CN101393819B - 抗晃电智能交流接触器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗晃电智能交流接触器，包括大功率整流电路D，采样电路E，dU/dt检测电路Z，大功率开关管A、B，光耦隔离器F、G，开关管T，储能器V，反激式拓扑电路StackFETTM，高频变压器S，单片机系统P，通信模块Q，光耦合器件的电源U及接触器本体；本发明具有在晃电事故发生时“自保持”、不发生晃电事故时正常分断的功能，并具有宽电压工作范围、交直流通用的智能控制模块，实现了体积小、寿命高、工作可靠、可通信、抗晃电等特点，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明涉及器械智能控制领域，特别是一种抗晃电的智能交流接触器。
背景技术
所谓“晃电”即雷击、短路、双电源切换、某种瞬时性故障和其它原因所造成的，引起电压具有很大幅度波动的现象。电压的波动范围在零电压到最大电压值之间。电压波动的时间很短，一般在0.7到1秒钟之间。以上两点是“晃电”最主要最基本的特征。在实际生产中，由于“晃电”使正常的电压值在一瞬间降得很低，小于接触器线圈的吸合电压(0.8Un)，使接触器的主触头释放，常闭辅助触头闭合，常开辅助触头断开，造成电动机停机甩负荷。目前，抗晃电的方法主要可归结为四类：
(1)应用断电延时继电器、电机再起动器。通过时序关系，使接触器的主触头在晃电结束后重新吸合(晃电期间断开)，实现电机再起动。这种防晃电方法的特点是在晃电发生期间主触头断开，电压恢复后电机重起动，电机重起动产生的冲击电流大，控制回路原理复杂，而且电机再起动器的成本很高。
(2)采用储能延时元件，对接触器的线圈在晃电期间继续提供能量，保证主触头的吸合。这种防晃电方式有选型不灵活、选择范围小、增加了控制线路的复杂程度等缺点。
(3)延时锁扣头装置，在接触器吸合后线圈转入省电模式，而靠锁扣头锁扣作用保持主触头的接通状态。在晃电发生时接触器主触头不断开，在进行了正常的停机操作后主触头才断开。但是这种锁扣头只能与专门设计的特殊接触器配合使用，并且由锁扣头锁定的主触头在断电的情况下断开需要独立的电源，在大于170A的接触器时，并没有与之配套的锁扣装置。
(4)采用双电源供电方式，成本高、线路复杂。
发明内容
本发明的目的是在晃电事故发生时“自保持”、不发生晃电事故时正常分断的功能，并具有宽电压工作范围、交直流通用的智能控制模块，实现了体积小、寿命高、工作可靠、可通信、抗晃电等特点。
本发明是这样实现的，一种抗晃电智能交流接触器，包括大功率整流电路D，采样电路E，dU/dt检测电路Z，大功率开关管A、B，光耦隔离器F、G，开关管T，储能器V，反激式拓扑电路StackFETTM，高频变压器S，单片机系统P，通信模块Q，光电耦合器件的电源U及接触器本体；其特征在于；所述的大功率整流电路D的输入端[1]、[2]接电源，输出端分别并接采样电路E和dU/dt检测电路Z，所述的dU/dt检测电路Z的正端接大功率开关管A的输入端，所述的大功率开关管A输出端与大功率开关管B的输出端相连接，所述的大功率开关管A、B分别接有光耦隔离器F、G，所述的大功率开关管A、B之间还依次并接有电磁线圈C和开关管T，开关管T的另一端接储能器V，所述的高频变压器S的一路供电输出端的一端与储能器V的另一端、电磁线圈C的另一端和dU/dt检测电路Z的负极相连接，另一端与大功率开关管B的输入端相连接，形成高压起动回路和低压保持回路，高电压起动回路由所述的大功率开关管A导通形成回路；低电压保持回路由所述的大功率开关管B导通形成；
所述的反激式拓扑电路StackFETTM由π型滤波器H，LinkSwitch-TN芯片M，MOSFET功率管L，分压稳压电路I、J和缓冲与钳位电路K组成；其并接在dU/dt检测电路Z的两端，依次将π型滤波器H与分压稳压电路I、J组成的串连电路，缓冲与钳位电路K、MOSFET功率管L、LinkSwitch-TN芯片M组成的串连电路并联；所述的MOSFET功率管L的一个输入端接在分压稳压电路I、J之间；所述的缓冲与钳位电路K的两端与高频变压器S的输入端相连；所述的高频变压器S具有四路相互独立的输出电源，分别为单片机系统P，通信模块Q，光电耦合器件的电源U及上述的低压保持回路供电；所述的光电耦合器件的电源U的输入端接有反馈电路N，其将采集的电信号反馈给LinkSwitch-TN芯片M，从而构成稳定的直流电源；
所述的接触器本体可以采用整块钢结构的铁心，而且无须在铁心端面安装分磁环；其电磁线圈C一端接在大功率开关管A、B之间，另一端与dU/dt检测电路Z的负端相连接；
当晃电故障发生时，电源电压发生突变，dU/dt检测电路Z输出一个突变信号[6]给单片机系统P，单片机系统P发出触发信号[7]，导通开关管T，起动储能器件V，使接触器本体维持吸持状态；dU/dt检测电路Z无信号输出时，储能回路不导通，一旦接到采样电路E发出的断电指令[3]，单片机系统P发出触发信号[5]通过光电耦合隔离器G控制大功率开关管B关断，接触器本体正常分断电路；采样电路E检测电源电压在设定的接触器本体允许工作电压范围内，智能控制模块进入起动控制阶段，单片机系统通过光电耦合隔离器F给大功率开关管A施加一个触发控制信号[4]，由此信号决定强激磁的施加与关断时间，在合适时间通过光电耦合隔离器G施加触发信号[5]控制大功率开关管B接通，同时通过光电耦合隔离器F控制大功率开关管A关断，接触器本体转入节能无声运行状态。
本发明具有如下优点：
(1)抗晃电功能。当电路中发生晃电事故时，通过智能控制模块控制接触器保持吸持状态，躲过晃电故障，正常情况下分断，不起动电磁储能续流回路，接触器快速分断，并且无需增加外部辅助电路；
(2)交直流控制电源通用；
(3)宽工作电压输入范围，现有接触器工作电压范围为：85％Ue～105％Ue，本接触器控制模块的工作电压可以达到：65％Ue～115％Ue，参数设计合理，工作范围可以更大；
(4)高电压起动、低电压保持，节能无声运行；
(5)单片机控制系统，进行接触器吸合过程的动态优化控制，实现吸合过程铁心和触头撞击能量最小控制；
(6)通信功能，具有现场控制和远程控制两种控制模式。
接触器本体具有如下优点：(1)无论用在直流和交流控制系统，都可以采用整块钢结构的铁心，原来交流电磁系统采用的硅钢片结构可以改变；(2)无须在铁心端面安装分磁环(短路环)，短路环是原来产品的一个薄弱环节，是影响电磁电器寿命和运行噪声的主要因素，去掉短路环可以大大提高电器的寿命指标；(3)经过智能模块的过程控制，在运行过程中可以大大减小触头和铁心的撞击，可以采用小的电磁系统来代替原来的电磁系统，起到节约铜铁用量的效果，在能源紧张的今天，有着重要意义。
附图说明
图1是本发明的系统原理框图。
图2是本发明实施例的反激式拓扑电路StackFETTM的结构原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
如图1所示，本发明涉及一种抗晃电智能交流接触器，包括大功率整流电路D，采样电路E，dU/dt检测电路Z，大功率开关管A、B，光耦隔离器F、G，开关管T，储能器V，反激式拓扑电路StackFETTM，高频变压器S，单片机系统P，通信模块Q，光电耦合器件的电源U及接触器本体；其特征在于；所述的大功率整流电路D的输入端[1]、[2]接电源，输出端分别并接采样电路E和dU/dt检测电路Z，所述的dU/dt检测电路Z的正端接大功率开关管A的输入端，所述的大功率开关管A输出端与大功率开关管B的输出端相连接，所述的大功率开关管A、B分别接有光耦隔离器F、G，所述的大功率开关管A、B之间还依次并接有电磁线圈C和开关管T，开关管T的另一端接储能器V，所述的高频变压器S的一路供电输出端的一端与储能器V的另一端、电磁线圈C的另一端和dU/dt检测电路Z的负极相连接，另一端与大功率开关管B的输入端相连接，形成高压起动回路和低压保持回路，高电压起动回路由所述的大功率开关管A导通形成回路；低电压保持回路由所述的大功率开关管B导通形成；
所述的反激式拓扑电路StackFETTM由π型滤波器H，LinkSwitch-TN芯片M，MOSFET功率管L，分压稳压电路I、J和缓冲与钳位电路K组成；其并接在dU/dt检测电路Z的两端，依次将π型滤波器H与分压稳压电路I、J组成的串连电路，缓冲与钳位电路K、MOSFET功率管L、LinkSwitch-TN芯片M组成的串连电路并联；所述的MOSFET功率管L的一个输入端接在分压稳压电路I、J之间；所述的缓冲与钳位电路K的两端与高频变压器S的输入端相连；所述的高频变压器S具有四路相互独立的输出电源，分别为单片机系统P，通信模块Q，光电耦合器件的电源U及上述的低压保持回路供电；所述的光电耦合器件的电源U的输入端接有反馈电路N，其将采集的电信号反馈给LinkSwitch-TN芯片M，从而构成稳定的直流电源；
所述的接触器本体可以采用整块钢结构的铁心，而且无须在铁心端面安装分磁环；其电磁线圈C一端接在大功率开关管A、B之间，另一端与dU/dt检测电路Z的负端相连接；
当晃电故障发生时，电源电压发生突变，dU/dt检测电路Z输出一个突变信号[6]给单片机系统P，单片机系统P发出触发信号[7]，导通开关管T，起动储能器件V，使接触器本体维持吸持状态；dU/dt检测电路Z无信号输出时，储能回路不导通，一旦接到采样电路E发出的断电指令[3]，单片机系统P发出触发信号[5]通过光电耦合隔离器G控制大功率开关管B关断，接触器本体正常分断电路；采样电路E检测电源电压在设定的接触器本体允许工作电压范围内，智能控制模块进入起动控制阶段，单片机系统通过光电耦合隔离器F给大功率开关管A施加一个触发控制信号[4]，由此信号决定强激磁的施加与关断时间，在合适时间通过光电耦合隔离器G施加触发信号[5]控制大功率开关管B接通，同时通过光电耦合隔离器F控制大功率开关管A关断，接触器本体转入节能无声运行状态。
当电源电压上电以后，经过大功率整流电路D，进行两路输入，一路提供给开关电源模块进行DC/DC电压转换；另一路在合适时间提供给电磁接触器的激磁线圈C进行高电压激磁起动。当电源电压超过380V时，即使开关电源芯片内部集成了高达700V的MOSFET也远满足不了在功率管关断时所加电压及原边漏感造成的尖峰电压加之副边输出时在原边感应出的感应电压之和，故一般的钳位与缓冲电路在极限高电压输入时根本不起作用，需进行特殊的设计才能满足要求。这里采用StackFETTM反激式拓扑结构，使输入电压范围大大拓宽，在极限高电压下仍能安全可靠的工作。StackFET技术允许组合使用不太昂贵的、额定电压为600V的低压MOSFET和PI公司的单片开关电源芯片，极大的拓宽了输入电压的范围，这样便可设计出简单、便宜并能够保证在高电压输入的情况下开关电源仍能安全可靠的工作。本专利将一个内部集成了700V耐压的MOSFET的LinkSwitch-TN芯片与一个耐压高达600V的MOSFET搭配构成了一个StackFET结构的反激式开关电源。如图2所示：图中，Q1(框图中的L)为外加的600V的MOSFET，U1(框图中的M)为LinkSwitch-TN芯片，为了加强对LinkSwitch-TN的保护，在其漏源极两端串联了三个瞬态电压抑制二极管P6KE160A(框图中的J，因为型号不同，用了三个管子，采用一个管子的原理相同)，LinkSwitch-TN的漏源极两端的电压不会超过480V，而Q1和U1的最大合成峰值漏极耐压则扩展到了1080V，完全满足550V输入时开关管的耐压。采用StackFET结构必需保证U1的工作不受其影响，当LinkSwitch-TN内部的MOSFET导通时，Q1也导通，输入电压施加在高频变压器原边，一旦初级电流达到U1的内部限流点，内部MOSFET关断，储存的能量被传送到输出。在LinkSwitch-TN内部的MOSFET管，就是控制开关，通过内部MOSFET的导通和截止来维持稳压，而内部MOSFET的导通和截止是根据开关管LinkSwitch-TN的反馈引脚电流进行使能的。这种状态下能使有效开关频率随负载降低、开关损耗按比例递减，提高了电源转换效率。
本发明的优点如下：
(1)抗晃电功能。当电路中发生晃电事故时，通过智能控制模块控制接触器保持吸持状态，躲过晃电故障，正常情况下分断，不起动电磁储能续流回路，接触器快速分断，并且无需增加外部辅助电路；
(2)交直流控制电源通用；
(3)宽工作电压输入范围，现有接触器工作电压范围为：85％Ue～105％Ue，本接触器控制模块的工作电压可以达到：65％Ue～115％Ue，参数设计合理，工作范围可以更大；
(4)高电压起动、低电压保持，节能无声运行；
(5)单片机控制系统，进行接触器吸合过程的动态优化控制，实现吸合过程铁心和触头撞击能量最小控制；
(6)通信功能，具有现场控制和远程控制两种控制模式。
接触器本体具有如下优点：(1)无论用在直流和交流控制系统，都可以采用整块钢结构的铁心，原来交流电磁系统采用的硅钢片结构可以改变；(2)无须在铁心端面安装分磁环(短路环)，短路环是原来产品的一个薄弱环节，是影响电磁电器寿命和运行噪声的主要因素，去掉短路环可以大大提高电器的寿命指标；(3)经过智能模块的过程控制，在运行过程中可以大大减小触头和铁心的撞击，可以采用小的电磁系统来代替原来的电磁系统，起到节约铜铁用量的效果，在能源紧张的今天，有着重要意义。
Claims (3)
1.一种抗晃电智能交流接触器，包括大功率整流电路(D)、采样电路(E)、dU/dt检测电路(Z)、第一大功率开关管、第二大功率开关管、第一光电耦合隔离器、第二光电耦合隔离器、第三开关管、储能器(V)、反激式拓扑电路StackFETTM、高频变压器(S)、单片机系统(P)、通信模块(Q)、光电耦合器件的电源(U)及接触器本体；
其特征在于；
所述的大功率整流电路(D)的第一输入端、第二输入端接电源，输出端分别并接所述采样电路(E)和dU/dt检测电路(Z)；
所述的dU/dt检测电路(Z)的正端接所述第一大功率开关管的输入端，所述的第一大功率开关管输出端与第二大功率开关管的输出端相连接；
所述的第一大功率开关管接有第一光电耦合隔离器，所述的第二大功率开关管接有第二光电耦合隔离器，所述的第一大功率开关管和第二大功率开关管之间还依次并接有电磁线圈(C)和所述第三开关管；
所述第三开关管的另一端接所述储能器(V)；
所述的高频变压器(S)的一路供电输出端的一端与所述储能器(V)的另一端、所述电磁线圈(C)的另一端和dU/dt检测电路(Z)的负极相连接，另一端与第二大功率开关管(B)的输入端相连接，形成高压起动回路和低压保持回路；所述高压起动回路由所述的第一大功率开关管导通形成回路；所述低压保持回路由所述的第二大功率开关管导通形成；
所述的反激式拓扑电路StackFETTM由π型滤波器(H)、LinkSwitch-TN芯片(M)、MOSFET功率管(L)、第一分压稳压电路、第二分压稳压电路、和缓冲与钳位电路(K)组成；所述的反激式拓扑电路StackFETTM并接在dU/dt检测电路(Z)的两端，依次将所述π型滤波器(H)与第一分压稳压电路、第二分压稳压电路组成的串连电路，所述缓冲与钳位电路(K)、MOSFET功率管(L)、LinkSwitch-TN芯片(M)组成的串连电路并联；
所述的MOSFET功率管(L)的一个输入端接在所述第一分压稳压电路和第二分压稳压电路之间；所述的缓冲与钳位电路(K)的两端与所述高频变压器(S)的输入端相连；
所述的高频变压器(S)具有四路相互独立的输出电源，分别为单片机系统(P)，通信模块(Q)，光电耦合器件的电源(U)及上述的低压保持回路供电；
所述的光电耦合器件的电源(U)的输入端接有反馈电路(N)，其将采集的电信号反馈给LinkSwitch-TN芯片(M)，从而构成稳定的直流电源；
所述的接触器本体采用整块钢结构的铁心，而且无须在铁心端面安装分磁环；
所述电磁线圈(C)一端接在所述第一大功率开关管和第二大功率开关管之间，另一端与dU/dt检测电路(Z)的负端相连接；
晃电故障发生时，电源电压发生突变，dU/dt检测电路(Z)输出一个突变信号给单片机系统(P)，单片机系统(P)发出第一触发信号，导通所述第三开关管，起动所述储能器(V)，使所述接触器本体维持吸持状态；dU/dt检测电路(Z)无信号输出时，储能回路不导通，一旦接到所述采样电路(E)发出的断电指令，单片机系统(P)发出第二触发信号并通过所述第二光电耦合隔离器控制所述第二大功率开关管关断，所述接触器本体正常分断电路；所述采样电路(E)检测电源电压在设定的接触器本体允许工作电压范围内，智能控制模块进入起动控制阶段，单片机系统通过第一光电耦合隔离器给第一大功率开关管施加一个第三触发控制信号，由此信号决定强激磁的施加与关断时间，在合适时间通过所述第二光电耦合隔离器施加所述第二触发信号控制所述第二大功率开关管接通，同时通过所述第一光电耦合隔离器控制第一大功率开关管关断，接触器本体转入节能无声运行状态。
2.根据权利要求1所述的抗晃电智能交流接触器，其特征在于：所述的大功率整流电路的第一输入端和第二输入端所接的电源电压范围是110V到550V的交直流额定电压。
3.根据权利要求1所述的抗晃电智能交流接触器，其特征在于：所述的通信模块完成与上位计算机的双向通信，实现远程控制。
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