CN109585221A - 一种开关消弧控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种开关消弧控制方法，该控制方法的步骤包括：采集继电器上的电流I1，将电流I1通过MCU进行处理；当MCU检测到电流I1处于零点时输出信号断开继电器,同时检测继电器断开时的电流I2，将I2代入市电交流公式计算得到继电器的动作延迟Td1；当第二次检测到电流I1处于零点时，延时(T/2‑Td1)秒后断开继电器，并再次检测继电器断开时候的电流I3，循环执行第三步直至检测到继电器断开时的电流为零，本发明能够通过闭环反馈和自行学习的方式掌握继电器的操作延迟并使继电器在断开时正好处于电流零点位置来避免拉弧现象。

Description

一种开关消弧控制方法
技术领域
本发明涉及电气设备领域，尤其涉及一种开关消弧控制方法。
背景技术
由于控制电路存在感性负载，因为电感的电流不会突变，继电器断开瞬间，电磁能量需要靠断点产生自感高压来击穿维持电流，从而产生电弧，通过电弧的热能来释放能量，自感产生的高压大小由磁场变化率决定。负载的能量越大，产生的电弧就越大，因此会造成继电器触点表面高温融化致永久性损坏，消弧装置就是为了消除这种现象，以提高继电器的电气性能和寿命，现有的一种方案是采用并联RC吸收以及DRC吸收电路，通过电阻来释放消耗自感高压电流，这种方法原理简单，成本低，只要电阻电容等简单器件，所以最为常用，缺点是会延时开关时间，电容耐压、安规、电阻功率要求高，电容充放电次数会对其容量造成损耗。消弧效果并不理想。在交流电路使用中，RC电流会产生漏电流，人体触碰断电后的负载可能产生触点现象，另一种方案是采用无触点开关并联电路，可控硅，三极管，MOS管，IGBT管等，以并联触点方式接入电路中，在继电器吸合前接通，继电器断开后断开。交流情况下控制在过零点断开负载和电源的连接，这种方法的优点是效果好，没有拉弧现象，缺点是无触点开关内部都由晶闸管构成，电流越大晶闸管要求越高，体积也越大。价格昂贵，造成电路控制复杂，体积庞大，成本极高，晶闸管击穿后多为短路状态，会造成设备损坏和危险事故。
发明内容
基于此，针对上述技术问题，提供一种新型的开关消弧控制方法，能够以较小的体积和较低的成本消除继电器使用时的拉弧现象，延长继电器的使用寿命，本发明通过如下方式解决该技术问题，包括：
第一步：采集继电器上的电流I1，将电流I1经全波整流后输入MCU进行处理；
第二步：当MCU检测到电流I1处于零点时，延时T/2后通过控制电路断开继电器，其中T为市电周期，同时检测继电器断开时的电流I2，将I2代入市电交流公式计算得到继电器的动作延迟Td1；
第三步：当第二次检测到电流I1处于零点时，延时(T/2-Td1)后通过控制电路断开继电器，其中，T为市电的周期，并再次检测继电器断开时候的电流I3，将I3代入市电交流公式计算得到继电器的动作延迟Td2；
第四步：当第三次检测到电流I1处于零点时，延时(T/2-Td1-Td2)后通过控制电路断开继电器，并再次检测继电器断开时候的电流I4，将I4代入市电交流公式计算得到继电器的动作延迟Td3；
第五步：以此循环，当第n次检测到电流I1处于零点时，延时[T/2-(Td1+Td2+…Tdn-1)]后通过控制电路断开继电器，并再次检测继电器断开时候的电流In+1随后通过In+1求得动作延迟Tdn,并在第n+1次检测到电流I1处于零点时，延时[T/2-(Td1+Td2+…Tdn)]后通过控制电路断开继电器。
本发明通过MCU检测继电器的实时电流，由于通的是交流电，通过MCU控制继电器在电流处于零点位置时断开就能使得继电器上没有电流通过，从而消除拉弧现象提高继电器的寿命，但由于继电器会有一定的动作延迟，因此继电器断开时会因为延迟而偏离电流零点位置，所以通过检测继电器断开瞬时的电流,将其代入已知的市电公式中求得动作延迟，当再次检测到继电器上通过电流处于零点位置时，加入动作延迟后再断开继电器，并再次检测此时的继电器通过电流，在经过多次循环后，就能使继电器断开时的电流无限趋近于零，从而取得了消弧效果。
作为本发明的一种优选实施方案，所述电流In+1是在继电器关断时进行多点采样后取平均值获得的，当采样数值随着时间增加而增大，则所述Tdn取负值，采样数值随着时间增加而减小，则所述Tdn取正值，若采样数值随着时间增加既增大又减小，则比较随时间增加而减小和随时间增加而增大的采样数值数量，若随时间增加而减小的采样数值数量多于随时间增加而增大的采样数值数量，则所述Tdn取正值，若随时间增加而减小的采样数值数量少于随时间增加而增大的采样数值数量，则所述Tdn取负值，若二者相等，则Tdn取零。
作为本发明的一种优选实施方案，所述电流In+1与动作延迟Tdn满足如下关系：In+1＝Im|sin(ωTdn+φ)|，其中，Im为电流I1的幅值，ω为市电角频率，φ为电流I1的相位。
作为本发明的一种优选实施方案，所述电流I1是与所述继电器相连的电流互感器的输出电流。
作为本发明的一种优选实施方案，所述电流I1在全波整流后还要进行滤波,所述MCU采集整流滤波后的电流并进行处理，通过这种方式采集继电器的实时工作状态，当继电器上电流过大时可以通过控制电路断开继电器来保障安全。
附图说明
下面结合图片来对本发明进行进一步的说明：
图1为本发明的电路图；
图2为电流互感器输出的电流波形；
图3为整流后的电流波形；
图4为整流滤波后的电流波形；
图5为继电器延迟的示意图。
其中：1-第一输入脚，2-第二输入脚，3-第三输出脚，4-继电器。
具体实施方式
以下通过具体实施例来对本发明进行近一步阐述：
图1显示了一种开关消弧装置的电路图，包括继电器4，用于控制继电器4开关的控制模块，用于检测继电器4中通过电流的检测模块以及MCU，该MCU包括第一输入脚1，第二输入脚2和第三输出脚3，该检测模块与MCU的第一输入脚1、第二输入脚2相连，该控制模块与MCU的第三输出脚3相连。
该控制模块包括阻值为10k的电阻R3，阻值为10k的电阻R4以及三极管Q1，电阻R3的一端与MCU的第三输出脚3连接，另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射级接地，集电极与继电器4相连，电阻R4一端与三极管Q1的发射级和接地端相连，另一端与电阻R3和MCU的第三输出脚3相连，继电器4一端与电源VIN相连，另一端与三极管Q1的集电极相连。继电器4两端还并联有开关二极管D1作为保护。
使用中，当MCU的第三输出脚3输出低电平时，三极管Q1截止，继电器4不通电，当MCU的第三输出脚3输出高电平时，三极管Q1饱和，继电器4通电吸合，从而起到了控制作用。
该检测模块包括并联于继电器4开关两端的电流互感器，以及与该电流互感器输出端相连的滤波电路，该滤波电路包括整流桥U1，阻值为51R的电阻R2，电感量为22uH的电感L1、阻值为1k的电阻R1以及电容值均为22uf的电容C1和电容C2。
该电流互感器具有两个输出端O_I N1与O_I N2，该整流桥U1的两个交流输入端分别与O_I N1与O_I N2相连，第一直流输出端接地，第二直流输出端与电感L1相连，电阻R1一端与电感L1相连，另一端与MCU的第二输入脚2相连，电阻R2一端并联于整流桥U1的直流输出端与电感L1之间，另一端接地，电容C1一端连接于电阻R1与电感L1之间，另一端接地，电容C2并联与电容C2两端，MCU的第一输入脚1连接于第二直流输出端与电感L1之间。
该第二输入脚2能够实时采集滤波电路的输出的直流电流来监控继电器4的运行状态，检测到继电器上的电流超过额定电流则输出信号断开继电器4。
该开关消弧装置的控制方法具体如下：电流互感器将继电器4上流过的电流I0转换为可供检测的电流I1，电流I1波形如图2所示，为具有正半端与负半端的正弦波形，在经过整流桥U1整流后，波形变为如图3所示的仅有正半端的全波整流波形，随后经过电阻R2的转换输出电压V1。
连接于整流桥U1直流输出端与电感L1之间的第一输入脚1采集电压V1进行处理，当MCU检测到电压V1＝0时(即I1＝0时)，延迟T/2个周期后通过控制电路断开继电器4，由于继电器4断开会有延迟，因此当继电器4断开时会略微偏离I1＝0的时刻，继电器4中仍会有电流存在因此不能根绝拉弧现象，为了消除继电器4延时产生的影响，在继电器4断开时第二输入脚2还会同时采集继电器4断开时的电流I2，由于市电的频率是固定的，因此可以通过电流I2计算得到继电器4的动作延时Td1，其计算方法如下：将I＝I2代入公式I＝Im|sin(ωt+φ)|进行计算，其中，ω为市电的角频率，φ为相位，Im为I1的电流幅值，通过如上的公式计算得到的t即为继电器4的动作延迟Td1。
当MCU第二次检测到I1＝0时，延时T/2-Td1秒后输出信号关断继电器4，即可使继电器4的断开时刻更为接近电流零点，随后第二输入脚2再次检测继电器4断开时的电流I3，将电流I3市电公式求得此时的动作延迟Td2，其中，Td2的计算方式与Td1同理，是通过将I＝I3代入I＝Im|sin(ωt+φ)|计算得到的。
当MCU第三次检测到电流I1处于零点时，延时(T/2-Td1-Td2)后断开继电器4，并再次检测继电器4断开时候的电流I4，将I4代入市电交流公式计算得到继电器4的动作延迟Td3。
以此循环，当第n次检测到电流I1处于零点时，延时[T/2-(Td1+Td2+…Tdn-1)]后断开继电器，并再次检测继电器断开时候的电流In+1随后通过In+1求得动作延迟Tdn,并在第n+1次检测到电流I1处于零点时，延时[T/2-(Td1+Td2+…Tdn)]后断开继电器。
具体的，电流In+1是在继电器关断时进行多点采样后取平均值获得的，当采样数值随着时间增加而增大，则所述Tdn取负值，采样数值随着时间增加而减小，则所述Tdn取正值，若采样数值随着时间增加既增大又减小，则比较随时间增加而减小和随时间增加而增大的采样数值数量，若随时间增加而减小的采样数值数量多于随时间增加而增大的采样数值数量，则所述Tdn取正值，若随时间增加而减小的采样数值数量少于随时间增加而增大的采样数值数量，则所述Tdn取负值，若二者相等，则Tdn取零。
通过如上的方式，可以做到每一次开关继电器4都能对电流进行反馈，通过闭环控制的方式使得继电器4断开时的电流始终无限趋近于零点，从而起到了消弧的效果。
综上，本发明能够减少电磁继电器4在断开瞬间产生的拉弧，以提高继电器4的电气性能和寿命，而且还可以通过自学习的方式，可以有效的适应电磁继电器4的触点释放延时一致性不高，触点的机械动作经过长期使用会有疲劳性，释放延时发生改变等特性，且成本较为低廉，能够广泛的进行应用。
但是，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种开关消弧控制方法，其特征在于，包括：
第一步：采集继电器(4)上的电流I1，将电流I1经全波整流后输入MCU进行处理；
第二步：当MCU检测到电流I1处于零点时，延时T/2后通过控制电路断开继电器(4)，其中T为市电周期，同时检测继电器(4)断开时的电流I2，将I2代入市电交流公式计算得到继电器(4)的动作延迟Td1；
第三步：当第二次检测到电流I1处于零点时，延时(T/2-Td1)后通过控制电路断开继电器(4)，其中，T为市电的周期，并再次检测继电器(4)断开时候的电流I3，将I3代入市电交流公式计算得到继电器(4)的动作延迟Td2；
第四步：当第三次检测到电流I1处于零点时，延时(T/2-Td1-Td2)后通过控制电路断开继电器(4)，并再次检测继电器(4)断开时候的电流I4，将I4代入市电交流公式计算得到继电器(4)的动作延迟Td3；
第五步：以此循环，当第n次检测到电流I1处于零点时，延时[T/2-(Td1+Td2+…Tdn-1)]后通过控制电路断开继电器(4)，并再次检测继电器(4)断开时候的电流In+1，随后通过In+1求得动作延迟Tdn,并在第n+1次检测到电流I1处于零点时，延时[T/2-(Td1+Td2+…Tdn)]后通过控制电路断开继电器。
2.按照权利要求1所述的开关消弧控制方法，其特征在于：所述电流In+1是在继电器(4)关断时进行多点采样后取平均值获得的，当采样数值随着时间增加而增大，则所述Tdn取负值，当采样数值随着时间增加而减小，则所述Tdn取正值，若采样数值随着时间增加既增大又减小，则比较随时间增加而减小和随时间增加而增大的采样数值数量，若随时间增加而减小的采样数值数量多于随时间增加而增大的采样数值数量，则所述Tdn取正值，若随时间增加而减小的采样数值数量少于随时间增加而增大的采样数值数量，则所述Tdn取负值，若二者相等，则Tdn取零。
3.按照权利要求2所述的开关消弧控制方法，其特征在于：所述电流In+1与动作延迟Tdn满足如下关系：In+1＝Im|sin(ωTdn+φ)|，其中，Im为电流I1的幅值，ω为市电角频率，φ为电流I1的相位。
4.按照权利要求1所述的开关消弧控制方法，其特征在于：所述电流I1是通过与所述继电器(4)相连的电流互感器采集的。
5.按照权利要求1所述的开关消弧控制方法，其特征在于：所述电流I1在全波整流后还要进行滤波,所述MCU采集整流滤波后的电流并在检测到电流超过额定值后通过控制电路断开所述继电器(4)。
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