專利名稱：一種分相控制的高低壓開關(guān)電器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高低壓開關(guān)電器，更確切地說涉及一種分相控制的高低壓開關(guān)電器及其控制方法。
背景技術(shù)：
目前，在國內(nèi)外電力和電器系統(tǒng)中所使用的交流三相開關(guān)，包括高低壓電路中的各種斷路器、脫扣器、空氣開關(guān)、交流接觸器等，在結(jié)構(gòu)上均采用三相同時接通和分斷的設(shè)計。采用這種交流三相開關(guān)電器，無法實現(xiàn)零電壓或零電流接通和分斷，尤其是在高電壓和大電流應用中，開關(guān)時的火花、飛弧影響系統(tǒng)安全，電磁干擾嚴重。不僅影響供電網(wǎng)絡，而且也易使觸頭燒損，開關(guān)壽命大大降低。以交流接觸器為例，一般而言，其電氣壽命只及其機械壽命的1/5～1/10，對于保護用電器，如斷路器、脫扣器、空氣開關(guān)等，由于無法實現(xiàn)過零分斷，在動作執(zhí)行中不僅觸頭拉弧嚴重，還常常在短路電流極大時，發(fā)生觸頭咬死，拉不開現(xiàn)象。
另一種改進技術(shù)是在上述觸頭兩端并接晶閘管開關(guān)元件，利用晶閘管開關(guān)元件導通時的鉗位電壓進行防浪涌和滅弧。顯然，這種技術(shù)在實施中成本較高，而且，當工作于10千伏以上的高壓時，幾乎不可能實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出了一種利用微控制器快速分析判斷的功能，分相控制觸頭通斷的方法和裝置，實現(xiàn)三相觸頭過零投切，從而，抑制投入時的浪涌電流切斷時拉弧問題，減少對供電網(wǎng)絡沖擊，延長電器使用壽命，并使成本大大降低。
為了達到上述目的，本發(fā)明的解決方案是包括一個高低壓開關(guān)電器，其中有三個主開關(guān)觸頭，所述的三相高低壓開關(guān)電器設(shè)置一控制器并對控制線包進行改進，設(shè)計成三個獨立的控制線包，利用控制器的高速檢測判斷和運算，以實現(xiàn)分相控制觸頭的通斷，并完成三相開關(guān)在零電壓時的投入，在零電流時的關(guān)斷；所述控制器包括三相電壓電流過零檢測電路3、微控制器4、三相執(zhí)行單元6、三相自適應開關(guān)檢測電路5、電壓鎖相環(huán)倍頻時鐘電路1、電流鎖相環(huán)倍頻時鐘電路2；其中三相電壓電流過零檢測電路3的信號送入微控制器4，經(jīng)過微控制器處理輸出到三相執(zhí)行電路6；三相自適應開關(guān)檢測電路5將延時信號反饋微控制器4，經(jīng)過微控制器4處理后輸出到三相執(zhí)行單元6。
在上述解決方案中，在控制器里固化控制軟件，包括手動、自動分閘流程、手動合閘流程、合閘動作流程、自檢測流程。
發(fā)明效果上述技術(shù)方案的各類產(chǎn)品及其控制方法，從根本上解決了開關(guān)電器分斷時，實現(xiàn)三相觸頭過零，從而抑制投入時的浪涌電流和切斷時拉弧問題，解決了本行業(yè)里長期期待解決而未解決的問題，具有顯著的經(jīng)濟效果。


圖1為本發(fā)明的分相控制的三相高低壓開關(guān)電器的原理框圖；圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)控制方法軟件流程圖；圖3為本發(fā)明的分相控制的三相高低壓開關(guān)電器過零投切軟件流程圖；圖4為本發(fā)明的執(zhí)行單元電氣原理框圖；圖5為本發(fā)明的三相電壓、電流過零檢測電路原理圖；圖6為開關(guān)自檢檢測流程圖；圖7為本發(fā)明的電壓、電流鎖相環(huán)倍頻時鐘電路原理圖；圖8為本發(fā)明計算延時的波形時序圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖及一個較佳實施例對本發(fā)明作進一步說明。
參照圖1、圖4，本發(fā)明包括與三相高低壓開關(guān)電器連接的一個控制器，該控制器包括電壓電流過零檢測電路3，電壓鎖相環(huán)倍頻時鐘電路1，電流鎖相環(huán)倍頻時鐘電路2，微控制器MCU4，自適應開關(guān)檢測電路5，執(zhí)行單元6；其中三相電壓電流分別與三相電壓電流過零檢測電路3、電壓鎖相環(huán)倍頻時鐘1、電流鎖相環(huán)倍頻時鐘2的輸入端連接，其輸出信號輸入到微控制器4的輸入接口，經(jīng)過微控制器MCU處理后，輸出到執(zhí)行單元6。執(zhí)行單元6包括開關(guān)電器的線包Ja、Jb、Jc(7～9)與Sa、Sb、Sc(28～30)、交流開關(guān)ACSa、ACSb、ACSc(10～12)、電阻Rg1～Rg3(13～15)；參照圖5，這是本發(fā)明的三相電壓、電流過零檢測電路，RU1、RU2、RU3(19～21)和微控制器4，RI1、RI2、RI3(22～24)和微控制器4分別構(gòu)成電壓及電流過零檢測電路3；其中RA、RB、RC(25～27)一端分別接地，另一端接輔助檢測觸頭與主觸頭SA、SB、SC(28～30)聯(lián)鎖，和微控制器4，輔助檢測觸頭的另一端接直流電源Vcc。以輔助觸頭SA為例，當主觸頭SA合上時，輔助觸頭隨之合上，這時電阻RA電平為高電平，否則為低電平。由此可以自適應檢測開關(guān)電器從線包給電(斷電)到觸頭合上(斷開)時刻的時延數(shù)據(jù)。
參照圖7，這是電壓鎖相環(huán)倍頻時鐘電路(電流鎖相環(huán)倍頻時鐘電路與之相同)，該電路包括三極管T1、T2(35、34)、二極管D1(37)、電阻(36、31、32、33、41、43、44)電容器C1、C2(40、42)、集成塊U1、U2(38、39)、O1、O2二端(45、46)；其中電壓信號輸入到電阻R1(36)，其輸出端O1、O2(45、46)接到微控制器MCU4，O1端的頻率為O2端頻率的512倍。
參照圖8，這是計算時延的波形時序圖。利用圖5可檢測出三相開關(guān)電器的動作時延常數(shù)N，故為了使開關(guān)電器在過零點動作，需要在Tg時刻發(fā)出動作信號。
本發(fā)明的控制方法即固化于微控制圖中的軟件程序。
參照圖2a、圖2b，該流程分手動和自動兩種。如果是手動分閘，便可直接執(zhí)行分閘動作使開關(guān)電器斷開；如果是自動分閘，其步驟是先檢測三相電壓和三相電流幅值，當超過預定閥值后，按先從A相開始計時到分斷動作，B相開始計時到分斷動作，最后是C相計時到分斷動作；合閘流程到有合閘指令到執(zhí)行合閘動作，如果沒有合閘指令再等待指令。
參照圖3，這是分相控制的交流三相開關(guān)電器過零投切軟件流程，所述的分閘動作流程，其步驟是先找到最近電流過零之相，然后加上分閘提前量找出最先動作執(zhí)行相，并開始計數(shù)到最先動作相動作，到次動作相計數(shù)到次動作相動作，到末動作相計數(shù)到末動作相動作直到結(jié)束；其中有三次中任何一相計數(shù)時間未到便返回到前面進行等待；如果是合閘動作流程，先找到最近電壓過零點之相，然后重復上述的加上合閘提前量找出最先動作執(zhí)行相直到流程結(jié)束。
參照圖6，這是本發(fā)明控制方法的自檢測流程，從自檢開始先發(fā)出合閘指令、測合閘時間、存入?yún)?shù)、時延10秒、發(fā)出斷閘指令、測斷閘時間、存入?yún)?shù)，然后換相，返回程序重新開始，另一相自檢直至三相全部檢測完畢。
從原理上講本發(fā)明的開關(guān)電器由三相電壓檢測、三相電流檢測、三相電壓過零檢測、三相電流過零檢測、電壓鎖相環(huán)時鐘、電流鎖相環(huán)時鐘由微控制器控制。其中輸入檢測電路又分為三相電壓和三相電流的模擬量檢測和三相電壓過零點、三相電流過零點以及電位鎖相環(huán)時鐘和電流鎖相環(huán)時鐘幾部分組成。
微控制器采用抗干擾性強的工業(yè)級芯片。其輸入部分，有三相電壓三相電流共6通道模擬輸入量。另外，三相電壓三相電流過零點和電壓、電流鎖相環(huán)倍頻時鐘共8個開關(guān)輸入量。作為能適應時延檢測，還有3個開關(guān)輸入量，最后，對于分相式控制接觸器線包，有三個輸出開關(guān)量。對于三相電壓和三相電流的模擬量測量，可以依照不同工作對象和性價比要求，選用常用的ADC轉(zhuǎn)換方式。
例如模擬轉(zhuǎn)換(ADC)可以用外掛式，也可用MCU內(nèi)置式。前置模擬通道可以用絕對值整流型，也可以用其有效值轉(zhuǎn)換。此外再不整過。
輸出執(zhí)行部分采用ACS交流開關(guān)，可使線包動作無附加時延。
權(quán)利要求
1.一種分相控制的高低壓開關(guān)電器，包括一個三相高低壓開關(guān)電器，其中有三個開關(guān)主觸頭，其特征在于所述三相高低壓開關(guān)電器配有一微控制器，它的控制線包為三個獨立的控制線包，利用微控制器的高速檢測判斷和運算，實現(xiàn)分相控制觸頭的通斷，并完成三相開關(guān)在零電壓時投入，在零電流時關(guān)斷；所述微控制器包括三相電壓、電流過零檢測電路(3)，電壓、電流鎖相環(huán)倍頻時鐘電路(1、2)，微控制器MCU(4)，三相執(zhí)行單元(6)，自適應開關(guān)檢測電路(5)；其中電壓、電流過零檢測電路(3)的信號送入微控制器MCU(4)，經(jīng)過微控制器(4)處理后輸出到三相執(zhí)行單元(6)；自適應開關(guān)檢測電路(5)將時延信號反饋給微控制器MCU(4)；自適應開關(guān)檢測觸頭與三相主觸頭機械連動。
2.一種分相控制的高低壓開關(guān)電器的控制方法，其特征在于包括手動、自動分閘流程、手動合閘流程、合分閘動作流程、自檢測量流程；所述的手動、自動分閘流程的步驟是如果是手動分閘，便直接到執(zhí)行分閘動作使開關(guān)電器斷開；如果是自動分閘，檢測三相電壓和三相電流幅值，當超過預定閥值后，按先從A相開始計時到分斷動作，B相開始計時到分斷動作，最后是C相計時到分斷動作；合閘流程到有合閘指令到執(zhí)行合閘動作，如果沒有合閘指令再等待指令。
3.如權(quán)利要求2所述的分相控制高低壓開關(guān)電器的控制方法，其特征在于所述的分閘動作流程，其步驟是先找到最近電流過零之相，然后加上分閘提前量找出最先動作執(zhí)行相，并開始計數(shù)到最先動作相動作，到次動作相計數(shù)到次動作相動作，到末動作相計數(shù)到末動作相動作直到結(jié)束；如果是合閘動作流程，先找到最近電壓過零點之相，并重復上述的加上合閘提前量找出最先動作執(zhí)行相直到流程結(jié)束。
4.如權(quán)利要求2所述的分相控制高低壓開關(guān)電器的控制方法，其特征在于所述的自檢測量流程是從自檢開始先發(fā)出合閘指令、測合閘時間、存入?yún)?shù)、時延10秒、發(fā)出斷閘指令、測斷閘時間、存入?yún)?shù)，然后換相，返回程序重新開始，另一相自檢直至三相全部檢測完畢。
5.如權(quán)利要求1所述的分相控制的高低壓開關(guān)電器，其特征在于所述的三相執(zhí)行單元包括三只交流開關(guān)ACSa、ACSb、ACSc(10～12)，它的控制端電阻Rg1～Rg3(13～15)接至微控制器MCU(4)的輸出端；交流開關(guān)ACSa～ACSc(10～12)分別與開關(guān)電器的線包Ja～Jc(7～9)串接。
6.如權(quán)利要求1所述的分相控制的高低開關(guān)電器，其特征在于所述的電壓鎖相環(huán)倍頻時鐘電路包括三極管T1、T2(35、34)、電阻R1～R7(36、31、32、33、41、43、44)、電容C1、C2(40、42)、二極管D1(37)、集成塊U1、U2(38、39)；電壓信號送入電阻R1(36)一端，其輸出端O1、O2(45、46)，接到微控制器(4)，其中O1端頻率為O2端頻率的512倍；所述的電流鎖相環(huán)倍頻時鐘電路，其電路結(jié)構(gòu)及信號傳遞與上述電壓鎖相環(huán)倍頻時鐘電路相同。
7.如權(quán)利要求1所述的分相控制的高低壓開關(guān)電器，其特征在于所述的電壓、電流過零檢測電路包括電壓檢測電路的電阻RU1～RU3(19～21)、電流檢測電路的RI1～RI3(22～24)、微控制器MCU(4)、電阻RA～RC(25～27)、開關(guān)電器的觸頭SA、SB、SC(28～30)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分相控制高低壓開關(guān)電器及其控制方法，是利用微控制器快速分析判斷，分相控制開關(guān)電器的觸頭通斷的方法和裝置，實現(xiàn)三相觸頭過零投切，從而抑制投入時產(chǎn)生的浪涌電流和切斷時的拉弧問題，減少對供電網(wǎng)絡沖擊，延長開關(guān)電器的使用壽命，降低成本。本發(fā)明包括與開關(guān)電器連接的控制器，其控制器包括三相電壓電流檢測電路、電壓電流鎖相環(huán)倍頻時鐘電路、微控制器、自適應開關(guān)狀態(tài)檢測電路及執(zhí)行單元；其中三相電壓電流信號分別輸入電壓電流過零檢測電路、電壓電流鎖相環(huán)倍頻時鐘電路，經(jīng)過微控制器處理輸出到執(zhí)行單元；自適應開關(guān)狀態(tài)檢測電路將信號反饋到微控制器。
文檔編號H01H9/56GK1521785SQ03115220
公開日2004年8月18日 申請日期2003年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月28日
發(fā)明者張若愚, 林在榮 申請人:上海天峰科技發(fā)展有限公司