新型的带温控的多功能编码开关的制作方法
新型的带温控的多功能编码开关的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种新型的带温控的多功能编码开关，包括主控MCU、磁保持继电器、备用磁保持继电器、工作电源模块、数据存储器、温度采集模块、交流采集模块、电流互感器、电压互感器和开关驱动电路，其特征在于，所述的工作电源模块、数据存储器和温度采集模块分别与主控MCU连接，主控MCU通过一开关驱动电路连接磁保持继电器，主控MCU通过另一开关驱动电路连接备用磁保持继电器，主控MCU通过交流采集模块分别与电流互感器和电压互感器连接。也可以实时采集电容器运行时的温度值，在温度超限的情况下，强行退出电容投入，防止电容器温度过高，造成电容器出现爆裂或烧毁等故障。
【专利说明】新型的带温控的多功能编码开关
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种开关，尤其涉及一种新型的带温控的多功能编码开关。
【背景技术】
[0002] 在电力行业中低压成套装置中电容器的投切开关即复合开关，由于复合开关采用 可控硅与磁保持继电器并接，实现电压过零导通和电流过零切断，使复合开关在接通和断 开的瞬间具有可控硅开关过零投切的优点。其实现方法是：投入时是在电压过零瞬间可控 硅先过零触发，然后再将磁保持继电器吸合导通；而切除时是先将磁保持继电器断开，可控 硅延时过零断开，从而实现电流过零切除。因此复合开关对磁保持继电器的电气性能及工 艺要求相当高。而现有市面上的磁保持继电器还未能达到相应的要求，由于磁保持继电器 触点容量低容易出现吸蚀现象，同时磁保持继电器的机械结构决定了其动作的不稳定性； 可控硅是属于功率型半导体元件，对使用时的电压电流条件要求苛刻，一旦电压电流出现 较大波动时导致可控硅损坏或烧毁现象；因此造成现有市面上的复合开关还存在着应用方 面的先天不足。本实用新型是针对可控硅和磁保持继电器在低压成套装置应用方面存在的 先天不足而精心研制开发的一种最新科技成果。
【发明内容】
[0003] 本实用新型的目的在于，针对上述发现的问题，提供一种新型的带温控的多功能 编码开关，实现了以单片机快速计算过零投切时刻点，确保了磁保持继电器来控制电容器 的过零投切，代替传统的采用可控硅与磁保持继电器并接作为过零投切，解决了可控硅容 易出现损坏和烧毁的现象。它即可以监测电力电容器的投入电流值，实时上报电容器的容 值损耗确保电容器的利用率。也可以实时采集电容器运行时的温度值，在温度超限的情况 下，强行退出电容投入；又可以实时采集在电容投入时的电流值，在电流值超出电容额定电 流2倍时，强行退出电容投入；还可以在切除电容时，实时监测各个开关通道的电流值，在 判定磁保持继电器吸合的故障状态下，强行断开备用的磁保持继电器，避免电容长期处于 投入状态，是一种具有高安全性，高可靠性的新型的带温控的多功能编码开关。
[0004] 本实用新型的目的可以这样实现的，所述的新型的带温控的多功能编码开关，包 括主控MCU、磁保持继电器、备用磁保持继电器、工作电源模块、数据存储器、温度采集模 块、交流采集模块、电流互感器、电压互感器和开关驱动电路，其特点为所述的工作电源模 块、数据存储器和温度采集模块分别与主控MCU连接，主控MCU通过一开关驱动电路连接磁 保持继电器，主控MCU通过另一开关驱动电路连接备用磁保持继电器，主控MCU通过交流采 集模块分别与电流互感器和电压互感器连接。
[0005] 本实用新型的结构特点中包含了多个（l~n)磁保持继电器、多个（l~n)备用磁保 持继电器、开关驱动电路、工作电源模块、数据存储器、温度采集模块、LED指示灯显示模块、 485通讯模块、交流采集模块、多个（l~n)电流互感器、多个（l~n)电压互感器和开关驱动 电路。所述的多个（Γη)磁保持继电器是在驱动电路控制下作为电容器的投切开关；所述 的多个（l~n)备用磁保持继电器是作为保护开关使用，在电容切除时，实时监测各个开关通 道的电流值，在判定用于投切使用的磁保持继电器吸合的故障状态下，强行断开备用的磁 保持继电器，避免电容长期处于投入状态，保护设备可靠运行；所述的工作电源模块是将交 流220V作为电源输入，经过电源模块转换成多路直流电压供给个电路模块使用；所述的数 据存储器是用于对各种实时与历史运行数据进行存储；所述的温度采集模块是采集电容器 自身的温度值，在温度超限的情况下，强行退出电容投入；所述的LED指示灯显示模块是包 括工作电源和投切信号指示灯，可以通过指示灯观察本实用新型所述的新型的带温控的多 功能编码开关是否正常工作以及电容器投切情况；所述的485通讯模块是用于与外接控制 设备的数据通讯与信息交换；所述的交流采集模块包括电能计量芯片和信号处理电路，电 能计量芯片采用高精度AD芯片，高精度AD芯片作为电压电流计量使用，信号处理电路的 作用是将输入的电压电流信息调理成高精度AD芯片内能做精确模拟数字转换及计算的信 号，再将结果定时传送给主控MCU，主要是采集电流、相电压、线电压、电容器电压、电容投入 电流等数据参数用于判断电压过零投入及电流过零断开以及电容器损耗参数计算；所述的 多个（Γη)电流互感器是用于采集电容投入时的电流，在电流值超出电容额定电流2倍时， 强行退出电容投入，同时投入的电流也可以作为计算电容器损耗的一个参数；所述的多个 (1~η)电压互感器是用于采集相电压、线电压、电容器电压等参数可以作为判断电压过零及 计算电容器损耗的依据。
[0006] 本实用新型的优点：
[0007] 本实用新型在正常通电运行时，主控MCU在首次控制磁保持继电器进行投切动作 时，主控MCU能够准确的记录磁保持继电器在发出闭合或断开指令的时刻点以及磁保持继 电器真正闭合或断开的时刻点，并计算出磁保持继电器在闭合与断开时的行程时间。由于 每个磁保持继电器的投切行程时间各异，采用本实用新型的计算方法，能够根据不同磁保 持继电器的投切行程时间，主控MCU计算并提前发出驱动信号，以便磁保持继电器能够在 正确的时刻正常动作。
[0008] 本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关，可以通过温度采集模块实 时采集电容器的温度值，当采集的温度值超出预置的参数时(参数可根据实际运行环境设 置)，本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关中的备用磁保持继电器强行断开， 防止电容器温度过高，造成电容器出现爆裂或烧毁等故障。
[0009] 本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关，可以通过多个（1~η)电流互 感器及交流采集模块实时采集电容器投入时的电流值，在电流值超出电容额定电流2倍 时，在本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关中的备用磁保持继电器强行断 开，强行退出电容投入，保护设备可靠运行。
[0010] 本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关，可以在切除电容时，实时监 测各个开关通道的电流值，在判定磁保持继电器吸合的故障状态下，在本实用新型所述的 新型的带温控的多功能编码开关中的备用磁保持继电器强行断开，避免电容长期处于投入 状态。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是本实用新型实施例的新型的带温控的多功能编码开关的结构图。
[0012] 图1-1是图1中没有安装485通讯模块的电路原理框图。
[0013] 图1-2是图1中没有安装温度采集模块的电路原理框图。
[0014] 图1-3是图1中没有安装备用磁保持继电器的电路原理框图。
[0015] 图2是本实用新型实施例的新型的带温控的多功能编码开关的电压过零闭合及 行程时间曲线图。
[0016] 图3是本实用新型实施例的新型的带温控的多功能编码开关的电流过零断开及 行程时间曲线图。
[0017] 图4是本实用新型实施例的新型的带温控的多功能编码开关的工作原理框图。
[0018] 图5是本实用新型实施例的新型的带温控的多功能编码开关的保护电路工作原 理框图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例对本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关的 工作原理及工作过程进行详细说明：
[0020] 如图1所示，是本实用新型所述实施例的新型的带温控的多功能编码开关的结构 图。包括主控MCU，多个(可以是l~n)磁保持继电器，多个(可以是l~n)备用磁保持继电器， 工作电源模块，数据存储器，温度采集模块，LED指示灯显示模块，485通讯模块，交流采集 模块，多个(可以是l~n)电流互感器，多个(可以是l~n)电压互感器，开关驱动电路。本实 用新型所述的η为自然数。所述的工作电源模块、数据存储器、温度采集模块、LED指示灯 显示模块和485通讯模块分别与主控MCU连接，主控MCU通过一开关驱动电路连接磁保持 继电器，主控MCU通过另一开关驱动电路连接备用磁保持继电器，主控MCU通过交流采集模 块分别与电流互感器和电压互感器连接。本实用新型应用时如图5所示，备用磁保持继电 器一方面接到A线、B线、C线、N线，另一方面与磁保持继电器连接，磁保持继电器接到电力 电容器上。本实用新型下述的电容器指"电力电容器"。
[0021] 1)主控MCU :采用现有市售产品，完成传输与控制、并发出控制信号驱动磁保持继 电器进行投切动作，这些校准分析及计算程序为一般技术人员能实现的。
[0022] 2)多个（l~n)磁保持继电器：采用现有市售产品，作为电力行业中低压成套装置 中电容器的投切元件。
[0023] 3)多个（Γη)备用磁保持继电器：采用现有市售产品，充当一种开关元件，在判定 磁保持继电器吸合的故障状态下，本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关中的 备用磁保持继电器强行断开，避免电容长期处于投入状态，为一般技术人员能实现的。
[0024] 4)工作电源模块：交流220V作为电源输入，经过电源模块转换成多路直流电压供 给个电路模块使用，其中主控MCU、数据存储器，485通讯模块工作电源为3. 3V直流电压，交 流采集模块工作电压为5V，投切开关控制模块工作电压为12V。这些工作电源模块为一般 技术人员能实现的。
[0025] 5)数据存储器：此模块对各种实时与历史运行数据进行存储，可以采用各类存储 介质，为现有技术。
[0026] 6)温度采集模块：采用市售的ptlOO钼电阻，外接直接置于电容器表面可以快速 响应温度变化，所述的ptlOO钼电阻为现有市售产品。
[0027] 7) LED指示灯显示模块：包括工作电源和投切信号指示灯，指示灯显示的内容包 含本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关的工作状态以及电容器投切状态。
[0028] 8) 485通讯模块：此模块是对外接控制设备进行数据通讯与信息交换，为现有技 术。
[0029] 9)交流采集模块：包括电能计量芯片和信号处理电路，电能计量芯片采用高精度 AD芯片，高精度AD芯片作为电压电流计量使用，信号处理电路的作用是将输入的电压电流 信息调理成高精度AD芯片内能做精确模拟数字转换及计算的信号，再将结果定时传送给 主控MCU，为一般技术人员能实现的。
[0030] 10)多个（l~n)电流互感器：采用现有市售产品，用于采集电容投入时的电流，线 电流、相电流等。
[0031] 11)多个（l~n)电压互感器：采用现有市售产品，用于采集相电压、线电压、电容器 电压等参数可以作为判断电压过零及计算电容器损耗的依据。
[0032] 12)开关驱动电路：此模块为一般开关电路，当主控MCU发出控制信号指令时，经 工作电源模块提供12V的直流电压供给开关电路使用，使得开关电路闭合，这些开关电路 为一般技术人员能实现的。
[0033] 如图1-1所示，是图1中没有安装485通讯模块的电路原理框图。本实用新型可 以不安装485通讯模块，此时本实用新型的结构就不具有485通讯模块功能，但本实用新型 还能实现本实用新型的目的，只是不能通过网络传输数据了。
[0034] 如图1-2所示，是图1中没有安装温度采集模块的电路原理框图。本实用新型可 以不安装温度采集模块，此时本实用新型的结构就不具有温度采集模块功能，但本实用新 型还能实现本实用新型的目的，只是不具有温度报警功能以及防止电容器温度过高，出现 爆裂或烧毁等故障。
[0035] 如图1-3所示，是图1中没有安装备用磁保持继电器的电路原理框图。本实用新型 可以不安装备用磁保持继电器，此时本实用新型的结构就不具有备用磁保持继电器功能， 但本实用新型还能实现本实用新型的目的，只是不具有强行断开多个（Γη)备用磁保持继 电器，防止电容器温度过高，出现爆裂或烧毁等故障的功能。
[0036] 如图2所示的是本实用新型实施例的本实用新型所述的新型的带温控的多功能 编码开关的电压过零闭合及行程时间曲线图，其中h为主控MCU首次发出的闭合指令的时 刻点，t 2为磁保持继电器驱动电路接收闭合指令且磁保持继电器真正闭合的时刻点，Λ心 为磁保持继电器闭合的行程时间(单位ms)，Ta为首次检测到的电压过零的时刻点，由于工 频交流电源的周期是20ms，在一个工频周期里，电源电压过零会出现2次过零时刻，因此 Ta+10为第二次检测到的电压过零的时刻点(单位ms )，?\为第二次检测到电压过零时刻点， 即主控MCU发出磁保持继电器的闭合指令的时刻点。
[0037] 如图3所示的是本实用新型实施例的本实用新型所述的新型的带温控的多功能 编码开关的电流过零断开及行程时间曲线图，其中t 3为主控MCU首次发出的断开指令的时 刻点，t4为磁保持继电器驱动电路接收断开指令且磁保持继电器真正断开的时刻点，Λ t2 为磁保持继电器断开的行程时间(单位ms)，Tb为首次检测到的电流过零的时刻点，由于工 频交流电源的周期是20ms，在一个工频周期里，电源电流过零会出现2次过零时刻，Tb+10 为第二次检测到的电流过零的时刻点（单位ms)，T 2为第二次检测到电流过零时，主控MCU 发出磁保持继电器的断开指令的时刻点。
[0038] 结合图1、图2、图3所示，为了计算出磁保持继电器闭合的行程时间即Λ h、磁保 持继电器断开的行程时间即Λ t2、主控MCU发出磁保持继电器的闭合指令时刻点?\以及主 控MCU发出磁保持继电器的断开指令的时刻点Τ 2。若主控MCU发出控制闭合指令驱动开关 驱动电路闭合磁保持继电器，在这个过程中数据存储器存储主控MCU发出控制闭合指令的 时刻点h，数据存储器存储磁保持继电器闭合时刻点t 2。当数据存储器存储完h和t2后， 主控MCU计算出的磁保持继电器闭合的行程时间即Λ Wh，此时数据存储器继续存储 主控MCU计算出的磁保持继电器闭合的行程时间Λ h。当交流采集模块检测到第一次电压 过零时刻点Ta后，主控MCU开始计算发出磁保持继电器的闭合指令时刻点TfTa+lO- Λ &， 主控MCU控制在?\时刻时发出磁保持继电器的闭合指令驱动电器驱动电路进行闭合动作， 确保磁保持继电器在Ta+ΙΟ该时刻点过零投切。数据存储器存储常量Λ h和变量?\作为 闭合磁保持继电器的计算参数，以便本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关进 行闭合磁保持继电器时使用。若主控MCU发出控制断开指令驱动开关驱动电路断开磁保持 继电器，在这个过程中数据存储器存储主控MCU发出控制断开指令的时刻点t 3，数据存储器 存储磁保持继电器断开时刻点t4。当数据存储器存储完t3和t 4后，主控MCU计算出的磁保 持继电器断开的行程时间即At2=t4-t 3，此时数据存储器继续存储主控MCU计算出的磁保 持继电器断开的行程时间Λ t2。当交流采集模块检测到第一次电流过零时刻点Tb后，主控 MCU开始计算发出磁保持继电器的断开指令时刻点T2=Tb+10- Λ t2，主控MCU控制在T2时 刻时发出磁保持继电器的断开指令驱动电器驱动电路进行断开动作，确保磁保持继电器在 Tb+ΙΟ该时刻点过零投切。数据存储器存储常量Λ t2和变量Τ2作为断开磁保持继电器的 计算参数，以便本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关进行断开磁保持继电器 时使用。
[0039] 当本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关中的交流采集模块检测到 电压过零点时刻Ta且需要闭合磁保持继电器时，主控MCU调用数据存储器存储的常量Λ h 和变量?\作为闭合磁保持继电器的计算参数，计算出此时检测到电压过零投入时的时刻点 为T^Ta+lO- Λ h，主控MCU将控制在?\时刻时发出磁保持继电器的闭合指令驱动电器驱 动电路进行闭合动作。当交流采集模块检测到电流过零点时刻Tb且需要断开磁保持继电 器时，主控MCU调用数据存储器存储的常量Λ t2和变量T2作为断开磁保持继电器的计算参 数，计算出此时检测到电压过零断开时的时刻点为T 2=Tb+10- Λ t2。主控MCU将控制在Τ2 时刻时发出磁保持继电器的断开指令驱动电器驱动电路进行断开动作。
[0040] 如图4所示，是本实用新型所述实施例的本实用新型所述的新型的带温控的多功 能编码开关的工作原理框图。其中Α线、Β线、C线、Ν线分别通过铜导线连接至本实用新型 所述的新型的带温控的多功能编码开关A、B、C、N端口，工作电源模块将采集的交流220V作 为电源输入，经过电源模块转换成多路直流电压供给个电路模块使用，其中主控MCU、数据 存储器，485通讯模块工作电源为3. 3V直流电压，交流采集模块工作电源为5V直流电压，投 切开关控制模块工作电源为12V直流电压。
[0041] 如图5所示，是本实用新型所述实施例的本实用新型所述的新型的带温控的多功 能编码开关的保护电路工作原理框图，为了保证设备可靠安全运行，为了加强电力电容器 的使用寿命，本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关增加了多个（Γη)备用磁 保持继电器作为保护开关使用。当本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关正常 工作时，多个（l~n)备用磁保持继电器处于常闭状态，电容器的投切是通过控制多个（l~n) 磁保持继电器的通断实现。当温度采集模块实时采集电容器的温度值超出预置的参数时 (参数可根据实际运行环境设置)，主控MCU分析比较后通过I/O 口发出逻辑控制信号，经开 关驱动电路转换为具有驱动多个（Γη)备用磁保持继电器动作能力的控制信号中，强行断 开多个（1~η)备用磁保持继电器，防止电容器温度过高，出现爆裂或烧毁等故障。当交流采 集模块中的多个（Γη)电流互感器实时采集的电容器投入时电流值超出电容器额定电流2 倍时，主控MCU分析比较后通过I/O 口发出逻辑控制信号，经开关驱动电路转换为具有驱 动多个（Γη)备用磁保持继电器动作能力的控制信号中，强行断开多个（Γη)备用磁保持 继电器，保护多个（Γη)磁保持继电器的可靠动作。当设备切除电容时，交流采集模块中的 多个（1~η)电流互感器实时监测各个开关通道的电流值，若还存在投入时的电流值时，即判 定多个（1~η)磁保持继电器出现吸合的故障，此时主控MCU通过I/O 口发出逻辑控制信号， 经开关驱动电路转换为具有驱动多个（Γη)备用磁保持继电器动作能力的控制信号中，强 行断开多个（1~η)备用磁保持继电器避免电容器长期处于投入状态。因此通过增加多个 (Γη)备用磁保持继电器来作为保护开关，能够提高本实用新型所述的新型的带温控的多 功能编码开关运行的安全性、可靠性。
[0042] 结合图4、图5所示，当Α线、Β线、C线、Ν线及电容器分别接入本实用新型所述 的新型的带温控的多功能编码开关的相应的接线端子上时，本实用新型所述的新型的带温 控的多功能编码开关中的交流采集模块实时采集线路电压、电流和电容器运行数据，通过 其信号处理电路调理后送入电能计量芯片，主控MCU通过SPI通信总线控制电能计量芯片 (数据采集模块芯片）对该信号做精确模拟数字转换及计算，以便获得相电压、线电压、电容 电压、投入电流等信息，再通过SPI通信总线将相电压、线电压、电容电压、投入电流等信息 定时传送给主控MCU，主控MCU把计算出合适的投切策略由I/O 口发出逻辑控制信号，经开 关驱动电路转换为具有驱动磁保持继电器动作能力的控制信号，驱动相应通道的磁保持继 电器通断。由于每个磁保持继电器的闭合和断开的行程时间各异，为了保证磁保持继电器 在接点的动作时刻点准确，本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关将通过主控 MCU准确计算各个磁保持继电器的断开和闭合行程时间，并存储在数据存储器中。当本实用 新型所述的新型的带温控的多功能编码开关的交流采集模块检测到电压过零点时刻Ta且 需要闭合磁保持继电器时，主控MCU调用数据存储器存储的常量Λ h和变量?\作为闭合磁 保持继电器的计算参数，计算出此时检测到电压过零投入时的时刻点为Ka+lO-Λ心，主 控MCU将控制在?\时刻时发出磁保持继电器的闭合指令开关驱动电路进行闭合动作。当交 流采集模块检测到电流过零点时刻Tb且需要断开磁保持继电器时，主控MCU调用数据存储 器存储的常量Λ t2和变量T2作为断开磁保持继电器的计算参数，计算出此时检测到电压过 零断开时的时刻点为T 2=Tb+10- Λ t2。主控MCU将控制在Τ2时刻时发出磁保持继电器的断 开指令开关驱动电路进行断开动作。同时主控MCU将根据磁保持继电器实际闭合与断开的 情况由I/O 口发出控制信号，经LED指示灯显示模块电路控制LED指示灯的显示状态，来指 示本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关的工作状态以及电容器投切状态。本 实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关的交流采集模块连接了多个（l~n)电流互 感器和多个（Γη)电压互感器，可以实时采集线路的相电压、线电压，电容器的电容电压及 投切电流等信息反馈至主控MCU，通过采集的这些信息，可以认为的计算出电容器实际运行 后的损耗。若经交流采集模块采集的电容电压为U，线电压为UAB，UB。，Ua，电容器投切电流 Iab，IBC，ICA，则可以计算电容实际的投入容量％=UabXIab +UbcXIbc+UcaXIca。根据电容器额 定容量Qe可以知道，电容器未出现损耗时的投入量Q cl=QeX (U/Ue)2,（其中U是采集的电 容电压，Ue是电力电容器的额定电压)，这样可以计算出损耗系数i3=Q c/Qa。由于当电容器 损耗值达到1/3时，电容器的利用率降低，在成套装置中利用电容器作为补偿的效果下降， 当电容器损耗值达到2/3时，电容器的输出电流加大，电容器的发热量高，电容器容易出现 安全隐患，因此在检测电容器的损耗系数β具有发明创造意义。
【权利要求】
1. 一种新型的带温控的多功能编码开关，包括主控MCU、磁保持继电器、备用磁保持继 电器、工作电源模块、数据存储器、温度采集模块、交流采集模块、电流互感器、电压互感器 和开关驱动电路，所述主控MCU完成传输与控制、并发出控制信号驱动磁保持继电器进行 投切动作，其特征在于，所述的工作电源模块、数据存储器和温度采集模块分别与主控MCU 连接，主控MCU通过一开关驱动电路连接磁保持继电器，主控MCU通过另一开关驱动电路连 接备用磁保持继电器，主控MCU通过交流采集模块分别与电流互感器和电压互感器连接。
【文档编号】H02J3/18GK203839954SQ201420011359
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年1月8日 优先权日:2014年1月8日
【发明者】易智勇, 傅宇宏, 郭毓斌, 王功焰 申请人:福建阳谷智能技术有限公司
【专利摘要】本实用新型公开一种新型的带温控的多功能编码开关，包括主控MCU、磁保持继电器、备用磁保持继电器、工作电源模块、数据存储器、温度采集模块、交流采集模块、电流互感器、电压互感器和开关驱动电路，其特征在于，所述的工作电源模块、数据存储器和温度采集模块分别与主控MCU连接，主控MCU通过一开关驱动电路连接磁保持继电器，主控MCU通过另一开关驱动电路连接备用磁保持继电器，主控MCU通过交流采集模块分别与电流互感器和电压互感器连接。也可以实时采集电容器运行时的温度值，在温度超限的情况下，强行退出电容投入，防止电容器温度过高，造成电容器出现爆裂或烧毁等故障。
【专利说明】新型的带温控的多功能编码开关
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种开关，尤其涉及一种新型的带温控的多功能编码开关。
【背景技术】
[0002] 在电力行业中低压成套装置中电容器的投切开关即复合开关，由于复合开关采用 可控硅与磁保持继电器并接，实现电压过零导通和电流过零切断，使复合开关在接通和断 开的瞬间具有可控硅开关过零投切的优点。其实现方法是：投入时是在电压过零瞬间可控 硅先过零触发，然后再将磁保持继电器吸合导通；而切除时是先将磁保持继电器断开，可控 硅延时过零断开，从而实现电流过零切除。因此复合开关对磁保持继电器的电气性能及工 艺要求相当高。而现有市面上的磁保持继电器还未能达到相应的要求，由于磁保持继电器 触点容量低容易出现吸蚀现象，同时磁保持继电器的机械结构决定了其动作的不稳定性； 可控硅是属于功率型半导体元件，对使用时的电压电流条件要求苛刻，一旦电压电流出现 较大波动时导致可控硅损坏或烧毁现象；因此造成现有市面上的复合开关还存在着应用方 面的先天不足。本实用新型是针对可控硅和磁保持继电器在低压成套装置应用方面存在的 先天不足而精心研制开发的一种最新科技成果。
【发明内容】
[0003] 本实用新型的目的在于，针对上述发现的问题，提供一种新型的带温控的多功能 编码开关，实现了以单片机快速计算过零投切时刻点，确保了磁保持继电器来控制电容器 的过零投切，代替传统的采用可控硅与磁保持继电器并接作为过零投切，解决了可控硅容 易出现损坏和烧毁的现象。它即可以监测电力电容器的投入电流值，实时上报电容器的容 值损耗确保电容器的利用率。也可以实时采集电容器运行时的温度值，在温度超限的情况 下，强行退出电容投入；又可以实时采集在电容投入时的电流值，在电流值超出电容额定电 流2倍时，强行退出电容投入；还可以在切除电容时，实时监测各个开关通道的电流值，在 判定磁保持继电器吸合的故障状态下，强行断开备用的磁保持继电器，避免电容长期处于 投入状态，是一种具有高安全性，高可靠性的新型的带温控的多功能编码开关。
[0004] 本实用新型的目的可以这样实现的，所述的新型的带温控的多功能编码开关，包 括主控MCU、磁保持继电器、备用磁保持继电器、工作电源模块、数据存储器、温度采集模 块、交流采集模块、电流互感器、电压互感器和开关驱动电路，其特点为所述的工作电源模 块、数据存储器和温度采集模块分别与主控MCU连接，主控MCU通过一开关驱动电路连接磁 保持继电器，主控MCU通过另一开关驱动电路连接备用磁保持继电器，主控MCU通过交流采 集模块分别与电流互感器和电压互感器连接。
[0005] 本实用新型的结构特点中包含了多个（l~n)磁保持继电器、多个（l~n)备用磁保 持继电器、开关驱动电路、工作电源模块、数据存储器、温度采集模块、LED指示灯显示模块、 485通讯模块、交流采集模块、多个（l~n)电流互感器、多个（l~n)电压互感器和开关驱动 电路。所述的多个（Γη)磁保持继电器是在驱动电路控制下作为电容器的投切开关；所述 的多个（l~n)备用磁保持继电器是作为保护开关使用，在电容切除时，实时监测各个开关通 道的电流值，在判定用于投切使用的磁保持继电器吸合的故障状态下，强行断开备用的磁 保持继电器，避免电容长期处于投入状态，保护设备可靠运行；所述的工作电源模块是将交 流220V作为电源输入，经过电源模块转换成多路直流电压供给个电路模块使用；所述的数 据存储器是用于对各种实时与历史运行数据进行存储；所述的温度采集模块是采集电容器 自身的温度值，在温度超限的情况下，强行退出电容投入；所述的LED指示灯显示模块是包 括工作电源和投切信号指示灯，可以通过指示灯观察本实用新型所述的新型的带温控的多 功能编码开关是否正常工作以及电容器投切情况；所述的485通讯模块是用于与外接控制 设备的数据通讯与信息交换；所述的交流采集模块包括电能计量芯片和信号处理电路，电 能计量芯片采用高精度AD芯片，高精度AD芯片作为电压电流计量使用，信号处理电路的 作用是将输入的电压电流信息调理成高精度AD芯片内能做精确模拟数字转换及计算的信 号，再将结果定时传送给主控MCU，主要是采集电流、相电压、线电压、电容器电压、电容投入 电流等数据参数用于判断电压过零投入及电流过零断开以及电容器损耗参数计算；所述的 多个（Γη)电流互感器是用于采集电容投入时的电流，在电流值超出电容额定电流2倍时， 强行退出电容投入，同时投入的电流也可以作为计算电容器损耗的一个参数；所述的多个 (1~η)电压互感器是用于采集相电压、线电压、电容器电压等参数可以作为判断电压过零及 计算电容器损耗的依据。
[0006] 本实用新型的优点：
[0007] 本实用新型在正常通电运行时，主控MCU在首次控制磁保持继电器进行投切动作 时，主控MCU能够准确的记录磁保持继电器在发出闭合或断开指令的时刻点以及磁保持继 电器真正闭合或断开的时刻点，并计算出磁保持继电器在闭合与断开时的行程时间。由于 每个磁保持继电器的投切行程时间各异，采用本实用新型的计算方法，能够根据不同磁保 持继电器的投切行程时间，主控MCU计算并提前发出驱动信号，以便磁保持继电器能够在 正确的时刻正常动作。
[0008] 本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关，可以通过温度采集模块实 时采集电容器的温度值，当采集的温度值超出预置的参数时(参数可根据实际运行环境设 置)，本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关中的备用磁保持继电器强行断开， 防止电容器温度过高，造成电容器出现爆裂或烧毁等故障。
[0009] 本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关，可以通过多个（1~η)电流互 感器及交流采集模块实时采集电容器投入时的电流值，在电流值超出电容额定电流2倍 时，在本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关中的备用磁保持继电器强行断 开，强行退出电容投入，保护设备可靠运行。
[0010] 本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关，可以在切除电容时，实时监 测各个开关通道的电流值，在判定磁保持继电器吸合的故障状态下，在本实用新型所述的 新型的带温控的多功能编码开关中的备用磁保持继电器强行断开，避免电容长期处于投入 状态。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是本实用新型实施例的新型的带温控的多功能编码开关的结构图。
[0012] 图1-1是图1中没有安装485通讯模块的电路原理框图。
[0013] 图1-2是图1中没有安装温度采集模块的电路原理框图。
[0014] 图1-3是图1中没有安装备用磁保持继电器的电路原理框图。
[0015] 图2是本实用新型实施例的新型的带温控的多功能编码开关的电压过零闭合及 行程时间曲线图。
[0016] 图3是本实用新型实施例的新型的带温控的多功能编码开关的电流过零断开及 行程时间曲线图。
[0017] 图4是本实用新型实施例的新型的带温控的多功能编码开关的工作原理框图。
[0018] 图5是本实用新型实施例的新型的带温控的多功能编码开关的保护电路工作原 理框图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例对本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关的 工作原理及工作过程进行详细说明：
[0020] 如图1所示，是本实用新型所述实施例的新型的带温控的多功能编码开关的结构 图。包括主控MCU，多个(可以是l~n)磁保持继电器，多个(可以是l~n)备用磁保持继电器， 工作电源模块，数据存储器，温度采集模块，LED指示灯显示模块，485通讯模块，交流采集 模块，多个(可以是l~n)电流互感器，多个(可以是l~n)电压互感器，开关驱动电路。本实 用新型所述的η为自然数。所述的工作电源模块、数据存储器、温度采集模块、LED指示灯 显示模块和485通讯模块分别与主控MCU连接，主控MCU通过一开关驱动电路连接磁保持 继电器，主控MCU通过另一开关驱动电路连接备用磁保持继电器，主控MCU通过交流采集模 块分别与电流互感器和电压互感器连接。本实用新型应用时如图5所示，备用磁保持继电 器一方面接到A线、B线、C线、N线，另一方面与磁保持继电器连接，磁保持继电器接到电力 电容器上。本实用新型下述的电容器指"电力电容器"。
[0021] 1)主控MCU :采用现有市售产品，完成传输与控制、并发出控制信号驱动磁保持继 电器进行投切动作，这些校准分析及计算程序为一般技术人员能实现的。
[0022] 2)多个（l~n)磁保持继电器：采用现有市售产品，作为电力行业中低压成套装置 中电容器的投切元件。
[0023] 3)多个（Γη)备用磁保持继电器：采用现有市售产品，充当一种开关元件，在判定 磁保持继电器吸合的故障状态下，本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关中的 备用磁保持继电器强行断开，避免电容长期处于投入状态，为一般技术人员能实现的。
[0024] 4)工作电源模块：交流220V作为电源输入，经过电源模块转换成多路直流电压供 给个电路模块使用，其中主控MCU、数据存储器，485通讯模块工作电源为3. 3V直流电压，交 流采集模块工作电压为5V，投切开关控制模块工作电压为12V。这些工作电源模块为一般 技术人员能实现的。
[0025] 5)数据存储器：此模块对各种实时与历史运行数据进行存储，可以采用各类存储 介质，为现有技术。
[0026] 6)温度采集模块：采用市售的ptlOO钼电阻，外接直接置于电容器表面可以快速 响应温度变化，所述的ptlOO钼电阻为现有市售产品。
[0027] 7) LED指示灯显示模块：包括工作电源和投切信号指示灯，指示灯显示的内容包 含本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关的工作状态以及电容器投切状态。
[0028] 8) 485通讯模块：此模块是对外接控制设备进行数据通讯与信息交换，为现有技 术。
[0029] 9)交流采集模块：包括电能计量芯片和信号处理电路，电能计量芯片采用高精度 AD芯片，高精度AD芯片作为电压电流计量使用，信号处理电路的作用是将输入的电压电流 信息调理成高精度AD芯片内能做精确模拟数字转换及计算的信号，再将结果定时传送给 主控MCU，为一般技术人员能实现的。
[0030] 10)多个（l~n)电流互感器：采用现有市售产品，用于采集电容投入时的电流，线 电流、相电流等。
[0031] 11)多个（l~n)电压互感器：采用现有市售产品，用于采集相电压、线电压、电容器 电压等参数可以作为判断电压过零及计算电容器损耗的依据。
[0032] 12)开关驱动电路：此模块为一般开关电路，当主控MCU发出控制信号指令时，经 工作电源模块提供12V的直流电压供给开关电路使用，使得开关电路闭合，这些开关电路 为一般技术人员能实现的。
[0033] 如图1-1所示，是图1中没有安装485通讯模块的电路原理框图。本实用新型可 以不安装485通讯模块，此时本实用新型的结构就不具有485通讯模块功能，但本实用新型 还能实现本实用新型的目的，只是不能通过网络传输数据了。
[0034] 如图1-2所示，是图1中没有安装温度采集模块的电路原理框图。本实用新型可 以不安装温度采集模块，此时本实用新型的结构就不具有温度采集模块功能，但本实用新 型还能实现本实用新型的目的，只是不具有温度报警功能以及防止电容器温度过高，出现 爆裂或烧毁等故障。
[0035] 如图1-3所示，是图1中没有安装备用磁保持继电器的电路原理框图。本实用新型 可以不安装备用磁保持继电器，此时本实用新型的结构就不具有备用磁保持继电器功能， 但本实用新型还能实现本实用新型的目的，只是不具有强行断开多个（Γη)备用磁保持继 电器，防止电容器温度过高，出现爆裂或烧毁等故障的功能。
[0036] 如图2所示的是本实用新型实施例的本实用新型所述的新型的带温控的多功能 编码开关的电压过零闭合及行程时间曲线图，其中h为主控MCU首次发出的闭合指令的时 刻点，t 2为磁保持继电器驱动电路接收闭合指令且磁保持继电器真正闭合的时刻点，Λ心 为磁保持继电器闭合的行程时间(单位ms)，Ta为首次检测到的电压过零的时刻点，由于工 频交流电源的周期是20ms，在一个工频周期里，电源电压过零会出现2次过零时刻，因此 Ta+10为第二次检测到的电压过零的时刻点(单位ms )，?\为第二次检测到电压过零时刻点， 即主控MCU发出磁保持继电器的闭合指令的时刻点。
[0037] 如图3所示的是本实用新型实施例的本实用新型所述的新型的带温控的多功能 编码开关的电流过零断开及行程时间曲线图，其中t 3为主控MCU首次发出的断开指令的时 刻点，t4为磁保持继电器驱动电路接收断开指令且磁保持继电器真正断开的时刻点，Λ t2 为磁保持继电器断开的行程时间(单位ms)，Tb为首次检测到的电流过零的时刻点，由于工 频交流电源的周期是20ms，在一个工频周期里，电源电流过零会出现2次过零时刻，Tb+10 为第二次检测到的电流过零的时刻点（单位ms)，T 2为第二次检测到电流过零时，主控MCU 发出磁保持继电器的断开指令的时刻点。
[0038] 结合图1、图2、图3所示，为了计算出磁保持继电器闭合的行程时间即Λ h、磁保 持继电器断开的行程时间即Λ t2、主控MCU发出磁保持继电器的闭合指令时刻点?\以及主 控MCU发出磁保持继电器的断开指令的时刻点Τ 2。若主控MCU发出控制闭合指令驱动开关 驱动电路闭合磁保持继电器，在这个过程中数据存储器存储主控MCU发出控制闭合指令的 时刻点h，数据存储器存储磁保持继电器闭合时刻点t 2。当数据存储器存储完h和t2后， 主控MCU计算出的磁保持继电器闭合的行程时间即Λ Wh，此时数据存储器继续存储 主控MCU计算出的磁保持继电器闭合的行程时间Λ h。当交流采集模块检测到第一次电压 过零时刻点Ta后，主控MCU开始计算发出磁保持继电器的闭合指令时刻点TfTa+lO- Λ &， 主控MCU控制在?\时刻时发出磁保持继电器的闭合指令驱动电器驱动电路进行闭合动作， 确保磁保持继电器在Ta+ΙΟ该时刻点过零投切。数据存储器存储常量Λ h和变量?\作为 闭合磁保持继电器的计算参数，以便本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关进 行闭合磁保持继电器时使用。若主控MCU发出控制断开指令驱动开关驱动电路断开磁保持 继电器，在这个过程中数据存储器存储主控MCU发出控制断开指令的时刻点t 3，数据存储器 存储磁保持继电器断开时刻点t4。当数据存储器存储完t3和t 4后，主控MCU计算出的磁保 持继电器断开的行程时间即At2=t4-t 3，此时数据存储器继续存储主控MCU计算出的磁保 持继电器断开的行程时间Λ t2。当交流采集模块检测到第一次电流过零时刻点Tb后，主控 MCU开始计算发出磁保持继电器的断开指令时刻点T2=Tb+10- Λ t2，主控MCU控制在T2时 刻时发出磁保持继电器的断开指令驱动电器驱动电路进行断开动作，确保磁保持继电器在 Tb+ΙΟ该时刻点过零投切。数据存储器存储常量Λ t2和变量Τ2作为断开磁保持继电器的 计算参数，以便本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关进行断开磁保持继电器 时使用。
[0039] 当本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关中的交流采集模块检测到 电压过零点时刻Ta且需要闭合磁保持继电器时，主控MCU调用数据存储器存储的常量Λ h 和变量?\作为闭合磁保持继电器的计算参数，计算出此时检测到电压过零投入时的时刻点 为T^Ta+lO- Λ h，主控MCU将控制在?\时刻时发出磁保持继电器的闭合指令驱动电器驱 动电路进行闭合动作。当交流采集模块检测到电流过零点时刻Tb且需要断开磁保持继电 器时，主控MCU调用数据存储器存储的常量Λ t2和变量T2作为断开磁保持继电器的计算参 数，计算出此时检测到电压过零断开时的时刻点为T 2=Tb+10- Λ t2。主控MCU将控制在Τ2 时刻时发出磁保持继电器的断开指令驱动电器驱动电路进行断开动作。
[0040] 如图4所示，是本实用新型所述实施例的本实用新型所述的新型的带温控的多功 能编码开关的工作原理框图。其中Α线、Β线、C线、Ν线分别通过铜导线连接至本实用新型 所述的新型的带温控的多功能编码开关A、B、C、N端口，工作电源模块将采集的交流220V作 为电源输入，经过电源模块转换成多路直流电压供给个电路模块使用，其中主控MCU、数据 存储器，485通讯模块工作电源为3. 3V直流电压，交流采集模块工作电源为5V直流电压，投 切开关控制模块工作电源为12V直流电压。
[0041] 如图5所示，是本实用新型所述实施例的本实用新型所述的新型的带温控的多功 能编码开关的保护电路工作原理框图，为了保证设备可靠安全运行，为了加强电力电容器 的使用寿命，本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关增加了多个（Γη)备用磁 保持继电器作为保护开关使用。当本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关正常 工作时，多个（l~n)备用磁保持继电器处于常闭状态，电容器的投切是通过控制多个（l~n) 磁保持继电器的通断实现。当温度采集模块实时采集电容器的温度值超出预置的参数时 (参数可根据实际运行环境设置)，主控MCU分析比较后通过I/O 口发出逻辑控制信号，经开 关驱动电路转换为具有驱动多个（Γη)备用磁保持继电器动作能力的控制信号中，强行断 开多个（1~η)备用磁保持继电器，防止电容器温度过高，出现爆裂或烧毁等故障。当交流采 集模块中的多个（Γη)电流互感器实时采集的电容器投入时电流值超出电容器额定电流2 倍时，主控MCU分析比较后通过I/O 口发出逻辑控制信号，经开关驱动电路转换为具有驱 动多个（Γη)备用磁保持继电器动作能力的控制信号中，强行断开多个（Γη)备用磁保持 继电器，保护多个（Γη)磁保持继电器的可靠动作。当设备切除电容时，交流采集模块中的 多个（1~η)电流互感器实时监测各个开关通道的电流值，若还存在投入时的电流值时，即判 定多个（1~η)磁保持继电器出现吸合的故障，此时主控MCU通过I/O 口发出逻辑控制信号， 经开关驱动电路转换为具有驱动多个（Γη)备用磁保持继电器动作能力的控制信号中，强 行断开多个（1~η)备用磁保持继电器避免电容器长期处于投入状态。因此通过增加多个 (Γη)备用磁保持继电器来作为保护开关，能够提高本实用新型所述的新型的带温控的多 功能编码开关运行的安全性、可靠性。
[0042] 结合图4、图5所示，当Α线、Β线、C线、Ν线及电容器分别接入本实用新型所述 的新型的带温控的多功能编码开关的相应的接线端子上时，本实用新型所述的新型的带温 控的多功能编码开关中的交流采集模块实时采集线路电压、电流和电容器运行数据，通过 其信号处理电路调理后送入电能计量芯片，主控MCU通过SPI通信总线控制电能计量芯片 (数据采集模块芯片）对该信号做精确模拟数字转换及计算，以便获得相电压、线电压、电容 电压、投入电流等信息，再通过SPI通信总线将相电压、线电压、电容电压、投入电流等信息 定时传送给主控MCU，主控MCU把计算出合适的投切策略由I/O 口发出逻辑控制信号，经开 关驱动电路转换为具有驱动磁保持继电器动作能力的控制信号，驱动相应通道的磁保持继 电器通断。由于每个磁保持继电器的闭合和断开的行程时间各异，为了保证磁保持继电器 在接点的动作时刻点准确，本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关将通过主控 MCU准确计算各个磁保持继电器的断开和闭合行程时间，并存储在数据存储器中。当本实用 新型所述的新型的带温控的多功能编码开关的交流采集模块检测到电压过零点时刻Ta且 需要闭合磁保持继电器时，主控MCU调用数据存储器存储的常量Λ h和变量?\作为闭合磁 保持继电器的计算参数，计算出此时检测到电压过零投入时的时刻点为Ka+lO-Λ心，主 控MCU将控制在?\时刻时发出磁保持继电器的闭合指令开关驱动电路进行闭合动作。当交 流采集模块检测到电流过零点时刻Tb且需要断开磁保持继电器时，主控MCU调用数据存储 器存储的常量Λ t2和变量T2作为断开磁保持继电器的计算参数，计算出此时检测到电压过 零断开时的时刻点为T 2=Tb+10- Λ t2。主控MCU将控制在Τ2时刻时发出磁保持继电器的断 开指令开关驱动电路进行断开动作。同时主控MCU将根据磁保持继电器实际闭合与断开的 情况由I/O 口发出控制信号，经LED指示灯显示模块电路控制LED指示灯的显示状态，来指 示本实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关的工作状态以及电容器投切状态。本 实用新型所述的新型的带温控的多功能编码开关的交流采集模块连接了多个（l~n)电流互 感器和多个（Γη)电压互感器，可以实时采集线路的相电压、线电压，电容器的电容电压及 投切电流等信息反馈至主控MCU，通过采集的这些信息，可以认为的计算出电容器实际运行 后的损耗。若经交流采集模块采集的电容电压为U，线电压为UAB，UB。，Ua，电容器投切电流 Iab，IBC，ICA，则可以计算电容实际的投入容量％=UabXIab +UbcXIbc+UcaXIca。根据电容器额 定容量Qe可以知道，电容器未出现损耗时的投入量Q cl=QeX (U/Ue)2,（其中U是采集的电 容电压，Ue是电力电容器的额定电压)，这样可以计算出损耗系数i3=Q c/Qa。由于当电容器 损耗值达到1/3时，电容器的利用率降低，在成套装置中利用电容器作为补偿的效果下降， 当电容器损耗值达到2/3时，电容器的输出电流加大，电容器的发热量高，电容器容易出现 安全隐患，因此在检测电容器的损耗系数β具有发明创造意义。
【权利要求】
1. 一种新型的带温控的多功能编码开关，包括主控MCU、磁保持继电器、备用磁保持继 电器、工作电源模块、数据存储器、温度采集模块、交流采集模块、电流互感器、电压互感器 和开关驱动电路，所述主控MCU完成传输与控制、并发出控制信号驱动磁保持继电器进行 投切动作，其特征在于，所述的工作电源模块、数据存储器和温度采集模块分别与主控MCU 连接，主控MCU通过一开关驱动电路连接磁保持继电器，主控MCU通过另一开关驱动电路连 接备用磁保持继电器，主控MCU通过交流采集模块分别与电流互感器和电压互感器连接。
【文档编号】H02J3/18GK203839954SQ201420011359
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年1月8日 优先权日:2014年1月8日
【发明者】易智勇, 傅宇宏, 郭毓斌, 王功焰 申请人:福建阳谷智能技术有限公司
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