摘要：家用电器合闸过电压抑制和低压电器试验中，都需要选相合闸装置，本文设计无触点可精准选择相位的电路合闸装置，包括变压与波形整形部分、单片机控制部分、控制电路隔离部分、操作机构部分。采用双向晶闸管作为开关器件，抑制了机械接触开关带来的暂态过电压，并且双向晶闸管的导通速度快，有利于精准控制相位。采用单片机控制晶闸管导通时的电压相位，使得相位选择与控制更加智能与精准。采用比较器将正弦交流电变为同频方波，省去复杂的电压相位检测装置，使得设备结构简单，并且增强了设备稳定性。通过实验此装置选项合闸均在误差范围内，控制精准，工作稳定，使用安全方便。
关键词：选相；无触点开关；精准合闸
1引言
家用电器的合闸过程也会产生暂态过电压，这类过电压对家用电器会产生冲击，对设备的使用寿命造成危害。避免合闸过程造成的暂态过电压的危害主要采取防护措施，但效果往往不理想。选相合闸可从抑制暂态过电压的产生。
同时，在低压电器试验中，对电流和电压的波形有着严格的要求，选相合闸装置是试验过程中不可缺少的试验设备。因此可精准选择相位合闸装置有待于提出。
2选相合闸装置设计
为实现电路的选相合闸，提出此无触点可精准选择相位的电路合闸装置的设计，设计分为变压与波形整形部分、单片机控制部分、控制电路隔离部分、操作机构部分。
图 2无触点可精准选择相位的电路合闸装置原理图
电路结构包括：变压器T1、比较器U1A、单片机U2、线驱动器U3A、光耦隔离器U4A、双向晶闸管D1等。所述的变压器T1一端连接220V交流电，变压器T1另一端的上侧连接电阻R1的一端，变压器T1另一端的下侧连接电阻R2和比较器U1A的引脚2，电阻R1和电阻R2的另一端连接比较器U1A的引脚3，比较器U1A的引脚8连接5V直流电源VCC1，所述5V直流电源VCC1由220V市电降压整流得到。比较器U1A的引脚4连接数字地GND，比较器U1A的引脚1连接单片机的引脚12，单片机的引脚20连接数字地GND，单片机引脚40连接5V直流电源VCC1，所述5V直流电源VCC1由220V市电降压整流得到，单片机引脚3连接线驱动器U3A的引脚1，单片机引脚13连接线驱动器引脚2，线驱动器的引脚18连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接光耦隔离器U4A的引脚1，光耦隔离器U4A的引脚2连接数字地GND，光耦隔离器U4A的引脚4连接5V直流电源VCC2，所述5V直流电源VCC2由220V市电降压整流得到，光耦隔离器U4A的引脚3连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接连接电阻R5的一端和双向晶闸管D1的G极，电阻R5的另一端连接双向晶闸管D1的A2极，双向晶闸管D1的A1极连接被操作电路的一端、双向晶闸管D1的A2极连接被操作电路的另一端。
3设计原理
3.1变压与波形整形部分
变压与波形整形部分中的降压部分由变压器T1、电阻R1和电阻R2组成。220V正弦交流电经过变压器降为数字电路可承受的电压6V后，经过电阻R1和电阻R2的限流电路后进入比较器U1A的引脚3，与比较器U1A的引脚2进行比较，比较器U1A使得正弦交流电变流为幅值为5V的方波，且与正弦交流电同频率同相位。方波上升沿处为相位
处，高电平对应此方法省去复杂的电源相位检测装置，简单且稳定。
3.2单片机控制设计
从比较器U1A的引脚1流出的电流进入单片机U2的输入端引脚12，单片机U2判断上升沿后进行一定的时间延迟，为了准确的判断正弦波相位为
处，单片机程序采用多次判断循环的原则，当一次判断为低电平，四次判断都满足高电平时则将此时刻判断为上升沿，由此带来的误差在延迟时间设置处修正。
延迟时间为设定相位对应时间减去程序执行时间，进而达到设定的相位，达到设定相位后输出端引脚13输出高电平。
3.3控制电路隔离设计
高电平进入线驱动器U3A，单片机U2引脚3输出低电平到线驱动器U3A的使能端引脚1。线驱动器U3A使得单片机U2的输出信号不衰减，避免由于外电路的连接导致单片机输出的低电平被拉低，使得输出的高电平能够驱动光耦隔离器U4A，进一步提高电路的稳定性。为了保证电路正常工作，需要将控制电路和主电路隔离开，此此设计采用光耦隔离器隔离保护。
3.4操作机构设计
高电平从光耦隔离器U4A的引脚4输出后进入电阻R4，电阻R4可防止双向晶闸管D1的G极电压过低而不能导通，高电平经电阻R4流出后流入双向晶闸管D1的G极，同时流出电阻R5，电阻R5使得在导通时使得双向晶闸管D1的G极电压高于A2极，能维持双向晶闸管D1导通。双向晶闸管D1的G极高电平使得双向晶闸管A1极与A2极导通。从而实现无触点可精准控制相位的电路合闸过程。
4效果测试实验
4.1选相合闸精准度实验
实验采用220V市电作为电源，程序设计的延迟时间分别对应
和
，实验负载为风扇，示波器测试风扇两端电压情况。
4.2实验结论
从实验波形的直观观察和光标测量可以得出：此选相合闸装置可以精准地在预定相位合闸，通过实验测得装置误差范围为±60ns，即±1.08度。
同时，从图8和图9可以得出：此选相合闸装置使得电压过渡平滑，可以有效地抑制由于合闸操作带来的过电压，说明此设计无触点开关可以有效抑制合闸过程中的暂态过电压，保护用电设备。
5结束语
此无触点可精准选择相位的电路合闸装置通过双向晶闸管作为开关器件，在开关过程中无机械接触部件，抑制了机械接触开关带来的暂态过电压，并且双向晶闸管的导通速度快，有利于精准控制相位。通过单片机控制晶闸管导通时的电压相位，使得相位选择与控制更加智能与精准，通过实验测得装置误差范围为±60ns，即±1.08度。通过比较器将正弦交流电变为同频方波，省去复杂的电压相位检测装置，使得设备结构简单，并且增强了设备稳定性。在电路中设置了变压器隔离及光耦隔离，增加设备的安全性。因此本设备具有控制精准、工作稳定及使用安全方便的优点。
参考文献：
[1]崔绍景，姜学娟.低压电器试验中选相合闸装置的设计[J].工程技术，2008，24（3），285-286
[2]石立平，方鸿发.交流接触器选相分合闸控制器.低压电器，1991（2）
论文作者:张文璟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
标签：相位论文; 晶闸管论文; 过电压论文; 引脚论文; 隔离器论文; 电阻论文; 单片机论文; 《电力设备》2018年第16期论文;