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保護電路設(shè)計
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)計了一種新型的電磁繼電器觸點保護系統(tǒng),它可以明顯減弱電磁繼電器在實際使用過程中產(chǎn)生的打火、拉弧等現(xiàn)象。利用光電耦合器實現(xiàn)的交流電壓過零檢測電路,結(jié)合單片機實現(xiàn)了觸點在交流電壓零點附近吸合,降低了打火強度;利用霍爾電流傳感器,實現(xiàn)了無相差交流電流檢測,并結(jié)合單片機實現(xiàn)了觸點在交流電流零點附近斷開,有效減弱了拉弧現(xiàn)象。同時,單片機通過監(jiān)測并記錄繼電器動作響應(yīng)時間,自動修正控制信號的提前量,有效避免由動作時間偏移引起的控制誤差。
觸點保護;過零檢測;打火;拉弧
電磁繼電器在電路中發(fā)揮著電壓隔離、安全保護、自動開關(guān)等重要作用。在高壓、大功率控制系統(tǒng)中,繼電器的閉合、斷開都會引發(fā)打火、拉弧等現(xiàn)象,嚴重時還會燒焦繼電器觸點,使控制系統(tǒng)失效或粘連,造成嚴重后果。
我國繼電器保護技術(shù)已經(jīng)進入了微機保護時代,電力系統(tǒng)對微機保護的要求也在不斷提高,做好繼電器觸點保護,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現(xiàn)精準控制,實現(xiàn)高智能化。微機保護方法相對小型機電系統(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電系統(tǒng)的繼電器保護電路設(shè)計,降低故障發(fā)生率,延長繼電器的使用壽命。
在實際工作中,可利用光耦傳感器將交流電壓信號轉(zhuǎn)化為TTL信號,如圖1所示。圖1中正弦波為交流電壓信號,當電壓大于0時,TTL輸出高電平。可見,TTL信號上升沿即為電壓相位零點。同理,可以獲得電流相位零點。如果采用這個方法能夠保證繼電器正好在電壓零點處吸合,并在電流零點處斷開,便可以從根本上解決觸點打火和拉弧的問題。
繼電器觸點保護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信號通過INT0端口進入單片機中斷引腳。按下啟動按鍵后,單片機根據(jù)INT0端口信號控制驅(qū)動電路啟動繼電器在電壓零點附近吸合,并將繼電器響應(yīng)時間返回給單片機。繼電器吸合后,通過霍爾電流傳感器檢測交流電流,所測電流信號經(jīng)開環(huán)放大后通過INT1端口進入單片機中斷引腳。按下關(guān)閉按鍵后,單片機根據(jù)INT1端口信號控制驅(qū)動電路,啟動繼電器,在電流零點附近斷開,并將繼電器的響應(yīng)時間返回給單片機。
圖1 電壓波形圖和標準TTL電平圖
另外,繼電器吸合響應(yīng)時間為T1,為了保證繼電器在相位零點附近吸合,單片機需要提前T1時間啟動繼電器,以保證繼電器在下一個相位零點附近閉合。由此,當單片機檢測到INT0信號上升沿開始倒計時T(T=20 ms-T1),倒計時完成后,立刻啟動繼電器,這樣即可保證繼電器在下一個相位零點附近吸合。
圖2 繼電器觸點保護電路設(shè)計框圖
同理,單片機可以根據(jù)繼電器斷開響應(yīng)時間T2和INT1信號計算倒計時保證繼電器在下一個相位零點斷開,由此完成繼電器吸合和斷開時的觸點保護。
由TLP521-2型光電耦合器與電源并聯(lián)獲得與電源信號同相位的TTL信號,TTL的上升沿即為電壓信號的相位零點。同時,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,可獲得與電流信號同相位的正弦波,再經(jīng)放大器(NE5532)開環(huán)放大后,由共射級放大電路轉(zhuǎn)化為TTL信號。此時,TTL信號上升沿即為交流電流的相位零點。以上兩路TTL信號分別由單片機INT0和INT1在上升沿中斷獲取到電壓信號或電流信號的相位零點。
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,第二通道用于動作時間檢測,由此完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計。
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
為了驗證繼電器是否在電壓零點附近吸合,在電流零點附近斷開,分別測試觸點吸合和斷開時的電壓變化。圖3中上半部分正弦信號為繼電器常開端電壓信號,下半部分為交流電壓信號。由圖3可知,繼電器閉合比電壓信號相位零點延遲1.2 ms,誤差為6%.圖4中上半部分正弦信號為繼電器常開端電壓信號,下半部分為交流電流信號,由圖3可知,繼電器斷開比電流信號相位零點延遲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,繼電器在電壓零點附近閉合的整體誤差為5.7%,同時,繼電器在電流零點附近斷開的整體誤差為6.6%.觀察繼電器時,發(fā)現(xiàn)應(yīng)用繼電器觸點保護電路后,吸合時產(chǎn)生的打火現(xiàn)象明顯減弱,斷開時產(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
相對于因電壓周期變化導(dǎo)致動作時間不確定的交流繼電器,本電路設(shè)計采用了具有準確動作時間的直流繼電器。在實際設(shè)計中發(fā)現(xiàn),線圈本屬于電感,會產(chǎn)生相位差。當采用電感線圈將電流轉(zhuǎn)化為電壓信號時,相位發(fā)生延遲,并且隨著負載的變化,延遲量也相應(yīng)變化,無法準確測量到負載電流零點,不能完全保證在電流零點附近斷開繼電器。同時,使用電感線圈進行檢測時,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,可以更準確地檢測電流相位零點,提高繼電器吸合時間的準確性,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)計的觸點保護電路可以明顯減弱打火、拉弧現(xiàn)象,起到保護繼電器觸點的作用。
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胡云生(1995—),男,電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在讀學(xué)生,研究方向為光電技術(shù)。
〔編輯:白潔〕
TM58
A
10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.112
2095-6835(2017)24-0112-02