专利名称：智能化控制和保护复合开关的制作方法
技术领域：
智能化控制和保护复合开关技术领域[0001]本实用新型涉及一种用于电力系统中的开关执行元件，尤其涉及一种智能化控 制和保护复合开关。
背景技术：
[0002]复合开关是当前较为经济的新型低压无功补偿电容器的过零投切器件，所谓过 零投切是指电压过零投入和电流过零切除，其中“电压过零投入”是在电源电压与电容 器电压相等的瞬间将电容器接入系统，这样就不会产生涌流(即持续时间很短的电流)；“电流过零切除”是指电容器的电压与电流有90°的相位差，因此在某一相电压的峰值 时刻(该相电压对应的相电流为零)断开，从而就可以实现电容器电流过零切除，由此实 现开关接点的无电弧断开。[0003]所述复合开关与交流接触器、可控硅或固态继电器等开关元件相比具有较大的 技术优点，其基本工作原理是将可控硅开关与磁保持继电器并联，实现电压过零导通 (即电压过零投入)和电流过零切除，使复合开关在接通和断开的瞬间具有可控硅开关的 优点，而在正常接通期间又具有接触器开关无功耗的优点。与纯交流接触器或者纯可控 硅投切器件相比，所述复合开关在技术上具有显著的优越性，其高效低耗、环保节能， 尤其是在涌流和安全可靠性方面性能大大提高。所述复合开关的实现方法是投入时在 电压过零瞬间过零触发与磁保持继电器并联的可控硅开关，稳定后再将磁保持继电器吸 合导通；而切出时先将磁保持继电器断开，可控硅开关在电压过零后立即导通，避免磁 保持继电器断开电压产生电弧，最后在电流过零点上可控硅开关断开，从而实现电流过 零切断(即电流过零切除)。[0004]从目前投入市场使用情况看，国内大多数厂家复合开关故障率高，工作不稳 定，存在很多安全隐患，主要存在可控硅开关击穿、磁保持继电器烧结等现象，并且很 多复合开关在出现故障后，由于其装在电容柜中，无人知晓，大大影响了整个补偿装置 的补偿效果。[0005]经过分析故障原因发现，由于负载是电容器，其不同于电阻性负载，所以对可 控硅开关采用的保护方式不一样，另外可控硅开关是否过零触发、如何控制最短的可控 硅开关导通时间，对此大多数厂家都没有找到真正的解决方法，另外为了提高市场竞争 力，很多厂家为了降低生产成本，采用达不到性能指标的元器件，未采取必要的软硬件 保护方法，这进一步影响到复合开关的质量。另外，由于这些质量低劣的复合开关成本 较低，售价也低，这大大扰乱了复合开关的销售市场，对复合开关技术的提高带来较大 的负面影响。[0006]因此，需要一种新型的复合开关，以有效地消除现有复合开关存在的可控硅开 关击穿、磁保持继电器烧结等不安全现象，提高复合开关的控制和保护功能。[0007]实用新型内容[0008]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种智能化控制和保护复合开关，该智能化控制和保护复合开关不仅能够有效地对电力系统中的电容器进行过零投切，而且提 供完善的保护功能，其能够有效地防止可控硅过零触发电路不稳定、可控硅损害以及磁 保持触点烧结等现象，并且能够在所述复合开关发生故障时提供可靠的故障检测功能。[0009]为了解决上述基本问题，本实用新型提供一种智能化控制和保护复合开关，该 智能化控制和保护复合开关包括单片机单元、可控硅过零投切电路、反并联单向可控硅 及其保护器件、磁保持线圈驱动电路及其磁保持继电器、全波检测电路、以及通讯电 路，其中，所述可控硅过零投切电路、磁保持线圈驱动电路、全波检测电路以及通讯电 路连接于所述单片机单元，所述反并联单向可控硅及其保护器件连接于所述可控硅过零 投切电路，所述磁保持继电器连接于所述磁保持线圈驱动电路。[0010]优选地，所述智能化控制和保护复合开关还包括连接于所述单片机单元的门指 示灯和状态指示灯驱动电路。[0011]优选地，所述单片机单元为STC12C系列单片机单元。[0012]优选地，所述通讯电路为485通讯电路。[0013]优选地，所述可控硅过零投切电路为基于MOC3083芯片的可控硅过零投切电 路，该可控硅过零投切电路采用带有施密特触发器的集成电路驱动MOC3083芯片，并且 采用磁芯电感与可控硅串联。[0014]优选地，所述全波检测电路包括电流互感器以实时采样各相电流状态。[0015]优选地，所述单片机单元进行实时电流分析并将分析结果通过所述通讯电路传 递给控制器或上位机。[0016]优选地，所述门板指示灯驱动电路包括ULN2003A芯片和MOC3083芯片。[0017]通过上述技术方案彻底解决了可控硅过零触发电路不稳定、可控硅损害、磁保 持触点烧结等问题，同时增加自适应控制可控硅导通时间、每相电流实时监控等功能， 通过实时电流分析做出准确的控制和保护，并通过通讯电路传递给控制器和上位机，提 供准确的复合开关和电容器状态信息。同时，在故障情况下，除自身能进行最大限度的 保护外，还通过通讯电路提供给上位机或控制器当前复合开关和电容器的运行信息，以 便故障时得到及时维修和更换。因此，本实用新型的智能化复合开关不仅解决可控硅击 穿，磁保持继电器烧结现象，而且增加了目前国内复合开关没有的欠流、过流保护、电 容器状态诊断及故障提醒功能，其是智能化的控制和保护复合开关。此外，本实用新型 的智能化复合开关成本低廉，具有广泛的应用前景。有关本实用新型的其他特征和优点 将在随后的具体实施方式
部分予以详细说明。[0018]
[0019]附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实 用新型的具体实施方式
一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在 附图中[0020]图1是本实用新型具体实施方式
的智能化控制和保护复合开关的总体框图；[0021]图2是本实用新型具体实施方式
的智能化控制和保护复合开关所采用的STC12C 系列的单片机单元；[0022]图3是本实用新型具体实施方式
的智能化控制和保护复合开关的可控硅过零投 切电路；[0023]图4是本实用新型具体实施方式
的智能化控制和保护复合开关的可控硅及其保 护器件；[0024]图5是本实用新型的智能化控制和保护复合开关在无保护时的电流波形示意 图；[0025]图6是本实用新型具体实施方式
的智能化控制和保护复合开关的电流全波检测 电路；[0026]图7是本实用新型具体实施方式
的智能化控制和保护复合开关的门板指示灯和 状态指示灯驱动电路的示意图；[0027]图8是本实用新型具体实施方式
的控制电路印刷电路板的实体示意图；[0028]图9是本实用新型具体实施方式
的复合开关功率器件电路印刷电路板的实体示 意图；[0029]图10是本实用新型具体实施方式
的485通讯接口电路印刷电路板的实体示意 图；以及[0030]图11是本实用新型具体实施方式
的磁保持继电器驱动电路印刷电路板的实体示 意图。[0031]具体实施方式
[0032]为了便于本技术领域技术人员的理解，下面结合本实用新型的具体实施方式
和 附图作进一步的说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式
仅用于说明和解释本 实用新型，并不用于限制本实用新型。在以下对本实用新型具体实施方式
的描述中，相 关电路的描述仅是例举性的而非限制性的，在本发明的技术构思范围内，本领域技术人 员可以想到多种简单变形，本实用新型的智能化控制和保护复合开关的关键技术要求在 于相关电路的连接结构。[0033]如图1所示，本实用新型基本技术方案公开了一种用于无功补偿投切电容器的 智能化控制和保护复合开关，该智能化控制和保护复合开关包括单片机单元、可控硅过 零投切电路、反并联单向可控硅及其保护器件、磁保持线圈驱动电路及其磁保持继电 器、全波检测电路、以及通讯电路，其中，所述可控硅过零投切电路、磁保持线圈驱动 电路、全波检测电路以及通讯电路连接于所述单片机单元，所述反并联单向可控硅及其 保护器件连接于所述可控硅过零投切电路，所述磁保持继电器连接于所述磁保持线圈驱 动电路。[0034]在上述基本技术方案的基础上，优选地，该通讯电路可以采用485通讯电路， 通过该485通讯电路给上位机或控制器提供当前复合开关和电容器的运行信息，以便故 障时得到及时维修和更换。485通讯电路中可以采用2500V隔离电源和光耦隔离电路保 证485通讯的可靠性，采用ModBus协议和上位机或控制器进行通讯，保证接收和发送数 据的准确性(具体可以参见图10显示的485通讯接口电路印刷电路板的实体示意图)。[0035]此外，优选地，本实用新型的智能化控制和保护复合开关还可以包括门板指示 灯驱动电路和状态指示灯驱动电路，以通过门板指示灯和状态指示灯来指示本实用新型 的智能化复合开关的工作状态。[0036]
以下结合附图详细描述本实用新型的智能化控制和保护复合开关的各个组成部 分及其作用。[0037]如图2所示，所述单片机单元可以采用STC12C系列的单片机单元，本发明人选 用了 STC最新IT增强型8051单片机作为微处理器，其可以在较低的价格下保证较高的 抗干扰能力和可靠性，通过对单片机进行软件编程来进行投切可控硅和磁保持继电器， 并通过采样电流进行投切状态分析、电容器容量分析、过流、欠流、缺相分析等，如出 现故障将对复合开关及电容进行最大限度的安全保护。此外，在优选方式下，该单片机 单元通过485通讯电路和控制器进行通讯，接收投切信号和发出工作状态(工作电流， 电容器状态及一些故障指标等)，以便于在控制器上就可以观测到复合开关和电容器的工 作状态。[0038]如图3所示，可控硅过零投切电路中采用MOC3083来控制高于1600v反并联 单向可控硅的导通和关闭，由于MOC3083采用电压过零点触发光可控硅，耐压只有 800V，所以采用两只MOC3083串联，并通过均压电阻来平衡两只MOC3083的断态耐 压，电阻选择不宜过大，也不能过小，过小断态功耗大，过大不仅均压差，而且会造成 切除时IOms不触发故障，这会给磁保持继电器带来致命的损伤，实验中发现采用IM左 右0.5W电阻最好。驱动MOC3083采用7414带有施密特触发器的集成电路，可很好的 防止复合开关直流电源波动带来误触发MOC3083现象。[0039]目前有很多复合开关采用双向可控硅串联，这是非常有害的一种做法，双向可 控硅无论耐压、耐流，抵抗电压变化、电流变化都不如反并联单向可控硅好，我们和国 内厂家定制了高耐压、高电压变化率、高电流变化率的可控硅。但由于负载是电容器， 一只单向可控硅在换流时即从导通过渡到截止状态(如图5所示)，内部多余电子会在反 向电压拉动下形成较大的反向电流，极易造成可控硅损害，发明人经过大规模实验制作 了性价比很高的磁芯电感和可控硅串联(如图4所示)，很好地解决了可控硅损害问题。[0040]如图6所示，电流全波检测电路用来实时检测复合开关的工作状态并提供最大 限度的保护功能，其中高精度电流互感器来实时采样每一相电流状态，全波检测电路可 提高检测性能，通过单片机对采样电流进行分析，来获取可控硅、继电器运行状态，工 作电流、电容器容量、是否出项异常情况等。更重要的是，全波检测电路检测三相电 流，供给单片机进行实时分析，获取可控硅、磁保持工作状态、电容容量及电流(正 常、过流、欠流及缺相)等信息，并做出最佳的控制和保护采用，采用延长了指示灯的 寿命。此外，由于很多情况下，复合开关或电容器坏了，无人知晓。而本复合开关会将 分析结果通过485通讯接口传递给控制器和上位机，可以使工作人员很好的发现故障并 进行维修或更换。另外由于电容器容量会随着使用时间的推移不断衰减，复合开关通过 容量分析，不断将最新容量数据发送给控制器，一方面使得控制器获得最准确的电容器 容量，提高了补偿精度。因此，在故障情况下，除自身能进行最大限度的保护外，还通 过该485通讯电路给上位机或控制器提供当前复合开关和电容器的运行信息，以便故障 时得到及时维修和更换。[0041]如图7所示，外接220V门板指示灯驱动电路中采用ULN2003A加MOC3083来 驱动门板指示灯，避免了采用继电器可造成指示灯寿命的降低，我们，保证指示灯在过 零状态下导通和关闭，提高了门板指示灯的使用寿命。此外，该图还显示了复合开关上 的状态指示灯，其主要用来指示当前复合开关的工作状态，绿灯处于上电未合闸状态， 红灯处于上电合闸状态，灯不亮处于故障状态。[0042]磁保持线圈驱动电路可以采用国内贝岭8023专用磁保持继电器驱动芯片(参见 图11显示的磁保持继电器驱动电路印刷电路板的实体示意图)，其简化了驱动设计，提 高了可靠性，可保证50ms内有效闭合和断开磁保持继电器。磁保持继电器可以采用国内 贝斯特902系列磁保持继电器，只要保证闭合和断开磁保持继电器时可控硅过零导通， 磁保持继电器的使用寿命可达到10万次以上，但如果可控硅没有导通或不完全导通下， 额定电流下闭合磁保持继电器，经测试上百次就会出现银接点烧糊或粘连在一起，所以 使用磁保持继电器一定要保证可控硅正常工作。[0043]本实用新型的工作原理是上电后，三相电流立即进入监控状态，每一毫秒分析 一次电流情况，无论是否正常都将工作状态信息发送给控制器，以便控制器对复合开关 运行情况进行记录，以便做出最优投切方案。当接收到来自控制器的投入信号后首先 电压过零触发可控硅，并通过电流监控判断电流是否正常，如正常，则投入磁保持继电 器。当接收到来自控制器的切除信号后首先启动可控硅触发电路，然后切除磁保持继电 器，再使得可控硅电流过零关闭。无论复合开关在闭合还是断开状态，电流监控一直在 进行，如出现然后异常情况，复合开关都将进入保护状态。[0044]此外，图8和图9还显示了本实用新型复合开关的控制电路印刷电路板的实体 示意图以及功率器件电路印刷电路板的实体示意图，其中详细显示了相关引线的连接位 置，以供本领域技术人员参考。[0045]需要说明的是，在上述具体实施方式
中所描述的各个具体技术特征，可以通过 任何合适的方式进行任意组合，其同样落入本实用新型所公开的范围之内。另外，本实 用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思 想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。[0046][0036]以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新 型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实 用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。本 实用新型的保护范围由权利要求限定。
权利要求1.一种智能化控制和保护复合开关，其特征在于，该智能化控制和保护复合开关包 括单片机单元、可控硅过零投切电路、反并联单向可控硅及其保护器件、磁保持线圈驱 动电路及其磁保持继电器、全波检测电路以及通讯电路，其中，所述可控硅过零投切电 路、磁保持线圈驱动电路、全波检测电路以及通讯电路连接于所述单片机单元，所述反 并联单向可控硅及其保护器件连接于所述可控硅过零投切电路，所述磁保持继电器连接 于所述磁保持线圈驱动电路。
2.根据权利要求1所述的智能化控制和保护复合开关，其特征在于，所述智能化控制 和保护复合开关还包括连接于所述单片机单元的门指示灯和状态指示灯驱动电路。
3.根据权利要求1所述的智能化控制和保护复合开关，其特征在于，所述单片机单元 为STC12C系列单片机单元。
4.根据权利要求1所述的智能化控制和保护复合开关，其特征在于，所述通讯电路为 485通讯电路。
5.根据权利要求1所述的智能化控制和保护复合开关，其特征在于，所述可控硅过零 投切电路为基于MOC3083芯片的可控硅过零投切电路，该可控硅过零投切电路采用带有 施密特触发器的集成电路驱动MOC3083芯片，并且采用磁芯电感与可控硅串联。
6.根据权利要求1所述的智能化控制和保护复合开关，其特征在于，所述全波检测电 路包括电流互感器以实时采样各相电流状态。
7.根据权利要求1所述的智能化控制和保护复合开关，其特征在于，所述单片机单元 进行实时电流分析并将分析结果通过所述通讯电路传递给控制器或上位机。
8.根据权利要求2所述的智能化控制和保护复合开关，其特征在于，所述门板指示灯 驱动电路包括ULN2003A芯片和MOC3083芯片。
专利摘要一种智能化控制和保护复合开关，包括单片机单元、可控硅过零投切电路、反并联单向可控硅及其保护器件、磁保持线圈驱动电路及其磁保持继电器、全波检测电路以及通讯电路，其中，所述可控硅过零投切电路、磁保持线圈驱动电路、全波检测电路以及通讯电路连接于所述单片机单元，所述反并联单向可控硅及其保护器件连接于可控硅过零投切电路，所述磁保持继电器连接于所述磁保持线圈驱动电路。该智能化控制和保护复合开关不仅解决了可控硅击穿、磁保持继电器烧结等现象，而且增加了目前国内复合开关没有的欠流、过流保护、电容器状态诊断及故障提醒功能。此外，本实用新型的智能化复合开关成本低廉，具有广泛的应用前景。
文档编号H02J3/18GK201813165SQ20102028461
公开日2011年4月27日 申请日期2010年8月3日 优先权日2010年8月3日
发明者张永强, 郭志波 申请人:扬州力智电气有限公司, 郭志波