CN104952667A - 一种适用于低电压供电系统的电磁开关智能控制装置 - Google Patents
一种适用于低电压供电系统的电磁开关智能控制装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的目的是提供一种适用于低电压供电系统的电磁开关智能控制装置，其特征在于：级联的电压变换模块及电流变换模块。前级的电压变换采用电流模式控制方式，可以灵活、快速的调节供应给后级的工作电压，使之高于输入电压并进行电流的监测。后级对前级输出电压进行斩波，在电磁机构两端获得方波电压，从而对电磁开关进行电流闭环控制。该装置通过斜坡补偿消除了由于升压电感电流不稳定引起的高次谐波振荡问题；前级的升压变换，也能够起到功率因数调节作用，净化控制电源；通过采用先进的控制算法配合电磁机构的本体设计，自动寻找最佳控制占空比调节模式，并将最大占空比限制在一定范围内，从而降低吸持阶段电流的谐波分量，减少电磁音频噪声。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于低电压供电系统的电磁开关智能控制装置。
背景技术
电磁开关是低压电力系统中最常用的一类控制电器，由电磁机构、触头机构、联动机构组成。电磁机构根据控制对象工作要求，带动触头机构运动，用于远距离接通和分断交、直流主电路和大容量控制电路，其主要控制对象是电动机，也可用于控制其它电力负载，如电热器、照明设备、电焊机、电容器组等。
控制电器动作一般有机械信号和电气信号两种驱动方式。电磁开关是以电气信号为驱动方式的控制电器，驱动信号使电磁机构动作并通过连杆带动触头机构运动，驱动信号消除后通过反力弹簧使电磁机构和触头机构复位。传统电磁机构工作电压范围窄，按照国家标准规定，一般电磁机构的工作电压在额定电压的85%—110%之间。当电压处于临界吸合工作电压时，极易产生持续的振动，当工作电压过高时，又容易引起线圈温升的升高，导致线圈烧损，因此，为适应不同的工作电压，电磁机构的品种规格繁多，造成生产加工麻烦。
随着智能配电网络的迅猛发展，开关电器的智能化进程得到广泛的关注，在控制电器的智能化控制模式中，首先是对其电磁机构进行智能化的过程控制，实现吸合、吸持、分断过程的优化控制。吸合阶段减少铁心与触头的弹跳，增加电器的电寿命与运行可靠性；吸持阶段实现节能无声运行的直流工作模式；分断阶段实现快速分断控制与减少触头分断电弧的过程控制。
电磁开关在各个系统内被广泛采用，由于使用习惯和改造成本等原因，世界各国的供电电压难以采用统一的标准，电器制造商必须考虑所生产的开关电器适应不同系统的工作电压需求。目前，额定电压100-240V，直流或者交流频率50/60Hz这一控制电压是使用量最大的一类电压等级，针对这一控制电压等级下的电磁机构相关研究工作开展的较早、也较为成熟。
然而，随着新能源系统的发展以及现代社会对人体用电安全意识的日益提高，24/12V等低电压用电系统迅速增加，这类系统可用蓄电池作为能量储备，或从高压侧经控制变压器获得所需电压，如：在潮湿、高绝缘、防爆安全等级高的应用场合，出于线路和人体安全的考虑，在满足更低供电电压的情况下，需要有能与之配套的电磁开关；新能源风力发电和光伏发电目前存在发电量不稳的现状，其配电网络需要低工作电压的电磁开关；电动汽车、车床系统中，常常采用蓄电池作为储能元件，供电电压往往是直流低电压，在电机启停的瞬间，蓄电池输出电压剧烈变化，直接影响到作为控制电器的电磁开关。
这些系统的发展给电磁机构的智能化控制带来新的问题和挑战。在体积、成本、可靠性的要求下，常见的110/220V智能控制方案在低电压控制系统中并不适用。电磁机构的线圈电流上升速率随工作电压的降低呈指数下降，将造成电磁开关的动作触动时间长；在港口、矿业、石油等行业中，电磁开关距离供电电源远，设备运行时产生的电压降大，线路损耗大，电磁机构的激磁磁势受实际电压的影响，吸合困难，甚至会出现吸合后触头重新弹开的事故。然而，无论是传统的，还是智能控制后的电磁机构设计中，大都以激磁电压为正弦电压、正弦电流的情况为设计参数，随着大量电子负载的接入，电源谐波污染严重，直接影响电磁机构的工作性能，对智能控制装置提出了新的要求。
以往电磁机构的智能控制方案基本控制原理是通过功率管的导通和关断，改变施加到电磁机构线圈两端的电压，反馈量分别为线圈电压或者电流参量。此类控制方案从本质上属于直接能量变换方式，即能量只在功率管开通时向电磁机构传递。存在如下缺点：
（1）吸合阶段：直接能量控制方式加载到电磁机构的最大能量受供电电压最大值制约，在低电压控制系统中，吸合过程实现困难。
（2）吸持阶段：常常采用节能无声运行的直流吸持方案，分为直流电压吸持方案和直流电流吸持方案。在直流电压吸持控制中，需要单独回路与线圈连接，随着线圈电阻的变化，线圈上的电流随之变化，吸持吸力也将跟随变化，往往需要采用增大吸持电压的方式使得吸持可靠，而线圈磁能的释放跟吸持电压有直接关系，吸持电压越高——线圈磁能越大——电磁机构释放越缓慢，将造成分断延时。采用直流电流的吸持模式，能够解决直流电压吸持的缺陷，却带来了噪声，这个噪声不同于交流运行下的电磁机构交流噪声，而是由于直流电流吸持状态所引起的高频变化噪声，是一种电磁音频噪声。这种噪声，对于采用PWM脉宽控制的智能化开关电器普遍存在。
发明内容
本发明的目的在于设计一种适用于低电压供电系统的电磁开关智能控制装置，该装置采用了级联式的间接能量控制模式，包括前级的电压变换和后级的电流变换。前级的电压变换采用电流模式控制方式，可以灵活、快速的调节供应给后级的工作电压，使之高于输入电压并进行电流的监测。后级对前级输出电压进行斩波，在电磁机构两端获得方波电压，从而对电磁开关进行电流闭环控制。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：一种适用于低电压供电系统的电磁开关智能控制装置，其特征在于：级联的电压变换模块及电流变换模块；所述电压变换模块包括整流电路、滤波电路、升压电感、第一功率管、PWM控制器、第一电流采样电路、第一电压采样电路、二极管、电容、斜坡补偿电路、补偿网络，所述滤波电路对所述整流电路的输出进行滤波，滤波电路的输出接升压电感；所述PWM控制器驱动控制第一功率管；第一电流采样对第一功率管进行电流采样并将采样信号反馈至PWM控制器；所述第一电压采样电路对所述电容的输出电压进行采样并将采样信号反馈至PWM控制器；所述斜坡补偿电路与PWM控制器连接，对升压电感电流不稳定引起的高次谐波振荡进行补偿；所述补偿网络与PWM控制器连接，补偿网络调节反馈的增益和相位特性，提高电磁机构在吸合到吸持的瞬态过程的动态响应能力，所述二极管接升压电感输出；所述电容一端接所述二极管输出，另一端接地；所述电流变换模块包括线圈、第二功率管、第三功率管、第二电流采样电路、去磁回路、MCU、第一驱动电路、第二驱动电路、第二电压采样电路；所述MCU经第一驱动电路驱动第二功率管，经第二驱动电路驱动第三功率管；所述第二电流采样对第二功率管进行电流采样并将采样信号反馈至MCU；所述第二电压采样电路对输入电源进行采样并将采样信号输入MCU；所述线圈接二极管输出，所述线圈的输出分别接第二功率管及去磁回路；第三功率管的输出接去磁回路。
在本发明一实施例中，当整流后的电压瞬时值小于输出电压目标时，控制方案为boost-斩波模式；第一功率管处于高频开、关状态，第一电压采样电路的采样信号输入至PWM控制器内部的误差放大器，与内部的基准电压比较，同时采样升压电感上的电流，二者比较完成脉冲宽度的调制；当第一功率管闭合时，电流流过升压电感和第一功率管，向升压电感充磁，而无电流流向电流变换模块，当第一功率管断开时，输出电压等于输入电压加上升压电感两端的电压之和。
进一步的，所述PWM控制器通过外部设置控制频率。
较佳的，所述第一功率管门极驱动接地。
在本发明一实施例中，当整流后的电压瞬时值大于输出电压目标时，控制方案为斩波模式；第一功率管处于关断状态，升压电感和电容构成前置LC滤波器，第三功率管在电磁开关吸合、吸持过程不触发，线圈进行自然续流，电磁机构分断时，触发第三功率管，线圈电流通过去磁回路，磁能迅速被消耗，加快分断进程；电流反馈环路决定第二功率管的开、关状态，从而调节流过线圈的电流，进而改变了电磁状态，能够间接控制电磁音频噪声。
与现有技术相比，本发明设计一种适用于低电压供电系统的电磁开关智能控制装置，该装置具有如下优点：
1、采用了级联式的间接能量控制模式。能量变化分为两级变换，当输入电压低于设定电压时进行升压变换，为后级提供稳定的工作电压；当输入电压高于设定电压时，升压模块不起作用，输出电压直接受制于输入电压，具有工作电压范围宽、交直流通用的特点，尤其适合低电压的供电系统；
2、提出了控制模块的谐波抑制措施。通过斜坡补偿消除了由于升压电感电流不稳定引起的高次谐波振荡问题。同时前级的升压变换，也能够起到功率因数调节作用，明显减少输入电流谐波含量，减少智能控制装置工作时对系统的影响，净化控制电源；
3、设计了减少电磁音频噪声的控制模式。通过采用先进的控制算法配合电磁机构的本体设计，自动寻找最佳控制占空比调节模式，并将最大占空比限制在一定范围内，从而降低吸持阶段电流的谐波分量，减少电磁音频噪声。
附图说明
图1为本发明的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明提供一种适用于低电压供电系统的电磁开关智能控制装置，其特征在于：级联的电压变换模块及电流变换模块；所述电压变换模块包括整流电路、滤波电路、升压电感、第一功率管、PWM控制器、第一电流采样电路、第一电压采样电路、二极管、电容、斜坡补偿电路、补偿网络，所述滤波电路对所述整流电路的输出进行滤波，滤波电路的输出接升压电感；所述PWM控制器驱动控制第一功率管；第一电流采样对第一功率管进行电流采样并将采样信号反馈至PWM控制器；所述第一电压采样电路对所述电容的输出电压进行采样并将采样信号反馈至PWM控制器；所述斜坡补偿电路与PWM控制器连接，对升压电感电流不稳定引起的高次谐波振荡进行补偿；所述补偿网络与PWM控制器连接，补偿网络调节反馈的增益和相位特性，提高电磁机构在吸合到吸持的瞬态过程的动态响应能力，所述二极管接升压电感输出；所述电容一端接所述二极管输出，另一端接地；所述电流变换模块包括线圈、第二功率管、第三功率管、第二电流采样电路、去磁回路、MCU、第一驱动电路、第二驱动电路、第二电压采样电路；所述MCU经第一驱动电路驱动第二功率管，经第二驱动电路驱动第三功率管；所述第二电流采样对第二功率管进行电流采样并将采样信号反馈至MCU；所述第二电压采样电路对输入电源采样并将采样信号输入至MCU；所述线圈接二极管输出，所述线圈的输出分别接第二功率管及去磁回路；第三功率管的输出接去磁回路。
在本发明一实施例中，当整流后的电压瞬时值小于输出电压目标时，控制方案为boost-斩波模式；第一功率管处于高频开、关状态，第一电压采样电路的采样信号输入至PWM控制器内部的误差放大器，与内部的基准电压比较，同时采样升压电感上的电流，二者比较完成脉冲宽度的调制；当第一功率管闭合时，电流流过升压电感和第一功率管，向升压电感充磁，而无电流流向电流变换模块，当第一功率管断开时，输出电压等于输入电压加上升压电感两端的电压之和。
进一步的，所述PWM控制器通过外部设置控制频率。
较佳的，所述第一功率管门极驱动接地。
在本发明一实施例中，当整流后的电压瞬时值大于输出电压目标时，控制方案为斩波模式；第一功率管始终处于关断状态，升压电感和电容构成前置LC滤波器，第三功率管在电磁开关吸合、吸持过程不触发，线圈进行自然续流，电磁机构分断时，触发第三功率管，线圈电流通过去磁回路，磁能迅速被消耗，加快分断进程；电流反馈环路决定第二功率管的开、关状态，从而调节流过线圈的电流，进而改变了电磁状态，能够间接控制电磁音频噪声。
常见的110/220V智能控制方案的基本拓扑中，均属于单管型的变换器，单管型并非指某一具体电路只用到一个功率管，本质的意义为：电路拓扑通过调节单管进行功率的变换，控制环路的目标只有一个，电压稳定或者电流稳定，这类拓扑结构都可称为单管型。而在低电压供电系统中，对电磁开关进行智能控制，电压和电流是两个同时需要满足的目标量。图1所示的控制原理，从电路拓扑上看属于双管、级联型架构，控制方案是三控制环路方案，有两个控制目标，将输出电压稳定在给定值，并将线圈电流控制成给定目标。因此，所提级联型方案有两个开关管需要控制，控制灵活性大。
从图1所示的控制原理，可以看出，基本电路拓扑结构可以分为3个部分：1）全桥整流环节，当输入电压为交流时，该环节将交流电压整流为正弦半波或者直流，当输入电压为直流时，直流电压接入电路的输入极性方向通过整流环节，不影响后端电路的正常。2）Boost直流/直流变换环节，该环节的输出电压（虚线处）是需要的控制目标量一；3）斩波直流/直流变换环节，该环节的电磁机构音频噪声是需要的控制目标量二，通过线圈电流间接控制。
该装置由两种工作模式，具体如下：
工作模式一：当整流后电压瞬时值小于输出电压目标时，从输入、输出电压关系看，控制方案处于boost-斩波模式，此时前级的boost变换器功率管1处于高频开、关状态。功率管1的门极驱动可接地，避免悬浮驱动。PWM控制器1是boost变换器控制的核心，可以外部设置控制频率。控制环路设计为电压/电流双闭环。为实现输出电压高于输入电压，为后级电路提供稳定电压，此稳定值能在外部进行设定。取样输出电压的直流信号送到内部的误差放大器，与内部的基准电压比较，同时采样升压电感上的电流，二者比较完成脉冲宽度的调制。当功率管1闭合时，电流流过升压电感和功率管1，给电感充磁，而没有任何电流流向后级，当功率管1断开时，输出电压等于输入电压加上电感两端的电压之和。此种调制方式的特点在于：1）脉宽调制同时由输出电压和电感电流决定，当外界条件变化时，输出电压由于电容而变化滞后，但电流变化快于电压，因此反馈环路能够快速做出响应，迅速稳定输出电压的同时对电感电流峰值进行限制，起到保护作用。补偿网络针对接触器的供电电压波动大和电磁机构存在运动过程的特点，调节反馈的增益和相位特性，使得电磁机构在吸合到吸持的瞬态过程中具有良好的动态响应能力。斜坡补偿用于消除升压电感上产生的次谐波振荡，使得电感电流能够在每个周期回到原始磁能状态，减小输出电压纹波，提高电路稳定性。后级电路参见工作模式二。
工作模式二：当整流后的电压瞬时值大于输出电压目标时，从输入、输出的关系看，控制方案处于斩波模式。此时，前级电路中的功率管1始终处于关断状态，前级boost变换器的升压电感和电容构成了前置LC滤波器。采用离线整流、电容输入滤波，若不采取任何措施，电流波形是窄脉冲，结果由于电流波形的大谐波畸变使功率因数很低。此时通过前级的升压变换，能够起到功率因数预调节的作用，提高控制电路的功率因数，减少输入电流谐波含量，防止对电网的污染。后级的斩波变换器以超低功耗的数字MCU为核心。进行数字化的电流反馈环路灵活设计决定：在电磁开关吸合过程以线圈电流为控制目标，对吸合、分断过程进行优化。功率管3在电磁开关吸合、吸持过程不触发，线圈进行自然续流。电磁机构分断时，触发功率管3，线圈电流通过去磁回路，磁能迅速被消耗，加快分断进程。电磁开关吸持的目标为电磁音频噪声抑制是本发明的特色：电流反馈环路决定功率管2的开、关状态，从而调节流过线圈的电流，进而改变了电磁状态，能够间接控制电磁音频噪声。脉宽调制的智能开关电器噪声产生的原因正是反馈环路的设计不当引起的。以往的智能控制方案控制的目标仅仅是对线圈电流峰值的限制，无法抑制电磁音频噪声。反馈环路设计的原理为：配合电磁开关本体的电磁机构本体，自动搜索最佳的占空比范围，使得调节过程在较为合理的范围内快速切换，并通过理论推导计算出最大占空比，快速调节吸持电流稳定，减少电流低频谐波引起的电磁系统音频噪声。
综上分析，根据整流后的电压瞬时值和输出电压目标之间的关系，以上两种模式处于切换状态，并由双管以及电压/电流、电流三控制环路同时对输出电压、线圈电流（进而间接抑制音频噪声）进行调节。
本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。
Claims (5)
1.一种适用于低电压供电系统的电磁开关智能控制装置，其特征在于：级联的电压变换模块及电流变换模块；
所述电压变换模块包括整流电路、滤波电路、升压电感、第一功率管、PWM控制器、第一电流采样电路、第一电压采样电路、二极管、电容、斜坡补偿电路、补偿网络，所述滤波电路对所述整流电路的输出进行滤波，滤波电路的输出接升压电感；所述PWM控制器驱动控制第一功率管；第一电流采样对第一功率管进行电流采样并将采样信号反馈至PWM控制器；所述第一电压采样电路对所述电容的输出电压进行采样并将采样信号反馈至PWM控制器；所述斜坡补偿电路与PWM控制器连接，对升压电感电流不稳定引起的高次谐波振荡进行补偿；所述补偿网络与PWM控制器连接，补偿网络调节反馈的增益和相位特性，提高电磁机构在吸合到吸持的瞬态过程的动态响应能力，所述二极管接升压电感输出；所述电容一端接所述二极管输出，另一端接地；
所述电流变换模块包括线圈、第二功率管、第三功率管、第二电流采样电路、去磁回路、MCU、第一驱动电路、第二驱动电路、第二电压采样电路；所述MCU经第一驱动电路驱动第二功率管，经第二驱动电路驱动第三功率管；所述第二电流采样对第二功率管进行电流采样并将采样信号反馈至驱动电路；所述第二电压采样电路对输入电源进行采样并将采样信号输入至MCU；所述线圈接二极管输出，所述线圈的输出分别接第二功率管及去磁回路；第三功率管的输出接去磁回路。
2.根据权利要求1所述的适用于低电压供电系统的电磁开关智能控制装置，其特征在于：当整流后的电压瞬时值小于输出电压目标时，控制方案为boost-斩波模式；第一功率管处于高频开、关状态，第一电压采样电路的采样信号输入至PWM控制器内部的误差放大器，与内部的基准电压比较，同时采样升压电感上的电流，二者比较完成脉冲宽度的调制；当第一功率管闭合时，电流流过升压电感和第一功率管，向升压电感充磁，而无电流流向电流变换模块，当第一功率管断开时，输出电压等于输入电压加上升压电感两端的电压之和。
3.根据权利要求2所述的适用于低电压供电系统的电磁开关智能控制装置，其特征在于：所述PWM控制器通过外部设置控制频率。
4.根据权利要求1所述的适用于低电压供电系统的电磁开关智能控制装置，其特征在于：所述第一功率管门极驱动接地。
5.根据权利要求1所述的适用于低电压供电系统的电磁开关智能控制装置，其特征在于：当整流后的电压瞬时值大于输出电压目标时，控制方案为斩波模式；第一功率管处于关断状态，升压电感和电容构成前置LC滤波器，第三功率管在电磁开关吸合、吸持过程不触发，线圈进行自然续流；电磁机构分断时，触发第三功率管，线圈电流通过去磁回路，磁能迅速被消耗，加快分断进程；电流反馈环路决定第二功率管的开、关状态，从而调节流过线圈的电流，进而改变了电磁状态，间接控制电磁音频噪声。
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