CN105356762A - 双向开关切换式单相及三相供电及通信装置及其控制方法 - Google Patents

双向开关切换式单相及三相供电及通信装置及其控制方法 Download PDF

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    • H05B47/185—Controlling the light source by remote control via power line carrier transmission

Abstract

本发明涉及通信控制领域，提供了一种双向开关切换式单相及三相供电及通信装置及其控制方法，包括交流电源Va，连接在交流电源Va输出端的开关控制电路、连接在开关控制电路输出端的多个电源以及连接在电源输出端的负载，开关控制电路包括第一开关装置和开关控制装置，第一开关装置包括双向开关S1，双向开关S1串接交流电源Va输出端，双向开关S1的控制端连接开关控制装置，电源内部连接有数字芯片。本发明通过将交流供电线路控制端加入以双向开关为基础的通信装置来达到简单通信的目的。电源内部的数字芯片实现简单，成本低；同时由于是大信号传递信息，抗干扰能力强，通信可靠性高。

Description

双向开关切换式单相及三相供电及通信装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及通信控制领域，尤其涉及一种双向开关切换式单相及三相供电及通信装置及其控制方法。
背景技术
在户外电源应用领域及需要简单传递控制信息的供电系统应用领域，如LED路灯、隧道灯或其他传统灯具等应用领域，由于供电线路较远且存在诸多不确定因素，一般通过市电交流电对灯具中的电源进行供电，而通过单独的通信装置或线路进行通信及控制。例如LED路灯应用时，需要每隔几个小时对路灯的亮度进行调节，即所谓的调光，该方式由于可以实现二次节能，具有重大的经济及社会意义。调光控制方式主要有四类：通过单独的调光线进行模拟或数字的控制方式(如：0-10V模拟电压控制/PWM数字量控制/RS-485数字通信控制)；通过无线通信进行调光及控制方式，如Zigbee通信及控制；不需要单独线路而通过电力线进行通信的方式，如PLC电力载波通信；通过灯具内部的定时器进行定时控制；这些通信实质上都是对灯具里面的电源进行通信及控制。
通过单独的调光线的控制方式技术实现简单，可实现对某一组灯一起控制，即分组控制，比如一条0-10V的调光线可以控制多达200盏以上的灯，但在工程应用的时候尤其是旧线路改造的时候存在施工布线难，布线距离远，线材成本高的弊端，并且调光线路抗感应雷干扰的能力很差，可靠性不高。PLC电力载波通信方式：目前通过在每个电源上(即每杆灯上)加装电力载波通信模块即单灯控制器实现通信及控制功能，优点是可传递的信号量非常大，信号双向传递，传输速度快，信号通过交流供电线传递，无需重新施工布线，无多余的线材成本；但单灯控制器成本高而复杂，信号幅值太小，易受干扰，通信可靠性低，当灯具数量较多，单灯控制器数量也同样多，总成本非常高。若将电力载波通信集成到电源里面，不但存在电力载波芯片及耦合解码电路成本高的问题，还会存在电力载波通信频率跟开关电源内部工作频率高度重合而会被干扰的问题，带来的EMI电磁兼容问题很难处理，设计难度高，至今尚未有实际产品批量应用。无线通信(如Zigbee)存在成本高、通信不稳定、通信距离短的问题，也需要在灯上附加无线通信装置及天线。若将无线通信集成到电源内，因为户外电源带有防水型铝壳，必须从铝壳伸出一根天线，防水及结构方面难度大、成本也高。三者的共同特点是都需要附加成本比较高的物料或装置。定时调光：定时器在电源上电的时候开始工作，经过设定的时间段后，即调整电源内部的电流以达到所需的亮度，优点是成本非常低，不需外接线材、控制器等，但由于无法跟外部通信，一旦设定定时策略，不能变更，因此不适合冬季夏季夜间时间长度差异较大的路灯应用，也不适合隧道灯等应用。工程应用最核心的需求是基于调光的二次节能，该需求只需对某些路段或者某组灯进行统一调整(分组控制)，并不需要对单灯进行逐个控制；调光时信号量很小，只需发出简单的调光百分比信号；调光间隔长，一般每隔几个小时调整一次；因此调光应用的需求是：信号量极小，信号传递次数少，需要调整的时候才需要通信，可预先定制调光定时控制策略而在通信的时候一次写入到电源内部存储器，不需要单灯控制而只需分组控制，尽量避免重新布线；上述四种方式中，通过调光线进行控制的方式比较符合调光需求，PLC通信及无线通信大大超过了实际需求，而定时调光不能满足通信调整的需求，应用不多。
发明内容
针对上述方案的缺点，本发明提出一种可通过双向开关控制的交流AC线进行通信的装置及控制方法，特点是能够通过电力线进行通信，信号幅度大进而通信稳定，无多余线材成本，适合传递较少数据量，适合低频次通信，适合分组控制，实现简单可靠，成本低，适合单相，甚至三相供电的旧线路改造并实现二次节能等应用。
本发明技术方案是：一种双向开关切换式单相及三相供电及通信装置，包括交流电源Va，连接在交流电源Va输出端的开关控制电路、连接在开关控制电路输出端的多个电源以及连接在电源输出端的负载，所述开关控制电路包括第一开关装置和开关控制装置，所述第一开关装置包括双向开关S1，双向开关S1串接交流电源Va输出端，双向开关S1的控制端连接开关控制装置，所述电源内部连接有数字芯片。
优选的，所述第一开关装置还包括双向开关S2，双向开关S2控制端连接开关控制装置,双向开关S2的一端连接开关控制电路输出端，剩余端接地。
优选的，还包括交流电源Vb、交流电源Vc，在交流电源Vb的输出端串接有第二开关装置，在交流电源Vc的输出端串接有第三开关装置，第二开关装置、第三开关装置的控制端均连接开关控制装置，第二开关装置、第三开关装置的输出端连接电源。
优选的，所述双向开关S1、S2分别包括两个或两个以上反向连接的或者构成双向导通形式的MOSFET，或IGBT、或场效应管、或二极管，或三极管，或晶体管，或晶闸管，或继电器，或接触器，或空气开关。
一种双向开关切换式单相及三相供电及通信装置控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)开关控制装置控制双向开关S1或S2的导通，使双向开关S1或S2在工频周期内切相角工作或部分周期导通配合部分周期不导通工作；
2)调节切相角方式的不同，导通周期时间长度不同；
3)S1或S2导通、关断或者配套通断产生的与正常供电显著区别的特殊波形的引导码加上一段时间正常供电(市电交流电)波形，并以特殊波形结束码为结束，在此基础上定义通信协议；
4)对开关控制电路输出端输出的不同波形进行定义；
5)负载电源接收交流电电压波形后，其内部的数字芯片将波形解码或存储，然后控制负载的工作。
本发明的有益效果是：本发明中通过将交流供电线路控制端加入以双向开关为基础的通信装置来达到简单通信的目的。供电控制端加入双向开关为基础的通信装置后，可以通过供电控制终端对双向开关为基础的通信装置进行控制以传递模拟或数字信息，电源侧(或者进一步说灯具侧)可以通过内置的单片机、MCU、DSP等数字芯片进行采样及解码或存储，响应控制指令。同时各个电源可设置分组或单独设定地址，实现点对点的控制及分组控制。电源内部的数字芯片实现简单，成本低；同时由于是大信号传递信息，抗干扰能力强，通信可靠性高。系统实现的是单向通信，控制方式及功能与通过调光线进行控制类似，最大限度的满足了实际工程需要。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例一的电路原理图；
图2是本发明实施例一的第一种输出波形图；
图3是本发明实施例一的第二种输出波形图；
图4是本发明实施例二的电路原理图；
图5是本发明实施例三的电路原理图；
图6是本发明中的双向开关的替换形式；
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
一种双向开关切换式单相及三相供电及通信装置，包括交流电源Va，连接在交流电源Va输出端的开关控制电路、连接在开关控制电路输出端的多个电源以及连接在电源输出端的负载，所述开关控制电路包括第一开关装置和开关控制装置，所述第一开关装置包括双向开关S1，双向开关S1串接交流电源Va输出端，双向开关S1的控制端连接开关控制装置，所述电源内部连接有数字芯片。
优选的，所述第一开关装置还包括双向开关S2，双向开关S2控制端连接开关控制装置,双向开关S2的一端连接开关控制电路输出端，剩余端接地。
优选的，还包括交流电源Vb、交流电源Vc，在交流电源Vb的输出端串接有第二开关装置，在交流电源Vc的输出端串接有第三开关装置，第二开关装置、第三开关装置的控制端均连接开关控制装置，第二开关装置、第三开关装置的输出端连接电源。
优选的，所述双向开关S1、S2分别包括两个或两个以上反向连接的或者构成双向导通形式的MOSFET，或IGBT、或场效应管、或二极管，或三极管，或晶体管，或晶闸管，或继电器，或接触器，或空气开关。
一种双向开关切换式单相及三相供电及通信装置控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)开关控制装置控制双向开关S1或S2的导通，使双向开关S1或S2在工频周期内切相角工作或部分周期导通配合部分周期不导通工作；
2)调节切相角方式的不同，导通周期时间长度不同；
3)S1或S2导通、关断或者配套通断产生的与正常供电显著区别的特殊波形的引导码加上一段时间正常供电(市电交流电)波形，并以特殊波形结束码为结束，在此基础上定义通信协议；
4)对开关控制电路输出端输出的不同波形进行定义；
5)负载电源接收交流电电压波形后，其内部的数字芯片将波形解码或存储，然后控制负载的工作。
以下就实施例一对本发明做进一步阐述，仅用以说明但不限制为此种形式。
实施例1
结合附图1，一种双向开关切换式单相及三相供电及通信装置，包括交流电源Va，连接在交流电源Va输出端的开关控制电路、连接在开关控制电路输出端的多个电源以及连接在电源输出端的负载，所述开关控制电路包括第一开关装置和开关控制装置，所述第一开关装置包括双向开关S1，双向开关S1串接交流电源Va输出端，双向开关S1的控制端连接开关控制装置，所述电源内部连接有数字芯片。
所述第一开关装置还包括双向开关S2，双向开关S2控制端连接开关控制装置,双向开关S2的一端连接开关控制电路输出端，剩余端接地。双向开关S2是为电感电流提供续流，在某些应用场合可以去掉。
实施例一的控制方法为：
设正弦波周期为360度，以图2所示正弦波起点为0度，定义Alpha为前切相角，Beta为后切相角。Alpha范围为0-90度，Beta范围为0-90度。Alpha以等于Beta为佳，不等于亦可。通过S1在工频周期内以Alpha和Beta切相角工作，得到如图3所示的波形。图3显示的是定义Alpha＝Beta＝30度为数字1，Alpha＝Beta＝0度为数字0的情形。则可以通过双向开关S1按照通信数据中的0,1进行通断来传递通信信息。特别地，若定义Alpha显著大于Beta，其中Alpha为数字1，Beta为数字0，则实现另一种通信方式。若定义Alpha+Beta＝90度为数字1，Alpha+Beta＝30度为数字0，则实现另一种通信方式。若定义一段时间t1(t1>＝20ms)内S1一直导通，而另一段时间t2(t2>＝20ms)内S1进行切相角控制，则根据t1，t2时间的不同，以及t1、t2时间的组合形式可以定义数字0和数字1，以此形成基本通信数据。特别地，当S1导通n个正弦半波(n>＝1),之后关掉m个正弦半波(m>＝1)时，可定义这样的m+n个半波周期时间内的波形为数字0，定义S1导通x个正弦半波(x>＝1),之后关掉y个正弦半波(y>＝1)时的x+y个半波周期时间内的波形为数字1。m、n不同时与x、y相等。
以下就实施例二对本发明做进一步阐述，仅用以说明但不限制为此种形式。
实施例2
结合附图4，一种双向开关切换式单相及三相供电及通信装置，包括交流电源Va，连接在交流电源Va输出端的开关控制电路、连接在开关控制电路输出端的多个电源以及连接在电源输出端的负载，所述开关控制电路包括第一开关装置和开关控制装置，所述第一开关装置包括双向开关S1，双向开关S1串接交流电源Va输出端，双向开关S1的控制端连接开关控制装置，所述电源内部连接有数字芯片。所述第一开关装置还包括双向开关S2，双向开关S2控制端连接开关控制装置,双向开关S2的一端连接开关控制电路输出端，剩余端接地。
所述双向开关切换控制的单相通信系统还包括交流电源Vb、交流电源Vc，在交流电源Vb的输出端串接有第二开关装置，在交流电源Vc的输出端串接有第三开关装置，第二开关装置、第三开关装置的控制端均连接开关控制装置，第二开关装置、第三开关装置的输出端连接电源。
实施例二为实施例一扩展为三相的情况，其通信和控制方法与实施例一相同。
以下就实施例三对本发明做进一步阐述，仅用以说明但不限制为此种形式。
实施例三
结合附图5，一种双向开关切换式单相及三相供电及通信装置，包括交流电源Va，连接在交流电源Va输出端的开关控制电路、连接在开关控制电路输出端的多个电源以及连接在电源输出端的负载，所述开关控制电路包括第一开关装置和开关控制装置，所述第一开关装置包括双向开关S1，双向开关S1串接交流电源Va输出端，双向开关S1的控制端连接开关控制装置，所述电源内部连接有数字芯片。所述第一开关装置还包括双向开关S2，双向开关S2控制端连接开关控制装置,双向开关S2的一端连接开关控制电路输出端，剩余端接地。
进一步地，所述开关控制电路还包括晶闸管THY1、THY2、THY3、THY4、双向开关S3，晶闸管THY1并联在双向开关S2两端，第三端连接开关控制装置，晶闸管THY2反向并联在晶闸管THY1两端，第三端连接开关控制装置，晶闸管THY3两端分别连接双向开关S2和接地，第三端连接开关控制装置，晶闸管THY4反向并联在晶闸管THY3两端，晶闸管THY4的控制端连接开关控制装置，所述双向开关S3串接在电源输出端，其控制端连接开关控制装置。
利用双向晶闸管进行切相角控制方式，也可以进行部分周期导通部分周期关断等多种控制方式。双向开关S2在后端电源正常工作的时候闭合，在执行通信任务的时候则常断，以使各晶闸管能够进行开关式工作。双向开关S3起断路器的功能，用于在晶闸管THY3和THY4不需要参与通信的时候断开它们与外部的连接，它一般不参与通信中的切换控制，而只是起保护作用，避免在晶闸管故障的时候由于短路造成系统失效。实施例三的通信和控制方法与实施例一相同
结合附图6，上述实施例中，双向开关有多种形式，双向开关分别包括两个或多个反向连接的或者构成双向导通形式的MOSFET，或IGBT、或二极管，或三极管，或晶体管，或晶闸管，或继电器，或接触器，或空气开关等。其中图6中的基本开关器件的任意组合，包括但不限于串联、并联等均可。为保证电路正常工作，一般在断路器、空气开关、接触器、继电器等旁边会并联或者串联高速开关。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种双向开关切换式单相及三相供电及通信装置，包括交流电源Va，连接在交流电源Va输出端的开关控制电路、连接在开关控制电路输出端的多个电源以及连接在电源输出端的负载，其特征在于：所述开关控制电路包括第一开关装置和开关控制装置，所述第一开关装置包括双向开关S1，双向开关S1串接交流电源Va输出端，双向开关S1的控制端连接开关控制装置，所述电源内部连接有数字芯片。
2.根据权利要求1所述的双向开关切换式单相及三相供电及通信装置，其特征在于：所述第一开关装置还包括双向开关S2，双向开关S2控制端连接开关控制装置,双向开关S2的一端连接开关控制电路输出端，剩余端接地。
3.根据权利要求1所述的双向开关切换式单相及三相供电及通信装置，其特征在于：还包括交流电源Vb、交流电源Vc，在交流电源Vb的输出端串接有第二开关装置，在交流电源Vc的输出端串接有第三开关装置，第二开关装置、第三开关装置的控制端均连接开关控制装置，第二开关装置、第三开关装置的输出端连接电源。
4.根据权利要求1或2所述的双向开关切换式单相及三相供电及通信装置，其特征在于：所述双向开关S1、S2分别包括两个或两个以上反向连接的或者构成双向导通形式的MOSFET，或IGBT、或场效应管、或二极管，或三极管，或晶体管，或晶闸管，或继电器，或接触器，或空气开关。
5.一种双向开关切换式单相及三相供电及通信装置控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)开关控制装置控制双向开关S1或S2的导通，使双向开关S1或S2在工频周期内切相角工作或部分周期导通配合部分周期不导通工作；
2)调节切相角方式的不同，导通周期时间长度不同；
3)S1或S2导通、关断或者配套通断产生的与正常供电显著区别的特殊波形的引导码加上一段时间正常供电(市电交流电)波形，并以特殊波形结束码为结束，在此基础上定义通信协议；
4)对开关控制电路输出端输出的不同波形进行定义；
5)负载电源接收交流电电压波形后，其内部的数字芯片将波形解码或存储，然后控制负载的工作。
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