CN205595884U - 一种智能电压切换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电开关领域，尤其涉及一种智能电压切换装置。该智能电压切换装置包括备用电源、可控硅电路模块、直流接触器电路模块、晃电检测电路、市电恢复检测电路以及微处理器电路模块。可控硅电路模块导通时，备用电源为变频器提供电源。直流接触器电路模块闭合时，直流接触器电路模块对输入可控硅电路模块的电流进行分流，使可控硅电路模块截止。微处理器电路模块根据晃电检测电路和市电恢复检测电路的采集信号，控制可控硅电路模块的导通状态以及直流接触器电路模块的闭合状态。变频器发生供电故障，该智能电压切换装置实现备用电源能够连续无延时地对变频器提供电源，又能避免备用电源对变频器的无效放电，极大延长备用电源的寿命。

Description

一种智能电压切换装置

技术领域

本实用新型涉及电开关领域，尤其地涉及一种智能电压切换装置。

背景技术

目前，随着工业自动化水平的不断提高，变频器因其可靠性高，控制简单，在交流电机拖动领域得到广泛应用。长期以来，在石化、化纤、制药、钢铁、集成电路、玻璃等行业的工艺生产中，有一些由变频器拖动的交流电机，它们拖动着各种重要设备。当电网发生晃电等供电故障时，变频器因欠压和瞬时停电等保护功能，使电机驱动的动力设备受到较大的扰动甚至停机，导致连续性生产中断、设备损坏、产生大量的次品以及废品，从而造成严重的经济损失。

针对上述问题，很多企业采用一些解决方案。比如：双路电源供电、柴油发电机作为后备电源以及UPS等作为后备电源，但这些传统方案中存在很多的不足。双路电源供电因切换时间而中断，导致变频器在切换的短时间内，出现欠压停机或电机跳闸停机的问题发生，因此解决不了对于生产连续性较强的设备的工作要求问题。柴油发电机作后备电源，同样存在启动时间长，有切换时间，造成电机跳闸和变频器停机现象。UPS成本高昂，还因电机的启动电流往往是额定电流的5-7倍，需增大UPS的容量，这方案无疑会加大投资，造成浪费。

由于常用变频器使用交直交变换技术，所以在变频器直流母线接入后备电池组实现支撑无疑是一种简单可靠的抗晃电解决方案。由此有些厂家将电池组串接二极管后接入变频器直流母线，虽然较好的解决了晃电问题，当也带来了因电网电压波动造成电池组非晃电支撑放电的问题，导致电池组充电不足、容量衰减、寿命大大减少的严重问题产生。

用可控硅替代二极管将电池组与变频器直流母线隔离，就能避免电池组非支撑放电问题。但也存在如下问题：一旦因晃电，电池组进入支撑状态后，因电池组电压高于变频器直流母线电压导致可控硅无法关断，必须等到电池组放电电压低于变频器直流母线电压才能截止。本来只需短时间支撑的抗晃电变成了每次都是长时间支撑放电，必然造成电池组寿命极大缩减。

因此新的改进方案都在可控硅回路中串接直流接触器，晃电过后利用接触器分断可控硅而后再次闭合等待下次支撑。该方案也存在一个致命弱点，如果分断接触器时电网再次出现了晃电，这时电池组将无法快速接入直流母线而导致支撑失败，酿成重大损失。

发明内容

本实用新型为了克服现有技术的不足，目的旨在提供一种智能电压切换装置，变频器发生供电故障时，该智能电压切换装置实现备用电源能够连续无延时地对变频器提供电源，又能避免备用电源对变频器的无效放电，极大延长备用电源的寿命。

为了解决上述的技术问题，本实用新型提出的基本技术方案为：

具体的，本实用新型提供一种智能电压切换装置，用于切换变频器的输入电源的路径，其中包括：

备用电源；所述备用电源用于当变频器处于晃电状态时，为变频器提供电源；

可控硅电路模块；所述可控硅电路模块处于导通状态时，备用电源为变频器提供电源；

直流接触器电路模块；所述直流接触器电路模块和所述可控硅电路模块并联，当直流接触器电路模块处于闭合状态时，直流接触器电路模块对输入所述可控硅电路模块的电流进行分流，使可控硅电路模块处于截止状态；

晃电检测电路；所述晃电检测电路检测输入变频器的直流母线电压，并输出第一检测信号；

市电恢复检测电路；所述市电恢复检测电路检测电网电压，输出第二检测信号；

以及微处理器电路模块；所述微处理器电路模块接收所述第一检测信号后，发送第一控制信号，控制所述可控硅电路模块的导通状态；所述微处理器电路模块接收所述第二检测信号后，发送第二控制信号，控制所述直流接触器电路模块的关断和闭合状态的切换。

进一步，所述备用电源是由若干个电池组成的电池组。

进一步，所述可控硅电路模块包括可控硅以及可控硅触发电路；

所述可控硅触发电路的输入端和微处理器电路模块电连接，微处理器电路模块对可控硅触发电路分别输入驱动脉冲信号以及控制信号；

所述驱动脉冲信号驱动所述可控硅触发电路，可控硅触发电路产生的输出信号加载于所述可控硅，可控硅导通，使所述备用电源为变频器提供电源；

所述控制信号控制所述可控硅触发电路的输出信号状态。

进一步，所述直流接触器电路模块包括直流接触器以及接触器控制电路；

所述接触器控制电路的输入端和微处理器电路模块电连接，微处理器电路模块产生触发信号并输入给接触器控制电路，接触器控制电路控制直流接触器处于闭合状态，使直流接触器电路模块对输入所述可控硅电路模块的电流进行分流。

进一步，所述智能电压切换装置还包括：

动作电压设定电路；所述动作电压设定电路和微处理器电路模块电连接，动作电压设定电路具有多个旋转拨码，所述旋转拨码拨动到不同位置，动作电压设定电路产生不同动作电压并输入微处理器电路模块；

动作电压数模转换电路；所述动作电压数模转换电路和微处理器电路模块电连接，所述微处理器电路模块将所述动作电压传输给动作电压数模转换电路，动作电压数模转换电路对动作电压按照参考比率转换成模拟信号并返送输入给微处理器电路模块。

进一步，所述智能电压切换装置还包括为所述微处理器电路模块提供电源的电源电路，所述电源电路的输入端和所述备用电源电连接，输出端和微处理器电路模块电连接。

本实用新型的有益效果是：微处理器电路模块通过晃电检测电路检测输入变频器的直流母线电压。当电网电压正常时，可控硅电路模块不触发，直流接触器电路模块中直流接触器不闭合，因此备用电源和变频器直流母线分离。当电网发生晃电时，微处理器电路模块通过晃电检测电路检测变频器直流母线电压跌落到设定值，微处理器电路模块快速触发可控硅电路模块导通，实现备用电源对变频器供电支撑。当电网电压恢复后，微处理器电路模块闭合直流接触器电路模块中直流接触器，使直流接触器电路模块与可控硅电路模块并联运行，微处理器电路模块待直流接触器闭合后，停止可控硅电路模块的触发，紧接着分断直流接触器电路模块，实现备用电源与变频器的隔离。如果在分断过程中再次出现晃电，可控硅电路模块又会再次被触发，重新对变频器提供电源，保证实现连续抗晃电功能。因此，该智能电压切换装置实现备用电源能够连续无延时地对变频器提供电源，又能避免备用电源对变频器的无效放电，极大延长备用电源的寿命。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供一种智能电压切换装置的原理框图。

图2为本实用新型实施例提供晃电检测电路的电路结构示意图。

图3为本实用新型实施例提供微处理器电路模块的电路结构示意图。

图4为本实用新型实施例提供可控硅触发电路的电路结构示意图。

图5为本实用新型实施例提供市电恢复检测电路的电路结构示意图。

图6为本实用新型实施例提供接触器控制电路的结构示意图。

图7为本实用新型实施例提供动作电压设定电路的结构示意图。

图8为本实用新型实施例提供动作电压设定电路的结构示意图。

图9为本实用新型实施例提供电源电路的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图1至9对本实用新型做进一步的说明，但不应以此来限制本实用新型的保护范围。为了方便说明并且理解本实用新型的技术方案，以下说明所使用的方位词均以附图所展示的方位为准。

请参考图1，图1为本实用新型实施例提供一种智能电压切换装置的原理框图。如图1所示，备用电源10通过直流接触器电路模块30和可控硅电路模块20接入变频器100，当变频器100处于晃电状态时，备用电源10为变频器100提供电源。其中，该备用电源10是由若干个电池组成的电池组，用户根据实际需要自行选择备用电源10的种类。

直流接触器电路模块30和可控硅电路模块20并联运行，当直流接触器电路模块30处于闭合状态时，直流接触器电路模块30对输入可控硅电路模块20的电流进行分流，使可控硅电路模块20处于截止状态。可控硅电路模块20处于导通状态时，备用电源10为变频器100提供电源。

可控硅电路模块20的触发状态以及直流接触器电路模块30的闭合状况均有微处理器电路模块60输出的控制信号来控制。晃电检测电路40检测输入变频器100的直流母线电压，并输出第一检测信号，微处理器电路模块60接收该第一检测信号后，发送第一控制信号，控制可控硅电路模块的导通状态。

请参考图2，图2为本实用新型实施例提供晃电检测电路40的电路结构示意图。如图2所示，变频器直流母线电压经P+和P-接入晃电检测电路，型号为LMC6482的芯片U3为低偏置电流低偏移电压的高精度运算放大器，电阻R21至R23以及R24至R26为差动放大输入端电阻。R27和R29阻值相同，放大倍数由这两组电阻阻值比率决定。型号为EMIF01-10005的芯片U8为EMI滤波器件。D14A、D14B、D15A以及D15B为输入限幅二极管。D16A和D16B为输入差模电压限制二极管，用于保护运算放大器。电阻R36和电容C61构成RC滤波电路，芯片U3输出信号经RC滤波电路滤波后进入微处理器电路模块60的数模转换输入端以及内部比较器同相输入端。

请参考图3，图3为本实用新型实施例提供微处理器电路模块的电路结构示意图。如图3所示，微处理器电路模块60采用型号为ATMEGA16L的微处理器芯片U10，微处理器芯片U10为高速8位微处理器，内置程序存储器和各种丰富的外设，不需外部扩展。发光二极管RUN和TRIG用于指示装置的运行状态。电阻R54和Q3用于基准电压参考的产生，经电容C42滤波后进入微处理器芯片U10。

本实施例可控硅电路模块20包括可控硅201以及可控硅触发电路202。可控硅触发电路202的输入端和微处理器电路模块60电连接，微处理器电路模块60对可控硅触发电路202分别输入驱动脉冲信号PULSE以及控制信号START，其中，该驱动脉冲信号PULSE驱动可控硅触发电路202，可控硅触发电路202产生的输出信号加载于可控硅201，可控硅201导通，使备用电源10为变频器100提供电源。控制信号START控制可控硅触发电路202的输出信号状态。请参考图4，图4为本实用新型实施例提供可控硅触发电路的电路结构示意图。如图4所示，由微处理器电路模块60发出的10K驱动脉冲信号PULSE进入驱动芯片U7，其中，芯片U7的型号为TD310。同时微处理器电路模块60通过控制信号START控制该驱动脉冲信号PULSE的输出和锁定。当控制信号START为高电平时，驱动脉冲信号PULSE经功率晶体管Q2驱动脉冲变压器TX2的一次线圈，二次线圈经二极管D13整流输出驱动方波，二极管D12用于旁路可控硅门极的反向电压，电容C57和电阻R16用于滤除门极干扰脉冲避免可控硅误触发。电阻R15用于检测脉冲变压器是否过载，当过载，驱动芯片U7自动封锁驱动实现保护。

请参考图5，图5为本实用新型实施例提供市电恢复检测电路的电路结构示意图。如图5所示，市电恢复检测电路50检测电网电压200。当电网电压200正常时，市电恢复检测电路50的接点闭合接入IN-和5G，输出第二检测信号，微处理器电路模块60接收第二检测信号后，此处微处理器电路模块60通过读取CMD信号，即第二检测信号，微处理器电路模块60发送第二控制信号，控制直流接触器电路模块30的关断和闭合状态的切换。

请参考图6，图6为本实用新型实施例提供接触器控制电路的结构示意图。直流接触器电路模块30包括直流接触器301以及接触器控制电路302。接触器控制电路302的输入端和微处理器电路模块60电连接，微处理器电路模块60产生触发信号并输入给接触器控制电路302。具体的，如图6所示，微处理器电路模块60发出的信号OUT1经三极管T1放大后驱动继电器RL1，此处的信号OUT1为触发信号。RL1的触点接外部直流接触器301的线圈，该线圈受触发信号的驱动而闭合，此时直流接触器301处于闭合状态，因此，直流接触器电路模块301可以对输入可控硅电路模块20的电流进行分流。D22为RL1的线圈续流二极管。

采用可控硅电路模块20和直流接触器电路模块30并联方式，实现了可控硅支撑回路无断点，完全满足了连续支撑的要求。快速支撑变频器时先是依赖可控硅的快速导通特性实现，而后利用接触器短接可控硅避免了可控硅导通发热问题；断开时依靠直流接触器电路模块30分流可控硅，实现可控硅关断方式。

动作电压设定电路70和微处理器电路模块60电连接，动作电压设定电路70具有多个旋转拨码，旋转拨码拨动到不同位置，动作电压设定电路70产生不同动作电压并输入微处理器电路模块60。具体的，请参考图7，图7为本实用新型实施例提供动作电压设定电路的结构示意图。如图7所示，动作电压设定电路70具有3个10位旋转拨码，其中SW0为个位，SW1为十位，SW2为百位。拨码拨到的位置可依据其对应的4路DX-1、DX-2、DX-4、DX-8信号的高低电平构成二进制编码来读取，该信号上拉电阻由微处理器内部提供。此处的X为0或1或2。

动作电压数模转换电路80和微处理器电路模块60电连接，微处理器电路模块60将动作电压传输给动作电压数模转换电路80，动作电压数模转换电路80对动作电压按照参考比率转换成模拟信号并返送输入给微处理器电路模块60。具体的，请参考图8，图8为本实用新型实施例提供动作电压设定电路的结构示意图。如图8所示，动作电压数模转换电路80中芯片U4为数字/模拟转换芯片，微处理器电路模块60通过三线式接口将设置的动作电压传给芯片U4，芯片U4将该电压按参考比率转换成模拟量返送回微处理器电路模块60的SET信号。上述提到晃电检测电路40检测输入变频器100的直流母线电压并输出第一检测信号，微处理器电路模块60将该第一检测信号和经过动作电压数模转换电路80转换的动作电压进行比较，判断此时变频器直流母线电压是否低于设置的动作电压。如果低于设置的动作电压，微处理器电路模块60触发可控硅电路模块导通，备用电源10开始为变频器100提供电源。晃电检测电路40检测的时间和微处理器电路模块60控制可控硅电路模块导通的时间不超过2微秒，其中微处理器的时钟周期为0.125微秒。相对于现有技术采用微处理常见的模拟数字转换电路来检测电压跌落，因其一般单次转换时间都在20微妙以上，工程上为了可靠一般需多次采样才能判定电压跌落，这样从检测到最后支撑会导致毫秒级的切换时间，尽管已很快，但是还是不利变频器的无扰动运行。本实施例检测时间不超过2微秒，备用电源10能够瞬间为变频器100提供电源，避免因变频器无运行而导致生产无法正常进行的情况。

电源电路90为微处理器电路模块60提供电源，电源电路90的输入端和备用电源10电连接，输出端和微处理器电路模块60电连接。请参考图9，图9为本实用新型实施例提供电源电路的结构示意图。如图9所示，电池组电压由左侧的P+和P-进入电源电路，FS1为自恢复保险丝，二极管D1用于保护电源反接。电容C1和C2串联承受600V电压，电阻R2A、R2B、R3A、R3B用于均衡C1和C2上电压。薄膜电容C3由于吸收电网高频尖刺。TR1为高频变压器，电池组电压经高频变压器一次侧，经功率场效应管Q1流入型号为TNY225GN的芯片U1。芯片U1为单片开关电源，其工作于反激式开关电源模式。当芯片U1内部的功率管导通时，高频变压器二次侧截至，一次侧储能。当芯片U1内部功率管截至时，储存在变压器中的能量经二次侧高频整流二极管D8、D10、D17流出，经后端电解电容滤波生成12V和+5V，其中12V经过VR1、D18和L1构成的BUCK型降压电路输出5V，作为微处理器电路模块60的电源。本实用新型为了简化智能电压切换装置对外部设备的依赖，本智能电压切换装置内部设置了直接将备用电源10的电压转换为低压直流的高频隔离DC/DC变换器。该智能电压切换装置利用反激式原理实现的，保持了单片开关电源简洁的优点，还扩展了输入电压直接接受高达600V直流电压的特性。

综上所述，微处理器电路模块60通过晃电检测电路40检测输入变频器100的直流母线电压。当电网电压200正常时，可控硅电路模块20不触发，直流接触器电路模块30中直流接触器301不闭合，因此备用电源10和变频器直流母线分离。当电网发生晃电时，微处理器电路模块60通过晃电检测电路40检测变频器直流母线电压跌落到设定值，微处理器电路模块60快速触发可控硅电路模块20导通，实现备用电源10对变频器100供电支撑。当电网电压200恢复后，微处理器电路模块60闭合直流接触器电路模块30中直流接触器301，使直流接触器电路模块30与可控硅电路模块20并联运行，微处理器电路模块60待直流接触器301闭合后，停止可控硅电路模块20的触发，紧接着分断直流接触器电路模块30，实现备用电源10与变频器100的隔离。如果在分断过程中再次出现晃电，可控硅电路模块20又会再次被触发，重新对变频器100提供电源，保证实现连续抗晃电功能。因此，该智能电压切换装置实现备用电源能够连续无延时地对变频器提供电源，又能避免备用电源对变频器的无效放电，极大延长备用电源的寿命。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (6)

1.一种智能电压切换装置，用于切换变频器的输入电源的路径，其特征在于，包括：

备用电源；所述备用电源用于当变频器处于晃电状态时，为变频器提供电源；

可控硅电路模块；所述可控硅电路模块处于导通状态时，备用电源为变频器提供电源；

直流接触器电路模块；所述直流接触器电路模块和所述可控硅电路模块并联，当直流接触器电路模块处于闭合状态时，直流接触器电路模块对输入所述可控硅电路模块的电流进行分流，使可控硅电路模块处于截止状态；

晃电检测电路；所述晃电检测电路检测输入变频器的直流母线电压，并输出第一检测信号；

市电恢复检测电路；所述市电恢复检测电路检测电网电压，输出第二检测信号；

以及微处理器电路模块；所述微处理器电路模块接收所述第一检测信号后，发送第一控制信号，控制所述可控硅电路模块的导通状态；所述微处理器电路模块接收所述第二检测信号后，发送第二控制信号，控制所述直流接触器电路模块的关断和闭合状态的切换。

2.根据权利要求1所述的智能电压切换装置，其特征在于，所述备用电源是由若干个电池组成的电池组。

3.根据权利要求1所述的智能电压切换装置，其特征在于，所述可控硅电路模块包括可控硅以及可控硅触发电路；

所述可控硅触发电路的输入端和微处理器电路模块电连接，微处理器电路模块对可控硅触发电路分别输入驱动脉冲信号以及控制信号；

所述驱动脉冲信号驱动所述可控硅触发电路，可控硅触发电路产生的输出信号加载于所述可控硅，可控硅导通，使所述备用电源为变频器提供电源；

所述控制信号控制所述可控硅触发电路的输出信号状态。

4.根据权利要求1所述的智能电压切换装置，其特征在于，所述直流接触器电路模块包括直流接触器以及接触器控制电路；

所述接触器控制电路的输入端和微处理器电路模块电连接，微处理器电路模块产生触发信号并输入给接触器控制电路，接触器控制电路控制直流接触器处于闭合状态，使直流接触器电路模块对输入所述可控硅电路模块的电流进行分流。

5.根据权利要求1所述的智能电压切换装置，其特征在于，所述智能电压切换装置还包括：

动作电压设定电路；所述动作电压设定电路和微处理器电路模块电连接，动作电压设定电路具有多个旋转拨码，所述旋转拨码拨动到不同位置，动作电压设定电路产生不同动作电压并输入微处理器电路模块；

动作电压数模转换电路；所述动作电压数模转换电路和微处理器电路模块电连接，所述微处理器电路模块将所述动作电压传输给动作电压数模转换电路，动作电压数模转换电路对动作电压按照参考比率转换成模拟信号并返送输入给微处理器电路模块。

6.根据权利要求5所述的智能电压切换装置，其特征在于，所述智能电压切换装置还包括为所述微处理器电路模块提供电源的电源电路，所述电源电路的输入端和所述备用电源电连接，输出端和微处理器电路模块电连接。