專利名稱：適用于電弧加熱器的高壓變電柜自動控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高壓變電柜技術，具體涉及一種集成化高壓變電柜工作狀態(tài)自動控制裝置。(二) 背景技術以等離子體電弧加熱器為核心的防熱材料地面模擬實驗系統(tǒng)中，高壓變電柜是為加熱器 提供電源的關鍵裝置，其工作狀態(tài)是整個系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定工作的決定性因素。等離子體電 弧加熱器工作過程中需要持續(xù)的10000V、 800A交流電源供電，高壓變電柜負責將工業(yè)電網(wǎng)中 的電壓與電流進行轉換為加熱器提供電源。由于工作電壓和電流極大，高壓變電柜對其工作 過程中所處的環(huán)境溫度、濕度等條件要求較高；同時，處于對電弧加熱器工作安全的考慮， 需要高壓變電柜能夠在加熱器冷卻系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)和加熱器本身發(fā)生異常時做出反應。電弧 加熱器在工作過程中會對周圍空間電子設備產(chǎn)生很強的電磁干擾，因此高壓變電柜控制裝置 需要具有良好的電磁屏蔽能力?，F(xiàn)階段高壓變電柜控制裝置大多采用"分散監(jiān)測、人為控制" 的方式，采用大量傳感器監(jiān)測高壓變電柜工作環(huán)境參數(shù)和受電設備工作狀態(tài)，采用中央控制 臺集中處理傳感器信號并提示操作人員做出反應，這種控制方式存在現(xiàn)場線路復雜、自動化 程度低、抗干擾能力差和不能及時對異常情況做出反應等不足。而具有集成化、小型化、自 動化程度高、反應靈敏等特色的新型高壓變電柜控制裝置還未見報道。(三) 發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種能夠自動對高壓變電柜及受電設備工作環(huán)境與狀態(tài)進行實 時監(jiān)測，根據(jù)用戶預先設置參數(shù)自主控制變電柜工作的集成化、智能化、小型化的適用于電 弧加熱器的高壓變電柜自動控制裝置。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它包括設置在外殼內的DSP單元，DSP單元外圍接定時器、 1個溫度傳感器、1個濕度傳感器、3個A/D轉換器和外接電源回路，由3個A/D轉換器、1 個溫度傳感芯片和和1個濕度傳感芯片與DSP單元共同構成輸入回路，由繼電器、接觸器和 DSP單元共同構成控制輸出回路，由定時器和DSP單元組成時間控制回路，DSP單元控制信號 的輸出端通過繼電器連接接觸器控制端，接觸器控制端的輸出端連接高壓變電柜真空開關， DSP單元數(shù)字信號的輸出端通過MAX芯片轉換后按RS422準則與上位計算機進行通訊連接， DSP與上位計算機之間的通信線路上串聯(lián)有光電隔離裝置。本發(fā)明還有這樣一些技術特征1、所述的上位計算機的控制信號按RS485通信準則通過信號傳輸線路連接串行通信接 口的兩個通信管腳，兩個通信管腳分別接入MAX芯片的兩個通信管腳；MAX芯片的電源正極 管腳和電源負極管腳分別接入外接電源回路的正極和負極；MAX芯片的兩個通信輸出端口管 腳分別接入DSP單元的兩個通信端口管腳；DSP芯片的電源管腳分別接入外接電源回路正極和負極，外接電源回路的電源輸入管腳上接外界電源正極，另一管腳接外界電源負極；2、 所述的溫度傳感器的輸出端通過數(shù)據(jù)端口經(jīng)由數(shù)據(jù)總線連接DSP單元總線接口；濕度傳感器的輸出端通過通信端口經(jīng)數(shù)據(jù)總線連接DSP單元總線接口；3、 所述的裝置還包括安裝在電弧加熱器冷卻系統(tǒng)處的流量傳感器，流量傳感器的正極和負極分別接入流量信號輸入端口管腳，流量輸入端口管腳分別接入A/D轉換器的輸入管腳； A/D轉換器的電源正極管腳和電源負極管腳分別外接電源回路正極和負極；A/D轉換器的數(shù)字 量信號輸出端通過其數(shù)字端口經(jīng)由數(shù)據(jù)總線連接DSP單元總線接口；4、 所述的裝置還包括安裝在電弧加熱器氣源系統(tǒng)進氣處的壓力傳感器，壓力傳感器的信 號正極和負極分別接入壓力信號輸入端口管腳，壓力輸入端口管腳分別接入A/D轉換器的輸 入管腳；A/D轉換器的電源正極管腳和電源負極管腳分別接入裝置的電源回路正極和負極； A/D轉換器的數(shù)字量信號輸出端通過數(shù)字端口經(jīng)由數(shù)據(jù)總線連接DSP總線接口；5、 所述的裝置還包括安裝在電弧加熱器處的漏電電流傳感器，漏電電流傳感器的正極和 負極分別接入漏電電流信號輸入端口管腳，漏電電流輸入端口管腳分別接入A/D轉換器的輸 入管腳；A/D轉換器的電源正極管腳和電源負極管腳分別接入外接電源回路正極和負極；A/D 轉換器的數(shù)字量信號輸出端通過數(shù)字端口經(jīng)由數(shù)據(jù)總線連接DSP單元總線接口；6、 所述的定時器通過其兩個輸出端口管腳分別連接DSP單元的兩個DSP觸發(fā)端口管腳；7、 所述的DSP單元通過其兩個控制端口管腳連接繼電器；繼電器的控制端管腳直接接入 外接電源回路負極，其另一控制端管腳經(jīng)過DSP單元的控制輸出端端口管腳接入裝置電源正 極；繼電器輸出端管腳直接接入接觸器的控制端管腳，繼電器的另一個輸入端管腳接入外接 電源正極；接觸器的控制端管腳接入外接電源負極，其兩輸出端管腳分別通過控制輸出端口 管腳連接高壓變電柜真空開關。電弧加熱器工作時，現(xiàn)場傳感器采集到的加熱器氣源系統(tǒng)的進氣壓力、冷卻系統(tǒng)的冷卻 水流量和加熱器三相不平衡時所產(chǎn)生的漏電電流等信息以模擬電壓量的形式送入本裝置的三 個A/D轉換器輸入端，A/D轉換器將接收到的模擬電壓量轉換成數(shù)字量送入DSP單元數(shù)據(jù)接 收端，DSP將A/D轉換器送來的數(shù)字量處理后通過MAX芯片采用RS422串行通信準則送至上 位計算機進行分析和存儲。本裝置使用過程中與高壓變電柜安裝在一起，裝置通過內置的溫 度、濕度傳感器芯片對高壓變電柜所處的工作環(huán)境參數(shù)進行測量，溫度、濕度傳感器芯片的 輸出信號通過數(shù)據(jù)總線送入DSP輸入端，DSP單元通過RS422串行通信準則將處理后的溫度 與濕度信號送至上位計算機。定時器根據(jù)用戶預設時間自動計時，計時時間到后向DSP單元 發(fā)出切斷高壓變電柜指令。DSP單元根據(jù)用戶預先設定的參數(shù)實時通過A/D轉換器和溫度、 濕度傳感器芯片送來的信號判別加熱器及其氣源與水源的工作情況和高壓變電柜工作環(huán)境 溫、濕度，在發(fā)現(xiàn)測量參數(shù)異?；蚴盏蕉〞r器關機指令時，通過輸出管腳信號控制繼電器發(fā) 生動作，從而帶動接觸器控制的高壓變電柜真空開關發(fā)生動作關閉高壓變電柜。本發(fā)明具有以下幾個主要特征1、 本發(fā)明以DSP芯片為核心，通過總線方式集成了定時器、溫度傳感芯片、濕度傳感芯 片和3組A/D轉換器，能夠同時監(jiān)測環(huán)境溫、濕度信息和外圍設備水流量、氣壓和漏電電流 等信息。通過用戶預設參數(shù)可以實時監(jiān)控周圍環(huán)境和設備工作異常，并自主做出反應，同時 可以通過RS422串行通信準則與上位計算機保持實時通信，使整個裝置實現(xiàn)了高度的智能化 和集成化，可以更為有效地提高高壓變電柜和受電設備的工作安全性和可靠性；2、 本發(fā)明采用優(yōu)質鋁合金外殼封裝內部元器件，整個外殼通過銅線接地，保證裝置可以 在電弧加熱器工作時產(chǎn)生的強空間磁場環(huán)境中穩(wěn)定工作；3、 本發(fā)明通過光電隔離裝置實現(xiàn)了與計算機通信線路之間的物理隔斷，不但有效地消除 了噪聲電壓干擾，而且也有效地解決了長線驅動和阻抗匹配等問題，同時也可以在被測設備 短路時保護系統(tǒng)不受損壞。本發(fā)明由3個A/D轉換器、1個溫度傳感芯片和和一個濕度傳感芯片與DSP共同構成輸 入回路。A/D轉換芯片負責將本裝置外接的流量傳感器、壓力傳感器和電流變送器上傳的模 擬量信號轉換成數(shù)字量通過數(shù)據(jù)總線送入DSP處理；溫度和濕度傳感器芯片則負責監(jiān)測高壓 變電柜所處的環(huán)境溫、濕度信息，并將其轉化成數(shù)字量通過數(shù)據(jù)總線送至DSP進行統(tǒng)一處理。 DSP采用美國TI公司生產(chǎn)的TMS320C6713時鐘頻率高達255MHz; A/D芯片均采用H28型16 位ADC芯片；溫度傳感芯片采用美國NS公司的LM92單片高精度數(shù)字溫度傳感器，該傳感器 測量頻率為2次/秒，能夠對-55 +15(TC范圍內的溫度進行測量;濕度傳感器采用瑞士的SHT10 貼片型濕度傳感器，該芯片測量范圍為0 100%RH，能夠對3%RH的濕度變化在4s之內做出反 應。本發(fā)明由定時器和DSP組成時間控制回路。高壓變電柜開始工作的同時計時器啟動計時， 通過與用戶預設變電柜工作時間的參數(shù)相比較，當高壓變電柜工作到達預定時間時計時器向 DSP發(fā)出關機指令，DSP接到指令后發(fā)出控制信號切斷高壓變電柜的真空開關，停止其向外供 電。定時器采用DHC7B型數(shù)字定時器，該定時器能夠在l 9999s的范圍內進行定時，ls刷新 一次，自動識別當前計時與預定計時，計時時間到時能輸出開關量信號。本發(fā)明由繼電器、接觸器和DSP共同構成控制輸出回路。DSP開關量控制輸出端接入繼 電器控制端，當DSP發(fā)出關機指令時其通過開關量輸出控制繼電器斷開，繼電器輸出端接入 接觸器控制端，繼電器斷開后控制接觸器斷開，繼而裝置向外輸出開關量信號控制高壓變電 柜真空開關斷開。本發(fā)明中繼電器響應時間〈0.2s，接觸器響應時間〈0.5s輸出觸點容量 400VAC, 60A。DSP與計算機之間的通信線路上串聯(lián)高達10000VAC以上絕緣的光電隔離裝置，在本裝置 工作過程中，如果發(fā)生高壓變電柜漏電現(xiàn)象，隔離裝置能有效保護中央計算機及操作人員不 至于接觸到測試環(huán)境中的10000V高壓電。本發(fā)明涉及的是一種集成化高壓變電柜工作狀態(tài)自動控制裝置，具體的說是一種能夠自 動識別變電柜所處工作環(huán)境的溫度、濕度等環(huán)境信息和工作時間，按用戶預先設定的參數(shù)控制變電柜工作狀態(tài)的裝置。本發(fā)明可以在強磁干擾環(huán)境中正常工作。經(jīng)實驗表明，本發(fā)明在 10000VAC， 12飛0。C， 2 70%RH，強電磁干擾，以最快1次/S的速度對高壓變電柜所處環(huán)境的 溫度、濕度和受電設備(電弧加熱器)的冷卻水流量、進氣壓力和漏電電流等參數(shù)進行監(jiān)測， 系統(tǒng)監(jiān)測誤差在2級左右。本發(fā)明能夠在監(jiān)測參數(shù)超出用戶預定安全值后ls內做出反應，可 以有效的保護高壓變電柜、用電設備和操作人員的安全工作。本發(fā)明裝置整體外觀尺寸僅為 200X200X100醒，12VDC電源供電，充分體現(xiàn)了本發(fā)明體積小、集成化程度高的特點。(四)


圖l是本發(fā)明的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合圖1舉例對本發(fā)明作更詳細的描述本實施例包括由設置在外殼內的DSP單元，DSP單元外圍接定時器、l個溫度傳感器、1 個濕度傳感器、3個A/D轉換器和外接電源回路構成的高壓變電柜自動控制裝置，由3個A/D 轉換器、1個溫度傳感芯片和和1個濕度傳感芯片與DSP單元共同構成輸入回路，由繼電器、 接觸器和DSP單元共同構成控制輸出回路，由定時器和DSP單元組成時間控制回路，DSP單 元控制信號的輸出端通過繼電器連接接觸器控制端，接觸器控制端的輸出端連接高壓變電柜 真空開關，DSP單元數(shù)字信號的輸出端通過MAX芯片轉換后按RS422準則與上位計算機進行 通訊連接，DSP與上位計算機之間的通信線路上串聯(lián)有光電隔離裝置。結合圖l:外殼由底板3、側板2和頂板1構成。1、 將外殼的底板3固定在高壓變電柜旁的地面上，線路板71通過固定螺絲4固定于裝 置底板3上，繼電器63和接觸器57粘接于裝置底板3上，側板2通過滑槽方式連接于底板 3上，頂板1通過滑槽方式固定于側板2上；2、 接通本實施例裝置的電源，在裝置電源輸入管腳40上接電源正極，管腳41接電源負極；3、 在上位計算機上設置受電設備(電弧加熱器)的冷卻水流量、氣壓和漏電電流，高 壓變電柜所處的環(huán)境溫度、濕度和等相關參數(shù)的安全閾值；4、 上位計算機的控制信號按RS485通信準則通過信號傳輸線路送入本發(fā)明裝置的串行 通信接口 44的兩個通信管腳44和45，通信管腳44和45分別接入MAX芯片51的通信管腳 48和50; MAX芯片51的電源正極管腳60和電源負極管腳56分別接入裝置電源回路的正極 和負極；MAX芯片51的通信輸出端口管腳49和52分別接入DSP芯片70的通信端口管腳67 和69; DSP芯片70的電源管腳8和7分別接入裝置的電源回路正極和負極；5、 用戶手動設置定時器26的計時時長閾值；6、 本實施例裝置開始工作后，溫度感應芯片31開始偵測環(huán)境溫度信息，偵測結果通過 數(shù)據(jù)端口 29經(jīng)由本裝置數(shù)據(jù)總線送入DSP總線接口 9;7、 濕度感應芯片34偵測環(huán)境濕度信息，偵測結果通過通信端口 35經(jīng)數(shù)據(jù)總線送入DSP 總線接口 9;8、 安裝在電弧加熱器冷卻系統(tǒng)處的流量傳感器偵測信號正極和負極分別接入本實施例 裝置流量信號輸入端口管腳28和30，流量輸入端口管腳28和30分別接入A/D轉換器42的 輸入管腳23和24; A/D轉換器42的電源正極管腳20和電源負極管腳21分別接入裝置的電 源回路正極和負極；A/D轉換器42轉換得到的數(shù)字量信號通過其數(shù)字端口 22經(jīng)由裝置數(shù)據(jù) 總線送入DSP總線接口 9;9、 安裝在電弧加熱器氣源系統(tǒng)進氣處的壓力傳感器偵測信號正極和負極分別接入本實 施例裝置壓力信號輸入端口管腳32和33,壓力輸入端口管腳32和33分別接入A/D轉換器 43的輸入管腳18和19; A/D轉換器43的電源正極管腳15和電源負極管腳17分別接入裝置 的電源回路正極和負極；A/D轉換器43轉換得到的數(shù)字量信號通過其數(shù)字端口 16經(jīng)由裝置 數(shù)據(jù)總線送入DSP總線接口 9;10、 安裝在電弧加熱器處的漏電電流傳感器偵測信號正極和負極分別接入本實施例 裝置漏電電流信號輸入端口管腳36和37，漏電電流輸入端口管腳36和37分別接入A/D轉 換器47的輸入管腳14和13; A/D轉換器47的電源TH極管腳11和電源負極管腳12分別接入 裝置的電源回路正極和負極；A/D轉換器47轉換得到的數(shù)字量信號通過其數(shù)字端口 10經(jīng)由 裝置數(shù)據(jù)總線送入DSP總線接口 9;11、 當定時器26的計時時長達到用戶預設閾值時，定時器26通過其端口管腳25和 27向DSP發(fā)出關機指令，管腳25和27分別接入DSP觸發(fā)端口管腳68和66;12、 DSP芯片70處理送入其中的數(shù)字信息，當發(fā)現(xiàn)本實施例裝置采集到的信號超出用 戶預設的閾值獲接收到定時器26送來的關機指令時，通過其控制端口管腳6和5控制繼電器 63發(fā)生動作；13、 繼電器63的控制端管腳64直接接入裝置電源回路負極，其控制端管腳65經(jīng)過 DSP芯片70的控制輸出端端口管腳5和6接入裝置電源正極；繼電器63輸出端管腳61直接 接入接觸器57的控制端管腳59,繼電器63的另一個輸入端管腳62接入裝置電源正極；14、 接觸器57的控制端管腳58接入裝置電源負極，其輸出端管腳53和55分別接入 裝置控制輸出端口管腳38和39，當接觸器57發(fā)生動作時由本裝置控制輸出端口管腳38和 39控制高壓變電柜真空開關發(fā)生動作；15、 本實施例裝置側面板2上的窗口 54用于保持本裝置內部溫度和濕度與外界環(huán)境 參數(shù)保持一致。
權利要求
1、一種適用于電弧加熱器的高壓變電柜自動控制裝置，其特征在于它包括設置在外殼內的DSP單元，DSP單元外圍接定時器、1個溫度傳感器、1個濕度傳感器、3個A/D轉換器和外接電源回路，由3個A/D轉換器、1個溫度傳感芯片和和1個濕度傳感芯片與DSP單元共同構成輸入回路，由繼電器、接觸器和DSP單元共同構成控制輸出回路，由定時器和DSP單元組成時間控制回路，DSP單元控制信號的輸出端通過繼電器連接接觸器控制端，接觸器控制端的輸出端連接高壓變電柜真空開關，DSP單元數(shù)字信號的輸出端通過MAX芯片轉換后按RS422準則與上位計算機進行通訊連接，DSP與上位計算機之間的通信線路上串聯(lián)有光電隔離裝置。
2、 根據(jù)權利要求1所述的適用于電弧加熱器的高壓變電柜自動控制裝置，其特征在于所述 的上位計算機的控制信號按RS485通信準則通過信號傳輸線路連接串行通信接口的兩個通信 管腳，兩個通信管腳分別接入MAX芯片的兩個通信管腳；MAX芯片的電源正極管腳和電源負 極管腳分別接入外接電源回路的正極和負極；MAX芯片的兩個通信輸出端口管腳分別接入DSP 單元的兩個通信端口管腳；DSP芯片的電源管腳分別接入外接電源回路正極和負極，外接電 源回路的電源輸入管腳上接外界電源正極，另一管腳接外界電源負極。
3、 根據(jù)權利要求2所述的適用于電弧加熱器的高壓變電柜自動控制裝置，其特征在于所述 的溫度傳感器的輸出端通過數(shù)據(jù)端口經(jīng)由數(shù)據(jù)總線連接DSP單元總線接口；濕度傳感器的輸 出端通過通信端口經(jīng)數(shù)據(jù)總線連接DSP單元總線接口 。
4、 根據(jù)權利要求3所述的適用于電弧加熱器的高壓變電柜自動控制裝置，其特征在于所述 的裝置還包括安裝在電弧加熱器冷卻系統(tǒng)處的流量傳感器，流量傳感器的正極和負極分別接 入流量信號輸入端口管腳，流量輸入端口管腳分別接入A/D轉換器的輸入管腳；A/D轉換器 的電源正極管腳和電源負極管腳分別外接電源回路正極和負極；A/D轉換器的數(shù)字量信號輸 出端通過其數(shù)字端口經(jīng)由數(shù)據(jù)總線連接DSP單元總線接口。
5、 根據(jù)權利要求4所述的適用于電弧加熱器的高壓變電柜自動控制裝置，其特征在于所述 的裝置還包括安裝在電弧加熱器氣源系統(tǒng)進氣處的壓力傳感器，壓力傳感器的信號正極和負 極分別接入壓力信號輸入端口管腳，壓力輸入端口管腳分別接入A/D轉換器的輸入管腳；A/D 轉換器的電源正極管腳和電源負極管腳分別接入裝置的電源回路正極和負極；A/D轉換器的 數(shù)字量信號輸出端通過數(shù)字端口經(jīng)由數(shù)據(jù)總線連接DSP總線接口。
6、 根據(jù)權利要求5所述的適用于電弧加熱器的高壓變電柜自動控制裝置，其特征在于所述 的裝置還包括安裝在電弧加熱器處的漏電電流傳感器，漏電電流傳感器的正極和負極分別接 入漏電電流信號輸入端口管腳，漏電電流輸入端口管腳分別接入A/D轉換器的輸入管腳；A/D 轉換器的電源正極管腳和電源負極管腳分別接入外接電源回路正極和負極；A/D轉換器的數(shù) 字量信號輸出端通過數(shù)字端口經(jīng)由數(shù)據(jù)總線連接DSP單元總線接口。
7、 根據(jù)權利要求6所述的適用于電弧加熱器的高壓變電柜自動控制裝置，其特征在于所述的定時器通過其兩個輸出端口管腳分別連接DSP單元的兩個DSP觸發(fā)端口管腳。
8、根據(jù)權利要求7所述的適用于電弧加熱器的高壓變電柜自動控制裝置，其特征在于所述的DSP單元通過其兩個控制端口管腳連接繼電器；繼電器的控制端管腳直接接入外接電源回路負極，其另一控制端管腳經(jīng)過DSP單元的控制輸出端端口管腳接入裝置電源正極；繼電器輸出端管腳直接接入接觸器的控制端管腳，繼電器的另一個輸入端管腳接入外接電源正極；接觸器的控制端管腳接入外接電源負極，其兩輸出端管腳分別通過控制輸出端口管腳連接高壓變電柜真空開關。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成化高壓變電柜工作狀態(tài)自動控制裝置。它包括DSP，DSP外圍接定時器、溫度傳感器、濕度傳感器、3個A/D轉換器和外接電源回路，DSP輸出的控制信號通過繼電器放大后接入接觸器控制端，接觸器控制端輸出開關量控制高壓變電柜真空開關的通斷。DSP輸出的數(shù)字信號通過MAX芯片轉換后按RS485準則與上位計算機進行通訊。本發(fā)明可以在強磁干擾環(huán)境中正常工作且整體外觀尺寸僅為200×200×100mm，12VDC電源供電。經(jīng)實驗表明，本發(fā)明在10000VAC，12~60℃，2~70％RH，強電磁干擾，以最快1次/S的速度對高壓變電柜所處環(huán)境的溫度、濕度和受電設備(電弧加熱器)的冷卻水流量、進氣壓力和漏電電流等參數(shù)進行監(jiān)測，系統(tǒng)監(jiān)測誤差在2級左右。
文檔編號H05B7/00GK101336017SQ20081006427
公開日2008年12月31日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權日2008年4月11日
發(fā)明者孟松鶴, 張博明, 白光輝, 薛忠剛 申請人:哈爾濱工業(yè)大學