CN107993892A - 一种适用于电力机车接触器的电源控制电路 - Google Patents

一种适用于电力机车接触器的电源控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于电力机车接触器的电源控制电路，该电路利用现有成熟的PWM芯片产生脉冲信号，通过三极管驱动电路，MOS管开关电路控制加在线圈上的直流电压为脉冲电压，通过检测的线圈电流调整脉冲宽度实施电磁铁线圈电流的闭环控制，不仅可以使得线圈电流稳定输出，而且通过PWM芯片的外围电路的设计来满足接触器不同工作阶段其电磁铁线圈的启动电流、启动时间、吸持电流的要求，从而起到减少接触器功率消耗，降低接触器线圈温升，并且减少了接触器的工作噪声，具有保护、节能和环保的作用。

Description

一种适用于电力机车接触器的电源控制电路
技术领域
本发明涉及，尤其涉及一种适用于电力机车接触器的电源控制电路。
背景技术
电力机车使用接触器主要安装在机车或动车组的牵引变流系统内，属于机车车辆主电路的隔离装置。它的主要作用是机车车辆牵引电机主电路的隔离；该接触器质量的好坏直接关系到机车的运行状态，一旦发生故障将直接导致机破事故，是机车电路内的重要部件。
电磁接触器从开启到闭合有一段行程，这段行程是接触器分断或闭合的必须距离，为了使受电设备得到稳定可靠的电压、电流，确保闭合行程的可靠性，需要给接触器的电磁线圈提供足够的功率，而接触器完成闭合后，由麦克斯韦公式可知，电磁吸力的量值F正比于电磁感应值B的平方值，因此维持接触器吸和合状态所需电流就变小了。目前的接触器在接触器闭合后仍然一直向电磁线圈提供启动时的功率。这种情况容易造成接触器的线圈温升过高而导致烧损，同时也造成的大量能源浪费。
目前针对该情况的节能装置一般有两种方案，一种是双线圈方案，通过切换不同阻值的线圈达到目的；吸合瞬间，两组线圈两端同时加电，此时两组线圈并联，阻值较小电流较大；接触器吸合后，较小电阻线圈不再加电，只有较大电阻线圈两端加电压，电流会变小。该方案在对电磁线圈设计有特殊要求，其次控制动作切换时间较长，并且线圈电阻决定启动电流和保持电流，灵活性较差；另一种方案是通过对启动过程和维持过程提供不同的控制电压达到节能保护的目的，该方案一般采用PWM斩波电路做DCDC变换来控制线圈两端电压，该方式动作时间短，电压变化灵活，但是电路结构复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于电力机车接触器的电源控制电路，减少接触器功率消耗，降低接触器线圈温升，并且电路结构合理，可应用于多种设计场合。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种适用于电力机车接触器的电源控制电路，包括：PWM控制器及其外围电路、电源电路、以及电压峰值和持续电流处理电路；其中：
所述PWM控制器及其外围电路包括：依次连接的PWM控制器、MOS管驱动电路与NMOS管Q2，以及一端与NMOS管Q2源极相连，另一端与PWM控制器中误差放大器反向输入端相连的电流检测电路；NMOS管Q2的漏极接电磁铁线圈的第二端口；
电压峰值和持续电流处理电路包括：由PMOS管Q1与TVS管D2组成的电压峰值限值电路，以及由二极管D1与TVS管D2和电磁铁线圈组成的续流电路；PMOS管Q1的漏极接电磁铁线圈的第一端口，TVS管D2反并联在PMOS管Q1上，第一二极管D1一端接PMOS管Q1的源极，另一端接电磁铁线圈的第二端口；
电源电路包括：电源保护电路、电源变换电路以及相应的电源指示电路；电源保护电路一端接电源正极，另一端接相应的电源指示电路，且连接PMOS管Q1的源极；电源变换电路的一端通过控制端触点接电源正极，另一端接相应的电源指示电路，还连接PWM控制器与PMOS管Q1的栅极。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，能够自动调整并输出接触器在启动阶段和吸持阶段电磁铁所需工作电流，其通过检测控制电磁铁线圈电流，从而起到减少接触器功率消耗，降低接触器线圈温升，并且减少了接触器的工作噪声，具有保护、节能和环保的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种适用于电力机车接触器的电源控制电路示意图；
图2为本发明实施例提供的PWM控制芯片的框图；
图3为本发明实施例提供的PWM控制芯片外围电路设计原理图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种适用于电力机车接触器的电源控制电路，如图1所示，其主要包括：PWM控制器及其外围电路、电源电路、以及电压峰值和持续电流处理电路；其中：
所述PWM控制器及其外围电路包括：依次连接的PWM控制器、MOS管驱动电路与NMOS管Q2，以及一端与NMOS管Q2源极相连，另一端与PWM控制器中误差放大器反向输入端相连的电流检测电路；NMOS管Q2的漏极接电磁铁线圈的第二端口；
电压峰值和持续电流处理电路包括：由PMOS管Q1与TVS管D2组成的电压峰值限值电路，以及由二极管D1与TVS管D2和电磁铁线圈组成的续流电路；PMOS管Q1的漏极接电磁铁线圈的第一端口，TVS管D2反并联在PMOS管Q1上，第一二极管D1一端接PMOS管Q1的源极，另一端接电磁铁线圈的第二端口；
电源电路包括：电源保护电路、电源变换电路以及相应的电源指示电路；电源保护电路一端接电源(例如DC110V)正极，另一端接相应的电源指示电路，且连接PMOS管Q1的源极；电源变换电路的一端通过控制端触点接电源正极，另一端接相应的电源指示电路，还连接PWM控制器与PMOS管Q1的栅极。
其工作原理如下：当电源DC110V正极输入时，通过电源保护电路，并通过相应的电源指示电路(电源显示灯)加到PMOS管Q1上，因为此时电磁铁控制没给入(即控制端触点断开)，PMOS管Q1断开，DC110V通过TVS管D2降压后加到电磁铁线圈的第一端口，由于Q2的NMOS管未导通，不能形成回路，电磁铁线圈不得电。
本实施例中，电源保护电路可以由压敏电阻，防反二极管，TVS二极管，电容等组成。
当控制端触点闭合时，110VDC通过电源变换电路形成控制所需的15VDC电源给控制板内单元供电。此时，PMOS管Q1导通，110VDC的正极直接加到电磁铁线圈一端；PWM控制器及外围电路开始工作输出设定频率的PWM信号经MOS管驱动电路使得NMOS管Q2导通和关断，电磁铁线圈得电，线圈电流上升达到接触器吸合电流。通过电流检测电路检测电磁铁线圈电流送到PWM控制器的误差放大器的反相输入端，误差放大器的正向输入端接15VDC通过电阻分压形成的一级门限电压，使得吸合电流对应一级门限电压值，此时接触器的工作状态为吸合瞬间。经过RC延时电路延时200ms后，通过三级管导通，使得误差放大器的正向输入端的门限电压变为二级门限电压，使得电磁铁线圈电流下降为对应二级门限电压的保存电流，接触器的工作状态为保存状态。
当控制端触点断开时，Q1，Q2都断开，此时D1的续流二极管和D2的TVS管工作，抑制线圈失电瞬间的峰值电压电流，并使得线圈电流快速下降。
需要说明的是，本发明所实现的上述目的目前有很多种方法，如通过降压BUCK电路控制线圈电压控制方式等，但是大多都要采取复杂的控制手段或成本较高。本发明应用成熟的模拟PWM控制芯片，设计简单，应用广泛，并可根据所接触器的型号和实际应用场合进行设计。
PWM控制器(PWM控制芯片)近年来不断发展，信号微处理器和专用PWM发生器芯片厂家型号较多，各有优劣，本发明所提供的接触器的电源控制电路可适用于各种类型和型号的接触器，可以通过更改和优化电路拓扑结构适用于不同接触器产品，而这些仅仅需要配置PWM控制芯片的外围电路参数，而且也可以采用不同型号的PWM控制芯片达到本电路目的，但是针对电力机车应用场合还是推荐采用模拟的PWM控制芯片，如美国硅半导体公司的SG3524系列和TI公司的UC1524系列。该类模拟芯片对比微处理器芯片或大规模集成电路数字芯片，优点是不需要设计控制算法和编程，电路成熟，价格便宜，而且相对抗干扰能力和可靠性较高。
以PWM控制芯片SG3524为例来进行介绍，如图2所示，如图1所示，PWM控制芯片SG3524内置了5.1V精密基准电源，它为芯片内部的各单元电路提供工作电压，振荡器先产生0.6V～3.5V的锯齿波电压，再变换成矩形波电压，送至触发器、或非门，并由3脚输出。振荡器频率由SG3524的6脚、7脚外接电容CT和外接电阻RT决定，f＝1.18/(RT*CT)。本发明中，基准电压是接在误差放大器的同相输入端上，电流检测电压则加在误差放大器的反相输入端上。当电流升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使电流输出回落到基准电压对应值，实现了稳态。反之亦然。
本发明实施例提供的适用于电力机车接触器的电源控制电路作为接触器的一部分，可以通过电路板形式连接在输入电源(如110VDC)，控制端触点(干触点或继电器)和接触器电磁铁线圈之间，其具体结构如图1所示。该接触器电源控制电路成功的应用于和谐2型交流电力机车牵引变流器的主接触器中，实现对1350V交流电压的闭合及关断。
还参见图1，该电源控制电路的输入端子有4个，110VDC电源的正极和110VDC电源的负极，该负极为电流中的地；控制端触点输入为两个干触点，两个端子闭合，电磁铁线圈得电，两个端子断开，电磁铁线圈失电。该电源控制电路的输出端子有2个，接到接触器电磁铁线圈的两端。
还参见图1，电源保护电路主要对输入的110VDC电源进行滤波处理及EMC防护；电源变换电路主要对输入的110VDC电源进行线性变换输出电路所需的+15VDC电源；相应的指示电路通过LED二极管对输入电源和电磁铁得电进行指示。这两种电路都可以通过目前常规技术来进行设计。
还参见图1，MOS管驱动电路可以为NPN三级管和PNP三级管搭建的图腾柱驱动电路，该MOS管驱动电路也可以为常用电压控制型开关管的驱动电路，这里不多做描述。
还参见图1，当电源DC110V正极输入经电源保护电路后一路接到PMOS管Q1的源极，PMOS管Q1的漏极接到电磁铁线圈的一端，TVS管D2反并联在PMOS管Q1上，DC110V正极通过TVS管D2降压后加到电磁铁线圈的第一端口，由于NMOS管Q2未导通，不能形成回路，电磁铁线圈不得电。当控制端触点闭合时，110VDC通过电源变换电路形成控制所需的15VDC电源给控制板内单元供电。此时，PMOS管Q1导通，110VDC的正极直接加到电磁铁线圈一端；PWM控制芯片SG3524及外围电路开始工作输出设定频率的PWM信号经三级管搭建的驱动电路(MOS管驱动电路)使得NMOS管Q2导通和关断，将110VDC变为脉冲电压施加在电磁铁线圈上。当控制端触点断开时，Q1，Q2都断开，此时续流二极管D1和TVS管D2工作，抑制线圈失电瞬间的峰值电压电流，并使得线圈电流快速下降。
还参见图1，电流检测电路可以为精准电阻及相应检测电路，通过在NMOS管Q2源极对地串入1欧姆精准电阻，通过检测电阻上电压来检测线圈电流。
本发明实施例中，针对PWM控制器的外围设置可以采用如图3所示方式：
1)PWM控制器的16脚，3脚空置，该部分功能不使用，4脚，5脚及10脚接地，该部分功能也不使用；PWM控制器的15脚(电源输入)、12脚(A管集电极)和13脚(B管集电极)接电源变换电路输出的+15VDC电源；PWM控制器的11脚(A管E极)和14脚(B管E极)并联输出PWM方波信号至MOS管驱动电路；6脚，7脚分别接R3，C3；R3＝6.8k，C3＝150nF，因此输出PWM方波频率为f＝1.18/(RT*CT)＝1.2kHz。
2)PWM控制器的9脚为补偿端，和误差放大器输出一起输入到比较器，补偿端串联电容C2与电阻R1到地；电容C2作用是防止比较器输入电压突变，电阻R1是限制电容C2的充电电流。
3)PWM控制器的1脚为误差放大器的反相输入端，电流检测电路经电阻R2、第一稳压管D3以及滤波电容C4接误差放大器的反相输入端；电阻R2和第一稳压管D3确定最大检测电流保护端口，电容C4对检测信号进行滤波处理。
4)PWM控制器的2脚为误差放大器的同相输入端，通过RC延迟电路与门限电路接电源变换电路输出的+15VDC电源；PWM控制器的2脚接两路+15VDC电源，其中，一路+15VDC电源依次通过第二二极管D4、电阻R9、第二稳压管D5NPN三极管Q3与电阻R6后接PWM控制器的2脚；第二二极管D4与电阻R9之间并联电阻R4；电阻R9与第二稳压管D5之间并联电容C5，电阻R9和电容C5组成的RC延时电路；NPN三极管Q3导通的基极与发射极之间并联电阻R5；电阻R6与PWM控制器的2脚之间依次并联电阻R7、电容C6、电阻R8以及电容C7，且电阻R7还接另一路+15VDC电源。
PWM控制器的2脚为两级基准电压输入：电阻R7和电阻R8通过对+15VDC分压确定第一级基准电压＝15×R8/(R7+R8)，电容C6和电容C7为电源滤波电容，保证基准电压稳定性。2脚输入的整个电路构成第二级基准电压＝15×(R8//R6)/(R7+(R8//R6))，+15VDC经二极管D4和电阻R4后经过电阻R9和电容C5组成的延时电路后击穿稳压管D5后(T＝-R9×C5×ln(V入-V出)/V入)使NPN三极管Q3导通，使得电阻R6对地与电阻R8并联后与电阻R7对+15VDC分压确定第二级基准电压，电阻R5为三极管抗干扰电阻。
示例性的：R7可以为34.8k，R8可以为11k，因此第一基准电压为3.6V；R6可以为3.32k，因此第二基准电压为1V；电阻R9可以为4.02k，电容C5可以为47uF，稳压管D5可以为10V稳压管，因此V入为+15VDC经过二极管D4后电压+14.3VDC，电压V出为电容C5上电压+10VDC，延时T为227ms。
本发明实施例提供的上述电源控制电路，利用现有成熟的PWM芯片产生脉冲信号，通过MOS管驱动电路，MOS管开关电路控制加在线圈上的直流电压为脉冲电压，通过检测的线圈电流调整脉冲宽度实施电磁铁线圈电流的闭环控制，不仅可以使得线圈电流稳定输出，而且通过PWM芯片的外围电路的设计来满足接触器不同工作阶段其电磁铁线圈的启动电流、启动时间、吸持电流的要求，从而起到减少接触器功率消耗，降低接触器线圈温升，并且减少了接触器的工作噪声，具有保护、节能和环保的作用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种适用于电力机车接触器的电源控制电路，其特征在于，包括：PWM控制器及其外围电路、电源电路、以及电压峰值和持续电流处理电路；其中：
所述PWM控制器及其外围电路包括：依次连接的PWM控制器、MOS管驱动电路与NMOS管Q2，以及一端与NMOS管Q2源极相连，另一端与PWM控制器中误差放大器反向输入端相连的电流检测电路；NMOS管Q2的漏极接电磁铁线圈的第二端口；
电压峰值和持续电流处理电路包括：由PMOS管Q1与TVS管D2组成的电压峰值限值电路，以及由二极管D1与TVS管D2和电磁铁线圈组成的续流电路；PMOS管Q1的漏极接电磁铁线圈的第一端口，TVS管D2反并联在PMOS管Q1上，第一二极管D1一端接PMOS管Q1的源极，另一端接电磁铁线圈的第二端口；
电源电路包括：电源保护电路、电源变换电路以及相应的电源指示电路；电源保护电路一端接电源正极，另一端接相应的电源指示电路，且连接PMOS管Q1的源极；电源变换电路的一端通过控制端触点接电源正极，另一端接相应的电源指示电路，还连接PWM控制器与PMOS管Q1的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种适用于电力机车接触器的电源控制电路，其特征在于，
PWM控制器的15脚、12脚和13脚接电源变换电路输出的+15VDC电源；
PWM控制器的11脚和14脚并联输出PWM方波信号至MOS管驱动电路；
PWM控制器的9脚为补偿端，和误差放大器输出一起输入到比较器，补偿端串联电容C2与电阻R1到地；
PWM控制器的1脚为误差放大器的反相输入端，电流检测电路经电阻R2、第一稳压管D3以及滤波电容C4接误差放大器的反相输入端；
PWM控制器的2脚为误差放大器的同相输入端，通过RC延迟电路与门限电路接电源变换电路输出的+15VDC电源。
3.根据权利要求2所述的一种适用于电力机车接触器的电源控制电路，其特征在于，PWM控制器的2脚接两路+15VDC电源，其中，一路+15VDC电源依次通过第二二极管D4、电阻R9、第二稳压管D5NPN三极管Q3与电阻R6后接PWM控制器的2脚；第二二极管D4与电阻R9之间并联电阻R4；电阻R9与第二稳压管D5之间并联电容C5，电阻R9和电容C5组成的RC延时电路；NPN三极管Q3导通的基极与发射极之间并联电阻R5；电阻R6与PWM控制器的2脚之间依次并联电阻R7、电容C6、电阻R8以及电容C7，且电阻R7还接另一路+15VDC电源。
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