CN109461625A - 一种直流接触器节能模块及节能控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种直流接触器节能模块及节能控制方法，节能模块包括电源单元、电压采集单元、单片机单元以及IGBT驱动单元，其中电压采集单元设于直接接触器所连接的主回路中，将采集的电压信号接至单片机单元的AD采集引脚，单片机单元输出PWM信号至IGBT驱动单元，IGBT驱动单元的输出端与直流接触器线圈所在回路相连；电源单元分别为电压采集单元、单片机单元以及IGBT驱动单元提供工作电源。本发明可以提高220V直流接触器的寿命，有效防止线圈发热，对电压波动可以自动调节占空比，有效降低电磁干扰对数字电路造成的影响，降低直流接触器功耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种低压电器节能技术，具体为一种直流接触器节能模块及节能控制方法。
背景技术
直流接触器作为应用广泛的电气开关之一，其生产和需求数量巨大。直流接触器的工作原理是：当接触器线圈通电后，线圈电流会产生磁场，产生的磁场使静铁芯产生电磁吸力吸引动铁芯，并带动直流接触器点动作，常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触点复原，常开触点断开，常闭触点闭合
在正常使用过程中，电磁铁线圈一直通电工作，产生电磁吸力，保证铁芯和衔铁吸合，带动动触头和静触头闭合，接通电路。在上述过程中，线圈本身存在电阻，持续消耗电能，这是直流接触器主要的使用成本之一，浪费了大量的能源和财产，因此，如何降低直流接触器的工作耗能，是研究直流接触器的关键点和重难点。
目前大多数的直流接触器都是采用双线圈开关的方式实现节能效果的，就是利用大电流吸合，小电流保持，通过加大电阻的方式减小电流，但是切换开关(弹片)容易损坏，当电压过大时，电流也会增大，节能效果不明显，线圈上分压也会增加，时间一长容易发热，影响接触器性能。
有的直流接触器节能方式采用了一些模拟器件，结构简单，但是对输入比较敏感，不适用于宽电压输入，虽然可以在大电流高电压下工作，但是抗干扰性能较弱，接触器吸合会在周围产生较大的电磁干扰，模拟信号由于它的多变性极容易受到干扰，其中包括来自信道的和电子器件的干扰，模拟器件难以保证高的精度。
发明内容
针对现有技术中直流接触器的节能方式影响接触器性能、模拟器件抗干扰性能弱等不足，本发明要解决的问题是提供一种可延长使用寿命、降低运行功耗的直流接触器节能模块及节能控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种直流接触器节能模块，包括电源单元、电压采集单元、单片机单元以及IGBT驱动单元，其中电压采集单元设于直接接触器所连接的主回路中，将采集的电压信号接至单片机单元的AD采集引脚，单片机单元输出PWM信号至IGBT驱动单元，IGBT驱动单元的输出端与直流接触器线圈所在回路相连；电源单元分别为电压采集单元、单片机单元以及IGBT驱动单元提供工作电源。
IGBT驱动单元包括三极管和IGBT，其中三极管的基极与单片机单元的PWM信号输出端相连，三极管的集电极连接到工作电源，发射极接地；三极管的集电极同时与IGBT的栅极连接，栅极和漏极之间并联电阻后接地；源极接至直流接触器线圈的负极。
本发明还具有快恢复二极管，反接于线圈正、负极之间。
压采集单元包括分压电阻、阻容吸收电路，以及运算放大器，直接接触器所连接的主回路电压经分压电阻进入阻容吸收电路，阻容吸收电路的输出端与运算放大器的正输入端相连，运算放大器的输出端经滤波电容输出到单片机的ADC采集引脚；运算放大器的输出端与负输出端短接。
直流接触器节能模块整体安装于PCB板上，该PCB板设于直流接触器的线圈下部，在直流接触器的线圈和直流接触器节能模块的PCB板之间加设铁板。
本发明一种直流接触器节能模块的控制方法，包括以下步骤：
开始初始化，启动看门狗电路；
输出高占空比的PWM信号，使直流接触器吸合；
开始采集输入电压信号，采集信号是要多次取样取平均信号，
看门狗电路判断单片机是否“死机”；
如果单片机没有死机，对采样电压和设定值进行判断；
当采样电压在设定值的80％-110％之间变化时，PWM信号的占空比在9％-12.5％之间变化，实现自动调节，防止电压波动造成的吸合不稳定或者功耗过高。
当采样电压在设定值的80％-110％之间变化时，PWM信号的占空比在9％-12.5％之间变化，具体为：
如果采样电压与设定值差距在±1％范围内，则输出10％占空比；
如果采样电压是设定值的110％，则输出9％占空比的PWM信号；
如果采样电压是设定值的80％，则输出12.5％占空比的PWM信号；
如果采样电压小于设定值的20％时，则单片机停止工作，防止电压过低。
如果单片机死机则让程序复位，保证直流接触器的吸合。
采集输入电压信号为：在一段时间采集多个信号，然后取平均值。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明可以提高220V直流接触器的寿命，有效防止线圈发热，对电压波动可以自动调节占空比，有效降低电磁干扰对数字电路造成的影响，降低直流接触器功耗。
附图说明
图1为本发明电气结构原理框图；
图2为220V转12V电源单元原理图；
图3为12V转3.3V电源单元原理图；
图4为电压采集单元原理图；
图5为单片机单元原理图；
图6为IGBT驱动单元原理图；
图7为单片机程序工作的流程图；
图8为加装铁板以后接触器工作时的磁场分布示意图。
其中，1为接触器工作时线圈的磁感线分布，2为线圈，3为铁板，4为PCB板。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明一种直流接触器节能模块，包括电源单元、电压采集单元、单片机单元以及IGBT驱动单元，其中电压采集单元设于直接接触器所连接的主回路中，将采集的电压信号接至单片机单元的AD采集引脚，单片机单元输出PWM信号至IGBT驱动单元，IGBT驱动单元的输出端与直流接触器线圈所在回路相连；电源单元分别为电压采集单元、单片机单元以及IGBT驱动单元提供工作电源。
IGBT驱动单元包括三极管和IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，其中三极管的基极与单片机单元的PWM信号输出端相连，三极管的集电极连接到工作电源，发射极接地；三极管的集电极同时与IGBT的栅极连接，栅极和漏极之间并联电阻后接地；源极接至直流接触器线圈的负极。
IGBT驱动单元还具有快恢复二极管，反接于线圈正、负极之间。
电压采集单元包括分压电阻、阻容吸收电路，以及运算放大器，直接接触器所连接的主回路电压经分压电阻进入阻容吸收电路，阻容吸收电路的输出端与运算放大器的正输入端相连，运算放大器的输出端经滤波电容输出到单片机的ADC采集引脚；运算放大器的输出端与负输出端短接。
本实施例中，电源单元包括+220V转+12V电源单元以及+12V转+3.3V电源单元，其中+12V转+3.3V电源单元为单片机单元供电，220V转+12V电源单元为IGBT驱动单元做辅助供电。
如图2所示，为12V转3.3V电源单元原理图，+220输入12V转3.3V电源单元，正极连接二极管D1，负极连接绕线电阻R1，再并联一个压敏电阻，输入到NE02-A12-1L电源模块的输入接口P3，经输出接口P4输出+12V，经过续流电感L1、滤波电容C1和C2，输出杂波比较小的+12V；
如图3所示，为+12V转+3.3V电源单元，+12V输入电压经过电阻R3接至发光二极管D3，用来指示+12V的电压情况；经二极管D2并联一个滤波电容C3，然后连接到可调稳压电路(lm2596)的输入引脚1脚，lm2596的3脚和5脚接地，2脚输出+3.3V电压连接稳压管D4的负极，再经过续流电感L2和滤波电容C4输出到电阻R4和发光二极管D5，用来指示+3.3V电压；同时lm2596的4脚接电感L2。
如图4所示，是电压采集单元，+220V经过电阻R5、R6、R7和R8分压后，转变成低电压，经过一个电阻R9和电阻R10、电容C5组成的RC吸收电路，吸收高频信号，进入运算放大器(LM358)的5脚，运算放大器(LM358)作为电压跟随器，起到了输入、输出信号隔离的作用，运放的输出接有电阻R11，是为了隔离运放的容性负载，经过和滤波电容C6输出到单片机的ADC采集引脚；
如图5所示，为单片机单元电路图。单片机要用新唐的N76E003单片机，成本低，属于增强型8位8051内核微控制器，N76E003提供丰富的特殊功能模块，一组看门狗定时器(WDT)，增强型PWM输出和12位ADC。+3.3V输入，经过滤波电容C7输入到9脚，单片机只需要5个引脚就可以烧写程序，支持在线电路编程，便于生产和调试。
如图6所示，为IGBT驱动单元。单片机输出的PWM信号通过电阻R13连接到NPN三极管Q2的基极，三极管Q2的集电极接电阻R14再连接到+12V，发射极接地，电阻R14的另一端接电阻R15，R15接到IGBT的栅极，栅极和漏极之间并联个电阻R16，源极接到直流接触器线圈的负极，线圈正负极之间反接续流二极管D7。
本发明电路总体连接方式、工作过程及原理如下：
+220V输入电源单元(图2)，先接二极管D1和压敏电阻R2，其中一路进入+220V转+12VNE02-A12-1L电源模块，输出+12V，+12V进入LM2596-3.3V电路单元(图3)中的，输出+3.3V给单片机单元(图5)供电，单片机开始工作；+220V输入，另一路进入电压采集模块(图4)，先进行电阻分压，分压到单片机IO口能够承受的电压范围之内，在通过电压跟随器，再经过RC滤波电路，连接到单片机AD采集引脚；单片机的电压输入端通过DC-DC电源模块转变成低电压，再由低电压转变成单片机的工作电压，单片机开始工作，输出PWM信号至直接接触器线圈正负极。
本发明中，单片机提供一个看门狗定时器(WDT)，它可以配置成一个超时复位定时器用于复位整个设备。一旦由于外界干扰设备进入非正常状态或挂起，看门狗可以复位恢复系统，有用于监测系统运行以提高系统可靠性。对于容易受到噪声，电源干扰或静电放电干扰的系统，是十分有用的。
单片机还提供一组数字比较器，用于比较AD 12位转换结果与预先填入寄存器的内容是否一致。ADC比较器使能位一旦设定，每次AD转换结束都会进行比较。寄存器显示根据设定的比较结果，当比较值设置后，ADC比较结果可触发PWM故障刹车。
直流接触器节能模块整体安装于PCB板上，该PCB板设于直流接触器的线圈下部。为了防止直流接触器线圈大的电磁干扰，在直流接触器的线圈和直流接触器节能模块的PCB板之间加设铁板，即在接触器底下外壳的外面，先安装铁板，再把PCB板放在铁板的下面，最后再用外壳(塑料盒子)把铁板和PCB板都用螺丝固定在里面。
如图7所示，本发明一种直流接触器节能模块的控制方法，包括以下步骤：
开始初始化，启动看门狗电路；
输出高占空比的PWM信号，使直流接触器吸合；
开始采集输入电压信号，采集信号是要多次取样取平均信号，
看门狗电路判断单片机是否“死机”；
如果单片机没有死机，对采样电压和设定值进行判断；
当采样电压在设定值的80％-110％之间变化时，PWM信号的占空比在9％-12.5％之间变化，实现自动调节，防止电压波动造成的吸合不稳定或者功耗过高。
采集输入电压信号为：在一段时间采集多个信号，然后取平均值。
单片机先输出高占空比的PWM信号，通过IGBT驱动单元(图6)中三极管驱动电路，为高压开关管(即IGBT管Q1)输出高电平的PWM信号，接触器确保稳定吸合之后，再输出低占空比的PWM信号；同时开始进行电压采集，输入电压转变成低电压然后隔离输出给单片机AD引脚；单片机采集电压信号，为了防止输入电压的波动，在一段时间采集多个信号，然后取平均值，然后跟设定值进行比较，若低于一定范围则开始将占空比调高，让输出电压提高，防止接触器吸合不稳定；若超出一定范围，则将降低占空比，让输出电压降低，防止接触器的电压过高，降低寿命，防止过热。
当采样电压在设定值的80％-110％之间变化时，PWM信号的占空比在9％-12.5％之间变化，具体为：
如果采样电压与设定值差距在±1％范围内，则输出10％占空比；
如果采样电压是设定值的110％，则输出9％占空比的PWM信号；
如果采样电压是设定值的80％，则输出12.5％占空比的PWM信号；
如果采样电压小于设定值的20％时，则单片机停止工作，防止电压过低，接触器吸合不稳定；
如果单片机死机则让程序复位，保证直流接触器的吸合。
在采样电压在设定值的80％-110％之间变化的时候，PWM信号的占空比在9％-12.5％之间变化，实现自动调节，防止电压波动造成的吸合不稳定或者功耗过高。
如图8所示，如果没有加铁板3导磁材料，将磁场通过铁板释放，线圈2的磁场就会大部分都加到PCB4上，会产生强的电磁干扰，造成PCB4上的芯片不工作。在线圈2和PCB4之间加铁板.之后，磁感线1就会被铁板3吸收掉，到PCB4上的磁感线就少了很多，对PCB不会造成影响。
Claims (9)
1.一种直流接触器节能模块，其特征在于：包括电源单元、电压采集单元、单片机单元以及IGBT驱动单元，其中电压采集单元设于直接接触器所连接的主回路中，将采集的电压信号接至单片机单元的AD采集引脚，单片机单元输出PWM信号至IGBT驱动单元，IGBT驱动单元的输出端与直流接触器线圈所在回路相连；电源单元分别为电压采集单元、单片机单元以及IGBT驱动单元提供工作电源。
2.根据权利要求1所述的直流接触器节能模块，其特征在于：IGBT驱动单元包括三极管和IGBT，其中三极管的基极与单片机单元的PWM信号输出端相连，三极管的集电极连接到工作电源，发射极接地；三极管的集电极同时与IGBT的栅极连接，栅极和漏极之间并联电阻后接地；源极接至直流接触器线圈的负极。
3.根据权利要求2所述的直流接触器节能模块，其特征在于：还具有快恢复二极管，反接于线圈正、负极之间。
4.根据权利要求2所述的直流接触器节能模块，其特征在于：电压采集单元包括分压电阻、阻容吸收电路，以及运算放大器，直接接触器所连接的主回路电压经分压电阻进入阻容吸收电路，阻容吸收电路的输出端与运算放大器的正输入端相连，运算放大器的输出端经滤波电容输出到单片机的ADC采集引脚；运算放大器的输出端与负输出端短接。
5.根据权利要求1所述的直流接触器节能模块，其特征在于：直流接触器节能模块整体安装于PCB板上，该PCB板设于直流接触器的线圈下部，在直流接触器的线圈和直流接触器节能模块的PCB板之间加设铁板。
6.根据权利要求1所述的直流接触器节能模块的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
开始初始化，启动看门狗电路；
输出高占空比的PWM信号，使直流接触器吸合；
开始采集输入电压信号，采集信号是要多次取样取平均信号，
看门狗电路判断单片机是否“死机”；
如果单片机没有死机，对采样电压和设定值进行判断；
当采样电压在设定值的80％-110％之间变化时，PWM信号的占空比在9％-12.5％之间变化，实现自动调节，防止电压波动造成的吸合不稳定或者功耗过高。
7.根据权利要求6所述的直流接触器节能模块的控制方法，其特征在于：当采样电压在设定值的80％-110％之间变化时，PWM信号的占空比在9％-12.5％之间变化，具体为：
如果采样电压与设定值差距在±1％范围内，则输出10％占空比；
如果采样电压是设定值的110％，则输出9％占空比的PWM信号；
如果采样电压是设定值的80％，则输出12.5％占空比的PWM信号；
如果采样电压小于设定值的20％时，则单片机停止工作，防止电压过低。
8.根据权利要求6所述的直流接触器节能模块的控制方法，其特征在于：如果单片机死机则让程序复位，保证直流接触器的吸合。
9.根据权利要求6所述的直流接触器节能模块的控制方法，其特征在于采集输入电压信号为：在一段时间采集多个信号，然后取平均值。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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