基于磁保持繼電器的交流過(guò)零投切的研究報(bào)告

1、-. z基于磁保持繼電器的交流過(guò)零投切的研究目錄1緒論1.1研究背景1.2交流電電壓電流過(guò)零投切技術(shù)的研究現(xiàn)狀1.3本課題的研究容2交流過(guò)零投切技術(shù)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題2.1交流電電壓、電流零點(diǎn)檢測(cè)2.2磁保持繼電器投切動(dòng)作時(shí)間的在線測(cè)量2.3程序算法的設(shè)計(jì)2.3.1多路相互獨(dú)立的繼電器輸出多路相互獨(dú)立的繼電器投切動(dòng)作時(shí)間的測(cè)量3交流過(guò)零投切的具體實(shí)現(xiàn)3.1交流過(guò)零的硬件檢測(cè)電路交流電電壓過(guò)零檢測(cè)電路交流電電流過(guò)零檢測(cè)電路3.2載波技術(shù)在繼電器投切動(dòng)作時(shí)間在線測(cè)量中的應(yīng)用1 緒論1.1 研究背景交流過(guò)零投切技術(shù)就是指使交流電電壓、電流在剛好在零點(diǎn)的位置時(shí)投入電路、切除出電路來(lái)的技術(shù)。傳統(tǒng)的方式下

2、，繼電器在接到投切命令后馬上執(zhí)行分?jǐn)嗳蝿?wù)，而此時(shí)很有可能正值繼電器通過(guò)的電壓最大或電流最大值的時(shí)候，則此時(shí)就很有可能出現(xiàn)繼電器拉弧現(xiàn)象，這將嚴(yán)重影響繼電器的正常工作和壽命，更嚴(yán)重的后果可能會(huì)由于繼電器觸頭的燒灼而使繼電器不能斷開(kāi)。因此為保障繼電器的正常工作以及用電的平安，繼電器的交流過(guò)零投切就很有必要了。并且在實(shí)際的應(yīng)用中，這種交流過(guò)零投切的繼電器可以代替普通的空氣開(kāi)關(guān)。1.2交流電電壓電流過(guò)零投切技術(shù)的的研究現(xiàn)狀交流過(guò)零投切技術(shù)目前主要應(yīng)用在無(wú)功補(bǔ)償?shù)裙I(yè)領(lǐng)域，對(duì)于交流過(guò)零投切技術(shù)目前只有兩種實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用的方法，一種是只使用晶閘管來(lái)作為交流過(guò)零投切器件的方法，這種方法的響應(yīng)時(shí)間很快，能做到準(zhǔn)確

3、過(guò)零投切，但是晶閘管導(dǎo)通時(shí)有一定的壓降，當(dāng)流過(guò)的電流較大時(shí)功耗很大，發(fā)熱嚴(yán)重，且晶閘管由于耐壓值不高，容易發(fā)生擊穿，造成工作不穩(wěn)定；第二種是使用晶閘管與磁保持繼電器并聯(lián)來(lái)作為交流過(guò)零投切器件的方法，這種方法的響應(yīng)時(shí)間較慢，但在穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，由于繼電器與晶閘管并聯(lián)，絕大局部的電流由繼電器分流，所以在晶閘管上的損耗極低，但同樣的，由于使用了晶閘管，那就必定存在著晶閘管耐壓值的問(wèn)題，因此晶閘管的擊穿也會(huì)影響該過(guò)零投切器的正常工作。本課題研究的是只使用磁保持繼電器作為過(guò)零投切器的投切技術(shù)，這種投切方法能夠很好地解決上述兩種投切器在應(yīng)用中存在的問(wèn)題，它可以通過(guò)很大的電流，且?guī)缀鯖](méi)有損耗，而繼電器兩端的

4、電壓可以很高，所以也不存在耐壓值的問(wèn)題，更不會(huì)發(fā)生擊穿，從而影響器件的正常的工作。但這種投切方法的過(guò)零投切不夠精準(zhǔn)，響應(yīng)時(shí)間沒(méi)有上述兩種方法快，而這里最主要的問(wèn)題就是過(guò)零投切的準(zhǔn)確性，由于繼電器動(dòng)作存在一個(gè)較大的延時(shí)大約5ms左右，因此不能像控制晶閘管那樣來(lái)控制繼電器的投切。1.3本課題的研究容本課題致力于解決磁保持繼電器過(guò)零投切的準(zhǔn)確性的問(wèn)題，這其中涉及到了交流電電壓、電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的檢測(cè)，繼電器的控制，繼電器動(dòng)作時(shí)間的測(cè)量，以及下一次繼電器動(dòng)作時(shí)間的推測(cè)問(wèn)題。而本課題主要研究的是交流過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的檢測(cè)和繼電器動(dòng)作時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量。2 交流過(guò)零投切技術(shù)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題2.1 交流電電壓、電流零

5、點(diǎn)時(shí)刻的檢測(cè)對(duì)于交流過(guò)零投切技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)電壓為零時(shí)將交流電投入電路中，電流為零時(shí)將交流電從電路中切除，則交流電電壓、電流過(guò)零時(shí)刻必須能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到，并且及時(shí)將過(guò)零信號(hào)反應(yīng)給MCU。不管是使用晶閘管或者復(fù)合開(kāi)關(guān)，過(guò)零時(shí)刻的準(zhǔn)確檢測(cè)都是必須的，而對(duì)于本課題研究的只使用磁保持繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)交流電過(guò)零投切的方法，交流電電壓、電流過(guò)零時(shí)刻的檢測(cè)的準(zhǔn)確性則更為重要，過(guò)零時(shí)刻檢測(cè)的準(zhǔn)確性將直接影響到交流電過(guò)零投切的準(zhǔn)確性。交流電過(guò)零時(shí)刻的檢測(cè)因?yàn)樯婕暗搅藦?qiáng)電局部，因此檢測(cè)電路必須要與強(qiáng)電進(jìn)展隔離，目前將強(qiáng)電與弱電隔離的方法主要有使用電流、電壓互感器、光耦等，相對(duì)于互感器，光耦的體積較小，電路上也比擬容易實(shí)現(xiàn)

6、，但光耦采集回來(lái)的信號(hào)需要軟件進(jìn)展處理才能確定交流電的過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻。而使用互感器的話，則需要先將采集到的信號(hào)進(jìn)展放大，然后經(jīng)過(guò)電壓比擬器，最后輸出過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的波形，電路設(shè)計(jì)比擬復(fù)雜，但準(zhǔn)確性比擬高，且程序不需要再做處理。2.2磁保持繼電器投切動(dòng)作時(shí)間的在線測(cè)量相對(duì)于其他的環(huán)節(jié)，磁保持繼電器的動(dòng)作時(shí)間的在線測(cè)量是最困難的地方，也是決定交流電能否完成過(guò)零投切的最核心的環(huán)節(jié)。繼電器的動(dòng)作時(shí)間在沒(méi)有接入到強(qiáng)電系統(tǒng)時(shí)很容易就可以準(zhǔn)確地測(cè)量出來(lái)，只需在繼電器輸入引腳處加上一個(gè)高電平，然后在輸出引腳處檢測(cè)是否存在該高電平，當(dāng)接收到該高電平信號(hào)時(shí)繼電器接通，當(dāng)接收不到該高電平則繼電器斷開(kāi)。但當(dāng)繼電器接入到22

7、0V市電時(shí)，這種直接加高電平信號(hào)的方法顯然是行不通的。對(duì)于繼電器通斷狀態(tài)的檢測(cè)，一要考慮到強(qiáng)電與弱電間的隔離，二要考慮到這種狀態(tài)的實(shí)時(shí)性，不能有延時(shí)，只有滿足了上述兩個(gè)要求才能準(zhǔn)確并平安穩(wěn)定地測(cè)量出繼電器的動(dòng)作時(shí)間，也唯有這樣才能使磁保持繼電器準(zhǔn)確過(guò)零投切成為可能。2.3程序算法的設(shè)計(jì)多路相互獨(dú)立的繼電器輸出磁保持繼電器的工作原理是給繼電器的線圈一個(gè)脈沖觸發(fā)信號(hào)后繼電器便動(dòng)作，因此常規(guī)的控制方法是給控制引腳一個(gè)高電平然后延時(shí)一定的時(shí)間后再將該控制引腳的電平拉低，當(dāng)需要同時(shí)任意多路繼電器控制輸出時(shí)，這種控制方式將顯得非常笨拙并且程序的設(shè)計(jì)將很復(fù)雜，因此需要一種既簡(jiǎn)單又靈活的控制方式來(lái)控制繼電器的

8、輸出，為此本課題設(shè)計(jì)了一種使用定時(shí)器來(lái)控制繼電器的控制輸出，且每個(gè)繼電器配備一個(gè)定時(shí)器，這樣子就可以使各個(gè)繼電器之間是相互獨(dú)立的。多路相互獨(dú)立的繼電器投切動(dòng)作時(shí)間的測(cè)量繼電器的動(dòng)作時(shí)間是一個(gè)非常重要的參數(shù)，則準(zhǔn)確測(cè)量繼電器動(dòng)作時(shí)間就很有必要了，除了硬件上要能及時(shí)反映繼電器的通斷狀態(tài)，程序也要能夠在繼電器狀態(tài)變化的瞬間便能響應(yīng)這個(gè)變化，為此程序設(shè)計(jì)中，給每一路繼電器通斷狀態(tài)檢測(cè)引腳配置了相互獨(dú)立的外部中斷，通過(guò)獨(dú)立的中斷線來(lái)響應(yīng)各個(gè)繼電器的通斷狀態(tài)的變化，并且為了能使計(jì)時(shí)準(zhǔn)確且獨(dú)立，同時(shí)給每路繼電器配置了一個(gè)獨(dú)立的計(jì)時(shí)器。3 交流過(guò)零投切的具體實(shí)現(xiàn)3.1 交流過(guò)零的硬件檢測(cè)電路交流電過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻檢

9、測(cè)分為交流電電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻檢測(cè)和交流電電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻檢測(cè)，當(dāng)負(fù)載為純阻性負(fù)載時(shí)，理論上交流電電壓、電流的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻是一樣的，當(dāng)負(fù)載中有容性、感性負(fù)載時(shí)，交流電電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻滯后于電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，因此為了實(shí)現(xiàn)對(duì)任何負(fù)載都能過(guò)零投切，本設(shè)計(jì)將對(duì)交流電電壓、電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻分別獨(dú)立檢測(cè)，下面將分別就本設(shè)計(jì)中使用的交流電電壓、電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的檢測(cè)電路進(jìn)展講解。3.1.1 交流電電壓過(guò)零檢測(cè)電路本設(shè)計(jì)中考慮到電壓互感器的體型龐大，且檢測(cè)電路較復(fù)雜，因此一開(kāi)場(chǎng)便舍棄了使用電壓互感器來(lái)進(jìn)展電壓的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的檢測(cè)的方法，繼而嘗試使用其他簡(jiǎn)便的電路來(lái)測(cè)量交流電過(guò)零時(shí)刻。最初使用的TLP280雙向光耦進(jìn)展檢測(cè)，TL

10、P280光耦是一款雙向線性光耦，能夠?qū)⑤斎攵说男盘?hào)線性地反應(yīng)到輸出端，因此可以實(shí)時(shí)地反映交流市電的電壓波形。具體電路如圖所示：圖3.1.1.1 TLP280雙向光耦交流電過(guò)零檢測(cè)電路圖流市電輸入端串聯(lián)一個(gè)大的電阻用來(lái)限制流過(guò)光耦兩端的電流，交流市電經(jīng)過(guò)TLP280后輸出一個(gè)類似于全波整流后的交流電壓波形，該信號(hào)連接到三極管B極，當(dāng)該處電壓高于一定值一般是0.3V時(shí)，三極管C、E極導(dǎo)通，C極電平為低電平；當(dāng)該處電壓低于0.3V時(shí)，C、E極截止，C極電平為高電平。因此可通過(guò)檢測(cè)三極管C極的信號(hào)來(lái)檢測(cè)交流電電壓過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻，三極管C極的信號(hào)如圖所示：圖3.1.1.2 TLP280光耦交流電電壓檢測(cè)波

11、形圖中藍(lán)色線為三極管C極輸出的波形，黃色線為交流市電的電壓波形。從圖中可看出藍(lán)色方波的高電平的正中間位置即是交流電電壓過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻，因此可以通過(guò)檢測(cè)該方波的上升沿時(shí)刻，然后進(jìn)展一定的延時(shí)，這個(gè)延時(shí)為方波高電平的高電平持續(xù)的時(shí)間的一半。因?yàn)槠骷牟町惢蚱渌矫娴囊恍┰?，方波的高電平的持續(xù)時(shí)間并非固定不變的，因此在每次上電后都會(huì)進(jìn)展一次測(cè)量，以便對(duì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)展校準(zhǔn)。使用這種方法檢測(cè)交流電電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的電路很簡(jiǎn)單，且可以將強(qiáng)電與弱電完全隔離，穩(wěn)定性好，本錢低廉，但程序設(shè)計(jì)較復(fù)雜，過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻需要進(jìn)展軟件的校正，才能確保過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的準(zhǔn)確性。為了能更進(jìn)一步提高交流電電壓過(guò)零點(diǎn)投切的準(zhǔn)確性，我在網(wǎng)上找

12、了一些交流電電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的檢測(cè)電路，經(jīng)比照，最后嘗試使用運(yùn)放或電壓比擬器對(duì)交流電波形進(jìn)展整形，使輸出變成周期與交流電周期一致的方波，具體電路如圖所示：圖交流電電壓過(guò)零時(shí)刻檢測(cè)電路圖3.1.1.3 LM358交流電電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻檢測(cè)電路圖3.1.1.4 LM358輸出端波形與交流電電壓波形圖中的RW1、RW2起到限制流過(guò)二極管的電流的作用，二極管則將運(yùn)放差分輸入端的電壓鉗制在0.7V以，電阻RW3、RW4則取二極管兩端的中間電平并連接到運(yùn)放的參考地，從而使輸入的差分信號(hào)有可靠的參考地。LM358輸出端的波形如圖所示圖中藍(lán)色線是LM358輸出端的波形，黃色線是交流電電壓波形。從圖中可以看出LM3

13、58輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的方波，且周期為20MS，與我國(guó)交流電的周期是一致的，方波的邊沿正好處于交流電電壓過(guò)零點(diǎn)處，因此只需在程序中檢測(cè)LM358輸出的方波的邊沿就可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到交流電電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻。但從圖中可看出，這個(gè)過(guò)零檢測(cè)電路并未與市電進(jìn)展隔離，因此為了整個(gè)系統(tǒng)的平安穩(wěn)定，后經(jīng)改良將LM358輸出的方波經(jīng)過(guò)光耦的隔離之后再送到MCU，并使用單獨(dú)的隔離電源為L(zhǎng)M358供電。這種檢測(cè)方法，交流電電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻檢測(cè)很準(zhǔn)確，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不需要軟件校正，但電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜，需要獨(dú)立的隔離模塊，本錢較高。經(jīng)過(guò)綜合分析比擬，最終選用基于TLP280光耦來(lái)檢測(cè)交流電電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的方法。交流電電流過(guò)零檢測(cè)電路

14、相對(duì)于交流電電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的檢測(cè)，交流電電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的檢測(cè)能選擇的方案就比擬少了，要采集到交流電的電流波形，目前應(yīng)用最多的便是使用電流互感器采集電流信號(hào)，最后將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，此時(shí)只需檢測(cè)這個(gè)電壓信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻便是交流電電流過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻了，具體的電路設(shè)計(jì)如圖所示：圖3.1.2.1 交流電電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻檢測(cè)電路本設(shè)計(jì)中，使用變比為2500:1的電流互感器，電流互感器輸出引腳串聯(lián)一個(gè)100的高精度的電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。圖中CT1、CT2是電流互感器感應(yīng)到的電流經(jīng)電阻轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)的輸入引腳，R203、R204將該電壓信號(hào)下拉到運(yùn)放的地電平，使該電壓信號(hào)有一個(gè)穩(wěn)定的參考地。

15、在電壓比擬器前參加一個(gè)運(yùn)算放大器，一是利用運(yùn)放的高阻抗輸入特性，盡量減少對(duì)該信號(hào)的影響因?yàn)樵撔盘?hào)還要用來(lái)測(cè)量電流的大小，二是將信號(hào)適當(dāng)放大，從而確保在電流較小時(shí)也能準(zhǔn)確地檢測(cè)點(diǎn)交流電電流過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻。D203是一個(gè)穩(wěn)壓二極管，防止比擬器差分輸入端的電壓過(guò)高。當(dāng)接一個(gè)純電阻負(fù)載時(shí)，得到的電壓比擬器輸入端的信號(hào)波形如圖所示：圖3.1.2.2 LM393輸入端電壓波形圖所示的信號(hào)是交流電電流信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)化、放大后的信號(hào)，將該信號(hào)導(dǎo)入到LM393差分輸入的+端，與LM393差分輸入的-端接地電平比擬，從而得到過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的波形，如圖所示：圖3.1.2.3 交流電電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻波形從圖可以看出，電壓比擬器LM

16、393輸出的方波的周期為20MS，與我國(guó)交流市電標(biāo)準(zhǔn)的周期相一致，因此這種檢測(cè)方法是可行的。3.2載波技術(shù)在繼電器投切動(dòng)作時(shí)間在線測(cè)量中的應(yīng)用對(duì)于磁保持繼電器動(dòng)作時(shí)間的測(cè)量，剛開(kāi)場(chǎng)的時(shí)候覺(jué)得就是要監(jiān)測(cè)磁保持繼電器輸出端狀態(tài)的變化，而對(duì)于磁保持繼電器輸出端的狀態(tài)可以很容易獲得，但我并沒(méi)有考慮到這個(gè)狀態(tài)的實(shí)時(shí)性，以至于在所有工作都完成得差不多的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)自己始終無(wú)法實(shí)現(xiàn)交流電電壓的過(guò)零投切。最初使用的繼電器狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路如圖所示：圖3.2.1 繼電器輸出狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路從圖中可以看出繼電器輸出狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路與交流電電壓過(guò)零檢測(cè)電路很相似，只是在三極管的B、E極之間參加一個(gè)整流電容。當(dāng)光耦輸入端通有220V

17、交流電時(shí)，光耦的輸出端經(jīng)電容的整流濾波后，輸出一個(gè)高電平，此時(shí)三極管的C、E極導(dǎo)通，C極電平為低電平；當(dāng)光耦的輸入端沒(méi)有220V交流電時(shí)，光耦輸出端沒(méi)有輸出，而R4將光耦輸出端的電平下拉到低電平，此時(shí)三極管C、E極截止，C極電平被上拉到高電平。因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)只需檢測(cè)三極管C極的電平的跳變即可判斷繼電器的狀態(tài)發(fā)生了變化，則繼電器的動(dòng)作時(shí)間就可以從MCU發(fā)出動(dòng)作指令時(shí)開(kāi)場(chǎng)計(jì)時(shí)，到檢測(cè)到三極管C極電平發(fā)生跳變時(shí)停頓計(jì)時(shí)，此時(shí)計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)值便是繼電器動(dòng)作的時(shí)間。從邏輯上分析，這個(gè)方法是可行的，但再深入一點(diǎn)分析，就會(huì)發(fā)現(xiàn)在光耦的輸出端參加的電容會(huì)使繼電器的狀態(tài)反應(yīng)存在延時(shí)，而這樣的延時(shí)會(huì)使得測(cè)量得到的

18、繼電器動(dòng)作時(shí)間非常的不準(zhǔn)確，也很不穩(wěn)定。則光耦輸出端的電容能否去掉呢，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)電容值減少到0.1時(shí)，三極管的極的電平還是會(huì)跟隨繼電器的通斷狀態(tài)發(fā)生變化，但是還是存在較大的延時(shí)；而當(dāng)電容值小于.時(shí)，三極管的極輸出的將是一個(gè)方波，與光耦交流電電壓過(guò)零檢測(cè)時(shí)的波形是一致的，最后干脆直接將這個(gè)電容去掉，就按電壓過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的電路進(jìn)展繼電器動(dòng)作時(shí)間的測(cè)量，只是程序做了相應(yīng)調(diào)整。根據(jù)圖.的波形，當(dāng)繼電器是斷開(kāi)時(shí)，三極管的極為高電平，當(dāng)發(fā)出繼電器閉合的指令后計(jì)數(shù)器開(kāi)場(chǎng)計(jì)時(shí)，當(dāng)繼電器的觸點(diǎn)閉合后，三極管的極的電平將是一個(gè)過(guò)零檢測(cè)的方波，因此只要到一個(gè)下跳沿，便停頓計(jì)時(shí)，并讀取計(jì)數(shù)器的值，該值就近似等于繼電器的閉合的動(dòng)作時(shí)間；當(dāng)繼電器是閉合是，三極管極的電平為過(guò)零檢測(cè)