CN1312823C - 带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置 - Google Patents
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Abstract
带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关属于双电源自动切换技术领域，其特征在于：它是一种由微处理器控制的、用集成门极换向晶闸管IGCT实现的双电源自动切换装置。它具有无触点、快速、无火花、低开关损耗、可靠性高、使用寿命长、自动实现双电源的各类无触点切换、全网同步监控以及远距离计量、监测、控制的优点。
Description
技术领域
一种带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置属于双电源自动切换技术领域。
背景技术
随着社会的发展，人们对供电可靠性要求也越来越高，很多场合用两路电源来保证供电的可靠性，这就需要一种在两路电源之间进行可靠切换，以保证供电的装置。双电源自动切换装置就是为了满足这一需要而开发的，具有自投自复和自投不自复两种切换功能，因此是一种性能完善、安全可靠、自动化程度高、使用范围广的双电源自动切换产品。对电网供电的两路电源的三相电压同时检测，当任何一相发生过压、欠压(包括缺相)，即自动从异常电源切换到正常电源；并具有机械和电气联锁保证两路电源不能同时供电。适用于交流50HZ的双电源供电系统，具有过载，短路保护，当电源出现故障时，切换装置可以完成常用电源和备用电源之间的自动切换，广泛应用于医院、商场、银行、人防、化工、冶金、高层建筑和军事设施等不允许断电的重要场所，作为保证连续供电的重要电气装置。
带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置主要用在紧急供电的双电源系统，它可将负载电路从一个电源自动切换至另一个电源。主要的工作模式有：
(1)电源转换：此功能将负载电路从一个电源自动切换至另一个电源。在通常状况下，只有A、B两路市电，当A路市电发生故障时，装置将负载电路自动切换至B路市电。但对于某些对供电的安全性、可靠性要求极高，不允许出现哪怕只有瞬间断电的重要场所，会有一路由发电机提供的C路电源。当A路、B路市电同时失电或发生故障时，装置检测到故障并发出信号，起动发电机，当装置检测到发电机电压达到额定电压的80％时，自动将负载电路切换至C路电源。可以通过两台装置实现三路电源供电，也可以通过多台装置的不同组合实现四路、五路等多路电源供电的特殊情形。
(2)转换、反向：假设负载为水泵，当A号水泵出现故障或其他需停机的情况时，装置自动切换到备用的B号水泵。这种“一用一备”的情况是比较多见的。有了装置的自动切换，不仅确保了工作正常运行，而且还大大减少了维护的工作量。至于反向功能，则是将三相交流电中的任意两相互换，从而实现负载(水泵)的反转或反向。此功能最为典型的例子就是常见的自动大门，通过将交流电中的任意两相互换，实现了大门的“开”或者“关”。
(3)旁路：将负载的入、出口的A、B两个闸断开，闭合右侧的旁路闸C。此时，中间的负载设备断电，可以对它进行维护和检修，而下端负载仍然可以正常地工作。
(4)断开+接地：当下端负载发生故障时，断开左闸A，闭合右闸B，右闸B闭合且接地，使工作人员可以安全地对下端设备进行检修。
无触点开关是一种由电力电子器件组成的新型的开关器件，具有无触点、快速、无火花接痕等特点。近几年来，智能化、无触点化成为电器开关设计、研制和开发的主要趋势。但是，传统的无触点开关在电力半导体的保护和使用的方便易用性方面显得不足，在使用中不尽人意。典型的文献是专利“无触点智能开关装置”，专利号：98102694·X，它的特点是：主要由信号采样器、电源板、控制电路板、可控硅组合、风机、显示电路板、操作面板、显示面板、接线端子、测控接口、外壳等部分组成。信号采样器由电流采样器、电压采样器、温度采样器、漏电电流采样器等部分组成，电流采样器为锰铜材料冲压成的分流器，将其串接在电路中，利用分流原理对电力线路中的电流进行采样，输出模拟量信号；电压采样器采用一个低功耗大电阻并联在电路上进行取样，将其转换为电压信号后输出；温度采样器采集可控硅组合测温点的温度并将其转换为电压信号后输出；漏电电流采样器采集开关所控电力线路中的漏电流，将其转换为电压信号后输出；采样器的输出信号经隔离放大后送控制电路板。电源板是通过电源变换为本装置控制电路、风机以及电子器件等提供工作电源。控制电路板是由隔离放大器、多路选择器、可变程增益控制器、模/数转换器、单片机、数/模转换器、可控硅组合驱动电路、输入输出接口及相应的控制电路等部分组成，并与信号采样器、可控硅组合、显示电路板及电源等进行电连接；控制电路板将采样器送来的模拟量信号经过隔离放大器滤除杂波干扰，通过多路选择器与单片机的结合实现信号选通，经可变程增益放大器放大后送单片机，由单片机实现各种控制功能的计算与判定并发出数控信号，数字信号经数/模转换器转换为模拟量信号，再经隔离放大后送可控硅驱动电路，去控制可控硅组合的分/断及风机启控。单片机主要是由中央处理器、程序存储器、数据存储器、晶体振荡器以及相应的外围电路等部分组成。单片机根据温度采样进行温度保护判定，按要求输出风机控制信号和可控硅组合分合信号。可控硅组合是由单向可控硅、散热器、风机及相应的电路组成，每一相电流通路采取两个单向可控硅反向并联达到交流电的导通作用，通过并联一个RC电路抑制电路中的浪涌电压，两个可控硅组合的控制极接在一起并与其它通路的可控硅组合控制极电连接，作为可控硅组合的控制极。在可控硅组合的本体上安装散热器和风机，风机的供电电源通过一个可控硅组合与电源板相连，可控硅组合受控于控制电路板的风机启控信号。可控硅组合的输入端通过信号采样器的接线端子与供电电源连接，输出端与开关的输出端子相连，可控硅组合的控制极接收控制电路板发出的经过驱动电路放大的控制信号。操作面板装配在外壳上并与控制电路板及显示电路相连，控制面板上设置开关分/合操作、显示切换按键和选定开关/联络方式、过载延时档位、自动/手动方式及状态选择等拨动开关，以便进行手动操作和功能选定。显示面板设置数字显示与指示灯显示，显示面板装配在开关的外壳上并受控于显示电路，红外数码管显示电流、电压有效值和电能计量结果，通过操作面板上的显示切换按键进行显示切换，指示灯显示开关的分合状态。资料所述的无触点开关装置的不足之处是：(1)无触点开关的电力电子主开关器件都使用半控的晶闸管(可控硅)器件，管子开通和关断的时间较长，不能满足高性能的无触点开关要求；(2)无触点开关都使用了电阻-电容吸收电路，增加了开关的损耗；(3)无触点开关只作为开关使用，不具备双电源自动切换的功能。
综上所述，目前的无触点开关使用晶闸管(可控硅)作为主开关电力电子器件，管子开通和关断时间长，不能满足高性能的负载要求，由于使用了阻容吸收电路，使开关的损耗大大增加，现有的无触点开关不具备双电源自动切换功能。目前具有双电源自动切换的装置是具有机械闭锁的两个接触器构成的，都不是无触点的开关，双路开关切换延迟的时间是0.1秒(即100毫秒)到60秒。而一些敏感的设备如可编程序控制器在断电一个周波即20毫秒后就会自动重新启动，所有控制逻辑都将自动复位。因此，研究带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置具有重要的意义和巨大的实用价值，具有很好的推广前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置。
本发明所述的带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置，其特征在于：它包含：控制电路和集成门极换向晶闸管IGCT，其中：控制电路包含：键盘电路、液晶显示电路、电源、控制器局域网总线接口电路、微处理器、触发信号光纤接口电路、全球卫星标准时钟电路、模数转换电路、开关量输入电路和开关量输出电路；
其中：
触发信号光纤接口电路，它的输入端与微处理器的脉宽调制PWM输出端口相连，该接口电路依次由PWM整形电路、光电隔离电路和光纤接口串接而成；
全球卫星标准时钟电路，它经RS232串行接口和微处理器相连；
模数转换电路，它是6通道全差分输入的双12位模/数转换器，该转换电路的两个输入端各自与一个霍尔传感器的输出端相连，所述的两个霍尔传感器的输入端分别与工作电源和备用电源相连，该转换电路的输出端与微处理器的数据端口相连；
开关量输入电路，它是一种光电隔离的输入电路，该输入电路的输入信号是拨码开关设定的无触点开关工作状态和外部联络开关的工作状态，该输入电路的输出端与微处理器的开关信号输入端相连；
开关量输出电路，它是一种光电隔离的输出电路，该输出电路的输入端与微处理器相连，该输出电路的输出是报警信号和去联络开关的无触点开关工作状态信号；
集成门极换向晶闸管IGCT，它的输入端与工作或备用电源相连，该IGCT的控制端与触发信号光纤接口电路的输出端相连，该IGCT的输出端与用电设备负载相连。
使用证明，带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置可实现预期目的，实验结果如下：
(1)可关断交流电压：4500V；
(2)可关断交流电流：4000A；
(3)可关断直流电流：2800A；
(4)最小开通时间：10微秒；
(5)最小关断时间：10微秒。
附图说明
图1：本发明带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置的原理框图。
图2：本发明带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置的控制电路原理框图。
图3：本发明带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置的控制器和IGCT之间连接图。
图4：本发明带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置的控制器和模数转换器A/D之间连接图。
图5：本发明带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置的控制器和GPS之间连接图。
图6：本发明带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置的控制器和CAN总线之间连接图。
图7：本发明带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置的软件流程图。
具体实施方式
一种带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置，如附图1所示，电力电子主开关部分由采用光纤触发的集成门极换向晶闸管组成；智能微处理器控制系统主要包括高性能的微控制器、开关量输入电路、开关量输出电路、模数转换电路、键盘、液晶显示器、电源、控制器局域网总线接口、触发信号光纤接口电路等组成。
集成门极换向晶闸管：IGCT(集成门极换向晶闸管)是以门极可关断晶闸管为基础经过大幅改进的器件，同时具有门极可关断晶闸管的全控特性和晶闸管的大容量特性。IGCT的集成程度有3个层次：将GCT(门极换向晶闸管)与二极管集成于同一硅片的GCT元件；将GCT元件与低电感外壳和引线集成的GCT组件；将低电感门极驱动电路与GCT组件集成的IGCT。3个层次由用户选择。上述的IGCT若有反并联二极管，即为逆导型IGCT。在导通状态，GCT是一个像晶闸管或门极可关断晶闸管一样的正反馈晶闸管开关，其特点是通过电流能力强和通态压降低。在阻断状态，门阴结反向偏置，并有效地“退出工作”。4层3端的GCT也可用两个正反馈的晶体管等效。其导通与普通门极可关断晶闸管一样，由于两晶体管中每一管的集电极电流同时就是另一管的基极电流，故形成强烈正反馈而使两者饱和导通。当GCT处于阻断状态时，它的门阴极结处于反偏。由导通到截止的关断过程，GCT和门极可关断晶闸管却有明显的不同，GCT能不经过中间过渡区，而门极可关断晶闸必须经过中间状态即门极可关断晶闸区。由于该区的存在，门极可关断晶闸就需很大的dv/dt缓冲器来限制电压重加dv/dt至允许值。由于重加dv/dt使最大可关断阳极电流下降，同时关断能耗增大，门极可关断晶闸因而会损坏。这也说明，晶闸管器件与简单的晶体管不同，它对dv/dt非常敏感。如想去掉GTO过渡区而直接关断，或者说使器件在晶体管模式下关断，就必需在p基n发射结外施很高的负电压，使阳极电流很快由阴极转移(或换向)至门极(门极换向晶闸管即由此得名)，也就是在阳极pnp晶体管实现前，阴极的npn晶体管已停止发射。这时器件成为npn晶体管，但却早于它承受阻断电压的时间，但门极可关断晶闸管却是在晶闸管状态下承受阻断电压的。因为GCT的关断发生于器件变为晶体管后，所以就可象绝缘栅双极晶体管一样无缓冲器运行，二次击穿不再出现，拖尾电流也无大碍。综上所述，GCT开通瞬时处于npn晶体管状态；导通时为晶闸管状态；关断瞬间处于pnp晶体管状态；截止时也为pnp晶体管状态。对于大功率应用来说，IGCT有下述特点：(1)IGCT的存储时间降至1nS，这为实现简单而耐用的串联打下了基础；(2)由于IGCT能非常均匀地工作，因此可显著减少或忽略dv/dt吸收电路；(3)由于门极关断电荷较低，可显著降低门极驱动功率；(4)门极驱动成本降低。如果IGCT或反并联二极管失效，装置也能继续运行而不会中断，这是因为结构为压装的IGCT器件失效后自身即形成短路，器件失效可由电子电路检测出来并通过光缆发出信号。IGCT采用光纤信号触发，并提供本身工作状态的光纤反馈信号，开关特性优异(最小开通时间：10微秒；最小关断时间：10微秒)，因此可以制造出没有熔断器的大功率无触点开关装置。IGCT和微控制器的连接如图3所示，使用IGCT的型号：5SHY_35L4510。
智能微处理器控制系统：智能微处理器控制系统如附图2所示，主要由高性能的微控制器、开关量输入电路、开关量输出电路、模数转换电路、键盘、液晶显示器、电源、控制器局域网总线接口电路和触发信号光纤接口电路等组成。
微控制器：微控制器是高档的微处理器，具有大容量的片上程序存储器和数据存储器，系统不需要再扩展外部程序存储器和数据存储器；具有PWM输出端口，可方便实现对电力电子器件的高性能控制；具有CAN接口和RS232接口，可方便和其他测控计算机通信，实现远程测控功能。
开关量输入电路：开关量输入电路输入的是拨码开关设置的无触点开关工作状态和外部联络开关的工作状态，为实现“软接线”的联锁和智能切换功能提供可靠判据。开关量输入电路是采用光电隔离的高速输入电路，具有快速性和高可靠性。
开关量输出电路：开关量输出电路输出的是报警信号和去联络开关的无触点开关工作状态信号。开关量输出电路是采用光电隔离的高速输出电路，具有快速性和高可靠性。
模数转换电路：模数转换电路实现输入模拟量到数字量的高精度转换，满足对模数转换电路快速转换、高精度、多通道以及对电力系统的高噪声环境中的输入噪声起到抑制作用的要求。使用的快速6通道全差分输入的双12位模数转换器具有以下特点：(1)6通道同步采样；(2)全差分输入；(3)每个通道转换时间2μs；(4)保证无失码；(5)并行接口：(6)低功耗：50mW；(7)6个FIFO寄存器。模拟量输入信号的前端采用电压、电流霍尔传感器来输入电压、电流的实时信号，具有6路信号同步采集功能的模数转换电路保证了电压、电流和电量的准确测量和计量。模数转换电路和微控制器的连接如图4所示，所使用的模数转换器型号：ADS7864。
全球卫星标准时钟电路：无触点开关装置内部或外部出现故障时，控制系统就会发出故障报警错误，准确的时间标定也是本装置中的一个特点所在。GPS(Global PositioningSystem)全球卫星定位系统是美国国防部投资100亿美元，历时20余年开发成功的一种无线电导航定位系统。进入90年代以来，GPS在宇航领域地位得到认可，1993年此项技术开放用于民用后，立刻显示了广泛的应用前景。特别得到公安、金融、保险、交通、运输等部门的广泛关注。全球卫星定位系统GPS是随着现代科学技术的发展建立起来的一个高精度、全天候和全球性的无线电导航定位、定时的多功能系统。它利用位于距地球2万多公里高的、由24颗人造卫星组成的卫星网，向地球不断发射定位信号。地球上的任何一个GPS接收机，均能接收到四颗以上的卫星发出的信号，经过计算后，就可报出GPS接收机的位置(经度、纬度、高度)、时间和运动状态(速度、航向)。目前，没有任何一种传统的导航定位技术能够达到GPS这样的高精度、高速度、全天候和全球性的性能。本装置只使用GPS的标准时间功能，GPS有标准的接口电路，很方便和微处理器接口，从而使得外部电路的时序要求十分简单，使它与各种微处理器的接口大大简化。GPS和微控制器的连接如图5所示，所使用的GPS型号：GARMIN 25LVS。
键盘电路：键盘电路完成对无触点开关装置进行初始参数设置和操作液晶显示器显示内容的功能，设计成标准工业用小键盘，通过标准接口和微处理器连接。
液晶显示电路：液晶显示电路完成对无触点开关的电压、电流、电量、开关状态和双电源切换工作模式的实时显示功能，通过标准接口和微处理器连接。
电源电路：电源电路完成对控制器系统的供电。
控制器局域网总线接口电路：控制器局域网(CAN)总线接口电路是微控制器扩展的标准接口电路，完成和远程测控计算机的通信，实现远程测控功能。CAN总线和微控制器的连接如图6所示，使用的CAN控制器型号：SJA1000；使用的CAN收发器型号：82C250。
触发信号光纤接口电路：触发信号光纤接口电路是微控制器扩展的接口电路，把电信号的触发脉冲转换成光信号的触发脉冲，解决了电气隔离问题，提高了可靠性。完成对IGCT的光纤触发功能。参见图3所示。
软件程序流程：本装置的软件设计流程主要包含：主程序、液晶显示器程序、模数转换程序、键盘输入程序、GPS标准时间读取程序等。
(1)本装置主程序开始时先对键盘、液晶显示器、GPS时钟等进行初始化，接着检测键盘是否有定时输入，没有启动定时程序；如果有则修改定时值，定时程序重新启动，同时进行信号采集即电压、电流和电量值的检测。执行液晶显示程序，实时显示电压、电流和电量值。软件程序流程图见图7所示。
(2)本装置采用定时器中断方式进行实时采样，每500μs对输入模拟量采样一次，可见对每个工频周期(20ms)采样40点。由于采样频率为2kHz，信号频率为50Hz，采样频率为信号频率的40倍。根据香农采样定律可知，采样频率大于信号频率8倍以上，即可保证系统采样不失真。对采样值进行有效值变换处理，求出一个周期的电压、电流和电量有效值送液晶显示器显示。
(3)液晶显示器通过指令通道和数据通道和微处理器进行连接，微控制器从指令通道读取液晶的状态，从数据通道读取液晶显示的数据。微处理器完成对液晶显示器的指针设置、显示设置、显示方式设置和显示开关设置。T液晶显示器显示方式分为文本方式、图形方式、文本图形混合方式等。
本发明带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置主要用在紧急供电的双电源系统，它可将负载电路从一个电源自动切换至另一个电源。主要的工作模式有：
(1)电源转换：此功能将负载电路从一个电源自动切换至另一个电源。在通常状况下，只有A、B两路市电，当A路市电发生故障时，装置将负载电路自动切换至B路市电。但对于某些对供电的安全性、可靠性要求极高，不允许出现哪怕只有瞬间断电的重要场所，会有一路由发电机提供的C路电源。当A路、B路市电同时失电或发生故障时，装置检测到故障并发出信号，起动发电机，当装置检测到发电机电压达到额定电压的80％时，自动将负载电路切换至C路电源。可以通过两台装置实现三路电源供电，也可以通过多台装置的不同组合实现四路、五路等多路电源供电的特殊情形。
(2)转换、反向：假设负载为水泵，当A号水泵出现故障或其他需停机的情况时，装置自动切换到备用的B号水泵。这种“一用一备”的情况是比较多见的。有了装置的自动切换，不仅确保了工作正常运行，而且还大大减少了维护的工作量。至于反向功能，则是将三相交流电中的任意两相互换，从而实现负载(水泵)的反转或反向。此功能最为典型的例子就是常见的自动大门，通过将交流电中的任意两相互换，实现了大门的“开”或者“关”。
(3)旁路：将负载的入、出口的A、B两个闸断开，闭合右侧的旁路闸C。此时，中间的负载设备断电，可以对它进行维护和检修，而下端负载仍然可以正常地工作。
(4)断开+接地：当下端负载发生故障时，断开左闸A，闭合右闸B，右闸B闭合且接地，使工作人员可以安全地对下端设备进行检修。
Claims (1)
1、带自动投切和热备用功能的双路电源智能无触点开关装置，其特征在于：它包含：控制电路和集成门极换向晶闸管IGCT，其中：控制电路包含：键盘电路、液晶显示电路、电源、控制器局域网总线接口电路、微处理器、触发信号光纤接口电路、全球卫星标准时钟电路、模数转换电路、开关量输入电路和开关量输出电路；
其中：
触发信号光纤接口电路，它的输入端与微处理器的脉宽调制PWM输出端口相连，该接口电路依次由PWM整形电路、光电隔离电路和光纤接口串接而成；
全球卫星标准时钟电路，它经RS232串行接口和微处理器相连；
模数转换电路，它是6通道全差分输入的双12位模/数转换器，该转换电路的两个输入端各自与一个霍尔传感器的输出端相连，所述的两个霍尔传感器的输入端分别与工作电源和备用电源相连，该转换电路的输出端与微处理器的数据端口相连；
开关量输入电路，它是一种光电隔离的输入电路，该输入电路的输入信号是拨码开关设定的无触点开关工作状态和外部联络开关的工作状态，该输入电路的输出端与微处理器的开关信号输入端相连；
开关量输出电路，它是一种光电隔离的输出电路，该输出电路的输入端与微处理器相连，该输出电路的输出是报警信号和去联络开关的无触点开关工作状态信号；
集成门极换向晶闸管IGCT，它的输入端与工作或备用电源相连，该IGCT的控制端与触发信号光纤接口电路的输出端相连，该IGCT的输出端与用电设备负载相连。
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