CN107895931A - 一种零电压开和零电流关的开关实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零电压开启和零电流关闭的开关实现方法，其特征在于在交流电网电压为零时控制开关闭合，完成开启的动作；在负荷电流为零时控制开关断开，完成关闭的动作。通过在交流电输入电压过零点有效接通开关，及负荷电流过零点准确的断开开关，做到电气负荷开启时零浪涌电流，在零负载状态下切断电气回路，且通用所有的继电器，兼容所有性质的负载，从而大大提高了继电器的寿命，降低了成本，同时降低电气负荷开启的电流冲击，不会对供电电网和其他电气设备造成干扰与冲击。

Description

一种零电压开和零电流关的开关实现方法

技术领域

本发明涉及LED电源技术领域，特别涉及一种零电压开和零电流关的开关实现方法。

背景技术

浪涌也叫突波，就是超出正常电压的瞬间过电压，一般指电网中出现的短时间象“浪”一样的高电压引起的大电流。从本质上讲，浪涌就是发生在仅仅百万上之一秒内的一种剧烈脉冲。浪涌电压的产生原因有两个，一个是雷电，另一个是电网上的大型负荷接通或断开(包括补偿电容的投切)时产生的。

常规的控制器在开关接通或断开的瞬间，由于电网中存在电感，将在电网产生“浪涌电压”，从而引发浪涌电流。特别对于采用继电器作为开关执行单元时，一般不管负载大小，是容性负载、感性负载还是容性负载，在继电器的地触点接触或断开的瞬间，只要存在电压和电流，都会产生极大的浪涌电电流，这个电流比产品正常开关时的电流大几倍乃至几十倍，这样的大电流不仅会干扰到电网的其他设备，同时还会大大的缩短继电器的寿命；因此继电器的寿命在一定程度上决定了设备的寿命，为了缓解该问题，保证设备的整体使用寿命，不得不采用更高的耐压和更大电流的继电器，而继电器随着耐压和电流的提高，其成本急剧上升，因此也带来了设备成本上升的问题。

针对浪涌电流的问题，现在也存在以下几种通过抑制浪涌电流方法来解决或缓解该问题，但并不能从根本上解决该问题。

1.串联温度系数热敏电阻(NTC)，利用负温度系数上电时限制浪涌电流，启动后NTC流过电流发热使其电阻值降低。这种方法简单，但自身发热，热启动特性差的限制一般只适用于50W以下并且对电源的使用要求不高的场合中。

2.电磁继电器式，在电路上串联大的限流电阻，电源上电后经一定延时后电磁继电器的触点将限流电阻短路，其缺点是体积大、吸合时产生噪音、继电器触点寿命短、耐冲击振动性差，且成本高。

3.固态继电器式，用可控硅代替机械触点，其缺点是外围电路较繁琐，双向可控漏电流大因此不能有效的抑制浪涌电流。

发明内容

针对以上缺陷，本发明目的如何降低或避免设备开关时产生浪涌电流对继电器触点的破坏,提升继电器的寿命。

为了解决以上问题本发明提出了一种零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于在输入交流电压为零时控制开关闭合，完成开的动作；在负荷电流为零时控制开关断开，完成关的动作。

所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于增加了输入电压检测模块和负荷电流检测模块，所述输入电压检测模块采样交流输入电压或输入电压过零时间点的信号并输入到主控制器，所述负荷电流检测模块采样负载工作电流或负载工作电流过零时间点的信号并输入到主控制器，主控制器接收到控制开关打开指令时，监控采样的交流输入电压，当交流输入电压为零的瞬间控制开关打开；当主控制器接收到控制开关关闭指令时，监控采样的负载工作电流，当负载工作电流为零的瞬间控制开关关闭。

所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于负载采用交流供电，开关的执行单元为继电器，所述主控制器的电源供电模块采样半波整流模式，电源供电模块的输出直流电源的地线为浮地，与交流输入电压的零线N极相连接，所述负荷电流检测模块通过一个与负载串联的电流采样电阻实现采样，主控制器的两个A/D输入端口直接与电流采样电阻的两端相连，分别采用电流采样电阻的电压，获得电流采样电阻两端的压差，进而计算获得负载工作电流。

所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于采用了输入半波整流，解决电位差的问题。

所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于还增加了输出电压检测模块；主控制器的一个A/D输入端口串接大电阻后直接与输入电压的火线L极相连接，实现输入电压检测；主控制器的一个A/D输入端口串接大电阻后直接与负载供电端的火线L’极相连接，实现输出电压检测。

所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于增加了开关自学习模块，所述开关自学习模块实现自主测试继电器触点接触时间时延T3和触点断开时延T1，所述触点接触时间时延为继电器接收到闭合控制指令到继电器触点实际接触上的时间；所述触点断开时间时延为继电器接收到闭合控制指令到继电器触点实际断开的时间；在输入电压为零的前T3时刻主控制器控制继电器开关闭合，完成开的动作；在负荷电流为零的前T1时刻主控制器控制继电器开关断开，完成关的动作。

所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于交流输入电压的信号周期为T，在输入电压为零时经过T/2-T3的时延后主控制器控制继电器开关闭合，完成开的动作；在负荷电流为零时经过T/2-T1的时延后主控制器控制继电器开关断开，完成关的动作。

所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于当负载为空载或断开时，在输出电压为零时控制开关断开，完成关的动作。

根据权利要求1所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于通过分析采样的输入交流电压波形和负荷电流波形,计算输入电压与负荷电流的相位差,所述相位差对应的过零时间差为TT,所述TT为正时负荷电流超前输入电压；所述TT为负时负荷电流滞后输入电压；交流输入电压的信号周期为T，当负荷电流超前输入电压时,在输入电压为零时经过T/2-TT的时延后主控制器控制继电器开关断开，完成关的动作；当负荷电流滞后输入电压时,在输入电压为零时经过TT的时延后主控制器控制继电器开关断开，完成关的动作。

本发明通过在交流电输入电压过零点有效接通开关，及负荷电流过零点准确的断开开关，做到电气负荷开启时零浪涌电流，在零负载状态下切断电气回路，且通用所有的继电器，兼容所有性质的负载，从而大大提高了继电器的寿命，降低了成本，同时降低电气负荷开启的电流冲击，不会对供电电网和其他电气设备造成干扰与冲击。

附图说明

图1是具体实施电路系统框图；

图2是不同类型负载的相位示意图；

图3为一种具体实施电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明主要通过输入电压过零检测，输出电压过零检测，及负荷电流过零检测，加上信号处理及执行，从而真正的实现在零负载状态下开关。

图1是具体实施电路系统框图，交流电AC输入，经电源供电模块1将输入的交流高压转换成5V直流为各个单元模块提供工作电源，输入电压检测模块2检测输入交流电压，当输入交流正弦波电压为零时，输出信号给主控制器MCU5，通过MCU内部计算处理，输出一控制信号控制输出控制电路6实现继电器吸合，从而实现在输入电压过零时开的目的。当继电器接收到开启的控制信号执行闭合操作，而实际正常的继电器可能要经过触点接触时间时延T3的延时触点才实际接触上，因此如果仅仅是简单的在检测到输入电压为零时直接控制继电器执行闭合操作，实际由于继电器存在触点接触时间时延T3，因此实际继电器的触点接触时输入电压并不能刚好为零，因此需要根据T3做调整，由于输入电压为交流信号，周期为T，每个周期存在两个电压零点，因此为了保证继电器的触点在接触时输入电压正好为零，同时为了保证响应的及时性，主控制器根据输入电压检测模块2检测输入交流电压，当检测到输入电压为零时经过T/2-T3的时延控制继电器执行闭合操作，这样继电器在实际电压过零点的前T3时刻接收到闭合的控制信号，经过T3时间后刚好是触点接触的时间，而这个时间也正是输入电压为零的时刻，真正实现零电压开启。

由于不同品牌的继电器的T3存在差异，如果采用统一固体的T3，则一定存在部分继电器并不能真正实现在零电压开启的效果，这样对继电器还是存在一定的损坏。为了改善该问题，还增加了对T3的自学习功能，主控制器在首次使用时或者由其它方式触发自学习功能，通过记录控制继电器开启到实际闭合的时间差获得T3。具体可以通过如下方式获取：在输入电压过零时经过T/8时延时控制继电器开启，并记录时刻为t1,同时采样监控输出电压，当检测到输出电压为零时记录时刻为t2,t2-t1＝T3,这样获得该控制设备所采用的继电器的T3，将T3写到控制器的非易失性存储器中，下次使用时直接采用存储的T3修正控制时间。T3的获取还可以采用多次采样计算，取多次的平均值，并且动态更新非易失性存储器中的T1值。做到兼容所有不同品牌继电器的目的和兼容同一品牌存在离散性的情况。

输出电压检测模块3检测输出交流电压，当输出交流正弦波为零时，输出信号给MCU 5通过MCU内部计算处理，输出一控制信号控制6来达到继电器断开，从而实现在输出电压过零时关闭的目的，由于负载性质不一样，有阻性，容性，感性，所以关闭时，电压过零的方法是达不到完全过零关闭的要求，输出电压过零只能针对空载时有效。

负荷电流检测模块4通过取样电阻7进行负荷电流检测，取样电阻7与负载串联；图2是不同类型负载的相位示意图，输入电压波形A、电流理想波形B、电流超前波形C和电流滞后波形D：对于阻性负载，纯阻性负载的电流响应波形如电流理想波形B：电压过零检测电路与电流取样检测电路共同检测完成过零检测，电流过零检测优先；容性负载：负荷电流超前输出电压，电流响应波形如电流理想波形C，所以会存在相位差，当输出电压为零时，负荷电流不为零，所以必须当输出交流正弦波电流为零时，输出信号给MCU 5通过MCU内部计算处理，输出一控制信号控制6来达到继电器断开，从而实现容性负载负荷电流过零时关闭的目的，感性负载：负荷电流滞后输出电压，电流响应波形如电流理想波形D，所以会存在相位差，当输出电压为零时，负荷电流不为零，必须当输出交流正弦波电流为零时，输出信号给MCU 5通过MCU内部计算处理，输出一控制信号控制6来达到继电器断开，从而实现感性负载负荷电流过零时关闭的目的。

继电器从接收到关闭信号到实际触点断开存在一个触点断开时延T1，因此实际继电器的触点断开时负荷电流并不能刚好为零，因此需要根据T1做调整，由于负荷电流为交流信号(正弦波)，周期为T，每个周期存在两个电流零点，因此为了保证继电器的触点在断开时负荷电流正好为零，同时为了保证响应的及时性，主控制器根据负荷电流检测模块4检测输出交流电流，当检测到负荷电流为零时经过T/2-T1的时延控制继电器执行断开操作，这样继电器在实际电流为零的前T1时刻接收到断开的控制信号，经过T1时间后刚好是触点断开的时间，而这个时间也正是负荷电流为零的时刻，真正实现零电流关闭。

由于不同品牌的继电器的T1存在差异，如果采用统一固体的T1，则一定存在部分继电器并不能真正实现在零电流关闭的效果，这样对继电器还是存在一定的损坏。为了改善该问题，还增加了对T1的自学习功能，主控制器在首次使用时或者由其它方式触发自学习功能，通过记录控制继电器关闭到实际断开的时间差获得T1。具体可以通过如下方式获取：在输出电流过零时经过T/8时延时控制继电器关闭，并记录时刻为t3,同时采样监控输出电流，当检测到输出电流为零时记录时刻为t4,t4-t3＝T1,这样获得该控制设备所采用的继电器的T1，将T1写到控制器的非易失性存储器中，下次使用时直接采用存储的T1修正控制时间，T1的获取还可以采用多次采样计算，取多次的平均值，并且动态更新非易失性存储器中的T1值，做到兼容所有不同品牌继电器的目的和兼容同一品牌存在离散性的情况。

第一次上电时，取样电阻7尚未有电流流过，必须先检测输入电压过零，使继电器导通，所以输入电压过零是有必要的；在输出空载，或开路的情况下，取样电阻7也没有电流流过，所以是通过输出电压过零检测，使继电器关断；只要是电路在闭环状态，都是以负荷电流检测为准，通过这三种检测方式结合，可确保在任何状态的过零。

图3为一种具体实施电路图，交流电AC输入，经电源供电模块8将输入的交流高压转换成5V直流为各个单元模块提供工作电源，当感应模块9检测到人体移动信号，将信号送到信号放大模块10进行放大处理，经放大的信号送到MCU11运算处理，MCU 11收到放大信号后。本发明的另外一个重要改进在于采用电路的设计。负载采用交流供电，开关的执行单元为继电器，主控制器MCU的电源供电模块采样半波整流模式，电源供电模块8的输出直流电源的地线为浮地，与交流输入电压的零线N极相连接，负荷电流检测模块通过一个与负载串联的电流采样电阻R8实现采样，主控制器MCU采用具有多个高速A/D口的单片机，MCU的两个A/D输入端口直接与电流采样电阻的两端相连，分别采用电流采样电阻的电压，获得电流采样电阻两端的压差，进而计算获得负载工作电流。由于采用的是半波整流，因此弱电部分的地直接与交流供电的N级也就是零线为地，减少了强电与弱电部分的隔离要求，可直接采样输入电压、输出电压和负荷电流，进一步简化了电路设计。

主控制器MCU通过控制三级管Q3控制继电器的触点。当感应模块9检测人体移动信号，需要控制继电器吸合，输出高电平通过R11到Q3基极，使Q3导通，从而继电器吸合；当感应模块未检测人体移动信号，输出延时过后，放大模块10没有信号输出，MCU 11运算处理，同时检测电流过零信号，达到过零条件后，输出一低电平通过R11到Q3基极，使Q3截止，从而继电器断开。

输入电压过零通过R9，R10检测输入交流电压，当输入交流正弦波为零时，MCU 11检测到，MCU 11输出一高电平通过R11到Q3基极，Q3导通，继电器可靠吸合，从而实现在输入电压过零时开通的目的。

输出电压过零通过R12，R13检测输出交流电压，当输入交流正弦波为零时，MCU 11检测到，MCU 11输出一高电平通过R11到Q3基极，Q3导通，继电器可靠吸合，可以实现在输出电压过零时开通的目的，由于负载性质不一样，有阻性，容性，感性，所以关闭时，电压过零的方法是达不到完全过零关闭的要求，电压过零只能针对空载时有效。

MCU 11上设有开关自学习模块，开关自学习模块实现自测试继电器触点接触时间时延T3和触点断开时延T1，触点接触时间时延为继电器接收到闭合控制指令到继电器触点实际接触上的时间；触点断开时间时延为继电器接收到闭合控制指令到继电器触点实际断开的时间；在输入电压为零的前T3时刻主控制器控制继电器开关闭合，完成开的动作；在负荷电流为零的前T1时刻主控制器控制继电器开关断开，完成关的动作。因此当感应模块未检测人体移动信号，输出延时过后，放大模块10没有信号输出，MCU 11运算处理，通过同时采样R8两端的电压，并计算获得负荷电流，当检测到负荷电流为零时，也就是负荷电流过零信号，再经过T/2-T1的时延后，MCU 11输出一低电平通过R11到Q3基极，使Q3导通，从而继电器断开。

当感应模块检测人体移动信号，通过采样R9和R10采样的输入电压当检测到输入电压为零时，也就是输入电压过零信号，再经过T/2-T3的时延后，MCU11输出一低电平通过R11到Q3基极，使Q3截止，从而继电器断开。

以上的过零检测方式，可以是通过如图1，3中的取样电阻来实现检测，也可以通过电流互感器来实现检测，通过电流互感器来实现检测的方式也是专利保护的范畴。

以上的过零检测方式，可以是通过如图1，3中的MCU来实现检测，也可以通过运算放大器，比较器来实现检测，通过运算放大器，比较器来实现检测的方式也是专利保护的范畴。

以上所揭露的仅为本发明一种实施例而已，当然不能以此来限定本之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于在输入交流电压为零时控制开关闭合，完成开的动作；在负荷电流为零时控制开关断开，完成关的动作。

2.根据权利要求1所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于增加了输入电压检测模块和负荷电流检测模块，所述输入电压检测模块采样交流输入电压或输入电压过零时间点的信号并输入到主控制器，所述负荷电流检测模块采样负载工作电流或负载工作电流过零时间点的信号并输入到主控制器，主控制器接收到控制开关打开指令时，监控采样的交流输入电压，当交流输入电压为零的瞬间控制开关打开；当主控制器接收到控制开关关闭指令时，监控采样的负载工作电流，当负载工作电流为零的瞬间控制开关关闭。

3.根据权利要求2所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于负载采用交流供电，开关的执行单元为继电器，所述主控制器的电源供电模块采样半波整流模式，电源供电模块的输出直流电源的地线为浮地，与交流输入电压的零线N极相连接，所述负荷电流检测模块通过一个与负载串联的电流采样电阻实现采样，主控制器的两个A/D输入端口直接与电流采样电阻的两端相连，分别采用电流采样电阻的电压，获得电流采样电阻两端的压差，进而计算获得负载工作电流。

4.根据权利要求3所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于采用了输入半波整流，解决电位差的问题。

5.根据权利要求3所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于还增加了输出电压检测模块；主控制器的一个A/D输入端口串接大电阻后直接与输入电压的火线L极相连接，实现输入电压检测；主控制器的一个A/D输入端口串接大电阻后直接与负载供电端的火线L’极相连接，实现输出电压检测。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于增加了开关自学习模块，所述开关自学习模块实现自主测试继电器触点接触时间时延T3和触点断开时延T1，所述触点接触时间时延为继电器接收到闭合控制指令到继电器触点实际接触上的时间；所述触点断开时间时延为继电器接收到闭合控制指令到继电器触点实际断开的时间；在输入电压为零的前T3时刻主控制器控制继电器开关闭合，完成开的动作；在负荷电流为零的前T1时刻主控制器控制继电器开关断开，完成关的动作。

7.根据权利要求5所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于交流输入电压的信号周期为T，在输入电压为零时经过T/2-T3的时延后主控制器控制继电器开关闭合，完成开的动作；在负荷电流为零时经过T/2-T1的时延后主控制器控制继电器开关断开，完成关的动作。

8.根据权利要求1至4任意一项所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于当负载为空载或断开时，在输出电压为零时控制开关断开，完成关的动作。

9.根据权利要求1所述的零电压开和零电流关的开关实现方法，其特征在于通过分析采样的输入交流电压波形和负荷电流波形,计算输入电压与负荷电流的相位差,所述相位差对应的过零时间差为TT,所述TT为正时负荷电流超前输入电压；所述TT为负时负荷电流滞后输入电压；交流输入电压的信号周期为T，当负荷电流超前输入电压时,在输入电压为零时经过T/2-TT的时延后主控制器控制继电器开关断开，完成关的动作；当负荷电流滞后输入电压时,在输入电压为零时经过TT的时延后主控制器控制继电器开关断开，完成关的动作。