延長單相繼電器和交流接觸器電壽命的控制方法及系統的製作方法

2023-10-09 13:09:29

專利名稱：延長單相繼電器和交流接觸器電壽命的控制方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及電器控制領域，尤其涉及可延長單相繼電器和交流接觸器電壽 命的控制方法及系統。
背景技術：
一般繼電器和交流接觸器的電壽命遠遠低於它們的機械壽命，其原因是繼 電器和交流接觸器的觸點在其吸合和斷開時，分別會產生電火花和電弧，而電 火花和電弧對觸點有燒損作用，觸點燒損是電壽命遠遠低於機械壽命的主要原 因。目前關於無弧交流接觸器專利有很多，但多數都是用在三相交流接觸器上， 且都是通過半導體功率器件來承擔交流接觸器觸點的吸合和斷開動作，迴避因觸點吸合和斷開時產生的電火花和電弧。例如中國ZL00201710.5號專利申請 中，由交流接觸器、固態繼電器或反並聯可控矽與觸發模塊組合成的無觸點開 關、延時控制電路組成。使用時將固態繼電器的輸出端並聯在交流接觸器的機 械觸點上，將交流觸發固態繼電器SSR輸入端或交流觸發模塊的輸入端並聯電 容C同時並接在CJ交流接觸器線圈上。若選用直流觸發固態繼電器SSR，則 CJ交流接觸器線圈兩端接在變壓器B輸入端，經變壓器B降壓，整流器ZL整 流後接在電容C和直流觸發固態繼電器SSR輸入端。當交流接觸器線圈得電時， 固態繼電器觸發輸入端也同時得電，由於固態繼電器比交流接觸器動作快，所 以固態繼電器搶先導通，當交流接觸器線圈失電時，已充過電的電容對固態繼 電器繼續維持觸發導通，選擇適當的電容可實現固態繼電器輸出端比交流接觸 器觸點斷開慢，從而達到無弧的目的。若選用反並聯的可控矽與觸發模塊組合 成的無觸點開關替代固態繼電器，可實現較大電流的無弧交流接觸器。又如 中國ZL01220865.7號專利中，也是在主觸頭並聯可控矽，通過電路控制可控矽 完成無電火花和無電弧動作任務。中國公開號為CN1988095的專利申請也是控
制與主觸頭並聯可控矽完成無電火花和無電弧動作任務。在單相繼電器上，也都是通過半導體功率器件來承擔繼電器觸點的吸合和 斷開動作，迴避因觸點吸合和斷開時產生的電火花和電弧。例如中國ZL01217936.1號專利是提供一種無弧繼電器，採用電子電路控制繼電器，當繼 電器接通和斷開時電流經過電子元件分流，使繼電器觸點無電流通過，從而保 護觸點安全。又如中國申請號為91212279.X的專利也是控制與觸點並聯可控矽 完成無電火花和無電弧動作任務。發明內容本發明的目的是提供一種延長單相繼電器或交流接觸器電壽命的方法，可 以根據單相交流電源的相位，考慮相位控制誤差及繼電器和交流接觸器動作時 間，直接控制單相繼電器和單相交流接觸器，使其觸點在單相交流電電壓過零 時吸合，在負載電流為零時斷開，儘可能的保證繼電器和交流接觸器在其吸合 和斷開時，接近無電火花和電弧的狀態下動作。本發明的目的是由以下技術方案實現的-一種延長單相繼電器或交流接觸器電壽命的控制方法，其特徵在於，包括 如下步驟(1) 提供電源變壓電路，利用電源變壓電路將電網交流電轉換為適應單片 機的二次交流電；(2) 提供交流採樣電路，對所述電源變壓電路的二次交流電輸出波形進行採樣-，(3) 提供波形轉換電路，利用波形轉換電路將二次交流電轉換成直流方波 或直流脈衝信號；(4) 提供單片機，單片機接收波形轉換電路輸出的直流方波或直流脈衝信 號，並通過單片機集成的控制算法生成開啟控制信號和關斷控制信號，其中， 所述開啟控制信號通過驅動電路使單相繼電器或單相交流接觸器在單相交流電 電壓過零時吸合，所述關斷控制信號通過驅動電路使單相繼電器或單相交流接 觸器在其連接的負載電流為零時斷開；(5)驅動電路，根據所述開啟控制信號和關斷控制信號驅動單相繼電器或 單相交流接觸器的開啟或關斷動作。本發明的另一 目的是提供一種可以實現上述控制方法的系統，該目的由以 下技術方案實現一種延長單相繼電器和交流接觸器電壽命的系統，其特徵在於，包括電源 變壓電路、交流採樣電路、交流轉換直流方波或直流脈衝信號的轉換電路、單 片機、驅動電路、單相繼電器或單相交流接觸器、負載，電源變壓電路的輸入 端連接電網，交流採樣電路的輸入端連接電源變壓電路的輸出端，轉換電路的 輸入端連接交流採樣電路的輸出端，轉換電路的輸出端連接單片機的信號輸入 接口，驅動電路的控制信號接收端連接單片機的控制信號輸出接口，驅動電路 的控制端連接單相繼電器或單相交流接觸器，單相繼電器或單相交流接觸器進 而連接負載。本發明通過軟體對開斷時間的精確控制，儘可能的保證繼電器和交流接觸 器在其吸合和斷開時，接近無電火花和電弧的狀態下動作，減緩電火花和電弧 對觸點的燒損作用，從而達到延長單相繼電器和交流接觸器電壽命目的，使其 電壽命延長l-2倍，甚至可達到機械壽命。


圖1是本發明提供的系統電路框圖；圖2是本發明採用方波轉換換電路實現時對應的控制流程圖； 圖3是本發明採用脈衝轉換換電路實現時對應的控制流程圖；圖4是本發明採用方波轉換換電路、且負載為感性負載實現時，對應的二 次輸出交流電壓波形、轉換後的方波波形及感性負載的電流波形；圖5是本發明採用方波轉換換電路、且負載為電阻負載實現時，對應的二 次輸出交流電壓波形、轉換後的方波波形及純電阻負載的電流波形；圖6是本發明採用脈衝轉換換電路、且負載為感性負載實現時，對應的二 次輸出交流電壓波形、轉換後的脈衝波形及感性負載的電流波形；圖7是本發明採用脈衝轉換換電路、且負載為電阻負載實現時，對應的二
次輸出交流電壓波形、轉換後的脈衝波形及純電阻負載的電流波形。 圖1所示電路框圖中標號說明1 一電源變壓電路 2 —交流採樣電路 3 —波形轉換電路4 一單片機 5 —驅動電路6 —單相繼電器或單相交流接觸器 7 —負載具體實施方式
如圖7所示，本實施例提供一種延長單相繼電器和交流接觸器電壽命的系 統，該系統包括電源變壓電路l、交流採樣電路2、交流轉換直流方波或直流脈 衝信號的轉換電路3、單片機4、驅動電路5、單相繼電器或單相交流接觸器6、 負載7。電源變壓電路l的輸入端連接電網，交流採樣電路2的輸入端連接電源 變壓電路1的輸出端，轉換電路3的輸入端連接交流採樣電路2的輸出端，轉 換電路3的輸出端連接單片機4的信號輸入接口，驅動電路5的控制信號接收 端連接單片機4的控制信號輸出接口，驅動電路5的控制端連接單相繼電器或 單相交流接觸器6。基於上述系統，本實施例提供一種延長單相繼電器或交流接觸器電壽命的 方法，包括如下步驟(1) 利用電源變壓電路1將電網交流電轉換為適應單片機的二次交流電；(2) 利用交流採樣電路2對所述電源變壓電路的二次交流電輸出波形進行採樣；(3) 利用波形轉換電路3將二次交流電轉換成直流方波或直流脈衝信號；(4) 單片機4接收波形轉換電路輸出的直流方波或直流脈衝信號，並通過 單片機集成的控制算法生成開啟控制信號和關斷控制信號，其中，所述開啟控 制信號通過驅動電路使單相繼電器或單相交流接觸器在單相交流電電壓過零時 吸合，所述關斷控制信號通過驅動電路使單相繼電器或單相交流接觸器在其連 接的負載電流為零時斷開；(5) 驅動電路5根據所述開啟控制信號和關斷控制信號驅動單相繼電器或 單相交流接觸器的開啟或關斷動作。
由於轉換電路3可以是方波轉換電路，也可以是脈衝轉換電路，本發明設 計了適應兩種轉換波形的控制算法，另外，每種控制算法針對感性負載和純電 阻負載又設計了不同的動作時間算法。所以，根據兩種轉換波形和兩種負載控 制上的差異，共設計以下四種具體的控制算法。算法一轉換波形為方波、負載為感性負載的算法如圖2所示，步驟l，單片機上電復位；步驟2，程序初始化；步驟3，任 務指令，如果任務指令為l，表示要開負載，如果任務指令為0表示關負載，任務指令為1時轉到步驟4，任務指令為0時轉到步驟14;步驟4，過零採樣I/O 口檢測；步驟5，方波的上升沿觸發計時；步驟6，過零I/O 口檢測；步驟7, 方波的下降沿觸發定時Tx，定時時間Tx的算法為方波下降沿到二次輸出交流電 壓波形的零點間的時間長度，見如圖4中Tx的標識段；步驟8，停方波的上升 沿觸發計時；步驟9，讀出計時時間Tj;步驟10，計時時間TV與方波寬度Tz 比較，Tz的算法見圖4中Tz的標識段，T;《Tz時，表示有幹擾，此次電壓過零 點定位無效，轉到步驟ll， T:^Tz時，此次電壓過零點定位有效，轉到步驟12; 步驟ll,停定時Tx，回到步驟4再次進行上述循環；步驟12，等待定時到；步 驟13，驅動負載I/0 口，完成一次單相繼電器或單相交流接觸器在單相交流電 電壓過零時的吸合動作；步驟14，過零I/0口檢測；步驟15，方波的上升沿觸 發計時；步驟16，過零I/0口檢測；步驟17，方波的下降沿觸發定時TD,定時 時間TD的長度為方波下降沿到感性負載電流波形的零點間的時間長度，算法見 圖4中To的標識段；步驟18，停方波的上升沿觸發計時；步驟19，讀出計時 時間Tj;步驟20，計時時間IV與方波寬度Tz比較，Tz的算法見圖4中Tz的標 識段，T:《Tz時，表示有幹擾，此次電壓過零點定位無效，轉到步驟21， Tj^ Tz時，此次電壓過零點定位有效，轉到步驟22;步驟21，停定吋Td，回到步 驟14再次進行上述循環；步驟22，等待定時到；步驟23，停驅動負載I/0口， 完成一次單相繼電器或單相交流接觸器在單相交流電電流過零時的斷開動作。算法二轉換波形為方波、負載為純電阻負載的算法算法二的流程與算法一的流程相同，不同之處在於如圖4所示，由於算法一是針對感性負載的，其中的二次輸出交流電壓波形與感性負載的電流波形 存在一定的相位差，即二次輸出交流電壓波形的過零點與感性負載的電流波形的過零點存在一定的相位差，所以對應吸合動作的定時Tx與對應斷開動作的TD 的算法不同，即時間長度不同；而算法二是針對純電阻負載的，如圖5所示， 此種情況時，二次輸出交流電壓波形與純電阻負載的電流波形相位吻合，即二 次輸出交流電壓波形的過零點與純電阻負載的電流波形的過零點的相位一致， 所以對應吸合動作的定時Tx與對應斷開動作的TD的算法相同，即TX=TD。 算法三轉換波形為脈衝、負載為感性負載的算法如圖3所示，步驟l，單片機上電復位；步驟2，程序初始化；步驟3，任 務指令，如果任務指令為l，表示要開負載，如果任務指令為O表示關負載，任 務指令為1轉到步驟4，任務指令為0轉步驟14;步驟4，過零採樣I/O 口檢測； 步驟5,脈衝的上升沿觸發計時；步驟6，過零I/0口檢測；步驟7，脈衝的上 升沿觸發定時Tx，定時時間Tx的算法為脈衝的上升沿至電源變壓器二次輸出交 流電壓波形的零點間的時間長度，見圖6中Tx的標識段；步驟8，停脈衝的上 升沿觸發計時；步驟9，讀出計時時間Tj;步驟IO，計時時間Tj與脈衝間隔Tz 比較，Tz的算法見圖3中Tz的標識段，KTz時，表示有幹擾，此次電壓過零 點定位無效，轉到步驟ll， DTz時，此次電壓過零點定位有效，轉到步驟12; 步驟ll，停定時Tx，回到步驟4再次進行上述循環；步驟12,等待定時到；步 驟13，驅動負載I/0口，完成一次單相繼電器或單相交流接觸器在單相交流電 電壓過零時的吸合動作；步驟14,過零I/0口檢測；步驟15，脈衝的上升沿觸 發計時；步驟16，過零I/0口檢測；步驟17，脈衝的上升沿觸發定時TD，定時 時間TD的算法為脈衝的上升沿至感性負載的電流波形的零點間的時間長度，見 圖6中To的標識段；步驟18，停脈衝的上升沿觸發計時；步驟19，讀出計時 時間Tj;步驟20，計時時間Tj與脈衝間隔Tz比較，Tz的算法見圖3中Tz的標 識段，KTz時，表示有幹擾，此次電壓過零點定位無效，轉到步驟21， Tj^ Tz時，此次電壓過零點定位有效，轉到步驟22;步驟21，停定時TD，回到步 驟14再次進行上述循環；步驟22，等待定時到；步驟23,停驅動負載I/0口， 完成一次單相繼電器或單相交流接觸器在單相交流電電流過零時的斷開動作。算法四轉換波形為脈衝、負載為純電阻負載的算法 算法四的流程與算法三的流程相同，不同之處在於如圖6所示，由於算 法三是針對感性負載的，其中的二次輸出交流電壓波形與感性負載的電流波形 存在一定的相位差，即二次輸出交流電壓波形的過零點與感性負載的電流波形 的過零點存在一定的相位差，所以對應吸合動作的定時Tx與對應斷開動作的TD 的算法不同，即時間長度不同；而算法四是針對純電阻負載的，如圖7所示， 此種情況時，二次輸出交流電壓波形與純電阻負載的電流波形相位吻合，即二 次輸出交流電壓波形的過零點與純電阻負載的電流波形的過零點的相位一致， 所以對應吸合動作的定時Tx與對應斷開動作的Td的算法相同，即TX=TD。
權利要求
1.一種延長單相繼電器和交流接觸器電壽命的方法，其特徵在於，包括如下步驟(1)提供電源變壓電路，利用電源變壓電路將電網交流電轉換為適應單片機的二次交流電；(2)提供交流採樣電路，對所述電源變壓電路的二次交流電輸出波形進行採樣；(3)提供波形轉換電路，利用波形轉換電路將二次交流電轉換成直流方波或直流脈衝信號；(4)提供單片機，單片機接收波形轉換電路輸出的直流方波或直流脈衝信號，並通過單片機集成的控制算法生成開啟控制信號和關斷控制信號，其中，所述開啟控制信號通過驅動電路使單相繼電器或單相交流接觸器在單相交流電電壓過零時吸合，所述關斷控制信號通過驅動電路使單相繼電器或單相交流接觸器在其連接的負載電流為零時斷開；(5)驅動電路，根據所述開啟控制信號和關斷控制信號驅動單相繼電器或單相交流接觸器的開啟或關斷動作。
2.如權利要求1所述的延長單相繼電器和交流接觸器電壽命的控制方法，其 特徵在於，當轉換電路的輸出為方波時，所述單片機內集成的控制算法具體如 下步驟l，單片機上電復位； 步驟2，程序初始化；步驟3，任務指令，如果任務指令為1，表示要開負載，如果任務指令為0 表示關負載，任務指令為1時轉到步驟4，任務指令為0時轉到步驟14; 步驟4，過零採樣I/0口檢測； 步驟5，方波的上升沿觸發計時； 步驟6，過零I/0口檢測；步驟7，方波的下降沿觸發定時Tx，定時時間Tx的算法為長度為方波下降沿到二次輸出交流電壓波形的零點間的時間長度； 步驟8，停方波的上升沿觸發計時； 步驟9，讀出計時時間Tj;步驟IO，計時時間Tj與方波寬度Tz比較，KTz時，表示有幹擾，此次電 壓過零點定位無效，轉到步驟11， DTz時，此次電壓過零點定位有效，轉到 步驟12;步驟ll，停定時Tx，回到步驟4再次進行上述循環； 步驟12，等待定時到；步驟13，驅動負載I/0 口，完成一次單相繼電器或單相交流接觸器在單相交 流電電壓過零時的吸合動作； 步驟14，過零1/0 口檢測； 步驟15，方波的上升沿觸發計時； 步驟16，過零1/0 口檢測；步驟17，方波的下降沿觸發定時TD，定時時間lD的長度為方波下降沿到感性負載電流波形的零點間的時間長度； 步驟18，停方波的上升沿觸發計時； 步驟19，讀出計時時間Tj;步驟20，計時時間Tj與方波寬度Tz比較，Tj《Tz時，表示有幹擾，此次電 壓過零點定位無效，轉到步驟21， T;》Tz時，此次電壓過零點定位有效，轉到 步驟22;步驟21，停定吋Td，回到步驟14再次進行上述循環；步驟22，等待定時到；步驟23，停驅動負載I/0 口，完成一次單相繼電器或單相交流接觸器在單相 交流電電流過零時的斷開動作。
3. 如權利要求2所述的延長單相繼電器和交流接觸器電壽命的控制方法，其特 徵在於，當負載為純電阻負載時，所述Tx-Td。
4. 如權利要求1所述的延長單相繼電器和交流接觸器電壽命的控制方法，其特 徵在於，當轉換電路的輸出為脈衝時，所述單片機內集成的控制算法具體如下:步驟l，單片機上電復位； 步驟2，程序初始化； 步驟3，任務指令，如果任務指令為i，表示要開負載，如果任務指令為0 表示關負載，任務指令為1轉到步驟4，任務指令為0轉步驟14;步驟4，過零採樣I/0口檢測； 步驟5,脈衝的上升沿觸發計時； 步驟6，過零1/0 口檢測；步驟7，脈衝的上升沿觸發定時Tx，定時時間Tx的算法為脈衝的上升沿至 電源變壓器二次輸出交流電壓波形的零點間的時間長度； 步驟8，停脈衝的上升沿觸發計時； 步驟9，讀出計時時間Tj;步驟10，計時時間Tj與脈衝間隔Tz比較，KTz時，表示有幹擾，此次 電壓過零點定位無效，轉到步驟11， Tj^Tz時，此次電壓過零點定位有效，轉 到步驟12;步驟ll，停定時Tx，回到步驟4再次進行上述循環； 步驟12，等待定時到；步驟13，驅動負載I/0 口，完成一次單相繼電器或單相交流接觸器在單相 交流電電壓過零時的吸合動作； 步驟14，過零1/0 口檢測； 步驟15，脈衝的上升沿觸發計時； 步驟16，過零1/0 口檢測；步驟17，脈衝的上升沿觸發定時TD，定時時間To的算法為脈衝的上升沿 至感性負載的電流波形的零點間的時間長度； 步驟18，停脈衝的上升沿觸發計時； 步驟19，讀出計時時間Tj;步驟20，計時時間Tj與脈衝間隔Tz比較，Tj《Tz時，表示有幹擾，此次 電壓過零點定位無效，轉到步驟21， DTz時，此次電壓過零點定位有效，轉 到步驟22;步驟21，停定時To，回到步驟14再次進行上述循環； 步驟22，等待定時到；步驟23，停驅動負載I/0口，完成一次單相繼電器或單相交流接觸器在單 相交流電電流過零時的斷開動作。
5. 如權利要求4所述的延長單相繼電器和交流接觸器電壽命的控制方法，其特 徵在於，當負載為純電阻負載時，所述T^^Td。
6. —種延長單相繼電器和交流接觸器電壽命的系統，其特徵在於，包括電源變 壓電路、交流採樣電路、交流轉換直流方波或直流脈衝信號的轉換電路、單片 機、驅動電路、單相繼電器或單相交流接觸器、負載，電源變壓電路的輸入端 連接電網，交流採樣電路的輸入端連接電源變壓電路的輸出端，轉換電路的輸 入端連接交流採樣電路的輸出端，轉換電路的輸出端連接單片機的信號輸入接 口，驅動電路的控制信號接收端連接單片機的控制信號輸出接口，驅動電路的 控制端連接單相繼電器或單相交流接觸器，單相繼電器或單相交流接觸器進而 連接負載。
全文摘要
本發明公開一種延長單相繼電器或交流接觸器電壽命的控制方法及系統，主要是通過單片機集成的控制算法生成開啟控制信號和關斷控制信號，其中，所述開啟控制信號通過驅動電路使單相繼電器或單相交流接觸器在單相交流電電壓過零時吸合，所述關斷控制信號通過驅動電路使單相繼電器或單相交流接觸器在其連接的負載電流為零時斷開。本發明通過軟體對開斷時間的精確控制，儘可能的保證繼電器和交流接觸器在其吸合和斷開時，接近無電火花和電弧的狀態下動作，減緩電火花和電弧對觸點的燒損作用，從而達到延長單相繼電器和交流接觸器電壽命目的，使其電壽命延長1-2倍，甚至可達到機械壽命。
文檔編號H01H9/54GK101159193SQ200710030598
公開日2008年4月9日 申請日期2007年9月28日 優先權日2007年9月28日
發明者張有林, 新 王 申請人:珠海格力電器股份有限公司