CN209232671U - 一种开关消弧装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种开关消弧装置，包括继电器，控制模块，检测模块以及MCU，检测模块包括与继电器相连的电流互感器以及与电流互感器输出端相连的滤波电路，滤波电路包括整流桥U1，整流桥U1的交流输入端与所述电流互感器输出端相连，直流输出端和MCU的第一输入脚相连，MCU的第三输出脚与所述控制模块的输入端相连，所述第三输出脚能够输出用于控制继电器的高低电平，所述第一输入脚能够检测电流处于零点的时刻，本实用新型能有效消除开关时的电弧，延长继电器寿命。

Description

一种开关消弧装置

技术领域

本实用新型涉及电气设备领域，尤其涉及一种开关消弧装置。

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。

实用新型内容

基于此，针对上述技术问题，提供一种新型的开关消弧装置，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，本实用新型通过如下方式解决该技术问题，一种开关消弧装置，包括继电器，用于控制继电器开关的控制模块，用于检测继电器两端电流的检测模块以及分别与检测模块与控制模块相连的MCU，所述检测模块包括与继电器相连的电流互感器以及与电流互感器输出端相连的整流桥，所述整流桥的交流输入端与所述电流互感器输出端相连，直流输出端与所述MCU的第一输入脚相连，所述MCU的第三输出脚与所述控制模块的输入端相连，所述第三输出脚能够输出用于控制继电器的高低电平，所述第一输入脚能够检测电流处于零点的时刻。

作为本实用新型的一种优选实施方案，所述检测模块还包括与所述整流桥U1的直流输出端相连的LC滤波线路，所述LC滤波线路与所述MCU的第二输入脚相连，所述第二输入脚能够检测继电器的实时电流，并能够在继电器上电流超过额定值时输出信号关闭。

作为本实用新型的一种优选实施方案，所述直流输出端包括第一直流输出端与第二直流输出端，所述LC滤波线路包括电阻R1,电感L1,电容C1和电容C2，所述第一直流输出端接地，所述第二直流输出端与电感L1相连，所述电阻R1一端与电感L1相连，另一端与所述第二输入脚相连，所述电容 C1一端连接于电阻R1与电感L1之间，另一端接地，所述电容C2并联于电容C2两端。

作为本实用新型的一种优选实施方案，还包括电阻R2，所述电阻R2一端并联于整流桥U1的直流输出端与电感L1之间，所述第一输入脚也连接于第二直流输出端与电感L1之间，电阻R能够将此处的电流信号转变为电压信号供第一输入脚进行检测。

作为本实用新型的一种优选实施方案，所述控制模块包括电阻R3，电阻R4以及三极管Q1，所述电阻R3的一端第三输出脚连接，另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射级接地，集电极与继电器相连，电阻 R4一端并联与三极管Q1的发射级与接地端之间，另一端并联于电阻R3与 MCU的第三输出脚之间。

本实用新型通过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。

附图说明

下面结合图片来对本实用新型进行进一步的说明：

图1为本实用新型的电路图；

图2为本实用新型中继电器电流的波形示意图；

图3为本实用新型中的整流后的波形示意图；

图4为本实用新型中整流滤波后的波形示意图；

图5为本实用新型中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实用新型进行近一步阐述：

图1显示了本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R4一端并联与三极管Q1的发射级与接地端之间，另一端并联于电阻R3与MCU的第三输出脚3之间，继电器4一端与电源VI N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_IN1与O_IN2，该整流桥U1的两个交流输入端分别与O_IN1与O_IN2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，若继电器4未能处于正常运行状态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)，延时半个市电周期T/2 后输出信号断开继电器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，由于市电的频率固定是固定的，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＝I_m|sin(ωt+φ)|进行计算，其中，ω为市电的角频率，φ为相位，I_m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以上的公式求得此时的动作延迟Td₂，其中，Td₂可以为正也可以为负，Td₂的计算方式与Td₁同理，是通过将I＝I₃代入I＝I_m|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+…Td_n-1)]后断开继电器，并再次检测继电器断开时候的电流 I_n+1随后通过I_n+1求得动作延迟Td_n,并在第n+1次检测到电流I₁处于零点时，延时[T/2-(Td₁+Td₂+…Td_n)]后断开继电器。

具体的，电流I_n+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Td_n取负值，采样数值随着时间增加而减小，则所述Td_n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Td_n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Td_n取负值，若二者相等，则Td_n取零。

通过如上的方式，可以做到每一次开关继电器4都能进行反馈，通过闭环控制的方式使得在任一时刻继电器4断开时的电流均无限趋近于零点，从而起到了消弧的效果。

综上，本实用新型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。

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实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种开关消弧装置，其特征在于：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)两端电流的检测模块以及分别与检测模块与控制模块相连的MCU，所述检测模块包括与继电器(4)相连的电流互感器以及与电流互感器输出端相连的整流桥U1，所述整流桥U1的交流输入端与所述电流互感器输出端相连，直流输出端与所述MCU的第一输入脚(1)相连，所述MCU的第三输出脚(3)与所述控制模块的输入端相连，所述第三输出脚(3)能够输出用于控制继电器(4)的高低电平，所述第一输入脚(1)能够检测电流处于零点的时刻。

2.按照权利要求1所述的开关消弧装置，其特征在于：所述检测模块还包括与所述整流桥U1的直流输出端相连的LC滤波线路，所述LC滤波线路与所述MCU的第二输入脚(2)相连，所述第二输入脚(2)能够检测继电器(4)的实时电流。

3.按照权利要求2所述的开关消弧装置，其特征在于：所述整流桥U1的直流输出端包括第一直流输出端与第二直流输出端，所述LC滤波线路包括电阻R1,电感L1,电容C1和电容C2，所述第一直流输出端接地，所述第二直流输出端与电感L1相连，所述电阻R1一端与电感L1相连，另一端与所述第二输入脚(2)相连，所述电容C1一端连接于电阻R1与电感L1之间，另一端接地，所述电容C2并联于电容C1两端。

4.按照权利要求3所述的开关消弧装置，其特征在于：还包括电阻R2，所述电阻R2一端并联于所述第二直流输出端与电感L1之间，第一输入脚(1)连接于第二直流输出端与电感L1之间。

5.按照权利要求1所述的开关消弧装置，其特征在于：所述控制模块包括电阻R3，电阻R4以及三极管Q1，所述电阻R3的一端第三输出脚(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R4一端并联与三极管Q1的发射级与接地端之间，另一端并联于电阻R3与第三输出脚(3)之间。