CN201523347U

CN201523347U - 一种智能型复合开关

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Publication number: CN201523347U
Application number: CN2009201778857U
Authority: CN
Inventors: 宋建慧; 李志波; 陈小江; 王海峰; 杨志
Original assignee: XINJIANG TEBIAN ELECTRIC APPARATUS STOCK CO Ltd
Current assignee: XINJIANG TEBIAN ELECTRIC APPARATUS STOCK CO Ltd
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2019-09-22

Abstract

本实用新型涉及一种智能型复合开关，包括开关电路、用于驱动所述开关电路的驱动电路和控制电路，其中开关电路由继电器开关和由两个反向并联的可控硅构成的电路并联而成，继电器和可控硅受所述控制电路控制断开或闭合。所述复合开关所采用微处理器(MCU)不仅可控制复合开关的断开或闭合，而且可监控可控硅、继电器以及输入电源和负载运行状况。该复合开关可实现电压过零导通和电流过零断开，使复合开关在接通和断开的瞬间具有可控硅过零开关的优点。本实用新型的智能型复合开关只在断开或闭合的瞬间耗电，而在其正常接通期间无功耗，所以达到了降低成本、节能降耗的目的。

Description

一种智能型复合开关

技术领域

本实用新型涉及开关技术领域，更具体地，本实用新型涉及一种可智能地控制电机启动和关闭的智能型复合开关。

背景技术

目前在国内市场中，启动负载电机大多采用将交流接触器直接串联在交流电路与负载电机之间，以直接启动电机。此直接启动电机的方式会产生以下后果，即，在交流接触器闭合时，电机线圈产生感应电动势，导致电压在此时达到最低，而电流达到最大值，从而电压与电流没有同时变化，形成开关谐波，而开关谐波会严重地给整个电网造成谐波污染的后果。同时，交流接触器在动作开合时易产生电极放电现象，因而造成交流接触器的接触开关寿命短，并且对输入和输出均存在着不安全的因素。

此外，目前大多数大功率的电机启动采用变频器调制启动，但存在着变频器的制造成本高、体积庞大和损耗大的缺陷。

发明内容

因此，本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种能够智能地控制电机启动和关闭的智能型复合开关。对于本实用新型，需要解决的关键问题在于，如何对交流输出电压进行控制，实现在线电压最低点时先打开可控硅导通，等负载电机随着交流电压的变化转速逐渐升高达到转速稳定时，使电力磁保持继电器导通，而后再使可控硅断开的控制过程。

为了解决本实用新型的技术问题，本实用新型所采用的技术方案是提供一种智能型复合开关，其包括开关电路、用于驱动所述开关电路的驱动电路和控制电路。其中，开关电路由继电器开关和由两个反向并联的可控硅构成的电路并联而成，继电器和可控硅受控制电路控制断开或闭合。由于采用了将继电器开关与两个反向并联的可控硅构成的电路并联的开关电路，所以在智能型复合开关接通和断开的瞬间，负载电机不产生开关谐波，从而克服了现有技术中的由于采用交流接触器直接启动电机产生开关谐波的缺陷。

进一步地，驱动电路包括可控硅驱动电路，用于触发与该电路相连的两个可控硅断电或导通；和继电器驱动电路，用于驱动连接在该电路内的继电器开关的断开或闭合，驱动电路由控制电路控制。

由于具有上述结构，所以当负载需要闭合时，控制电路先控制可控硅电路导通，使负载闭合，待负载运转稳定后，控制电路再控制继电器开关闭合，此时使可控硅电路断电；而当负载需要断开时，控制电路先控制可控硅电路导通，继而控制继电器开关断开，最后控制可控硅电路断电。此控制方式可在智能型开关闭合时，实现了对交流输出电压的控制，即，实现了电压过零导通和电流过零断开的控制，也就是说，可使在线电压最低时先触发可控硅导通，然后待负载电机的电压稳定后使继电器开关闭合，从而使负载电机不产生开关谐波。

本实用新型的智能型复合开关的控制电路包括负载检测电路和微处理器(MCU)。负载检测电路用于检测负载的接通或断开，并将采集到的信号传送给微处理器，而微处理器根据所接收的信号传送给驱动电路，从而控制驱动电路。由于采用了上述结构，所以可智能地对复合开关中的元件如可控硅、继电器以及输入电源和输出负载电机的运行状况加以控制，从而使负载电机安全稳定地运行。

优选地，微处理器采用PIC16F917-I/PT型微处理器。

优选地，继电器开关为电力磁保持继电器开关。由于采用了电力磁保持继电器开关，复合开关只在接通或断开时作瞬间耗电，其在正常工作时不耗电，从而节省了电能。由于电力磁保持继电器开关的触点接触电阻小，其本身不发热，这样就没有必要安装散热设备，从而可达到节能降耗的目的。

进一步地，本实用新型的可控硅驱动电路主要包括两个串联的隔离光电耦合器。该电路基于控制电路的控制信号，使开关电路中的可控硅电路导通或断电。

优选地，所述可控硅电路中的可控硅为晶闸管。

进一步地，本实用新型的继电器驱动电路主要包括驱动芯片和电力磁保持继电器。该电路基于控制电路的控制信号，使开关电路中的继电器开关断开或闭合。

进一步地，本实用新型的负载检测电路主要包括隔离光电耦合器和三极管。

由于采用了上述电路和元件设置，本实用新型的智能型复合开关不仅消除了现有技术中所采用的直接串接交流接触器开关启动电极放电现象，还对输入电源和输出负载均具有保护功能，而且延长了开关接触器触点的使用寿命。此外，基于本实用新型的智能型复合开关的结构特点，该复合开关在具有外观小巧的同时还克服了现有技术采用变频器启动的成本高、体积庞大和损耗大的缺陷。

应当理解的是，对于本实用新型，无论前面的概述还是下面的详细说明都是范例和说明性的，旨在对所主张的本实用新型提供说明，而非对本实用新型的保护范围进行限制。

附图说明

附图提供对本实用新型更进一步的理解，并入并组成本申请的一部分。本实用新型的具体实施例与说明书一起用以阐明本实用新型的结构特点。在附图中：

图1是本实用新型的智能型复合开关实施例中的整体电路示意图；

图2是本实用新型的智能型复合开关实施例中的晶闸管驱动电路的结构图；

图3是本实用新型的智能型复合开关实施例中的磁保持继电器驱动电路的结构图；

图4是本实用新型的智能型复合开关实施例中的负载检测电路的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型内容作进一步详细描述。

实施例

参见图1，图1是本实用新型的智能型复合开关所应用的实施例的整体电路示意图。在图1，智能型复合开关的输入端为三相交流电输入，输出端串接负载电机。该智能型复合开关包括开关电路、用于驱动所述开关电路的驱动电路和控制电路。其中，开关电路由继电器开关和由两个反向并联的可控硅构成的电路并联而成，继电器和可控硅受控制电路控制断开或闭合。

在本实施例中，所述可控硅采用晶闸管Q1，Q2，所述继电器开关采用电磁保持继电器开关K1B，所以相应地，用于驱动晶闸管的电路为晶闸管驱动电路，和用于驱动磁保持继电器的电路为磁保持继电器驱动电路。所述的控制电路包括负载检测电路和微处理器(Micro Controller Unit，缩写为MCU)。本实施例中，微处理器采用PIC16F917-I/PT型微处理器。在图1中，负载检测电路用于检测负载的接通或断开，并将采集到的信号传送给微处理器，而微处理器根据所接收的信号分别先后传送给晶闸管驱动电路和磁保持继电器驱动电路，从而利用晶闸管驱动电路和磁保持继电器驱动电路分别对开关电路中的晶闸管Q1，Q2和磁保持继电器开关K1B进行开合控制。

本实用新型采用上述的结构目的是实现下述控制过程，即，当负载需要闭合时，控制电路先控制可控硅电路导通，使负载闭合，待负载运转稳定后，控制电路再控制继电器开关闭合，此时使可控硅电路断电；而当负载需要断开时，控制电路先控制可控硅电路导通，继而控制继电器开关断开，最后控制可控硅电路断电。此控制方式可在智能型开关闭合/打开时，实现了对交流输出电压的控制，即，实现了电压过零导通和电流过零断开的控制，也就是说，可使在线电压最低时先触发可控硅导通，然后待负载电机的电压稳定后使继电器开关闭合，从而使负载电机不产生开关谐波。

在本实施例中，当负载电机需要闭合时，微处理器根据负载电路所采集电机需要闭合的信号，先传送信号至晶闸管驱动电路，使晶闸管驱动电路中的晶闸管Q1，Q2得到触发，使得晶闸管电路先导通，此时，使负载电机的电压从最低的零电压逐渐升高至最高值，即电机从开始启动直至运转稳定，待电机运转稳定后，微处理器发送信号给电磁继电器驱动电路，利用电磁继电器驱动电路中的电磁继电器线圈带电而吸合电磁保持继电器开关K1B，此时微处理器再利用晶闸管驱动电路使其电路中的晶闸管Q1，Q2断电，从而，智能型复合开关完成闭合的操作。

同样，当负载电机需要断开时，微处理器根据负载电路所采集电机需要断开的信号，先信号传送至晶闸管驱动电路，使晶闸管驱动电路中的晶闸管Q1，Q2得到触发，使得晶闸管电路先通电，此时，微处理器发送信号给电磁继电器驱动电路，利用电磁继电器驱动电路中的电磁继电器线圈失电而断开电磁保持继电器开关K1B，然后微处理器再利用晶闸管驱动电路使其电路中的晶闸管Q1，Q2断电，从而使负载电机断电停止运转，从而，智能型复合开关完成断开的操作。可以看出，智能型复合开关只在接通或断开的瞬间耗电，在负载电机运转期间，智能型复合开关在不消耗电能的情况下就可保证负载电机正常运转。

为了更好地理解本实用新型智能型开关如何实现对交流输出电压进行控制，和实现以下控制过程，即，在线电压最低点时先打开可控硅导通，等负载电机随着交流电压的变化转速逐渐升高达到转速稳定时，使电力磁保持继电器导通，而后再关闭可控硅的控制过程，下面将对各驱动电路的结构、负载检测电路的结构以及微处理器的工作过程进行说明。

图2是晶闸管驱动电路的结构图。该电路主要由两个串联的隔离光电耦合器U1，U2和两个反向并联的晶闸管Q1，Q2构成。当需要使晶闸管电路导通时，微处理器根据负载电路所采集的信号，发送给晶闸管驱动电路一低信号GQA，电流通过两个串联的隔离光电耦合器的A、K极，使隔离光电耦合器U1，U2的C、E极导通，此时如果输入端IN_A电位高于输出端OUT_A，则电流所流经的路线为：由输入端IN_A经过隔离光电耦合器U1的C、E极，隔离光电耦合器U2的C、E极，通过电阻器R2、导通二极管D2触发晶闸管Q2的门极G2，从而使晶闸管Q2导通，实现输入端IN_A到输出端OUT_A导通；而当输出端OUT_A电位高于输入端IN_A时，则电流所流经的路线为：由输出端OUT_A，经过电阻器R2，到隔离光电耦合器U2的E、C极，再经过隔离光电耦合器U1的E、C极，经过二极管D1触发晶闸管Q1的门极G1，使晶闸管Q1导通，从而使输出端OUT_A到输入端IN_A导通。当需要晶闸管电路断电，则微处理器根据负载电路所采集的信号，发送给晶闸管驱动电路一高信号GQA，由于隔离光电耦合器U1，U2处于不导通状态，则晶闸管Q1，Q2处于断开状态。在本实施例中，将隔离光电耦合器U1和U2进行串联，使整个电路的耐压提高到800V，增加了电路的可靠性。

图3为磁保持继电器驱动电路的结构图。该磁保持继电器驱动电路主要由驱动芯片和电力磁保持继电器构成。本实施例中，驱动芯片采用的型号为ULN-2003A的驱动芯片。在图中，当电路的输入端ON1的电压为高电平(12V)时，即驱动芯片IN1极的电压为高电平(12V)时，则驱动芯片的输出端OUT 1为低电平，此时电流从12V的电源流过磁保持继电器的线圈到驱动芯片的输出端OUT 1，从而使磁保持保持继电器带电吸合磁保持继电器开关K1B。同理，当驱动芯片ULN-2003A的驱动电平为低时，磁保持继电器开关断开。

图4为负载检测电路的结构图。该电路主要由隔离光电耦合器和三极管构成。在本实施例中，隔离光电耦合器U5采用型号为SFH6286隔离光电耦合器，三极管Q5采用的型号为2N5551。在该电路图中，当输入端IN_A到输出端OUT_A的电压差达到使隔离光电耦合器U5导通时，则三极管Q5的集电极FAP为低，此信号反馈到微处理器，微处理器判断负载处于断开状态；若输入端IN_A到输出端OUT_A的电压差不能使隔离光电耦合器U5导通时，则三极管Q5的集电极FAP为高，此时，微处理器判断负载处于接通状态。

从以上各电路的描述中可以看出微处理器是智能型复合开关的控制核心，通过微处理器的控制使智能型复合开关可智能地控制负载电机启动和关闭。现针对微处理器的工作过程进行描述，使本领域技术人员更清楚地了解其与其它元件之间的关系。工作时，首先从外部给智能型复合开关一启动信号，微处理器判断为可开始启动复合开关并传送信号给晶闸管驱动电路(图2)开始工作，则晶闸管Q1、Q2导通，使接于复合开关的负载电机开始启动，等负载电机全速正常工作时，微处理器则控制磁保持继电器电路，使该电路中的磁保持继电器开关吸合(图3)，然后微处理器控制晶闸管电路断电，此时，负载电机处于工作状态；当从外部给复合开关一断开信号时，微处理器首先驱动晶闸管驱动电路(图2)，则晶闸管Q1、Q2导通，然后控制磁保持继电器电路，使磁保持继电器开关断开，继而再控制晶闸管驱动电路使晶闸管电路断电，从而使负载电机断电。经过上述运行，智能型复合开关完成一个开关周期。

在本实施例中，微处理器在接收到负载检测电路的信号断开或闭合信号时，微处理器均要判断其所控制的电路是否正确执行了断开或闭合操作，若判断驱动电路没有正确执行操作，则微处理器就会发出继续执行的控制信号，使驱动电路正确完成操作，但是，若微处理器多次发出继续执行的控制信号(例如20次)后，驱动电路均未正确执行操作，则微处理器判断为故障，并进行故障报警操作。

工业实用性

通过上述原理，发明人制作了一台智能型复合开关的样机。该样机的控制输出功率为13KW；晶闸管Q1和Q2使用的是安赛斯公司产CS45-16i01，其耐压为1600V，额定电流为80A；磁保持继电器为厦门宏发的JE10-3，其工作电压为AC440V，额定切换电流45A；通用驱动芯片为ULN2003；微处理器为美国微芯公司的微处理器PIC16F917-I/PT。各部件之间的连接方式采用图1所示的连接。

所述样机的技术参数为：额定电压AC380V；额定电流AC20A；控制电压DC24V；和外型尺寸(长*宽*高)为162*122*82mm。

综上所述，本实用新型的智能型复合开关的优点在于：由于采用将可控硅与磁保持继电器并联，可实现电压过零导通和电流过零断开，使复合开关在接通和断开的瞬间具有可控硅过零开关的优点，而在复合开关正常接通期间，具有复合开关无功耗的优点。

因为在不偏离本实用新型范围的情况下，能够进行各种修改和变化，因此上述说明中包含附图中所示出的所有技术特征或内容应该理解为是说明性的而非限制性的。

Claims

1.一种智能型复合开关，其特征在于，包括开关电路、用于驱动所述开关电路的驱动电路和控制电路，其中所述开关电路由继电器开关和由两个反向并联的可控硅构成的电路并联而成，所述继电器和可控硅受所述控制电路控制断开或闭合。

2.根据权利要求1所述的智能型复合开关，其特征在于，所述驱动电路包括可控硅驱动电路，用于触发与该电路相连的所述两个可控硅断电或导通；和继电器驱动电路，用于驱动连接在该电路内的所述继电器开关的断开或闭合，所述驱动电路由所述控制电路控制。

3.根据权利要求1所述的智能型复合开关，其特征在于，当负载需要闭合时，所述控制电路先控制所述可控硅电路导通，使负载闭合，待负载运转稳定后，所述控制电路再控制继电器开关闭合，此时使可控硅电路断电；当负载需要断开时，所述控制电路先控制可控硅电路导通，继而控制继电器开关断开，最后控制可控硅电路断电。

4.根据权利要求1-3任一所述的智能型复合开关，其特征在于，所述控制电路包括负载检测电路和微处理器(MCU)，其中所述负载检测电路用于检测负载的接通或断开，并将采集到的信号传送给所述微处理器，所述微处理器根据所接收的信号传送给所述驱动电路，从而控制所述驱动电路。

5.根据权利要求4所述的智能型复合开关，其特征在于，所述微处理器采用PIC16F917-I/PT型微处理器。

6.根据权利要求1-3任一权利要求所述的智能型复合开关，其特征在于，所述继电器开关为电力磁保持继电器开关。

7.根据权利要求2所述的智能型复合开关，其特征在于，所述可控硅驱动电路主要包括两个串联的隔离光电耦合器，该电路基于所述控制电路的控制信号，使所述开关电路中的可控硅电路导通或断电。

8.根据权利要求7所述的智能型复合开关，其特征在于，所述可控硅电路中的可控硅为晶闸管。

9.根据权利要求2所述的智能型复合开关，其特征在于，所述继电器驱动电路主要包括驱动芯片和电力磁保持继电器，该电路基于所述控制电路的控制信号，使所述开关电路中的继电器开关断开或闭合。

10.根据权利要求4所述的智能型复合开关，其特征在于，所述负载检测电路主要包括隔离光电耦合器和三极管。