CN110350370A - 一种智能插座及其过零投切方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能插座及其过零投切方法，智能插座包括电源模块、主控制模块、过零投切模块、通信模块、输入火线、输入零线、输入输出共用地线、输出火线和输出零线。过零投切方法的步骤为：智能插座开通时：U678＝XYY，开通第一过零投切开关S1；延时t1，U678＝XYX，开通第二过零投切开关S2；延时t2，U678＝YYX，关断第一过零投切开关S1；智能插座关断时：U678＝XYX，开通第一过零投切开关S1；延时t1，U678＝XYY，关断第二过零投切开关S2；延时t2，U678＝YYY，关断第一过零投切开关S1。本发明实现了智能插座在电压自然过零点进行开通和关断，避免了直接开断的拉弧问题。

Description

一种智能插座及其过零投切方法

技术领域

本发明属于智能配用电技术领域，具体涉及一种智能插座及其过零投切方法。

背景技术

现有的智能插座基于对电力设备的远程监控设计，主要应用于智能家居领域，能够实现正常工作运行状态下数据采集以及数据传输。但是现有智能插座普遍存在如下缺陷：不能在电压自然过零点进行开通和关断，存在拉弧问题，用电安全性低。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种智能插座及其过零投切方法，实现了智能插座在电压自然过零点进行开通和关断，避免了直接开断的拉弧问题，有效提高了用电安全。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种智能插座，包括电源模块、主控制模块、过零投切模块、通信模块、输入火线Lin、输入零线Nin、输入输出共用地线PE、输出火线Lout和输出零线Nout；

所述电源模块用于将交流市电转换成低压直流电，为所述主控制模块、过零投切模块及通信模块提供直流电源；

所述主控制模块内置过零投切策略，与所述过零投切模块进行双向数据通讯，向所述通信模块下发工作指令；

所述过零投切模块，用于在电压过零点闭合电路，在电流过零点断开电路；

所述通信模块包括过零投切电路，所述过零投切电路接收主控制模块的工作指令，根据所述过零投切策略开通或关断主回路的火线；

所述输入火线Lin与输出火线Lout通过第一过零投切开关S1、第二过零投切开关S2连接。

本发明的智能插座，还包括过零投切检测电路，所述过零投切检测电路包括电压互感器PT，二极管D2和二极管D3；所述电压互感器PT将高压交流市电变为低压交流小信号，所述低压交流小信号的幅值为5V/N，N≥5；所述二极管D2和二极管D3将低压交流小信号变为0-5V之间的直流小信号，主控制模块芯片U1的ADC采样信号引脚U1_5检测输入信号u的峰值，如果超过基于预设的阈值，则过零投切功能失效，否则，过零投切电路正常。

上述第一过零投切开关S1的驱动电路包括U2、U4及其周围元件，所述第二过零投切开关S2的驱动电路包括U3、U5及其周围元件。

上述主控制模块B与过零投切模块C的通讯方式包括但不限于IIC、SPI、UART、RS485和CAN；所述过零投切模块C与互联网的通讯方式包括但不限于PLC、Wi-Fi、ZigBee、LoRa、NB-Iot、Sigfox和LTE。

上述第一过零投切开关S1为双向可控硅，所述第二过零投切开关S2为继电器。

本发明的智能插座的过零投切方法，包括以下步骤：

基于预设的主控制模块芯片U1的指令输出引脚信号U1_6、U1_7、U1_8的输出指令用U678表示，X＝0或1，Y＝0或1，X≠Y；

所述的智能插座开通时：U678＝XYY，开通第一过零投切开关S1；延时t1，U678＝XYX，开通第二过零投切开关S2；延时t2，U678＝YYX，关断第一过零投切开关S1；

所述的智能插座关断时：U678＝XYX，开通第一过零投切开关S1；延时t1，U678＝XYY，关断第二过零投切开关S2；延时t2，U678＝YYY，关断第一过零投切开关S1。

上述第一过零投切开关S1的开通过程为：

主控制模块芯片U1的指令输出引脚信号U1_6和U1_7输出指令为相反电平时，光耦U5的输入引脚U4_1为高电平，光耦U5的输出引脚U4_4和U4_6导通，双向可控硅的驱动引脚S1_3获得驱动电流，等到Lin电压正弦波周期性过零时，双向可控硅的主回路引脚S1_1和S1_2自然导通。

上述第一过零投切开关S1的关断过程为：

主控制模块芯片U1的指令输出引脚信号U1_6和U1_7相同电平时，光耦U4的输入引脚U4_1为低电平，光耦U4的输出引脚U4_4和U4_6截止，双向可控硅S1的驱动引脚S1_3驱动电流消失，等到Lin电流正弦波周期性过零时，双向可控硅S1的主回路自然关断。

上述第二过零投切开关S2的开通过程为：

主控制模块芯片U1的指令输出引脚信号U1_7和U1_8引脚输出指令为相反电平时，光耦U5的输入引脚U5_1为高电平，光耦U5的输出引脚U5_4和U5_3导通，三极管Q1的基级获得驱动电压，三极管Q1导通，继电器S2的线圈S2_1和S2_2之间流过电流，由于磁芯的电磁感应作用吸合继电器S2触头，使继电器S2的主回路S2_3和S2_4连通。

上述第二过零投切开关S2的关断过程为：

主控制模块芯片U1的指令输出引脚信号U1_7和U1_8引脚输出指令为相同电平时，光耦U5的输入引脚U5_1为低电平，光耦U5的输出引脚U5_4和U5_6截止，三极管Q1的基级驱动电压消失，三极管Q1截止，继电器S2的线圈S2_1和S2_2之间流过的电流消失，继电器S2触头在弹簧机械力的作用下回到分闸位置，使继电器S2的主回路S2_3和S2_4断开。

本发明的过零投切策略与过零投切电路配合工作，实现了智能插座在电压自然过零点进行开通和关断，避免了直接开断的拉弧问题，有效提高了用电安全。

附图说明

图1为本发明的一种智能插座系统框图；

图2为本发明的过零投切模块电路图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1和图2，本发明的一种智能插座，包括电源模块、主控制模块、过零投切模块、通信模块，以及输入火线Lin、输入零线Nin、输入输出共用地线PE、输出火线Lout、输出零线Nout。

电源模块将交流市电转换成低压直流电，为其他模块正常工作提供直流电源，常用的市电为220V 50Hz，直流电压为12V，5V和3.3V。

主控制模块为智能插座的总控制器，内置过零投切策略，与过零投切模块进行双向数据通讯，向通信模块下发工作指令。

过零投切模块与互联网保持连接，与主控制模块双向通信，两者的通讯方式可包括但不限于IIC，SPI，UART，RS485，CAN等。过零投切模块与互联网的通讯方式包括但不限于PLC，Wi-Fi，ZigBee，LoRa，NB-Iot，Sigfox，LTE，以太网等。

所述通信模块的核心是过零投切电路，它接收主控制模块的指令，根据过零投切策略开通或关断回路的火线。

输入火线与输出火线通过过零投切开关S1、S2连接，S1为双向可控硅，S2为继电器。U2、U4及其周围元件构成S1的驱动电路，U3、U5及其周围元件构成S2的驱动回路。根据实际应用需求，其驱动回路可以任意调整。

S1的开通过程为：U1_5和U1_6引脚输出指令为相反电平时，U4_1为高电平，U4_4和U4_6导通，S1_3获得驱动电流，等到Lin电压正弦波周期性过零时，S1_1和S1_2自然导通。

S1的关断过程为：U1_5和U1_6引脚输出指令为相同电平时，U4_1为低电平，U4_4和U4_6截止，S1_3驱动电流消失，等到Lin电流正弦波周期性过零时，S1自然关断。

S2的开通过程为：U1_6和U1_8引脚输出指令为相反电平时，U5_1为高电平，U5_4和U5_3导通，Q1的基级获得驱动电压，Q1导通，S2_1和S2_2之间流过电流，由于磁芯的电磁感应作用吸合继电器触头，使S2_3和S2_4连通。

S2的关断过程为：U1_6和U1_8引脚输出指令为相同电平时，U5_1为低电平，U5_4和U5_6截止，Q1的基级驱动电压消失，Q1截止，S2_1和S2_2之间流过的电流消失，继电器触头在弹簧机械力的作用下回到分闸位置，使S2_3和S2_4断开。

过零投切策略与过零投切电路配合完成过零投切操作。U1_6、U1_7、U1_8的输出指令用U678表示。X＝0或1，Y＝0或1，X≠Y。

插座开通时：U678＝011，开通S1；延时t1，U678＝010，开通S2；延时t2，U678＝110关断S1。

插座关断时：U678＝010，开通S1；延时t1，U678＝011，关断S2；延时t2，U678＝111，关断S1。

PT将高压交流市电变为低压交流小信号，该小信号的幅值为VCC/N，N≥5。D2和D3将低压交流小信号变为0-VCC之间的直流小信号，U1_5检测输入信号的峰值，如果超过设置阈值，认为过零投切功能失效，否则，认为过零投切电路正常。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种智能插座，其特征在于，包括电源模块、主控制模块、过零投切模块、通信模块、输入火线Lin、输入零线Nin、输入输出共用地线PE、输出火线Lout和输出零线Nout；

所述电源模块用于将交流市电转换成低压直流电，为所述主控制模块、过零投切模块及通信模块提供直流电源；

所述主控制模块内置过零投切策略，与所述过零投切模块进行双向数据通讯，向所述通信模块下发工作指令；

所述过零投切模块，用于在电压过零点闭合电路，在电流过零点断开电路；

所述通信模块包括过零投切电路，所述过零投切电路接收主控制模块的工作指令，根据所述过零投切策略开通或关断主回路的火线；

所述输入火线Lin与输出火线Lout通过第一过零投切开关S1、第二过零投切开关S2连接。

2.根据权利要求1所述的智能插座，其特征在于，还包括过零投切检测电路，所述过零投切检测电路包括电压互感器PT，二极管D2和二极管D3；所述电压互感器PT将高压交流市电变为低压交流小信号，所述低压交流小信号的幅值为5V/N，N≥5；所述二极管D2和二极管D3将低压交流小信号变为0-5V之间的直流小信号，主控制模块芯片U1的ADC采样信号引脚U1_5检测输入信号u的峰值，如果超过基于预设的阈值，则过零投切功能失效，否则，过零投切电路正常。

3.根据权利要求1所述的智能插座，其特征在于，所述第一过零投切开关S1的驱动电路包括U2、U4及其周围元件，所述第二过零投切开关S2的驱动电路包括U3、U5及其周围元件。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的智能插座，其特征在于，所述主控制模块B与过零投切模块C的通讯方式包括但不限于IIC、SPI、UART、RS485和CAN；所述过零投切模块C与互联网的通讯方式包括但不限于PLC、Wi-Fi、ZigBee、LoRa、NB-Iot、Sigfox和LTE。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的智能插座，其特征在于，所述第一过零投切开关S1为双向可控硅，所述第二过零投切开关S2为继电器。

6.根据权利要求3所述的智能插座的过零投切方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于预设的主控制模块芯片U1的指令输出引脚信号U1_6、U1_7、U1_8的输出指令用U678表示，X＝0或1，Y＝0或1，X≠Y；

所述的智能插座开通时：U678＝XYY，开通第一过零投切开关S1；延时t1，U678＝XYX，开通第二过零投切开关S2；延时t2，U678＝YYX，关断第一过零投切开关S1；

所述的智能插座关断时：U678＝XYX，开通第一过零投切开关S1；延时t1，U678＝XYY，关断第二过零投切开关S2；延时t2，U678＝YYY，关断第一过零投切开关S1。

7.根据权利要求6所述的过零投切方法，其特征在于，所述第一过零投切开关S1的开通过程为：

主控制模块芯片U1的指令输出引脚信号U1_6和U1_7输出指令为相反电平时，光耦U5的输入引脚U4_1为高电平，光耦U5的输出引脚U4_4和U4_6导通，双向可控硅的驱动引脚S1_3获得驱动电流，等到Lin电压正弦波周期性过零时，双向可控硅的主回路引脚S1_1和S1_2自然导通。

8.根据权利要求6所述的过零投切方法，其特征在于，所述第一过零投切开关S1的关断过程为：

主控制模块芯片U1的指令输出引脚信号U1_6和U1_7相同电平时，光耦U4的输入引脚U4_1为低电平，光耦U4的输出引脚U4_4和U4_6截止，双向可控硅S1的驱动引脚S1_3驱动电流消失，等到Lin电流正弦波周期性过零时，双向可控硅S1的主回路自然关断。

9.根据权利要求6所述的过零投切方法，其特征在于，所述第二过零投切开关S2的开通过程为：

主控制模块芯片U1的指令输出引脚信号U1_7和U1_8引脚输出指令为相反电平时，光耦U5的输入引脚U5_1为高电平，光耦U5的输出引脚U5_4和U5_3导通，三极管Q1的基级获得驱动电压，三极管Q1导通，继电器S2的线圈S2_1和S2_2之间流过电流，由于磁芯的电磁感应作用吸合继电器S2触头，使继电器S2的主回路S2_3和S2_4连通。

10.根据权利要求6所述的过零投切方法，其特征在于，所述第二过零投切开关S2的关断过程为：

主控制模块芯片U1的指令输出引脚信号U1_7和U1_8引脚输出指令为相同电平时，光耦U5的输入引脚U5_1为低电平，光耦U5的输出引脚U5_4和U5_6截止，三极管Q1的基级驱动电压消失，三极管Q1截止，继电器S2的线圈S2_1和S2_2之间流过的电流消失，继电器S2触头在弹簧机械力的作用下回到分闸位置，使继电器S2的主回路S2_3和S2_4断开。