CN210007402U - 一种快速换相开关电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种快速换相开关电路，包括至少三路直流电源、检测电路、驱动电路、控制电路，所述检测电路用于检测交流电的状态并输出检测信号，所述控制电路用于根据所述检测信号输出控制信号，所述驱动电路用于根据所述控制信号驱动换相开关动作，所述控制电路与所述检测电路、所述驱动电路连接，三路直流电源连接所述驱动电路。本申请通过在双线圈继电器的一个线圈上施加高压电流时，另一个线圈上无电流，保证了继电器动作可靠性，同时高压电流减小继电器吸合时间，降低了换相开关的切换时间，实现快速切换。

Description

一种快速换相开关电路

技术领域

本实用新型涉及换相开关技术领域，尤其是涉及一种快速换相开关电路。

背景技术

我国的低压配电网点多面广、结构复杂，随着人们生活水平的不断提高，负荷性质日趋多样化、负荷波动越发显著，使低压台区变三相不平衡问题越发突出。而三相不平衡会导致供电系统三相电压、电流的不平衡，引起电网负序电压和负序电流，影响供电质量，进而增加线路损耗，降低供电可靠性。

为保证三相电的相对平衡，采用换相开关是最常用的手段之一，而现有的换相开关，在三相交流电之间的切换时间相对长，大约在13ms以上，切换时间长会引起换相开关发热，在负荷投切瞬间产生较大涌流，不利于电路安全运行。

因此，如何降低换相开关的切换时间是目前亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种快速换相开关电路，通过在磁保持继电器线圈上通以超过其稳定电压10倍的高压，能够实现继电器瞬间吸合，缩短切换时间，实现换相开关的快速切换。

本实用新型的上述实用新型目的通过以下技术方案得以实现：

一种快速换相开关电路，包括至少三路直流电源、检测电路、驱动电路、控制电路，所述检测电路用于检测交流电的状态并输出检测信号，所述控制电路用于根据所述检测信号输出控制信号，所述驱动电路用于根据所述控制信号驱动换相开关动作，所述控制电路与所述检测电路、所述驱动电路连接，三路直流电源连接所述驱动电路。

本实用新型进一步设置为：驱动电路包括三个控制开关，其中，第一控制开关的一端连接三相交流电中的A相交流电输入端， 另一端连接B相交流电输入端，其公共端连接第二控制开关的一端，第二控制开关的一端连接C相交流电输入端, 第二控制开关的公共端连接第三控制开关的一端，第三控制开关的公共端连接交流电的输出端，第三控制开关的另一端悬空。

本实用新型进一步设置为：三个控制开关分别为三个双线圈磁保持继电器的开关。

本实用新型进一步设置为：所述检测电路包括过零检测电路、状态检测电路，所述过零检测电路用于检测交流电的过零点，所述状态检测电路用于检测交流电各相的工作状态，所述过零检测电路、状态检测电路分别与所述控制电路连接。

本实用新型进一步设置为：所述过零检测电路、所述状态检测电路结构分别包括隔离电路，用于交流电与直流电的隔离；所述过零检测电路包括三个分路，分别用于检测三相交流电的过零点，所述状态检测电路包括三个分路，分别用于检测三相交流电的接通或断开状态。

本实用新型进一步设置为：所述状态检测电路的三个分路结构相同，其中第一分路的一个输入端连接三相交流电中的第一相交流线，另一输入端连接第一控制开关的一端；第二分路的一个输入端连接第一控制开关的公共端，另一输入端连接第二控制开关的一端；第三分路的一个输入端连接第二控制开关的公共端，另一输入端连接第三控制开关的一端；所述第一控制开关的另一端连接三相交流电中的第二相交流端，所述第二控制开关的另一端连接三相交流电中的第三相交流端，所述第二控制开关的另一端悬空；所述三个分路的输出端分别连接控制电路的不同端。

本实用新型进一步设置为：所述驱动电路包括第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路，分别与所述控制电路连接，所述第一驱动电路用于控制交流电的接通或断开，所述第二驱动电路、第三驱动电路分别用于选择其中的一相交流电接通或断开。

本实用新型进一步设置为：所述第一驱动电路分别连接三个电源的电源端与地端，其二个控制端分别连接所述控制电路，第一直流电源为高压电源，其电压值大于继电器稳定电压的10倍，第二直流电源与第三直流电源电压值相同，三个电源的地各自独立。

本实用新型进一步设置为：所述第一驱动电路包括二个控制开关、二个隔离电路、双线圈磁保持继电器，一个控制开关的控制端连接一个隔离电路的输出端，二个隔离电路的输出端分别由第二直流电源、第三直流电源供电，二个隔离电路的输入端分别连接所述控制电路，二个控制开关的第一端分别连接双线圈的一端，双线圈的公共端连接高压电源端、第一电容的正极、第二电容的正极，第一电容的负极连接第二直流电源的地、第一二极管的正极；第二电容的负极连接第三直流电源的地、第二二极管的正极；第一二极管的负极、第二二极管的负极、各所述控制开关的第二端连接第一直流电源的地。

本实用新型进一步设置为：所述第二驱动电路、第三驱动电路结构相同，分别包括二个控制开关、双线圈磁保持继电器；各所述控制开关的控制端连接所述控制电路，其第一端连接双线圈的一端，其第二端接地；双线圈的公共端连接高压电源端。

与现有技术相比，本实用新型的有益技术效果为：

1.本申请通过在双线圈继电器的一个线圈上施加高压电流时，另一个线圈上无电流，保证了继电器动作可靠性，同时高压电流减小继电器吸合时间，降低了换相开关的切换时间；

2.进一步地，检测电路采用相同的子电路，结构简单，降低成本；

3.进一步地，控制电路控制多个继电器同时动作，再次降低了换相开关的切换时间，实现快速切换。

附图说明

图1是本实用新型一个具体实施例的快速换相开关电路结构示意图；

图2是本实用新型一个具体实施例的换相开关与主电路的连接关系示意图；

图3是本实用新型一个具体实施例的一个驱动电路结构示意图；

图4是本实用新型一个具体实施例的二个驱动电路结构示意图；

图5是本实用新型一个具体实施例的检测电路结构示意图；

图6是本实用新型一个具体实施例的过零检测电路结构示意图；

图7是本实用新型一个具体实施例的状态检测电路结构示意图；

图8是本实用新型一个具体实施例的MCU连接关系结构示意图；

图9是本实用新型一个具体实施例的寄存器电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

具体实施方式一

本实用新型的一种快速换相开关电路，如图1所示，包括四路相互独立的直流电源、检测电路、驱动电路、控制电路，检测电路用于检测交流电的状态并输出检测信号，控制电路用于根据检测信号输出控制信号，驱动电路用于所述控制信号切换换相开关的状态，控制电路与检测电路、驱动电路连接，三路相互独立的直流电源用于驱动电路释能时不相互影响。第四路直流电源用于给控制电路、检测电路供电。

控制电路包括MCU和寄存器，寄存器为串入并出寄存器，用于将MCU输出的串行控制信号转换为并行控制信号，控制驱动电路动作。

驱动电路包括第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路，第一驱动电路用于控制换相开关的主开关动作，主开关的通断状态用于三相交流电主电路的通断。第二驱动电路、第三驱动电路用于控制换相开关的辅助开关动作，辅助开关的通断状态用于在各相交流电的选择，即，某一时刻，选择A相、B相、C相三相交流电中的其中一相交流电导通。

第一驱动电路与三路相互独立的直流电源连接。

第一驱动电路包括两个储能电路、两个控制开关、第一双线圈磁保持继电器、两个隔离电路，两个储能电路的正端连接第一直流电源的电压端、双线圈的公共端，其负端通过隔离元件连接第一直流电源的地。

双线圈中第一线圈的独立引出端连接第一控制开关的输入端，第一控制开关的输出端连接第二直流电源的地端。

双线圈中第二线圈的独立引出端连接第二控制开关的输入端，第二控制开关的输出端连接第三直流电源的地端。

第二、第三直流电源的地端分别通过隔离元件连接第一直流电源的地。

第一控制开关的控制端连接第一隔离电路的输出端，其输出端由第二直流电源供电。

第二控制开关的控制端连接第二隔离电路的输出端，其输出端由第三直流电源供电。

第一、第二隔离电路的输入端分别与控制电路连接。

两个隔离电路分别用于控制电路电源与第二、第三直流电源的隔离。

第一双线圈磁保持继电器用于控制主开关的动作。

第一路直流电源的电压大于双线圈磁保持继电器稳定电压的10倍，为高压电源。

第二驱动电路包括两个控制开关、第二双线圈磁保持继电器，两个控制开关的控制端分别与控制电路连接，第二双线圈的公共端连接第一直流电源的电压端。

第三驱动电路与第二驱动电路结构相同。

第二双线圈磁保持继电器、第三双线圈磁保持继电器用于控制辅助开关的动作。

检测电路包括过零检测电路、状态检测电路，过零检测电路用于检测各相交流电的过零点，状态检测电路用于检测各相交流电是否连接到主电路中。

快速换相开关电路还包括通讯电路，用于将通讯信号通过交流电进行传输。

具体实施方式二

换相开关在三相交流电中的连接关系如图2所示，换相开关的主开关K1，用于三相交流电的通断控制，辅助开关K2、K3，用于选择三相交流电中的一相交流电导通。

辅助开关K2的两个开关端分别连接A相、B相交流电输入端，其公共端连接辅助开关K3的一个开关端，辅助开关K3的另一个开关端与C相交流电输入端连接，辅助开关K3的公共端连接主开关K1的一个开关端，主开关K1的另一个开关端悬空，主开关K1的公共端连接主电路输入端。

四个独立直流电源分别取自变压器的四个独立输出端，其中，第一直流电源的电源VK为高压，所述高压大于继电器稳定电压的10倍。第二直流电源的电源端、地端分别标注为VDA、GNDA，第三直流电源的电源端、地端分别标注为VDB、GNDB，第四直流电源提供低电压，用于给控制电路提供VCC电源，给检测电路等提供AVCC电源，第一直流电源的地端AGND、第四直流电源的地端GND连接在一起，即第一直流电源、第四直流电源共地。

主开关K1是继电器JK1的开关端，其驱动电路如图3所示，包括储能电容C16、C17，其正端连接第一直流电源VK端，其负端分别连接二极管D3、D4的正端，二极管D3、D4的负端连接第一直流电源的地端AGND。

继电器JK1为双线圈磁保持继电器，其双线圈的公共端2连接储能电容C16、C17的正端，第一线圈的独立引出端1连接可控硅QK5的输入端，可控硅QK5的输出端连接第二直流电源的地端GNDA、储能电容C16的负端。

可控硅QK5的控制端连接第一隔离电路的输出端，具体地，由光耦G7、电阻R55/R25/R39组成隔离电路，光耦G7的输入端连接控制电路的JK3A输出端，其一个输出端连接可控硅QK5的控制端、通过电阻R25连接第二直流电源的地端GNDA，另一个输出端通过电阻R55连接第二直流电源的电源端VDA。

第二线圈的独立引出端3连接可控硅QK6的输入端，可控硅QK6的输出端连接第三直流电源的地端GNDB、储能电容C17的负端。

可控硅QK6的控制端连接第二隔离电路的输出端，具体地，由光耦G8、电阻R56/R26/R40组成隔离电路，光耦G8的输入端连接控制电路的JK3B输出端，其一个输出端连接可控硅QK6的控制端、通过电阻R26连接第三直流电源的地端GNDB，另一个输出端通过电阻R56连接第三直流电源的电源端VDB。

光耦G7、G8将控制电路的电源分别与第二、第三直流电源进行了隔离，二极管D3、D4分别将第二、第三直流电源与第一直流电源进行了隔离。

此驱动电路的工作原理如下：

第一直流电源的高压端VK通过二极管D1给储能电容C16、C17同时充电，当JK3A端为高电平时，光耦G7导通，可控硅QK5的控制端为高电压，可控硅QK5导通，储能电容C16通过第一线圈、可控硅QK5、二极管D3放电，此时JK3B端为低电平，光耦G8不导通，可控硅QK6不导通，储能电容C17上的储能保持。

反之，当JK3B端为高电平时，储能电容C17通过第二线圈、可控硅QK6、二极管D4放电，此时JK3A端为低电平，光耦G7不导通，可控硅QK5不导通，储能电容C16上的储能保持。

因放电回路中无电阻，第一线圈瞬时通过高压电流，继电器在极短时间内吸合或放开，降低了继电器的切换时间。

此电路一个线圈上有电流时，另一个线圈中无电流，保证了继电器动作的单一性。

此电路的驱动电路，可以使继电器的吸合时间缩短到2ms，大大的提高换相开关性能。

第二驱动电路，如图4所示，包括可控硅QK1、可控硅QK2、第二双线圈磁保持继电器JK2，双线圈的公共端2通过反接二极管（未图示）连接到第一直流电源的VK端，第三线圈的独立引出端1连接可控硅QK1的正端，可控硅QK1的负端接控制电源的地端GND，其控制端通过电阻R34接控制电路的JK1A端、通过电容C1接控制电源的地端GND。

第四线圈的独立引出端3连接可控硅QK2的正端，可控硅QK2的负端接控制电源的地端GND，其控制端通过电阻R36接控制电路的JK1B端、通过电容C2接控制电源的地端GND。

第三驱动电路的结构与第二驱动电路相同，用于控制第三双线圈磁保持继电器JK3。

继电器JK2、JK3采用高压瞬间驱动，降低了继电器切换时间，能够是继电器的吸合时间缩短到3ms,极大地提高换相开关性能。

具体实施方式三

控制电路与检测电路输出端连接，如图5所示，检测电路包括过零检测电路、状态检测电路；过零检测电路包括三个过零检测子电路，分别用于检测各相交流电的过零点。

在本实施方式中，三个过零检测子电路结构相同，如图6所示。

包括光耦G4，用于交流电与直流电源的隔离。

光耦G4的控制侧的一个输入端通过电阻R3接A相交流电，其输出端通过电阻R4接零线。光耦G4的输出侧的一个输出端接三极管Q2的基极、通过上拉电阻R14接第四直流电源的电源端AVCC，其输出端接三极管Q2的发射极、第四直流电源的地端AGND，三极管Q2的集电极通过上接电阻R20连接第四直流电源的电源端AVCC，由集电极输出A相交流电的过零检测信号。

同样的，检测B相、C相交流电的过零检测信号。

将A相、B相、C相交流电的过零检测信号分别输入控制电路。

状态检测电路包括三个状态检测子电路，分别用于检测各相交流电是否连接到主电路中。

三个状态检测子电路结构相同，如图7所示，与过零检测子电路相同，包括光耦，用于交流电与直流电的隔离。

不同之处在于，状态检测子电路的控制侧分别连接LAIN、JK3OUT， JK3OUT、JK2OUT， JK2OUT、JK1OUT；这种连接方式，在LAIN、JK3OUT连接光耦的控制侧时，当A相交流电连接时，光耦控制侧不导通，光耦输出测没有信号输出，当A相交流电断开时，光耦控制侧导通，光耦输出测有信号输出，将A相交流电连接或断开的状态信号传输给控制电路。

同样的，JK3OUT、JK2OUT的控制侧输入，能够检测到B相交流电连接或断开的状态，并传输给控制电路。JK2OUT、JK1OUT的控制侧输入，能够检测到C相交流电连接或断开的状态，并传输给控制电路。

具体实施方式四

控制电路包括MCU、寄存器，如图8、9所示，MCU的输出连接寄存器的输入，寄存器的输出连接驱动电路的输入。寄存器为串入并出寄存器，用于根据MCU输出的控制信号同时输出不同的驱动信号，控制驱动电路执行不同的动作。控制电路用于控制驱动电路在半周期内完成切换。

MCU的数据输出端连接寄存器的数据输入端，其移位时钟端连接寄存器的移位时钟端，其输出时钟端连接寄存器的输出时钟端，其使能输出端通过电阻连接寄存器的输出使能端，寄存器的输出使能端还通过电容连接电源端，寄存器的六个输出端分别连接所述驱动电路的六个控制端。

控制电路的工作原理如下：

控制电路接收检测电路输出的各相交流电的过零信号、各相交流电的状态信号，C相交流电为目前连接的，如需从C相交流电切换到A相交流电，控制电路根据C相交流电的第一个过零点，计算出开始施加高压的第一时间点，输出第一驱动信号给第一驱动电路，储能电容C16上储存的高压电能，施加到第一线圈上，储能电容C16通过第一线圈、可控硅QK5放电，在C相交流电的第二个过零点处完成吸合，断开与主电路的连接；同时输出第二驱动信号给第二驱动电路、输出第三驱动信号给第三驱动电路，第二驱动电路施加高压给第三线圈、第三驱动电路施加高压给第五线圈，第二继电器、第三继电器同时动作，完成从C相交流电到A相交流电之间的切换；在C相交流电的第一个过零点后，检测A相交流电的第一个过零点，在A相交流电的第二个过零点前，输出第四驱动信号给第一驱动电路，储能电容C17上储存的高压电能，施加到第二线圈上，储能电容C17通过第二线圈、可控硅QK6放电，在A相交流电的第二个过零点处完成吸合，完成与主电路的连接。C相交流电的第二个过零点、A相交流电的第二个过零点相差三分之一周期，实现快速切换，周期是指交流电的周期。

具体实施方式五

换相开关还包括通讯电路、指示器电路、手动控制电路、状态设置电路、无效功率补偿电路等，分别与控制电路连接。

其中，通讯电路用于将通讯信号叠加到交流电上，通讯电路包括通讯芯片。

指示器电路包括至少一个指示灯，各指示灯分别表示交流三相电中各相电的工作状态、换相开关的工作状态。

本实施例中，包括六个指示灯，分别用于指示三相交流电的工作状态指示、电源指示、故障指示、通讯指示。三相交流电的工作状态指示是指示三相交流电中的哪一相在工作。

手动控制电路包括开关，开关一端连接控制电路，另一端接地。当需要手动控制时，按下手动开关，换相开关进入手动控制程序。

状态设置电路包括开关，开关一端连到控制电路，另一端接地。

控制电路的连接端通过电容接地。

无效功率补偿电路包括交流电压采样电路、补偿电路。

本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快速换相开关电路，其特征在于：包括至少三路直流电源、检测电路、驱动电路、控制电路，所述检测电路用于检测交流电的状态并输出检测信号，所述控制电路用于根据所述检测信号输出控制信号，所述驱动电路用于根据所述控制信号驱动换相开关动作，所述控制电路与所述检测电路、所述驱动电路连接，三路直流电源连接所述驱动电路。

2.根据权利要求1所述的快速换相开关电路，其特征在于：驱动电路包括三个控制开关，其中，第一控制开关的一端连接三相交流电中的A相交流电输入端， 另一端连接B相交流电输入端，其公共端连接第二控制开关的一端，第二控制开关的一端连接C相交流电输入端, 第二控制开关的公共端连接第三控制开关的一端，第三控制开关的公共端连接交流电的输出端，第三控制开关的另一端悬空。

3.根据权利要求2所述的快速换相开关电路，其特征在于：三个控制开关分别为三个双线圈磁保持继电器的开关。

4.根据权利要求1所述的快速换相开关电路，其特征在于：所述检测电路包括过零检测电路、状态检测电路，所述过零检测电路用于检测交流电的过零点，所述状态检测电路用于检测交流电各相的工作状态，所述过零检测电路、状态检测电路分别与所述控制电路连接。

5.根据权利要求4所述的快速换相开关电路，其特征在于：所述过零检测电路、所述状态检测电路结构分别包括隔离电路，用于交流电与直流电的隔离；所述过零检测电路包括三个分路，分别用于检测三相交流电的过零点，所述状态检测电路包括三个分路，分别用于检测三相交流电的接通或断开状态。

6.根据权利要求4所述的快速换相开关电路，其特征在于：所述状态检测电路的三个分路结构相同，其中第一分路的一个输入端连接三相交流电中的第一相交流线，另一输入端连接第一控制开关的一端；第二分路的一个输入端连接第一控制开关的公共端，另一输入端连接第二控制开关的一端；第三分路的一个输入端连接第二控制开关的公共端，另一输入端连接第三控制开关的一端；所述第一控制开关的另一端连接三相交流电中的第二相交流端，所述第二控制开关的另一端连接三相交流电中的第三相交流端，所述第二控制开关的另一端悬空；所述三个分路的输出端分别连接控制电路的不同端。

7.根据权利要求1所述的快速换相开关电路，其特征在于：所述驱动电路包括第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路，分别与所述控制电路连接，所述第一驱动电路用于控制交流电的接通或断开，所述第二驱动电路、第三驱动电路分别用于选择其中的一相交流电接通或断开。

8.根据权利要求7所述的快速换相开关电路，其特征在于：所述第一驱动电路分别连接三个电源的电源端与地端，其二个控制端分别连接所述控制电路，第一直流电源为高压电源，其电压值大于继电器稳定电压的10倍，第二直流电源与第三直流电源电压值相同，三个电源的地各自独立。

9.根据权利要求8所述的快速换相开关电路，其特征在于：所述第一驱动电路包括二个控制开关、二个隔离电路、双线圈磁保持继电器，一个控制开关的控制端连接一个隔离电路的输出端，二个隔离电路的输出端分别由第二直流电源、第三直流电源供电，二个隔离电路的输入端分别连接所述控制电路，二个控制开关的第一端分别连接双线圈的一端，双线圈的公共端连接高压电源端、第一电容的正极、第二电容的正极，第一电容的负极连接第二直流电源的地、第一二极管的正极；第二电容的负极连接第三直流电源的地、第二二极管的正极；第一二极管的负极、第二二极管的负极、各所述控制开关的第二端连接第一直流电源的地。

10.根据权利要求7所述的快速换相开关电路，其特征在于：所述第二驱动电路、第三驱动电路结构相同，分别包括二个控制开关、双线圈磁保持继电器；各所述控制开关的控制端连接所述控制电路，其第一端连接双线圈的一端，其第二端接地；双线圈的公共端连接高压电源端。

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