CN105551885B - 接触器的节电电路 - Google Patents
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Abstract
接触器的节电电路，包括线圈驱动电路、整流滤波电路、PFC电路、辅助供电电路和方波发生电路，所述方波发生电路，根据设定时序，通过第一输出端向PFC电路输出第一方波信号，并通过第二输出端向线圈驱动电路输出第二、第三方波信号，用以分别控制PFC电路中的第一开关管和线圈驱动电路中的第二开关管的占空比；所述辅助供电电路，在接触器吸持阶段，为方波发生电路提供电能；所述整流滤波电路，用于把输入交流电整流成脉动的直流电；并把输入窄脉冲电流滤为平滑的电流后，以消除50Hz的工频分量以外的其他高次谐波分量后，输出给PFC电路；所述PFC电路，接收整流滤波后的电能，让输入电流的有效值跟随输入电压变化，并输出给线圈驱动电路及辅助供电电路。
Description
技术领域
本发明涉及交流接触器领域，具体涉及一种提高功率因数的交流接触器的节电电路。
背景技术
传统接触器操作系统由线圈、静铁心、衔铁和反力弹簧组成。当接触器线圈通电后，静铁心和衔铁之间产生吸力，当吸力大于弹簧反作用力时，衔铁被吸向静铁心，直到与静铁心接触为止，这时主触头闭合，这个过程称为吸合过程。线圈持续通电，衔铁与静铁心保持接触，主触头保持闭合状态的过程，称为吸持过程。当线圈中电流减少或中断时，静铁心对衔铁的吸力减小，当吸力小于弹簧反作用里时，衔铁返回打开位置，主触头分开，这个过程称为释放过程。
接触器用于频繁地接通和分断交、直流电路，且可以远距离控制的低压电器。其主要控制对象是电动机，也可以用于控制电热器、电焊机和照明灯等电力负载。目前全国接触器的使用量巨大，中大容量的接触器在吸持状态时，每台消耗的有功功率平均约为60W，功率因数只有0.3左右。降低接触器的能耗对节能减排有重大贡献。
目前已有的接触器节电器采用交流转直流，大电流吸合，小电流保持的方式，大大降低了电磁线圈铁损、铜损和短路环的损耗，可以减小90％以上的有功功耗。但这些技术还有一定的缺陷，只解决的有功功耗的问题，对于功率因数的提高却无能为力，某些节电技术还会使得功率因数降低。如申请号为200510029373.2的专利中，采用脉冲形式给电磁线圈供电，使电磁线圈以恒定的小电流工作；采用该方式工作，不仅会产生大量的谐波，而且输入电流的有效值不跟随输入电压，导致功率因素很低，按照该技术制作样机，实际PF值小于0.3。申请号201210196762.4和201010040019.9的专利的技术，在输入交流电压过零附近给电磁线圈励磁，使得输入电流与输出电压处于一种类似反相的状态，按照该技术制作样机，功率因数小于0.1。
在国家标准GB21518-2008中，根据接触器线圈损耗分为三个能效等级。一般传统接触器为3级能效，而带节电技术的接触器可以做到2级能效。对于容量为100A以上的接触器，为了达到1级能效需要需要把线圈吸持功耗降到1VA以下。目前的接触器节电技术绝大部分没有考虑过功率因数的问题，采用现有的节电技术，很难做到1级能效。必须采用PFC电路才有可能做到1级能效。对于接触器相关的领域，尚未发现使用主动式PFC的技术来提高接触器线圈的功率因数，对于接触器领域相关的普通技术人员，主动式PFC是一项新技术。而在开关电源领域中，由于相关行业标准的要求，主动式PFC电路一般在功率等级75W以上的开关电源中才会使用，小功率开关电源由于成本的原因不会使用，更不用说1W以下的微功率开关电源。通常大功率PFC工作在连续或临界模式，而小功率的PFC工作在断续模式，差别非常大。那么1W以下功率等级PFC电路的工作原理和过程有别于大功率的PFC电路，所以对于开关电源领域的普通技术人员来说，1W以下功率等级的PFC技术并不是常用公开的技术。
针对现有技术所存在的上述的缺陷，本发明提供了一种交流接触器的节电电路，在降低接触器线圈有功功耗的同时可以提高功率因数，使得传统接触器达到1级能效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能在降低接触器线圈有功功耗的同时可以提高功率因数的接触器的节电电路。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种接触器的节电电路，包括线圈驱动电路，还包括整流滤波电路、PFC电路、辅助供电电路和方波发生电路，所述方波发生电路，根据设定时序，通过第一输出端向PFC电路输出第一方波信号，并通过第二输出端向线圈驱动电路输出第二、第三方波信号，用以分别控制PFC电路中的第一开关管和线圈驱动电路中的第二开关管的占空比；所述辅助供电电路，在接触器吸持阶段，为方波发生电路提供电能；所述整流滤波电路，用于把输入交流电整流成脉动的直流电；并把输入窄脉冲电流滤为平滑的电流后，以消除50Hz的工频分量以外的其他高次谐波分量后，输出给PFC电路；所述PFC电路，接收整流滤波后的电能，让输入电流的有效值跟随输入电压变化，并输出给线圈驱动电路及辅助供电电路；所述线圈驱动电路，用来控制接触器线圈的电流；其中，在接触器吸合阶段，PFC电路不工作，节电电路为接触器线圈提供大电流来吸合；在过渡阶段，PFC电路开始工作，节电电路控制接触器线圈的电流逐渐变小；在接触器吸持阶段，PFC电路持续工作，节电电路控制接触器线圈的电流持续为吸持所需的小电流。
优选的，所述整流滤波电路，包括电感，所述PFC电路，包括变压器，其中，所述整流滤波电路的电感和PFC电路的变压器的选取参数，根据接触器吸持阶段的功率来设计，在接触器吸合阶段，电感和变压器都进入饱和状态。
优选的，所述方波发生电路的设定时序，是在接触器吸合阶段，控制第一输出端向PFC电路的第一N-MOS管不输出第一方波信号，使PFC电路处于不工作状态；并通过第二输出端向线圈驱动电路的第二N-MOS管输出大占空比的第二方波信号；在过渡阶段，通过第一输出端向PFC电路的第一N-MOS管开始输出第一方波信号，使PFC电路开始工作；并通过第二输出端向线圈驱动电路的第二N-MOS管输出小占空比的第三方波信号；在接触器吸持阶段，通过第一输出端向PFC电路的第一N-MOS管持续输出第一方波信号，用以控制PFC电路持续工作；并通过第二输出端向线圈驱动电路的第二N-MOS管持续输出小占空比的第三方波信号，用以控制接触器线圈的电流持续为吸持所需的小电流。
优选的，所述节电电路，在接触器吸合阶段所提供的大电流是吸持阶段的小电流的10至20倍。
优选的，所述的整流滤波电路，包括电感、整流桥与第一电容，其具体连接关系是，电感串联在交流电输入端与整流桥的输入端之间，整流桥的输出端与第一电容并联后引出作为整流滤波电路的输出端。
优选的，所述PFC电路，包括变压器、第一N-MOS管、第二二极管与第三电容，变压器包括原边绕组与副边绕组，其具体连接关系是，原边绕组同名端与整流滤波电路的输出端连接，原边绕组异名端分别与第一N-MOS管漏极及第二二极管阳极相连，第二二极管的阴极通过第三电容接地，第二二极管的阴极还引出作为PFC电路的输出端；第一N-MOS管栅极与方波发生电路的第一输出端相连，第一N-MOS管源极接地；副边绕组接辅助供电电路。
优选的，所述PFC电路，包括变压器、第一N-MOS管、第二二极管与第三电容，变压器包括原边绕组与副边绕组，其具体连接关系是，第一N-MOS管漏极与整流滤波电路的输出端连接，第一N-MOS管源极分别与原边绕组同名端及第二二极管阴极连接，原边绕组异名端通过第三电容接地；原边绕组异名端还引出作为PFC电路的输出端；第二二极管的阳极接地；第一N-MOS管栅极与方波发生电路的第一输出端相连；副边绕组接辅助供电电路。
优选的，所述方波发生电路包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其具体连接关系是，第一输入端与PFC电路的输入连接，用以给方波发生电路提供首次启动时所需的电能；第二输入端与辅助供电电路的输出端VDD连接，用以给方波发生电路提供过渡阶段和吸持阶段所需的电能；第一输出端与PFC电路连接，用以输出第一方波信号控制PFC电路的传输能量；第二输出端与线圈驱动电路连接，用以通过改变方波信号的占空比，调节接触器线圈的电流。
优选的，所述辅助供电电路由第一二极管与第二电容组成，其具体连接关系是，第一二极管的阳极与PFC电路相连，第一二极管的阴极通过第二电容接地，第一二极管的阴极还引出作为辅助供电电路的输出端VDD。
优选的，所述线圈驱动电路由第三二极管和第二N-MOS管组成，其具体连接关系是，第三二极管的阴极与PFC电路的输出端相连，第三二极管的阴极还引出作为线圈驱动电路的输出正端，用于与接触器线圈的一端相连；第三二极管的阳极与第二N-MOS管的漏极相连，第二N-MOS管的漏极还引出作为线圈驱动电路的输出负端，用于与接触器线圈的另一端相连；第二N-MOS管的栅极与方波发生电路的第二输出端相连，第二N-MOS管的源极接地。
相对于现有技术而言，本发明的有益效果是，显著地提高了节电电路的功率因素，从原来不到0.3的PF值提升到了0.9以上。从而使得接触器能耗能够降低到1VA以下，达到国家标准GB21518-2008中的1级能效要求。
附图说明
图1为本发明第一实施例接触器的节电电路的电路原理框图；
图2为本发明第一实施例接触器的节电电路的电路原理图；
图3为本发明第一实施例接触器的节电电路未滤波前的输入电流和电压波形；
图4为图3中电流波形的局部展开图；
图5为图3中输入电流的频谱图；
图6为本发明第一实施例滤波后的输入电流和电压波形；
图7为图6中输入电流的频谱图；
图8为本发明第一实施例接触器的节电电路中所示各部分的电压、电流示意图；
图9为本发明第二实施例接触器的节电电路的电路原理图；
图10为本发明第二实施例接触器的节电电路中所示各部分的电压、电流示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明相对于现有技术所作出的改进，在对本发明的两种具体实施方式进行详细说明之前，先对背景技术部分所提到的现有技术加以说明，进而引出本案的发明构思。
由于现有接触器在吸合过程中线圈需要大电流，而吸持过程中线圈所需的电流很小，通常吸合电流是吸持电流的10～20倍。在电路设计时，为了减少成本和体积，第一电感和第一变压器都是根据吸持功率来设计的，所以在吸合过程中第一电感和第一变压器都会处于饱和的状态，PFC电路并不能正常工作。所以在首次上电时方波发生电路第一输出端不输出方波信号，PFC电路不工作；方波发生电路第二输出端输出占空比较大的方波信号，使得线圈流过大电流，这时接触器处于吸合状态。经过一定的时间延时(优选地，可选择延时时间为100ms)，方波发生电路的第一输出端输出方波信号，控制PFC电路正常工作；第二输出端输出占空比较小的方波信号，使得流过线圈的电流变小，减小接触器线圈的有功功耗，接触器进入吸持过程。
普通的功率因素校正电路通常用于几十瓦以上的电源，通常工作在临界或连续模式。所述的PFC电路功率等级小于1W，与普通的功率因素校正电路相比，有比较明显的技术区别。所述的PFC电路工作在断续模式，占空比很小(优选地，方波发生电路的第一输出端方波频率为100kHz，占空比1％)。在如此小的占空比下，虽然输入电流的有效值跟随输入电压变化，但电流是窄脉冲电流，其高频谐波分量太大，PF值不高于0.3。而第一电感和第一电容就起到了滤波的作用，把窄脉冲电流滤为平滑的电流，PF值可以高达0.9。
据此思路，以下结合附图对发明的原理和实施方式进行详细说明。
第一实施例
图1示出了本发明第一实施例接触器的节电电路的电路原理框图，遵循上述初始的技术方案的连接关系。一种用于交流接触器的节电电路，包括整流滤波电路、PFC电路、辅助供电电路、线圈驱动电路和方波发生电路。线圈驱动电路作用是控制接触器线圈的电流。PFC电路的作用是让输入电流的有效值跟随输入电压变化，假如没有整流滤波电路的滤波作用，输入电流是窄脉冲电流，谐波分量很大，即使输入电流有效值跟随输入电压变化，PF值也不高。而整流滤波电路有两个作用，第一是把输入交流电整流成脉动的直流电，第二个作用是把输入窄脉冲电流滤为平滑的电流，PF值比较高。方波发生电路给PFC电路和线圈驱动电路输出方波信号，控制接触器线圈的电流和PFC电路的输出电压的大小。而实际的实施电路图如图2所示。
电感L1、整流桥DB1与电容C1组成整流滤波电路。L1串联在交流电与DB1输入之间，DB1输出端与C1并联，DB1输出端与整流滤波电路输出端相连。整流滤波电路有两个作用，第一个作用是把输入的交流电转换为脉动的直流电，第二个作用是把输入的脉冲电流滤得平滑。
变压器T1、N-MOS管Q1、二极管D2与电容C3组成PFC电路，其中变压器T1包括一个原边绕组与一个副边绕组。所述的原边绕组同名端与电容C1的正端相连，所述的原边绕组异名端分别与N-MOS管Q1的漏极、二极管D2的阳极相连。N-MOS管Q1的源极接地，二极管阴极D2通过电容C3接地。PFC电路的作用是让输入电流的有效值跟随输入电压变化。与一般工作在连续或者临界模式的功率因素校正电路不同，由于本专利方案电路输出功率不到1W，为了减小变压器T1的体积和成本，原边绕组的感量并不大，所以所述的PFC电路会工作在断续模式。为了更清楚说明所述的PFC电路在本专利中所起的作用，以一组实际参数为例，让N-MOS管Q1的栅极驱动信号频率为100kHz、占空比8％，变压器T1原边绕着感量为30mH，输入交流电频率为50Hz，并且把电感L1短路，让电容C1开路，得到图3在一个工频周期内输入电流和输出电压的波形。把图3的电流波形放大，得到图4的在单个开关周期内的输入电流波形，从图中看出，输入电流是断续的。把图3的电流进行傅立叶分解，可得到图5的谐波分量图。从图5可以看出，除了有50Hz的工频分量以外，还有100kHz及其他高次谐波分量的分量。从图3～图5可以看到，工作在断续模式的PFC，虽然输入电流的有效值跟随输入电压变化，但输入电流不连续，含有较多的高频谐波分量，实际PF值并不高。实际样机测试只有0.3左右。而电感L1和电容C1的作用就是为了消除输入电流100kHz以上的高频分量。电感L1取值40mH,电容C1取值2.7nF，得到图6的输入电压电流波形，从图中可以看出，输入电流已经变得平滑。对图6的输入电流波形进行傅立叶分解，得到图7的谐波分量图。从图7中可以看出，100kHz以上的谐波分量大部分已经被去除，只剩下50Hz的工频分量，从而可以使PF值很高。实际样机测试PF值可达0.9。
二极管D1与电容C2组成辅助供电电路。二极管D1的阳极与变压器T1副边绕组的同名端相连，二极管D1的阴极通过电容C2接地，二极管D1的阴极还引出作为辅助供电电路的输出端VDD，变压器T1副边绕组的异名端接地。辅助供电电路，在接触器吸持阶段，为方波发生电路提供电能VDD。
二极管D3、N-MOS管Q2与所述的接触器线圈组成线圈驱动电路。二极管D3的阴极与二极管D2的阴极相连，二极管D3的阳极与N-MOS管Q2的漏极相连，N-MOS管Q2的源极接地，所述的接触器线圈与二极管D3并联。N-MOS管Q2导通时，所述接触器线圈被激磁，线圈电流增大；N-MOS管Q2关断时，所述接触器线圈通过二极管D3续流，线圈电流减小。通常接触器线圈的感量很大，线圈的电流纹波非常小，在稳态时可以近似认为线圈电流是恒定不变的。通过改变N-MOS管的占空比，可以改变所述接触器线圈的电流。
方波发生电路U1包括第一引脚、第二引脚、第三引脚、第四引脚与第五引脚。第一引脚与二极管D1阴极相连，用于辅助供电。第二引脚接地。第三引脚与N-MOS管Q2的栅极相连，控制接触器线圈的电流。第四引脚与N-MOS管Q1的栅极相连，控制所述PFC电路的输出电压。第五引脚与N-MOS管Q1的漏极相连，用于电路启动时的方波发生电路的供电。如图8所示，方波发生电路工作的时序如下：
t1～t2区间为接触器吸合阶段。通常接触器线圈吸合电流是吸持电流的10～20倍，吸合电流由线圈驱动电路控制，通过控制N-MOS管Q2的占空比让接触器线圈通过大电流。出于减小体积和成本的原因，电感L1和变压器T1是根据吸持阶段的功率来设计，所以在吸合阶段L1和T1都会进入饱和状态，PFC电路并不能正常工作。所以在此阶段内，方波发生电路的第四引脚不输出方波信号，让PFC电路不工作。
在t2～t3区间为过渡状态。在t2时方波发生电路的第三引脚的方波信号由大占空比变为小占空比，接触器线圈电流逐渐变小。这时方波发生电路的第四引脚也开始输出方波信号。
在t3以后的时间为接触器吸持状态。接接触器线圈电流下降到吸持所需的电流，PFC电路开始正常工作。
第二实施例
图9所示为本发明第二实施例接触器的节电电路的电路图。第二实施例的PFC电路与第一实施例的PFC电路有所不同。第一实施例中的PFC电路是BOOST拓扑结构，而第二实施例的PFC电路为BUCK拓扑结构，除了某些节点的控制和电压与第一实施例不同以外，其他电路无原理上的区别。如图10所示，与第一实施例不同的是：方波发生电路的第一输出在接触器吸合阶段一直输出高电平；PFC电路输出的电压比输入电压低。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。比如，输入采用多级LC滤波，芯片采用辅组电源供电等。
Claims (9)
1.一种接触器的节电电路，包括线圈驱动电路，其特征在于：还包括整流滤波电路、PFC电路、辅助供电电路和方波发生电路，
所述方波发生电路，根据设定时序，通过第一输出端向PFC电路输出第一方波信号，并通过第二输出端向线圈驱动电路输出第二、第三方波信号，用以分别控制PFC电路中的第一开关管和线圈驱动电路中的第二开关管的占空比；
所述辅助供电电路，在接触器吸持阶段，为方波发生电路提供电能；
所述整流滤波电路，包括电感、整流桥与第一电容，其具体连接关系是，电感串联在交流电输入端与整流桥的输入端之间，整流桥的输出端与第一电容并联后引出作为整流滤波电路的输出端，用于把输入交流电整流成脉动的直流电；并把输入窄脉冲电流滤为平滑的电流后，以消除50Hz的工频分量以外的其他高次谐波分量后，输出给PFC电路；
所述PFC电路，接收整流滤波后的电能，让输入电流的有效值跟随输入电压变化，并输出给线圈驱动电路及辅助供电电路；
所述线圈驱动电路，用来控制接触器线圈的电流，由第三二极管和第二N-MOS管组成，其具体连接关系是，第三二极管的阴极与PFC电路的输出端相连，第三二极管的阴极还引出作为线圈驱动电路的输出正端，用于与接触器线圈的一端相连；第三二极管的阳极与第二N-MOS管的漏极相连，第二N-MOS管的漏极还引出作为线圈驱动电路的输出负端，用于与接触器线圈的另一端相连；第二N-MOS管的栅极与方波发生电路的第二输出端相连，第二N-MOS管的源极接地；其中，
在接触器吸合阶段，PFC电路不工作，节电电路为接触器线圈提供大电流来吸合；
在过渡阶段，PFC电路开始工作，节电电路控制接触器线圈的电流逐渐变小；
在接触器吸持阶段，PFC电路持续工作，节电电路控制接触器线圈的电流持续为吸持所需的小电流。
2.根据权利要求1所述的节电电路，其特征在于：
所述整流滤波电路，包括电感，所述PFC电路，包括变压器，其中，
所述整流滤波电路的电感和PFC电路的变压器的选取参数，根据接触器吸持阶段的功率来设计，在接触器吸合阶段，电感和变压器都进入饱和状态。
3.根据权利要求1所述的节电电路，其特征在于：
所述方波发生电路的设定时序，是
在接触器吸合阶段，控制第一输出端向PFC电路的第一N-MOS管不输出第一方波信号，使PFC电路处于不工作状态；并通过第二输出端向线圈驱动电路的第二N-MOS管输出大占空比的第二方波信号；
在过渡阶段，通过第一输出端向PFC电路的第一N-MOS管开始输出第一方波信号，使PFC电路开始工作；并通过第二输出端向线圈驱动电路的第二N-MOS管输出小占空比的第三方波信号；
在接触器吸持阶段，通过第一输出端向PFC电路的第一N-MOS管持续输出第一方波信号，用以控制PFC电路持续工作；并通过第二输出端向线圈驱动电路的第二N-MOS管持续输出小占空比的第三方波信号，用以控制接触器线圈的电流持续为吸持所需的小电流。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的节电电路，其特征在于：所述节电电路，在接触器吸合阶段所提供的大电流是吸持阶段的小电流的10至20倍。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的节电电路，其特征在于：所述PFC电路，包括变压器、第一N-MOS管、第二二极管与第三电容，变压器包括原边绕组与副边绕组，其具体连接关系是，原边绕组同名端与整流滤波电路的输出端连接，原边绕组异名端分别与第一N-MOS管漏极及第二二极管阳极相连，第二二极管的阴极通过第三电容接地，第二二极管的阴极还引出作为PFC电路的输出端；第一N-MOS管栅极与方波发生电路的第一输出端相连，第一N-MOS管源极接地；副边绕组接辅助供电电路。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的节电电路，其特征在于：所述PFC电路，包括变压器、第一N-MOS管、第二二极管与第三电容，变压器包括原边绕组与副边绕组，其具体连接关系是，第一N-MOS管漏极与整流滤波电路的输出端连接，第一N-MOS管源极分别与原边绕组同名端及第二二极管阴极连接，原边绕组异名端通过第三电容接地；原边绕组异名端还引出作为PFC电路的输出端；第二二极管的阳极接地；第一N-MOS管栅极与方波发生电路的第一输出端相连；副边绕组接辅助供电电路。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的节电电路，其特征在于：所述方波发生电路包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其具体连接关系是，第一输入端与PFC电路的输入连接，用以给方波发生电路提供首次启动时所需的电能；第二输入端与辅助供电电路的输出端VDD连接，用以给方波发生电路提供过渡阶段和吸持阶段所需的电能；第一输出端与PFC电路连接，用以输出第一方波信号控制PFC电路的传输能量；第二输出端与线圈驱动电路连接，用以通过改变方波信号的占空比，调节接触器线圈的电流。
8.根据权利要求5所述的节电电路，其特征在于：所述辅助供电电路由第一二极管与第二电容组成，其具体连接关系是，第一二极管的阳极与PFC电路的变压器副边绕组的同名端相连，PFC电路的变压器副边绕组的异名端接地；第一二极管的阴极通过第二电容接地，第一二极管的阴极还引出作为辅助供电电路的输出端VDD。
9.根据权利要求6所述的节电电路，其特征在于：所述辅助供电电路由第一二极管与第二电容组成，其具体连接关系是，第一二极管的阳极与PFC电路的变压器副边绕组的同名端相连，PFC电路的变压器副边绕组的异名端接地；第一二极管的阴极通过第二电容接地，第一二极管的阴极还引出作为辅助供电电路的输出端VDD。
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