專利名稱：數(shù)控投切開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)控投切開關(guān)。主要用作計(jì)算機(jī)控制、嵌入式系統(tǒng)、電力控制以及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的電容器無功功率補(bǔ)償開關(guān)以及電力通斷控制。屬電器控制元件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活用電負(fù)載中，很多是阻感負(fù)載如異步電動(dòng)機(jī)、變壓器、熒光燈等。阻感負(fù)載工作時(shí)在電力線路中產(chǎn)生了無功功率。無功功率對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生了如下影響1、增加了設(shè)備容量；2、設(shè)備及線路損耗增加；3、使線路及變壓器的電壓降增大，使供電質(zhì)量降低。
為了減小這樣的損耗，因此要對(duì)線路進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。用無功補(bǔ)償電容器是補(bǔ)償無功功率最常用的方法。該方法是通過開關(guān)在線路上并聯(lián)補(bǔ)償電容器。由于該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)方便、補(bǔ)償效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。目前在國內(nèi)外均得以了廣泛的應(yīng)用。但該方法有一個(gè)最大的不足之處就是由于電容上的電壓不能突變，線路上有電壓時(shí)，電容并接到線上瞬間將有一個(gè)較大的充電沖擊電流。單純使用機(jī)械觸點(diǎn)式開關(guān)易造成機(jī)械觸頭的燒蝕、損壞。單純采用電子元件作為開關(guān)由于電路中的高電壓大電流。使電子器件極易損壞，并在切換時(shí)產(chǎn)生諧波。所以又有把機(jī)械開關(guān)和電子器件并聯(lián)形成復(fù)合開關(guān)來進(jìn)行補(bǔ)償電容投切。但在交流電力線路的接通和斷開過程中，由于存在大電流和強(qiáng)電場(chǎng)仍然造成開關(guān)經(jīng)常損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種數(shù)控投切開關(guān)，通過對(duì)機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)接通或斷開時(shí)刻的精確控制，實(shí)現(xiàn)按給定條件控制機(jī)械開關(guān)的觸點(diǎn)閉合或斷開，避免機(jī)械觸點(diǎn)在閉合或斷開時(shí)的較大的沖擊充電電流、延長(zhǎng)觸點(diǎn)使用壽命。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種數(shù)控投切開關(guān)，其特征在于它包括電源電路、投切控制檢測(cè)電路、主控電路、機(jī)械開關(guān)控制電路、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、機(jī)械開關(guān)觸頭以及補(bǔ)償電容，J1為電源電路，電路外接穩(wěn)壓電源接口，1腳為+5V，2腳為+5V地，3腳為+24V，4腳為+24V地，+5V電源供計(jì)算機(jī)電路工作，+24V電源供繼電器電路工作，兩部分電路電氣隔離；二極管D1陰極接+5V，電阻R1一端接D1陽極和J1的1腳，另一端分二路，一路與電阻R2一端連接，另一路接芯片U1的18腳，R2另一端分為二路，一路接+5V地，另一路接芯片O1的4腳；電容C1、芯片O1、二極管D3、電阻R3組成繼電器閉合、斷開控制的信號(hào)投切控制檢測(cè)電路，二極管D3陽極接外部無功補(bǔ)償控制儀的輸出信號(hào)端電壓為+5V，D3陰極與電阻R3一端相連，R3另一端分二路，一路與芯片O1的1腳相連，另一路與電容C1的正極相連，C1的負(fù)極與O1的2腳共同接至外部無功補(bǔ)償控制儀輸出信號(hào)端+5V地，O1的3腳接芯片U1的19腳，芯片U1、電容C3、C4、C6、C7、晶振Y1組成計(jì)算機(jī)主控電路，電容C3一端接J1的1腳，另一端接+5V地，電容C4正極接J1的1腳，另一端接+5V地，電容C6一端接+5V地，另一端與Y1的一端和芯片U1的5腳相連接，電容C7一端接+5V地，另一端與Y1的另一端和U1的4腳相連接，U1的1腳、10腳接+5V地，U1的20腳接J1的1腳，電阻R6、芯片U3、電阻R10、R11、三極管Q2、二極管D4、繼電器J2、二極管D9、三極管Q1、電阻R16、R9、芯片U2、電阻R7、電容C5組成繼電器J2的閉合和斷開機(jī)械開關(guān)控制電路，電阻R6一端接U1的11腳，另一端接U3的2腳，U3的1腳接J1的1腳，U3的3腳接J1的3腳，電阻R10一端接U3的4腳，另一端接三極管Q2的基極，電阻R11一端接U3的4腳，另一端接J1的4腳，Q2的發(fā)射極接J1的4腳，二極管D4的陰極接J1的3腳，D4的陽極接Q2的集電極，繼電器J2的1腳接J1的3腳，J2的2腳接Q2的集電極，J2的3腳接三極管Q1的集電極，二極管D9的陰極接J1的3腳，二極管D9的陽極接Q1的集電極，電阻R16一端接芯片U2的4腳，另一端Q1的基極，電阻R9一端U2的4腳，另一端接J1的4腳，Q1的發(fā)射極接J1的4腳，U2的1腳接J1的1腳，U2的3腳接J1的3腳，U2的2腳與電阻R7一端相連，電阻R7的另一端接U1的9腳，電容C5的正極接J1的3腳，電容C5的負(fù)極接J1的4腳；芯片U5、二極管D5、D2、電阻R12組成電壓過零檢測(cè)電路，芯片U5的3腳接U1的16腳，U5的4腳接J1的2腳，二極管D5的陰極接U5的1腳，D5的陽極接U5的2腳，二極管D2的陰極接U5的1腳，D2的陽極接R12的一端，R12的另一端接J2的4腳，U5的2腳接J1的5腳；電感L1、電阻R13、芯片U4、電容D6組成電流過零檢測(cè)電路，芯片U4的3腳接U1的17腳，U4的4腳接J1的2腳，U4的1腳接電容D6的陰極，U4的2腳接電容D6的陽極，電阻R13的一端接D6的陰極，另一端接電感L1的一端，電感L1的另一端接D6的陽極；電容C9、電阻R8組成吸收電路，電容C9的一端接J2的4腳，另一端與電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端接J2的5腳。
本發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)在于電路控制原理和電路實(shí)現(xiàn)形式。
本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于1)開關(guān)的機(jī)械觸頭上不并接任何開關(guān)元件；2)通過檢測(cè)電路的電壓和電流參數(shù)直接控制機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)的接通和斷開。
3、弱電電路和強(qiáng)電電路完全隔離。
本發(fā)明與同類產(chǎn)品相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、在開關(guān)內(nèi)部由于不需并聯(lián)電力器件，從而從根本上解決了電力器件損壞的問題。
2、由于不需要并聯(lián)電力器件，省去了電力器件及其保護(hù)電路，使得生產(chǎn)及維護(hù)成本下降。
3、在用戶使用過程中由于不需在線路中串接電感器件，降低了線路復(fù)雜程度。降低了用戶使用成本和維護(hù)成本，提高了可靠性。
4、由于并聯(lián)電容器的補(bǔ)償方法與其它補(bǔ)償方法相比簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，方便靈活，補(bǔ)償效果顯著。


圖1為本發(fā)明的電路組成方框圖。
圖2為本發(fā)明的電路原理圖。
圖3為波形圖，顯示了數(shù)控繼電器工作過程中各部分波形。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，本發(fā)明數(shù)控投切開關(guān)，主要由電源電路、投切控制檢測(cè)電路、主控電路、機(jī)械開關(guān)控制電路、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、機(jī)械開關(guān)觸頭以及補(bǔ)償電容組成。
參見圖2，J1為電源電路，電路外接穩(wěn)壓電源接口。1腳為+5V，2腳為+5V地，3腳為+24V，4腳為+24V地。+5V電源供計(jì)算機(jī)電路工作，+24V電源供繼電器電路工作，兩部分電路電氣隔離。
二極管D1陰極接+5V，電阻R1一端接D1陽極和J1的1腳，另一端分二路，一路與電阻R2一端連接，另一路接芯片U1的18腳，R2另一端分為二路，一路接+5V地，另一路接芯片O1的4腳。
電容C1、芯片O1、二極管D3、電阻R3組成繼電器閉合、斷開控制的信號(hào)投切控制檢測(cè)電路。二極管D3陽極接外部無功補(bǔ)償控制儀的輸出信號(hào)端電壓為+5V，D3陰極與電阻R3一端相連，R3另一端分二路，一路與芯片O1的1腳相連，另一路與電容C1的正極相連，C1的負(fù)極與O1的2腳共同接至外部無功補(bǔ)償控制儀輸出信號(hào)端+5V地。O1的3腳接芯片U1的19腳。當(dāng)通過D3輸入+5V控制信號(hào)時(shí)，繼電器閉合。輸入信號(hào)為0時(shí)，繼電器斷開。
芯片U1、電容C3、C4、C6、C7、晶振Y1組成計(jì)算機(jī)主控電路。電容C3一端接+5V(J1的1腳)，另一端接+5V地，電容C4正極接+5V(J1的1腳)，另一端接+5V地，電容C6一端接+5V地，另一端與Y1的一端和U1的5腳相連接，電容C7一端接+5V地，另一端與Y1的另一端和U1的4腳相連接，U1的1腳、10腳接+5V地，U1的20腳接+5V(J1的1腳)，當(dāng)U1的P1.7(U1的19腳)為低電平，U1的P1.4(U1的16腳)為高電平時(shí)，U1的P3.7(U1的11腳)輸出低電平，控制繼電器J2觸點(diǎn)閉合，當(dāng)U1的P1.7(U1的19腳)、U1的P1.5(U1的17腳)為高電平時(shí)，U1的P3.5(U1的9腳)輸出低電平，控制繼電器J2觸點(diǎn)斷開。
電阻R6、芯片U3、電阻R10、R11、三極管Q2、二極管D4、繼電器J2、二極管D9、三極管Q1、電阻R16、R9、芯片U2、電阻R7、電容C5組成繼電器J2的閉合和斷開機(jī)械開關(guān)控制電路。U1的P3.7(U1的11腳)輸出低電平時(shí)繼電器J2閉合。U1的P3.5(U1的9腳)輸出低電平時(shí)繼電器J2斷開。電阻R6一端接U1的11腳，另一端接U3的2腳，U3的1腳接J1的1腳，U3的3腳接J1的3腳，電阻R10一端接U3的4腳，另一端接三極管Q2的基極，電阻R11一端接U3的4腳，另一端接J1的4腳，Q2的發(fā)射極接J1的4腳，二極管D4的陰極接J1的3腳，D4的陽極接Q2的集電極，繼電器J2的1腳接J1的3腳，J2的2腳接Q2的集電極，J2的3腳接三極管Q1的集電極，二極管D9的陰極接J1的3腳，二極管D9的陽極接Q1的集電極，電阻R16一端接芯片U2的4腳，另一端Q1的基極，電阻R9一端U2的4腳，另一端接J1的4腳，Q1的發(fā)射極接J1的4腳，U2的1腳接J1的1腳，U2的3腳接J1的3腳，U2的2腳與電阻R7一端相連，電阻R7的另一端接U1的P3.5(U1的9腳)，電容C5的正極接J1的3腳，電容C5的負(fù)極接J1的4腳。
芯片U5、二極管D5、D2、電阻R12組成電壓過零檢測(cè)電路，電路電壓過零時(shí)U1的P1.4(U1的16腳)為高電平。芯片U5的3腳接U1的P1.4(U1的16腳)，U5的4腳接J1的2腳，二極管D5的陰極接U5的1腳，D5的陽極接U5的2腳，二極管D2的陰極接U5的1腳，D2的陽極接R12的一端，R12的另一端接J2的4腳，U5的2腳接J1的5腳。
電感L1、電阻R13、芯片U4、電容D6組成電流過零檢測(cè)電路，電路電流為零時(shí)，U1的P1.5(U1的17腳)為高電平。芯片U4的3腳接U1的P1.5(U1的17腳)，U4的4腳接J1的2腳，U4的1腳接電容D6的陰極，U4的2腳接電容D6的陽極，電阻R13的一端接D6的陰極，另一端接電感L1的一端，電感L1的另一端接D6的陽極。
電容C9、電阻R8組成吸收電路，電容C9的一端接J2的4腳，另一端與電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端接J2的5腳。
本發(fā)明的主要控制芯片單片機(jī)可用數(shù)字信號(hào)處理器等替代。
電路工作過程參見圖31、起始時(shí)開關(guān)上電壓Vk的電路電壓Vs相等，電容C上電壓Vc為0，電路中電流Ic為0。
2、在t1時(shí)刻開關(guān)閉合，電容C上電壓Vc和電路電壓Vs相等。開關(guān)上電壓Vk為0。電容C上有一個(gè)從0開始的充電電源。
3、在t2時(shí)刻電路電壓和電容上電壓達(dá)到負(fù)的最大值，電容充電電流為0。
4、在t3時(shí)刻電路電壓過零點(diǎn)，電容C的正向充電電流達(dá)最大值。
5、在t4時(shí)刻電容電流為0時(shí)開關(guān)斷開。電容C電流為0，電容的電壓由于反向充電而達(dá)到最大值。電路中開關(guān)上電壓由電容上電壓和線路中電壓迭加，反向達(dá)到2倍線路最大值。
6、在開關(guān)斷開之后，隨著電容C逐漸放電，Vc逐漸減小。開關(guān)上電壓Vk電平逐漸向上抬，漸漸和電路電壓Vs相等。
附術(shù)語解釋無功功率在正弦電路中，負(fù)載是線性的，電路中的電壓和電流都是正弦波。設(shè)電壓和電流可分別表示為u＝U sin ωti＝I sin(ωt-)＝I cossin ωt-I sincosωt式中-電流滯后電壓的相角。
電流i被分解為和電壓同相位的分量ip和比電壓滯后90°的分量iq。
ip和iq分別為
ip＝I cossinωtiq＝-I sincosωt電路的有功率P就是其平均功率。
P=12π∫02πuid(ωt)=12π∫02π(uip+uiq)d(ωt)]]> 電路的無功功率定義為 Q＝UIsin無功補(bǔ)償為了消除無功功率而采取的措施。
電力器件一般指可耐受高電壓、大電流的電子器件。常用于電力控制場(chǎng)合。
電容投切為了減小無功功率而在電路中加接補(bǔ)償電容器，電容接入電路的過程稱投入、電容從電路中斷開的過程稱切除。一般將電容這樣的工作過程稱為電容投切。
復(fù)合開關(guān)一般指由機(jī)械觸頭組成的開關(guān)和電子器件組成的并聯(lián)開關(guān)，由此而形成的開關(guān)控制裝置稱為復(fù)合開關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控投切開關(guān)，其特征在于它包括電源電路、投切控制檢測(cè)電路、主控電路、機(jī)械開關(guān)控制電路、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、機(jī)械開關(guān)觸頭以及補(bǔ)償電容，J1為電源電路，電路外接穩(wěn)壓電源接口，1腳為+5V，2腳為+5V地，3腳為+24V，4腳為+24V地，+5V電源供計(jì)算機(jī)電路工作，+24V電源供繼電器電路工作，兩部分電路電氣隔離；二極管D1陰極接+5V，電阻R1一端接D1陽極和J1的1腳，另一端分二路，一路與電阻R2一端連接，另一路接芯片U1的18腳，R2另一端分為二路，一路接+5V地，另一路接芯片O1的4腳；電容C1、芯片O1、二極管D3、電阻R3組成繼電器閉合、斷開控制的信號(hào)投切控制檢測(cè)電路，二極管D3陽極接外部無功補(bǔ)償控制儀的輸出信號(hào)端電壓為+5V，D3陰極與電阻R3一端相連，R3另一端分二路，一路與O1的1腳相連，另一路與電容C1的正極相連，C1的負(fù)極與O1的2腳共同接至外部無功補(bǔ)償控制儀輸出信號(hào)端+5V地，O1的3腳接芯片U1的19腳，芯片U1、電容C3、C4、C6、C7、晶振Y1組成計(jì)算機(jī)主控電路，電容C3一端接J1的1腳，另一端接+5V地，電容C4正極接J1的1腳，另一端接+5V地，電容C6一端接+5V地，另一端與Y1的一端和U1的5腳相連接，電容C7一端接+5V地，另一端與Y1的另一端和U1的4腳相連接，U1的1腳、10腳接+5V地，U1的20腳接J1的1腳，電阻R6、芯片U3、電阻R10、R11、三極管Q2、二極管D4、繼電器J2、二極管D9、三極管Q1、電阻R16、R9、芯片U2、電阻R7、電容C5組成繼電器J2的閉合和斷開機(jī)械開關(guān)控制電路，電阻R6一端接U1的11腳，另一端接U3的2腳，U3的1腳接J1的1腳，U3的3腳接J1的3腳，電阻R10一端接U3的4腳，另一端接三極管Q2的基極，電阻R11一端接U3的4腳，另一端接J1的4腳，Q2的發(fā)射極接J1的4腳，二極管D4的陰極接J1的3腳，D4的陽極接Q2的集電極，繼電器J2的1腳接J1的3腳，J2的2腳接Q2的集電極，J2的3腳接三極管Q1的集電極，二極管D9的陰極接J1的3腳，二極管D9的陽極接Q1的集電極，電阻R16一端接芯片U2的4腳，另一端Q1的基極，電阻R9一端U2的4腳，另一端接J1的4腳，Q1的發(fā)射極接J1的4腳，U2的1腳接J1的1腳，U2的3腳接J1的3腳，U2的2腳與電阻R7一端相連，電阻R7的另一端接U1的9腳，電容C5的正極接J1的3腳，電容C5的負(fù)極接J1的4腳；芯片U5、二極管D5、D2、電阻R12組成電壓過零檢測(cè)電路，芯片U5的3腳接U1的16腳，U5的4腳接J1的2腳，二極管D5的陰極接U5的1腳，D5的陽極接U5的2腳，二極管D2的陰極接U5的1腳，D2的陽極接R12的一端，R12的另一端接J2的4腳，U5的2腳接J1的5腳；電感L1、電阻R13、芯片U4、電容D6組成電流過零檢測(cè)電路，芯片U4的3腳接U1的17腳，U4的4腳接J1的2腳，U4的1腳接電容D6的陰極，U4的2腳接電容D6的陽極，電阻R13的一端接D6的陰極，另一端接電感L1的一端，電感L1的另一端接D6的陽極；電容C9、電阻R8組成吸收電路，電容C9的一端接J2的4腳，另一端與電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端接J2的5腳。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)控投切開關(guān)，用作計(jì)算機(jī)控制等領(lǐng)域的電容器無功功率補(bǔ)償開關(guān)以及電力通斷控制。包括電源電路、投切控制檢測(cè)電路、主控電路、機(jī)械開關(guān)控制電路、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、機(jī)械開關(guān)觸頭以及補(bǔ)償電容，C1、O1、D3、R3組成信號(hào)投切控制檢測(cè)電路，U1、C3、C4、C6、C7、Y1組成計(jì)算機(jī)主控電路，R6、U3、R10、R11、Q2、D4、J2、D9、Q1、R16、R9、U2、R7、C5組成繼電器J2的閉合和斷開機(jī)械開關(guān)控制電路；U5、D5、D2、R12組成電壓過零檢測(cè)電路；L1、R13、U4、D6組成電流過零檢測(cè)電路；C9、R8組成吸收電路。本發(fā)明通過對(duì)機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)接通或斷開時(shí)刻的精確控制，實(shí)現(xiàn)按給定條件控制機(jī)械開關(guān)的觸點(diǎn)閉合或斷開，延長(zhǎng)了觸點(diǎn)使用壽命。
文檔編號(hào)H02J3/18GK1933069SQ20061009618
公開日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2006年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月26日
發(fā)明者陳建榮, 范潮, 陳金華 申請(qǐng)人:陳建榮