新型雙光耦狀態(tài)量檢測(cè)電路

戚凱

摘 要：III型負(fù)控采集終端在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，需要通過(guò)自帶的控制模塊來(lái)控制用戶側(cè)的斷路器進(jìn)行合閘、跳閘動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制功能;在進(jìn)行負(fù)荷控制之前，需要對(duì)控制模塊輸出回路的開關(guān)接入狀態(tài)量進(jìn)行檢測(cè)，用以判斷控制模塊是否與斷路器的分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)端良好連接?，F(xiàn)有廠家設(shè)計(jì)的開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路在大多數(shù)環(huán)境下能夠正確識(shí)別、判斷開關(guān)接入狀態(tài)量，但是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析，部分廠家生產(chǎn)的斷路器，由于其分勵(lì)脫扣器內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路與斷路器行業(yè)內(nèi)主流的驅(qū)動(dòng)電路不一致，導(dǎo)致控制模塊在與部分?jǐn)嗦菲髋浜蠒r(shí)出現(xiàn)誤跳閘，或者控制模塊對(duì)于開關(guān)接入的電壓判斷范圍有限。為了解決上述問(wèn)題，本文在現(xiàn)有開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路的基礎(chǔ)上，對(duì)電路進(jìn)行分析和優(yōu)化，設(shè)計(jì)出新的狀態(tài)量檢測(cè)電路并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文新設(shè)計(jì)的控制輸出回路開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路能夠有效解決上述問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：III型負(fù)控;檢測(cè)電路;斷路器;誤跳閘

中圖分類號(hào)：TM925.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）09-0153-03

0 引言

III型負(fù)荷控制終端目前廣泛應(yīng)用于對(duì)專變大客戶進(jìn)行用電計(jì)量、數(shù)據(jù)采集、負(fù)荷控制等方面;其中一個(gè)重要的功能就是拉合閘控制。拉合閘控制的前提是能夠準(zhǔn)確的對(duì)控制輸出回路開關(guān)接入狀態(tài)量進(jìn)行檢測(cè)，即能夠準(zhǔn)確判斷出用于拉合閘的繼電器二次側(cè)開關(guān)是否接入斷路器的分勵(lì)脫扣器回路以及驅(qū)動(dòng)電壓是否準(zhǔn)備就緒[1];因此控制輸出回路開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路的性能對(duì)于實(shí)現(xiàn)上述功能至關(guān)重要。

本文對(duì)于目前使用的控制輸出回路開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了介紹，通過(guò)對(duì)電路的分析，優(yōu)化了現(xiàn)有檢測(cè)電路的缺陷，設(shè)計(jì)出一種采用雙光耦方案，電壓檢測(cè)范圍更寬的開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)新的開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路有效的解決現(xiàn)有電路存在的缺點(diǎn)，可以很好的應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。

1 當(dāng)前狀態(tài)量檢測(cè)電路介紹

1.1 現(xiàn)有檢測(cè)電路原理簡(jiǎn)介及使用場(chǎng)景

圖1所示為控制模塊與斷路器配合使用的原理圖;虛線框內(nèi)為控制模塊內(nèi)的電路，R1、C1、OP1、R2組成的電路為開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路，光耦前段的R2起到限流和分壓作用，保證光耦輸入側(cè)的發(fā)光二極管工作在合適的電壓、電流范圍內(nèi)，當(dāng)“公共”和“常開”節(jié)點(diǎn)之間加上交流電源之后，在交流電的周期內(nèi)，會(huì)驅(qū)動(dòng)光耦輸入側(cè)的二極管發(fā)光，光耦輸出側(cè)光電管進(jìn)入“截止”-“導(dǎo)通-“截止”狀態(tài)，對(duì)應(yīng)光耦連接上拉電阻的4引腳，進(jìn)入“高電平”-“低電平”-“高電平”的狀態(tài)[2]，其波形如圖2所示;光耦進(jìn)入“導(dǎo)通”狀態(tài)時(shí)，光耦集電極-發(fā)射極電壓變減小，低于TTL定義的低電平電壓閾值，可以被MCU的IO口識(shí)別。虛線框內(nèi)由KJ1、OP2、Q1及其周邊元件組成的電路為繼電器及其控制電路。虛線框右側(cè)為斷路器及分勵(lì)脫扣器[3]驅(qū)動(dòng)接口。

當(dāng)電源接口接入交流電或者直流電的情況下，如果繼電器不動(dòng)作，等效于斷路器分勵(lì)脫扣器的驅(qū)動(dòng)端沒(méi)有加上電壓;反之繼電器動(dòng)作后，斷路器分勵(lì)脫扣器的驅(qū)動(dòng)端被加上電壓，使斷路器動(dòng)作，斷開負(fù)載。從圖1可以看出斷路器分勵(lì)脫扣器的驅(qū)動(dòng)接口與繼電器的“公共”、“常開”節(jié)點(diǎn)是串聯(lián)關(guān)系;開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路的兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)與繼電器的“公共”、“常開”節(jié)點(diǎn)是并聯(lián)關(guān)系;電源接口是與開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路的兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)是并聯(lián)關(guān)系;因此當(dāng)電源接口連接電源并且電壓足夠高時(shí)，狀態(tài)量檢測(cè)電路的光耦就會(huì)導(dǎo)通，致使光耦二次側(cè)的電壓發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的邏輯電平發(fā)生變化，可以被MCU的IO口識(shí)別檢測(cè)到;即通過(guò)這種方式，MCU來(lái)判斷斷路器是否具備動(dòng)作條件。

1.2 當(dāng)前問(wèn)題及分析

圖1所示電路在現(xiàn)場(chǎng)與大部分型號(hào)規(guī)格的斷路器配合使用時(shí)，均能夠正確判斷斷路器的分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)端是否加有驅(qū)動(dòng)電壓;但是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)上述電路與某個(gè)廠家某型號(hào)規(guī)格的斷路器配合使用時(shí)，在電源接口連接市電情況下，一旦“常開”和“公共”節(jié)點(diǎn)與斷路器分勵(lì)脫扣器對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)輸入端連接，就會(huì)立刻導(dǎo)致斷路器跳閘動(dòng)作。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)狀態(tài)量檢測(cè)電路中的R2的阻值大小與上述現(xiàn)象有關(guān);當(dāng)R2阻值增加至1MΩ，其它設(shè)置相同情況下，不會(huì)出現(xiàn)上述斷路器跳閘動(dòng)作的現(xiàn)象;反之，當(dāng)R2阻值小于1MΩ情況下，上述斷路器跳閘誤動(dòng)作事件會(huì)重復(fù)發(fā)生。

將上述現(xiàn)象與斷路器廠家設(shè)計(jì)人員溝通，經(jīng)過(guò)共同分析，查出問(wèn)題原因：目前市場(chǎng)上斷路器對(duì)應(yīng)的分勵(lì)脫扣器主流驅(qū)動(dòng)方式為電壓驅(qū)動(dòng)（可靠動(dòng)作電壓范圍一般為70%～110%），即類似于繼電器的驅(qū)動(dòng)方式，只有分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)端口所加電源的電壓值、帶載能力達(dá)到一定數(shù)值（通常需要的電源功率達(dá)到250VA@230VAC或者200W@ 110VDC，根據(jù)某廠家2000A規(guī)格斷路器規(guī)格書），才能使斷路器動(dòng)作，進(jìn)而切斷負(fù)載;

上述與狀態(tài)量檢測(cè)電路配合導(dǎo)致跳閘誤動(dòng)作的斷路器是某廠家十年前的產(chǎn)品，其分勵(lì)脫扣器的驅(qū)動(dòng)方式與現(xiàn)有主流的驅(qū)動(dòng)方式不一樣[4]（如前所述），內(nèi)部的分勵(lì)控制信號(hào)檢測(cè)回路中采用的是電阻限流+整流器件整流+光耦的方式，因此如圖3所示當(dāng)分勵(lì)控制回路中出現(xiàn)毫安級(jí)別的電流（現(xiàn)場(chǎng)電源接口電壓為380VAC，R2=330kΩ，對(duì)應(yīng)光耦一次側(cè)驅(qū)動(dòng)電流約為1.15mA），就能驅(qū)動(dòng)光耦導(dǎo)通，控制光耦二次側(cè)的電路進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，進(jìn)而導(dǎo)致斷路器跳閘。

根據(jù)上述分析，現(xiàn)有狀態(tài)量檢測(cè)電路增大R2電阻值可以解決上述與斷路器配合時(shí)導(dǎo)致的跳閘誤動(dòng)作問(wèn)題;但是僅增加R2電阻值，現(xiàn)有檢測(cè)電路與主流的分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)方式配合時(shí)也會(huì)出現(xiàn)其它問(wèn)題。

2 解決方案

2.1 現(xiàn)有狀態(tài)量檢測(cè)電路的缺點(diǎn)及與斷路器配合問(wèn)題的解決方案

針對(duì)1.2所述的問(wèn)題，有以下解決方案：

方案1：更換斷路器型號(hào)規(guī)格，考慮到斷路器是用戶資產(chǎn)，且價(jià)格較高，因此要求用戶更換斷路器來(lái)解決上述問(wèn)題難以實(shí)施。

方案2：增大狀態(tài)量檢測(cè)電路中電阻阻值，可解決與斷路器配合問(wèn)題，但是會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)失效問(wèn)題;

失效問(wèn)題的描述及分析如下：（1）對(duì)于加到電源接口（圖1所示）兩端的電壓，在比較窄的范圍內(nèi)才能被檢測(cè)電路檢測(cè)出來(lái)，即如果電壓值低于某個(gè)臨界值，對(duì)應(yīng)光耦二次側(cè)的輸出信號(hào)低電平電壓值會(huì)比較高，不會(huì)被MCU的IO口識(shí)別出來(lái);但是此電源電壓可以驅(qū)動(dòng)斷路器動(dòng)作，即開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路在這種情況下已經(jīng)失效。如圖4所示，現(xiàn)有狀態(tài)量檢測(cè)電路在將R2阻值調(diào)整至1.2MΩ且電源電壓值為260VAC時(shí)，光耦二次側(cè)輸出端信號(hào)的低電平最小值已經(jīng)達(dá)到0.8VDC，處于邏輯低電平的最大臨界值，無(wú)法被MCU識(shí)別。（2）驅(qū)動(dòng)電源為直流電情況下，需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試電壓接入方向是否正確，否則會(huì)造成光耦反向截止;與此同時(shí)斷路器具備跳閘條件，但MCU無(wú)法判定是否接入驅(qū)動(dòng)電源。

方案3：設(shè)計(jì)新的狀態(tài)量檢測(cè)電路，解決現(xiàn)有電路出現(xiàn)的問(wèn)題。

2.2 新的開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路介紹

如圖5所示為在原有電路基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化的檢測(cè)電路。新的檢測(cè)電路采用兩個(gè)光耦并聯(lián)的方案，并且改變了光耦輸出端電路的形式，可以有效解決2.1中所述的問(wèn)題。

采用兩個(gè)并聯(lián)光耦的方案，對(duì)于直流電源正負(fù)極端子的兩種接入方式，都能使其中一路光耦導(dǎo)通，從而使電路具備正確判定是否接入驅(qū)動(dòng)電源的能力。有效解決前述單光耦在直流電源情況下存在的問(wèn)題。

光耦輸出端電路，與原有方案相比，在R2電阻由330kΩ增加至1.2MΩ的情況下（用于解決1.2中所述問(wèn)題），即使光耦輸入側(cè)的交流電壓值較低，由于在一個(gè)交流周期內(nèi)，兩個(gè)光耦均能導(dǎo)通一次（如圖6所示，原有單光耦方案在一個(gè)交流周期內(nèi)，只能導(dǎo)通一次），保證了對(duì)電容持續(xù)進(jìn)行充電，從而有效穩(wěn)定了光耦輸出端發(fā)射極的電壓值，這有利于提高M(jìn)CU對(duì)邏輯電平檢測(cè)的可靠性。

3 驗(yàn)證

對(duì)上述新的開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路進(jìn)行模擬現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的測(cè)試：在圖1所示的“公共”、“常開”節(jié)點(diǎn)之間加交流電源，調(diào)整交流電壓至光耦輸出端發(fā)射極電壓值符合MCU可識(shí)別的TTL高電平電壓值[5]，測(cè)量此條件下交流電上電后光耦輸出端波形如圖7所示，交流電壓加入之后，光耦輸出端電壓值為由0V上升至3.05V，符合TTL高電平邏輯閾值，并有較大裕量，且對(duì)應(yīng)交流電源的電壓值僅為70VAC，與圖4相比，極大拓寬了接入交流電壓的適用范圍;考慮到光耦的CTR參數(shù)對(duì)溫度比較敏感，隨著溫度升高，CTR參數(shù)值會(huì)下降[6]，因此需測(cè)試高溫70℃情況下的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，可靠的、在極端情況下可被開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路檢測(cè)到的交流電源電壓最低值為110VAC。

表1所示為在高溫70℃條件下，對(duì)新方案電路的驅(qū)動(dòng)輸入端施加不同類型及不同數(shù)值的電壓，測(cè)量得到的光耦輸出端電壓值數(shù)據(jù)。

從表1中可以看出，采用雙光耦及改變光耦輸出端電路形式的新方案，即使在極限的高溫條件下，也可以有效的將分勵(lì)脫扣器接入的低驅(qū)動(dòng)電壓檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)量，供MCU判別。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的新的控制輸出回路開關(guān)接入狀態(tài)量檢測(cè)電路與現(xiàn)有電路相比，具有直流接入無(wú)需確認(rèn)正負(fù)極性、交直流驅(qū)動(dòng)電壓范圍寬、與斷路器適配性高等優(yōu)點(diǎn)，完全解決了現(xiàn)有電路的一些缺點(diǎn)，可以廣泛的應(yīng)用到類似的狀態(tài)量檢測(cè)場(chǎng)合中。

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