如何优化智能电网电力连接功能（内有彩蛋：双线圈磁保持继电器驱动器接法原理图）

引言

在使用需求量较高时段或可用资源短缺时段，对改善系统级智能电网电力负载管理的目标不断提高，这就需要有更有效的方法来连接负载到电网或从电网断开负载连接。负载管理系统用于商业和工业领域已有时日。然而，随着智能电网管理系统现今正逐渐进入家用和商用内部控制设备的阶段，这些设备的可靠性、效率和成本效益就变得更加重要。

因智能电表直接连接电网的输配电，且由微控制器所控制，因此连接/断连解决方案必须具备可承受智能电表噪声环境的功能。最佳解决方案是将打开已焊接接触器的强大 DC 电流能力与过滤噪声的精确定时功能、继电器功能和兼容性结合起来，从而优化微处理器的时钟周期。

本文综述目前正在使用和仍在开发中的实现方式。本文还介绍智能电网系统负载管理建议以及各新兴市场中所需的开关。对机械型双线圈继电器进行了测验，以定义可提供所需功能的已优化驱动器电路。

本文最后还讨论了驱动连接继电器所需的电力系统以及满足建议性能规格的驱动器权衡。

智能电网的影响

智能电网举措孕育出了负载管理的新方法。远程控制器基本技术以及负载基本形态的排序已在工业市场上活跃了很长时间，并且一直吸引着各种业务的加入。最初，主要通过连接至公共电力的单独电话线设备以及通过电话通信设备机制实现的告警及请求系统完成。通过引入无线及电力线载波 (PLC) 通信技术以及健康的竞争机制，成本已显著降低，实现了成本不断降低且性能得以提高。不依赖于无线实现中的直连电路安装和内在安全性，从而大幅降低安装过程成本和复杂性。

家用电表市场

对经济型连接/断连解决方案的另一需求来自家用电表市场。由于与单个电表和局部控制功能的及时通信得到改善，能够远程开启电表负载，从而大大降低简单业务中断或业务恢复的成本。当客户请求业务中断和重连时，比如对于季节性度假和出租物业，不再需要进行业务中继。 还能够最大限度地减少个人业务交易时无票据支付的问题。类似节约方法还适用于临时搭建的场地和其他不需要持续使用业务的场地。远程管理能力还能减少未使用场地的偷电情况并规避相关的电力损耗。

规避电表插座故障

最近，旧电表插座上安装智能电表周围引发火灾的事情，引起人们的担忧。在替换已经使用很长时间的旧电表时，问题跟踪显示由于电表中的接触器腐蚀导致电表插座变热。插座发热是负载电流和腐蚀度共同作用的结果，主要由天气带来的损坏和渗水导致。断开负载连接并上报过温状况有助于电表安全避免受损。

损失电力后断开连接

提高对接触器的重视度就是在损失电力后能够断开连接和重新连接。在控制诸如压缩机等具有高启动冲击电流并且在没有最小关断周期时最好不进行循环的设备(压缩机以短周期循环时会产生过高热量)时，这一点显得尤为重要。通过延迟开启时间和对负载进行排序可以降低电力恢复冲击电流，从而降低传输设备和负载的峰值冲击电流和应力。基于电表和负载的接触器可以提供此功能，带有一个存储维持电力的电容，维持电力即使在电力损失情况下也能施加脉冲打开接触器。智能电网研究显示了使用这些类型的策略时设备可靠性和稳定性方面的显著优势。

工业市场

在工业市场上，接触器功能已通过各种方式实现。电机可用来驱动接触器，但由于会产生电弧损坏，接触器打开速度很慢。对于较大的系统，通常采用各种形式的电弧抑制，包括压缩气体和弹簧辅助快速开关机械实现。这对于对较高成本敏感的市场而言不是很经济实用。因此，逐渐形成一种共识，即使用带有两个线圈的极化双稳态闩锁继电器，一个线圈施加脉冲使继电器从关闭位置移到开启位置，另一个线圈使继电器从开启位置移到关闭位置。

驱动器配置详细信息

双稳态、双线圈闩锁继电器是最常见的配置。某些版本在开启位置包括内置弹簧和其它机械辅助设备，用于实现低功率运行。

典型的负载连接功能通过一个双稳态接触器实现，通过两个或更多极点实现断连。接触器通常缠绕有两个绕组，一个用于关闭接触器，另一个用于打开接触器。使用永磁材料或机械闩锁，确保接触器在不开关时就位。

为便于机械运动，继电器线圈需要通电一定的时间。一旦接触器更换了位置，继电器绕组中的电压应该移除。图例显示一个简易的典型电路图，包括波形实例。

继电器驱动电路要求

图1： 简易继电器驱动电路

如图所示，双线圈继电器连接至两个继电器绕组中点的电源电压轨。每个绕组由连接至继电器线圈的开关进行通电。

两个开关不能总是处于开启状态，否则会从电源电压轨上取得过多电流，导致异常运行并会损坏继电器。 另外，为了适应继电器接触器在其固定位置(开/关位置)之间移动所需的相对较长时间，脉冲须比继电器规格中规定的最小间隔长。为了防止继电器绕组电势饱和并避免线圈和驱动电子器件过热，还需要限制驱动脉冲的最大长度。 控制信号还应兼容于支持 CMOS 和 TTL 输入电平的最新一代微处理器。

继电器规格还定义了接触器可靠运行所需的最大和最小工作电压。接触器的电压要求视应用而定，应用受电表要求权衡驱动。 较低的电压多用于成本较低、功率较低的应用，这些应用的电表和继电器都比较小。较高的电压多用于需要较大电流的场合，其中较大的接触器需要更多的电力来进行开关操作。 因此，驱动电流应监控继电器偏压，确保足够的电平。 驱动电路还需要一个欠压锁定功能，便于在电路初始化过程中实现平滑启动。

首选集成解决方案提供控制信号的输入资格认证、防止两个继电器线圈同时启动、限制最大驱动脉冲间隔，并提供其他功能如偏压监控、驱动器使? 输入和驱动器热保护。 理想的电路能够最大限度地减少组件数量和电路板空间，同时在驱动继电器线圈时能够提高系统可靠性和电路的抗噪声能力。

电表电力系统和连接/断连功能的实现

图例显示典型电表系统的框图。 继电器驱动电压是所用特定继电器的一个函数。 通常而言，开关电流越大的继电器(接触器越大)，所需的电压就越高，以便传输足够的电能实现足够快的开关过程，从而最大限度地减少因开关过程中的电弧产生的接触损耗。高电压电源通常由电容提供，用来在应用开关过程中(尤其是损失电力后出现的开关)提供最大电力。电容须有一定的尺寸，以提供成功进行开关操作所需的能量。电容充电电源可限流，通过延长开关电压达到满负荷的时间来降低电源成本。断连开关在电表中不常出现。典型的开关设备，如压缩机，在长时间的运行中需要极少的关闭时间。较长的再充电时间能够降低电源成本和应力，而且不会影响性能。

图2： 典型电表系统的框图

通信、控制和测量功能通常通过低电压(3 至 5 伏)电路(如微控制器和通信电路)实现。各种各样的通信技术聚焦于特定的市场需求和地理限制。大多数应用具有突发配置，其中功耗的顺序为 5 W 传输 100 毫秒，然后在下一次传输前有一秒(或更多)的延时。另外，损失电力后(上报电力损耗时的网络状态)的传输最好确保距离上次传输的时间间隔高达 10 分钟。如果包含一个 DC-DC 级实现高压电容的有效低压转换，上述实现断连功能的维持电容同样适用于通信电路。 如果大小合适，维持电容现在可以同时实现传输和断连功能。

对于限流、脱机开关电源而言，带有集成 MOSFET(如 FSEZ1317WA )的初级侧调节反激式控制器实现了一个功能丰富且经济实用的解决方案。

DC-DC 模块可以通过使用最少组件数量的高性能解决方案，如 FAN8303(一个带有集成开关的降压调节器)来实现。

最后，通过最近引入的 FAN3240 和 FAN3241 智能双线圈继电器驱动器，可以轻松实现满足本文所定义要求的连接/断连驱动。

何时需要隔离

有时，需要进行隔离，比如有线通信或不同相位的多个电路在同一点进行控制的情况下。带有内置偏压电源的继电器驱动器(如 FAN3240 和 FAN3241)对于减少组件数量、降低成本以和简化电路都非常有益，如下所示。

图3：带有内置偏压电源的继电器驱动器

结论

对上述解决方案的各种变更可应用于其它智能电表电力要求，以及各种特定应用的分布式连接/断连功能。随着智能电网功能复杂度不断增加，亦会出现实现电源管理新功能的崭新机会。