一种兼顾电磁兼容和电气安全的开关系统及电机控制方法与流程

1.本发明涉及电磁兼容和电气安全加工的技术领域，具体为一种兼顾电磁兼容和电气安全的开关系统及电机控制方法。


背景技术：

2.在精小型控制器的电机正反转功率开关设计应用中，目前一般有如下几种设计方案：
3.方案一：使用功率继电器直接驱动负荷，优点：体积小；缺点：开关分合闸瞬间电磁能量大、干扰大；触点拉弧会导致开关寿命短。
4.方案二：使用半导体开关直接驱动负荷，优点：体积小，且能实现交流电正弦波过零点投切负荷(以下简称过零投切)，理论电气寿命长；缺点：半导体开关无明显分断点，稳态下开关有漏电流，击穿后容易造成断路或引发触电危险。
5.方案三：使用半导体开关及机械开关组成的复合开关驱动负荷。最常见的就是用可控硅和继电器串联组成的复合开关为例，其中可控硅用于带载实现过零投切，继电器用于开关稳态下驱动负载及电气安全隔离。相对上述两种方案，其优点为：有效提升了电气安全间距、有效降低了对外辐射的暂态电磁能量。
6.方案四：如图1所示，电路中多器件组成的功率开关广泛应用于ac380v三相三线制系统的负载驱动中，图1中可控硅(过零投切)与继电的串联使用，同时将第一电阻串联电容后组成的阻容吸收电路与继电器并联，组成典型的复合开关电路，该电气拓扑广泛应用于较大体积工业控制器，尤其是工业阀门中的电机正反转功率驱动控制。除体积增加外，该电路具有方案三中的所有优点，同时通过阻容吸进一步降低了继电器分合闸瞬间的电磁干扰，但是方案四的技术应用于精小型控制器时，因无法满足小体积要求，所以一般会将阻容吸收电路取消，简化为方案三，通过牺牲开关性能来满足空间要求。
7.综上所述，目前的几个方案均不理想，要么体积庞大、要么无法达到安全性，或满足电磁兼容性，故此需要改进。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种的体积小巧、安全性高的一种兼顾电磁兼容和电气安全的开关系统。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种兼顾电磁兼容和电气安全的开关系统，包括电机的三相u、v、w三相端以及a、b、c三相电压的的三个连接端，还包括两只单刀单掷继电器、一只双刀双掷继电器、两只可控硅和一组阻容吸收，其中两只单刀单掷继电器单刀单掷继电器分别为第一继电器2b和第二继电器3b，所述的双刀双掷继电器为第三继电器1b，两只可控硅分别为第一可控硅和第二可控硅，所述阻容吸收包括串联的第一电阻r1和电容c1，所述阻容吸收并联在双刀双掷继电器上，所述的第三继电器1b上的触点a的常开触点与第一可控硅串联后连接在三相电机的u端与a相连接端之间，所述第三继电器1b上
的触点b的常开触点与第二可控硅串联后连接在三相电机的v端与b相连接端之间,所述第一继电器2b连接在b连接端与第三继电器1b的触点a的常闭触点的控制端上，所述第二继电器3b连接在a连接端与第三继电器1b的触点b的常闭触点的控制端上，w端与c相连接端连接。
10.进一步，还包括两组所述的阻容吸收，两组阻容吸收分别并联在两只可控硅上。
11.进一步，还包括用于控制可控硅的可控硅过零投切控制电路、用于驱动继电器工作的继电器驱动控制电路以及正弦波过零检测电路。
12.进一步，所述的可控硅过零投切控制电路包括限流电阻r2、二极管d1、光耦器u1以及rc并联滤波电路，所述限流电阻r2串联在对应的a和b连接端与光耦器u1的1脚，所述二极管d1串联在c连接端与光耦器u1的2脚,光耦器u1的3脚与rc并联滤波电路的一公共端连接，并作为对应的检测a-c方波和b-c方波检测点，所述rc并联滤波电路的另一公共端接地gnd,所述光耦器u1的4脚接供电端vcc。
13.进一步，任一可控硅可选两只反并联可控半导体器件以及单只双向可控硅，也可由igbt替代；
14.进一步，所述双刀双掷开关与单刀单掷开关的电气位置能够进行互换，更换后由第三继电器1b中触点a的常闭触点与触点b的常开触点实现电气互锁，以及第三继电器1b中触点b的常闭触点与触点a的常开触点实现电气互锁,当某一常开触点黏连后会造成相间短路；电气安全性略低。
15.进一步，两只单刀单掷开关可替换为一只双刀单掷开关，其一触点需要加阻容吸收，电磁兼容性能略低。
16.进一步，一只双刀双掷开关可以替换为两只单刀双掷开关，同功率及同体积下，因多出了一组线圈，触点强度偏低，电气安全性能略低。
17.进一步，3只继电器组成的电路可与2只可控硅组成的电路整体互换电气位置，即电源abc端子与可控硅直接连接，可控硅与继电器连接，继电器与电机端子uvw直接连接。此设计电气隔离点即继电器的机械断点距离电源引入端口较远，电气安全性略低。
18.本发明还公开了一种兼顾电磁兼容和电气安全的开关系统的电机控制方法，包括电机正转的控制步骤以及电机反转的控制步骤，其中电机正转的控制步骤如下：
19.通过检测ac线电压对应方波，计算正弦波过零点；
20.s1-2、根据第三继电器1b固有合闸时间，控制第三继电器1b吸合，此时触点a的常开触点及触点b的常开触点几乎同时吸合，即保证了常闭触点断开、常开触点闭合，其中触点a的常开触点的吸合瞬间为正弦波过零点，触点b的常开触点吸合时非正弦波过零点，此时通过侧边并联的阻容吸收电路降低触点b的开关干扰；
21.s1-3、此时第一可控硅和第二可控硅过零触发导通；电机u端接通a相连接端的电压，电机v端接通b相连接端的电压，电机w端接通c相连接端的电压，实现电机的正转；
22.s1-4、当撤销可控硅触发信号后，第一可控硅和第二可控硅截止；第三继电器1b分闸，保证常闭触点闭合、常开触点断开，此时电机停止工作；
23.电机反转的控制步骤如下：
24.s2-1、检测ac及bc线电压方波,也可以通过仅检测其中一组方波计算另一组方波的过零点，计算两组正弦波对应过零点；
25.s2-2、根据第一继电器2b和第二继电器3b固有合闸时间,分别控制第一继电器2b和第二继电器3b的对应触点在相应的电压过零点吸合，保证常开触点闭合；
26.s2-3、第一可控硅和第二可控硅过零触发导通；此时，电机v端接通接通a相连接端的电压，电机u端接通接通b相连接端的电压，电机w端接通c相连接端的电压；实现电机反转；
27.s2-4、实现停机过程如下：当撤销可控硅触发信号后，第一可控硅和第二可控硅截止；此时第一继电器2b和第二继电器3b分闸，保证常开触点断开，实现电机停止工作。
28.与现有技术相比，本发明的技术效果是在同等驱动功率下，实现了空间尺寸与现有方案三一致，但是技术性能优于方案四，最终实现在目前广泛应用的方案四的基础上，实现以下技术性效果：
29.1)在同等驱动功率条件下进一步减小复合开关的整体体积。
30.2)进一步大幅度降低开关电磁干扰。
31.3)进一步提升电气安全性能。
附图说明
32.图1为现有技术中方案四的电路原理图；
33.图2为是继电器投切前的过零检测电路的原理图；
34.图3为本实施例1中一种兼顾电磁兼容和电气安全的开关系统的电路原理图；
35.图4为电机正传的流程示意图；
36.图5为电机反正的流程示意图；
37.图6为现有的干扰典型波形图；
38.图7为本实施例的干扰典型波形图。
39.图中：第一可控硅1、第二可控硅2、阻容吸收3、rc并联滤波电路4。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.实施例1：
44.请参阅图2-图3，本发明提供的一种实施例：一种兼顾电磁兼容和电气安全的开关系统，包括电机的三相u、v、w三相端以及a、b、c三相电压的三个连接端，还包括两只单刀单掷继电器、一只双刀双掷继电器、两只可控硅和三组阻容吸收3，其中两只单刀单掷继电器单刀单掷继电器分别为第一继电器2b和第二继电器3b，所述的双刀双掷继电器为第三继电器1b，两只可控硅分别为第一可控硅1和第二可控硅2，每一组阻容吸收3包括串联的第一电阻r1和电容c1，两组阻容吸收3分别并联在两只可控硅上，另一组阻容吸收3并联在双刀双掷继电器上，所述的第三继电器1b上的触点a的常开触点与第一可控硅1串联后连接在三相电机的u端与a相连接端之间，所述第三继电器1b上的触点b的常开触点与第二可控硅2串联后连接在三相电机的v端与b相连接端之间,所述第一继电器2b连接在b连接端与第三继电器1b的触点a的常闭触点的控制端上，所述第二继电器3b连接在a连接端与第三继电器1b的触点b的常闭触点的控制端上，w端与c相连接端连接。
45.在实际情况中当体积太小的空间内，可以取消掉可控硅旁边的阻容吸收3。
46.进一步，还包括用于控制可控硅的可控硅过零投切控制电路、用于驱动继电器工作的继电器驱动控制电路以及正弦波过零检测电路。
47.进一步，所述的可控硅过零投切控制电路4包括限流电阻r2、二极管d1、光耦器u1以及rc并联滤波电路4，所述限流电阻r2串联在对应的a和b连接端与光耦器u1的1脚，所述二极管d1串联在c连接端与光耦器u1的2脚,光耦器u1的3脚与rc并联滤波电路4的一公共端连接，并作为对应的检测a-c方波和b-c方波检测点，所述rc并联滤波电路4的另一公共端接地gnd,所述光耦器u1的4脚接供电端vcc。
48.进一步，任一可控硅可选两只反并联可控半导体器件以及单只双向可控硅，也可由igbt替代；
49.进一步，所述双刀双掷开关与单刀单掷开关的电气位置能够进行互换，更换后由第三继电器1b中触点a的常闭触点与触点b的常开触点实现电气互锁，以及第三继电器1b中触点b的常闭触点与触点a的常开触点实现电气互锁，当某一常开触点黏连后会造成相间短路；电气安全性略低。
50.进一步，两只单刀单掷开关可替换为一只双刀单掷开关，其一触点需要加阻容吸收，电磁兼容性能略低。
51.进一步，一只双刀双掷开关可以替换为两只单刀双掷开关，同功率及同体积下，触点强度偏低，电气安全性能略低。
52.进一步，3只继电器组成的电路可与2只可控硅组成的电路整体互换电气位置，即电源abc端子与可控硅直接连接，可控硅与继电器连接，继电器与电机端子uvw直接连接。此设计电气隔离点(即继电器的机械断点)距离电源引入端口较远，电气安全性略低。
53.本发明还公开了一种兼顾电磁兼容和电气安全的开关系统的电机控制方法，包括电机正转的控制步骤以及电机反转的控制步骤，如图4所示，其中电机正转的控制步骤如下：
54.通过检测ac线电压对应方波，计算正弦波过零点；
55.s1-2、根据第三继电器1b固有合闸时间，控制第三继电器1b吸合，此时触点a的常开触点及触点b的常开触点几乎同时吸合，即保证了常闭触点断开、常开触点闭合，其中触
点a的常开触点的吸合瞬间为正弦波过零点，触点b的常开触点吸合时非正弦波过零点，此时通过侧边并联的阻容吸收电路降低触点b的开关干扰；
56.s1-3、此时第一可控硅1和第二可控硅2过零触发导通；电机u端接通a相连接端的电压，电机v端接通b相连接端的电压，电机w端接通c相连接端的电压，实现电机的正转；
57.s1-4、当撤销可控硅触发信号后，第一可控硅1和第二可控硅2截止；第三继电器1b分闸，保证常闭触点闭合、常开触点断开，此时电机停止工作；
58.电机反转的控制步骤如下：
59.s2-1、检测ac及bc线电压方波,也可以通过仅检测其中一组方波计算另一组方波的过零点，计算两组正弦波对应过零点；
60.s2-2、根据第一继电器2b和第二继电器3b固有合闸时间,分别控制第一继电器2b和第二继电器3b的对应触点在相应的电压过零点吸合，保证常开触点闭合；
61.s2-3、第一可控硅1和第二可控硅2过零触发导通；此时，电机v端接通接通a相连接端的电压，电机u端接通接通b相连接端的电压，电机w端接通c相连接端的电压；实现电机反转；
62.s2-4、实现停机过程如下：当撤销可控硅触发信号后，第一可控硅1和第二可控硅2截止；此时第一继电器2b和第二继电器3b分闸，保证常开触点断开，实现电机停止工作。
63.在本实施例中可控硅使用常用的过零触发电路进行导通控制(例如3083过零检测光耦)。第三继电器1b的触点b的常开触点的开关干扰可以使用阻容吸收3进行吸收。
64.上述结构中a触头和b触头分别是一组转换开关，即a触头有常开触点也有常闭触点。
65.本技术需要说明的是触点吸合是指常闭断开、常开闭合。继电器1b的触点a的常开触点、继电器2b、继电器3b吸合均使用过零投切控制，过零点同步相位信号如图二原理进行实现。将uab线电压或uac线电压对应的正弦波通过光耦转换为两组方波信号也可只转换一组，另一组计算得出，输入至cpu,通过编程计算，捕捉正弦波过零点；在控制继电器吸合时，确保继电器常开触点导通时刻为正弦波过零点时刻。一般常用的小功率继电器合闸时间为3-5ms，根据实际选用的继电器，cpu驱动继电器吸合的输出信号，提前3-5ms输出。
66.在本实施例中：
67.1)使用1只双刀双掷开关(其中一组触点使用阻容吸收，另一使用过零投切)及2只单掷开关(其中两组触点均使用过零投切)组成的电气互锁电路，由于第三继电器1触点b使用阻容吸收，确保开关导通瞬间的电磁干扰能量小，第一继电器2b和第二继电器3b以及第三继电器1b的触点a使用过零投切，实现电磁兼容性能提升，同时节省3组阻容元器件；确保电气安全性能，兼顾同功率下体积较优，以上基础下提升电磁兼容性能，
68.2)通过过零可控硅分合大电流，实现可控硅及继电器均过零投切，确保开关寿命及降低开关干扰；
69.3)双刀双掷第三继电器1b实现电气互锁安全；相对单刀继电器，同体积下，较大机械强度触点及较远触点间距的可靠性，而且实现体积优化。
70.综上所述本发明的技术效果如下：
71.1)如何保证电气安全性能的显著提升。
72.1-1、首先使用1只双刀双掷继电器，而非2只单刀双掷，2只单刀双掷继电器比1只
双刀双掷开关多出一个线圈及一套外壳，因此在同等制造工艺和成本、以及同等驱动功率、同等体积条件下，单刀双掷继电器的2个静触点之间间距较小、机械强度较差，小间距容易发生拉弧短路、电压击穿断路；而机械强度较差，容易因外力造成继电器震动时，形成静触头之间瞬时接通短路；
73.1-2、其次，使用1只双刀双掷继电器加两只单掷继电器，而非4只单掷继电器，如现有方案四为使用4只单掷继电器的典型设计中，该设计主要广泛应于较大体积的控制器。相比较于本实施例，现有的方案四的缺点如下：
74.a、方案四对应的图中，第三继电器1b及继电器4b同时误导通时，会造成ab相间短路，因此4只继电器应用电路的应用，对继电器驱动控制电路的可靠性要求较高，且该设计无法从源头规避电路短路故障。本发明使用电气互锁规避相间断路，任意控制方式下均不会造成相间短路。
75.b、4只单掷继电器(即1组常开)中出现任一继电器触点黏连后(黏连原因一般有：工艺原因、或可控硅击穿后继电器长期带电拉弧)，正反转控制时，必然造成相间断路。本发明使用电气互锁规避相间断路，3只继电器中，所有继电器出现触点黏连均不会造成相间短路。
76.c、单刀单掷继电器的内部开关由一组动触头及静触头组成。在精小型控制器的电机正反转功率开关应用中，在同时满足驱动功率和体积尺寸要求下，4只功率继电器的触点间距较小、触点机械强度较差。触点在外力造成的继电器机械震动时，容易同时瞬时导通，造成相间短路。比如板载继电器在电路板自由落体落地时，继电器动、静触头有接通震荡现象；
77.1-3、使用1只双刀双掷加2只单刀单掷，而非1只双刀双掷,仅使用1只双刀双掷开关，实现电机正反转，其缺陷如下：
78.a、在稳态下，双刀双掷开关的任一静触头与动触头长期导通，没有明显电气断点，在可控硅击穿时，容易造成触电危险。同时，若任一可控硅击穿后，会出现失控的电机缺相运行现象，以至于烧坏电机；若两只可控硅同时击穿，会出现不受控的电机持续运转，直至电机损坏。
79.b、三相交流电存在120度相间相位差(时序约6.66ms)，而双刀双掷开关触点接通时，两相电压几乎同时接通，因此即使使用继电器过零投切技术，也只能满足单相电压过零，另一相需要加阻容吸收。换言之，在考虑其任一触点在电机正转前满足过零投切、以及其任一触点在电机反转前满足过零投切后，依然需要至少两组阻容吸收电路。而阻容吸收电路的电磁能量吸收效果低于过零投切。
80.2)电磁兼容效果显著提升
81.为减小开关合闸瞬间的电磁能量辐射干扰，常规技术为：1)过零触发导通可控硅；2)继电器并联阻容吸收(半导体开关存在漏电流及其节点电容等属性，继电器闭合瞬间，即使可控硅尚未导通，依然存在电流回路，所以继电器需要加阻容吸收)。经实验验证，全系列电容、电阻参数的所有排列组合形成的阻容吸收，最优电路匹配下(指特定电路模型下效果最优的电阻、电容匹配)，在继电器5v驱动vcc及gnd间加示波器，测得开关暂态干扰典型波形(指多次测试中出现频次较多且波形相似度高的其一波形)如图6所示，其中干扰电压峰峰值约9v，持续时间400ns左右。
82.在同等电路模型下，使用继电器过零投切，下开关暂态干扰典型波形(指多次测试中出现频次较多且波形相似度高的其一波形)如图7所示，其中典型峰峰约3v，持续时间约250ns。理论上，过零投切可以实现零干扰，但实际应用中，同一型号且同一批次的继电器，其合闸时间存在离散性，因此工程应用中，只能实现正弦波过零点附近合闸继电器，不过过零点偏差不大；在测得上图右波形的继电器型号下，随机测试20只同型号继电器的过零投干扰波形，其效果远远优于阻容吸收。另外，若不考虑硬件性价比，可加装继电器触点接通瞬间的检测电路，通过驱动信号输出时刻与触点接通时刻的时间差，实时计算继电器吸合所需时间，从而实现更精准的过零投切，本发明支持该拓展应用。
83.另外，阻容吸收电路受约束于功率开关所驱动的负载参数，以电机正反转驱动为例，1kw电机与100w电机，对应阻容吸收中的电阻及电容的参数不同；因此，以380v、200w的功率开关为例，若阻容设计时以150w负载为参数选型依据，当其应用于50w负载时，其吸收效果明显下降。过零投切继电器不受限于负载参数，适应性强。
84.3)不降低性能下进行体积的优化
85.以下对比以最大驱动电流为5a的380v各类精小型功率开关为基础前提。以实物图接近同比例放缩进行对比发现，本发明体积介于方案三与方案四之间。具体原因如下：首先，相对方案三，本发明中大继电器(双刀双掷)体积略大于两只小继电器体积之和；另外，增加了一路阻容，除此外其它无区别；因此本发明的体积略大于方案三。由于方案三以完全牺牲安全性和电磁兼容性作为减小体积的代价，因此体积对比没有对标基础；其次，作为常见应用的方案四，因多出了三组阻容电路，体积大于本发明。且其安全性及电磁兼容性也低于本发明。事实上方案四一般在空间较大、且最大驱动电流在10a左右及以上的功率开关上应用。原因是精小型控制器设计中：因继电器体积小，大大降低了触点性能，会产生短路隐患，且阻容电路占用大量空间，因此，方案四的电路于精小型控制器应用中的弊端非常明显。
86.综上，从电气安全性，本发明优于所述其它类似方案；从电磁兼容性看，本发明优于精小型控制器中所述同类功率开关；另外，在同时满足且确保同等电气安全性能及同等电磁兼容性能的前提下，相对所述方案，本发明的体积更小，换言之，本发明实现了不降低性能的体积优化。
87.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。