引言

　　在使用需求量較高時段或可用資源短缺時段，對改善系統(tǒng)級智能電網(wǎng)電力負載管理的目標不斷提高，這就需要有更有效的方法來連接負載到電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開負載連接。負載管理系統(tǒng)用于商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域已有時日。然而，隨著智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)現(xiàn)今正逐漸進入家用和商用內(nèi)部控制設(shè)備的階段，這些設(shè)備的可靠性、效率和成本效益就變得更加重要。

　　因智能電表直接連接電網(wǎng)的輸配電，且由微控制器所控制，因此連接/斷連解決方案必須具備可承受智能電表噪聲環(huán)境的功能。最佳解決方案是將打開已焊接接觸器的強大 DC 電流能力與過濾噪聲的精確定時功能、繼電器功能和兼容性結(jié)合起來，從而優(yōu)化微處理器的時鐘周期。

　　本文綜述目前正在使用和仍在開發(fā)中的實現(xiàn)方式。本文還介紹智能電網(wǎng)系統(tǒng)負載管理建議以及各新興市場中所需的開關(guān)。對機械型雙線圈繼電器進行了測驗，以定義可提供所需功能的已優(yōu)化驅(qū)動器電路。

　　本文最后還討論了驅(qū)動連接繼電器所需的電力系統(tǒng)以及滿足建議性能規(guī)格的驅(qū)動器權(quán)衡。

　　智能電網(wǎng)的影響

　　智能電網(wǎng)舉措孕育出了負載管理的新方法。遠程控制器基本技術(shù)以及負載基本形態(tài)的排序已在工業(yè)市場上活躍了很長時間，并且一直吸引著各種業(yè)務(wù)的加入。最初，主要通過連接至公共電力的單獨電話線設(shè)備以及通過電話通信設(shè)備機制實現(xiàn)的告警及請求系統(tǒng)完成。通過引入無線及電力線載波 （PLC） 通信技術(shù)以及健康的競爭機制，成本已顯著降低，實現(xiàn)了成本不斷降低且性能得以提高。不依賴于無線實現(xiàn)中的直連電路安裝和內(nèi)在安全性，從而大幅降低安裝過程成本和復(fù)雜性。

　　家用電表市場

　　對經(jīng)濟型連接/斷連解決方案的另一需求來自家用電表市場。由于與單個電表和局部控制功能的及時通信得到改善，能夠遠程開啟電表負載，從而大大降低簡單業(yè)務(wù)中斷或業(yè)務(wù)恢復(fù)的成本。當客戶請求業(yè)務(wù)中斷和重連時，比如對于季節(jié)性度假和出租物業(yè)，不再需要進行業(yè)務(wù)中繼。 還能夠最大限度地減少個人業(yè)務(wù)交易時無票據(jù)支付的問題。類似節(jié)約方法還適用于臨時搭建的場地和其他不需要持續(xù)使用業(yè)務(wù)的場地。遠程管理能力還能減少未使用場地的偷電情況并規(guī)避相關(guān)的電力損耗。

　　規(guī)避電表插座故障

　　最近，舊電表插座上安裝智能電表周圍引發(fā)火災(zāi)的事情，引起人們的擔(dān)憂。在替換已經(jīng)使用很長時間的舊電表時，問題跟蹤顯示由于電表中的接觸器腐蝕導(dǎo)致電表插座變熱。插座發(fā)熱是負載電流和腐蝕度共同作用的結(jié)果，主要由天氣帶來的損壞和滲水導(dǎo)致。斷開負載連接并上報過溫狀況有助于電表安全避免受損。

　　損失電力后斷開連接

　　提高對接觸器的重視度就是在損失電力后能夠斷開連接和重新連接。在控制諸如壓縮機等具有高啟動沖擊電流并且在沒有最小關(guān)斷周期時最好不進行循環(huán)的設(shè)備（壓縮機以短周期循環(huán)時會產(chǎn)生過高熱量）時，這一點顯得尤為重要。通過延遲開啟時間和對負載進行排序可以降低電力恢復(fù)沖擊電流，從而降低傳輸設(shè)備和負載的峰值沖擊電流和應(yīng)力。基于電表和負載的接觸器可以提供此功能，帶有一個存儲維持電力的電容，維持電力即使在電力損失情況下也能施加脈沖打開接觸器。智能電網(wǎng)研究顯示了使用這些類型的策略時設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性方面的顯著優(yōu)勢。

　　工業(yè)市場

　　在工業(yè)市場上，接觸器功能已通過各種方式實現(xiàn)。電機可用來驅(qū)動接觸器，但由于會產(chǎn)生電弧損壞，接觸器打開速度很慢。對于較大的系統(tǒng)，通常采用各種形式的電弧抑制，包括壓縮氣體和彈簧輔助快速開關(guān)機械實現(xiàn)。這對于對較高成本敏感的市場而言不是很經(jīng)濟實用。因此，逐漸形成一種共識，即使用帶有兩個線圈的極化雙穩(wěn)態(tài)閂鎖繼電器，一個線圈施加脈沖使繼電器從關(guān)閉位置移到開啟位置，另一個線圈使繼電器從開啟位置移到關(guān)閉位置。

　　驅(qū)動器配置詳細信息

　　雙穩(wěn)態(tài)、雙線圈閂鎖繼電器是最常見的配置。某些版本在開啟位置包括內(nèi)置彈簧和其它機械輔助設(shè)備，用于實現(xiàn)低功率運行。

　　典型的負載連接功能通過一個雙穩(wěn)態(tài)接觸器實現(xiàn)，通過兩個或更多極點實現(xiàn)斷連。接觸器通常纏繞有兩個繞組，一個用于關(guān)閉接觸器，另一個用于打開接觸器。使用永磁材料或機械閂鎖，確保接觸器在不開關(guān)時就位。

　　為便于機械運動，繼電器線圈需要通電一定的時間。一旦接觸器更換了位置，繼電器繞組中的電壓應(yīng)該移除。圖例顯示一個簡易的典型電路圖，包括波形實例。

　　繼電器驅(qū)動電路要求

　　
圖1： 簡易繼電器驅(qū)動電路

　　如圖所示，雙線圈繼電器連接至兩個繼電器繞組中點的電源電壓軌。每個繞組由連接至繼電器線圈的開關(guān)進行通電。兩個開關(guān)不能總是處于開啟狀態(tài)，否則會從電源電壓軌上取得過多電流，導(dǎo)致異常運行并會損壞繼電器。 另外，為了適應(yīng)繼電器接觸器在其固定位置（開/關(guān)位置）之間移動所需的相對較長時間，脈沖須比繼電器規(guī)格中規(guī)定的最小間隔長。為了防止繼電器繞組電勢飽和并避免線圈和驅(qū)動電子器件過熱，還需要限制驅(qū)動脈沖的最大長度。 控制信號還應(yīng)兼容于支持 CMOS 和 TTL 輸入電平的最新一代微處理器。

　　繼電器規(guī)格還定義了接觸器可靠運行所需的最大和最小工作電壓。接觸器的電壓要求視應(yīng)用而定，應(yīng)用受電表要求權(quán)衡驅(qū)動。 較低的電壓多用于成本較低、功率較低的應(yīng)用，這些應(yīng)用的電表和繼電器都比較小。較高的電壓多用于需要較大電流的場合，其中較大的接觸器需要更多的電力來進行開關(guān)操作。 因此，驅(qū)動電流應(yīng)監(jiān)控繼電器偏壓，確保足夠的電平。 驅(qū)動電路還需要一個欠壓鎖定功能，便于在電路初始化過程中實現(xiàn)平滑啟動。

　　首選集成解決方案提供控制信號的輸入資格認證、防止兩個繼電器線圈同時啟動、限制最大驅(qū)動脈沖間隔，并提供其他功能如偏壓監(jiān)控、驅(qū)動器使能輸入和驅(qū)動器熱保護。 理想的電路能夠最大限度地減少組件數(shù)量和電路板空間，同時在驅(qū)動繼電器線圈時能夠提高系統(tǒng)可靠性和電路的抗噪聲能力。

　　電表電力系統(tǒng)和連接/斷連功能的實現(xiàn)

　　圖例顯示典型電表系統(tǒng)的框圖。 繼電器驅(qū)動電壓是所用特定繼電器的一個函數(shù)。 通常而言，開關(guān)電流越大的繼電器（接觸器越大），所需的電壓就越高，以便傳輸足夠的電能實現(xiàn)足夠快的開關(guān)過程，從而最大限度地減少因開關(guān)過程中的電弧產(chǎn)生的接觸損耗。高電壓電源通常由電容提供，用來在應(yīng)用開關(guān)過程中（尤其是損失電力后出現(xiàn)的開關(guān)）提供最大電力。電容須有一定的尺寸，以提供成功進行開關(guān)操作所需的能量。電容充電電源可限流，通過延長開關(guān)電壓達到滿負荷的時間來降低電源成本。斷連開關(guān)在電表中不常出現(xiàn)。典型的開關(guān)設(shè)備，如壓縮機，在長時間的運行中需要極少的關(guān)閉時間。較長的再充電時間能夠降低電源成本和應(yīng)力，而且不會影響性能。

　　
圖2： 典型電表系統(tǒng)的框圖

　　通信、控制和測量功能通常通過低電壓（3 至 5 伏）電路（如微控制器和通信電路）實現(xiàn)。各種各樣的通信技術(shù)聚焦于特定的市場需求和地理限制。大多數(shù)應(yīng)用具有突發(fā)配置，其中功耗的順序為 5 W 傳輸 100 毫秒，然后在下一次傳輸前有一秒（或更多）的延時。另外，損失電力后（上報電力損耗時的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)）的傳輸最好確保距離上次傳輸?shù)臅r間間隔高達 10 分鐘。如果包含一個 DC-DC 級實現(xiàn)高壓電容的有效低壓轉(zhuǎn)換，上述實現(xiàn)斷連功能的維持電容同樣適用于通信電路。 如果大小合適，維持電容現(xiàn)在可以同時實現(xiàn)傳輸和斷連功能。

　　對于限流、脫機開關(guān)電源而言，帶有集成 MOSFET（如 FSEZ1317WA ）的初級側(cè)調(diào)節(jié)反激式控制器實現(xiàn)了一個功能豐富且經(jīng)濟實用的解決方案。

　　DC-DC 模塊可以通過使用最少組件數(shù)量的高性能解決方案，如 FAN8303（一個帶有集成開關(guān)的降壓調(diào)節(jié)器）來實現(xiàn)。

　　最后，通過最近引入的 FAN3240 和 FAN3241 智能雙線圈繼電器驅(qū)動器，可以輕松實現(xiàn)滿足本文所定義要求的連接/斷連驅(qū)動。

　　何時需要隔離

　　有時，需要進行隔離，比如有線通信或不同相位的多個電路在同一點進行控制的情況下。帶有內(nèi)置偏壓電源的繼電器驅(qū)動器（如 FAN3240 和 FAN3241）對于減少組件數(shù)量、降低成本以和簡化電路都非常有益，如下所示。

　　
圖3：帶有內(nèi)置偏壓電源的繼電器驅(qū)動器

　　結(jié)論

　　對上述解決方案的各種變更可應(yīng)用于其它智能電表電力要求，以及各種特定應(yīng)用的分布式連接/斷連功能。隨著智能電網(wǎng)功能復(fù)雜度不斷增加，亦會出現(xiàn)實現(xiàn)電源管理新功能的嶄新機會。

　　作者：飛兆半導(dǎo)體公司Chris Siegl， Aung Tu