基于過零檢測的繼電器觸點保護電路設計

胡云生，郝佳琦，謝雅麗

（西南石油大學 理學院，四川 成都 610500）

基于過零檢測的繼電器觸點保護電路設計

胡云生，郝佳琦，謝雅麗

（西南石油大學 理學院，四川 成都 610500）

設計了一種新型的電磁繼電器觸點保護系統，它可以明顯減弱電磁繼電器在實際使用過程中產生的打火、拉弧等現象。利用光電耦合器實現的交流電壓過零檢測電路，結合單片機實現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，實現了無相差交流電流檢測，并結合單片機實現了觸點在交流電流零點附近斷開，有效減弱了拉弧現象。同時，單片機通過監測并記錄繼電器動作響應時間，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

1 背景介紹

電磁繼電器在電路中發揮著電壓隔離、安全保護、自動開關等重要作用。在高壓、大功率控制系統中，繼電器的閉合、斷開都會引發打火、拉弧等現象，嚴重時還會燒焦繼電器觸點，使控制系統失效或粘連，造成嚴重后果。

我國繼電器保護技術已經進入了微機保護時代，電力系統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精準控制，實現高智能化。微機保護方法相對小型機電系統而言，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的繼電器保護電路設計，降低故障發生率，延長繼電器的使用壽命。

2 觸點保護電路設計

2.1 基于過零檢測的觸點保護原理

在實際工作中，可利用光耦傳感器將交流電壓信號轉化為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。

2.2 系統設計

繼電器觸點保護電路由電壓過零檢測電路、系統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INT0端口信號控制驅動電路啟動繼電器在電壓零點附近吸合，并將繼電器響應時間返回給單片機。繼電器吸合后，通過霍爾電流傳感器檢測交流電流，所測電流信號經開環放大后通過INT1端口進入單片機中斷引腳。按下關閉按鍵后，單片機根據INT1端口信號控制驅動電路，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計框圖

同理，單片機可以根據繼電器斷開響應時間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。

3 觸點保護電路的實現和測試

3.1 硬件電路的實現

由TLP521-2型光電耦合器與電源并聯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，再經放大器（NE5532）開環放大后，由共射級放大電路轉化為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，由此完成硬件系統的設計。

圖3 繼電器吸合響應誤差測試

圖4 繼電器斷開響應誤差測試

3.2 系統測試

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%.

為了檢測系統的穩定性，經過多次測量，測試結果如表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，發現應用繼電器觸點保護電路后，吸合時產生的打火現象明顯減弱，斷開時產生的拉弧現象也明顯減弱。

表1 系統穩定性測試結果

4 總結

相對于因電壓周期變化導致動作時間不確定的交流繼電器，本電路設計采用了具有準確動作時間的直流繼電器。在實際設計中發現，線圈本屬于電感，會產生相位差。當采用電感線圈將電流轉化為電壓信號時，相位發生延遲，并且隨著負載的變化，延遲量也相應變化，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，而且小型化設備也便于安裝使用。測試結果表明，本文所設計的觸點保護電路可以明顯減弱打火、拉弧現象，起到保護繼電器觸點的作用。

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［4］周云旭，鐘水蓉.繼電器觸點保護電路設計［J］.電子技術與軟件工程，2013（16）：118.

胡云生（1995—），男，電子信息科學與技術專業在讀學生，研究方向為光電技術。

〔編輯：白潔〕

TM58

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.112

2095-6835（2017）24-0112-02