继电器过零检测的软件实现

继电器过零检测的软件实现

邓佳 李业荣

广西睿奕科技开发有限公司 广西梧州 543000

摘要：在大功率应用下，继电器过零检测既可以保证继电器在瞬间工作电压、工作电流最小的情况下，进行断开和吸合，同时也能够降低吸合或断开瞬间的工作温度，减少拉弧现象，延长继电器的工作寿命。

关键词：继电器；检测；拉弧

引言

继电器的功能是在工作时通过电路控制使触点处于接通或断开状态。触电失效受触电材料、控制电路电压电流、输出负载、工作频率的影响，触电失效模式主要为触点间的金属电积、触点粘接、触点电阻变大等问题导致触电接触不良。继电器失效轻则使系统工作不正常，重则导致严重事故。

1过零检测阶段

（1）将市电信号转换为TTL逻辑信号，用于单片机检测。（2）利用单片机检测逻辑信号并判断出市电频率，不同国家的市电频率不同，频率有50Hz和60Hz两种，由于目前电源一般都是两者通用，所以必须在检测过程中将其识别出来。（3）控制继电器输入端吸合（或断开），并等待继电器输出端导通（或断开），测试继电器的吸合时间和断开时间。（4）根据第二和第三项测试到的数据，进行过零点开关控制。本文主要阐述通过单片机实现过零检测的具体过程（过程二、三、四），对市电和逻辑信号的转化不做具体阐述。

2几种典型负载类型

2.1感性负载

电感器、轭流圈、电磁铁、接触器线圈等都是感性负载。电感器、轭流圈接通瞬间,电磁线圈有抑制电流上升的功能,不会出现浪涌电流;电磁铁、接触器线圈接通瞬间会出现浪涌电流;但这四种负载关断时,贮存在线圈中的电磁能均是通过触点间燃弧消耗掉,易出现触点烧蚀,金属材料转移、粘接失效。

2.2容性负载

容性电路的充电电流非常大,一般是稳态电流20～40倍。电容器类似短路,其电流仅受线路电阻的限制。应注意,并不是只有电容器才是容性负载,但有时用户并未意识这一点,如较长的传输线、消除磁干扰的滤波器、电源等也都是强容性负载。

2.3低电平负载

低电平一般指开路电压为10～100mV;触点转换电流为微安级。由于负载能量太弱,无法使触点表面的有机膜在切换负载时消除,同时接触电阻与放电电弧产生的热量,使有机物分解,在触点表面生成黑色异物(氧化物、炭化物),导致触点接触不良。

3触点失效原因分析

从电气特性上分析，触点失效主要由接触电压或接触电流大于继电器设计范围导致。特别是负载为感性负载时，当触点断开，由于感性负载反向电动势的作用，在继电器的触点电路中便会引起数百甚至数千伏的反向电压，在大电压下会产生电弧，由于没有有效的续流回路，电弧不易减弱，长时间作用，导致接触点被烧蚀。

在继电器触点断开的瞬间，会在线圈的两端＋、－方向产生反向电压（e＝-Ldi/d-t），这个反向电压通过电源线加在触点两端。

由于常温常压下的空气的临界绝缘破坏电压为200～300V，当反向电压超过临界绝缘破坏电压时，会在触点进行放电。由于直流电路中电流的单向流动在触点会产生电积，使触点表面很快被磨损，直接影响触点性能。当继电器控制的负载为感性负载时，触点表面的磨损很快，在触点表面产生金属电积，导致继电器工作时触点不能弹开。

4触点保护电路的实现和测试

4.1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0～30A）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。

4.2RC保护电路

电阻值和电容值的选择以可以消除感性电压为宜。一个很好的经验法则是首先使电阻值等于电路电压，然后根据电路感性电流的水平来选择电容值，如电流是1A，选择0.1mF的电容是适合的。如果是更大的电流，那么电容值也要相应增大。

RC保护电路适合直流或交流。负载为计时器时，漏电流穿过CR流动，引起误动作。使用AC电压时，负载的电阻比CR的电阻小很多。负载为继电器、螺线管等时，复位时间慢。电源电压为24V、48V时，在负载间为100～200V时触点间分别连接效果会更好。触点电流1A对应0.5～1μF，触点电压1V对应0.5～1Ω。由于负载的性质或者继电器特性的平衡等原因，C担任触点离开时的放电控制效果，R担任下次接入时限制电流的任务，需实验确认。

4.3二极管保护电路

在阻容电路中加上一个二极管，可以帮助消除直流和交流负载电路中的感性电压尖峰，选用的二极管要能承受来自感性负载的正常的电压和电流值。

线圈储存的能量通过并列二极管以电流的形式流入线圈，在感应负载的电阻部分以焦耳热的形式消耗。这个方式比CR方式复位时间更慢。二极管使用容许反向电压为电路电压10倍以上时，使用大于负载电流的正向电流。在电子电路中电路电压不太高时，也可以使用为电源电压2～3倍的容许反向电压。

4.4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，220V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。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＝20ms－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。

结语

在实际应用中，通过软件的集成，可以对每个继电器的吸合时间和断开时间进行自动标记，对于终端使用者，不需要再对继电器进行单个的测试，而只需要根据标记好的数据将数据集成到软件内。同时使用此方法，也可以对继电器进行老化测试，监控其寿命以及在整个寿命范围内的吸合时间和断开时间的变化，方便终端客户对软件进行微调。

参考文献

［1］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.

［2］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（04）：22-24

［3］张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计(修订版)［M］．北京:电子工业出版社，2004:1－59．

［4］朱宁莉，张威．用于降压型DC-DC转换器的新颖过零检测电路［J］．微电子学，2014，44(2):149－152．

［5］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.