1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 无机械触点的继电器设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 1 摘 要 无机械触点继电器是利用电力电子器件作为断路器的无触点开关，可以有效地提高机械式继电器的开关速度和使用寿命。本文分四个章节进行分 析，讨论了无机械触点继电器中的电力电子装置部分的相关设计，重点讨论了 IGBT 驱动电路，保护电路的设计。 第一章：根据目前热继电器的发展状况，分析传统继电器和无机械触点继电器的优缺点，提出 课题的来源和无机械触点继电器研究的背景和意义 ，简单介绍无机械触点的结构及工作原理。 第二章：主电路的设计分
2、析，根据继电器在实际中的应用，对继电器的内部电路进行设计和分析，主要讨论主触点 IGBT|、 IGBT 驱动电路和保护电路的原理，说明利用单片机实现外部控制的功能。 第三章：总结全文，对无触点继电器的发展进行展望。 。 关键词： 无机械触点断路器， IGBT，驱动电路，保护电路 2 No mechanical contacts of relay design Abstract No mechanical contacts relay is using power electronics device as breaker non-contact switch, can effectively
3、improve the switching speed of mechanical relays and longevity. This paper analyzes divided four chapters is discussed, the mechanical contacts relay power electronic equipment parts of the related design, this paper discusses IGBT driving circuit protection circuit design. The first chapter: accord
4、ing to the current thermal relay, the development situation of traditional relays and no mechanical analysis of the advantages and disadvantages of contacts, and puts forward subject relay to the source and no mechanical contacts relay research background and significance, simple introduction no mec
5、hanical contacts structure and working principle. Chapter 2: main circuit design analysis, according to relay in real application of relays, internal circuit design and analysis, mainly discuss the Lord contacts IGBT |, IGBT drive circuit and protection circuit principle, using SCM realizing that ex
6、ternal control function. Chapter 3: to summarize the, the development of non-contact relay was discussed Keywords: no mechanical contacts breaker, IGBT, drive circuit, protect circuit Keywords: no mechanical contacts breaker, IGBT, drive circuit, protect circuit 3 目录 无机械触点的继电器设计 . I 摘 要 . I 第一章 绪论 .
7、 5 1.1课题的来源及设计目的 . 5 1.2 继电器的发展历史与前景 . 5 1.3 无触点继电器研究意义 . 7 1.4 无触点继电器的结构及工作原理 . 7 1.5 电路中各个主要组成部分 . 8 1.5 1 电路中各个组成部分分析 . 9 第二章 主电路设计 . 9 2.1 主电路框图 . 9 2.2 主电路主要设计 内容 . 9 2.3 主触点 IGBT选型 . 10 2.4 IGBT驱动电路设计 . 13 2.5集成化驱动电路分析 . 13 2.6 EXB841功能特性 . 14 2.7 EXB841电路分析 . 15 2.8 EXB841工作原理 . 16 第三章 辅助触点的设
8、计 . 17 3 1 MOSFET内部电路功能分析 . 17 3 2 MOSFET工作原理分析 . 18 3 3 MOSFET驱动电路设计 . 18 3 4 MOSFET驱动原理 . 19 第四章 IGBT保护电路设计 . 19 4.1 IGBT的安全工作区 . 20 4.2 IGBT过流保护电路设计 . 21 4.3 IGBT过压保护电路设计 . 22 4.3.1 常用缓冲电路介绍 . 22 第五章 采样电路设计分析 . 23 5.1 电流采样电路设计 . 23 5.1.1电流采样电路原理 . 23 5.2 电压采样电路设计 . 24 5.2.1 电压采样电路的特点 . 24 5.2.2 电
9、压采样电路图 . 25 4 5.2.3 电流采样电路原理分析 . 25 第六章 AC/DC变换电路 . 25 6.1 AC/DC变换电路产品特点 . 26 6.2 AC/DC变换电路设计 . 26 6.3 AC/DC变换电路功能说明 . 26 第七章 主电路设计分析 . 27 7.1 无机械触点继电器设计 . 27 7.2 主电路各部分工作状态分析 . 27 7.3 主电路图 . 28 第八章 单片机 . 28 8.1单片机主要特性 . 29 8.2 单片机管脚说明 . 29 8.3 单片机程序设计真值表 . 30 8.4单片机程序设计流程图 . 32 8.5 单片机主程序 . 33 总结 .
10、 36 参考文献 . 37 致谢 . 错误 !未定义书签。 附件 . 40 5 第一章 绪论 1.1 课题的来源及设计目的 基于传统电磁式继电器在三相交流电路中起到的保护作用的重要性，分析了传统电磁式继电器在使用中存的问题，由 于传统电磁继电器的线圈是一个感性负载 , 它具有储存磁场能量的功能。由于感性负载在电压的有限值条件下 ,电感电流不能跃变。因此 , 在线圈通断电流时 , 在开始几微秒内不改变瞬态的形式 , 加之存在分布电容 , 电磁继电器线圈的电感与分布电容的比值较大 , 当线圈的电流截断时 , 带铁芯线圈两端产生很高的反电动势 , 产生具有陡峭前沿的大幅度浪涌电压 , 约 3ms 内
11、 , 线圈两端电压近似上升到电源电压的多倍左右 , 然后按线圈感抗、分布电容和电路电阻所决定的速率下降到零。由于电磁继电器的浪涌电压具有陡峭的前沿 , 传统的继电器使电 磁体机械零件产生接触冲动。因此在使用中，关断过程会产生火花，从而限制了继电器不能在一些防爆和安全性要求较高的场所使用。 为了克服电磁继电器的缺点，本次设计一种研究一种无触点，可以快速开关的继电器，利用电力电子元件 IGBT 等器件组成的新型无触点继电器 ,可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的 ,较之电磁继电器可靠性更高 ,且无触点、寿命长、速度快 ,对外界的干扰也小。 123 1.2 继电器的发展历史与前景 继电器是 一种
12、器件 ，利用 输入量 (或激励量 )满足某些规定的条件 ， 能在一个或多个电器输出电路中产生跃变 而 工作的一种器件。它分为： （ 1）电磁继电器 （ 2）固体继电器（ 3） 温度继电器 （ 4）舌簧继电器（ 5）时间继电器（ 6）高频继电器（ 7）极化继电器（ 8） 光继电器 (10)声继电器 (11)热继电器（ 11） 仪表式继电器 （ 12） 霍尔效应继电器 （ 13） 差动继电器 .继电器从无到有发展到现在如此多的种类，那就证明了它具有一定的价值。引用哲学中的一句话，存在就是合理。那么，继电器拥有一个怎么样的历史呢，人们又是为什么想到发明继电器来解决工业生产中的问题呢？ 继电器，它 起
13、源于 20 世纪 60 年代中后期，是在英国、澳大利亚和美国的一些学者 的倡导下开始进行研究的。 60 年代中期，有人提出用小型计算机实现继电保护的设想，但是由于当时计算机的价格昂贵，同时也无法满足高速继电保护的技术要求，因此没有在保护方面取得实际应用，但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究，为后来的继电保护发展奠定了理论基础。计算机技术在 70 年代初期和中期出现了重大突破，大规模集成电路技术的6 飞速发展，使得微型处理器和微型计算机进入了实用阶段。价格的大幅度下降，可靠性、运算速度的大幅度提高，促使计算机继电保护的研究出现了垃圾。在70 年代后期，出现了比较完善的微
14、机保护样机，并投入到电力系统中试运行。80 年代，微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟，并已在一些国家推广应用。 90 年代，电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代，它是继电保护技术发展历史过程中的第四代。 我国的微机保护研究起步于 20 世纪 70 年代末期、 80 年代初期，尽管起步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。经过 10 年左右的奋斗，到了 80 年代末，计算机继电保护，特别是输电线路微机保护已达到了大量实用的程度。我国对计算机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起着先导的作用。从 70 年代开始，华 中 理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大力自动化
15、研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。 1984 年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上的新一页，为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机变压器组保护也相继于 1989 年、 1994 年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于 1991 年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机 相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于 1993 年、1996 年通过鉴定
16、。至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。因此到了 90 年代，我国继电保护进入了微机时代。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果，并且应用于实际之中 。 近年来，随着电子信息产业的飞速发展，作为基础元件的继电器被广泛应用在家电、通信、汽车、仪器仪表、机器设备、航空航天等自动 化控制领域。最近的统计数据显示，在 电子元件 产品中，继电器已经成为第一大产品。 继电器是自动化控制领域应用中的重要角色，近年来市场竞争日趋激烈，各个继电器企业争相推出最新款差异化的产品，使得继电器已经超
17、出传统意义上简单的时域基础元件的概念，尤其是高科技先进技术性能指标产品的出现，更给继电器提供了一个广阔的舞台。 据统计，目前我国有近 300 家继电器企业，其中大多数在生产低成本的机电继电器，只有少部分企业正在扩大高端继电器的生产规模。中国电子元件百强企业之一的厦门宏发有限公司总裁郭满金认为，我国继电器生产能力正在 不断提高，创新步伐正在加快，国际竞争力也不断增强，无论是产业层面还是企业层面，都具备了一定的竞争实力，我国已步入世界继电器产业大国行列。但国内企业与7 国际厂商相比还存在较大差距，主要表现在企业规模普遍较小、盈利能力较弱、研发投入水平较低、创新能力不足。 继电器在我国发展还有很大的
18、提升空间，主要表现在高端技术的继电器还存在着空白。这让我意识到发展与创新是一个产业以致一个企业或国家，一个民族欣欣向荣的保证。 456 1.3 无触点继电器研究意义 基于电力电子器件的无机械触点继电器因其卓越的电流关断性能使 其自问世以来便引起广泛的关注。在国外，尤其是发达国家如日本、德国早在十几年前已开发出完全由电力电子器件构成的无机械触点继电器，已形成多品种、规格的系列产品。在我国，无机械触点继电器的开发也逐渐得到重视，越来越多的固态无触点继电器正在进入市场。与传统继电器相比，无机械触点继电器具有开断时间短、无声响、无弧光、无关断死区、寿命长及工作可靠性高等特点，使固态无触点继电器具有较高
19、的推广应用价值。无机械触点继电器是利用电力电子器件作为无触点开关装置，克服了机械式继电器的缺点，在系统开通关断瞬间不会产生电孤，延长开关使 用寿命，可避免开关投切过程中在电力系统中引起的操作过电压。故可使电力设备绝缘水平大幅度降低，由于操作不当而引起设备 (包括无触点继电器本身 )的损坏也可大大减少。同时，由于电力电子器件的通断时间在微秒甚至纳秒级，故而使得无机械触点继电器的动作速度大大提高。此优点，在一些对开关动作要求较高的场合，如超快速负荷开关、限流继电器及转换开关中有较为广阔的应用前景。因此研究和改进继电器将有着很好的实用意义。 78 1.4 无触点继电器的结构及工作原理 8 图 1 无
20、机械触点继电器的结构及工作原理图 （ 1）固态开关 由电力电子器件构成单相或三相固态交流开关，实现对主电路的通、断控制。 （ 2）检测电路 装置的检测电路完成对线路上电流及电压的即时检厕，并根据电流及电压的变化迸行相应的判断，并最终输出相应的检测信号。 (3)控制驱动电路 主要以 EXB841 集成驱动芯片为核心，以及驱动保护电路构成，负责整个装置动作的正确完成和电力电子回路的保护等。根据检测电路测量的主电路电压、电流的模拟量，处理成开关量送入单片机处理器将得到的信号经过数值计算、数字滤波、逻辑处理后送到驱动电路，经驱动电路功率放大后发出正确的 控制驱动信号给固态开关。 （ 4）缓冲电路： 固
21、态开关上并联缓冲电路，是由于 IGBT 在关断的时候会产生较大的反相关断电压。因此设计了由屯容、电阻、二极管等构成的缓冲回路来吸收关断时的能量以保护电力电子器件，防止固态开关因开关动作产生的冲击而损坏，同时也减少了电力电子器件的开关损耗。 1.5 电路中各个主要组成部分 9 AC-DC 变换器 辅助触点1 辅助触点2 三相交流进线 主触点2 主触点1 主触点一主触点1 主触点3 三相交流出线 单片机 采样回路 PC 机 图 2 1.5 1 电路中各个组成部分分析 （ 1）主触点：串接在三相电路中以便起保护作用。 （ 2）电压采样及电流采样：电流采样串接在 U 相中，实现电流采样， 电压采样电路通过 V 和 W 接 在三相电路中。这样可以确保无论哪条线出现故障，都可以获得完整的故障采样信号。 （ 3） AC/DC 通过 U 和 V 两相获取电压为单片机和驱动电路提供电源。 第二章主电路设计 2.1 主电路框图 图 3 主电路框图 2.2 主电路主要设计内容 本次设计的技术线路，主要由以上几个方图构成，继电器的三个主触点，两个辅助触点、采样电路、单片机模块和 AC/DC 变换器。
