测电路输出的正半波检测信号，输出第一控制信号到功率继电器，控制功率继电器闭合，此时，由于二极管反相截止，辅助投切电路处于断开状态，返回步骤b；
d)中央控制器接收相位检测电路的负半波检测信号，同时检测功率继电器是否处于闭合状态，若闭合，进入步骤e；否则，返回步骤b；
e)中央控制器输出第二控制信号到磁保持式继电器，并在整个负半波信号持续的任意时间内控制磁保持式继电器闭合，磁保持式继电器闭合后进入步骤f；
f)中央控制器检测到磁保持式继电器闭合后，控制功率继电器断开。
优选地，所述步骤b中正半波检测信号在单相电源电压的相位φ为0°≤φ<180°且检测到单相电源电压的上升沿信号时输出。
相比较于现有技术，本发明的同步开关的控制方法，通过在正半波时间内先闭合开关单元，利用电压过零检测器自动实时检测电压过零点，使开关两端电压过零点时，利用辅助投切电路投入电力电容器，并在负半波时间内，连通主投切电路，实现电力电容器的真正无涌流投入，同步开关的动作时间也由点控制延长到半波时间控制，大大降低了同步开关的控制难度；本发明避免了由于同步开关机械特性的变化而造成涌流的现象，在投入时，既不损伤投切开关，也不损伤电力电容器，延长了开关和电力电容器的使用寿命。
附图说明
图1是本发明同步开关的电路原理框图。
图2是本发明同步开关中涌流检测电路的电路原理框图。
图3是本发明同步开关的局部电路原理图。
图4是本发明同步开关中涌流检测电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但本发明的保护范围并不限于此。
参照图1，本发明的同步开关包括主投切电路、辅助投切电路、相位检测电路、中央控制器和涌流检测电路，主投切电路、辅助投切电路和相位检测电路分别串联在单相电源与电力电容器之间，主投切电路、辅助投切电路和相位检测电路彼此并联，相位检测电路、主投切电路和辅助投切电路均与中央控制器相连，涌流检测电路的输入端连接在主投切电路与电力电容器的连接处，涌流检测电路的输出端与中央控制器相连。
参照图3，所述相位检测电路用于检测单相电源电压相位并输出正半波检测信号与负半波检测信号，即相位检测电路用于电力电容器投入过程中的时序控制。相位检测电路若检测到单相电源电压的相位φ为0°≤φ<180°，且检测到单相电源电压的上升沿信号时，相位检测电路输出正半波检测信号到中央控制器中，若检测到单相电源电压的相位φ为180°≤φ<360°时，相位检测电路输出负半波检测信号。其中，电压相位检测电路包括光电耦合器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和二极管D5，第一电阻R1、二极管D5和第二电阻R2顺次串联后并联在辅助投切电路的两端，第一电阻R1和第二电阻R2起到限流的作用，二极管D5由单相电源向电力电容器方向导通，光电耦合器U1中发光二极管的两输入端并联在二极管D5上，发光二极管由电力电容器向单相电源方向导通，光电耦合器U1中三极管的发射极接地，三极管的集电极通过第三电阻R3与电源相连，三极管的集电极与中央控制器相连，三极管的集电极用于输出正半波检测信号和负半波检测信号。由于相位检测电路具体电路结构的限制，导致相位检测电路在负半波时持续输出高电平信号，因此在判断时，需要中央控制器根据上升沿信号往后延迟作为判断，在上升沿信号之后的10ms即半波信号持续时间后，判断为负半波信号的开始。
相位检测电路在检测时，输出信号ZERO到中央控制器中，由中央控制器进行判断跟踪，信号ZERO包括正半波检测信号和负半波检测信号，信号ZERO在图3中已标注出。当主投切电路两端的电压为正时，光电耦合器U1截止，信号ZERO为信号Vdd，即电源信号，也就是正半波检测信号；当主投切电路两端的电压为负时，光电耦合器U1导通，信号ZERO为信号Vss，即地信号，也就是负半波检测信号。
所述中央控制器通过判断方波信号ZERO控制主投切电路和辅助投切电路执行相应动作。当中央控制器判断信号ZERO为正半波检测信号，中央控制器输出第一控制信号到辅助投切电路中，当中央控制器判断信号ZERO为负半波检测信号，中央控制器输出第二控制信号到主投切电路中。中央控制器是主控中心，中央控制器还需通过电流电压采集单元采集电流电压，进行无功补偿算法等，辅助控制同步开关的投切，中央控制器的上述控制及算法属于本领域常规控制过程，在此不再赘述。
参照图3，所述辅助投切电路用于接收中央控制器输出的第一控制信号并自动检测电压过零点。辅助投切电路包括用于自动检测电压过零点并在电压过零点时导通辅助投切电路的电压过零检测器和用于接收第一控制信号并连通电压过零检测器的开关单元，电压过零检测器与开关单元串联，开关单元与中央控制器相连。电压过零检测器为电子特性的自动检测器件，电压过零检测器为大功率的二极管D4，开关单元为功率继电器K2，电压过零检测器与单相电源相连，开关单元与电力电容器相连，二极管D4由电力电容器向单相电源方向导通。辅助投切电路接收到中央控制器输出的第一控制信号时，控制功率继电器K2在整个正半波信号持续的任意时间内控制功率继电器K2闭合，此时二极管D4处于反向截止状态，功率继电器K2上无电流通过，即辅助投切电路断路，当二极管D4检测到电压反向时，二极管D4处于正向导通状态，功率继电器K2上开始有电流通过，辅助投切电路连通，即电力电容器投入。
参照图3，所述主投切电路用于接收中央控制器输出的第二控制信号并投入电力电容器，主投切电路为磁保持式继电器K1，磁保持式继电器K1与中央控制器相连，由第二控制信号控制其投入与否。当磁保持式继电器K1闭合后，由中央控制器控制功率继电器K2断开。
参照图1、图2和图4，所述涌流检测电路用于检测电力电容器内部涌流并输出反馈信号IR，反馈信号IR输入到中央控制器中，用于判断电力电容器投切的可靠性。涌流检测电路连接电力电容器的输入端上，记电力电容器的输入端上的电流为I。涌流检测电路包括用于调节充电时间并控制输出电压的第一单向充电电路、用于调节充电时间并控制输出电压的第二单向充电电路、比较器U2和输出控制单元，第一单向充电电路和第二单向充电电路的输入端与主投切电路和电力电容器的连接处相连，第一单向充电电路和第二单向充电电路的输出端分别与比较器U2的两个输入端相连，比较器U2的输出端与输出控制单元相连，输出控制单元与中央控制器相连。通过调节，可以使第一单向充电电路和第二单向充电电路的充电时间差异，当涌流产生时，第一单向充电电路和第二单向充电电路就会输出不同的电压，来进行判断。
参照图4，第一单向充电电路包括二极管D1、第四电阻R4、第五电阻R5和第一电容C1，二极管D1、第四电阻R4和第五电阻R5顺次连接，第五电阻R5的另一端接地，二极管D1的输入端为第一单向充电电路的输入端，二极管D1由第一单向充电电路的输入端向第四电阻R4方向导通，第一电容C1并联在第五电阻R5的两端，第四电阻R4与第一电容C1的连接处为第一单向充电电路的输出端。第二单向充电电路包括二极管D2、第六电阻R6、第七电阻R7和第二电容C2，二极管D2、第六电阻R6和第七电阻R7顺次连接，第七电阻R7的另一端接地，二极管D2的输入端为第二单向充电电路的输入端，二极管D2由第二单向充电电路的输入端向第六电阻R6方向导通，第二电容C2并联在第七电阻R7的两端，第六电阻R6与第二电容C2的连接处为第二单向充电电路的输出端；所述输出控制单元包括顺次连接的二极管D3、第八电阻R8和第九电阻R9，第九电阻R9的另一端接地，二极管D3连接在比较器U2的输出端上，二极管D3由比较器向第八电阻R8方向导通，第八电阻R8与第九电阻R9的连接处与中央控制器相连。
调整第四电阻R4和第六电阻R6可以使第一单向充电电路的充电时间少于第二单向充电电路的充电时间。当有涌流产生时，两路充电时间不一致导致比较器U2两个输入端的电势差，反馈信号IR会输出高电平，通过反馈信号IR判断电力电容器内部电流的突变情况。当同步开关的过零投入功能出现异常的情况下，电力电容器内部电流的采样信号会产生涌流冲击，就可以通过电流反馈信号IR来跟踪同步开关的可靠性。
本发明的同步开关采用双机械开关控制方式，不需要精确控制磁保持继电器K1的动作时间，只要保证在磁保持继电器K1两端电压的正半波闭合功率继电器K2即可，也就是说在10mS内闭合功率继电器K2，而一般功率继电器闭合的时间是5ms以内，这样就降低了控制难度，真正做到了功率继电器K2无涌流闭合。在磁保持继电器K1两端电压的负半波时间内闭合磁保持继电器K1，也就是说在功率继电器K2闭合并且二极管D4正向导通的情况下闭合磁保持继电器K1，这样轻松做到了磁保持继电器K1的无涌流闭合，之后再断开功率继电器K2，完成整个无涌流投入电容器的过程，同步开关的动作时间也由点控制延长到半波时间控制，大大降低了同步开关的控制难度。
参照图1至图4，本发明的同步开关的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
步骤a：在中央控制器的控制下，保持磁保持式继电器K1和功率继电器K2处于断开状态，此时，电力电容器未投入。
步骤b：相位检测电路实时检测单相电源电压的相位，若检测到单相电源电压的相位φ为0°≤φ<180°且检测到单相电源电压的上升沿信号时，即主投切电路两端的电压为正，光电耦合器U1截止，相位检测电路输出正半波检测信号，并进入步骤c；
若检测到单相电源电压的相位为180°≤φ<360°度时，即主投切电路两端的电压为负，二极管D4自动检测并正向导通，同时光电耦合器U1导通，相位检测电路输出负半波检测信号，并进入步骤d。
步骤c：中央控制器接收相位检测电路输出的正半波检测信号，输出第一控制信号到功率继电器K2，在5ms以内控制功率继电器K2闭合，此时，由于二极管D4反相截止，辅助投切电路处于断开状态，返回步骤b。
步骤d：中央控制器接收相位检测电路的负半波检测信号，同时检测功率继电器K2是否处于闭合状态，若闭合，进入步骤e；否则，返回步骤b。
步骤e：中央控制器输出第二控制信号到磁保持式继电器K1，并在整个负半波信号持续的任意时间内控制磁保持式继电器闭合K1，磁保持式继电器K1闭合后进入步骤f。
步骤f：中央控制器检测到磁保持式继电器K1闭合后，控制功率继电器K2断开。
步骤g：上述步骤，涌流检测电路实时检测电力电容器的输入电流I，并输出反馈信号IR到中央控制器中。
上述步骤中，由于相位检测电路具体电路结构的限制，导致相位检测电路在负半波时持续输出高电平信号，因此在判断时，需要中央控制器根据上升沿信号往后延迟作为判断，在上升沿信号之后的10ms即半波信号持续时间后，判断为负半波信号的开始。
上述说明中，凡未加特别说明的，均采用现有技术中的技术手段。

Claims (9)

1.一种同步开关，其特征在于，所述同步开关包括用于检测单相电源电压相位并输出正半波检测信号与负半波检测信号的相位检测电路、用于接收正半波检测信号与负半波检测信号并输出相应的第一控制信号与第二控制信号的中央控制器、用于接收第一控制信号并自动检测电压过零点的辅助投切电路和用于接收第二控制信号并投入电力电容器的主投切电路，主投切电路、辅助投切电路和相位检测电路分别串联在单相电源与电力电容器之间，相位检测电路、主投切电路和辅助投切电路均与中央控制器相连；所述辅助投切电路包括用于自动检测电压过零点并在电压过零点时导通辅助投切电路的电压过零检测器和用于接收第一控制信号并连通电压过零检测器的开关单元，电压过零检测器与开关单元串联，开关单元与中央控制器相连。
2.根据权利要求1所述的同步开关，其特征在于，所述电压过零检测器为二极管，开关单元为功率继电器，电压过零检测器与单相电源相连，开关单元与电力电容器相连，二极管由电力电容器向单相电源方向导通。
3.根据权利要求2所述的同步开关，其特征在于，所述主投切电路为磁保持式继电器，磁保持式继电器与中央控制器相连。
4.根据权利要求1所述的同步开关，其特征在于，所述电压相位检测电路包括光电耦合器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和二极管D5，第一电阻R1、二极管D5和第二电阻R2顺次串联后并联在辅助投切电路的两端，二极管D5由单相电源向电力电容器方向导通，光电耦合器U1中发光二极管的两输入端并联在二极管D5上，发光二极管由电力电容器向单相电源方向导通，光电耦合器U1中三极管的发射极接地，三极管的集电极通过第三电阻R3与电源相连，三极管的集电极与中央控制器相连，三极管的集电极用于输出正半波检测信号和负半波检测信号。
5.根据权利要求1所述的同步开关，其特征在于，所述同步开关还包括用于检测电力电容器内部涌流并输出反馈信号的涌流检测电路，涌流检测电路的输入端连接在主投切电路与电力电容器的连接处，涌流检测电路的输出端与中央控制器相连。
6.根据权利要求5所述的同步开关，其特征在于，所述涌流检测电路包括用于调节充电时间并控制输出电压的第一单向充电电路、用于调节充电时间并控制输出电压的第二单向充电电路、比较器和输出控制单元，第一单向充电电路和第二单向充电电路的输入端与主投切电路和电力电容器的连接处相连，第一单向充电电路和第二单向充电电路的输出端分别与比较器的两个输入端相连，比较器的输出端与输出控制单元相连，输出控制单元与中央控制器相连。
7.根据权利要求6所述的同步开关，其特征在于，所述第一单向充电电路包括二极管D1、第四电阻R4、第五电阻R5和第一电容C1，二极管D1、第四电阻R4和第五电阻R5顺次连接，第五电阻R5的另一端接地，二极管D1的输入端为第一单向充电电路的输入端，二极管D1由第一单向充电电路的输入端向第四电阻R4方向导通，第一电容C1并联在第五电阻R5的两端，第四电阻R4与第一电容C1的连接处为第一单向充电电路的输出端；所述第二单向充电电路包括二极管D2、第六电阻R6、第七电阻R7和第二电容C2，二极管D2、第六电阻R6和第七电阻R7顺次连接，第七电阻R7的另一端接地，二极管D2的输入端为第二单向充电电路的输入端，二极管D2由第二单向充电电路的输入端向第六电阻R6方向导通，第二电容C2并联在第七电阻R7的两端，第六电阻R6与第二电容C2的连接处为第二单向充电电路的输出端；所述输出控制单元包括顺次连接的二极管D3、第八电阻R8和第九电阻R9，第九电阻R9的另一端接地，二极管D3连接在比较器的输出端上，二极管D3由比较器向第八电阻R8方向导通，第八电阻R8与第九电阻R9的连接处与中央控制器相连。
8.一种如权利要求3所述同步开关的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
a)在中央控制器的控制下，保持磁保持式继电器和功率继电器处于断开状态；
b)相位检测电路实时检测单相电源电压的相位，若检测到单相电源电压的相位φ为0°≤φ<180°时，相位检测电路输出正半波检测信号，并进入步骤c，若检测到单相电源电压的相位φ为180°≤φ<360°时，二极管自动检测并正向导通，同时相位检测电路输出负半波检测信号，并进入步骤d；
c)中央控制器接收相位检测电路输出的正半波检测信号，输出第一控制信号到功率继电器，控制功率继电器闭合，此时，由于二极管反相截止，辅助投切电路处于断开状态，返回步骤b；
d)中央控制器接收相位检测电路的负半波检测信号，同时检测功率继电器是否处于闭合状态，若闭合，进入步骤e；否则，返回步骤b；
e)中央控制器输出第二控制信号到磁保持式继电器，并在整个负半波信号持续的任意时间内控制磁保持式继电器闭合，磁保持式继电器闭合后进入步骤f；
f)中央控制器检测到磁保持式继电器闭合后，控制功率继电器断开。
9.根据权利要求8所述的同步开关，其特征在于，所述步骤b中正半波检测信号在单相电源电压的相位φ为0°≤φ<180°且检测到单相电源电压的上升沿信号时输出。
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