负载控制模块 【技术领域】
本发明涉及负载控制模块，特别是涉及用于控制将功率源与远地电气负载连接起来的开关传动装置的负载控制模块。
研制本发明的主要用途是用于地下采掘环境，因此下面对其的描述涉及这类应用。但将会看到的是，本发明并不局限于上述特殊的领域，而是适合于向诸如采掘和地面作业用的电动机、变压器等大多数以电力为动力的设备提供负载控制。
背景技术
迄今为止，已有诸如电动机和变压器之类的大功率电气设备经过开关传动装置与功率源相连。这种开关传动装置通常为一台特定的设备而设置从而在某些预先确定的负载特性发生相当的变化时切断功率源以避免其对设备或人身造成的危害。任何设置或调节都必须人工完成，但由于操作者的疲劳或疏忽，可能会导致错误的调节。
对于地下采掘应用，比较好的做法是将开关传动装置放置在保护性外罩内以确保开关时产生的火花不会点燃可能存在的易燃气体(如甲烷，沼气)。外罩包括由厚钢板构成并可通过带门的开孔进出的罩壳。这种门的外沿一般靠多个相隔一定距离的螺栓固定在邻近的罩壳上。因此，为了设置或调节一台特定的设备的开关传动装置，首先需要去除螺栓来打开钢门，然后设定开关传动装置，接着再把门换上。在这些步序结束后，还应进行测试以保证操作地安全。如果开关传动装置设置得不对，则必须重复这样的过程。因此，任何重新配置都是一件耗时费力的工作。
本发明的一个目标(至少在其较佳的实施例中)就是克服或基本上消除现有技术的一些不足。
【发明内容】
按照本发明，提供了一种用于控制将功率源与远地电气负载连接起来的开关传动装置的负载控制模块，该模块包括：
与负载相连的用来提供指示负载预先确定的运行参数的第一信号的传感器单元；以及
用来接收所述第一信号并向开关传动装置有选择地提供第二信号以在所述负载与所述参数发生偏差时使负载与功率源隔绝的控制器。
比较好的做法是将开关传动装置和控制器放在保护性外罩内而将传感器单元和负载放于远离外罩的地方。
还有比较好的做法是使传感器单元周期性地提供指示预先确定的负载情况的第三信号。更好的做法是使传感器单元在控制器需要时提供第三信号。
在较佳实施方式中，控制器和传感器单元经一条同时还向传感器单元提供电源的通信链路进行通信。更佳的实施方式是，开关传动装置通过合适的电缆线将功率源与负载连接起来，其中，电缆线包括通信链路。
附图的简要说明
现借助附图，通过实例来描述本发明的较佳实施例。
图1为按照本发明的控制模块的示意图。
实施发明的较佳方式
由图1可见(图中尺寸未按比例画出)，负载控制模块1对将交流功率源3连接到远地负载4(可以是电动机、变压器、任何其它的电气设备或多台这样的设备)的开关传动装置2进行控制。模块1包括安装在负载4上用于提供指示负载预先确定的运行参数的第一信号的传感器单元9。放置在开关传动装置2边上的控制器10接收第一信号并向开关传动装置有选择地提供第二信号以在负载与运行参数发生偏差时使负载4与功率源3隔绝。
功率源3通过适合于所需的电流和电压负载的电源总线11与开关传动装置2连接。同样，开关传动装置2根据需要，通过单相或多相电缆线12与负载4连接。
开关传动装置2一般配置成将总线11与电缆线12电气连接以向负载4提供电力。本实施例中的开关传动装置2包括主和副接触器，但是也可以采用开关、触发装置或其它电路断路器等。这两种接触器都对各自的继电器依次作出响应，而继电器又对控制器10提供的信号依次作出响应。还将看到尤其是在大功率应用领域，也可以使用油开关、空气开关或其它电路断路器。
在本实施例中，控制器10包含在235mm×105mm×180mm的箱体内，而开关传动装置2位于图中用虚线框出的保护性外罩20内。比较好的做法是用足以抵御爆炸和失火破坏的钢板做成箱体。这一点对于有可能发生爆炸的地下采掘应用来说尤为重要。
控制器10由绝对可靠的变压器(额定功率为18VA，并具有110V的初级/二组的18V次级)供电。该变压器必须分开来安装。
传感器单元9和控制器10通过在电缆线12的绝缘外层内延伸的电缆线21进行通信。比较好的做法是，电缆线21由一条既用于通信又用于单元9的供电的导线构成。
控制器包括配置为用于110交流控制系统的输入和输出。更好的做法是，输出22采用继电器触点并且额定的最大持续电流为5安培。比较好的做法是使多个指示输出端(未画出)适合于诸如LED和PLC输入之类的24V直流系统。这些指示输出最好是采用光隔离器来进行开关。
本实施例中的控制器包括六块支持各种硬件的印刷电路板25、26、27、28、29和30。主板25通过有极性扁带连接器或尺寸各异的导线与其它各板连接从而确保正确连接。所有这些板上的印刷布线都特地设计为能提供合适的电流密度并且同时使相邻布线之间留出足够的电压余隙。将会看到的是，为了确保失效时的安全操作，一些布线被地线隔离。
主板25支持要求传感器单元9提供预先确定的信号的中央处理器(未画出)。一旦获得这些信号，接下来就对其进行处理以向电路板26、27、28、29和30提供信息。其中，电路板26支持用于LCD显示器的驱动器、任何附加的非易失存储器和RS—232通信链路(如果需要)。即，中央处理器获得的数据可以直接显示和/或与远地显示器通信。本发明的这个特点便于中央监视多个这样的控制器并且可以使岗位上的工作人员获取相关的信息来测试和/或确定负载参数的状态。可以获得和/或显示的参数，例如有：过载、短路、单相、欠电流、锁定转子、接地漏电、凝结接触器/失去真空等。
电路板27包含驱动LCD图形屏幕所需的驱动器。电路板28包含附加的报警或状态指示器、复位按钮和测试按钮。电路板29是一个从电流变压器输入到电路板26的通过连接。需要该电路板来确保输入在发生故障时绝对可靠。余下的电路板30包含的部件保证单元在切断电源后至少两秒之内仍处于运行状态以避免发生触发性故障。
传感器单元9通常放于尺寸一般约为170mm×27mm×70mm的箱体内并安装在负载上或负载外罩内(如果情况允许)。传感器单元包含一个本地处理器，当电路板25上的中央处理器发出指令时，它将从一个或多个传感器或者有关的存储器获得所需的数据。中央处理器输送的指令信号和远地处理器提供的数据都通过电缆线21提供的一条通信链路运载。此外，这条电缆线还担负起向传感器单元9提供电源的作用。即，如果需要，则在半周内向传感器单元提供电源，而在另一个半周内传送信息。在其它实施例中可以采用不同的电力/通信协议。
向控制器10提供了指示负载电流的信号。对于直到大约450A范围内的电流，匝数比为1200/1的电流变压器适合用来提供与控制器输入兼容的信号。在这种结构中，所有电流变压器都采用公共接地的连接方式。最好的做法是，两个变压器向控制器10的相应输入提供各自的信号。
电流变压器的次级电流引出的电压落在能够使所测量的相分为三段范围的电阻/二极管负载网络上。在一个较佳实施例中，1欧姆、7欧姆和56欧姆的负载电阻串联连接以给出1∶8∶64的测量范围。落在两个较大电阻上的电压由背对背的二极管限定以避免负载网络中功率的过渡消耗。网络能够承受的最大持续电流约为2安培。但是对于持续时间不超过1秒的5安培电涌也是能够承受的。
落在负载网络上的电压经过R—C滤波器输入至相应的控制器10的输入。因此，可以通过软件操作整流和选择范围，这减少了所需硬件的数量和复杂性。
控制器10还设计成用来测试接地漏电。在其中一个实施例中，根据所需的物理尺寸而定的匝数比为355/1或260/1的合适的接地漏电环向控制器提供电压。如果对接地故障没有限制，则环的次级端必须包含故障限定网络。该环通过R—C滤波器与控制器10相连，并且如上所述，利用软件实现整流。
传感器单元9包括多个接收指示预先确定的负载参数(如温度、接地连续性等)的信号的输入。比较好的做法是，传感器单元9还设计成用来测试负载是否失衡。合适的传感器包括355/1或260/1的接地漏电环，它向合适的负载网络输送电流。落在网络上的电压可以为传感器单元9利用。这种布局使得控制器10在发生接地故障时能够区分出负载故障和连接电缆线故障。
控制器10可直接或间接通过传感器单元9获得足够的有关负载4初始和正常的运行参数信息。这种系统使得可以响应诸如过载、短路、单相、欠电流、锁定转子、接地漏电、凝结接触器/失去真空、接地故障闭锁、接地连续性以及温度变动之类条件的变化而控制开关传动装置2。
模块1的设计有利于自动或根据操作者的需要显示关于负载状态的有用信息。
开机时控制器10执行的自检程序包括：
检查RAM存储器；
检查外部设备(如果有)；
确保输出继电器是断电的；以及
向电流变压器和接地漏电测试继电器充电和检查所有的电流传感输入。
在这些测试结束后，控制器将与传感器单元9进行通信。如果控制器检测到开路或高阻，则激励相应的LED来指示传感器单元失效。但是控制器10将继续检查与传感器单元的连接。
当检测到有效的连接时，控制器10在电缆线21上保持预先确定的电压。比较好的是，电压设置为最大负电压，其保持时间足够长，从而能向传感器单元9输送功率。在其中一个实施例中，当把施加的负电压拉向接地而产生足够的功率储备时，传感器单元将通知控制器。在进一步的实施例中，传感器单元9发送一串行的编码报文，它由8个以上的数据位、1个奇偶校验位和2个停止位组成。比较好的做法是，该报文将有关经开关传动装置2供电的特定电气负载的信息中继给控制器10。例如，如果负载为电动机，则报文可以传送电动机的功率要求和它的初始特性。
在预先确定的时间间隔内没有接收到编码报文，控制器10则采用过电流设置。传感器单元接下来应提供与这些设置相一致的报文，控制模块1则准备控制并监视着开关传动装置2。但是如果从传感器单元9接收的报文与控制器提供的设置不符，则激励报警LED。随后操作者必须检查这些设置是否适用于负载。由控制器推荐的设置显示在LCD显示器上或用相应的LED表示。如果需要，可以按下复位钮，而控制器则将采用传感器单元9提供的过载设置。
电源没有向负载供电时，控制器监视各种接地故障或凝结接触点器状态。而且，控制器还要求监视例如绕组线圈温度的传感器单元9提供信息。
电源向负载供电期间，控制器监视电流变压器以检测各种过载或接地漏电。采用开关放大器放大落在负载网络上的交流电压并移动其电平。随后，在与已经设定的过载设置进行比较之前，如上所述，控制器10软件整流和平均信号。控制器还周期性地要求传感器单元9提供指示绕组线圈或其它有关温度的信号以避免产生过热。
传感器单元9和控制器10都设计成可以接收模拟和数字信号。但是，为了提供足够快的操作速度，这些装置都必须能在1毫秒内产生为接下来的判断所用的所有输入。由于最终的信号在一些环境下必须进行比较、平均等，所以如果在某种程度上涉及到模拟信号，就需要在合理的处理速度范围内提供快速的模拟—数字转换器。比较好的做法是，任何端口服务和其它内务处理功能也要在这个时间间隔内完成。
如上所述，比较好的做法是使控制器10的输出驱动继电器。测试继电器由集电极断开的具有较高额定电流、电压和增益的晶体管作开关以提高安全因子。向开关传动装置提供信号的这个输出还驱动一个在正常运行期间持续充电的继电器。在需要将负载4与电源3隔绝时，控制器10将使继电器处于非激活状态。因此，如果控制器10失效，由于锁定或其他措施，开关传动装置将断开。在本实施例中，控制器还包括在“通电”状态下继电器发生机械故障时提供信号的附加检测装置。
虽然模块1包括一些紧急电源备用以应付供电电压的剧跌，但是这种存储的能量在总电源切断30秒内将减少到安全的水平。
模块1提供了用于开关传动装置2的单个控制器。该模块还可以在发生过载、短路和接地或电缆线故障时保护设备和工作人员。这种中央控制功能通过提供了有关负载的所需信息的远地传感器来实现。因此，开关传动装置2可以由控制器10安全地操作，不管供电的负载发生了什么情况。即，控制器10不具备保护继电器的特性设置，但是可以与传感器单元9进行通信以获得所需的保护信息从而设置每个特定负载上的保护继电器。
一开始由控制器获取诸如最大电流、起动特性等之类的运行参数。此后，控制器收集有关负载运行和状态的数据。这类数据既可以直接由控制器10获取，又可以经传感器单元9间接获取。根据数据来监视负载。一旦获取的数据与最初的参数不一致，负载就与功率源3电气隔绝。
在本较佳实施例中，单条导线的通信电缆线21使得传感器单元9可以在负半周内供电而在正半周内由控制器向单元9发送命令。如上所述，传感器单元通过将负半周内输送的电源切换至接地与控制器10通信。
在一些实施例中，传感器单元9包括至少一个数字输入以使用于控制和/或监督系统的远地输入装置能够运行。
虽然这里借助实例描述了本发明，但是对于本领域内的技术人员来说，对本发明还可提出其它多种形式的实例。