CN103456565A - 一种小容量电磁电器智能控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小容量电磁电器智能控制装置，包括电源、浪涌保护模块、整流模块、第一滤波电容、旁路电容、开关芯片、电感、第二滤波电容、续流模块、反馈开启电路、电流反馈电路、短路保护模块、电压反馈电路、第三滤波电容、电磁系统线圈；开关芯片内部的电流源、电感、旁路电容构成动态自供电电路，控制开关芯片输出的高频脉冲。该装置采用单片开关芯片，实现对小容量电磁电器电磁系统的起动过程和保持过程的过程控制；控制采用闭环结构，起动过程采用电压反馈实现电磁系统在直流高电压下起动，保持过程采用电流反馈实现电磁系统在直流低电流下保持吸合状态。该装置运行可靠、节能，控制方便，而且结构简单，体积小，成本低，使用效果好。

Description

一种小容量电磁电器智能控制装置

技术领域

本发明涉及电磁电器智能控制技术领域，特别是一种小容量电磁电器智能控制装置。

背景技术

面向二十一世纪，信息技术、生物工程、新材料、新工艺、新技术、新能源的高速发展，多领域的相互渗透和技术创新给传统的电器行业带来新理念、新观念。传统的开关电器产品远远无法满足现代化控制与配电系统的需求，限制了现代化控制与配电系统的发展。

低压电器领域中，电磁开关作为主要的控制电器被广泛使用，如电磁式接触器、电磁继电器、电磁阀以及断路器的一些电磁脱扣装置等。传统的电磁式开关电器在结构上主要包含两部分：感测部分与执行部分，其感测部分为电磁系统，执行部分为触头灭弧系统。由于电磁开关的动作必需经由感测部分来控制，因此电磁系统是影响其动作特性的重要因素，直接影响整个电磁开关的运行品质。作为一种能量转换装置，电磁系统的工作过程是一个电能→磁能→力的转换过程，运动过程中要克服机械力做功，因此惯性大、撞击大、灵敏度低、操作频率低。为了提高电磁开关的整体性能，就必须尽快研制高性能、高可靠性的电磁系统。

电磁式接触器作为一种量大面广的电磁开关，多用于远距离控制和电动机传动系统中。随着自动控制技术的发展，对控制的要求也越来越高。现有的电磁式接触器由于电磁机构输入电压类型单一、工作范围窄、吸持损耗大，造成机构种类繁多、资源浪费大、寿命低、产品可靠性差。进入21世纪后，国外大容量的电磁接触器普遍加入了智能控制模块，采用带有智能控制的操作电磁铁来代替传统的电磁铁，利用带微处理器的反馈控制系统，使电磁铁的吸力和反力特性良好配合，提高了接触器的电气和机械寿命。同时由于线圈采用了脉冲调宽供电，铁心采用的是无叠片结构并去除了分磁环，使得电磁系统的功耗大大减小。

早在20世纪80年代，为了实现节能无声运行，交流接触器就通过转变其线圈的励磁电压，即吸合阶段施加强电压使其闭合，待铁心闭合后去除强电，转为低电压直流保持，因此取得了节能以及运行无噪声的效果。后来，日本富士电机公司在其SC系列交流接触器中加入了专用集成电路对其吸合门槛电压进行判断，同时监视其运行时的输入电压，有效减小了电源电压波动对接触器运行的影响。进入新世纪以来，随着微电子技术、电力电子技术的发展，越来越多的研究者把单片机引入到电磁开关的智能控制当中。2000年，H.Nouri提出了一种电子操作的方案，在线圈的励磁过程中将其分为两个周期，即在线圈励磁过程中间加入停歇时间，并引入反馈形成闭环控制，自动调节停歇时间，使得操作电磁铁在闭合过程中实现“软着陆”，极大地减小触头弹跳和铁心撞击能量，提高了其AC3的使用寿命。目前，这种方案已被国外很多大公司所采用。为了提高接触器的开断性能，H.Nouri对接触器进行了定向合闸控制，找出了接触器合闸相角与触头磨损之间的关系。美国伊顿公司的Xin.Zhou提出了一种异步组合式接触器的控制方案，通过三台独立的单极接触器作为本体，采用定相分、合闸技术来控制电动机，大大提高了接触器的AC3和AC4使用寿命。福州大学智能电器研究室从90年代开始就对交流接触器的智能化控制展开了全面的研究，在接触器的吸合、分断过程的动态控制中提出了多种解决方案。在吸合过程的控制中，通过对各种条件与控制方案下的吸合动态过程进行试验研究的基础上，确定其最佳吸合控制方案，按照不同电源电压进行动态过程优化控制，大大减少了铁心闭合时的撞击能量，减小甚至消除了触头弹跳。

随着电子技术和控制技术的发展，带反馈控制的交流接触器脉宽调制控制方案得到关注。刘颖异等发表的《带电压反馈的智能接触器动态特性及触头弹跳的仿真与研究》提出了一种带电压反馈的接触器脉宽调制智能控制方案，并对接触器的动态工作过程及磁系统的情况进行分析，汪先兵等发表的《无位置传感器的智能永磁接触器弱磁控制及合闸动态特性分析》采用脉宽调制技术控制永磁接触器起动过程，实现了无位置传感器的永磁接触器优化控制，但其起动过程中电参量均为开环控制。汤龙飞、许志红发表的《 闭环斩波起动交流接触器控制模块设计》提出了一种闭环斩波起动的交流接触器智能控制方案，可灵活调节接触器的激磁电流。以上控制方案中都是针对100A以上容量的电磁电器展开的，由于控制模块的成本问题、在电器产品中的安装问题等原因，这些方案对40A以下的交流接触器并不适用。

可是小容量的电磁电器，如小容量的接触器、电磁继电器、电磁阀等产品用量极大，如何在小容量电磁电器中融入智能控制的思想和理念，实现节能无声运行，是一个值得研究的课题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对小容量电磁电器的特点，提供一种小容量电磁电器智能控制装置，该装置运行可靠、节能，控制方便，而且结构简单，体积小，成本低，使用效果好。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种小容量电磁电器智能控制装置，包括：交（直）流电源P、浪涌保护模块T、整流模块Z、第一滤波电容C1、旁路电容C5、开关芯片IC、电感L2、第二滤波电容C3、续流模块D5、反馈开启电路FK、电流反馈电路IF、短路保护模块F、电压反馈电路UF、第三滤波电容C4、电磁系统线圈X；开关芯片IC内部的电流源、电感L2、旁路电容C5构成动态自供电电路，控制开关芯片IC输出的高频脉冲；

所述交（直）流电源P的两连接端分别与浪涌保护模块T的两连接端、整流模块Z的两连接端相连接，所述整流模块Z的第三连接端分别与第一滤波电容C1的第一连接端、电感L2的第一连接端、第二滤波电容C3的第一连接端、反馈开启电路FK的第一连接端、电压反馈电路UF的第一连接端、第三滤波电容C4的第一连接端和电磁系统线圈X的第一连接端相连接，所述整流模块Z的第四连接端分别与第一滤波电容C1的第二连接端、旁路电容C5的第一连接端、开关芯片IC的第一连接端相连接，所述旁路电容C5的第二连接端接至开关芯片IC的第二连接端，所述开关芯片IC的第三连接端分别与电感L2的第二连接端、续流模块D5的第一连接端相连接，所述续流模块D5的第二连接端分别与第二滤波电容C3的第二连接端、反馈开启电路FK的第二连接端、电流反馈电路IF的第一连接端相连接，所述电流反馈电路IF的第二连接端接至反馈开启电路FK的第三连接端，所述电流反馈电路IF的第三连接端分别与开关芯片IC的第四连接端、电压反馈电路UF的第三连接端相连接，所述电流反馈电路IF的第四连接端接至短路保护模块F的第一连接端，所述短路保护模块F的第二连接端分别与电压反馈电路UF的第二连接端、第三滤波电容C4的第二连接端和电磁系统线圈X的第二连接端相连接。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：

（1）通过两种不同反馈方式的切换，一片开关芯片IC同时承担起动和保持过程功率输出的调制。电路结构紧凑、电路元器件利用率高、控制模块体积小、成本低，容易实现小容量电磁电器的机电一体化设计，形成新型智能化产品；

（2）反馈开启电路能够灵活地设置起动到保持的切换时间，能够对电磁系统起动过程进行过程控制，根据具体情况设置相应的机构闭合速度，在吸合时间满足要求的前提下，减少铁心的撞击速度，降低激磁线圈的温升。

（3）电磁系统起动到吸合过程转变是一个负载变化的过程，采用电流反馈、PWM跳周期的闭环控制模式，通过峰值电流变换，减轻了高频工作状态下的电感音频噪声。

（4）采用了电流限流工作模式，能够很好的抑制电压纹波，提供不受输入电压影响的恒定输出功率，属于宽电压的工作方式。

附图说明

图1是本发明实施例的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明小容量电磁电器智能控制装置，如图1所示，包括：交（直）流电源P、浪涌保护模块T、整流模块Z、第一滤波电容C1、旁路电容C5、开关芯片IC、电感L2、第二滤波电容C3、续流模块D5、反馈开启电路FK、电流反馈电路IF、短路保护模块F、电压反馈电路UF、第三滤波电容C4、电磁系统线圈X；开关芯片IC内部的电流源、电感L2、旁路电容C5构成动态自供电（DSS）电路，控制开关芯片IC输出的高频脉冲。

参见图1，所述交（直）流电源P的两连接端分别与浪涌保护模块T的两连接端、整流模块Z的两连接端相连接，所述整流模块Z的第三连接端分别与第一滤波电容C1的第一连接端、电感L2的第一连接端、第二滤波电容C3的第一连接端、反馈开启电路FK的第一连接端、电压反馈电路UF的第一连接端、第三滤波电容C4的第一连接端和电磁系统线圈X的第一连接端相连接，所述整流模块Z的第四连接端分别与第一滤波电容C1的第二连接端、旁路电容C5的第一连接端、开关芯片IC的第一连接端相连接，所述旁路电容C5的第二连接端接至开关芯片IC的第二连接端，所述开关芯片IC的第三连接端分别与电感L2的第二连接端、续流模块D5的第一连接端相连接，所述续流模块D5的第二连接端分别与第二滤波电容C3的第二连接端、反馈开启电路FK的第二连接端、电流反馈电路IF的第一连接端相连接，所述电流反馈电路IF的第二连接端接至反馈开启电路FK的第三连接端，所述电流反馈电路IF的第三连接端分别与开关芯片IC的第四连接端、电压反馈电路UF的第三连接端相连接，所述电流反馈电路IF的第四连接端接至短路保护模块F的第一连接端，所述短路保护模块F的第二连接端分别与电压反馈电路UF的第二连接端、第三滤波电容C4的第二连接端和电磁系统线圈X的第二连接端相连接。

交流电源电压P（如果是直流电源电压，也不影响模块正常工作）与浪涌保护模块T相连，施加在整流模块Z上，经过整流以后，由第一滤波电容C1将电压变为平稳的直流电压，加在动态自供电电路上，当旁路电容C5上电压达到一定值时，芯片IC开始工作。直流电压经开关芯片IC内置的MOSFET进行斩波，通过主电路向电磁系统线圈传递能量。

同时反馈开启电路FK开始工作，设定反馈开启时间大于电磁系统的吸合时间，使电流反馈电路IF在电磁系统的起动过程中处于无效状态，不工作。当芯片IC输出电压值达到参考电压值（即电磁电器起动电压值）后，电压反馈电路UF开始工作，芯片IC根据内部的设定值选择电流模式或者跳周期模式，电流大于设定值运行在电流模式，电流小于设定值运行在跳周期模式，这两种模式均输出恒定电压，电磁系统恒压起动。当达到设定的反馈开启时间后，电流反馈电路IF投入工作，芯片也同样会选择在电流模式或者跳周期模式工作，同时，强制将电流值拉低到参考电流值，输出恒定电流，电磁系统恒流保持。芯片IC内的设定值在缺省状态为最大峰值电流的1/4，当负载电流超过这个设定值，芯片工作在电流模式，工作频率固定。当负载电流小于这个设定值，工作在跳周期模式，工作频率变化。在电磁系统的起动过程中由于工作气隙的改变，导致负载发生变化，芯片会自行判断工作模式，有可能工作在一种模式下，也可能在两种模式之间切换。而电磁系统的保持过程只存在一种工作模式，根据输出电流决定是工作在电流模式，还是跳周期模式。

在芯片IC中，集成了一个控制器和一个MOSFET开关管，提供软启动、频率抖动、短路保护、电流、跳周期等工作模式，具有最大峰值电流调整和动态自供电功能，工作噪声低。在额定负载工作期间，IC芯片采用电流模式，通过检测电感L2上的电流值控制占空比。当电流调整值降到给定值以下时，如输出功率的需求减小，芯片IC会自动进入跳周期模式，跳过附加周期以保持电源输出的稳定，从而在较轻负载下能够高效工作。反馈开启电路FK通过内部设置，调节电流反馈电路IF的开启时间。

第三滤波电容C4可以滤除电路中的高频分量，续流模块D5提供芯片中MOSFET管关闭时电磁系统线圈电流的续流回路。

浪涌保护模块T能够在雷击、静电放电、输入过压浪涌时进行抑制，保护电路。短路保护模块F在负载发生短路时，对电路实施保护。芯片IC内部也含有相关保护电路，在负载短路或反馈网络损坏时，芯片IC会立即停止输出脉冲，故障排除后，模块再次正常启动。芯片IC内部还具有过热保护功能，当结温度超过150°时，起动过热保护关断芯片，当温度低于100°时重新起动芯片工作。

本发明通过采用单片开关芯片IC，实现了对小容量电磁电器电磁系统的起动过程和保持过程的过程控制。采用低端buck-boost拓扑，具有更宽的输出电压范围，同时满足起动功率和保持功率的输出。在同一个主电路下通过两种不同反馈方式的切换，控制电磁电器起动到保持过程输出功率的自动切换。控制采用闭环结构，起动过程采用电压反馈实现电磁系统在直流高电压下起动，保持过程采用电流反馈实现电磁系统在直流低电流下保持吸合状态。反馈开启电路能够设置电流反馈的起始时间，在起动时间内，反馈开启电路使得电流反馈处于无效状态，只有电压反馈起作用，控制模块输出起动需要的直流高电压。设置时间到后，电流反馈开始起作用，强制将输出拉低到保持需要的直流低电流，实现节能无声运行。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种小容量电磁电器智能控制装置，其特征在于，包括：电源P、浪涌保护模块T、整流模块Z、第一滤波电容C1、旁路电容C5、开关芯片IC、电感L2、第二滤波电容C3、续流模块D5、反馈开启电路FK、电流反馈电路IF、短路保护模块F、电压反馈电路UF、第三滤波电容C4、电磁系统线圈X；开关芯片IC内部的电流源、电感L2、旁路电容C5构成动态自供电电路，控制开关芯片IC输出的高频脉冲；

所述电源P的两连接端分别与浪涌保护模块T的两连接端、整流模块Z的两连接端相连接，所述整流模块Z的第三连接端分别与第一滤波电容C1的第一连接端、电感L2的第一连接端、第二滤波电容C3的第一连接端、反馈开启电路FK的第一连接端、电压反馈电路UF的第一连接端、第三滤波电容C4的第一连接端和电磁系统线圈X的第一连接端相连接，所述整流模块Z的第四连接端分别与第一滤波电容C1的第二连接端、旁路电容C5的第一连接端、开关芯片IC的第一连接端相连接，所述旁路电容C5的第二连接端接至开关芯片IC的第二连接端，所述开关芯片IC的第三连接端分别与电感L2的第二连接端、续流模块D5的第一连接端相连接，所述续流模块D5的第二连接端分别与第二滤波电容C3的第二连接端、反馈开启电路FK的第二连接端、电流反馈电路IF的第一连接端相连接，所述电流反馈电路IF的第二连接端接至反馈开启电路FK的第三连接端，所述电流反馈电路IF的第三连接端分别与开关芯片IC的第四连接端、电压反馈电路UF的第三连接端相连接，所述电流反馈电路IF的第四连接端接至短路保护模块F的第一连接端，所述短路保护模块F的第二连接端分别与电压反馈电路UF的第二连接端、第三滤波电容C4的第二连接端和电磁系统线圈X的第二连接端相连接。

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