CN115312354A - 一种继电器无弧闭合分断控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种继电器无弧闭合分断控制装置及方法，它采用IGBT与触点并联形式，继电器线圈电压采样模块将继电器的线圈电压作为一路开关量输入到微控制器MCU中，用以判断继电器触点运动方向，从而导通对应的IGBT，IGBT电流信号采样模块，用以判断继电器触点电流是否转移完成，触点电压采样电路用来判断触点闭合时的IGBT导通时刻，控制信号输出模块将微控制器MCU引脚输出功率放大，通过IGBT驱动电路将IGBT导通，考虑到感性负载过电压的存在，加入IGBT保护电路，用以吸收电压尖峰，电源模块实现对整个电路***的供电。本发明可以实现继电器的无弧分断和闭合，增强继电器的分断能力，延长继电器的电寿命，具有稳定可靠，便于实现的优点。

Description

一种继电器无弧闭合分断控制装置及方法

技术领域

本发明属于开关电器智能化领域，特别是涉及一种继电器无弧闭合分断控制装置及方法。

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，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电器的电寿命受限于电弧而大大降低。

针对上述问题，目前设计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IGBT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。

因此提出一种继电器无弧闭合，分断控制方法,相比于原有的复合继电器，本发明可以完成闭合和分断两个过程的灭弧，进一步的提高了继电器的可靠性，然而此种方式存在有以下几点不足之处：

(1)由于引入了IGBT器件，并且其动作时刻必然早于机械触点，所以此方法使得负载提前接通或者落后断开。

(2)由于加装了额外的电路***，所以成本偏高。

发明内容

本发明提供一种继电器无弧闭合分断控制装置及方法，以便实现将继电器动作的电弧熄灭，延长继电器电寿命，具有稳定可靠，方便实现的优点。

本发明的目的是这样实现的，涉及一种继电器无弧闭合分断控制装置及方法，其特征是：包括微控制器MCU、供电模块、线圈控制信号采样模块，IGBT电流采样模块，触点电压采集电路、控制信号输出模块、IGBT驱动电路，IGBT模块、IGBT保护电路，微控制器MCU1分别与线圈控制信号采样模块、IGBT电流采样模块、触点电压采集电路的输出端通过接口电连接，用于接收线圈控制信号采样模块、IGBT电流采样模块、触点电压采集电路采集的电信号，微控制器MCU1通过对采集的信号进行分析处理，根据分析处理的结果由控制信号输出模块向IGBT驱动电路提供控制信号，由IGBT驱动电路驱动IGBT模块工作，IGBT模块由整流桥电路提供电源电压，IGBT驱动电路、控制信号输出模块、微控制器MCU分别由电源模块提供低压直流电。

进一步所述的电源模块输入端与继电器的线圈相连，电源模块将电压24V转换为***所需的电压，包括：±12V，5V。

所述的线圈控制信号采样模块的输入端与线圈电压正极和负极相连，经光电隔离器TLP521后，TLP521射随器输出端与微控制器MCU1相连，线圈控制信号采样模块作为一路开关量输入到微控制器MCU中，采用光耦进行隔离和电平转换。

所述的IGBT电流采样模块输入端与IGBT模块串联，IGBT电流采样模块输出端与微控制器MCU相连，在IGBT电流采样模块输出端和微控制器MCU1之间有一个稳压管对IGBT电流采样模块输出端进行限压，保证到微控制器MCU的电压小于5V。

IGBT电流采样模块包括霍尔电流传感器，霍尔电流传感器与IGBT串联，可检测IGBT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。

所述触点电压采样模块的输入端与继电器触点U2+和U2-并联，经运算放大器LM358差分放大后，运算放大器LM358的输出端与微控制器MCU1相连；继电器触点U2+和U2-同时并联有稳压管，对输入电压进行限压。

所述的触点电压采样电路可以将大电压进行缩小，输入端有过压保护器件，不至于过大的电压损坏电路，并且输入端具有RC低通滤波电路，可将闭合时变化过快触点电压变得较为平滑，从而方便MCU进行采样。

所述的控制信号输出模块采用集成电路SN74LVC2G125DCTR,它的输入端1A与微控制器MCUMCU1相连，输出端经过IGBT驱动电路驱动，其IGBT驱动电路输出端与IGBT的栅极相连。

所述的IGBT驱动电路采用TLP250，TLP250由±12V供电，输入端与控制信号输出模块电连接，输出端与IGBT模块的IGBT的栅极相连；所述的驱动电路用来驱动IGBT，通过光耦进行隔离驱动，实现电平转换。

所述的IGBT模块采用mos管1KW25N120T2，IGBT模块输入端连接IGBT驱动电路，输出端与电流传感器串联后与继电器触点并联，继电器触点有IGBT保护电路；所述的IGBT模块为两个，分别并联在继电器的两对触头间；所述的整流桥电路可实现交直流通用的功能，并联在IGBT两端。

本发明具有以下优点：

（1）本发明通过IGBT将继电器的电弧电流转移，将电弧熄灭。

（2）所述的无弧控制技术将强电地与弱电地隔离，增强了稳定性。

（3）可以将分断和闭合过程的电弧熄灭。

（4）交直流电压电流同时适用。

综上所述，本发明具有抗干扰能力强，便于实现的特点。

下面将结合实施例附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明整体方案框图；

图1.1是图1中微控制器MCU电路图；

图1.2是图1中供电模块；

图1.3是图1中线圈控制信号采样模块；

图1.4是图1中IGBT电流采样模块；

图1.5是图1中触点电压采集电路；

图1.6是图1中控制信号输出模块，

图1.7是图1中IGBT驱动电路；

图1.8是IGBT模块和IGBT保护电路；

图1.9是图1中整流桥电路。

图2为本发明程序流程图；

图3为本发明触点分断时序动作图；

图4为本发明触点闭合时序动作图。

图中：1、微控制器MCU；2、供电模块；3、线圈控制信号采样模块；4、IGBT电流采样模块；5、触点电压采集电路；6、控制信号输出模块；7、IGBT驱动电路；8、IGBT模块；9、IGBT保护电路。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

如图1所示，本发明涉及一种继电器无弧闭合分断控制装置及方法，其特征是：包括微控制器MCU1、供电模块2、线圈控制信号采样模块3，IGBT电流采样模块4，触点电压采集电路5、控制信号输出模块6、IGBT驱动电路7，IGBT模块8、IGBT保护电路9，微控制器MCU1分别与线圈控制信号采样模块3、IGBT电流采样模块4、触点电压采集电路5的输出端通过接口电连接，用于接收线圈控制信号采样模块3、IGBT电流采样模块4、触点电压采集电路5采集的电信号，微控制器MCU1通过对采集的信号进行分析处理，根据分析处理的结果由控制信号输出模块6向IGBT驱动电路7提供控制信号，由IGBT驱动电路7驱动IGBT模块8工作，IGBT模块8由整流桥电路10提供电源电压，IGBT驱动电路7、控制信号输出模块6、微控制器MCU1分别由电源模块提供低压直流电。

图1.1给出了微控制器MCU管脚图，微控制器MCU采用STM32F103C816,它包括48个对外管脚，采用外部8MHZ晶振提供***时钟。

图1.2给出供电模块2电路，本发明整个电路***由供电模块2供电，电源模块将电压24V转换为***所需的电压，包括：±12V，5V, 电源提供可靠的隔离措施。

如图1.3所示，所述线圈控制信号采样模块3的输入端与线圈电压正极和负极相连，经光电隔离器TLP521后，TLP521射随器输出端与微控制器MCU1相连，线圈控制信号采样模块3作为一路开关量输入到微控制器MCU1中，采用光耦进行隔离和电平转换。

如图1.4所示，所述IGBT电流采样模块4输入端与IGBT模块8串联，IGBT电流采样模块4输出端与微控制器MCU1相连，在IGBT电流采样模块4输出端和微控制器MCU1之间有一个稳压管对IGBT电流采样模块4输出端进行限压，保证到微控制器MCU1的电压小于5V。

IGBT电流采样模块4包括霍尔电流传感器，霍尔电流传感器与IGBT串联，可检测IGBT的电流大小，并且转换为电压信号，经过微控制器MCU1进行ADC取样。

如图1.5所示，所述触点电压采集电路5的输入端与继电器触点U2+和U2-并联，经运算放大器LM358差分放大后，运算放大器LM358的输出端与微控制器MCU1相连；继电器触点U2+和U2-同时并联有稳压管，对输入电压进行限压。

触点电压采集电路5可以将大电压进行缩小，输入端有过压保护器件，不至于过大的电压损坏电路，并且输入端具有RC低通滤波电路，可将闭合时变化过快触点电压变得较为平滑，从而方便MCU进行采样。

如图1.6所示，所述的控制信号输出模块6采用集成电路SN74LVC2G125DCTR,它的输入端1A与微控制器MCUMCU1相连，输出端经过IGBT驱动电路7驱动，其IGBT驱动电路7输出端与IGBT的栅极相连。

如图1.7所示，所述的IGBT驱动电路7采用TLP250，TLP250由±12V供电，输入端与控制信号输出模块6电连接，输出端与IGBT模块8的IGBT的栅极相连；所述的驱动电路7用来驱动IGBT，通过光耦进行隔离驱动，实现电平转换。

如图1.8所示，所述的IGBT模块8采用mos管1KW25N120T2，IGBT模块8输入端连接IGBT驱动电路7，输出端与电流传感器串联后与继电器触点并联，继电器触点有IGBT保护电路9；所述的IGBT模块8为两个，分别并联在继电器的两对触头间。所述的整流桥电路可实现交直流通用的功能，并联在IGBT的两端。

所述的IGBT保护电路9保护IGBT不被击穿，考虑到感性负载的存在，IGBT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。

所述的IGBT控制信号输出模块6可将微控制器MCU1输出电流进行放大，方便驱动后级电路。

图2为本发明无弧控制的程序流程图，它包括如下流程：

步骤1：继电器线圈得电后，供电模块2输出整个电路***所需的电压，线圈控制信号采样模块3输入一路开关量信号给微控制器MCU1，微控制器MCU1通过控制信号输出模块6将IGBT模块8导通；

步骤2：IGBT电流采样模块4采样IGBT电流，并将电流信号转换为电压信号，通过电流传感器转换为电压信号输入到微控制器MCU1中；

步骤3：对采样的电流大小进行判断，采样的电流小于电流阈值时，继电器触点电流没有转移到IGBT1上，返回步骤2；当采样的电流大于电流阈值时，继电器触点电流转移到IGBT，继续步骤4；

步骤4：当IGBT1的电流大于电流阈值时，进入延时；

步骤5：关断IGBT1，进行分断过程的灭弧；

步骤6：检测触点电压；小于电压阈值

步骤7：当检测到触点电压大于电压阈值时，返回步骤6；当触点闭合时触点电压逐渐下降，当检测到触点电压小于电压阈值时，进入步骤8；

步骤8：导通IGBT2；

步骤9：继电器触点闭合后，机械触点的接触电阻远小于IGBT的导通电阻，所以闭合过程的灭弧对IGBT2的导通时间要求并不严格，此时给IGBT2施加任一延时时间即可完成闭合过程的灭弧；

步骤10、关闭IGBT2，结束。

图3为本发明的触点分断动作时序图，可以看出，在线圈得电时，IGBT立即有一个驱动信号，代表此时IGBT已经导通，经过一段时间，IGBT的电流信号为高电平，代表此时接点电流已经转移到了IGBT支路上，然后经过大约10ms的延时。

图4为本发明的触点吸合动作时序图，可以看出，在触点闭合时，电压逐渐下降，当小于阈值电压时，输出IGBT驱动信号，导通对应的IGBT。

本发明涉及一种继电器无弧闭合，分断控制装置及方法的工作原理如下：

首先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，当线圈电压得电时将对应触点的IGBT导通，由于电弧电压大于IGBT导通压降，所以电流会转移到IGBT上，考虑到继电器存在一对转换触点，为防止上下触点短路，所以需要采样IGBT电流，当IGBT电流大于阈值时，判定电流转移完成，然后为防止电弧重燃，将IGBT延时关断，在触点闭合时，电压逐渐下降，当小于阈值电压时，输出IGBT驱动信号，导通对应的IGBT；由于电弧能量通过IGBT释放，所以不会产生电弧。

综上所述，本发明涉及一种继电器无弧闭合分断控制装置及方法可将继电器电弧熄灭，解决了电弧烧蚀问题，提高了继电器的电寿命。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种继电器无弧闭合分断控制装置，其特征是：包括微控制器MCU（1）、供电模块（2）、线圈控制信号采样模块（3），IGBT电流采样模块（4），触点电压采集电路（5）、控制信号输出模块（6）、IGBT驱动电路（7），IGBT模块（8）、IGBT保护电路（9），微控制器MCU（1）分别与线圈控制信号采样模块（3）、IGBT电流采样模块（4）、触点电压采集电路（5）的输出端通过接口电连接，用于接收线圈控制信号采样模块（3）、IGBT电流采样模块（4）、触点电压采集电路（5）采集的电信号，微控制器MCU（1）通过对采集的信号进行分析处理，根据分析处理的结果由控制信号输出模块（6）向IGBT驱动电路（7）提供控制信号，由IGBT驱动电路（7）驱动IGBT模块（8）工作，IGBT模块（8）由整流桥电路（10）提供电源电压，IGBT驱动电路（7）、控制信号输出模块（6）、微控制器MCU（1）分别由电源模块提供低压直流电。

2.根据权利要求1所述的一种继电器无弧闭合分断控制装置，其特征是：所述电源模块输入端与继电器的线圈相连，电源模块将电压24V转换为***所需的电压，包括：±12V，5V。

3.根据权利要求1所述的一种继电器无弧闭合分断控制装置，其特征是：所述线圈控制信号采样模块（3）的输入端与线圈电压正极和负极相连，经光电隔离器TLP521后，TLP521射随器输出端与微控制器MCU（1）相连，线圈控制信号采样模块（3）作为一路开关量输入到微控制器MCU（1）中，采用光耦进行隔离和电平转换。

4.根据权利要求1所述的一种继电器无弧闭合分断控制装置，其特征是：所述IGBT电流采样模块（4）输入端与IGBT模块（8）串联，IGBT电流采样模块（4）输出端与微控制器MCU（1）相连，在IGBT电流采样模块（4）输出端和微控制器MCU（1）之间有一个稳压管对IGBT电流采样模块（4）输出端进行限压，保证到微控制器MCU（1）的电压小于5V。

5.根据权利要求1所述的一种继电器无弧闭合分断控制装置，其特征是：IGBT电流采样模块（4）包括霍尔电流传感器，霍尔电流传感器与IGBT串联，可检测IGBT的电流大小，并且转换为电压信号，经过微控制器MCU（1）进行ADC取样。

6.根据权利要求1所述的一种继电器无弧闭合分断控制装置，其特征是：所述触点电压采样模块（5）的输入端与继电器触点U2+和U2-并联，经运算放大器LM358差分放大后，运算放大器LM358的输出端与微控制器MCU（1）相连；继电器触点U2+和U2-同时并联有稳压管，对输入电压进行限压。

7.根据权利要求1所述的一种继电器无弧闭合分断控制装置，其特征是：所述控制信号输出模块（6）采用集成电路SN74LVC2G125DCTR,它的输入端1A与微控制器MCU（1）相连，输出端经过IGBT驱动电路（7）驱动，其IGBT驱动电路(7）输出端与IGBT的栅极相连。

8.根据权利要求1所述的一种继电器无弧闭合分断控制装置，其特征是：所述的IGBT驱动电路(7）采用TLP250，TLP250由±12V供电，输入端与控制信号输出模块（6）电连接，输出端与IGBT模块（8）的IGBT的栅极相连;所述的驱动电路（7）用来驱动IGBT，通过光耦进行隔离驱动，实现电平转换。

9.根据权利要求1所述的一种继电器无弧闭合分断控制装置，其特征是：所述的IGBT模块（8）采用mos管1KW25N120T2，IGBT模块（8）输入端连接IGBT驱动电路（7），输出端与电流传感器串联后与继电器触点并联，继电器触点有IGBT保护电路(9）；所述的IGBT模块（8）为两个，分别并联在继电器的两对触头间;所述的整流桥电路可实现交直流通用的功能，并联在IGBT两端。

10.一种继电器无弧闭合分断控制方法，其特征是：包括如下流程：

步骤1：继电器线圈得电后，供电模块（2）输出整个电路***所需的电压，线圈控制信号采样模块（3）输入一路开关量信号给微控制器MCU（1），微控制器MCU（1）通过控制信号输出模块（6）将IGBT模块（8）导通；

步骤2：IGBT电流采样模块（4）采样IGBT电流，并将电流信号转换为电压信号，通过电流传感器转换为电压信号输入到微控制器MCU（1）中；

步骤3：对采样的电流大小进行判断，采样的电流小于电流阈值时，继电器触点电流没有转移到IGBT1上，返回步骤2；当采样的电流大于电流阈值时，继电器触点电流转移到IGBT，继续步骤4；

步骤4：当IGBT1的电流大于电流阈值时，进入延时；

步骤5：关断IGBT1，进行分断过程的灭弧；

步骤6：检测触点电压；小于电压阈值

步骤7：当检测到触点电压大于电压阈值时，返回步骤6；当触点闭合时触点电压逐渐下降，当检测到触点电压小于电压阈值时，进入步骤8；

步骤8：导通IGBT2；

步骤9：继电器触点闭合后，机械触点的接触电阻远小于IGBT的导通电阻，所以闭合过程的灭弧对IGBT2的导通时间要求并不严格，此时给IGBT2施加任一延时时间即可完成闭合过程的灭弧；

步骤10、关闭IGBT2，结束。

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