基于电流监测功能的智能固态继电器设计与实现_房开拓.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 02 016基于电流监测功能的智能固态继电器设计与实现房开拓，施允洋，王晓华，虞洋(宿迁学院机电工程学院，江苏 宿迁223800)摘要:针对工业现场的电网中常见的电路故障，介绍了一种基于 PIC16F785 单片机的智能固态继电器的设计方案和实现方法。智能固态继电器通过实时监测负载中的工作电流，来对电路进行通断切换、输出报警以及故障诊断，并通过一组 LED 灯反馈运行状态。用户可以运用继电器的电流示教功能设定安全电流值，并持续检测当前电流以实现稳定工作和报警功能，具有工作可靠、响应快速、安装方便等优点。现场调试表明，该继电器模块能够完成对负载用电设备电流实时监测，性能稳定。关键词:智能固态继电器;实时监测;故障诊断;电流示教中图分类号:TP211文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)02 0079 04固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，它利用电子元器件的磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管、功率场效应管、单向可控硅和双向可控硅等器件的开关特性1，来达到无触点、无火花地接触和断开被控电路2。随着自动化水平的提高，以及微型化、智能化的设计要求，固态继电器越来越多地应用于控制现场，甚至在一些电子电路中已经逐步取代了电磁式继电器。但电磁式继电器和固态继电器都只能控制电路及用电设备的通断，当设备或电网出现故障时缺乏电气保护、自动断电功能，也无法将故障种类反馈至用户。本文提出一种智能型固态继电器，通过对负载电流实施在线监测，实时了解负载设备的工作状态，并起到监控和保护作用，可以广泛用于工业温度控制、电机控制及照明系统。同时，LED 灯输出的系统运行状态能够让用户掌握用电设备的工作特性及变化趋势，为设备的状态检修提供依据，同时提高故障排除的针对性和及时性，降低维护成本3。1系统组成及工作原理智能固态继电器在结构上要求外形小巧，易于插拔安装和外部接线，同时应具有良好的人机界面以及工作稳定性，其系统组成结构如图 1 所示，主要由控制电路板、霍尔电流传感器、状态显示灯、控制回路接线端子、主回路接线端子、机壳和安装底座等组成。固态继电器通过实时监测负载中的电流来实现对电路的保护，该电流通过板载的霍尔电流传感器获得。如图 2 所示，信号采集和处理模块主要由主回路、聚磁环、霍尔传感器、次级线圈和放大滤波电路组成4。导线穿过传感器，当主回路中有较大电流 In通过时，在导线周围产生强磁场被聚磁环聚集，并感应霍尔元件输出电流信号，In越大，感生电流越大，单片机信号采样后利用传感器的线性特性即可算得当前 In值5。电流传感器的型号选为 LHB Y2，最大输入电流为 300 A，直径 20mm，输出信号 100 mA 或 5 V 可选，精度0 5%，线性度不超过 0 1%，实物如图 3 所示。控制回路的输入输出端口主要有开关电源正负端、控制输入端、诊断输出端、电流示教输入端及外部输出端。外部输出端通过接插件固定于底座上的两个接线端子 A、B 接入用电设备的主回路。主回路可以有多个用电设备，还要接有保护电气元件，如空气开关等。系统预设的安全电流值由机壳上的“示教按键”设定，通过单片机比较当前工作收稿日期:2021 09 06基金项目:江苏省高校自然科学研究项目(20KJB210013，21KJB470030);宿迁市科技计划项目(L202210，S202219);宿迁学院教学改革应用精品项目(SQU2022JGJP22);宿迁学院“专业认证”专项教学改革研究课题(2022ZYZ17)作者简介:房开拓(1986)，男，讲师，硕士，主要从事机电测量与控制技术、植保机械装备研究，fkt1986126 com972023 年 2 月机械设计与制造工程Feb 2023第 52 卷 第 2 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 2图 1系统组成结构图图 2电流传感器测电流图 3LHB Y2 型电流传感器电流值 Ip和预设电流值 Is，若 Ip Is，则通过外部输出端口切断 A、B 之间主回路，来保护负载用电设备;同时，单片机控制驱动电路点亮相应颜色的信号灯，实现报警和人机互动。2应用功能的具体实现针对智能型固态继电器的现场工况，结合其工作原理，设计相应的应用功能，包括工作模式、测试模式和设定模式。2 1工作模式系统工作时需要考虑的因素有主回路电流、继电器的控制输入信号(由单片机发出)、负载电流以及诊断输出。在有控制输入信号的情况下，单片机根据当前负载电流值与预先存储的设定电流值做比较，输出诊断结果，并通过单个或组合信号灯显示，如图 4 所示。图 4工作模式设计若主回路闭合、控制输入信号为高电平且负载电流平稳时，诊断输出为 0，表明系统运行正常，代表控制输入的绿灯和代表负载电流的黄灯点亮，代表诊断输出的红灯无显示;当主回路断开、控制输入信号为高电平时，负载电流为 0，黄灯熄灭，诊断082023 年第 52 卷机械设计与制造工程输出为高电平，红灯快速且对称闪烁显示异常，点亮和熄灭时间 Ton，Toff均为100 ms;当主回路闭合、控制输入为 0 时，负载电流也为 0，诊断输出为低电平，3 种颜色指示灯都熄灭;当主回路闭合、控制输入为 1、负载断开时，诊断输出为 1，绿灯点亮，黄灯熄灭，红灯快速对称闪烁显示异常;当主回路闭合、控制输入为 0、负载过载时，负载电流超过设定值，绿灯熄灭，黄灯点亮，红灯慢速对称闪烁显示异常，点亮和熄灭时间均为 1 s;当主回路闭合、控制输入为1、当前负载电流 Ip比设定电流Is低16%以上，即Ip 0 84Is时，系统判断为部分负载短路，此时绿灯、黄灯点亮，红灯慢速对称闪烁显示工作异常，信号灯显示说明如图 5 所示。图 5信号灯显示说明2 2故障诊断模式固态继电器接入用电设备电网后，短按(不超过 2 s)示教按键“TEACH”进入测试模式，长按(超过 3 s)示教按键“TEACH”进入设定模式，也可以通过单片机发出的外部示教输入进入对应模式，如图 6 所示。系统未进入测试模式或设定模式时，所有信号灯都 不 亮;当 短 时(小 于 2 s)按 下 设 定 按 键“TEACH”或外部输入信号为 1 时，控制输入在此期间发出脉冲信号进入测试模式，继电器根据当前负载电流值和设定电流值显示信号灯;当按键“TEACH”或外部示教输入得到长时间(大于 3 s)的激活信号，且控制输入存在脉冲信号时，进入设定模式，允许测量和记录设定的负载电流值，此时绿色和黄色组合 LED 快速对称同步闪烁(Ton=100 ms，Toff=100 ms)，持续3 s 后，转入慢速对称同步闪烁(Ton=100 ms，Toff=100 ms)，提示设定模式导通，松开“TEACH”按键后，LED 灯继续闪烁图 6测试与设定模式设计2 5 s，以指示在此期间记录了一个新的负载电流设定阈值 Is。在测试模式和设定模式下，诊断输出指示灯没有输出。固态继电器的设计测量范围为2 40 A，当前电流 Ip 40 A 或 Ip 2 A 时，绿色和黄色组合 LED 交替闪烁以指示超出诊断范围。3关键电路设计如前文所述，将主回路的导线穿过 LHB Y2 型霍尔式电流传感器能够输出呈线性关系的电信号，接入单相整流桥 MB6S 得到直流电，再通过限流电阻送至单片机 PIC16F785 的模拟量输入端 AN9 进行 A/D 转换。电压信号输入端 AN9 前置的肖特基二极管 BAV99，起到了钳位电平作用，使得信号不超过5 V，有效防止了静电损坏，如图7 所示。图 7信号采集与转换电路A/D 转换采用单片机 PIC16F785 片内自带的10 位 A/D 转换器，采样保持电路的输出端接入转换器的输入端。为了得到更为稳定和精确的参考电压，设置寄存器 VCFG 位为高电平，选择 Vref引脚模拟电压为 A/D 转换的参考电压，由芯片低电压精密并联稳压器 TLV431 提供，如图 8 所示。182023 年第 2 期房开拓:基于电流监测功能的智能固态继电器设计与实现图 8TLV431 三端可调稳压电路TLV431 实质上是一个三端可调的电压参考器，内部集成 1 24 V 基准电压、差分运放和三极管，输出电压可以通过外部电阻分压器设定为1 24 6 00 V 之间的任意值6。当引脚电压 Vref低于基准电压 1 24 V 时，运放输出为低电平，三极管关断，忽略微小的漏电流，此时没有电流经过TLV431;当 Vref高于基准电压时，运放输出为高电平，三极管导通从阴极抽取电流并迅速进入饱和区;当 Vref接近1 24 V 时，三极管工作在放大区，从阴极抽取恒定的电流。其工作原理如图9 所示，Vi为输入电压，Vo为输出电压，1和 2为分压电阻，VKA为阴极电压，IK为阴极电流，Iref为参考端电流，当 VKA Vref时，TLV431 导通，此时输出电压 Vo=VKA=Vref(1+1/2)+Iref 1，输出电流经过采样电阻，经硬件滤波后进入单片机内部的 A/D模块7。图 9TLV431 典型应用电路4结束语本文根据电流监测型固态继电器的工作原理和功能模块，设计了基于 PIC16F785 单片机的电子电路和印制电路板。电路板内嵌于继电器外壳，经引出的接线端子接入主电路，通过实验室模拟调试和工业现场调试验证，继电器能够有效、准确、稳定地实现电网电流监测功能，并已经应用于企业的生产实践中，在电网自动保护中具有推广意义和应用价值。参考文献:1刘凯，黄奕，周松，等 基于 CAN20B 总线协议的智能固态继电器的设计 J 中国西部科技，2015(9):60 64，79 2黄华才 4JGMK10 1GCH 固态继电器过载试验方法研究 J 机电元件，2021，41(4):48 51 3周志敏 固态继电器的原理与应用J 电源世界，2004(3):19 25 4曲昱明 高压断路器在线监测系统的设计D 大连:大连理工大学，2014 5郭军，刘和平，刘平 基于大电流检测的霍尔传感器应用J传感器与微系统，2011(5):142 145 6尚锋 基于 TLV431 的电桥输出稳定及线性化研究及仿真 J 现代电子技术，2016(4):120 122 7张刚，张争明 无源二线制智能数字显示表的设计与实现 J 自动化仪表，2010(1):76 78Design and implementation of intelligent SS based on current monitoringFang Kaituo，Shi Yunyang，Wang Xiaohua，Yu Yang(School of Electromechanical Engineering，Suqian College，Suqian，223800，China)Abstract:Aiming at the common circuit faults in the power grid of industrial site，this paper introduces the de-sign scheme and implementation method of an intelligent solid-state relay based on PIC16F785 single chip micro-computer The intelligent solid-state relay monitors the working current in the load in real time，switches the cir-cuit on and off，outputs an alarm and diagnoses the fault，and feeds back the running state through a group ofLED lights Users can use the r