CN203839956U - 新型的多功能编码器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种新型的多功能编码器，包括主控MCU、磁保持继电器、备用磁保持继电器、工作电源模块、数据存储器、温度采集模块、LED指示灯显示模块、485通讯模块、交流采集模块、电流互感器、电压互感器和开关驱动电路，其特点为工作电源模块、数据存储器、温度采集模块、LED指示灯显示模块和485通讯模块分别与主控MCU连接，主控MCU通过一开关驱动电路连接磁保持继电器，主控MCU通过另一开关驱动电路连接备用磁保持继电器，主控MCU通过交流采集模块分别与电流互感器和电压互感器连接。实现了以单片机快速计算过零投切时刻点，确保了磁保持继电器来控制电容器的过零投切，解决了可控硅容易出现损坏和烧毁的现象。
Description
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种开关，尤其涉及一种新型的多功能编码器。
背景技术
[0002] 在电力行业中低压成套装置中电容器的投切开关即复合开关，由于复合开关采用 可控硅与磁保持继电器并接，实现电压过零导通和电流过零切断，使复合开关在接通和断 开的瞬间具有可控硅开关过零投切的优点。其实现方法是：投入时是在电压过零瞬间可控 硅先过零触发，然后再将磁保持继电器吸合导通；而切除时是先将磁保持继电器断开，可控 硅延时过零断开，从而实现电流过零切除。因此复合开关对磁保持继电器的电气性能及工 艺要求相当高。而现有市面上的磁保持继电器还未能达到相应的要求，由于磁保持继电器 触点容量低容易出现吸蚀现象，同时磁保持继电器的机械结构决定了其动作的不稳定性； 可控硅是属于功率型半导体元件，对使用时的电压电流条件要求苛刻，一旦电压电流出现 较大波动时导致可控硅损坏或烧毁现象；因此造成现有市面上的复合开关还存在着应用方 面的先天不足。本实用新型是针对可控硅和磁保持继电器在低压成套装置应用方面存在的 先天不足而精心研制开发的一种最新科技成果。
发明内容
[0003] 本实用新型的目的在于，针对上述发现的问题，提供一种新型的多功能编码器，实 现了以单片机快速计算过零投切时刻点，确保了磁保持继电器来控制电容器的过零投切， 代替传统的采用可控硅与磁保持继电器并接作为过零投切，解决了可控硅容易出现损坏和 烧毁的现象。
[0004] 本实用新型还可以监测电力电容器的投入电流值，实时上报电容器的容值损耗确 保电容器的利用率。也可以实时采集电容器运行时的温度值，在温度超限的情况下，强行退 出电容投入；又可以实时采集在电容投入时的电流值，在电流值超出电容额定电流2倍时， 强行退出电容投入；还可以在切除电容时，实时监测各个开关通道的电流值，在判定磁保持 继电器吸合的故障状态下，强行断开备用的磁保持继电器，避免电容长期处于投入状态，是 一种具有高安全性，高可靠性的新型的多功能编码器。
[0005] 本实用新型的目的可以这样实现的，所述的一种新型的多功能编码器，包括主控 MCU、磁保持继电器、备用磁保持继电器、工作电源模块、数据存储器、温度采集模块、LED指 示灯显示模块、485通讯模块、交流采集模块、电流互感器、电压互感器和开关驱动电路，其 特征在于，所述的工作电源模块、数据存储器、温度采集模块、LED指示灯显示模块和485通 讯模块分别与主控MCU连接，主控MCU通过一开关驱动电路连接磁保持继电器，主控MCU通 过另一开关驱动电路连接备用磁保持继电器，主控MCU通过交流采集模块分别与电流互感 器和电压互感器连接。
[0006] 本实用新型的结构中包含了多个（l~n)磁保持继电器、多个（l~n)备用磁保持继 电器、开关驱动电路、工作电源模块、数据存储器、温度采集模块、LED指示灯显示模块、485 通讯模块、交流采集模块、多个（l~n)电流互感器、多个（l~n)电压互感器和开关驱动电路。 所述的多个（Γη)磁保持继电器是在驱动电路控制下作为电容器的投切开关；所述的多个 (1~η)备用磁保持继电器是作为保护开关使用，在电容切除时，实时监测各个开关通道的 电流值，在判定用于投切使用的磁保持继电器吸合的故障状态下，强行断开备用的磁保持 继电器，避免电容长期处于投入状态，保护设备可靠运行；所述的工作电源模块是将交流 220V作为电源输入，经过电源模块转换成多路直流电压供给个电路模块使用；所述的数据 存储器是用于对各种实时与历史运行数据进行存储；所述的温度采集模块是采集电容器自 身的温度值，在温度超限的情况下，强行退出电容投入；所述的LED指示灯显示模块是包括 工作电源和投切信号指示灯，可以通过指示灯观察本实用新型所述的新型的多功能编码器 是否正常工作以及电容器投切情况；所述的485通讯模块是用于与外接控制设备的数据通 讯与信息交换；所述的交流采集模块包括电能计量芯片和信号处理电路，电能计量芯片采 用高精度AD芯片，高精度AD芯片作为电压电流计量使用，信号处理电路的作用是将输入的 电压电流信息调理成高精度AD芯片内能做精确模拟数字转换及计算的信号，再将结果定 时传送给主控MCU，主要是采集电流、相电压、线电压、电容器电压、电容投入电流等数据参 数用于判断电压过零投入及电流过零断开以及电容器损耗参数计算；所述的多个（l~n)电 流互感器是用于采集电容投入时的电流，在电流值超出电容额定电流2倍时，强行退出电 容投入，同时投入的电流也可以作为计算电容器损耗的一个参数；所述的多个（l~n)电压 互感器是用于采集相电压、线电压、电容器电压等参数可以作为判断电压过零及计算电容 器损耗的依据。
[0007] 本实用新型的优点：
[0008] 本实用新型在正常通电运行时，主控MCU在首次控制磁保持继电器进行投切动作 时，主控MCU能够准确的记录磁保持继电器在发出闭合或断开指令的时刻点以及磁保持继 电器真正闭合或断开的时刻点，并计算出磁保持继电器在闭合与断开时的行程时间。由于 每个磁保持继电器的投切行程时间各异，采用本实用新型的计算方法，能够根据不同磁保 持继电器的投切行程时间，主控MCU计算并提前发出驱动信号，以便磁保持继电器能够在 正确的时刻正常动作。
[0009] 本实用新型所述的新型的多功能编码器，可以通过温度采集模块实时采集电容器 的温度值，当采集的温度值超出预置的参数时(参数可根据实际运行环境设置)，本实用新 型所述的新型的多功能编码器中的备用磁保持继电器强行断开，防止电容器温度过高，造 成电容器出现爆裂或烧毁等故障。
[0010] 本实用新型所述的新型的多功能编码器，可以通过多个（l~n)电流互感器及交流 采集模块实时采集电容器投入时的电流值，在电流值超出电容额定电流2倍时，本实用新 型所述的新型的多功能编码器中的备用磁保持继电器强行断开，强行退出电容投入，保护 设备可靠运行。
[0011] 本实用新型所述的新型的多功能编码器，可以在切除电容时，实时监测各个开关 通道的电流值，在判定磁保持继电器吸合的故障状态下，本实用新型所述的新型的多功能 编码器中的备用磁保持继电器强行断开，避免电容长期处于投入状态。
附图说明
[0012] 图1是本实用新型实施例的新型的多功能编码器的结构图。
[0013] 图1-1是图1中没有安装485通讯模块的电路原理框图。
[0014] 图1-2是图1中没有安装温度采集模块的电路原理框图。
[0015] 图1-3是图1中没有安装备用磁保持继电器的电路原理框图。
[0016] 图2是本实用新型实施例的新型的多功能编码器的电压过零闭合及行程时间曲 线图。
[0017] 图3是本实用新型实施例的新型的多功能编码器的电流过零断开及行程时间曲 线图。
[0018] 图4是本实用新型实施例的新型的多功能编码器的工作原理框图。
[0019] 图5是本实用新型实施例的新型的多功能编码器的保护电路工作原理框图。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图和实施例对本实用新型所述的新型的多功能编码器的工作原理及 工作过程进行详细说明：
[0021] 如图1所示，是本实用新型所述实施例的新型的多功能编码器的结构图。包括主 控MCU，多个(可以是Γη)磁保持继电器，多个(可以是Γη)备用磁保持继电器，工作电源 模块，数据存储器，温度采集模块，LED指示灯显示模块，485通讯模块，交流采集模块，多个 (可以是l~n)电流互感器，多个(可以是l~n)电压互感器，开关驱动电路。本实用新型所述 的η为自然数。所述的工作电源模块、数据存储器、温度采集模块、LED指示灯显示模块和 485通讯模块分别与主控MCU连接，主控MCU通过一开关驱动电路连接磁保持继电器，主控 MCU通过另一开关驱动电路连接备用磁保持继电器，主控MCU通过交流采集模块分别与电 流互感器和电压互感器连接。本实用新型应用时如图5所示，备用磁保持继电器一方面接 到A线、B线、C线、N线，另一方面与磁保持继电器连接，磁保持继电器接到电力电容器上。 本实用新型下述的电容器指"电力电容器"。
[0022] 1)主控MCU :采用现有市售产品，完成传输与控制、并发出控制信号驱动磁保持继 电器进行投切动作，这些校准分析及计算程序为一般技术人员能实现的。
[0023] 2)多个（l~n)磁保持继电器：采用现有市售产品，作为电力行业中低压成套装置 中电容器的投切元件。
[0024] 3)多个（Γη)备用磁保持继电器：采用现有市售产品，充当一种开关元件，在判定 磁保持继电器吸合的故障状态下，本实用新型所述的新型的多功能编码器中的备用磁保持 继电器强行断开，避免电容长期处于投入状态，为一般技术人员能实现的。
[0025] 4)工作电源模块：交流220V作为电源输入，经过电源模块转换成多路直流电压供 给个电路模块使用，其中主控MCU、数据存储器，485通讯模块工作电源为3. 3V直流电压，交 流采集模块工作电压为5V，投切开关控制模块工作电压为12V。这些工作电源模块为一般 技术人员能实现的。
[0026] 5)数据存储器：此模块对各种实时与历史运行数据进行存储，可以采用各类存储 介质，为现有技术。
[0027] 6)温度采集模块：采用市售的ptlOO钼电阻，外接直接置于电容器表面可以快速 响应温度变化，所述的ptlOO钼电阻为现有市售产品。
[0028] 7) LED指示灯显示模块：包括工作电源和投切信号指示灯，指示灯显示的内容包 含本实用新型所述的新型的多功能编码器的工作状态以及电容器投切状态。
[0029] 8) 485通讯模块：此模块是对外接控制设备进行数据通讯与信息交换，为现有技 术。
[0030] 9)交流采集模块：包括电能计量芯片和信号处理电路，电能计量芯片采用高精度 AD芯片，高精度AD芯片作为电压电流计量使用，信号处理电路的作用是将输入的电压电流 信息调理成高精度AD芯片内能做精确模拟数字转换及计算的信号，再将结果定时传送给 主控MCU，为一般技术人员能实现的。
[0031] 10)多个（l~n)电流互感器：采用现有市售产品，用于采集电容投入时的电流，线 电流、相电流等。
[0032] 11)多个（l~n)电压互感器：采用现有市售产品，用于采集相电压、线电压、电容器 电压等参数可以作为判断电压过零及计算电容器损耗的依据。
[0033] 12)开关驱动电路：此模块为一般开关电路，当主控MCU发出控制信号指令时，经 工作电源模块提供12V的直流电压供给开关电路使用，使得开关电路闭合，这些开关电路 为一般技术人员能实现的。
[0034] 如图1-1所示，是图1中没有安装485通讯模块的电路原理框图。本实用新型可 以不安装485通讯模块，此时本实用新型的结构就不具有485通讯模块功能，但本实用新型 还能实现本实用新型的目的，只是不能通过网络传输数据了。
[0035] 如图1-2所示，是图1中没有安装温度采集模块的电路原理框图。本实用新型可 以不安装温度采集模块，此时本实用新型的结构就不具有温度采集模块功能，但本实用新 型还能实现本实用新型的目的，只是不具有温度报警功能以及防止电容器温度过高，出现 爆裂或烧毁等故障。
[0036] 如图1-3所示，是图1中没有安装备用磁保持继电器的电路原理框图。本实用新型 可以不安装备用磁保持继电器，此时本实用新型的结构就不具有备用磁保持继电器功能， 但本实用新型还能实现本实用新型的目的，只是不具有强行断开多个（Γη)备用磁保持继 电器，防止电容器温度过高，出现爆裂或烧毁等故障的功能。
[0037] 如图2所示的是本实用新型实施例的新型的多功能编码器的电压过零闭合及行 程时间曲线图，其中h为主控MCU首次发出的闭合指令的时刻点，t 2为磁保持继电器驱动 电路接收闭合指令且磁保持继电器真正闭合的时刻点，Λ h为磁保持继电器闭合的行程时 间（单位ms), Ta为首次检测到的电压过零的时刻点，由于工频交流电源的周期是20ms,在 一个工频周期里，电源电压过零会出现2次过零时刻，因此Ta+ΙΟ为第二次检测到的电压过 零的时刻点（单位ms )，Ί\为第二次检测到电压过零时刻点，即主控MCU发出磁保持继电器 的闭合指令的时刻点。
[0038] 如图3所示的是本实用新型实施例的本实用新型所述的新型的多功能编码器的 电流过零断开及行程时间曲线图，其中t 3为主控MCU首次发出的断开指令的时刻点，t4为 磁保持继电器驱动电路接收断开指令且磁保持继电器真正断开的时刻点，Λ t2为磁保持继 电器断开的行程时间（单位ms)，Tb为首次检测到的电流过零的时刻点，由于工频交流电源 的周期是20ms，在一个工频周期里，电源电流过零会出现2次过零时刻，Tb+ΙΟ为第二次检 测到的电流过零的时刻点（单位ms)，T 2为第二次检测到电流过零时，主控MCU发出磁保持 继电器的断开指令的时刻点。
[0039] 结合图1、图2、图3所示，为了计算出磁保持继电器闭合的行程时间即Λ h、磁保 持继电器断开的行程时间即Λ t2、主控MCU发出磁保持继电器的闭合指令时刻点Ί\以及主 控MCU发出磁保持继电器的断开指令的时刻点Τ 2。若主控MCU发出控制闭合指令驱动开关 驱动电路闭合磁保持继电器，在这个过程中数据存储器存储主控MCU发出控制闭合指令的 时刻点h，数据存储器存储磁保持继电器闭合时刻点t 2。当数据存储器存储完h和t2后， 主控MCU计算出的磁保持继电器闭合的行程时间即Λ Wh，此时数据存储器继续存储 主控MCU计算出的磁保持继电器闭合的行程时间Λ h。当交流采集模块检测到第一次电压 过零时刻点Ta后，主控MCU开始计算发出磁保持继电器的闭合指令时刻点TfTa+lO- Λ &， 主控MCU控制在Ί\时刻时发出磁保持继电器的闭合指令驱动电器驱动电路进行闭合动作， 确保磁保持继电器在Ta+ΙΟ该时刻点过零投切。数据存储器存储常量Λ h和变量Ί\作为 闭合磁保持继电器的计算参数，以便本实用新型所述的新型的多功能编码器进行闭合磁保 持继电器时使用。若主控MCU发出控制断开指令驱动开关驱动电路断开磁保持继电器，在 这个过程中数据存储器存储主控MCU发出控制断开指令的时刻点t 3，数据存储器存储磁保 持继电器断开时刻点t4。当数据存储器存储完t3和t 4后，主控MCU计算出的磁保持继电器 断开的行程时间即At2=t4-t 3，此时数据存储器继续存储主控MCU计算出的磁保持继电器 断开的行程时间Λ t2。当交流采集模块检测到第一次电流过零时刻点Tb后，主控MCU开始 计算发出磁保持继电器的断开指令时刻点T 2=Tb+10- Λ t2，主控MCU控制在T2时刻时发出 磁保持继电器的断开指令驱动电器驱动电路进行断开动作，确保磁保持继电器在Tb+ΙΟ该 时刻点过零投切。数据存储器存储常量Λ t2和变量T2作为断开磁保持继电器的计算参数， 以便本实用新型所述的新型的多功能编码器进行断开磁保持继电器时使用。
[0040] 当本实用新型所述的新型的多功能编码器中的交流采集模块检测到电压过零 点时刻Ta且需要闭合磁保持继电器时，主控MCU调用数据存储器存储的常量Λ 和变 量1\作为闭合磁保持继电器的计算参数，计算出此时检测到电压过零投入时的时刻点为 TfTa+lO- Λ &，主控MCU将控制在Ί\时刻时发出磁保持继电器的闭合指令驱动电器驱动电 路进行闭合动作。当交流采集模块检测到电流过零点时刻Tb且需要断开磁保持继电器时， 主控MCU调用数据存储器存储的常量Λ t2和变量T2作为断开磁保持继电器的计算参数，计 算出此时检测到电压过零断开时的时刻点为T 2=Tb+10- Λ t2。主控MCU将控制在Τ2时刻时 发出磁保持继电器的断开指令驱动电器驱动电路进行断开动作。
[0041] 如图4所示，是本实用新型所述实施例的本实用新型所述的新型的多功能编码器 的工作原理框图。其中Α线、Β线、C线、Ν线分别通过铜导线连接至本实用新型所述的新型 的多功能编码器A、B、C、N端口，工作电源模块将采集的交流220V作为电源输入，经过电源 模块转换成多路直流电压供给个电路模块使用，其中主控MCU、数据存储器，485通讯模块 工作电源为3. 3V直流电压，交流采集模块工作电源为5V直流电压，投切开关控制模块工作 电源为12V直流电压。
[0042] 如图5所示，是本实用新型所述实施例的本实用新型所述的新型的多功能编码器 的保护电路工作原理框图，为了保证设备可靠安全运行，为了加强电力电容器的使用寿命， 本实用新型所述的新型的多功能编码器增加了多个（Γη)备用磁保持继电器作为保护开关 使用。当本实用新型所述的新型的多功能编码器正常工作时，多个（Γη)备用磁保持继电器 处于常闭状态，电容器的投切是通过控制多个（l~n)磁保持继电器的通断实现。当温度采 集模块实时采集电容器的温度值超出预置的参数时(参数可根据实际运行环境设置)，主控 MCU分析比较后通过I/O 口发出逻辑控制信号，经开关驱动电路转换为具有驱动多个（l~n) 备用磁保持继电器动作能力的控制信号中，强行断开多个（Γη)备用磁保持继电器，防止电 容器温度过高，出现爆裂或烧毁等故障。当交流采集模块中的多个（1~η)电流互感器实时 采集的电容器投入时电流值超出电容器额定电流2倍时，主控MCU分析比较后通过I/O 口 发出逻辑控制信号，经开关驱动电路转换为具有驱动多个（Γη)备用磁保持继电器动作能 力的控制信号中，强行断开多个（Γη)备用磁保持继电器，保护多个（Γη)磁保持继电器的 可靠动作。当设备切除电容时，交流采集模块中的多个（1~η)电流互感器实时监测各个开 关通道的电流值，若还存在投入时的电流值时，即判定多个（1~η)磁保持继电器出现吸合的 故障，此时主控MCU通过I/O 口发出逻辑控制信号，经开关驱动电路转换为具有驱动多个 (Γη)备用磁保持继电器动作能力的控制信号中，强行断开多个（Γη)备用磁保持继电器避 免电容器长期处于投入状态。因此通过增加多个（1~η)备用磁保持继电器来作为保护开关， 能够提高本实用新型所述的新型的多功能编码器运行的安全性、可靠性。
[0043] 结合图4、图5所示，当Α线、Β线、C线、Ν线及电容器分别接入本实用新型所述 的新型的多功能编码器的相应的接线端子上时，本实用新型所述的新型的多功能编码器中 的交流采集模块实时采集线路电压、电流和电容器运行数据，通过其信号处理电路调理后 送入电能计量芯片，主控MCU通过SPI通信总线控制电能计量芯片（数据采集模块芯片）对 该信号做精确模拟数字转换及计算，以便获得相电压、线电压、电容电压、投入电流等信息， 再通过SPI通信总线将相电压、线电压、电容电压、投入电流等信息定时传送给主控MCU，主 控MCU把计算出合适的投切策略由I/O 口发出逻辑控制信号，经开关驱动电路转换为具有 驱动磁保持继电器动作能力的控制信号，驱动相应通道的磁保持继电器通断。由于每个磁 保持继电器的闭合和断开的行程时间各异，为了保证磁保持继电器在接点的动作时刻点准 确，本实用新型所述的新型的多功能编码器将通过主控MCU准确计算各个磁保持继电器的 断开和闭合行程时间，并存储在数据存储器中。当本实用新型所述的新型的多功能编码器 的交流采集模块检测到电压过零点时刻Ta且需要闭合磁保持继电器时，主控MCU调用数据 存储器存储的常量Λ A和变量Ί\作为闭合磁保持继电器的计算参数，计算出此时检测到电 压过零投入时的时刻点为TfTa+lO- Λ h，主控MCU将控制在Ί\时刻时发出磁保持继电器 的闭合指令开关驱动电路进行闭合动作。当交流采集模块检测到电流过零点时刻Tb且需 要断开磁保持继电器时，主控MCU调用数据存储器存储的常量Λ t2和变量T2作为断开磁保 持继电器的计算参数，计算出此时检测到电压过零断开时的时刻点为T 2=Tb+10-Λ t2。主 控MCU将控制在T2时刻时发出磁保持继电器的断开指令开关驱动电路进行断开动作。同 时主控MCU将根据磁保持继电器实际闭合与断开的情况由I/O 口发出控制信号，经LED指 示灯显示模块电路控制LED指示灯的显示状态，来指示本实用新型所述的新型的多功能编 码器的工作状态以及电容器投切状态。本实用新型所述的新型的多功能编码器的交流采 集模块连接了多个（l~n)电流互感器和多个（l~n)电压互感器，可以实时采集线路的相电 压、线电压，电容器的电容电压及投切电流等信息反馈至主控MCU，通过采集的这些信息，可 以认为的计算出电容器实际运行后的损耗。若经交流采集模块采集的电容电压为U，线电 压为"，U CA，电容器投切电流IAB，IBC，ICA，则可以计算电容实际的投入容量Q c=UabXIab +UBCXIBC+UCAXICA。根据电容器额定容量Qe可以知道，电容器未出现损耗时的投入量 Qcl=QeX (U/Ue)2,(其中U是采集的电容电压，Ue是电力电容器的额定电压)，这样可以计算 出损耗系数β =QC/Qa。由于当电容器损耗值达到1/3时，电容器的利用率降低，在成套装置 中利用电容器作为补偿的效果下降，当电容器损耗值达到2/3时，电容器的输出电流加大， 电容器的发热量高，电容器容易出现安全隐患，因此在检测电容器的损耗系数β具有发明 创造意义。
Claims (1)
1. 一种新型的多功能编码器，包括主控MCU、磁保持继电器、备用磁保持继电器、工作 电源模块、数据存储器、温度采集模块、LED指示灯显示模块、485通讯模块、交流采集模块、 电流互感器、电压互感器和开关驱动电路，所述主控MCU完成传输与控制、并发出控制信号 驱动磁保持继电器进行投切动作，其特征在于，所述的工作电源模块、数据存储器、温度采 集模块、LED指示灯显示模块和485通讯模块分别与主控MCU连接，主控MCU通过一开关驱 动电路连接磁保持继电器，主控MCU通过另一开关驱动电路连接备用磁保持继电器，主控 MCU通过交流采集模块分别与电流互感器和电压互感器连接。
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| CN108931227A (zh) * | 2018-07-20 | 2018-12-04 | 朱浩东 | 高精密测量角度编码器 |
| CN109709480A (zh) * | 2019-01-10 | 2019-05-03 | 江苏金智科技股份有限公司 | 一种换相开关的继电器闭环自校核方法 |
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