专利名称：智能无触点开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有保护功能的电路开关装置，特别是兼有预检和在线检故障保护功能的智能无触点开关。
背景技术：
现有的用于电路接通和切断的触点式开关一直是多年沿用的传统结构，有手动式、电磁式、机械式；其功能不全，切断电路时不够迅速(＞150ms)，特别是对于电路的短路事故不能起到检测和有效的保护作用，电气短路引起火灾，事故频繁发生。
发明内容
本发明的目的在于将计算机技术引入开关装置，和采用无触点开关器件使强电技术和弱电技术很好地结合起来解决现有传统开关装置的上述不足之处，提供一种新型智能开关，在实现对电路的接通、切断基本功能的基础上兼有对电路的故障预检和在线检测故障等可靠保护的优越性能，以保障用电安全、方便。同时还具有参数调节、故障锁定、数码显示和声光报警功能。
本发明的技术解决方案是一种智能无触点开关，是一种三相电路故障检测与保护开关，它主要由故障检测保护电路与无触点开关电联接构成，无触点开关接在受保护的三相负载电路中，故障检测保护电路包含短路保护电路、电流检测与过流、断相保护电路、电压检测与过压、欠压保护电路、缺相保护电路、漏电保护电路，上述各保护电路信号采样端接至三相负载电路，各保护电路信号输出端接至无触点开关控制端，其特征在于故障检测保护电路包含有短路预检保护电路，其信号采样端接至三相负载电路，信号输出端接至无触点开关控制端；由L4、L5、L6、IC45、IC46、IC48、IC52、R46～R51接成短路预检保护电路，L4、L5、L6接在三相负载电路上，LC52输出接至单片机。
故障检测保护电路包含有逆功保护电路，其信号采样端接至三相负载电路，信号输出端接至无触点开关控制端，由D18～D20、R38、R42、IC47、IC52接成逆功保护电路，D18、D19、D20正端分别接到三相负载电路上，IC52输出端接至单片机。
故障检测保护电路所包含的上述各个保护电路均经单片机、控制门电路接至无触点开关控制端，其中电压检测与过压、欠压保护电路、电流检测与过流、断相保护电路，经A/D转换电路接至单片机；单片机与控制门电路之间接有锁定电路。
电压检测与过压、欠压保护电路、缺相保护电路与三相电路的联接是接在无触点开关前端的三相电源线路上。
图1是智能无触点开关电路结构原理方框图。
图2是智能无触点开关电路联接图。
图3是智能无触点开关电路联接图。
图4是智能无触点开关电路联接图。
图5是智能无触点开关电路联接图。
具体实施例方式本发明结合具体实施例参见附图进一步说明如下一种智能无触点开关，是一种三相电路故障检测与保护开关，它主要由故障检测保护电路与无触点开关电路联接构成。无触点开关采用SSR大功率固态继电器，参见图3。
智能无触点开关电路联接原理方框图参见图1，无触点开关接在受保护的三相负载电路中；故障检测保护电路包含电压检测与过压、欠压保护电路、缺相保护电路、漏电保护电路、短路保护电路、电流检测与过流、断相保护电路、故障检测保护电路中还特别包含短路预检保护电路和逆功保护电路，上述各保护电路一端接至三相负载电路，另一端均经单片机、控制门与无触点开关联接，单片机与控制门之间接有锁定电路。其中的电压检测与过压、欠压保护电路、电流检测与过流、断相保护电路是经A/D转换电路接至单片机。此外，智能无触点开关还包含复位电路、报警电路、显示电路，上述电路分别与单片机联接。
短路预检保护电路与逆功预检保护电路这两个保护电路是发明智能无触点开关独具特色的电路，短路预检保护电路的功能是在智能开关合闸之前预先检查负载端电路有无短路故障，一旦检测电路已发现有短路故障，则智能开关自动锁定，拒绝合闸，显示短路故障内容，并有声光报警，从而能对供电负载进行有效保护，防止电短路起火事故发生。
逆功预检保护电路的功能则在智能开关合闸之前对负载端是否误接入另一供电系统相线进行检测，防止两个供电系统因合闸短路而被损坏，一旦发现负载端在开关合闸前已有带电现象，则智能开关自动锁定拒绝合闸并显示、报警。
智能无触点开关的具体电路联接图参见图2、图3、图4、图5。其中，单片机是芯片IC24，参见图3，它是智能无触点开头控制部分的核心构件，控制门由JC39、IC40、IC41联接构成，锁定电路由IC16、IC34构成，单片机的9脚及P1口中的P11～P14为按钮输入接口，分别与按钮S1～S5联接。S2为“设定”按钮，可对电流大小、电压高低，延时等参数进行设定转换；S3、S4分别为“+”、“-”按钮，可调节额定电流值大小，过压与欠压保护值高低和过压、欠压的延时时间(S)，亦可关断过压、欠压保护功能，实现电路参数的整定S1是复位按钮，联接“看门狗”芯片IC23的1脚，通过7脚与IC24的9脚相连接。S5是“运行”按钮，按下此键，智能型无触点开头投入正常运行。IC24的P0口接数据、地址总线，当单片机IC24发出读指令给A/D转换后的数据被读到P00～P07然后送入到IC33数据口锁存；当IC33收到来自IC24的运行指令后即输出“1”信号与IC16输出的“1”信号同时进入IC34的1、2脚，其3脚输出为“1”，分别输送至IC39、IC40、IC41的输入端，其输出端分别输出至三个执行元件无触点开关即SSR固态继电器的控制端，则无触点开关接通，进入运行状态。
P0地址口的寻址由IC26完成，IC26的输出端1Q～8Q输出低八位地址A0-A7，其中A0、A1、A2接至IC21的25、24、23脚，IC21在接收IC24的通道信号后，于ALE信号下降时锁存；P3口发送“写”信号WR，则IC21的ST为高电平，启动转换，将电压信号及电流信号IA、IB、IC分别转换为数字信号至D0～D7，然后读入IC24的P0口。IC24对数据进行处理，如无过压、欠压、过流等故障，则输出信号至无触点开关SSR的控制端，开关装置正常运行；同时由P3口将数据串行送到显示电路的移位寄存器IC59～IC64，再送至对应的数码管IC53～IC58和发光二极管LD1～LD8，分别显示出电压值和三相电流值；如有故障，则显示器显示故障内容，相应的故障指示灯亮，IC33之Q4脚输出信号“1”，使IC37开门，IC27发出的音频信号送至IC38驱动蜂鸣器发出“嘟-嘟-嘟”报警声。
电压检测与过压、欠压保护电路参见图2，由电压采样变压器B、整流桥D13～D16、R25、R26、DW4联接构成，B的初级在三相电源上，电压检测与过压、欠压保护电路由稳压管DW4与R25、R26共接端输出至A/D转换电路IC21的26脚。
缺相保护电路参见图4，由R39～R41、D21～D32、IC47的3～14脚，R43-R45、IC52联接构成。以A相为例，正常时，A相电流经R39及桥式整流电路D21～D24至IC47的3、4脚，则IC47的14脚输出脉冲波，如果缺A相，则IC47输出为“1”经IC52送至单片机IC24的P0口，IC24发出指令使IC34输出为“0”，IC39～IC41输出为“1”，三相固态继电器SSR截止，数码显示管显示EQA，相应指示灯亮，发出“嘟-嘟-嘟”报警。B、C缺相时，工作原理与此相同，不再赘述。
电流检测与过流、断相保护电路及短路保护电路两者为部分共同的电路，参见图2，由三相电流互感器L1、L2、L3、R1～R34二极管D1-D12稳压管DW1～DW3，运放器IC1～IC15、D触发器IC16联接构成。L1、L2、L3初级为三相电源线，电流检测与过流、断相保护电路分两路输出；一路出R6、R7、R16、R17、R23、R24分压输出，接至A/D转换电路IC21的27、28及1脚；另一路由D触发器IC16的6脚输出接至锁定电路IC34的2脚，构成短路保护电路。
短路预检保护电路，参见图4，由接在三相负载电路上的变压器次级L4、L5、L6及IC45、IC46、IC48、IC52、R46-R51联接构成。IC52输出接至单片机IC24。
短路预检保护电路的工作原理是智能无触点开关未闭合前，三相电路无短路故障时，IC48输出为“1”，当三相电路负载端A’与B’发生短路时，电流由变压器组L4至B’→R46→A’→D37→IC48的1脚→IC48的2脚返回至L4，则IC48输出脉冲波，经IC52送至单片机IC24的P0口，IC33发出指令使IC41输出为“0”，IC42～IC44输出均为“1”，三相固态继电器SSR截止，数码管显示Ed Ab，并发出“嘟-嘟-嘟”报警，表明智能型无触点开关不能闭合，可防止短路合闸造成重大事故。
当三相电路负载端B’与C’或C’与A’发生短路时，预检短路工作过程与上述相同。
复位电路由芯片IC23、按键开关S1、二极管D17电阻R27联接构成，IC23的6脚接至数据口芯片IC33的19脚，参见图3，它可以使单片机IC24自启动。防止死机并使单片机初始化复位。
报警电路由分频器IC27、与门IC37、运放器IC38、R36、蜂鸣器联接构成，参见图3，IC37的一个输入端接至IC33的9脚，分频器IC27的CLK脚与单片机IC24的数据总线联接。
显示电路由反相器IC28～IC31、移位寄存器IC59～IC64数码管IC53～IC58发光二极管LD1～LD9、电阻R59～R66联接构成。参见图3、图5，IC28的输入端1脚接单片机IC24的10脚，IC30的输入端1脚接单片机IC24的11脚。
三相电流IA、IB、IC由L1、L2、L2采集后送入三相全波精密整流电路，参见图2，三相全波精密整流电路由IC1～IC12、D1～D12、R1～R24构成，以IA整流为例，IA在R1上的电压UIA经射级跟随器IC1的1脚，当电流信号UIA为正半周时，信号经R3送至IC3的“+”端，在其输出端获得与UIA电压大小相等、相位相同的输出；当UIA为负半周时，则信号经R2送至IC2的“-”端，在其输出端获得电压幅值与UIA相等、相位相反的输出。这样就实现了全波精密整流，UIA全波整流信号经IC4射极跟随器由R6、R7分压输出到IC21的模拟量输入端，经IC21进行A/D转换后再读入单片机IC24的P0口，由IC24作出处理。同理IB、IC的采样信号经过上述过程转换为数字信号后读入单片机的P0口。
IA、IB、IC的模拟信号同时也送到电压比较器IC13、IC14、IC15的“-”端，当电流为额定电流值的2倍时，则幅值达到“+”端比较电压值幅值，其输出端电平翻低并送入IC16的4脚，IC16的6脚信号由“1”翻为“0”，使IC34输出为0，经IC39、IC40、IC41反相后输出为“1”，则无触点开关三相固态继电器SSR截止，智能开关断开，该电路作为电流过流或短路的硬件切断，使过流或短路保护更为可靠。
电压信号则由电压采样变压器B的次级输出8V电压经整流桥D13～D16整流、再经R25、R26分压后送入A/D转换电路由IC21作A/D转换后，再读入到单片机IC24的P0口。
逆功预检保护电路参见图4，由D18～D20、R38、R42、IC47、IC52联接构成，负载端A’、B’、C’分别接至D18～D20正端，IC52的输出18、16、14、12脚接至单片机IC24的P0口的39、38、37、36脚。
逆功预检保护电路的工作原理是当负载端线A’(或B’、C’)误串入另一供电系统的相线时，则电流从误串入相线流入A后再至D18(或D19、D20)正端，D18(或D19、D20)导通，半波电流经R38流入IC47之1脚，经2脚回到零线，则IC47的16脚输出波形由“1”状态变为脉冲波送入IC52之2脚后，再由18脚输出到单片机IC24的P0口，IC24发出指令使IC34输为“0”，IC39～IC41输出为“1”，SSR三相固态继电器截止，数码管显示Eng，相应指示灯亮，发出“嘟-嘟-嘟”报警声，从而避免了供电系统之间的短路事故。
漏电保护电路由L7、R52～58、D36、IC49、IC50联接组成，其工作原理是当主回路对地漏电电流达到30mA时，漏电互感器将漏电信号经R52送入IC49之负端，经放大、整流后进入IC50之负端其幅值大于或等于IC50正端的标准电压，使IC28输出端电平由“1”变为“0”，经缓冲器IC52后再送入IC24处理，发出漏电故障中断指令，使智能开关主回路切断。显示故障ELD，同时发出声光报警信号。
直流电源为通用电路，其原理不赘述。
各芯片符号与型号对照如下符号 型号IC1-IC12IC49LM324；IC13-IC16IC50LM339；IC17IC18IC5174HC32IC19IC20IC22IC28-IC3174HC14IC21ADC0809IC23MAX813LIC24AT89C52IC2524C04IC2674HC573IC2774HC4040IC2874HC273IC32、IC34、IC3774HC08IC35、IC36、IC39、IC417406IC42-IC44JGX-1975FDIC45、IC46JGC-2FDIC47IC48TLP521-4IC5274HC244本发明的优点是将故障检测保护电路与由单片机及门电路组成的智能控制单元和SSR无触点开关相结合，构成了智能无触点开关，故障检测、保护电路既包含常规的短路保护电路、电流检测与过流、断相保护电路、电压检测与过压、欠压保护电路、缺相保护电路、漏电保护电路，还特别包含有短路预检保护电路及逆功预检保护电路，本发明除了具有过流、短路、断相、过压、欠压、缺相、漏电等在线故障检测与保护、故障锁定、数码显示、报警功能，特别是具有对开关合闸前负载端短路故障预检保护功能，和对负载端是否有其他供电系统串入的逆功预检保护功能，因此本发明智能无触点开关功能齐全、性能优越、切断快速、安全可靠为彻底消除电气短路火灾隐患提供了可能。
权利要求
1.一种智能无触点开关，是一种三相电路故障检测与保护开关，它主要由故障检测、保护电路与无触点开关电联接构成，无触点开关接在受保护的三相负载电路中，故障检测、保护电路包含短路保护电路、电流检测与过流、断相保护电路、电压检测与过压、欠压保护电路、缺相保护电路、漏电保护电路，上述各保护电路信号采样端接至三相负载电路，各保护电路信号输出端接至无触点开关控制端，其特征在于故障检测、保护电路含有短路预检保护电路，其一端接至三相负载电路，信号输出端接至无触点开关控制端；由L4、L5、L6、IC45、IC46、IC48、IC52、R46～R51接成短预检保护电路，L4、L5、L6接在三相负载电路上，IC52输出接至单片机。
2.根据权利要求1所述的智能无触点开关，其特征在于故障检测、保护电路包含有逆功保护电路，它一端接至三相负载电路，信号输出端接至无触点开关控制端，由D18～D20、R38、R42、IC47、IC52接成逆功保护电路，D18、D19、D20正端分别接到三相负载电路上，输出接至单片机。
3.根据权利要求1所述的智能无触点开关，其特征在于其故障检测、保护电路所包含的上述各个保护电路均经单片机、控制门电路接至无触点开关，其中，电压检测与过压、欠压保护电路、电流检测与过流、断相保护电路，经A/D转换电路接至单片机；单片机与控制门电路之间接有锁定电路。
4.根据权利要求1所述的智能无触点开关，其特征在于其电压检测与过压、欠压保护电路、缺相保护电路与三相负载电路的联接是接在无触点开关前端的三相负载电路上。
全文摘要
本发明智能无触点开关由SSR无触点开关和单片机控制保护单元构成，包含有短路保护电路、电流检测及过流与断相保护电路、电压检测及过压与欠压保护电路、缺相保护电路、漏电保护电路、特别是包含有短路预检保护电路与逆功保护电路组成的故障检测保护电路，还包含有参数整定故障锁定、复位、显示、声光报警。本发明的优点是除了具有过流、短路、断相、过压、欠压、缺相、漏电等在线故障的检测与保护、故障锁定、数码显示、声光报警功能，特别是具有对负载合闸前供电线路短路故障预检保护的功能，和对负载端电路是否有其他供电系统误串入相线的逆功检测与保护功能，因此本发明功能齐全、性能优越、切断快速、安全可靠、为彻底消除电气短路火灾隐患提供了可能。
文档编号H02H3/24GK1455484SQ0312451
公开日2003年11月12日 申请日期2003年6月9日 优先权日2003年6月9日
发明者郭龙云 申请人:湖南大学