数字化交流无触点开关设计

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摘要：交流无触点开关主要应用于交流异步电动机、加热器等主电源的通断，可代替交流接触器，特点是主回路通断采用晶闸管控制，具有缺相保护和反时限功能的热过载和瞬时过电流保护功能。文章介绍了数字化交流无触点开关设计、工作原理及使用方法。

关键词：数字化交流无触点开关；硬件电路；系统软件设计；晶闸管

中图分类号：TM632　文献标识码：A　文章编号：1009-2374(2011)07-0047-03

一、概述

目前采用交流接触器作为交流异步电动机起动或停止控制，特别对于起重机的大功率电动机控制，因为起动频繁容易造成接触器触点拉弧。频繁起动造成接触器的触点粘连，引起相间短路，长时间使用，由于接点拉弧，引起触点接触不良，造成缺相，而烧毁电动机。接触器没有热过载和瞬时过电流保护功能，保护电机必须外过流继电器。特别对于起重机的电动机控制，频繁起动造成接触器触点拉弧，使用寿命缩短经常需要更换。研制开发交流无触点开关控制，可以大大提高使用寿命。本文介绍的交流无触点开关(以下称无触点开关)是我公司自行设计生产的应用于交流异步电动机、加热器等主电源的通断，可代替交流接触器。特点是主回路通断采用晶闸管控制，控制部分采用单片机ATMEGA8控制，通过软件设置控制晶闸管的通断，具有缺相保护和反时限功能的热过载和瞬时过电流保护功能。当控制的电动机或其他负载发生热过载或短路时，可自动切断供电负载。

二、总体设计方案选择

(一)　无触点开关的组成

无触点开关主回路采用晶闸管模块，控制回路采用单片机以及电路组成。系统方框图如图1所示。三相380V交流电源输入端L1、L2、L3，输出到电动机端子T1、T2、T3。主回路通断K2继电器闭合，触发晶闸管模块SCR导通。电流检测采用互感器CT1、CT2组成V型接线，通过A2模块整流转换成直流电压，经过A7放大器处理，送到单片机模块A9经内部数据处理程序，显示主回路电流以及实现热过载保护功能和瞬时过电流保护功能。

控制电源AC220V输入端L1、N1经过电源模块A1转换成P24V和N24V直流电压，经稳压模块A3、A4、A5转换成P12V、N12V、P5V直流电压，分别提供放大器和微处理器工作电源。A10、A8模块及R1、R2电阻实现缺相检测功能，IJ1、L2、L3三相电压经过R1、R2电阻降压后送到A10模块，三相电压正常时A10模块输出高电平，缺相输出低电平。经光耦A8隔离送到单片机模块A9，经内部数据处理程序，实现缺相保护功能。K1继电器为12V电源检测，电源正常K1继电器吸合。K2继电器控制电子开关的通断，K2闭合12V电压加在晶闸管模块控制极使其导通。电子开关通断在A1、A2端子加AC220V电压，12V电压正常，K1闭合。K3继电器故障检测，缺相或过载过电流时，K3继电器释放，K2继电器释放，切断晶闸管触发信号电子开关关断。输出故障接点K3和电子开关接通接点K2，可以和PLC联动。

(二)　硬件电路的组成

第一，主回路。主回路采用三组晶闸管单相交流模块组成。该模块是国内生产的一种智能模块，触发电路采用过零触发，并集成在模块里面。其触发信号加入直流12V电压，模块导通。其导通角为180°，使用方便，主要应用于交流电子开关。

第二，电源部分。模块电源部分原理如图2所示。其中为±12V提供运算放大器电源和晶闸管模块电源触发电源，DCSV电源为单片机工作电源。AC220V电压经T1变压器降压输出Ac双12V电压，经二极管Dl―D4整流和电容器c1、c3、c7、C10滤波产生约±16V直流电压。+16V电压经过A4稳压模块MC7812输出+12V电压，

16V经过A3稳压模块MC7912输出12V电压，通过c2、c4、c8、c11滤波，减小纹波系数。+12V电压经A5稳压模块MC7805输出+5V电压，通过c6、c9滤波，减小纹波系数。

第三，缺相检测。该功能是保护电动机防止因缺相造成电动机的损坏。缺相检测原理如图3所示，三相交流380V电压L1、L2、L3经电阻R6、R7、R8降压，二极管D9半波整流触发晶闸管Q1。三相电压正常时，晶闸管Q1导通，光耦u7导通输出高电平。发生缺相故障时，晶闸管Q1关断，光耦u7截止输出低电平，通过单片机时K3继电器释放，切断主回路晶闸管触发信号，主回路关断起到保护作用。

第四，电流检测回路。该功能检测电动机定子电流，作为装置电流显示和过电流热过载保护。主回路电流检测原理如图4所示。采用两个交流电流互感器组成V型接线实现的。主回路电流信号经二极管D5、D6、D7、D8整流c1滤波，通过电阻R3转换成直流电压。经A7放大器放大后，输入到单片机的输入接口。经过A／D转换成数字量信号，通过数据处理程序实现主回路电流显示，过电流及热过载等功能。

三、系统软件设计

(一)　系统主程序设计

主程序完成系统的各种功能初始化操作，包括ATmega8的片内I／O寄存器、各种状态和标志位、各个控制数据等的初始化，然后循环定时执行速度环和电流环的计算，并完成键盘输入、显示扫描等各种功能。主程序的流程图如图5所示：

(二)　中断处理程序设计

中断程序是程序设计中非常关键的部分，是控制系统软件的核心，它将完成大部分计算以及控制任务，主要是热过载保护部分中断处理程序。主程序的流程图如图6所示：

四、系统测试

(一)　电源部分测试

电源输入端LI、N1接，NAC220V交流电压，A1模块输出直流电压值为26.5V、-26.5V，A3模块输电压为-12.01V，A4模块输电压为12.02V，A5模块输电压5.01V误差范围为±2％。

(二)　主回路部分测试

L1、L2、L3接AC380V电源，当A1、A2加上Ac 220V电压时，电子开关接通，电动机运转，发光二极管DS2发光；当A1、A2上电压断开时，电子开关断开，电动机停止运转，发光二极管灭。

(三)　缺相保护功能测试

使三相输入电压缺相时，单片机控制继电器K2动作，切断触发电路，电子开关关断，同时数码管显示“LP”缺相符号，K2继电器输出接点控制外电路作为连锁信号。

(四)　瞬时过电流保护功能测试

本装置具有瞬时过电流保护功能。先设定负载的额定电流和过流系数，出厂默认值为负载额定电流的7倍。装置过流时，单片机控制继电器K2动作自动切断外部负载电路，数码管显示“OC”过电流符号。

(五)　热过载保护功能测试

本装置具有热过载保护功能。先设定电动机负载的额定电流，分别使电动机电流超过额定电流1.1-1.5倍，分别记录继电器K2动作时间，应为反时限热过载曲线。本装置热过载曲线是根据电动机保护设计的。该能是通过单片机软件程序实现的。热过载系数可以通过面板设定。热过载故障数码管显示“OL”热过载符号。电动机可通过按键设定其电流额定值，设定电流范围应与装置容量匹配。

(六)　显示部分测试

接通电子开关使电动机运行，用电流表测量电动机的电流数值，应与数码管显示的电流一致。

五、结论

通过以上分析可知，交流无触点开关具有反时限的热过载和瞬时过电流保护。当控制的电动机或其他负载发生热过载或短路时，可自动切断供电负载。由该装置是采用可控硅开关作为通断，因此使用寿命长，通断时不拉弧，适合用于频繁启动的场合，市场应用广泛。