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

（西南石油大学 理学院，四川 成都 610500）

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

（西南石油大学 理学院，四川 成都 610500）

设计了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。同时，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。

触点保护；过零检测；打火；拉弧

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，严重时还会烧焦继电器触点，使控制系统失效或粘连，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，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、系统控制电路和电流过零检测电路组成，如图2所示。220 V电源电压直接通过电压过零检测电路，所得TTL信号通过INT0端口进入单片机中断引脚。按下启动按键后，单片机根据INT0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端口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

另外，继电器吸合响应时间为T1，为了保证继电器在相位零点附近吸合，单片机需要提前T1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INT0信号上升沿开始倒计时T（T＝20 ms-T1)，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

同理，单片机可以根据继电器断开响应时间T2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与电源信号同相位的TTL信号，TTL的上升沿即为电压信号的相位零点。同时，利用霍尔电流传感器（ACS712-T电流检测范围0～30 A）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INT0和INT1在上升沿中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

图4 继电器断开响应误差测试

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1.2 ms，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1 ms，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，吸合时产生的打火现象明显减弱，断开时产生的拉弧现象也明显减弱。

表1 系统稳定性测试结果

4 总结

相对于因电压周期变化导致动作时间不确定的交流继电器，本电路设计采用了具有准确动作时间的直流继电器。在实际设计中发现，线圈本属于电感，会产生相位差。当采用电感线圈将电流转化为电压信号时，相位发生延迟，并且随着负载的变化，延迟量也相应变化，无法准确测量到负载电流零点，不能完全保证在电流零点附近断开继电器。同时，使用电感线圈进行检测时，不可避免地要采用电感线圈，但这样占用的体积大，不利于成品小型化。因此，采用霍尔电流传感器，可以更准确地检测电流相位零点，提高继电器吸合时间的准确性，而且小型化设备也便于安装使用。测试结果表明，本文所设计的触点保护电路可以明显减弱打火、拉弧现象，起到保护继电器触点的作用。

［1］周永荣，葛佳盛，王思皓，等.基于IEC60255-1与DL/T478-2013继电器触点性能试验方案研究与设计［J］.电测与仪表，2017，54（13）：13-19.

［2］史久贵.基于Altium Designer的原理图与PCB设计［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［3］陈之.根据负载类型选择继电器触点材料与触点保护电路［J］.机电元件，2010（4）：22-27.

［4］周云旭，钟水蓉.继电器触点保护电路设计［J］.电子技术与软件工程，2013（16）：118.

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。

〔编辑：白洁〕

TM58

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.112

2095-6835（2017）24-0112-02