CN114864336A - 一种基于自然换流的无弧继电器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于自然换流的无弧继电器，包括机械部分和无弧控制部分，所述无弧控制部分包括供电模块、微控制器MCU和并联至动触点与静触点的IGBT模块，所述MCU连接有线圈控制信号采集模块、IGBT电流采集模块和IGBT控制信号输出模块，所述IGBT控制信号输出模块通过IGBT驱动模块驱动IGBT模块，本发明还公开了一种基于自然换流的无弧继电器的控制方法。本发明通过机械部分的静触点与动触点承载负载电流，仅仅在动触点与机械触点分断时导通IGBT模块，从而释放触点分断时电弧能量产生的电流，避免的电弧的出现，既解决了电弧烧蚀问题，提高了继电器电寿命，同时避免了过热，过压，过流问题。
Description
技术领域
本发明涉及电器智能化技术领域，尤其涉及一种基于自然换流的无弧继电器及其控制方法。
背景技术
在开关电器领域，通常将机械触点作为开断和接通负载的装置，现有机械触点继电器一般包括静态的上触点和下触点、设于上触点与下触点间的动触点及用于控制动触点动作的两个线圈，然而机械触点在分断负载时会产生电弧，从而导致触头烧蚀，增大了触点的接触电阻，增大了电流的热效应，甚至引起触点的熔焊，因此传统机械式开关继电器的寿命受限于电弧而大大降低。针对上述问题，目前有一种全固态型继电器，避免了电弧烧蚀问题，但是全固态继电器的开关损耗较大，由于是通过电力电子器件来承载负载电流，所以发热严重，需要加装较大体积的散热器，而且存在过压过流损坏问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于自然换流的无弧继电器及其控制方法。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
作为本发明的第一个方面，提供一种基于自然换流的无弧继电器，包括机械部分和无弧控制部分，所述机械部分包括静触点、动触点及用于控制动触点与静触点分断的线圈，其特征在于，所述无弧控制部分包括供电模块、微控制器MCU和并联至动触点与静触点的IGBT模块，所述MCU连接有线圈控制信号采集模块、IGBT电流采集模块和IGBT控制信号输出模块，所述IGBT控制信号输出模块通过IGBT驱动模块驱动IGBT模块。
优选地，所述供电模块输入端与线圈电压正极和负极相连。
优选地，所述线圈控制信号采集模块包括并联至线圈的电压采样电路。
优选地，所述IGBT电流采集模块包括串联至IGBT模块的霍尔电流传感器。
优选地，所述IGBT模块并联有整流桥电路。
优选地，所述动触点与静触点并联有IGBT保护电路。
优选地，所述静触点包括设于动触点两侧的上触点和下触点，所述线圈设有两个，分别控制动触点与上触点的分断和动触点与下触点的分断；所述IGBT模块设有两个，其中一个IGBT模块并联至上触点和动触点，另一个IGBT模块并联至下触点和动触点。
作为本发明的第二个方面，提供一种基于自然换流的无弧继电器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10，线圈得电，供电模块向无弧控制部分供电，线圈控制信号采集模块将采集到的线圈电压作为开关量信号输入MCU；
S20，MCU根据线圈控制信号采集模块输入的信号判断是否有动触点与静触点的分断动作：
当动触点与静触点无分断操作时，维持现状，返回重新执行S20，
当动触点与静触点有分断操作时，MCU通过IGBT控制信号输出模块与IGBT驱动模块导通相应的IGBT模块；
S30，IGBT电流采集模块将采集到的电流信号输入MCU；
S40，MCU根据IGBT电流采集模块采样的电流大小判断触点电流是否转移到IGBT模块：
当采样的电流小于电流阈值时，维持现状，返回重新执行S40，
当采样的电流不小于电流阈值时，进入延时，然后关断IGBT模块。
本发明的有益效果是：
本发明通过机械部分的静触点与动触点承载负载电流，仅仅在动触点与机械触点分断时导通IGBT模块，从而释放触点分断时电弧能量产生的电流，避免的电弧的出现，既解决了电弧烧蚀问题，提高了继电器电寿命，同时避免了过热，过压，过流问题；MCU可通过IGBT电流采集模块准确得到电弧电流转移到IGBT模块支路的时间，防止上触点与下触点发生短路；供电模块由线圈电压为初始电源，无需额外配置控制电源，可简化无弧控制部分的整体线路；整流桥电路可实现IGBT模块交直流通用的功能；IGBT保护电路可保护IGBT模块不被击穿。
附图说明
图1是本发明所述无弧控制部分的模块结构图
图2是本发明所述控制方法的流程图。
图3是本发明触点分断时的时序动作图。
图4是本发明触点分断时的触点电压波形图。
图5是本发明未加入无弧控制部分时的触点分断电压电流波形图。
图6是本发明加入无弧控制部分时的触点分断电压电流波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种基于自然换流的无弧继电器，包括机械部分和无弧控制部分，所述机械部分包括静触点、动触点及用于控制动触点与静触点分断的线圈，其特征在于，所述无弧控制部分包括供电模块、微控制器MCU和并联至动触点与静触点的IGBT模块，供电模块用于向无弧控制部分进行供电，当有触点分断动作时，IGBT模块用于释放分断时由电弧能量产生的电流，避免出现电弧，所述MCU连接有线圈控制信号采集模块、IGBT电流采集模块和IGBT控制信号输出模块，线圈控制信号采集模块用于采集线圈的控制信号并输入MCU，便于MCU依此判断触点是否有分断动作，IGBT电流采集模块用于采集通过IGBT模块的电流信号，便于MCU依此判断电弧能量产生的电流是否转移至IGBT模块支路，IGBT控制信号输出模块用于将MCU输出的控制电流进行放大，并输入IGBT驱动模块，IGBT驱动模块的输出端与IGBT模块的栅极相连，IGBT驱动模块通过光耦进行隔离驱动，实现电平转换，驱动IGBT模块，本发明通过机械部分的静触点与动触点承载负载电流，仅仅在动触点与机械触点分断时导通IGBT模块，从而释放触点分断时电弧能量产生的电流，避免的电弧的出现，既解决了电弧烧蚀问题，提高了继电器电寿命，同时避免了过热，过压，过流问题。
所述供电模块输入端与线圈电压正极和负极相连，所述供电模块由线圈电压为初始电源，将线圈电压转换为无弧控制部分所需的电压等级并向无弧控制部分供电，同时提供可靠的隔离措施，由此无需额外配置控制电源，可简化无弧控制部分的整体线路。
所述线圈控制信号采集模块包括并联至线圈的电压采样电路，采用光耦进行隔离和电平转换，便于MCU依此判断触点是否有分断动作。
所述IGBT电流采集模块包括串联至IGBT模块的霍尔电流传感器，可检测流经IGBT模块的电流大小，并且转换为电压信号，经过微控制器MCU进行ADC取样，便于MCU依此判断电弧能量产生的电流是否转移至IGBT模块支路。
所述IGBT模块并联有整流桥电路，实现IGBT模块交直流通用的功能。
所述动触点与静触点并联有IGBT保护电路，用于用以吸收电压尖峰保护IGBT模块不被击穿，考虑到感性负载的存在，IGBT模块在关断时由于电感能量得不到释放，因此会产生过电压，所以需要保护电路来吸收电路的能量。
所述静触点包括设于动触点两侧的上触点和下触点，便于继电器控制两路负载线路的启闭，所述线圈设有两个，分别控制动触点与上触点的分断和动触点与下触点的分断，当任一线圈处于通电状态，供电模块即可向无弧控制部分进行供电；所述IGBT模块设有两个，其中一个IGBT模块并联至上触点和动触点，另一个IGBT模块并联至下触点和动触点，当上触点和下触点中的任一触点与动触点分断时，相应的IGBT模块即可进行工作，避免产生电弧。
上述一种基于自然换流的无弧继电器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10，线圈得电后，供电模块将线圈电压转换为无弧控制部分所需的电压并向无弧控制部分供电，线圈控制信号采集模块将采集到的线圈电压作为开关量信号输入MCU；
S20，MCU根据线圈控制信号采集模块输入的信号判断是否有动触点与静触点的分断动作：
当动触点与静触点无分断操作时，维持现状，返回重新执行S20，
当动触点与静触点有分断操作时，MCU通过IGBT控制信号输出模块与IGBT驱动模块导通相应的IGBT模块；
S30，IGBT电流采集模块将采集到的电流信号输入MCU；
S40，MCU根据IGBT电流采集模块采样的电流大小判断触点电流是否转移到IGBT模块：
当采样的电流小于预设的电流阈值时，维持现状，返回重新执行S40，
当采样的电流不小于预设的电流阈值时，进入延时，然后关断IGBT模块。
本发明的工作原理是，在继电器的稳定状态下，将机械触点作为承载负载电路的主要装置，在继电器动作时，若存机械部分仅具有一个静触点和一个线圈，MCU接收到线圈得电信号后导通IGBT模块，若机械部分具有在两个静触点和两个线圈，MCU根据接收到的线圈控制信号采集模块信号可判断出具体的得电线圈及有分断动作的静触点，并导通与有分断动作的静触点相应的IBGT模块，由于电弧电压大于IGBT模块导通压降，电弧电流在电弧电压的作用下开始向IGBT模块支路转移，通过IGBT模块的电流进行ADC采样，如果采样电流大于设定的阈值则表明电流已经转移到了IGBT模块支路上，此时为防止电弧重燃，将IGBT模块延时关断，由于电弧能量通过IGBT模块支路得到了释放，所以达到了灭弧的目的，同时由于MCU可通过IGBT电流采集模块准确得到电弧电流转移到IGBT模块支路的时间，所以MCU可以准确判断出关断IGBT模块的时间，防止由于IGBT模块关断过晚导致上触点与下触点发生短路。
如图3所示，可以看出，IGBT模块立即有一个驱动信号，代表此时IGBT模块已经导通，经过一段时间，IGBT模块的电流信号为高电平，代表此时产生分断动作的触点电流已经转移到了IGBT模块支路上，然后经过大约10ms的延时，IGBT模块关闭。
当机械部分具有在两个静触点时，如图4所示，虚线波形为动触点与具有分断动作的静触点的电压波形，实线波形为动触点与具有闭合动作的静触点的电压波形，可以看出，两端电压波形有一段时间内不同时为零，代表着机械部分的两个静触点为未发生短路。
在未加入无弧控制部分时，具有分断动作的动触点与静触点的电流电压波形如图5所示，可见电压和电流波形在触点分断时有一个明显的变化过程，表面有电弧产生。
在加入无弧控制部分时，具有分断动作的动触点与静触点的电流电压波形如图6所示，可见在触点分断时电压和电流波形有明显改善，在动触点未接触具有闭合动作的静触点时，具有分断动作的静触点与动触点两端电压为IGBT的管压降，约1.5v，在关断IGBT的时，电压迅速上升为负载两端电压，电流也直接变为零，所以机械部分的分断能力得到提高。
本发明通过机械部分的静触点与动触点承载负载电流，仅仅在动触点与机械触点分断时导通IGBT模块，从而释放触点分断时电弧能量产生的电流，避免的电弧的出现，既解决了电弧烧蚀问题，提高了继电器电寿命，同时避免了过热，过压，过流问题；MCU可通过IGBT电流采集模块准确得到电弧电流转移到IGBT模块支路的时间，防止上触点与下触点发生短路；供电模块由线圈电压为初始电源，无需额外配置控制电源，可简化无弧控制部分的整体线路；整流桥电路可实现IGBT模块交直流通用的功能；IGBT保护电路可保护IGBT模块不被击穿。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于自然换流的无弧继电器，包括机械部分和无弧控制部分，所述机械部分包括静触点、动触点及用于控制动触点与静触点分断的线圈，其特征在于，所述无弧控制部分包括供电模块、微控制器MCU和并联至动触点与静触点的IGBT模块，所述MCU连接有线圈控制信号采集模块、IGBT电流采集模块和IGBT控制信号输出模块，所述IGBT控制信号输出模块通过IGBT驱动模块驱动IGBT模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于自然换流的无弧继电器，其特征在于，所述供电模块输入端与线圈电压正极和负极相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于自然换流的无弧继电器，其特征在于，所述线圈控制信号采集模块包括并联至线圈的电压采样电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于自然换流的无弧继电器，其特征在于，所述IGBT电流采集模块包括串联至IGBT模块的霍尔电流传感器。
5.根据权利要求1所述的一种基于自然换流的无弧继电器，其特征在于，所述IGBT模块并联有整流桥电路。
6.根据权利要求1所述的一种基于自然换流的无弧继电器，其特征在于，所述动触点与静触点并联有IGBT保护电路。
7.根据权利要求1所述的一种基于自然换流的无弧继电器，其特征在于，所述静触点包括设于动触点两侧的上触点和下触点，所述线圈设有两个，分别控制动触点与上触点的分断和动触点与下触点的分断；所述IGBT模块设有两个，其中一个IGBT模块并联至上触点和动触点，另一个IGBT模块并联至下触点和动触点。
8.一种基于自然换流的无弧继电器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10，线圈得电，供电模块向无弧控制部分供电，线圈控制信号采集模块将采集到的线圈电压作为开关量信号输入MCU；
S20，MCU根据线圈控制信号采集模块输入的信号判断是否有动触点与静触点的分断动作：
当动触点与静触点无分断操作时，维持现状，返回重新执行S20，
当动触点与静触点有分断操作时，MCU通过IGBT控制信号输出模块与IGBT驱动模块导通相应的IGBT模块；
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