基于磁保持继电器的交流过零投切的研究.docx

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基于磁保持继电器的交流过零投切的研究

基于磁保持继电器的交流过零投切的研究

1绪论

1.1研究背景……………………………………………………………………

1.2交流电电压电流过零投切技术的研究现状……………………………………

1.3本课题的研究内容…………………………………………………………

2交流过零投切技术中的重点、难点问题

2.1交流电电压、电流零点检测………………………………………………

2.2磁保持继电器投切动作时间的在线测量…………………………………

2.3程序算法的设计……………………………………………………………

2.3.1多路相互独立的继电器输出……………………………………………

2.3.2多路相互独立的继电器投切动作时间的测量……………………………

3交流过零投切的具体实现

3.1交流过零的硬件检测电路…………………………………………………

3.1.1交流电电压过零检测电路…………………………………

3.1.2交流电电流过零检测电路…………………………………

3.2载波技术在继电器投切动作时间在线测量中的应用……………………………

1绪论

1.1研究背景

交流过零投切技术就是指使交流电电压、电流在刚好在零点的位置时投入电路、切除出电路来的技术。

传统的方式下，继电器在接到投切命令后马上执行分断任务，而此时很有可能正值继电器通过的电压最大或电流最大值的时候，那么此时就很有可能出现继电器拉弧现象，这将严重影响继电器的正常工作和寿命，更严重的后果可能会由于继电器触头的烧灼而使继电器不能断开。

因此为保障继电器的正常工作以及用电的安全，继电器的交流过零投切就很有必要了。

并且在实际的应用中，这种交流过零投切的继电器可以代替普通的空气开关。

1.2交流电电压电流过零投切技术的的研究现状

交流过零投切技术目前主要应用在无功补偿等工业领域，对于交流过零投切技术目前只有两种实现并应用的方法，一种是只使用晶闸管来作为交流过零投切器件的方法，这种方法的响应时间很快，能做到精确过零投切，但是晶闸管导通时有一定的压降，当流过的电流较大时功耗很大，发热严重，且晶闸管由于耐压值不高，容易发生击穿，造成工作不稳定；第二种是使用晶闸管与磁保持继电器并联来作为交流过零投切器件的方法，这种方法的响应时间较慢，但在稳定工作状态时，由于继电器与晶闸管并联，绝大部分的电流由继电器分流，所以在晶闸管上的损耗极低，但同样的，由于使用了晶闸管，那就必定存在着晶闸管耐压值的问题，因此晶闸管的击穿也会影响该过零投切器的正常工作。

本课题研究的是只使用磁保持继电器作为过零投切器的投切技术，这种投切方法能够很好地解决上述两种投切器在应用中存在的问题，它可以通过很大的电流，且几乎没有损耗，而继电器两端的电压可以很高，所以也不存在耐压值的问题，更不会发生击穿，从而影响器件的正常的工作。

但这种投切方法的过零投切不够精准，响应时间没有上述两种方法快，而这里最主要的问题就是过零投切的准确性，由于继电器动作存在一个较大的延时（大约5ms左右），因此不能像控制晶闸管那样来控制继电器的投切。

1.3本课题的研究内容

本课题致力于解决磁保持继电器过零投切的精确性的问题，这其中涉及到了交流电电压、电流过零点时刻的检测，继电器的控制，继电器动作时间的测量，以及下一次继电器动作时间的推测问题。

而本课题主要研究的是交流过零点时刻的检测和继电器动作时间的精确测量。

2交流过零投切技术中的重点、难点问题

2.1交流电电压、电流零点时刻的检测

对于交流过零投切技术，要实现电压为零时将交流电投入电路中，电流为零时将交流电从电路中切除，那么交流电电压、电流过零时刻必须能够精确地检测到，并且及时将过零信号反馈给MCU。

不管是使用晶闸管或者复合开关，过零时刻的精确检测都是必须的，而对于本课题研究的只使用磁保持继电器来实现交流电过零投切的方法，交流电电压、电流过零时刻的检测的准确性则更为重要，过零时刻检测的准确性将直接影响到交流电过零投切的准确性。

交流电过零时刻的检测因为涉及到了强电部分，因此检测电路必须要与强电进行隔离，目前将强电与弱电隔离的方法主要有使用电流、电压互感器、光耦等，相对于互感器，光耦的体积较小，电路上也比较容易实现，但光耦采集回来的信号需要软件进行处理才能确定交流电的过零点的时刻。

而使用互感器的话，则需要先将采集到的信号进行放大，然后经过电压比较器，最后输出过零点时刻的波形，电路设计比较复杂，但准确性比较高，且程序不需要再做处理。

2.2磁保持继电器投切动作时间的在线测量

相对于其他的环节，磁保持继电器的动作时间的在线测量是最困难的地方，也是决定交流电能否完成过零投切的最核心的环节。

继电器的动作时间在没有接入到强电系统时很容易就可以精确地测量出来，只需在继电器输入引脚处加上一个高电平，然后在输出引脚处检测是否存在该高电平，当接收到该高电平信号时继电器接通，当接收不到该高电平则继电器断开。

但当继电器接入到220V市电时，这种直接加高电平信号的方法显然是行不通的。

对于继电器通断状态的检测，一要考虑到强电与弱电间的隔离，二要考虑到这种状态的实时性，不能有延时，只有满足了上述两个要求才能准确并安全稳定地测量出继电器的动作时间，也唯有这样才能使磁保持继电器精确过零投切成为可能。

2.3程序算法的设计

2.3.1多路相互独立的继电器输出

磁保持继电器的工作原理是给继电器的线圈一个脉冲触发信号后继电器便动作，因此常规的控制方法是给控制引脚一个高电平然后延时一定的时间后再将该控制引脚的电平拉低，当需要同时任意多路继电器控制输出时，这种控制方式将显得非常笨拙并且程序的设计将很复杂，因此需要一种既简单又灵活的控制方式来控制继电器的输出，为此本课题设计了一种使用定时器来控制继电器的控制输出，且每个继电器配备一个定时器，这样子就可以使各个继电器之间是相互独立的。

2.3.2多路相互独立的继电器投切动作时间的测量

继电器的动作时间是一个非常重要的参数，那么精确测量继电器动作时间就很有必要了，除了硬件上要能及时反映继电器的通断状态，程序也要能够在继电器状态变化的瞬间便能响应这个变化，为此程序设计中，给每一路继电器通断状态检测引脚配置了相互独立的外部中断，通过独立的中断线来响应各个继电器的通断状态的变化，并且为了能使计时准确且独立，同时给每路继电器配置了一个独立的计时器。

3交流过零投切的具体实现

3.1交流过零的硬件检测电路

交流电过零点时刻检测分为交流电电压过零点时刻检测和交流电电流过零点时刻检测，当负载为纯阻性负载时，理论上交流电电压、电流的过零点时刻是相同的，当负载中有容性、感性负载时，交流电电流过零点时刻滞后于电压过零点时刻，因此为了实现对任何负载都能过零投切，本设计将对交流电电压、电流过零点时刻分别独立检测，下面将分别就本设计中使用的交流电电压、电流过零点时刻的检测电路进行讲解。

3.1.1交流电电压过零检测电路

本设计中考虑到电压互感器的体型庞大，且检测电路较复杂，因此一开始便舍弃了使用电压互感器来进行电压的过零点时刻的检测的方法，继而尝试使用其他简便的电路来测量交流电过零时刻。

最初使用的TLP280双向光耦进行检测，TLP280光耦是一款双向线性光耦，能够将输入端的信号线性地反馈到输出端，因此可以实时地反映交流市电的电压波形。

具体电路如图3.1.1.1所示：

图3.1.1.1TLP280双向光耦交流电过零检测电路

图中交流市电输入端串联一个大的电阻用来限制流过光耦两端的电流，交流市电经过TLP280后输出一个类似于全波整流后的交流电压波形，该信号连接到三极管B极，当该处电压高于一定值（一般是0.3V）时，三极管C、E极导通，C极电平为低电平；当该处电压低于0.3V时，C、E极截止，C极电平为高电平。

因此可通过检测三极管C极的信号来检测交流电电压过零点的时刻，三极管C极的信号如图3.1.1.2所示：

图3.1.1.2TLP280光耦交流电电压检测波形

图3.1.1.2中蓝色线为三极管C极输出的波形，黄色线为交流市电的电压波形。

从图中可看出蓝色方波的高电平的正中间位置即是交流电电压过零点的时刻，因此可以通过检测该方波的上升沿时刻，然后进行一定的延时，这个延时为方波高电平的高电平持续的时间的一半。

因为器件的差异或其他方面的一些原因，方波的高电平的持续时间并非固定不变的，因此在每次上电后都会进行一次测量，以便对过零点时刻进行校准。

使用这种方法检测交流电电压过零点时刻的电路很简单，且可以将强电与弱电完全隔离，稳定性好，成本低廉，但程序设计较复杂，过零点时刻需要进行软件的校正，才能确保过零点时刻的准确性。

为了能更进一步提高交流电电压过零点投切的准确性，我在网上找了一些交流电电压过零点时刻的检测电路，经对比，最后尝试使用运放或电压比较器对交流电波形进行整形，使输出变成周期与交流电周期一致的方波，具体电路如图3.1.1.3所示：

图3.1.1交流电电压过零时刻检测电路

图3.1.1.3LM358交流电电压过零点时刻检测电路

图3.1.1.4LM358输出端波形与交流电电压波形

图3.1.1.3中的RW1、RW2起到限制流过二极管的电流的作用，二极管则将运放差分输入端的电压钳制在0.7V以内，电阻RW3、RW4则取二极管两端的中间电平并连接到运放的参考地，从而使输入的差分信号有可靠的参考地。

LM358输出端的波形如图3.1.1.4所示

图3.1.1.4中蓝色线是LM358输出端的波形，黄色线是交流电电压波形。

从图中可以看出LM358输出的是标准的方波，且周期为20MS，与我国交流电的周期是一致的，方波的边沿正好处于交流电电压过零点处，因此只需在程序中检测LM358输出的方波的边沿就可以精确地检测到交流电电压过零点时刻。

但从图3.1.3中可看出，这个过零检测电路并未与市电进行隔离，因此为了整个系统的安全稳定，后经改进将LM358输出的方波经过光耦的隔离之后再送到MCU，并使用单独的隔离电源为LM358供电。

这种检测方法，交流电电压过零点时刻检测很准确，软件设计简单，不需要软件校正，但电路设计较复杂，需要独立的隔离模块，成本较高。

经过综合分析比较，最终选用基于TLP280光耦来检测交流电电压过零点时刻的方法。

3.1.2交流电电流过零检测电路

相对于交流电电压过零点时刻的检测，交流电电流过零点时刻的检测能选择的方案就比较少了，要采集到交流电的电流波形，目前应用最多的便是使用电流互感器采集电流信号，最后将电流信号转化成电压信号，此时只需检测这个电压信号的过零点时刻便是交流电电流过零点的时刻了，具体的电路设计如图3.1.2.1所示：

图3.1.2.1交流电电流过零点时刻检测电路

本设计中，使用变比为2500:

1的电流互感器，电流互感器输出引脚串联一个100Ω的高精度的电阻，将电流信号转化成电压信号。

图3.1.2.1中CT1、CT2是电流互感器感应到的电流经电阻转化后的电压信号的输入引脚，R203、R204将该电压信号下拉到运放的地电平，使该电压信号有一个稳定的参考地。

在电压比较器前加入一个运算放大器，一是利用运放的高阻抗输入特性，尽量减少对该信号的影响（因为该信号还要用来测量电流的大小），二是将信号适当放大，从而确保在电流较小时也能精确地检测点交流电电流过零点的时刻。

D203是一个稳压二极管，防止比较器差分输入端的电压过高。

当接一个纯电阻负载时，得到的电压比较器输入端的信号波形如图3.1.2.2所示：

图3.1.2.2LM393输入端电压波形

图3.1.2.2所示的信号是交流电电流信号经转化、放大后的信号，将该信号导入到LM393差分输入的+端，与LM393差分输入的-端（接地）电平比较，从而得到过零点时刻的波形，如图3.1.2.3所示：

图3.1.2.3交流电电流过零点时刻波形

从图3.1.2.3可以看出，电压比较器LM393输出的方波的周期为20MS，与我国交流市电标准的周期相一致，因此这种检测方法是可行的。

3.2载波技术在继电器投切动作时间在线测量中的应用

对于磁保持继电器动作时间的测量，刚开始的时候觉得就是要监测磁保持继电器输出端状态的变化，而对于磁保持继电器输出端的状态可以很容易获得，但我并没有考虑到这个状态的实时性，以至于在所有工作都完成得差不多的时候，发现自己始终无法实现交流电电压的过零投切。

最初使用的继电器状态监测电路如图3.2.1所示：

图3.2.1继电器输出状态监测电路

从图3.2.1中可以看出继电器输出状态监测电路与交流电电压过零检测电路很相似，只是在三极管的B、E极之间加入一个整流电容。

当光耦输入端通有220V交流电时，光耦的输出端经电容的整流滤波后，输出一个高电平，此时三极管的C、E极导通，C极电平为低电平；当光耦的输入端没有220V交流电时，光耦输出端没有输出，而R4将光耦输出端的电平下拉到低电平，此时三极管C、E极截止，C极电平被上拉到高电平。

因此在程序设计时只需检测三极管C极的电平的跳变即可判断继电器的状态发生了变化，那么继电器的动作时间就可以从MCU发出动作指令时开始计时，到检测到三极管C极电平发生跳变时停止计时，此时计时器的计数值便是继电器动作的时间。

从逻辑上分析，这个方法是可行的，但再深入一点分析，就会发现在光耦的输出端加入的电容会使继电器的状态反馈存在延时，而这样的延时会使得测量得到的继电器动作时间非常的不准确，也很不稳定。

那么光耦输出端的电容能否去掉呢，经过实验，当电容值减少到0.1ＵＦ时，三极管的Ｃ极的电平还是会跟随继电器的通断状态发生变化，但是还是存在较大的延时；而当电容值小于０.１ＵＦ时，三极管的Ｃ极输出的将是一个方波，与光耦交流电电压过零检测时的波形是一致的，最后干脆直接将这个电容去掉，就按电压过零点检测的电路进行继电器动作时间的测量，只是程序做了相应调整。

根据图３.１.１.２的波形，当继电器是断开时，三极管的Ｃ极为高电平，当发出继电器闭合的指令后计数器开始计时，当继电器的触点闭合后，三极管的Ｃ极的电平将是一个过零检测的方波，因此只要到一个下跳沿，便停止计时，并读取计数器的值，该值就近似等于继电器的闭合的动作时间；当继电器是闭合是，三极管Ｃ极的电平为过零检测的波形，当ＭＣＵ发出继电器断开的指令后开始计时，当继电器断开后，三极管的Ｃ极的电平将变为高电平，因此当检测到三极管Ｃ极的上跳沿后便读出计时器的值，如果在１０ＭＳ内有多个上跳沿（理论上最多只有两个），那么就以后一个上跳沿测量到的时间为继电器断开的动作时间，其具体的实施流程如图３.２.２所示：

从图３.２.２可以看出闭合继电器的时候，三极管的Ｃ极可能有三次的下跳沿，程序设计时，只要检测到这些下跳变沿中的任意一个，就停止计数器，并读取计数器的值，这个值就是继电器闭合的动作时间。

当继电器刚好在电压零点时刻附近闭合完成时，测量到的继电器动作时间是不准确的，误差大约在±５００ＵＳ。

继电器分断的时候，三极管的Ｃ极可能存在三次上跳沿和一次下跳沿，在计数器开始计时后，１０ＭＳ内，每次的上跳沿都读取计数器的值，并以最后读取到的数值作为继电器分断的动作时间，其中当只发生一次或三次上跳沿时，测量到的继电器的动作时间最为准确，当只发生２次上跳沿时，测量得到的继电器分断的动作时间是不准确的，误差大约在±５００ＵＳ。

经实际的测量得到一组使用这种方法测量得到的继电器动作时间的数据和一组直接测量继电器动作时间的数据，具体的数据如表３.２.１所示：

光耦方式测量（无电容）

直接测量

关断时间

单位（ＵＳ）

闭合时间

单位（ＵＳ）

关断时间

单位（ＵＳ）

闭合时间

单位（ＵＳ）

１

４２１０

１

８２５３

１

４００６

１

６５５０

２

４２１２

２

８２３４

２

３９３６

２

６５５０

３

４２１７

３

８７６８

３

３９３５

３

６５５０

４

４２２１

４

６９８０

４

３９３２

４

６５５３

５

４２０５

５

６９１３

５

３９４０

５

６５５２

６

４０５９

６

８２２７

６

３９２３

６

６５５１

表３.２.１

从表中可以看到使用光耦来测量继电器动作时间还是存在比较大的误差，特别是在继电器时，与实际值相差达２ＭＳ之多，这么大的误差在本设计中是不允许的，因此不得不再寻找其他更加可靠的方法来测量继电器的动作时间。