CN101127282A

CN101127282A - 基于可变电流控制的智能交流接触器控制单元

Info

Publication number: CN101127282A
Application number: CNA2007100180273A
Authority: CN
Inventors: 王建华; 耿英三; 姚建军; 冯涛; 戴鹏程
Original assignee: SHAANXI INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE; Xian Jiaotong University
Current assignee: SHAANXI INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE; Xian Jiaotong University
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2027-06-08
Also published as: CN101127282B

Abstract

基于可变电流控制的智能交流接触器控制单元，包括依次与交流输入电源电连接的抗干扰整流滤波模块、接触器线圈和MOSFET模块，抗干扰整流滤波模块的输出端通过电压电流采样/隔离模块与中央处理器相连接，中央处理器通过隔离驱动电路与MOSFET模块的输入端相连接，且抗干扰整流滤波模块的一输出端与内部电源模块相连接，内部电源模块与电压电流采样/隔离模块、隔离驱动电路及中央处理器电连接；由于本发明通过电压/电流隔离模块采集的电压和电流的采样反馈值实时调整保持阶段线圈电流和功耗，从而使接触器在各电压等级下保持相同动作特性，同时达到接触器在保持阶段以低功耗稳定运行的目的。

Description

基于可变电流控制的智能交流接触器控制单元

技术领域

本发明属于电子应用领域，具体涉及一种基于可变电流控制的智能交流接触器控制单元。

背景技术

交流接触器是一种被频繁操作的低压电器，常用于远距离频繁地接通和分断交直流主电路及大容量控制电路的电器，广泛应用于低压电路中。其主要动作特征为：在控制电源接通后，由电磁系统带动触头系统运动，完成闭合过程；在控制电源切断后，由反力弹簧将动静触头分开。

当接触器控制电源接通时，动铁芯在电磁铁的作用下克服由反力弹簧和触头弹簧产生的反力带动由动触头和动铁芯组成的可动部分向静触头部分运动。在动静触头闭合后，动铁芯继续运动经过一段超程后，动静铁芯闭合。动铁芯的超程是指：在闭合过程当中，动铁芯比动触头多运动的距离即：在去掉静触头的情况下，动触头在动铁芯的带动下继续前进的路程。大部分的交流接触器工作在AC3工作条件下，这种工作类别要求接触器在额定电压下启动电路，即闭合过程中的电流为6倍工作电流。而在0.17倍的额定电压下断开额定电流。所以在AC3类别下的接触器电器寿命决定于接通过程中。在接通过程中，触头的损耗主要是由断续电弧对触头材料的侵蚀造成的。

交流接触器在闭合过程中会发生两次碰撞，第一次是动静触头在接触时发生的碰撞，第二次是动静铁芯在接触时发生的碰撞，这两次碰撞都会引起触头的弹跳。产生断续的电弧而使触头受电弧高温侵蚀而损坏。按照国家标准要求，接触器的工作频率为3-1200次每小时，反复的振动和拉弧对触头的寿命有严重的影响。特别是在AC3工作条件下，接触器接通6倍额定电流，在闭合过程中两次碰撞产生的弹跳而引起的电弧对触头的烧蚀十分严重，是影响接触器寿命的关键。

接触器在工作时可以分为吸合和吸持两个工作状态。在吸合过程中，需要较大的能量来带动触头克服弹簧的反力运动；而在吸持状态下，仅需要较低的能量就可以保持该状态。但是由于目前所使用的控制方式，接触器在吸合和吸持状态下均使用相同的电压来进行控制，这样会造成较大的能量浪费。每台接触器的能耗平均为几十瓦，但是接触器的用量十分巨大，目前全国工业系统中有上千万台不同容量的接触器在运行，因此其总的能耗非常巨大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够减少接触器的铜、铁原材料损耗，减小接触器体积，提高接触器的电寿命和机械寿命，降低接触器能量损耗的基于可变电流控制的智能交流接触器控制单元。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括依次与交流输入电源电连接的抗干扰整流滤波模块、接触器线圈和MOSFET模块，抗干扰整流滤波模块的输出端通过电压电流采样/隔离模块与中央处理器相连接，中央处理器通过隔离驱动电路与MOSFET模块的输入端相连接，且抗干扰整流滤波模块的一输出端与内部电源模块相连接，内部电源模块与电压电流采样/隔离模块、隔离驱动电路及中央处理器电连接。

本发明的抗干扰整流滤波模块的JP1输入接插件上连连接有整流桥D1，且在整流桥D1上还连接有三个高电容C1，C2，C3和三个压敏电阻R1，R2，R3，其中第一高压电容C1与第二高压电容C2串连并与第三高压电容C3并连，第一压敏电阻R1与第二压敏电阻R2串连后与第三压敏电阻R3并连；内部电源模块的第六二极管D6的输入端与抗干扰整流滤波模块2的整流桥D1的输出端相连接，第六二极管D6的输出端与电源芯片U1的第8引脚相连，第六电阻R6与第七电容C7并联后与第七二极管D7串联作为电压吸收回路与变压器T1初级并联，电源芯片的4、5、8引脚端分别通过第八电容C8、第五电容C5和第六电容C6接地，变压器T1的第一个次级通过第九二极管D9整流以及由第十电容C10、第一线圈L1和第十一电容C11组成的П形滤波器滤波后输出+5V电压，该滤波器于数字地相连，与之相连的第十电阻R10和发光二极管D11用作电源的指示，变压器的另一个次级经过第八二极管D8整流，并通过第九电容C9滤波后输出+20V的电压，第九二极管D9的负极接模拟地，光电耦合器U2与第九二极管D9相连接，用于检测第九二极管D9的输出，光电耦合器U2的2端与4.3V稳压管相连，其第4端与电源芯片U1的第5引脚相连作为电压反馈的输入，其第三端与模拟地相连接；中央处理器的单片机端口TXD_cSCK，RXD_SDA，DRV，GND，RST端与其左侧的端子中的接口相连，第四电阻R4分别与+5V，第十二电容C12和单片的复位端口相连接，第五电阻R5和LED D12串联在+5V和单片机的RXD_SDA端之间作为单片机的工作状态指示；电压电流采样/隔离模块以芯片U4为核心，其第8引脚为电源端直接与+20V电源端相连接，串联的第十二电阻R12，第十三电阻R13，第十四电阻R14和第二十二电阻R22在电压采样过程中起到分压作用，第十二电阻R12与整流输出相连，第二十二电阻R22与第十六电容C16并联接地，第二十二电阻R22分得的电压输入芯片U4的第7引脚；芯片U4的第5引脚分别通过第十五电阻R15与+20V电源相连接，以及第十四电容C14与模拟地相连，芯片U4的第2引脚通过第二十三电阻R23与模拟地连接；芯片U4的第1引脚和第6引脚并联后通过并联的第十七电容C17和第十五电阻R15与模拟地相连接；芯片U4的输出端第3引脚通过第十八电阻R18和+20V电源连接后于光耦U5的第1引脚相连接，光耦U5的第2引脚与模拟地连接；光耦U5的第4引脚与5V电源连接，光耦U5的第3引脚通过第二十四电阻R24接地，且光耦U5的第3引脚直接与单片机的TXD_SCK相连接；隔离驱动电路的芯片U6的第2引脚通过第二十电阻R20与+5V电源相连，芯片U6的第3引脚与单片机输出DRV信号相连接；其第8引脚直接与+20V电源相连接，并通过第十三电容C13与其第五引脚5相连后连接模拟地；芯片U6的第6引脚通过第二十一电阻R21连接至+20V电源并通过第十五电容C15接至模拟地，同时该端与第三三极管Q3和第二三极管Q2的基极直接相连；第三三极管Q3的2端与+20V电压连接，其3端与第二三极管Q2的2端相连接并输出至MOSFET的控制级，第二三极管Q2的第3端接模拟地；MOSFET模块中串联的第四二极管D4，第五二极管D5与MOSFET的第2，第3引脚并联，第五二极管D5与第一三极管Q1的公共端通过电九电阻R9与模拟地相连接。其中第一三极管Q1和第四二极管D4的公共端与接触器线圈相连；MOSFET模块上还连接有保护模块；保护模块芯片U3A的第1引脚与第十三二极管D13相连接；其第8端与+20V电源直接相连，其第3引脚通过第七电阻R7接至+20V电源，同时通过第八电阻R8与模拟地连接。

由于本发明通过电压/电流隔离模块采集的电压和电流的采样反馈值实时调整保持阶段线圈电流和功耗，从而使接触器在各电压等级下保持相同动作特性，同时达到接触器在保持阶段以低功耗稳定运行的目的；保证了交流接触器在国家标准要求的电压范围内稳定吸合，同时在设定电压的范围之外可靠释放。在临界电压范围内保证交流接触器具有稳定的动作特性，解决了交流接触器在此范围内局出现剧烈抖动的情况。大大减小了临界电压工作条件下触头的烧蚀，并保证了受控设备的安全性；在使用了本发明后交流低压电器的电磁机构变为直流控制，可大幅提高控制回路效率。同时原有的分磁环也可以省去，分磁环在交流接触器运行过程中的能量损耗占总损耗的比重较大，因此通过这样的改造可以更好的降低低压电器能耗；为防止电压暂降对主回路的影响，通过中央控制模块可以在电压暂降的情况下，保持接触器的可靠运行。

附图说明

图1是本发明的电路框图；

图2是本发明抗干扰整流滤波模块2的电路图；

图3是本发明内部电源模块6的电路图；

图4是本发明中央处理器9的电路图；

图5是本发明电压电流采样/隔离模块7的电路图；

图6是本发明是隔离驱动电路8的电路图；

图7是本发明MOSFET模块4的电路图；

图8是本发明保护模块5的电路图；

图9是采用本发明时吸合及释放的电压范围图；

图10专用集成电路软件工作流程图；

图11a为无智能控制时额定电压下，CJ20-250触头闭合弹跳波形图；图11b是采用本发明控制时额定电压下，CJ20-250触头闭合弹跳波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括与交流输入电源1直接相连接的抗干扰模块2，该抗干扰模块2用于防止浪涌冲击和快速脉冲群干扰，交流输入电源1经整流滤波模块3整流后，变为频率是100Hz的脉动直流电压之后通过高压电解电容滤波，变成纹波较小的直流电压。该直流电压被分为两路，一路通过内部电源模块7的调整变成+5V和+20V的两路输出电压，这两路电压分别为电压电流采样/隔离模块9，中央处理器10，隔离驱动电路8提供工作电压。电压电流采样/隔离模块9利用A/D转换的原理，通过单路采样的方式采集电压信号，通过两路差值的方式采取电流信号，在采样的过程中同时完成了信号隔离的功能。电压电流采样/隔离模块9从接触器线圈5的输出端采取电压信号，并完成了A/D转换和隔离后，将数字信号传递给中央处理器10。

中央处理器10，通过采集得到的电压数据和电流数据，判断主回路所处的工作状态，外部电压状态。当外部电压信号满足要求时，中央处理器10执行吸合过程。

中央处理器10发出的控制信号，通过隔离驱动电路8传递，该隔离驱动电路8起到电平转换，提高输出信号驱动能力以及隔离电路的作用，该部分采用高速光耦器件和推挽式电路以保证输出控制信号的完整性和驱动能力的提高。隔离后的驱动信号直接施加在MOSFET模块4的门极以达到控制MOSFET模块4通断的目的。MOSFET模块4接在电源主回路中与整流滤波模块3输出端和接触器线圈5直接连接以达到调节施加在接触器线圈5上电压和开通、关断接触器控制回路的目的。

保护模块6与接触器线圈5和MOSFET模块4直接相连，在MOSFET模块4或整流滤波模块5因意外事故，使用寿命截止等原因击穿或损毁时，将电路强制关断一段时间，以保证控制电路和接触器的安全运行。

本发明的整流滤波模块3由压敏电阻，瓷片电容，整流桥，扼流圈，电解电容组成；整流电路采用单向全桥整流模式。压敏电阻应用于抗击浪涌，高压电容和扼流圈用于消除快速脉冲群的干扰。电解电容用于消除电压纹波以及去除开关过程中出现的过电压。

参见图2，本发明的抗干扰整流滤波模块2包括与交流输入电源1相连接的JP1输入接插件，交流电由此输入；JP1输入接插件上连连接有整流桥D1，且在整流桥D1上还连接有三个高电容C1，C2，C3和三个压敏电阻R1，R2，R3，其中第一高压电容C1与第二高压电容C2串连并与第三高压电容C3并连，第一压敏电阻R1与第二压敏电阻R2串连后与第三压敏电阻R3并连，其中高压电容用于吸收快速脉冲群干扰，压敏电阻要用于抗击浪涌冲击。整流桥D1，选择容量为3A，经优化后的接触器在启动阶段电流在1-3A，在吸持阶段电流保持在200-400mA。

图2中整流桥的输出端2，与图3和图5中的DC_OUT相连接。

参见图3，内部电源模块6的第六二极管D6的输入端与抗干扰整流滤波模块2的整流桥D1的输出端相连接，第六二极管D6的输出端与电源芯片U1的第8引脚相连，第六电阻R6与第七电容C7并联后与第七二极管D7串联作为电压吸收回路与变压器T1初级并联，电源芯片的4、5、8引脚端分别通过第八电容C8、第五电容C5和第六电容C6接地，变压器T1的第一个次级通过第九二极管D9整流以及由第十电容C10、第一线圈L1和第十一电容C11组成的П形滤波器滤波后输出+5V电压，该滤波器于数字地相连，与之相连的第十电阻R10和发光二极管D11用作电源的指示，变压器的另一个次级经过第八二极管D8整流，并通过第九电容C9滤波后输出+20V的电压，第九二极管D9的负极接模拟地。光电耦合器U2与第九二极管D9相连接，用于检测第九二极管D9的输出，光电耦合器U2的2端与4.3V稳压管相连，其第4端与电源芯片U1的第5引脚相连作为电压反馈的输入，其第三端与模拟地相连接。本发明的内部电源模块6主要为中央处理器9，电压电流采样/隔离模块7和隔离驱动电路8提供工作电源。为了满足工业使用要求，该集成电路对电源的要求较高。为了达到较好的抗干扰目的，本发明的内部电源模块6为两路隔离电源；其中+20V与系统主回路相连，+5V完全隔离为中央处理器模块9供电，电源芯片采用FAIRCHILD公司的FSD311芯片，产生两路输出总功率为3瓦的隔离电源，其电源建立速度在3～15ms。内部电源模块6的+5V电源与单片机的第8引脚VCC直接相连，同时与第四电阻R4，第五电阻R5相连接，为单片机复位信号和电源指示LED提供电源。同时内部电源模块6的+5V为电压电流采样/隔离模块7的隔离光耦和输出隔离光耦的数字侧提供电源。内部电源模块6的+20V为电压电流采样/隔离模块7和隔离驱动电路8的采样芯片和输出驱动电路提供工作电源。

参见图4，中央处理器9接受数据采样得到的接触器线圈上的电压和电流信号，通过处理算法输出控制信号，驱动外部电路。为了很好满足抗干扰，小型化的要求，本发明选择了ATMEL公司的ATTINY系列单片机。该单片机有丰富的内部资源：有内置A/D转换模块，PWM输出端口，内置晶振，以及ISP功能。同时该处理器体积小，可以满足集成时小型化的要求。单片机端口TXD_SCK，RXD_SDA，DRV，GND，RST端与其左侧的端子中的接口相连，用于下载程序。第四电阻R4分别与+5V，第十二电容C12和单片的复位端口相连接，第五电阻R5和LED D12串联在+5V和单片机的RXD_SDA端之间作为单片机的工作状态指示。同时输出端口DRV与图6中U6的3端相连接输出控制信号，TXD_SCK端与图5中U5的3端相连接，作为电压采样的输入端。

参见图5，电压电流采样/隔离模块7通过检测电压差的手段实现。在电流主回路当中加入无感取样电阻，在取样电阻前后两级分别采样电压并通过压频转换的方式分别进行电压采样，将电压转换成50-100KHz的频率信号输入中央处理器9。在该条件下，其电压分辨率在交流±0.15V，完全可以达到电流检测的精度要求。该电路中，以芯片U4为核心，其第8引脚为电源端直接与+20V电源端相连接。图中串联的第十二电阻R12，第十三电阻R13，第十四电阻R14和第二十二电阻R22在电压采样过程中起到分压作用，第十二电阻R12与整流输出相连，第二十二电阻R22与第十六电容C16并联接地。第二十二电阻R22分得的电压输入芯片U4的第7引脚；芯片U4的第5引脚分别通过第十五电阻R15与+20V电源相连接，以及第十四电容C14与模拟地相连。芯片U4的第2引脚通过第二十三电阻R23与模拟地连接；芯片U4的第1引脚和第6引脚并联后通过并联的第十七电容C17和第十五电阻R15与模拟地相连接；芯片U4的输出端第3引脚通过第十八电阻R18和+20V电源连接后于光耦U5的第1引脚相连接，光耦U5的第2引脚与模拟地连接；光耦U5的第4引脚与5V电源连接，光耦U5的第3引脚通过第二十四电阻R24接地，且光耦U5的第3引脚直接与单片机的TXD_SCK相连接。

参见图6，隔离驱动电路8是为了达到隔离和信号放大两个目的：由于中央控制器10输出的PWM信号频率较高占空比很小，在光电传输过程中的波形畸变较大。通过使用高速光耦配合推挽式电路的驱动方式，保证了控制信号传输的准确性，同时提高了控制信号的驱动能力。该电路中芯片U6的第2引脚通过第二十电阻R20与+5V电源相连，芯片U6的第3引脚与单片机输出DRV信号相连接；其第8引脚直接与+20V电源相连接，并通过第十三电容C13与其第五引脚5相连后连接模拟地；芯片U6的第6引脚通过第二十一电阻R21连接至+20V电源并通过第十五电容C15接至模拟地，同时该端与第三三极管Q3和第二三极管Q2的基极直接相连；第三三极管Q3的2端与+20V电压连接，其3端与第二三极管Q2的2端相连接并输出至MOSFET的控制级，第二三极管Q2的第3端接模拟地。图6中由第三三极管Q3，第二三极管Q2组成的推挽电路的输出端与图7中MOSFET模块4的门极直接相连，将驱动信号传递给MOSFET模块4。

参见图7，MOSFET模块4采用型号为STU10NB80的功率MOSFET以及串联的P6KE300稳压管组成。该功率器件体积小，峰值耐压达到900V峰值电流可以达到9A，满足电压、电流两方面的要求，并有充足的余量。而且其导通电阻小，工作状态下热损耗很小。为MOSFET并联的TVS是为了吸收瞬时能量，防止在主回路被击穿的情况下MOSFET被损坏。图7中串联的第四二极管D4，第五二极管D5与MOSFET的第2，第3引脚并联，第五二极管D5与第一三极管Q1的公共端通过电九电阻R9与模拟地相连接。其中第一三极管Q1和第四二极管D4的公共端与接触器线圈相连，用于调节线圈上的平均电压。同时监测第九电阻R9两端分别与图8中U3的2，4两端用于电流的门限监测。

参见图8，保护模块5主要由比较器组成。在电流回路中串入无感取样电阻后，对其两端电压进行检测可得到回路电流值，通过与基准电压的比较，判断电流是否超过允许范围。在电流过大的情况下该模块将强行把单片输出的控制信号拉低，彻底关断MOSFET进而切断控制回路。图8中芯片U3A的第1引脚与第十三二极管D13相连接；其第8端与+20V电源直接相连，其第3引脚通过第七电阻R7接至+20V电源，同时通过第八电阻R8与模拟地连接，该芯片U3A的第2，4引脚分别与图7中的第九电阻R9上下两端连接。第十三二极管D13的输入端136_OUT与图6中的芯片U6的6端相连接，用于强制拉低U6输出信号。

电路中+5V回路与+20V回路采用隔离式的设计，两部分分别由内部的地线，为了满足电源的稳定性要求，通过交流电容将两路隔离的地线相连。

本发明为了不改变现有的接触器机械性能特征，必须对其现有特征以及相关的国家标准有所了解。按照国家标准中规定，接触器应当在85％～110％的额定电压下完成吸合。目前的交流接触器的可以达到此项要求，但是在此电压范围之外接触器仍然有可能完成闭合。在这种情况下存在两种隐患：1)在电压过高的条件下闭合接触器触头时，由于其电压过高会导致接触器线圈中流过的电流过大，从而使得接触器触头闭合速度太快，引起较强的振动。由于接触器触头闭合过程中的流过触头的电流为6倍额定工作电流，因此会造成触头严重的烧蚀。2)由于接触器的主要用途是接通和分断交直流主电路及大容量控制电路，其中包括鼠笼式电动机的启动等。在电压过低的条件下闭合接触器触头时，电动机为了维持恒定的输出功率，必须增大电流。在这种条件下工作的电动机非常容易被烧毁。

除此之外，传统的接触器还存在两种严重的问题：1)当电压跌落到临界点时，接通传统的交流接触器会出现触头剧烈振动的情况。这时主回路的电流会出现时断时续的状态，容易造成受控电器运行状态不稳定。2)传统的接触器，由于受到外部交流电的直接控制，无论在吸合或保持状态下线圈两端的电压始终保持不变。在吸合阶段，较大的吸合电压会使得触头运动速度过快，从而引起触头的多次碰撞；在触头状态稳定后，线圈两端的电压和电流一直处于余量很大的状态，浪费很多的能量。

基于以上四点考虑，本发明对接触器智能控制单元控制策略进行了设计并使得在单元的控制下，新型的接触器可以达到以下电气和机械性能：

(1)参见图9，确定接触器在额定电压的80％～110％范围内稳定吸合。但是在此电压范围之外，外部上电时接触器触头完全不动作，这样就可以保证，吸合电压过高或过低带来的不利因素和安全隐患。

当接触器在国标规定的范围之内闭合之后，外部电压发生了变化。电压波动超出了国标规定的范围则通过采样电路的监测，在电压低于75％或高于120％Ue电压的情况下，使得智能控制单元可以切断控制回路进而切断主电流回路。之所以要保证释放接触器触头的电压上下限要比吸合上下限范围要宽，是为了防止在吸合电压边缘，电压发生小范围的波动。如果没有这样一个电压的缓冲区则当电压在此范围内变化时接触器触头会发生严重的振动。

通过这样的操作可以保证：1)接触器触头在国标规定的范围内稳定的吸合，而在此范围之外稳定的不吸合；2)在运行过程中当电压超过该范围时，保证接触器可以及时地断开主回路。通过这两方面的智能操作，可以保证被控设备的稳定安全运行。

(2)在智能控单元中通过程序数据的方式把经过反复试验测得的数据存储下来。在接触器运行过程中，通过对电压、电流的采样以及将采样得到的数据和原有的试验数据进行对比，通过电流的变化来判断，接触器触头在闭合过程中所处的位置。在接触器的闭合过程中，虽然维持电磁机构线圈的中的电压保持不变，但是随着动、静触头之间的气隙发生快速的变化会引起线圈电感量大幅度变化。从而导致在电压和电阻恒定的情况下，线圈中的电流会发生剧烈的波动，这样的电流随触头位移变化曲线是所有交流接触器所共有的特性。因此通过电流的变化率来判断触头的位移和行程可以到达准确的判断效果。

随着接触器位置的变化，不断的改变接触器吸合过程中线圈的两端的电压，从而保证触头在闭合瞬间的速度很小进而可以减小触头在闭合过程由于能量过大引起的弹跳。智能控制单元是通过不断输出脉宽连续变化的PWM信号来改变控制线圈电压。

图10为专用集成电路控制软件流程图。在集成电路上电工作后，电流检测模块对采样电阻两端电压进行检测以得到主回路电流值。根据前期实验测得的数据，由电流的大小判断当前触头所处的位置。从单片机输出驱动信号到触头开始运动为第一阶段，从触头闭合到铁芯闭合为第二阶段，铁芯闭合后为第三阶段。

第一阶段，单片机根据测得的电压值启动控制信号；根据两路电压信号经计算得到电流变化率判，并以此为依据判断动触头和动铁芯所处的位置。在该阶段，软件根据采样得到的两路电压值进行查表，输出相应的PWM控制信号。其中一路输入作为主信号，另一路作为校正信号防止出现A/D转换过程中出现的错误。第二阶段，为了防止或减小因吸力过大导致的动静触头、动静铁芯间碰撞所引起的两次弹跳。软件在通过电流变化率检测，不断改变当前输出信号的占空比进而改变线圈电压使得触头闭合速度降低，尽可能的减小触头间的撞击速度。在通过电流检测判断铁芯闭合后，进入第三阶段。在此阶段中，为确定铁芯能够稳定吸合须经过几十毫秒的延时，再次调整输出控制信号将电压保持在一个很低的状态。此时的控制信号也在随着电压的采样反馈值不断发生变化，保证控制回路电压在外界电压发生波动，暂降的情况下有一致的输出特性。

为了防止电压波动引起的不稳定情况，软件内部设置了抗干扰的部分。保证了软件的可靠运行。并且模拟了接触器现有的多种工作状态，使得经过该专用集成电路控制的接触器除了在性能上得到优化之外，没有引起交流接触器原有工作特性的变化。

本发明是针对交流接触器智能控制的专用集成电路。其目的在于以下三点：1、以该专用集成电路为控制核心的交流接触器产品经优化后可以大幅度的减小铜、铁等原材料的使用量，降低接触器成本。2、在启动阶段根据电流的变化率，降低触头和铁芯的闭合速度，减少触头的振动和弹跳，从而延长接触器寿命。3、在吸持阶段，保持线圈电压在较低的数值，大幅度的降低接触器运行能耗。实验的目就是为了从这三个方面来验证智能控制的功效：为此我们对铁芯重量，线圈匝数及重量进行了测量；对吸合阶段的弹跳和振动作了测量和对比；对吸持阶段接触器功耗进行了测量和对比。从而验证了专用集成电路在节能，降噪，减小振动，延长寿命等方面的功效。

本发明针对CJ20-630接触器对该专用集成电路的进行了原理和功能的验证，这两种接触器的额10101032440421定电压为220V或380V，接触器主回路的额定电流为630A。

CJ20-630交流接触器与本发明铜铁用量对比

	铁芯	线圈(Ue：220v)	线圈(Ue：380v)
	铁芯	线圈(Ue：220v)	线圈(Ue：380v)	原CJ20-250质量(kg)	7.05	1.17	1.20
优化后的CJ20-250质量(kg)	3.512	0.51	0.6	原CJ20-250质量(kg)	7.05	1.17	1.20
优化后的CJ20-250质量(kg)	3.512	0.51	0.6	节省百分比	50.6％	44％	50％

如图11，所示CJ20-630交流接触器与智能接触器触头振动图形对比。

有无智能控制时振动次数、时间以及吸持功率对比

无智能控制：

	触头振动次数	触头振动时间(ms)	吸持功率(W)
	触头振动次数	触头振动时间(ms)	吸持功率(W)	180V	6	7	75
220V	8	6	118	180V	6	7	75
220V	8	6	118	240V	10	7	141

智能控制下：

	触头振动次数	触头振动时间(ms)	吸持功率(W)
	触头振动次数	触头振动时间(ms)	吸持功率(W)	180V	2	0.5	2.1
220V	2	0.5	2.1	180V	2	0.5	2.1
220V	2	0.5	2.1	240V	3	0.7	1.9

吸合阶段的振动次数和振动时间，是影响接触器寿命的最关键的因素。触头振动的时间越长，振动的次数越多在大电流情况下对其烧蚀越严重，从而会直接导致接触器的寿命变短。国家标准中规定，接触器应当在85％～110％的额定电压下完成吸合，因此我们按照该标准的规定分别在其80％，100％和110％的额定电压下对以上的每组数据分别进行了200次测量，取其平均值。振动曲线取其中某次测量结果付出。

通过以上的对比可以得出：随着电压的增加，无智能控制的接触器在振动、闭合时间、运行时的能耗都会线形的增加。但通过该专用集成电路的优化后，其电气性能大幅度提高，可以在各电压等级下保持完全相同的电气和机械特性。优化之后，在全电压范围内接触器触头在吸合阶段的振动次数和振动时间大幅度减少，在吸持阶段的功耗大幅度降低，节能率在95％以上。

综上所述，通过低压电器专用集成电路的使用，可以很好的模拟原有低压电器的良好特性；但是在其动作特性，临界电气特性方面有很好的优化。在加装了专用集成电路后，在吸合、吸持阶段，不断地根据采样得到的电流改变输出控制信号。在控制信号的作用下，保持线圈工作电压不断的根据主回路的电压，电流的变化而变化维持低压电器的超低能耗运行。在专用集成电路的作用下，交流接触器控制回路由交流转换为直流控制，从而可以在结构上简化针对交流控制使用的分磁环。同时可以使交流接触严格按照国家标准设定吸合和释放电压范围，这样更有利于保证被控制电器的稳定运行。在吸合电压下限避免传统低压电器的剧烈振动，从而更好的延长触头和整个接触器的使用寿命。加装该专用集成电路的接触器的磁系统包括铁芯和线圈可得到大幅的优化，从而减少材料的使用量。目前该低压电器专用集成电路以被应用于CJ20全系列接触器，性能良好，并通过了电磁兼容包括：浪涌，快速脉冲群以及电压跌落国家三级标准检验。

Claims

1.基于可变电流控制的智能交流接触器控制单元，包括依次与交流输入电源(1)电连接的抗干扰整流滤波模块(2)、接触器线圈(3)和MOSFET模块(4)，其特征在于：抗干扰整流滤波模块(2)的输出端通过电压电流采样/隔离模块(7)与中央处理器(9)相连接，中央处理器(9)通过隔离驱动电路(8)与MOSFET模块4的输入端相连接，且抗干扰整流滤波模块(2)的一输出端与内部电源模块(6)相连接，内部电源模块(6)与电压电流采样/隔离模块(7)、隔离驱动电路(8)及中央处理器(9)电连接。

2.根据权利要求1所述的基于可变电流控制的智能交流接触器控制单元，其特征在于：所说的抗干扰整流滤波模块(2)的JP1输入接插件上连连接有整流桥D1，且在整流桥D1上还连接有三个高电容C1，C2，C3和三个压敏电阻R1，R2，R3，其中第一高压电容C1与第二高压电容C2串连并与第三高压电容C3并连，第一压敏电阻R1与第二压敏电阻R2串连后与第三压敏电阻R3并连。

3.根据权利要求1所述的基于可变电流控制的智能交流接触器控制单元，其特征在于：所说的内部电源模块(6)的第六二极管D6的输入端与抗干扰整流滤波模块(2)的整流桥D1的输出端相连接，第六二极管D6的输出端与电源芯片U1的第8引脚相连，第六电阻R6与第七电容C7并联后与第七二极管D7串联作为电压吸收回路与变压器T1初级并联，电源芯片的4、5、8引脚端分别通过第八电容C8、第五电容C5和第六电容C6接地，变压器T1的第一个次级通过第九二极管D9整流以及由第十电容C10、第一线圈L1和第十一电容C11组成的∏形滤波器滤波后输出+5V电压，该滤波器于数字地相连，与之相连的第十电阻R10和发光二极管D11用作电源的指示，变压器的另一个次级经过第八二极管D8整流，并通过第九电容C9滤波后输出+20V的电压，第九二极管D9的负极接模拟地，光电耦合器U2与第九二极管D9相连接，用于检测第九二极管D9的输出，光电耦合器U2的2端与4.3V稳压管相连，其第4端与电源芯片U1的第5引脚相连作为电压反馈的输入，其第三端与模拟地相连接。

4.根据权利要求1所述的基于可变电流控制的智能交流接触器控制单元，其特征在于：所说的中央处理器(10)的单片机端口TXD_SCK，RXD_SDA，DRV，GND，RST端与其左侧的端子中的接口相连，第四电阻R4分别与+5V，第十二电容C12和单片的复位端口相连接，第五电阻R5和LED D12串联在+5V和单片机的RXD_SDA端之间作为单片机的工作状态指示。

5.根据权利要求1所述的基于可变电流控制的智能交流接触器控制单元，其特征在于：所说的电压电流采样/隔离模块(7)以芯片U4为核心，其第8引脚为电源端直接与+20V电源端相连接，串联的第十二电阻R12，第十三电阻R13，第十四电阻R14和第二十二电阻R22在电压采样过程中起到分压作用，第十二电阻R12与整流输出相连，第二十二电阻R22与第十六电容C16并联接地，第二十二电阻R22分得的电压输入芯片U4的第7引脚；芯片U4的第5引脚分别通过第十五电阻R15与+20V电源相连接，以及第十四电容C14与模拟地相连，芯片U4的第2引脚通过第二十三电阻R23与模拟地连接；芯片U4的第1引脚和第6引脚并联后通过并联的第十七电容C17和第十五电阻R15与模拟地相连接；芯片U4的输出端第3引脚通过第十八电阻R18和+20V电源连接后于光耦U5的第1引脚相连接，光耦U5的第2引脚与模拟地连接；光耦U5的第4引脚与5V电源连接，光耦U5的第3引脚通过第二十四电阻R24接地，且光耦U5的第3引脚直接与单片机的TXD_SCK相连接。

6.根据权利要求1所述的基于可变电流控制的智能交流接触器控制单元，其特征在于：所说的隔离驱动电路(8)的芯片U6的第2引脚通过第二十电阻R20与+5V电源相连，芯片U6的第3引脚与单片机输出DRV信号相连接；其第8引脚直接与+20V电源相连接，并通过第十三电容C13与其第五引脚5相连后连接模拟地；芯片U6的第6引脚通过第二十一电阻R21连接至+20V电源并通过第十五电容C15接至模拟地，同时该端与第三三极管Q3和第二三极管Q2的基极直接相连；第三三极管Q3的2端与+20V电压连接，其3端与第二三极管Q2的2端相连接并输出至MOSFET的控制级，第二三极管Q2的第3端接模拟地。

7.根据权利要求1所述的基于可变电流控制的智能交流接触器控制单元，其特征在于：所说的MOSFET模块(4)中串联的第四二极管D4，第五二极管D5与MOSFET的第2，第3引脚并联，第五二极管D5与第一三极管Q1的公共端通过电九电阻R9与模拟地相连接，其中第一三极管Q1和第四二极管D4的公共端与接触器线圈相连。

8.根据权利要求1所述的基于可变电流控制的智能交流接触器控制单元，其特征在于：所说的MOSFET模块(4)上还连接有保护模块(5)，该保护模块(5)芯片U3A的第1引脚与第十三二极管D13相连接；其第8端与+20V电源直接相连，其第3引脚通过第七电阻R7接至+20V电源，同时通过第八电阻R8与模拟地连接。