TW201344734A - 高負載電流保護開關裝置 - Google Patents

Abstract

本發明為一種高負載電流保護開關裝置，其包括：一保護開關模組、複數個光耦合驅動電路單元、一主控制單晶片、一通訊部、一回授部及一手動操作部，該通訊部供使用者以電腦或手機，於近端或遠端控制本高負載電流保護開關裝置，而當高負載電流流進本開關時，透過該回授部的感測並回報該主控制單晶片，進行啟斷步驟，經由該保護開關模組內部之一半導體式開關與複數個機械式開關之連結設定，擺脫了電弧等相關問題，又，如遇到本高負載電流保護開關裝置故障時，在故障排除後，現場人員操作該手動操作部，將開關進行復閉步驟，以重新使用本裝置。如此，本發明解決了機械式開關之突波、電弧與接點彈跳等問題，有高通用性可符合各功率之優點。

Description

高負載電流保護開關裝置

    本發明係有關於一種高負載電流保護開關裝置，尤指一種適用於直流微電網設備之保護開關裝置。

    繼電器(Relay)是一種可以讓小電力控制大電力的開關。例如，小電壓的電池或者是微控制器，只要用繼電器就可以切換馬達(motors)、變壓器(transformers)、電暖爐(heaters)、燈泡(bulbs) 等大電流設備的開關。其工作原理為：當微控制器送出訊號時，電晶體會打開使得電流流進線圈，當微控制器關閉訊號時，電晶體會關閉形成斷路，電流就不會流通，不會驅動繼電器中的線圈。當電流流經線圈(激磁)的時候，線圈產生的磁力會使得繼電器的銜鐵(lever)被吸引而改變接觸點，而當流經線圈的電流消失後，銜鐵會因為彈簧的反作用力返回原來的位置，因此利用電磁的吸合與釋放就可以控制大電力設備的開關。而輸入電路和輸出電路之間沒有實際的電氣接觸，因此輸出電路通過高電壓的電流時，不會使輸入電路的微控制器損壞。
    然而，市面上所販售的繼電器為機械式開關，開關屬於機械式接點型，在開啟與復閉時或多或少會在接點處產生突波、電弧(火花)與接點彈跳，在頻繁的開與關下(電力調度)接點會熔接與損毀，設備也會因開關的突波而減少壽命。其中，突波的產生原因主要有兩種，一種是打雷時閃電產生之雷突波，另一種是由電路開閉所造成之開閉突波，前者是由自然界產生的，若不在打雷頻繁之地使用開關就不必太擔心，後者是電流導通的瞬間產生的突波，不限於在特定環境，在任何地區下都很常發生，如果開關沒有針對突波來進行保護，該電路便容易因開閉突波而產生誤動作，嚴重一點則會導致電路過載而損壞。而電弧是一種氣體放電現象，電流通過某些絕緣介質（如空氣）所産生的瞬間火花，利用電弧產生的高熱可以融化或是汽化所有的金屬，工業上利用電弧來焊接、融化或是切割金屬，例如電漿切割機（plasma cutting）、放電加工機（electrical discharge machining）、煉鋼廠的電弧爐，但在非控制狀態下所產生的電弧，對會對輸電系統、配電系統以及電子設備造成損害，像是在配電電路中，開關觸點間發生的電弧會融化開關觸點。又，接點彈跳係為接點在閉合期間，會因接點間之衝擊能無法消散而產生接點彈跳的現象，造成接點再次分離，該彈跳的現象會造成閉合不確實，如此便會造成造成輸入信號(高態或低態)的不確定性，此現象通常在機械式繼電器發生。
    而以金氧半場效電晶體實現類比開關，所完成之半導體式開關，因金氧半場效電晶體在導通時的通道電阻低，而截止時的電阻近乎無限大，訊號的能量不會因為開關的電阻而損失太多，所以適合作為類比訊號的開關。金氧半場效電晶體開關的應用範圍很廣，舉凡需要用到取樣持有電路（sample-and-hold circuits）或是截波電路（chopper circuits）的設計，例如類比數位轉換器（A/D converter）或是切換電容濾波器（switch-capacitor filter）上都可以見到金氧半場效電晶體開關的蹤影。且，電晶體作為控制負載之開關時的優點有：(1) 可以控制負載之高速開關動作；(2)沒有機械式繼電器接點之氧化、磨損、接點彈跳等問題；(3)可以以更小的電流信號控制更大的負載電流。如此，該半導體式開關在特性上優於機械式繼電器，但半導體式開關導通時會有1~3伏特的壓降，在大功率的場合會有極大的能量損耗，並且在關閉時會有洩漏電流通過無法完全斷開，實因尋求一種適當的解決方案。
    本發明為一高負載電流保護開關裝置，主要為提供再生能源發電設備與直流微電網負載端之保護，例如住宅或充電站，並可接受外部與無線信號做電力調度，更可減少發電與負載端之設備因開關突波而損毀的現象，藉以減少設備的維修費用與人為操作失誤所造成的損毀。

    本發明之主要目的，在於提供一種高負載電流保護開關裝置，為一種可使機械式開關在高電壓及高電流環境下，仍無突波、電弧與接點彈跳等問題，並使得發電與用電設備在過載或短路的情形下，不會受到損壞之電力開關結構。
    本發明之次要目的，在於提供一種高負載電流保護開關裝置，透過特殊的開關迴路設計與開關驅動的模組化，因應各種場合及開關，只需調整各項參數及更換繼電器，即可繼續使用本裝置，故可節省相當的開銷與成本。
    本發明之另一目的，在於提供一種高負載電流保護開關裝置，提供使用者更為簡便之使用方式，係可透過電腦或手機傳送訊息到一通訊模組，直接以遠端無線或近端無線的方式來操作開關，而不必在現場才能操作，如此整合了遠端監控系統等設備，該開關能有更多的應用方式。
    為達上述之目的，本發明係提供一種高負載電流保護開關裝置，其係應用於使用於直流微電網的設備，其包括一保護開關模組、複數個光耦合驅動電路單元及一主控制單晶片，此三個部份依序電性連接，其中該主控制單晶片係接收一突波感測訊號，該保護開關裝置與一直流電源相連，內含一半導體式開關、一第一機械式開關及一第二機械式開關，又，該半導體式開關與該第二機械式開關串聯，然後該兩者再與該第一機械式開關並聯。當接收一突波訊號，該突波訊號係分別通過該第一機械式開關與一第二機械式開關時，該主控制單晶片係控制該第一機械式開關進行開路及該第二機械式開關進行短路，該突波訊號經過該第二機械式開關至該半導體開關時，該主控制單晶片係控制該半導體式開關進行開路，並控制該第二機械式開關進行開路。而該些光耦合驅動電路單元係電性連結該主控制單晶片及該保護開關裝置，且透過一驅動訊號連接到該第一機械式開關及該第二機械式開關。
    而該高負載電流保護開關裝置更進一步包含一感測模組，該感測模組只能接受直流電源，如流進交流電源則沒有反應，該感測模組更進一步包含一霍爾電流檢測單元、複數個放大電路及複數個光耦合單元，該霍爾電流感測單元分別與一直流電源及該電流保護開關裝置連接，該些放大電路與該霍爾電流感測單元連接，該些光耦合單元從該些放大電路電性連接到該主控制單晶片，感測流程如下：流進該開關的電流會由該霍爾電流檢測單元先行感測，產生一感測訊號，該感測訊號由該些放大電路接收，並且產生一放大訊號，該放大訊號由該些光耦合單元接收，而輸出一突波感測訊號，供該主控制單晶片處理。
    如該突波感測訊號超過所設定之閾值，該主控制單晶片使開關截止，並且將結果傳到該通訊模組，使得各遠端操作部能夠即時得知該保護開關模組之狀態。
    再者，該高負載電流保護開關裝置更進一步包含一通訊模組，該通訊模組其中包含了一信號處理單晶片、一第一通訊端及一第二通訊端，該第一通訊端及該第二通訊端可根據需要，選配不同的接收模組，例如近端的第一收發模組或遠端的GSM模組，再使用如電腦及手機等設備，來發送訊息以控制開關的作動。
    又，該高負載電流保護開關裝置更進一步包含一手動操作模組，該手動操作部更包含一第一操作端與第二操作端，根據需要，該第一操作端與該第二操作端，可為近端操作之一近端開關或遠端操作之外部輸出埠，提供使用者在開關故障後，尚有備用方法來開關整個系統。
    本發明之高負載電流保護開關裝置，其操作狀態如下：在啟斷步驟時，由該主控制單晶片控制各開關的動作順序，先由該半導體式開關導通做旁路分流，再將該第一機械式開關開啟，因電流有該半導體式開關的副迴路可流過，所以並不會於該第一機械式開關接點產生電弧，緊接著截止該半導體式開關，然後再開啟第二機械式開關，而復閉步驟時，則是先復閉該第二機械式開關，接著導通該半導體式開關，再復閉該第一機械式開關，最後截止該半導體式開關，依照此迴路的設計可消除開關的突波、電弧、接點彈跳與半導體漏電流的問題，進而保護發電與用電端設備。
    茲為使　貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：

    本發明為一種『高負載電流保護開關裝置』，提供一種使用於直流微電網的保護開關裝置，解決了習知技術中機械式開關於接點產生之突波、電弧及接點彈跳等問題，以及因過載或短路使得高負載電流流入開關，而造成開關損壞，本發明不但提供了一解決此些問題之開關裝置，還額外提供了使用者遠距遙控的操作方式，具有安全性及便利性。
    請參閱第1圖，其為本發明之一實施例之整體電路圖，如圖所示，本發明之高負載電流保護開關裝置10，其包含：一保護開關模組12、複數個光耦合驅動電路單元13與一主控制單晶片14，其中該保護開關模組12更進一步包含一半導體式開關121、一第一機械式開關122及一第二機械式開關123。此外，本發明之高負載電流保護開關裝置10進一步包含一通訊模組16，該通訊模組16更進一步包含一信號處理單晶片161、一第一通訊端162與一第二通訊端163。
    保護開關模組12、複數個光耦合驅動電路單元13與一主控制單晶片14依照順序電性連接，該主控制單晶片係接收一突波感測訊號，並且該保護開關模組12係與一直流電網11連結作為供電來源，該半導體式開關121與該第二機械式開關123串聯，該兩者再與該第一機械式開關122並聯，當接收一突波訊號，該突波訊號係分別通過該第一機械式開關與一第二機械式開關時，該主控制單晶片係控制該第一機械式開關進行開路及該第二機械式開關進行短路，該突波訊號經過該第二機械式開關至該半導體開關時，該主控制單晶片係控制該半導體式開關進行開路，並控制該第二機械式開關進行開路。而該些光耦合電路模組13特別以一驅動訊號131連結到該主動式開關122及一第二機械式開關123，該第一通訊端162可為近端無線傳輸之一第一收發模組164，該第一收發模組164接收一第二收發模組165傳出之訊息，且該第二收發模組165可由一電腦166以USB或RS232之連接介面進行連接，並予以輸入資訊以傳遞到該第一收發模組164以近端控制該保護開關模組12，又該第一收發模組164與該第二收發模組165皆為Zigebee模組，該第二通訊端163可為遠端無線傳輸之一GSM模組167，可接收一手機168傳來的訊息來控制該保護開關模組12，以進行遠端控制。
    復參閱第1圖，本發明之高負載電流保護開關裝置10更包含一感測模組15，該感測模組15係用以感測直流電流，該感測模組15更進一步包含一霍爾電流檢測單元151、複數個放大電路152及複數個光耦合單元153，且霍爾電流檢測單元151電性連接該保護開關模組12，並電性連接至該些放大電路152，光耦合單元153電性連接到該主控制單晶片14。
    當，線路過載或連接短路，使得大量電流通過感測模組15中之該霍爾電流檢測單元151加以感測，產生一感測訊號，該感測訊號傳輸至該些放大電路152，而產生一放大訊號，該放大訊號再傳至該些光耦合單元153，而輸出一突波感測訊號，供該主控制單晶片14分析，若該突波感測訊號高於主控制單晶片14所設定之閾值，即被認定為對電氣設備有害之高負載電流，主控制單晶片14便會依據該突波感測訊號進行保護開關模組12之啟斷，以防止電流繼續流進保護開關模組12之中，同時會將該保護開關模組傳到該通訊模組16，以藉由無線傳輸將感測結果發送至非現場人員，如近端傳輸之該第一收發模組164會將該感測結果傳到該第二收發模組165，再傳送到該電腦166，或是遠端傳輸之該GSM模組167將該感測結果傳到該手機168，如此本發明透過無線傳輸之該電腦166及該手機168，均能即時得知感測結果，此外，主控制單晶片14更可將該保護開關模組12之運作狀態經該第一收發模組164傳送至該電腦166，或經該GSM模組167傳送至該手機168，以方便於使用者即時得知該保護開關模組12之運作狀態，而做出對應之處理措施。
    接著，本發明之高負載電流保護開關裝置10更包含一手動操作模組17，其係連接於該主控制單晶片14上，在啟斷步驟之後，經過保護開關裝置之故障排除，可透過現場人員操作該手動操作部17以進行復閉步驟，以便現場人員直接控制該保護開關模組12，又，該手動操作部17更進一步包含一第一操作端171與一第二操作端172，該第一操作端171可為近端操作之一近端開關173，該第二操作端172可為遠端操作之架構，其係具有複數個光耦合器174與複數個外部輸入埠175，該些外部輸出埠175各自連接到該些光耦合器174上，而該些光耦合器174連接到該主控制單晶片14上。
    該高負載電流保護開關12之作動流程如下：
    於啟斷保護開關模組12時，由該主控制單晶片14控制各開關的動作順序，然後該半導體式開關121導通做旁路分流，再將該第一機械式開關122開啟，因電流有該半導體式開關121的副迴路可流過，故並不會在該第一機械式開關122接點產生電弧，再來截止該半導體式開關121，然後開啟該第二機械式開關123。
    而，當復閉保護開關模組12時，則先復閉該第二機械式開關123，接著導通該半導體式開關121，再復閉該第一機械式開關122，最後截止該半導體式開關121，本發明之該保護開關模組12如此之設計，可消除開關使用時產生的突波、電弧、接點彈跳及半導體漏電流等問題。
    請參閱第2A與2B圖，其為傳統機械開關之接點電壓波形圖與本發明高負載電流保護開關裝置之接點電壓波形圖，該傳統機械開關感測條件為電壓4伏特(V)，電流1安培(A)，如2A圖所示，波形於切換狀態時，經過激烈振盪後才回復平穩，該狀況為傳統機械開關無可避免之突波、電弧及接點彈跳等問題，無論是保護開關模組12的接點，或是與其連接的設備，都可能受到這些因素的影響而導致損壞，而本發明之高負載電流保護開關裝置10，其感測條件為電壓12V，電流5A，遠較於前述之該傳統機械開關之感測條件來的大，傳統機械開關在第2A圖所示之感測條件下已產生劇烈振盪，倘若依第2B圖所示之感測條件，則勢必造成接點或其所連接之設備受到損壞，但本發明之高負載電流保護開關裝置10之感測波形係如2B圖所示，波形於切換狀態時，波形穩定，故使用本發明之高負載電流保護開關裝置10，可免除傳統機械開關無可避免之突波、電弧及接點彈跳之問題，有助於提昇開關及相連電氣設備之使用壽命。
    請參閱第3圖，其為本發明另一實施例之感測波形圖。如圖所示感測模組所測得之感測電流提升到30A，與第2B圖比較，本實施例之直流電網所提供之電流具較大之電流值，但本實施例之接點波形幾乎與第2B圖之低電流感測雷同，並不會因功率不同而使本高負載電流保護開關裝置無法消除突波、電弧及接點彈跳等問題。
    綜上所述，本發明為一種高負載電流保護開關裝置，其包括：一保護開關模組、複數個光耦合驅動電路單元、一主控制單晶片、一通訊模組、一感測模組及一手動操作模組，且該高負載電流保護開關更進一步包含一半導體式開關、一第一機械式開關及一第二機械式開關，該通訊模組供使用者以電腦或手機，於近端或遠端控制保護開關模組，而當高負載電流流進該感測模組時，透過該感測模組的感測並回報該主控制單晶片，進行啟斷步驟，經由該保護開關模組之該半導體式開關與該些機械開關之連結設定，免除了突波、電弧與接點彈跳等問題，又，如遇到本高負載電流保護開關裝置故障時，在故障排除後，現場人員操作該手動操作部，將開關進行復閉步驟，以重新使用本高負載電流保護開關裝置，如此，本發明為利用機械式開關低損耗以及半導體式開關之高速與無電弧特性，配合保護開關模組之動作順序而產生的無突波、無電弧與無接點彈跳特性之高負載電流保護開關裝置，有高通用性可符合各功率之優點。
    雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技術者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．高負載電流保護開關裝置

11．．．直流電網

12．．．保護開關模組

121．．．半導體式開關

122．．．第一機械式開關

123．．．第二機械式開關

13．．．光耦合驅動電路單元

131．．．驅動訊號

14．．．主控制單晶片

15．．．感測模組

151．．．霍爾電流檢測單元

152．．．放大電路

153．．．光耦合單元

16．．．通訊模組

161．．．信號處理單晶片

162．．．第一通訊端

163．．．第二通訊端

164．．．第一收發模組

165．．．第二收發模組

166．．．電腦

167．．．GSM模組

168．．．手機

17．．．手動操作模組

171．．．第一操作端

172．．．第二操作端

173．．．近端開關

174．．．光耦合器

175．．．外部輸入埠

第1圖為本發明高負載電流保護開關裝置之整體電路圖；
第2A圖為傳統機械開關之接點電壓波形圖；
第2B圖為本發明高負載電流保護開關裝置之接點電壓波形圖；及
第3圖為本發明高負載電流保護開關裝置之高負載電流感測波形圖。

10．．．高負載電流保護開關裝置

11．．．直流電網

12．．．保護開關模組

121．．．半導體式開關

122．．．第一機械式開關

123．．．第二機械式開關

13．．．光耦合驅動電路單元

131．．．驅動訊號

14．．．主控制單晶片

15．．．回授部

151．．．霍爾電流檢測單元

152．．．放大電路

153．．．光耦合單元

16．．．通訊模組

161．．．信號處理單晶片

162．．．第一通訊端

163．．．第二通訊端

164．．．第一收發模組

165．．．第二收發模組

166．．．電腦

167．．．GSM模組

168．．．手機

17．．．手動操作模組

171．．．第一操作端

172．．．第二操作端

173．．．近端開關

174．．．光耦合器

175．．．外部輸入埠

Claims (16)

1. 一種高負載電流保護開關裝置，其包含：
   一主控制單晶片，其係接收一突波感測訊號；以及
   一保護開關模組，其係電性連接該主控制單晶片，其中該保護開關模組係包含一半導體式開關、一第一機械式開關、一第二機械式開關，該半導體式開關與該第二機械式開關串聯連接並與該第一機械式開關並聯連接，當接收一突波訊號，該突波訊號係分別通過該第一機械式開關與一第二機械式開關時，該主控制單晶片係控制該第一機械式開關進行開路及該第二機械式開關進行短路，該突波訊號經過該第二機械式開關至該半導體式開關時，該主控制單晶片係控制該半導體式開關進行開路並控制該第二機械式開關進行開路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高負載電流保護開關裝置，其更進一步包括：
   複數個光耦合驅動電路單元，一端與該主控制單晶片連接，另一端分別與該半導體式開關、該第一機械式開關及該第二機械式開關連接。
3. 如申請專利範圍第1項所述之高負載電流保護開關裝置，其更進一步包括：
   一通訊模組，其係包含一信號處理單晶片、一第一通訊端、一第二通訊端，該信號處理單晶片與該主控制單晶片連結，該第一通訊端與第二通訊端分別與該信號處理單晶片連結，且該第一通訊端與第二通訊端用於接收傳遞到該信號處理單晶片之一控制訊號，該控制訊號用以驅動該主控制單晶片，以控制該保護開關模組。
4. 如申請專利範圍第3項所述之高負載電流保護開關裝置，其中該第一通訊端係為一第一收發模組，並且該第一收發模組接收一第二收發模組傳送出來之訊息。
5. 如申請專利範圍第4項所述之高負載電流保護開關裝置，其中該第二收發模組與一電腦連結。
6. 如申請專利範圍第4項所述之高負載電流保護開關裝置，其中該第一收發模組及該第二收發模組皆為Zigebee模組。
7. 如申請專利範圍第3項所述之高負載電流保護開關裝置，其中該第二通訊端係為一GSM模組，並且該GSM模組接收一手機傳送出來之訊息。
8. 如申請專利範圍第1項所述之高負載電流保護開關裝置，其更進一步包括：
   一手動操作模組，更進一步包含一第一操作端及一第二操作端，該兩者分別連接於該主控制單晶片。
9. 如申請專利範圍第8項所述之手動操作模組，其中該第一操作端係為一近端開關。
10. 如申請專利範圍第8項所述之手動操作模組，其中該第二操作端係為複數個光耦合器與複數個外部輸出埠，該些外部輸入埠分別與該些光耦合器串聯連接，且該些光耦合器與該主控制單晶片連接。
11. 一種感測模組，其應用於一電流保護開關裝置，該感測模組包含：
    一霍爾電流感測單元，其係分別與一直流電源與該電流保護開關裝置連接，以感測該直流電源之電流，產生一感測訊號；
    複數個放大電路，與該霍爾電流感測單元連接，並接收感測訊號並產生一放大訊號；及
    複數個光耦合單元，與該複數個放大電路連接並接收該放大訊號，產生一突波感測訊號。
12. 如申請專利範圍第11項所述之感測模組，其中該主控制單晶片會將感測模組輸出之一感測結果回傳至一通訊模組，該通訊模組更進一步包含一信號處理單晶片、一第一通訊端、一第二通訊端，該信號處理單晶片與該主控制單晶片連結，該第一通訊端與第二通訊端分別與該信號處理單晶片連結，該信號處理單晶片將該感測結果傳送到該第一通訊端與第二通訊端並輸出。
13. 如申請專利範圍第12項所述之感測模組，其中該第一通訊端係為一第一收發模組，並且該第一收發模組輸出該感測結果至一第二收發模組。
14. 如申請專利範圍第13項所述之感測模組，其中該第二收發模組與一電腦連結。
15. 如申請專利範圍第13項所述之高負載電流保護開關裝置，其中該第一收發模組及該第二收發模組皆為Zigebee模組。
16. 如申請專利範圍第12項所述之感測模組，其中該第二通訊端係為一GSM模組，並且該GSM模組輸出該感測結果至一手機。