CN105632840A - 一种基于分断相位控制的智能交流接触器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于分断相位控制的智能交流接触器，包括电磁式交流接触器及由信号采集、主控、供电和线圈电流控制等模块形成的智能控制器；信号采集模块采集该交流接触器任一相线的电流并送给主控模块；供电模块将该交流接触器上线圈产生的交流电转直流电并送给主控模块；当主控模块检测到直流电电压值小于预设的数值时，等待信号采集模块采集的电流到达分断能量之和最小的相位角后，输出分断指令，通过线圈电流控制模块控制线圈电流断开；或主控模块检测到直流电电压值大于或等于预设的数值时，输出接通指令，通过线圈电流控制模块控制线圈电流导通。实施本发明，能够通过改变分断策略来减少分断电弧的能量，使得分断电弧能量更小，从而达到延长寿命的目的。

Description

一种基于分断相位控制的智能交流接触器及其操作方法

技术领域

本发明涉及智能开关电器技术领域，尤其涉及一种基于分断相位控制的智能交流接触器及其操作方法。

背景技术

电磁式交流接触器广泛应用于配电系统和工业生产中，其一般为三相三线制，通过内置的线圈回路的导通或断开来控制电流主回路的通断。

目前，电磁式交流接触器的寿命主要取决于电触头的寿命，但是电触头在分断过程中，其上所产生的具有烧蚀性的电弧是导致电触头寿命损耗的主要因素。因为电触头通常为铜基质，表面覆盖有高硬度、抗熔焊的银氧化物（如银氧化铬AgCdO或银氧化锡AgSnO₂），在电触头在分断过程中，不管动静触头之间的空气被电离或不被电离，由于电流的存在，都会在空气中移动产生大量热量，且进一步由于时间短而无法散热，使得动静触头表面温度急剧升高而被烧蚀。尤其是，当动静触头表面的银氧化物被烧蚀到一定程度时，二者所含铜基质就会直接接触，在高温下容易引发严重的电气事故。

现有技术中，用于延长电磁式交流接触器的寿命的方法有两种：一、采用抗熔焊能力更好的触头覆盖材料，但是无法取得比现有材料性价比更佳的；二、通过改变分断策略来减少分断电弧的能量，需要三相分别在不同时刻分断，保证每一相的分断相位角均稍早于电流过零点，但是在实际制造中，往往工艺精度无法保证。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于分断相位控制的智能交流接触器及其操作方法，能够通过改变分断策略来减少分断电弧的能量，使得分断电弧能量更小，从而达到延长寿命的目的。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种抗冲击的敏感元件，其所述敏感元件包括由金属部件形成的衬底以及与所述衬底焊接在一起的铁镓合金。

本发明实施例还提供了一种基于分断相位控制的智能交流接触器，包括电磁式交流接触器以及设置于所述电磁式交流接触器上的智能控制器；所述智能控制器包括信号采集模块、主控模块、供电模块和线圈电流控制模块；其中，

所述信号采集模块的输入端与所述电磁式交流接触器上主回路的一相线相连，输出端与所述主控模块的第一输入端相连，用于采集与所述电磁式交流接触器相连相线上的电流，并获取所述采集到的电流输出给所述主控模块；

所述供电模块的输入端与所述电磁式交流接触器上线圈相连，输出端分别与所述线圈电流控制模块的第一输入端及所述主控模块的第二输入端相连，用于将交流电转变成直流电并供电；

所述主控模块的输出端与所述线圈电流控制模块的第二输入端相连，用于获取所述供电模块的当前直流电电压值，且当检测到所述当前直流电电压值小于预设的数值时，并等待所述信号采集模块采集到的电流到达预设的分断能量之和最小的相位角后，输出分断指令；或当检测到所述当前直流电电压值大于或等于所述预设的数值时，输出接通指令；

所述线圈电流控制模块的输出端与所述电磁式交流接触器上线圈相连，用于当获取到所述主控模块输出的分断指令时，控制所述线圈电流断开；或当获取到所述主控模块输出的接通指令时，控制所述线圈电流导通。

其中，所述预设的分断能量之和最小的相位角为π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3、2π之中其一。

其中，所述主控模块包括MCU和两个数模转换器；其中，

一数模转换器的输入端与所述信号采集模块的输出端相连，另一数模转换器的输入端与所述供电模块的输出端相连；

所述MCU的输入端与所述两个数模转换器的输出端均相连，且还与所述供电模块的输出端相连，输出端与所述线圈电流控制模块的第二输入端相连。

其中，所述MCU和所述两个数模转换器均集成在一块STM32的32位嵌入式CPU芯片上。

其中，所述信号采集模块包括电流互感器和低通滤波电路；其中，

所述电流互感器的一端与所述电磁式交流接触器上主回路的一相线相连，另一端与所述低通滤波电路的输入端相连；

所述低通滤波电路的输出端与所述主控模块的第一输入端相连。

其中，所述信号采集模块还包括设置于所述低通滤波电路的输出端和所述主控模块的第一输入端之间的放大电路。

其中，所述线圈电流控制模块包括绝缘栅双极型晶体管；其中，

所述绝缘栅双极型晶体管的栅极与所述主控模块的输出端相连，集电极与所述线圈相连，发射极接地。

其中，所述线圈电流控制模块包括场效应管；其中，

所述场效应管的栅极与所述主控模块的输出端相连，漏极与所述线圈相连，源极接地。

本发明实施例还提供了一种基于分断相位控制的智能交流接触器的操作方法，其前述的智能交流接触器上实现，所述操作方法包括：

通过所述智能交流接触器上供电模块获取其上电磁式交流接触器线圈产生的交流电，并将所述获取到的交流电转换成直流电，且进一步通过所述智能交流接触器上信号采集模块采集所述电磁式交流接触器任一相线上的电流；

判断所述转换后的直流电电压值是否小于预设的数值；

如果是，则所述智能交流接触器上主控模块待所述采集到的电流到达预设的分断能量之和最小的相位角后，产生分断指令，并通过所述智能交流接触器上线圈控制模块控制所述电磁式交流接触器线圈电流断开；

如果否，则所述主控模块产生接通指令，通过所述线圈控制模块控制所述电磁式交流接触器线圈电流导通。

其中，所述预设的分断能量之和最小的相位角为π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3、2π之中其一。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在本发明实施例中，由于智能交流接触器会在某一相的电流到达预设的分断能量之和最小的相位角后，产生分断指令，控制线圈电流断开，从而能够减少分断电弧的能量，并使得分断电弧能量最小，达到延长寿命的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的一种基于分断相位控制的智能交流接触器的系统结构图；

图2为图1中供电模块的应用场景图；

图3为图1中信号采集模块的应用场景图；

图4为图1中线圈电流控制模块的应用场景图；

图5为本发明实施例提供的一种基于分断相位控制的智能交流接触器的操作方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种基于分断相位控制的智能交流接触器，包括电磁式交流接触器（未图示）以及设置于电磁式交流接触器上的智能控制器；智能控制器包括信号采集模块1、主控模块2、供电模块3和线圈电流控制模块4；其中，

信号采集模块1的输入端与电磁式交流接触器上主回路的一相线相连，输出端与主控模块2的第一输入端a1相连，用于采集与电磁式交流接触器相连相线上的电流，并获取所述采集到的电流输出给主控模块2；

供电模块3的输入端与电磁式交流接触器上线圈相连，输出端分别与线圈电流控制模块4的第一输入端b1及主控模块2的第二输入端a2相连，用于将交流电转变成直流电并供电；

主控模块2的输出端a3与线圈电流控制模块4的第二输入端b2相连，用于获取供电模块3的当前直流电电压值，且当检测到当前直流电电压值小于预设的数值时，并等待述信号采集模块1采集到的电流到达预设的分断能量之和最小的相位角后，输出分断指令；或当检测到当前直流电电压值大于或等于所述预设的数值时，输出接通指令；

线圈电流控制模块4的输出端b3与电磁式交流接触器上线圈相连，用于当获取到主控模块2输出的分断指令时，控制线圈电流断开；或当获取到主控模块2输出的接通指令时，控制线圈电流导通。

应当说明的是，由于电磁式交流接触器三相的相位差为2π/3，故在一次分断操作中，三相分断相位不同，但是当电磁式交流接触器任一相的分断电弧能量最小时，则会使得三相的分断电弧能量之和也为最小。

在本发明实施例中，最小分断能量和的位置对应的角度应略小于π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3和2π的位置，即对应某一相的过零相位（0或π），而超过这几个角度之后，分断能量和会突然增大。因此，预设的分断能量之和最小的相位角可设置为π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3、2π之中其一。

在本发明实施例中，供电模块3将线圈的交流电转化为直流电，给主控模块2供电，同时也通过线圈电流控制模块4给交流接触器的线圈提供电流。当线圈电源断电后，则供电模块3输出的电压就会降低，使得主控模块2能够快速判断出分断操作指令。

在一个实施例中，如图2所示，为供电模块的应用场景图。使用电阻R1对线圈电源取电，并使用四个二极管（D1至D4）组成整流桥，将交流电转化为直流电。使用一个大电容C2储存电能，以实现断电之后，仍然能在一段时间内（大于0.02秒）对主控模块2和线圈供电；否则，延迟分断的过程会因为断电而提早分断。

在本发明实施例中，主控模块2包括MCU21和两个数模转换器22；其中，

一数模转换器22的输入端与信号采集模块1的输出端相连，另一数模转换器22的输入端与供电模块3的输出端相连；

MCU21的输入端与两个数模转换器22的输出端均相连，且还与供电模块3的输出端相连，输出端与线圈电流控制模块4的第二输入端b2相连。

可以理解的是，MCU21和两个数模转换器22均集成在一块STM32的32位嵌入式CPU芯片上。

更进一步的，信号采集模块1包括电流互感器11和低通滤波电路12；其中，

电流互感器11的一端与电磁式交流接触器上主回路的一相线相连，另一端与低通滤波电路12的输入端相连；

低通滤波电路12的输出端与主控模块2的第一输入端a1相连。

更进一步的，信号采集模块1还包括设置于低通滤波电路12的输出端和主控模块2的第一输入端a1之间的放大电路13。

在一个实施例中，如图3所示，为信号采集模块的应用场景图。电流互感器11为T1，电流互感器T1获得电磁式交流接触器上主回路的某一相线电流；低通滤波器12设计为截止频率为1kHz的RC无源低通滤波器，包括二级滤波电路R6、C5和R7、C6组成，用于去除信号中的噪声干扰，RC无源低通滤波器也可改进为有源滤波器，以获得更好的频率响应特性；放大电路13由运算放大器U1实现，电阻R1、R2可根据增益的要求进行调整，理论上增益G=R2/R1。同时如果单级运算放大器的增益不能满足需求，还可在输出点OUTPUT之后再串联上一个相同的放大电路，形成二级放大，则总增益为各级放大器增益的乘积。运算放大器U1电源电压需要根据运算放大器U1的型号进行调整，由于运算放大器U1对应的电压为3.3V，而供电模块3为中央控制单元MCU31的供电为5V，故应使用两个电阻分压。

更进一步的，线圈电流控制模块4包括绝缘栅双极型晶体管；其中，绝缘栅双极型晶体管的栅极与主控模块2的输出端相连，集电极与线圈相连，发射极接地。

或者线圈电流控制模块4包括场效应管；其中，场效应管的栅极与主控模块的输出端相连，漏极与线圈相连，源极接地。

在一个实施例中，如图4所示，为线圈电流控制模块的应用场景图。以一个绝缘栅双极型晶体管为核心，标记为Q1。Q1的管脚G（门极）连接MCU的信号端，管脚C（集电极）连接电源模块，管脚E（发射极）接地。OUT1和OUT2分别接在线圈两端。当发出接通信号时，MCU输出高电平，Q1接通，OUT1和OUT2提供线圈所需的电流，交流接触器吸合力的铁芯吸合，电触头开始运动并接通。当交流接触器保持接通时，MCU处于高电平，铁芯吸合力保持，触头也保持接通。当要对交流接触器进行分断时，MCU输出信号变为低电平，IGBT关断线圈回路，线圈中的电流也相应变为0，交流接触器吸合力变为0，电触头开始分断。

本发明实施例中基于分断相位控制的智能交流接触器的工作原理为：信号采集模块1的电流互感器11从电磁式交流接触器主回路某一相获得当前电流对应的电压值，然后通过低通滤波电路12滤波和放大电路13放大，再进入主控模块2的一数模转换器中进行转换。供电模块3将线圈的交流电压转化为直流电，进入主控模块2的另一数模转换器中进行转换，以判断是否收到分断信号。当线圈电源断电，供电模块2输出的电压降低（即电压值小于预设的数值），主控模块2中的MCU给出分断指令，此时MCU延迟分断操作，跟踪电流信号采集模块1采集到的电流信号的相位角，在该电流信号达到预设的分断能量之和最小的相位角时，MCU发送分断指令至线圈电流控制模块4，使得线圈电流控制模块4能够控制线圈电流断开，实现交流接触器的小电弧分断。当然，当供电模块2输出的电压回复后（即电压值大于或等于预设的数值），则MCU31发送接通指令至线圈电流控制模块4，使得线圈电流控制模块4能够控制线圈电流导通。

如图5所示，为本发明实施例中，提供的一种基于分断相位控制的智能交流接触器的操作方法，其前述的智能交流接触器上实现，所述操作方法包括：

步骤S1、通过所述智能交流接触器上供电模块获取其上电磁式交流接触器线圈产生的交流电，并将所述获取到的交流电转换成直流电，且进一步通过所述智能交流接触器上信号采集模块采集所述电磁式交流接触器任一相线上的电流；

步骤S2、判断所述转换后的直流电电压值是否小于预设的数值；如果是，则执行下一步骤S3；如果否，则跳转至步骤S4；

步骤S3、所述智能交流接触器上主控模块待所述采集到的电流到达预设的分断能量之和最小的相位角后，产生分断指令，并通过所述智能交流接触器上线圈控制模块控制所述电磁式交流接触器线圈电流断开；

步骤S4、所述主控模块产生接通指令，通过所述线圈控制模块控制所述电磁式交流接触器线圈电流导通。

其中，所述预设的分断能量之和最小的相位角为π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3、2π之中其一。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在本发明实施例中，由于智能交流接触器会在某一相的电流到达预设的分断能量之和最小的相位角后，产生分断指令，控制线圈电流断开，从而能够减少分断电弧的能量，并使得分断电弧能量最小，达到延长寿命的目的。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于分断相位控制的智能交流接触器，其特征在于，包括电磁式交流接触器以及设置于所述电磁式交流接触器上的智能控制器；所述智能控制器包括信号采集模块、主控模块、供电模块和线圈电流控制模块；其中，

所述信号采集模块的输入端与所述电磁式交流接触器上主回路的一相线相连，输出端与所述主控模块的第一输入端相连，用于采集与所述电磁式交流接触器相连相线上的电流，并获取所述采集到的电流输出给所述主控模块；

所述供电模块的输入端与所述电磁式交流接触器上线圈相连，输出端分别与所述线圈电流控制模块的第一输入端及所述主控模块的第二输入端相连，用于将交流电转变成直流电并供电；

所述主控模块的输出端与所述线圈电流控制模块的第二输入端相连，用于获取所述供电模块的当前直流电电压值，且当检测到所述当前直流电电压值小于预设的数值时，并等待所述信号采集模块采集到的电流到达预设的分断能量之和最小的相位角后，输出分断指令；或当检测到所述当前直流电电压值大于或等于所述预设的数值时，输出接通指令；

所述线圈电流控制模块的输出端与所述电磁式交流接触器上线圈相连，用于当获取到所述主控模块输出的分断指令时，控制所述线圈电流断开；或当获取到所述主控模块输出的接通指令时，控制所述线圈电流导通。

2.如权利要求1所述的智能交流接触器，其特征在于，所述预设的分断能量之和最小的相位角为π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3、2π之中其一。

3.如权利要求1所述的智能交流接触器，其特征在于，所述主控模块包括MCU和两个数模转换器；其中，

一数模转换器的输入端与所述信号采集模块的输出端相连，另一数模转换器的输入端与所述供电模块的输出端相连；

所述MCU的输入端与所述两个数模转换器的输出端均相连，且还与所述供电模块的输出端相连，输出端与所述线圈电流控制模块的第二输入端相连。

4.如权利要求3所述的智能交流接触器，其特征在于，所述MCU和所述两个数模转换器均集成在一块STM32的32位嵌入式CPU芯片上。

5.如权利要求1所述的智能交流接触器，其特征在于，所述信号采集模块包括电流互感器和低通滤波电路；其中，

所述电流互感器的一端与所述电磁式交流接触器上主回路的一相线相连，另一端与所述低通滤波电路的输入端相连；

所述低通滤波电路的输出端与所述主控模块的第一输入端相连。

6.如权利要求5所述的智能交流接触器，其特征在于，所述信号采集模块还包括设置于所述低通滤波电路的输出端和所述主控模块的第一输入端之间的放大电路。

7.如权利要求1所述的智能交流接触器，其特征在于，所述线圈电流控制模块包括绝缘栅双极型晶体管；其中，

所述绝缘栅双极型晶体管的栅极与所述主控模块的输出端相连，集电极与所述线圈相连，发射极接地。

8.如权利要求1所述的智能交流接触器，其特征在于，所述线圈电流控制模块包括场效应管；其中，

所述场效应管的栅极与所述主控模块的输出端相连，漏极与所述线圈相连，源极接地。

9.一种基于分断相位控制的智能交流接触器的操作方法，其特征在于，其在包括如权利要求1至8中任一项所述的智能交流接触器上实现，所述操作方法包括：

通过所述智能交流接触器上供电模块获取其上电磁式交流接触器线圈产生的交流电，并将所述获取到的交流电转换成直流电，且进一步通过所述智能交流接触器上信号采集模块采集所述电磁式交流接触器任一相线上的电流；

判断所述转换后的直流电电压值是否小于预设的数值；

如果是，则所述智能交流接触器上主控模块待所述采集到的电流到达预设的分断能量之和最小的相位角后，产生分断指令，并通过所述智能交流接触器上线圈控制模块控制所述电磁式交流接触器线圈电流断开；

如果否，则所述主控模块产生接通指令，通过所述线圈控制模块控制所述电磁式交流接触器线圈电流导通。

10.如权利要求9所述的操作方法，其特征在于，所述预设的分断能量之和最小的相位角为π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3、2π之中其一。