基于过零检测的继电器触点保护电路设计

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1、基于过零检测的继电器触点保护电路设计胡云生郝佳琦谢雅丽南石油大学理学院摘要：设计丫一种新型的电磁继电器触点保护系统，它可以明显减弱电磁继电器在实际使用过程中产生的打火、拉弧等现象。利用光电耦合器实现的交流电压过零检测电路，结合单片机实现了触点在交流电压零点附近吸合，降低了打火强度;利用霍尔电流传感器，实现了无相差交流电流检测，并结合单片机实现了触点在交流电流零点附近断开，有效减弱了拉弧现象。冋吋，单片机通过监测并记录继电器动作响应时间，自动修正控制信号的提前量，有效避免由动作时间偏移引起的控制误差。关键词：触点保护;过零检测;打

2、火;拉弧;作者简介：胡云生（1995—），男，电子信息科学与技术专业在读学生，研究方向为光电技术。1背景介绍电磁继电器在电路中发挥着电压隔离、安全保护、自动开关等重要作用。在高压、大功率控制系统中，继电器的闭合、断开都会引发打火、拉弧等现象，严重吋还会烧焦继电器触点，使按制系统失效或粘连，造成严重后果。我国继电器保护技术已经进入了微机保护时代，电力系统对微机保护的要求也在不断提高，做好继电器触点保护，提高其可靠性，可以延长继电器的使用寿命。继电器与微处理器组合使用可以实现精准控制，实现高智能化。微机保护方法相对小型机电系统而言，

3、成本太高并不适用。本文旨在低成本投入下完成适合小型机电系统的继电器保护电路设计，降低故障发生率，延长继电器的使用寿命。2触点保护电路设计2.1基于过零检测的触点保护原理在实际工作中，可利用光耦传感器将交流电压信号转化为TTL信号，如图1所示。图1中正弦波为交流电压信号，当电压大于0时，TTL输出高电平。可见，TTL信号上升沿即为电压相位零点。同理，可以获得电流相位零点。如果采用这个方法能够保证继电器正好在电压零点处吸合，并在电流零点处断开，便可以从根本上解决触点打火和拉弧的问题。2.2系统设计继电器触点保护电路由电压过零检测电路

4、、系统控制电路和电流过零检测电路组成，如图2所示。220V电源电压直接通过电压过零检测电路，所得TTL信号通过INTO端门进入单片机屮断引脚。按不启动按键后，单片机根据INTO端口信号控制驱动电路启动继电器在电压零点附近吸合，并将继电器响应时间返回给单片机。继电器吸合后，通过霍尔电流传感器检测交流电流，所测电流信号经开环放大后通过INT1端1_1进入单片机中断引脚。按下关闭按键后，单片机根据INT1端口信号控制驱动电路，启动继电器，在电流零点附近断开，并将继电器的响应时间返回给单片机。图1电压波形图和标准TTL电平图下载原图另外

5、，继电器吸合响应时间为Tb为了保证继电器在相位零点附近吸合，单片机需要提前时间启动继电器，以保证继电器在下一个相位零点附近闭合。由此，当单片机检测到INTO信号上升沿开始倒计时T（TiOms-Tj,倒计时完成后，立刻启动继电器，这样即可保证继电器在下一个相位零点附近吸合。图2继电器触点保护电路设计框图下载原图同理，单片机可以根据继电器断开响应时间1和INT1信号计算倒计时保证继电器在下一个相位零点断开，由此完成继电器吸合和断开时的触点保护。3触点保护电路的实现和测试3.1硬件电路的实现由TLP521-2型光电耦合器与电源并联获得

6、与电源信号同相位的TTL信号，TTL的上升沿即为电压信号的和位零点。同时，利用霍尔电流传感器（ACS712-T电流检测范围（T30A）检测交流电流，可获得与电流信号同相位的正弦波，再经放大器(NE5532)开环放大后，由共射级放大电路转化为TTL信号。此时，TTL信号上升沿即为交流电流的相位零点。以上两路TTL信号分别由单片机INTO和INT1在上升沿屮断获取到电压信号或电流信号的相位零点。由于真空继电器本身具有一定的减小打火和拉弧的作用，因此，本文选择双刀双掷的真空继电器作为控制单元，并将第一通道用于电源控制，第二通道用于动作

7、时间检测，由此完成硬件系统的设计。图3继电器吸合响应误差测试下载原图图4继电器断开响应误差测试下载原图3.2系统测试为了验证继电器是否在电压零点附近吸合，在电流零点附近断开，分别测试触点吸合和断开时的电压变化。图3屮上半部分正弦信号为继电器常开端电压信号，下半部分为交流电压信号。由图3可知，继电器闭合比电压信号相位零点延迟1.2ms,误差为6%.图4中上半部分正弦信号为继电器常开端电压信号，下半部分为交流电流信号，由图3可知，继电器断开比电流信号相位零点延迟1ms,误差为5%.为了检测系统的稳定性，经过多次测量，测试结果如表1所

8、示。由表1可知，继电器在电压零点附近闭合的整体误差为5.7%，同时，继电器在电流零点附近断开的整体误差为6.6%.观察继电器时，发现应用继电器触点保护电路后，吸合吋产生的打火现象明显减弱，断开吋产生的拉弧现象也明显减弱。表1系统稳定性测试结果下载原表4总结相对于