CN2315720Y - 电容器过零投切多路开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电容器过零投切多路开关,该过零投切多路开关包括:具有多个控制信号输入端子的微机单元;微机单元的输出端子连接到驱动单元的输入端子;驱动单元的输出端子连接到电子开关的输入端子和多路开关主回路的输入端子;电子开关的同步输出端子与微机单元的同步端子连接,其输出端子连接到多路开关主回路的控制输入端子;以及电源输入线与电子开关和多路开关主回路的输入端子连接。本实用新型在投切瞬变过程中无电流冲击,无操作过电压,自身功耗低,而且使用方便。

Description

电容器过零投切多路开关

本实用新型涉及一种电容器过零投切多路开关，特别是，涉及在投切过程中不会产生电流冲击与操作过电压的适用于对电容性电力负荷的电容器过零投切多路开关。

在目前技术中，在频繁投切电力负荷场合，大多采用接触器。由于接触器的投切动作与电路的电压、电流没有稳定的相位关系，在投切的瞬态过程中，不可避免会造成电流冲击与操作过电压，对此问题虽然采用了多种吸收或限流技术措施，例如中国实用新型申请CN2055988U提出的用接触器辅助接点在过渡过程期间串入电阻限流的方法，但未能彻底避免接点拉电弧烧结，这轻则劣化电网供电质量，使接触器接触不良，工作不可靠，重者会造成接触器与电力电容器损坏的事故。

在某些特殊应用场合，目前也有用电力电子器件，如SCR、GTO、VMOS管、IGBT管等作为开关的技术。但因这类器件本身对电压、电流的耐过负荷能力差，本身功率消耗大、可靠性尚难于保证，其综合成本一般是同功能接触器的五倍以上，因而未能在电力系统中广泛应用。

为了克服上述现有技术中的缺点，本实用新型的目的是提供一种在投切瞬态过程中无电流冲击，无操作过电压，自身功耗低，可靠性高的电容器过零投切多路开关。

为了实现上述目的，本实用新型的电容器过零投切多路开关，包括：微机单元、驱动单元和多个接触器，上述微机单元具有多个控制信号输入端子；上述微机单元的输出端子连接到上述驱动单元的输入端子上；上述驱动单元的输出端子连接到电子开关的输入端子和多路开关主回路的输入端子上；上述电子开关的同步输出端子与微机单元的同步端子连接，其输出端子连接到多路开关主回路的控制输入端子；以及电源输入线与上述电子开关的输入端子和上述多路开关主回路的输入端子连接。

倘若采用本实用新型的电容器过零投切多路开关，则由于在开关投切瞬态过程中采用电子开关过零通、断技术，使电路中根本不产生冲击型瞬态过程，接触器接点在无电压条件下闭合、无电流条件下断开，从根本上解决了接触器接点打火问题。

并且，电子开关仅在瞬态期工作，工作周期占开关总工作周期的千分之几，其承受电网最恶劣条件的概率也仅为全电子开关的千分之几，由外电路过负荷而造成失效的概率必然低于全电子开关。

还有，由于仅用一组电子开关，即使按高可靠性设计要求选用强度裕度大的优质元器件，其总造价也可控制在与接触器方式相近似的水平上。

而且，在稳态运行周期中，电子开关退出运行，接触器接点已处于稳定接合或断开状态，自身功耗很低，其抗过流、过压能力很强，其可靠性必然既优于全电子器件的开关，又优于纯接触器开关。

总之，本实用新型电容器过零投切多路开关，具有在投切瞬态过程中无电流冲击，无操作过电压，自身功耗低，可靠性高，结构简单，价格低廉，使用方便等优点。

图1是本实用新型的原理图

图2是本实用新型的工作时序图

图3是本实用新型实施例的微机单元电原理图

图4是本实用新形实施例的驱动单元电原理图

图5是本实用新型的电子开关电原理图

以下结合附图对本实用新型作进一步的说明。

从原理图1可见，本实用新型的电容器过零投切多路开关，包括：微机单元1、驱动单元2和多个接触器，上述微机单元1具有与外部控制信号连接的多个控制信号输入端子：上述微机单元1的输出端子连接到上述驱动单元的输入端子上；上述驱动单元1的输出端子连接到电子开关3的输入端子和多路开关主回路4的输入端子上：上述电子开关3的同步输出端子与微机单元1的同步端子连接，其输出端子连接到多路开关主回路4的控制输入端子；以及电源输入线与上述电子开关3的电源输入端子和上述多路开关主回路4的电源输入端子连接。更具体地说，本实用新型包括微机电路1、驱动电路2、电子开关3、电力输入端子P和N、输入母线D、过渡母线E、多路控制输入端子IN1、IN2、…INn，多路输出端子OUT1、OUT2、…OUTn，多路开关主回路4的回路4.1、4.2、…4.n。每个开关主回路4的回路4.1、4.2、…4.n都由主接触器、辅助接触器、充电电路和输出端子组成。

输入电源线接在输入端子P与N上：各路电容器负荷分别接于各路输出端子OUT1,OUT2,…OUTn与N之间：请求各路开关动作的外部控制信号分别接在微机电路板1的控制输入端子INI,IN2,…INn之间。

在开关主回路4中，每个开关回路4.1-4.n都由主接触器、辅助接触器和充电电路组成。以第1路为例：J1A是主接触器，J1A-K是主接触器常开主接点；J1B是辅助接触器，J1B-K是辅助接触器的常开主接点；电阻R1、二极管D1组成充电电路；OUT1是输出端子。

主接触器的J1A-K一端接在输入母线D上，另一端接输出端子OUT1；辅助接触器的J1B-K一端接过渡母线E，另一端也接输出端子OUT1；充电电路的电阻R1一端接输出端子OUT1，另一端接二极管D1负极，D1正极接输入母线D。

其它通道主回路构成与第1通路相同，只是其主接触器、辅助接触器、充电电路、输出端子改用其它通路的相应原件。

外部电路对开关操作的命令信号接到微单元1的输入端插座上，微机单元1输出插头与驱动单元2的输入插座相连接，用来控制驱动单元的动作。

各接触器作动线圈都接在驱动单元2的输出接线排上，驱动单元2的输出通过输出接线排控制各接触器的动作；驱动单元2通过连线L-1～L-6与电子开关3相连，控制电子开关的通、断。

电子开关3的A端接输入母线D,B端接过渡母线E,C端接输入端子N；电子开关3还为微机单元1提共同步信号。

本实用新型可使用任意+12V,+9V,-9V,+5V四路直流电源，功率20W。各路直流电源接在驱动单元2的电源接线排上。

图3是作为本实用新型一个实施例的4路开关的微机单元1的电原理图。事实上，此部分电路可采用任意8031最小系统，只要有2K ROM、8位数据锁存器、4位隔离输入端即可，如北工大51系列单片机最小系统。

从微机单元1的电原理图3可见，集成电路IC1为输入隔离用四路光电耦合器，其输入端1脚至8脚依次分别与输入插座J1-1脚至8脚相接。其中J1-1与J1-2组成第一路输入IN1；J1-3与J1-4组成第二路输入IN2；J1-5与J1-6组成第三路输入IN3；J1-7与J1-8组成第四路输入IN4；IC1的四路输出正极端接VCC，负极端分别依次接P1.0～P1.3，电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16是IC2的P1口外接下拉电阻。

8031单片机集成电路IC2的P2口为地址总线高8位，P0口为地址总线低8位和数据线，地址低8位和数据线分时复用。IC2的P1口低4位：P1.0-P1.3为控制输入口，P1.4为控制输出口。集成电路IC3是8位地址锁存器，其LE端与IC2 ALE端相接，D0-D7与IC2 P0.0-P0.7相接，其Q0-Q7与集成电路IC4：A0-A7相接。在IC2 ALE信号控制下，IC3完成地址低8位锁存。

12MH晶振XT1，电容C5，电容C6构成IC2的时钟源，电阻R17、电容C4组成IC2的自动复位电路。

集成电路IC4是微机程序存储器，其地址低8位：A0-A7由IC3输出提供，其地址高三位：A8、A9、A10分别接IC2的P2.0、P2.1、P2.2,IC4的地址为0000H-07FFH：IC4的输出接数据/地址总线；IC4的0E端接IC2的PSEN端；IC4的E/P端接地；IC4：VPP端接VCC。

集成电路IC6是输出数据锁存器，IC6的CLR接VCC；IC2的WR经集成电路IC5:B反相后，与P2.3的地址信号经IC5:A相与后提供给IC6的CLK端作时钟；IC6的地址是0800H；IC6的D1-D8，依次接数据/地址总线的D0-D7；IC6的输出接输出插头J2；IC2的P1.4、外部中断INT1也接到J2，其对应关系为：IC6-Q1接J2-12,IC6-Q2接J2-10；IC6-Q3接J2-8,IC6-Q4接J2-6,IC6-Q5接J2-4,IC6-Q6接J2-3,IC6-Q7接J2-2,IC6-Q8接J2-1,IC2-P1.4接J2-16,IC2-INT1接J2-18。

图4是作为本实用新型一个实施例的4路开关的驱动单元2的电原理图。J4是输入插座，对外，它与微机单元1的J2相连接，对内，它为8路驱动电路IC9及电子开关提供控制信号。J4的1、2、3、4、6、8、10、12脚分别依次与IC9的IN7、IN6、IN5、IN4、IN3、IN2、IN1、IN0脚相接。J4-16脚经连线L-1与电子开关中集成电路IC18-2脚相连，J2-18脚通过连线L-2与电子开关电路中的IC18-1脚相连，J4的5、7、9、11、19、脚接地，13、14脚接VCC(+5V)，驱动单元2通过连线L-3、L-4、L-5、L-6依次为电子开关提供公共地、-9V、+9V、VCC直流电源电压。IC9的OUTO、OUT1、OUT2、OUT3、OUT4、OUT5、OUT6、OUT7依次与输出接线排J6的2、3、4、5、6、7、8、9脚相接，用来分别驱动接于其上的各个主接触器与辅助接触器。IC9的CLAMP与J6的脚1共接J5-7(+12V电源)。四路直流电源接在电源接线排J5上，J5-1接-9V,J5-2接模拟电源地端，J5-3接+9V,J5-4接VCC(+5V),J5-6接驱动电源地，J5-7接驱动电源+12V。

电子开关3，如图5所示，由同步信号电路5-1、触发控制电路5-2、触发振荡器5-3、触发输出级5-4和电子开关组件5-5依次连接而成。

电子开关3与驱动单元2通过接线L-1、L-2、L-3、L-4、L-5、L-6对应连接。

同步变压器T2的1脚通过端子C与输入端子N相接，T2-2脚接短路插口E1，T2-3脚接短路插口E2，E1、E2的另一端通过接线端子A与输入母线D相连，当开关使用于220V电压场合时，用短路线JP短接E1插口，当开关使用于380V电压场合时，用短路线JP短接E2插口。T2-4脚与电阻R8相接，T2-5脚接地并与电阻R9相连，R8另一端接集成电路IC17:A的输入-端，R9另一端接IC17:A的输入+端。变压器T2-1与T2-5脚为同名端。IC17:A的输出端与输入-端之间并接电容C1、电阻R23,1C17： A输出端接电阻R10,R10另一端接IC17:B输入-端，IC17:B输入+端接电阻R11,R11另一端接地。IC17:B输出端接电阻R12,R12另一端接三极管Q1基极，Q1发射极接地，Q1集电极接电阻R22,R22另一端接+5V电源VCC。Q1集电极接集成电路IC18:PA-输入端，并通过接线L-2接驱动单元2中插座J4-18脚。IC18:A另一输入端通过接线L-1接驱动单元2的插座J4-16脚。IC18:A输出端与IC18:B两输入端接在一起，IC18:B输出端与IC18:C-输入端接在一起，IC18:C输出端与IC18:D两输入端接在一起，IC18:C另一输入端接电阻R6,R6另一端与电阻R7、电容C3相接，R7另一端接IC18:C输出端，C3另一端与IC18:D输出端及电阻R5一端相接。R5另一端与齐纳二极管Z9负极相接，Z9正极与三极管Q2基极及电阻R24相接，R24另一端接-9V。三极管Q2、三极管Q3接成达林顿管，即Q2发射极与Q3基极相接，Q2集电极、Q3集电极、二极管D21正极及触发变压器T1-1脚相接，T1-2脚与D21负极共同接+9V，Q3发射极接-9V。T1-3与T1-1脚是同名端。T1-3脚与二极管D23正极、晶闸管Q4负极、二极管D24L正极、电容C2、电感L1相接，C2另一端接电阻R21，R21另一端与Q4正极、D24负极及接过渡母线的接线端子B相接，L1另一端与接输入母线的端子A相接，T1-4脚与二极管D22正极相接，D22负极与D23负极及Q4门极相接。

接着，说明多路开关各部分电路的工作原理。

交流电源输入端子P、N上的交流工频电压经T2变换为低电压，送入IC17:A进行滤波，然后经过IC17:B整形为矩形波，再通过Q1转换电平，成为与电力线电压同步，幅度适合CMOS电路的同步信号，此信号一路经过接线L-2接到驱动单元2的插座J4第18脚，为微机单元1提供外部同步信号；另一路接IC18:A输入端，用来控制触发振荡器工作。

外部控制信号加到控制输入端IN1,IN2,IN3,IN4上，经IC1隔离后，输入到单片机IC2的P1.0-P1.3口，经IC2处理后，其输出信号经P0口输出并锁存在数据锁存器IC6中，IC6的输出经过插头J2送到驱动单元2。

微机单元1上的IC2(8031单片机)的INT1脚通过插头座J2/J4的脚18从电子开关Q1集电极取得同步信号。

从微机单元1中IC6输出的驱动信号经插头座J2/J4，送入IC9，当IC9任意一路输入端(脚1-8)为高电平时，该路输出为低电平，使接在该路上的接触器吸合，当IC9任意一路输入端为低电平时，则接在该路上的接触器呈释放状态。

微机单元1上的IC2(8031单片机)P1.4口的输出通过插头座J2/J4的16脚控制电子开关的导通与截止，当P1.4口为高电平时，电子开关导通，P1.4为低电平时，电子开关截止。

从微机单元I的J2-16脚来的控制信号通过IC18:A的与非门选通从Q1集电极输出的同步信号，再经IC18:B反相后，用来控制由IC18:C、IC18:D、R6、R7、C3组成的触发振荡器，当IC18:A两输入端都为高电平时，IC18:B输出高电平，使触发振荡器输出端IC18:D输出矩形波振荡电压，当IC18:A任何一个输入端为低电平时，IC18:D输出端变为低电平。IC18:D的输出，通过R5、Z9、R24进行电平转移后，加到Q2基极，经Q2、Q3组成的达林顿管放大后，再经触发变压器T1隔离，由D22管整型最后加到Q4门极，控制Q4的通导与截止，D23是Q4门极的保护二极管。

R21、C2组成吸收模块，用于保护Q4、D24组成的开关模块，L1是限流电感，L1、Q4、D24、R21、C2组成电子开关组件，当Q4门极上施加触发电压时，Q4通导，交流电流从电子开关流过，当Q4门上无触发电压时，Q4截止，直流电流从A到B流过电子开关，给负载电容器充电，当负载电容器充电至正峰值电压后，D24也截止，电子开关关断。

下面，以第一路开关的工作过程为例说明本实用新型的工作顺序。

组成第一路开关的相应元件是IN1、J1A、J1A-K、J1B、J1B-K、OUT1。

多路开关的工作时序，如图2所示。

(1)多路开关投入周期

当IN1端子(J1的脚1与脚2)上有输入电流信号时，IC1脚15与16之间呈低阻态，IC2的P1.0口呈高电平，IC2接收到这输入信号后，控制多路开关各部分如下顺序动作：

在t1时刻，该路辅助接触器J1B吸合，其主接点J1B-K闭合接通，把电子开关3并联在主接点J1A-K两端之间；在t2时刻，使电子开关3通导，电流无冲击地流过电子开关3；在t3时刻，该路主接触器J1A吸合，其接点J1A-K接通，电流直接从输入母线D经J1A-K流到输出端子OUT1；在t4时刻，使电子开关3阻断：在t5时刻，辅助接触器释放，其主接点J1B-K开断，把电子开关3退出。从t1-t5为多路开关的投入周期。

如果后续的控制信号是其它路的投入信号，则多路开关在重复《(1)多路开关投入周期》的动作，只是其中的IN1,J1A,J1A-K,J1B,J1B-K,OUT1改换为其它通路的相应元件。

(2)多路开关运行周期

在t5-t6时刻，为多路开关运行周期。在运行周期，控制电路保持多路开关各部分工作状态不变，并等待其它投切信号。

(3)多路开关切开周期

在t6时刻，加到控制输入端IN1的外部控制电流开断，使IC2的P1.0口为低电平，IC2收到这信号后，控制多路开关各部分按如下顺序动作：

在t6时刻，J1B吸合，其主接点J1B-K闭合，把电子开关3并联在主接触器主接点J1A-K两端；在t7时刻，电子开关3导通；在t8时刻，主接触器J1A释放，其主接点J1A-K开断，负荷电流从电子开关3流过；在时刻t8，电子开关3阻断，使负荷电流无冲击地关断，完成第一路开关的切开；在t9时刻，辅助接触器J1B释放，其主接点J1B-K断开，把电子开关退出运行。

如果后续控制信号是其它路切开信号，则多路开关重复《(3)多路开关切开周期》的动作，只是其中的IN1,J1A,J1A-K,J1B,J1B-K,OUT1改换为其它通路的相应元件。

(4)当外部控制输入端有多路并行投切信号时，控制电路按优先权顺序依次处理各路开关的投、切动作。其优先级别为IN1＞IN2＞IN3＞IN4

图1、图3、图4、图5是本实用新型作成四路开关的一个实施实例，在图1中实际配置4路主回路，其中，主要元器件采用如下产品：齐纳二极管Z9为2DW10；集成电路IC1为TLP521-4,IC2为8031,IC3为74LS373,IC4为2716,IC5为7400,IC6为74LS237,IC9为2803,IC17为LM358,IC18为4011：晶闸管模块Q4/D24为IRKL9118；主接触器J1A-J4B为DL70F；T1为KCB048；T2：微型PT。所制成一个单相4路开关，每路电流为50安培。当把短路线JP接在短路接口E1上时，此开关可用于低压单相电路或三相星接电路，当把JP接在E2上时，此开关可用于低压三相角接电路。

Claims (4)

1、一种电容器过零投切多路开关，包括：微机单元、驱动单元和多个接触器，其特征是：

上述微机单元具有多个控制信号输入端子；

上述微机单元的输出端子连接到上述驱动单元的输入端子上；

上述驱动单元的输出端子连接到电子开关的输入端子和多路开关主回路的输入端子上；

上述电子开关的同步输出端子与微机单元的同步端子连接，其输出端子连接到多路开关主回路的控制输入端子；以及

输入电力线与上述电子开关的输入端子和上述多路开关主回路的输入端子连接。

2、权利要求1所述的过零投切多路开关，其特征是，上述多路开关主回路的每一个回路由主接触器、辅助接触器及充电电路组成。

3、权利要求2所述的过零投切多路开关，其特征是，上述开关主回路的上述主接触器的一端接到电源输入母线上，另一端接上述输出端子；上述辅助接触器一端接过渡母线上，而另一端接上述输出端子；上述充电电路由电阻和二极管串联组成，且与上述主接触器并联。

4、权利要求1到3任一项所述的过零投切多路开关，其特征是，上述电子开关由同步信号电路、触发控制电路、触发振荡器、触发输出级和电子开关组件依次连接组成。

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