背景技术
交流接触器(Alternating Current Contactor)是一种应用非常广泛的低压电器,截止2015年,我国在线运行的交流接触器超十亿只,而且以每年新增8000万只的速度递增。其工作原理是利用电磁铁带动动触点(movable contact),使常闭触点(normally closed contact)或常开触点(normally open contact)分离或闭合,达到切断或接通电路的目的。它适用于起动或控制三相感应电动机和其它用电设备。
图1为常规交流接触器的工作原理图。这种常规的交流接触器主要由动铁芯、静铁芯、励磁线圈、复位弹簧、动触点、常闭触点、常开触点所组成。当励磁线圈接通AC220V、AC110V或AC380V电压(以下通称AC220V、AC110V或AC380V为AC电压或励磁电源)时,动铁芯受励磁线圈产生的磁力的作用而与静铁芯闭合,与动铁芯联动的动触点也随之与常开触点闭合,外电路便通过此常开触点而接通;当励磁线圈上的AC电压断开时,动铁芯失磁并受复位弹簧的作用而与静铁芯分离,常开触点复位断开,外电路便随之被切断。
这种常规的交流接触器的工作过程可分为“吸合”、“吸持”、“复位”三个阶段:
1、吸合:励磁线圈与AC电压接通,动、静铁芯吸合。在此阶段,为克服动铁芯的惯性和复位弹簧的弹力,励磁电源必须提供较大的功率(以下称此功 率为“吸合功率”),动、静铁芯才能互相吸合。
2、吸持:励磁线圈继续与AC电压接通,动、静铁芯继续保持吸合的状态。在此阶段,励磁电源只须提供较小的功率(以下称此功率为“吸持功率”),动、静铁芯也能继续吸合。若在此阶段,励磁电源提供过大的吸持功率,将造成电能浪费并导致交流接触器不应有的发热升温;
3、复位:励磁线圈断开AC电压,动、静铁芯“复位”分离。
交流接触器的用途千差万别,结构也千差万别,但它们的工作原理均与图1相同。
常规的交流接触器由于吸合与吸持阶段励磁线圈中均通以相同的AC电压,因此存在以下的严重缺点:
1、无谓的耗电:前已述,在吸合和吸持阶段,常规的交流接触器的励磁线圈中均通以相同的AC电压,使吸持功率过大,造成了无谓的电能损耗;
2、发热:无谓的电能损耗所产生的恶果是“升温发热”,严重时,甚至会烧毁常规的交流接触器的励磁线圈;
3、存在烦人的交流噪声。
针对常规交流接触器存在的严重缺点,电子、电器行业内的技术人员研究、设计了多种用于改善常规交流接触器性能的“节电线路”、“节电器”、“节能交流接触器”——以下统称为现有技术。
上述现有技术的确为改善常规交流接触器的性能,作出了有益的探索并取得了一定的成就,但普遍存在以下的缺陷:
1、未设“瞬变电压(voltagetransient)”抑止措施,没有“抑止瞬变电压”的功能。
交流接触器的负载例如电动机在启动或关断瞬间,会产生电压值很高的自 感电动势(self induction electromotive force)——以下统称为“瞬变电压”。因为所述现有技术未设“瞬变电压”抑止措施,所以,“瞬变电压”会通过AC电压输入端口窜入现有技术所指的“节能交流接触器”中,其中的电容、晶闸管等器件可能因此而击穿损坏!
这就是现有技术所指的“节能交流接触器”研究成果众多,但实际应用甚少的原因之一。
2、现有技术所指的“节能交流接触器”,一般均设有控制电路,其中的控制电流仅用于所述的控制电路而未作综合利用。
针对常规交流接触器和现有技术的现状,本发明要达到的目标是:“应用电子技术,改造传统产业”,设计一种利用控制电流的、可以高效节电的、并兼有抑止瞬变电压之功能的“利用控制电流的节电交流接触器”。
发明内容
本发明实现上述目标的方法为:一种利用控制电流的节电交流接触器,包括由动触点MC、常闭触点NC、常开触点NO、动铁芯M、静铁芯G、复位弹簧F、励磁线圈L所组成的常规交流接触器及电子单元100两部份,其特征在于:所述的电子单元100由瞬变电压抑制二极管TVS、分压电路101、DC电源电路102、控制脉冲发生电路103、开关电路104、电桥电路105、公共端E所组成,其中,所述的瞬变电压抑制二极管TVS与AC电压相并联,其一端与AC电压的P1端相连接,另一端与AC电压的P2端相连接;所述的分压电路101的1端与所述的电桥电路105的AC2端相连接;所述的DC电源电路102的2端与所述的分压电路101的1端相连接、3端与所述的控制脉冲发生电路103的4端相连接;所述的控制脉冲发生电路103的5端与开关电路104的6端相连接;所述的开关电路104的7端与电桥电路104的DC2端相连接;所述的电桥电路105的AC1端 与AC电压的P1端相连接、DC1端与所述的励磁线圈L的A1端相连接、DC2端与所述的励磁线圈L的A2端相连接;所述的公共端E与AC电压的P2端相连接;分压电路101、DC电源电路102、控制脉冲发生电路103、开关电路104各自的一端均与所述的公共端E相连接。
所述的电子单元100与常规交流接触器按以上所述的方式相组合,即可组成本发明所指的“利用控制电流的节电交流接触器”。
所述的分压电路101可以采用多种电路结构,本发明优选了以下的电路结构:其由第一电容C1、1端组成;其中,所述的第二电容C1一端与所述的1端相连接、另一端与公共端E相连接。
所述的DC电源电路102可以采用多种电路结构,本发明优选了以下的电路结构:其由第二电容C2、第三电容C3、第五二极管D5、稳压二极管DW、2端、3端组成;其中,第三电容C3的一端与2端相连接,另一端与第五二极管D5的正极、稳压二极管DW的负极均相连接;第五二极管D5的负极、第二电容C2的正极均与3端相连接;稳压二极管DW的正极、第二电容C2的负极均与公共端E相连接。
所述的控制脉冲发生电路103可以采用多种电路结构,本发明优选了以下的一种:其由第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第四电容C4、集成运算放大器IC、4端、5端组成;其中,第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端、第六电阻R6的一端、集成运算放大器IC的8脚均与4端相连接;第二电阻R2的另一端、第四电阻R4的一端、第四电容C4的一端均与集成运算放大器IC的2脚相连接;第三电阻R3的另一端、第五电阻R5的一端均与集成运算放大器IC的3脚相连接;集成运算放大器IC的4脚、第五电阻R5的另一端、第四电阻R4的另一端、第四电容C4的另一端均与公共 端E相连接;集成运算放大器IC的1脚、第六电阻R6的另一端均与5端相连接。
在所述的控制脉冲发生电路103中,所述的集成运算放大器IC选用LM393,根据其工作特征,所述的LM393可以用其他集成运算放大器例如LA6393、AN1393或者用三极管代替;
所述的开关电路104可以采用多种电路结构,本发明优选了以下的电路结构:其由第六二极管D6、单向晶体闸流管SCR(Silicon Controlled Rectifier)、6端、7端组成;其中,所述的第六二极管D6的正极与7端相连接、负极与所述的单向晶体闸流管SCR的阳极相连接;晶体闸流管SCR的阴极与所述的与公共端E相连接、门极与与6端相连接。
所述的单向晶体闸流管SCR可以用其他开关器件例如场效应管(Field Effect Transistor,FET)、双向晶体闸流管(Triode AC Switch,TRIAC)、绝缘栅双极型晶体管(Insulatend Gate Bipolar Transistor,IGBT)、电子注入增强栅晶体管(Injection Enhanced Gate Tansistor,IEGT)、静电感应晶闸管(Static Induction Thyristor,SITH)或开关三极管代替。
所述的电桥电路105可以采用多种电路结构,本发明优选了以下的电路结构:其由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、AC1端、AC2端、DC1端、DC2端组成,其中,第一二极管D1的负极、第二二极管D2的正极均与AC1端相连接;第三二极管D3的正极、第一二极管D1的正极均与DC2端相连接;第二二极管D2的负极、第四二极管D4的负极均与DC1端相连接;第三二极管D3的负极、第四二极管D4的正极均与AC2端相连接。
应用本发明,可以取得以下有益效果:
1、高效节电:
为了说明本发明高效的节电效率,我们做了以下测试:
(1)、先测常规交流接触器的耗电功率:市售的CJX2—D4011型交流接触器:为6.9W;
(2)、再测按本发明的技术方案:上述市售的CJX2—D4011型交流接触器加本发明的电子单元100组成的本发明所指的“利用控制电流的节电交流接触器”的耗电功率:为0.3W;
实测结果表明,与市售的CJX2—D4011型交流接触器相比较,本发明的节电效率可达95.7%。
2、寂静无噪:
本发明所指的“利用控制电流的节电交流接触器”运行时寂静无可闻噪声。市售的CJX2—D4011型交流接触器运行时有明显可闻的交流噪声。
3、低热运行:本发明具有高效节电的功能,节约了电能,运行时必然低热。
4、具有抑止瞬变电压的功能,可以保护本发明免遭瞬变电压的损害,从而,确保本发明长期可靠运行。
简言之:应用本发明,可以创新制造“节能、静噪、可靠运行”的交流接触器。
具体实施方式
下面结合附图,说明本发明的实施方式。
图2为本发明的原理方框图,图3为实施例1的电路原理图。图2中:L为常规交流接触器中的励磁线圈,A1、A2为其之两个连接端口;虚线方框100表示本发明的电子单元100。
结合图1、图2:一种利用控制电流的节电交流接触器,包括由动触点MC、常闭触点NC、常开触点NO、动铁芯M、静铁芯G、复位弹簧F、励磁线圈L所组成的常规交流接触器及电子单元100两部份,其特征在于:所述的电子单元100由瞬变电压抑制二极管TVS、分压电路101、DC电源电路102、控制脉冲发生电路103、开关电路104、电桥电路105、公共端E所组成,其中,所述的瞬变电压抑制二极管TVS与AC电压相并联,其一端与AC电压的P1端相连接,另一端与AC电压的P2端相连接;所述的分压电路101的1端与所述的电桥电路105的AC2端相连接;所述的DC电源电路102的2端与所述的分压电路101的1端相连接、3端与所述的控制脉冲发生电路103的4端相连接;所述的控制脉冲发生电路103的5端与开关电路104的6端相连接;所述的开关电路104的7端与电桥电路104的DC2端相连接;所述的电桥电路105的AC1端与AC电压的P1端相连接、DC1端与所述的励磁线圈L的A1端相连接、DC2端与所述的励磁线圈L的A2端相连接;所述的公共端E与AC电压的P2端相连接;分压电路101、DC电源电路102、控制脉冲发生电路103、开关电路104各自的一端均与所述的公共端E相连接。
所述的电子单元100与常规交流接触器按以上所述的方式相组合,即可组成本发明所指的“利用控制电流的节电交流接触器”。
结合图3:本实施例1中:
在AC电压的输入端设有瞬变电压抑制二极管TVS,如此设置,可以取得以下的有益效果:抑制外部“瞬变电压”——若遭受雷击时产生的瞬变电压或交流接触器的负载例如电动机启动、关断时的自感电动势产生的瞬变电压窜入本发明的电子单元100中,所述的电子单元100之中的器件例如集成运算放大器IC、第一电容C1可能被击穿损坏。在AC电压的输入端设置瞬变电压抑制二极管TVS之后,当外部窜入的“瞬变电压”的电压值高于所述的瞬变电压抑制二极管TVS的击穿电压时,其等效为短路,本发明的电子单元100便得到了保护。
结合图2、图3,在本发明中,称由DC电源电路102、控制脉冲发生电路103组成的系统为“控制系统”,并称输入或输出该“控制系统”的电流i2为“控制电流”。
第一电容C1、1端组成了分压电路101;其中,所述的第二电容C1的一端与所述的1端相连接、另一端与公共端E相连接。
本分压电路101中的第一电容C1在本发明中兼有以下两种作用:其一,对AC电压进行分压,使励磁线圈L从AC电压中获得的“吸持功率”为合适的值;其二,为所述的“控制系统”提供合适的输入电压,使DC电源电路102输出的DC电压Vcc为适中的值(例如15V)。
第二电容C2、第三电容C3、第五二极管D5、稳压二极管DW、2端、3端组成了DC电源电路102;其中,第三电容C3的一端与2端相连接,另一端与第五二极管D5的正极、稳压二极管DW的负极均相连接;第五二极管D5的负极、第二电容C2的正极均与3端相连接;稳压二极管DW的正极、第二电容C2的负极均与公共端E相连接。
所述的DC电源电路102输出的DC电压为Vcc,3端为其正端、公共端E为 其负端。
第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第四电容C4、集成运算放大器IC、4端、5端组成了控制脉冲发生电路103;其中,第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端、第六电阻R6的一端、集成运算放大器IC的8脚均与4端相连接;第二电阻R2的另一端、第四电阻R4的一端、第四电容C4的一端均与集成运算放大器IC的2脚相连接;第三电阻R3的另一端、第五电阻R5的一端均与集成运算放大器IC的3脚相连接;集成运算放大器IC的4脚、第五电阻R5的另一端、第四电阻R4的另一端、第四电容C4的另一端均与公共端E相连接;集成运算放大器IC的1脚、第六电阻R6的另一端均与5端相连接。
上述控制脉冲发生电路103乃是用集成运算放大器IC和几个外围元件组成的电压比较器,当集成运算放大器IC之3脚上电压V3大于其2脚上电压V2,即V3>V2时,其之1脚与公共端E之间为开路状态,所述的集成运算放大器IC输出的电压即其之1脚上的电压Vg为“高电平”;当集成运算放大器IC之3脚上电压V3小于其2脚上电压V2,即V3<V2时,其之1脚与公共端E之间为等效短路状态,所述的集成运算放大器IC输出的电压即其之1脚上的电压Vg为“低电平”,Vg的波形用图5b表示,图中,Vct为单向晶体闸流管SCR的门极触发电压。
在所述的控制脉冲发生电路103中,所述的集成运算放大器IC选用LM393。本专业的人员应该清楚:所述的LM393可以用其他集成运算放大器例如
LA6393、AN1393或者用三极管代替。
本专业的人员应该清楚:所述的集成运算放大器IC也可以用其他器件例如三极管替代。
第六二极管D6、单向晶体闸流管SCR、6端、7端组成了开关电路104;其中,所述的第六二极管D6的正极与7端相连接、负极与所述的单向晶体闸流管SCR的阳极相连接;晶体闸流管SCR的阴极与所述的与公共端E相连接、门极与与6端相连接。
本专业的人员应该清楚:所述的单向晶体闸流管SCR可以用其他开关器件例如场效应管、双向晶体闸流管、绝缘栅双极型晶体管、电子注入增强栅晶体管、静电感应晶闸管或开关三极管代替。
本专业的人员应该清楚:所述的单向晶体闸流管SCR与第六二极管D6相串联后再接入所述的开关电路104中,可使单向晶体闸流管SCR避免承受“反向电压”。此举的有益效果为:
1、单向晶体闸流管SCR损坏的几率大大降低,运行可靠性大大提高;
2、使本发明可以应用价格相对较低、体积相对较小的低反向耐压的开关器件于所述的开关电路104中。
第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、AC1端、AC2端、DC1端、DC2端组成了本实施例1的电桥电路105;其中,第一二极管D1的负极、第二二极管D2的正极均与AC1端相连接;第三二极管D3的正极、第一二极管D1的正极均与DC2端相连接;第二二极管D2的负极、第四二极管D4的负极均与DC1端相连接;第三二极管D3的负极、第四二极管D4的正极均与AC2端相连接。
在本实施例1中,所述的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、优先采用集成整流电挢。
下面,结合附图,阐述本实施例1的工作过程:
一、吸合:
结合图3、图5a、图5b:
t=t1时,AC电压接通,控制电流i2沿着P1—AC1端—D2—DC1端—A1—励磁线圈L—A2—DC2端—D3—AC2端—1端—2端—C3—D5—3端(多路径)—公共端E—P2的路径流通,DC转换电路101输出的DC电压Vcc迅速建立。
DC电压Vcc通过第二电阻R2对第四电容C4充电,随着充电的进程,该第四电容C4上的电压即集成运算放大器IC之2脚上的电压V2逐渐上升。
在t1~t6时域,集成运算放大器IC之3脚上电压V3大于其2脚上电压V2,即V3>V2,集成运算放大器IC输出的电压即其之1脚上的电压Vg为“高电平”。
t=t2时,Vg=Vct,单向晶体闸流管SCR触发导通,吸合电流i1沿着P1—AC1端—D2—DC1端—A1—励磁线圈L—A2—DC2端—7端—D6—单向晶体闸流管SCR—公共端E—P2的路径流通,所述的励磁线圈L充电储能,AC电压通过单向晶体闸流管SCR为本实施例1提供“吸合功率”。
综上分析可知:控制电流i2流过励磁线圈L且与吸合电流i1方向一致。换言之:在吸合过程中,本发明中的控制电流i2被“利用”——协助吸合电流i1完成本实施例1的吸合过程。
动铁芯M受到励磁线圈L所产生的电磁力的作用而开始“吸合起动”。
在t3~t4时域,AC电压处于P1为负、P2为正的负半周,第六二极管D6截止。由于所述的励磁线圈L中的电流i不能突变,其将沿着以下两条路径继续流通——称“续流”,或称励磁线圈L放电释能:第一条路径:A1—励磁线圈L—A2—DC2端—D1—AC1端—D2—DC1端—A1;第二条路径:A1—励磁线圈L—A2—DC2端—D3—AC2端—D4—DC1端—A1。动铁芯M受到“续流”电流所产生的电磁力的作用而继续做“吸合起动”的动作。
t=t5时,动铁芯M与静铁芯G闭合,所述的“利用控制电流的节电交流接触 器”完成吸合过程并进入吸持阶段。
二、吸持:
在t5~t6时域,集成运算放大器IC输出的电压即其之1脚上的电压Vg仍为“高电平”,单向晶体闸流管SCR仍为导通状态。
随着充电的进程,第三电容C3上的电压即集成运算放大器IC之2脚上的电压V2逐步上升,至t=t6时,集成运算放大器IC之2脚上电压V2已上升为大于集成运算放大器IC之3脚上电压V3,即V2>V3,集成运算放大器IC输出的电压即其之1脚上的电压Vg变为“低电平”,即Vg=0<Vct
虽然t=t6时Vg=0<Vct,但此前单向晶体闸流管SCR已处于导通状态,因此,其将不受Vg的控制而继续导通,吸合电流i1继续流通。
t=t7时,AC电压过零,单向晶体闸流管SCR关断,吸合电流i1=0。
单向晶体闸流管SCR关断后,AC电压通过控制电流i2和第一电容C1上的电流i3为本发明提供“吸持功率”。
前已述,t=t5时,动铁芯M与静铁芯G已闭合,本发明已完成“吸合过程”;但在t5~t7时域,单向晶体闸流管SCR仍导通,吸合电流i1仍流通。此t5~t7时域中,吸合电流i1起到了巩固吸合“成果”的作用。
前已述,t=t7开始,AC电压通过控制电流i2和第一电容C1上的电流i3为本发明提供“吸持功率”,其过程为:
1、结合图3,在AC电压的正半周:
第一电容C1上的电流i3沿着P1—AC1端—D2—DC1端—A1—励磁线圈L—A2—DC2端—D3—AC2端—1端—第一电容C1(充电)—P1的路径流通;
控制电流i2则沿着P1—AC1端—D2—DC1端—A1—励磁线圈L—A2—DC2端—D3—AC2端—1端—2端—C3(充电)—D5—3端—公共端E—P2的路径流通。
2、结合图4,在AC电压的负半周:
第一电容C1上的电流i3沿着P2—第一电容C1(放电)—1端—AC2端—D4—DC1端—A1—励磁线圈L—A2—DC2端—D1—AC1端—P1的路径流通;
控制电流i2则沿着P2—DW—C3(放电)—2端—1端—AC2端—D4—DC1端—A1—励磁线圈L—A2—DC2端—D1—AC1端—P1的路径流通。
图4中,i2和i3用虚线箭头,表示它们在AC电压的负半周时的方向与它们在AC电压的正半周时的方向相反。
至此,可以总结出以下结论:控制电流i2具有以下的三重作用:
1、流入“控制系统”中,为“控制系统”建立DC电压Vcc;
2、流过励磁线圈L,为本发明提供一部份吸合功率;
3、流过励磁线圈L,为本发明提供一部份吸持功率;
“利用控制电流i2提供部份吸合功率与吸持功率”是本发明的一项特征。换言之:本发明的特征之一为:控制电流i2流过励磁线圈L。
三、复位
t=t8时,AC电压关断,励磁线圈L中的电流i沿着A1—励磁线圈L—A2—DC2端—D1—AC1端—D2—DC1端—A1和A1—励磁线圈L—A2—DC2端—D3—AC2端—D4—DC1端—A1二条路径“续流”并逐渐减小至零,所述的“利用控制电流的节电交流接触器”复位。
t=t9时,AC电压重新接通,本实施例1所指的“利用控制电流的节电交流接触器”再次通电,重新进入“吸合”、“吸持”、“复位”的工作周期中。
综上所述可知:所述的电桥电路105在本发明中兼具二种功能,第一,整流功能:将流入励磁线圈L中的电流整流成为直流;第二,续流功能:为励磁线圈L中的电流提供“续流”路径。简言之:电桥电路105兼具整流、续流二 种功能。
以上阐述了本发明的技术方案,一切不脱离本发明的技术方案之实质的替代,都应在本发明的权利要求的范围内。