基于過零檢測的繼電器觸點(diǎn)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

胡云生，郝佳琦，謝雅麗

（西南石油大學(xué) 理學(xué)院，四川 成都 610500）

基于過零檢測的繼電器觸點(diǎn)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

胡云生，郝佳琦，謝雅麗

（西南石油大學(xué) 理學(xué)院，四川 成都 610500）

設(shè)計(jì)了一種新型的電磁繼電器觸點(diǎn)保護(hù)系統(tǒng)，它可以明顯減弱電磁繼電器在實(shí)際使用過程中產(chǎn)生的打火、拉弧等現(xiàn)象。利用光電耦合器實(shí)現(xiàn)的交流電壓過零檢測電路，結(jié)合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了觸點(diǎn)在交流電壓零點(diǎn)附近吸合，降低了打火強(qiáng)度；利用霍爾電流傳感器，實(shí)現(xiàn)了無相差交流電流檢測，并結(jié)合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了觸點(diǎn)在交流電流零點(diǎn)附近斷開，有效減弱了拉弧現(xiàn)象。同時(shí)，單片機(jī)通過監(jiān)測并記錄繼電器動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間，自動(dòng)修正控制信號(hào)的提前量，有效避免由動(dòng)作時(shí)間偏移引起的控制誤差。

觸點(diǎn)保護(hù)；過零檢測；打火；拉弧

1 背景介紹

電磁繼電器在電路中發(fā)揮著電壓隔離、安全保護(hù)、自動(dòng)開關(guān)等重要作用。在高壓、大功率控制系統(tǒng)中，繼電器的閉合、斷開都會(huì)引發(fā)打火、拉弧等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒焦繼電器觸點(diǎn)，使控制系統(tǒng)失效或粘連，造成嚴(yán)重后果。

我國繼電器保護(hù)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了微機(jī)保護(hù)時(shí)代，電力系統(tǒng)對(duì)微機(jī)保護(hù)的要求也在不斷提高，做好繼電器觸點(diǎn)保護(hù)，提高其可靠性，可以延長繼電器的使用壽命。繼電器與微處理器組合使用可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)高智能化。微機(jī)保護(hù)方法相對(duì)小型機(jī)電系統(tǒng)而言，成本太高并不適用。本文旨在低成本投入下完成適合小型機(jī)電系統(tǒng)的繼電器保護(hù)電路設(shè)計(jì)，降低故障發(fā)生率，延長繼電器的使用壽命。

2 觸點(diǎn)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

2.1 基于過零檢測的觸點(diǎn)保護(hù)原理

在實(shí)際工作中，可利用光耦傳感器將交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為TTL信號(hào)，如圖1所示。圖1中正弦波為交流電壓信號(hào)，當(dāng)電壓大于0時(shí)，TTL輸出高電平。可見，TTL信號(hào)上升沿即為電壓相位零點(diǎn)。同理，可以獲得電流相位零點(diǎn)。如果采用這個(gè)方法能夠保證繼電器正好在電壓零點(diǎn)處吸合，并在電流零點(diǎn)處斷開，便可以從根本上解決觸點(diǎn)打火和拉弧的問題。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

繼電器觸點(diǎn)保護(hù)電路由電壓過零檢測電路、系統(tǒng)控制電路和電流過零檢測電路組成，如圖2所示。220 V電源電壓直接通過電壓過零檢測電路，所得TTL信號(hào)通過INT0端口進(jìn)入單片機(jī)中斷引腳。按下啟動(dòng)按鍵后，單片機(jī)根據(jù)INT0端口信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)繼電器在電壓零點(diǎn)附近吸合，并將繼電器響應(yīng)時(shí)間返回給單片機(jī)。繼電器吸合后，通過霍爾電流傳感器檢測交流電流，所測電流信號(hào)經(jīng)開環(huán)放大后通過INT1端口進(jìn)入單片機(jī)中斷引腳。按下關(guān)閉按鍵后，單片機(jī)根據(jù)INT1端口信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路，啟動(dòng)繼電器，在電流零點(diǎn)附近斷開，并將繼電器的響應(yīng)時(shí)間返回給單片機(jī)。

圖1 電壓波形圖和標(biāo)準(zhǔn)TTL電平圖

另外，繼電器吸合響應(yīng)時(shí)間為T1，為了保證繼電器在相位零點(diǎn)附近吸合，單片機(jī)需要提前T1時(shí)間啟動(dòng)繼電器，以保證繼電器在下一個(gè)相位零點(diǎn)附近閉合。由此，當(dāng)單片機(jī)檢測到INT0信號(hào)上升沿開始倒計(jì)時(shí)T（T＝20 ms-T1)，倒計(jì)時(shí)完成后，立刻啟動(dòng)繼電器，這樣即可保證繼電器在下一個(gè)相位零點(diǎn)附近吸合。

圖2 繼電器觸點(diǎn)保護(hù)電路設(shè)計(jì)框圖

同理，單片機(jī)可以根據(jù)繼電器斷開響應(yīng)時(shí)間T2和INT1信號(hào)計(jì)算倒計(jì)時(shí)保證繼電器在下一個(gè)相位零點(diǎn)斷開，由此完成繼電器吸合和斷開時(shí)的觸點(diǎn)保護(hù)。

3 觸點(diǎn)保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)和測試

3.1 硬件電路的實(shí)現(xiàn)

由TLP521-2型光電耦合器與電源并聯(lián)獲得與電源信號(hào)同相位的TTL信號(hào)，TTL的上升沿即為電壓信號(hào)的相位零點(diǎn)。同時(shí)，利用霍爾電流傳感器（ACS712-T電流檢測范圍0～30 A）檢測交流電流，可獲得與電流信號(hào)同相位的正弦波，再經(jīng)放大器（NE5532）開環(huán)放大后，由共射級(jí)放大電路轉(zhuǎn)化為TTL信號(hào)。此時(shí)，TTL信號(hào)上升沿即為交流電流的相位零點(diǎn)。以上兩路TTL信號(hào)分別由單片機(jī)INT0和INT1在上升沿中斷獲取到電壓信號(hào)或電流信號(hào)的相位零點(diǎn)。

由于真空繼電器本身具有一定的減小打火和拉弧的作用，因此，本文選擇雙刀雙擲的真空繼電器作為控制單元，并將第一通道用于電源控制，第二通道用于動(dòng)作時(shí)間檢測，由此完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖3 繼電器吸合響應(yīng)誤差測試

圖4 繼電器斷開響應(yīng)誤差測試

3.2 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證繼電器是否在電壓零點(diǎn)附近吸合，在電流零點(diǎn)附近斷開，分別測試觸點(diǎn)吸合和斷開時(shí)的電壓變化。圖3中上半部分正弦信號(hào)為繼電器常開端電壓信號(hào)，下半部分為交流電壓信號(hào)。由圖3可知，繼電器閉合比電壓信號(hào)相位零點(diǎn)延遲1.2 ms，誤差為6%.圖4中上半部分正弦信號(hào)為繼電器常開端電壓信號(hào)，下半部分為交流電流信號(hào)，由圖3可知，繼電器斷開比電流信號(hào)相位零點(diǎn)延遲1 ms，誤差為5%.

為了檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，經(jīng)過多次測量，測試結(jié)果如表1所示。由表1可知，繼電器在電壓零點(diǎn)附近閉合的整體誤差為5.7%，同時(shí)，繼電器在電流零點(diǎn)附近斷開的整體誤差為6.6%.觀察繼電器時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用繼電器觸點(diǎn)保護(hù)電路后，吸合時(shí)產(chǎn)生的打火現(xiàn)象明顯減弱，斷開時(shí)產(chǎn)生的拉弧現(xiàn)象也明顯減弱。

表1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結(jié)果

4 總結(jié)

相對(duì)于因電壓周期變化導(dǎo)致動(dòng)作時(shí)間不確定的交流繼電器，本電路設(shè)計(jì)采用了具有準(zhǔn)確動(dòng)作時(shí)間的直流繼電器。在實(shí)際設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，線圈本屬于電感，會(huì)產(chǎn)生相位差。當(dāng)采用電感線圈將電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)時(shí)，相位發(fā)生延遲，并且隨著負(fù)載的變化，延遲量也相應(yīng)變化，無法準(zhǔn)確測量到負(fù)載電流零點(diǎn)，不能完全保證在電流零點(diǎn)附近斷開繼電器。同時(shí)，使用電感線圈進(jìn)行檢測時(shí)，不可避免地要采用電感線圈，但這樣占用的體積大，不利于成品小型化。因此，采用霍爾電流傳感器，可以更準(zhǔn)確地檢測電流相位零點(diǎn)，提高繼電器吸合時(shí)間的準(zhǔn)確性，而且小型化設(shè)備也便于安裝使用。測試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的觸點(diǎn)保護(hù)電路可以明顯減弱打火、拉弧現(xiàn)象，起到保護(hù)繼電器觸點(diǎn)的作用。

［1］周永榮，葛佳盛，王思皓，等.基于IEC60255-1與DL/T478-2013繼電器觸點(diǎn)性能試驗(yàn)方案研究與設(shè)計(jì)［J］.電測與儀表，2017，54（13）：13-19.

［2］史久貴.基于Altium Designer的原理圖與PCB設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］陳之.根據(jù)負(fù)載類型選擇繼電器觸點(diǎn)材料與觸點(diǎn)保護(hù)電路［J］.機(jī)電元件，2010（4）：22-27.

［4］周云旭，鐘水蓉.繼電器觸點(diǎn)保護(hù)電路設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2013（16）：118.

胡云生（1995—），男，電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在讀學(xué)生，研究方向?yàn)楣怆娂夹g(shù)。

〔編輯：白潔〕

TM58

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.112

2095-6835（2017）24-0112-02