CN110112037A - 一种接触器节电电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接触器节电电路，包括主功率电路、比较器COM1、比较器COM2、占空比限制电路、逻辑控制电路；比较器COM1用于控制吸合阶段接触器线圈的电流，比较器COM2用于控制吸持阶段接触器线圈的电流；逻辑控制电路通过检测比较器COM1和比较器COM2的输出信号，转化为占空比在吸合阶段跟随比较器COM1、在吸持阶段跟随比较器COM2输出信号变化的驱动信号；占空比限制电路用于限制逻辑控制电路输出的驱动信号的最大占空比。本发明在吸持阶段，能保证母线过零时不会出现长通的情况，从而使得去掉现有技术的大母线电容时，接触器出现声音和功率因数低的问题得以解决。

Description

一种接触器节电电路

技术领域

本发明涉及接触器领域，具体涉及接触器节电电路。

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。接触器线圈的匝数很多，感量也很大，通常在吸持阶段接触器线圈的感量在H级别以上。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力时，衔铁返回打开位置，主触头分开，这个过程称为释放过程。通常在吸合阶段接触器线圈需要的电流较大，在吸持阶段线圈所需的电流较小。吸合阶段的时间较短，通常在30ms～150ms之间。

接触器为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。

峰值电流控制广泛应用于电力电子行业中，通过电流互感器、采样电阻等方式来采样电感电流，然后与基准值比较，当电感的电流大于基准值后关断开关管，以此来限制电感的电流。在接触器节电控制的应用中也常用峰值电流控制来控制接触器线圈的电流。采用峰值电流控制，可以使得线圈的电流不跟随输入电压变化，而占空比是与输入电压呈反比关系的，输入电压越低占空比越大。当输入电压低到一定程度，占空比会出现100％的情况。通常在交流输入时，往往会在整流后的母线上加一个较大的电解电容来滤除工频的纹波。

传统不带节电控制的接触器已经存在几十年，在国内近几年来才兴起带节电电路的接触器。传统的接触器内部空间有限，因此控制电路的体积不宜过大，不便于节电电路的推广。然而在一般的交流输入应用中，母线电容是必须的，而母线电容一般采用电解电容，带大母线电容的峰值电流控制电路如图1所示，工作波形如图2所示。从图2的波形可以看出，在有母线电容的情况下，母线电压变化幅度不大，驱动的占空比比较稳定。而母线电解电容一般是整个电路中体积最大的器件，而且电解电容寿命较短，大母线电容的使用，是阻碍节电电路推广的一个重要的因素。在峰值电流控制中，假如直接把母线电容去除，会引起其他有害的效果。如图3所示，假如母线无大电容，在输入电压过零附近，驱动电压会处于长通状态，这会带来两个有害的效果。第一，每次过零是长通的，相当于有一个100Hz的低频占空比，100Hz是在人耳可听到的频率范围内，因此接触器会有声音。第二，从图3的CSL波形可以看出，CSL的波形也是输入电流的波形，在过零附近占空比为100％，这就是说电流有效值在过零附近是最大的，这种输入电流跟输入电压相反的情况下功率因数是很低的，实测不到0.1。这会使得视在功率非常高。

发明内容

有鉴如此，本发明要解决的技术问题是提供一种接触器节电电路，可以把母线的大电容去除，并且不会产生上述两个有害的效果。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种接触器节电电路，其特征在于：

包括主功率电路、比较器COM1、比较器COM2、占空比限制电路、逻辑控制电路；主功率电路的第一输出端与比较器COM1的正输入端相连，主功率电路的第二输出端与比较器COM2的正输入端相连，比较器COM1的负输入端用于输入第一基准信号，比较器COM2的负输入端用于输入第二基准信号，比较器COM1的输出端与逻辑控制电路的第一输入端相连，比较器COM2的输出端与逻辑控制电路的第二输入端相连，占空比限制电路的输出端与逻辑控制电路的第三输入端相连，逻辑控制电路的输出端与主功率电路的输入端相连；

比较器COM1用于控制吸合阶段接触器线圈的电流，比较器COM2用于控制吸持阶段接触器线圈的电流；

逻辑控制电路通过检测比较器COM1和比较器COM2的输出信号，在吸合阶段转化为占空比跟随比较器COM1输出信号变化的驱动信号，在吸持阶段转化为占空比跟随比较器COM2输出信号变化的驱动信号；

占空比限制电路用于限制逻辑控制电路输出的驱动信号的最大占空比。

优选地，占空比限制电路用于限制吸持阶段逻辑控制电路输出的驱动信号的最大占空比。

作为主功率电路的一种具体的实施方式，其特征在于：包括整流桥DB1、二极管D1、MOS管TR1、接触器线圈、电阻R1、电阻R2和电阻R3；整流桥DB1的输入端用于输入交流电，整流桥DB1的负输出端接地，整流桥DB1的正输出端与二极管D1的阴极、接触器线圈的一端相连，二极管D1的阳极与接触器线圈的另一端、MOS管TR1的漏极相连，MOS管TR1的源极通过电阻R1接地，电阻R2和电阻R3串联后并联于电阻R1两端，MOS管TR1的源极与电阻R1、电阻R2的连接点作为主功率电路的第二输出端，电阻R2与电阻R3的连接点作为主功率电路的第一输出端，MOS管TR1的栅极作为主功率电路的输入端。

作为逻辑控制电路的第一种具体的实施方式，其特征在于：包括选通器U1、RS触发器U2和与门U3；选通器U1的第一输入端作为逻辑控制电路的第一输入端，选通器U1的第二输入端作为逻辑控制电路的第二输入端，选通器U1的输出端与RS触发器U2的R输入端相连，RS触发器U2的S输入端用于输入时钟信号，RS触发器U2的输出端与与门U3的一个输入端相连，与门U3的另一个输入端作为逻辑控制电路的第三输入端，与门U3的输出端作为逻辑控制电路的输出端。

作为占空比限制电路的第一种具体的实施方式，其特征在于：包括电阻R4、电容C1、比较器COM3和选通器U4；电阻R4的一端用于输入时钟信号，电阻R4的另一端分别与电容C1的一端、比较器COM3的负输入端相连，电容C1的另一端接地，比较器COM3的正输入端用于输入第三基准信号，比较器COM3的输出端与选通器U4的输入端相连，选通器U4的输出端作为占空比限制电路的输出端。

作为上述占空比限制电路的第一种具体的实施方式，进一步地：在吸合阶段选通器U4输出高电平，在吸持阶段选通器U4的输出跟随比较器COM3的输出电压变化。

作为逻辑控制电路的第二种具体的实施方式，其特征在于：包括选通器U1、RS触发器U2、与门U3和分频器U5；选通器U1的第一输入端作为逻辑控制电路的第一输入端，选通器U1的第二输入端作为逻辑控制电路的第二输入端，选通器U1的输出端与RS触发器U2的R输入端相连，RS触发器U2的S输入端与分频器U5的输出端相连，分频器U5的输入端用于输入时钟信号，RS触发器U2的输出端与与门U3的一个输入端相连，与门U3的另一个输入端作为逻辑控制电路的第三输入端，与门U3的输出端作为逻辑控制电路的输出端。

作为占空比限制电路的第二种具体的实施方式，其特征在于：包括分频器U6和选通器U4；分频器U6的输入端用于输入时钟信号，分频器U6的输出端与选通器U4的输入端相连，选通器U4的输出端作为占空比限制电路的输出端。

作为上述占空比限制电路的第二种具体的实施方式，进一步地：在吸合阶段选通器U4输出高电平，在吸持阶段选通器U4的输出跟随分频器U6的输出电压变化。

作为上述逻辑控制电路的第一种和第二种具体的实施方式，进一步地：在吸合阶段选通器U1的输出跟随比较器COM1的输出电压变化，在吸持阶段选通器U1的输出跟随比较器COM2的输出电压变化。

本发明的工作原理在具体实施方式部分会进行分析，此处不赘述，本发明的有益效果如下：

(1)无需大母线电容，能减小产品体积；

(2)母线过零时接触器不会有声音；

(3)功率因素高。

附图说明

图1为公知技术原理图；

图2为公知技术关键节点波形；

图3为在公知技术基础上直接去掉母线电容的效果；

图4为本发明的接触器节电电路原理框图；

图5为本发明的关键节点波形；

图6为本发明第一实施例的原理图；

图7为本发明第二实施例的原理图。

具体实施方式

图4所示为本发明的接触器节电电路原理框图，包括主功率电路、比较器COM1、比较器COM2、占空比限制电路、逻辑控制电路；主功率电路的第一输出端与比较器COM1的正输入端相连，主功率电路的第二输出端与比较器COM2的正输入端相连，比较器COM1的负输入端用于输入第一基准信号REF1，比较器COM2的负输入端用于输入第二基准信号REF2，比较器COM1的输出端与逻辑控制电路的第一输入端相连，比较器COM2的输出端与逻辑控制电路的第二输入端相连，占空比限制电路的输出端与逻辑控制电路的第三输入端相连，逻辑控制电路的输出端与主功率电路的输入端相连。图5为本发明的关键节点波形。

下面结合本发明的工作原理详细分析本发明的有益效果：

(1)在吸合阶段，接触器线圈电流大，占空比也大，甚至可能会达到100％的占空比，因此在吸合阶段无需限制占空比，当然为了规避本发明，将占空比做一定的限制对本发明基本不产生影响，也能实现本发明的目的，因此“通过占空比限制电路限制吸合阶段逻辑控制电路输出的驱动信号的最大占空比”为非必要技术特征。

(2)在吸持阶段，接触器线圈电流小，占空比小，并且占空比是与输入电压成反比关系的。假如不做其他措施，在母线电压过零时，占空比可能会达到100％，引起上述的有害效果。而本发明中的占空比限制电路，限制住了最大占空比，在母线过零时不会出现长通的情况，如图5所示。没有了背景技术中所述的100Hz的低频占空比，接触器不会有声音；同时在过零附近的输入电流的有效值也降下来了，因此功率因数也会提高。本发明限制了占空比，虽然接触器线圈的电流在母线电压过零附近有一定的波动，但接触器线圈的感量很大，从图5的CSL的包络线可以看出，线圈电流的纹波很小，对正常工作的影响很小。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

第一实施例

第一实施例原理图如图6所示。从图6可以看出本实施例的主功率电路与图1公知技术的主功率电路不同之处在于没有了大母线电容，本实施例具体的电路结构如下：

主功率电路包括整流桥DB1、二极管D1、MOS管TR1、接触器线圈、电阻R1、电阻R2和电阻R3；整流桥DB1的输入端用于输入交流电，整流桥DB1的负输出端接地，整流桥DB1的正输出端与二极管D1的阴极、接触器线圈的一端相连，二极管D1的阳极与接触器线圈的另一端、MOS管TR1的漏极相连，MOS管TR1的源极通过电阻R1接地，电阻R2和电阻R3串联后并联于电阻R1两端，MOS管TR1的源极与电阻R1、电阻R2的连接点作为主功率电路的第二输出端，电阻R2与电阻R3的连接点作为主功率电路的第一输出端，MOS管TR1的栅极作为主功率电路的输入端。

逻辑控制电路包括选通器U1、RS触发器U2和与门U3。选通器U1的作用是：在吸合阶段选通器U1的输出跟随比较器COM1的输出电压变化，在吸持阶段选通器U1的输出跟随比较器COM2的输出电压变化。选通器U1的第一输入端作为逻辑控制电路的第一输入端，选通器U1的第二输入端作为逻辑控制电路的第二输入端，选通器U1的输出端与RS触发器U2的R输入端相连，RS触发器U2的S输入端输入时钟信号CLK，RS触发器U2的输出端与与门U3的一个输入端相连，与门U3的另一个输入端作为逻辑控制电路的第三输入端，与门U3的输出端作为逻辑控制电路的输出端。

占空比限制电路包括电阻R4、电容C1、比较器COM3和选通器U4。选通器U4的作用是：在吸合阶段输出高电平，在吸持阶段选通器U4的输出信号跟随比较器COM3的输出电压变化。电阻R4的一端输入时钟信号CLK，电阻R4的另一端分别与电容C1的一端、比较器COM3的负输入端相连，电容C1的另一端接地，第三基准信号REF3与比较器COM3的正输入端相连，比较器COM3的输出端与选通器U4的输入端相连，选通器U4的输出端作为占空比限制电路的输出端。

本实施例在吸持阶段的控制原理为：MOS管TR1的驱动信号导通由时钟信号CLK控制，时钟信号输出上升沿时，RS触发器U2输出高电平，这时比较器COM3的负输入端电压比第三基准信号REF3低，比较器COM3输出高电平，MOS管TR1的驱动信号为高。MOS管TR1导通后，比较器COM2的正输入端持续升高，同时比较器COM3的负输入端电压也持续升高。在输入电压比较高时，比较器COM2的正输入端升高得比较快，当达到阈值电压即第二基准信号REF2后，就会控制驱动关断；而当输入电压比较低时，比较器COM2的正输入电压升得比较慢，这时驱动的关断就会由占空比限制电路来控制，达到上文所述的效果。通过调节电阻R4和电容C1，就可以设置吸持阶段的驱动的最大导通时间，最大导通时间就是电容C1上的电压上升到第三基准信号REF3的时间。

第二实施例

第二实施例的原理框图如图7所示。本实施例电路与第一实施例不同之处在于逻辑控制电路、占空比限制电路具体结构不同，具体如下：

逻辑控制电路包括选通器U1、RS触发器U2、与门U3和分频器U5。选通器U1的作用是：与第一实施例相同，即在吸合阶段选通器U1的输出跟随比较器COM1的输出电压变化，在吸持阶段选通器U1的输出跟随比较器COM2的输出电压变化。选通器U1的第一输入端作为逻辑控制电路的第一输入端，选通器的第二输入端作为逻辑控制电路的第二输入端，选通器U1的输出端与RS触发器U2的R输入端相连，RS触发器U2的S输入端与分频器U5的输出端相连，分频器U5的输入端输入时钟信号CLK，RS触发器U2的输出端与与门U3的一端相连，与门U3的另一端作为逻辑控制电路的第三输入端，与门U3的输出端作为逻辑控制电路的输出端。

占空比限制电路包括分频器U6和选通器U4。分频器U6的输入端输入时钟信号CLK，分频器U6的输出端连接选通器U4的输入端，选通器U4的输出端作为占空比限制电路的输出端。本实施例选通器U4的作用是：在吸合阶段选通器U4输出高电平，在吸持阶段选通器U4的输出跟随分频器U6的输出电压变化。

第二实施例的基本思想跟第一实施例是类似的。主要的不同就是占空比限制电路的实现不一样。在本实施里中，假设时钟信号CLK的周期为T，分频器U5的分频数为N1，分频器U6的分频数为N2，那么驱动的周期为T*N1，最大导通时间就是T*N2，那么所限制的占空比就是N2/N1。通过调节两个分频器的分频数，就可以达到限制占空比的效果。

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。

Claims (10)

1.一种接触器节电电路，其特征在于：

包括主功率电路、比较器COM1、比较器COM2、占空比限制电路、逻辑控制电路；主功率电路的第一输出端与比较器COM1的正输入端相连，主功率电路的第二输出端与比较器COM2的正输入端相连，比较器COM1的负输入端用于输入第一基准信号，比较器COM2的负输入端用于输入第二基准信号，比较器COM1的输出端与逻辑控制电路的第一输入端相连，比较器COM2的输出端与逻辑控制电路的第二输入端相连，占空比限制电路的输出端与逻辑控制电路的第三输入端相连，逻辑控制电路的输出端与主功率电路的输入端相连；

比较器COM1用于控制吸合阶段接触器线圈的电流，比较器COM2用于控制吸持阶段接触器线圈的电流；

逻辑控制电路通过检测比较器COM1和比较器COM2的输出信号，在吸合阶段转化为占空比跟随比较器COM1输出信号变化的驱动信号，在吸持阶段转化为占空比跟随比较器COM2输出信号变化的驱动信号；

占空比限制电路用于限制逻辑控制电路输出的驱动信号的最大占空比。

2.根据权利要求1所述的接触器节电电路，其特征在于：

占空比限制电路用于限制吸持阶段逻辑控制电路输出的驱动信号的最大占空比。

3.根据权利要求1或2所述的接触器节电电路，其特征在于：

主功率电路包括整流桥DB1、二极管D1、MOS管TR1、接触器线圈、电阻R1、电阻R2和电阻R3；整流桥DB1的输入端用于输入交流电，整流桥DB1的负输出端接地，整流桥DB1的正输出端与二极管D1的阴极、接触器线圈的一端相连，二极管D1的阳极与接触器线圈的另一端、MOS管TR1的漏极相连，MOS管TR1的源极通过电阻R1接地，电阻R2和电阻R3串联后并联于电阻R1两端，MOS管TR1的源极与电阻R1、电阻R2的连接点作为主功率电路的第二输出端，电阻R2与电阻R3的连接点作为主功率电路的第一输出端，MOS管TR1的栅极作为主功率电路的输入端。

4.根据权利要求1或2所述的接触器节电电路，其特征在于：

逻辑控制电路包括选通器U1、RS触发器U2和与门U3；选通器U1的第一输入端作为逻辑控制电路的第一输入端，选通器U1的第二输入端作为逻辑控制电路的第二输入端，选通器U1的输出端与RS触发器U2的R输入端相连，RS触发器U2的S输入端用于输入时钟信号，RS触发器U2的输出端与与门U3的一个输入端相连，与门U3的另一个输入端作为逻辑控制电路的第三输入端，与门U3的输出端作为逻辑控制电路的输出端。

5.根据权利要求1或2所述的接触器节电电路，其特征在于：

占空比限制电路包括电阻R4、电容C1、比较器COM3和选通器U4；电阻R4的一端用于输入时钟信号，电阻R4的另一端分别与电容C1的一端、比较器COM3的负输入端相连，电容C1的另一端接地，比较器COM3的正输入端用于输入第三基准信号，比较器COM3的输出端与选通器U4的输入端相连，选通器U4的输出端作为占空比限制电路的输出端。

6.根据权利要求5所述的接触器节电电路，其特征在于：

在吸合阶段选通器U4输出高电平，在吸持阶段选通器U4的输出跟随比较器COM3的输出电压变化。

7.根据权利要求1或2所述的接触器节电电路，其特征在于：

逻辑控制电路包括选通器U1、RS触发器U2、与门U3和分频器U5；选通器U1的第一输入端作为逻辑控制电路的第一输入端，选通器U1的第二输入端作为逻辑控制电路的第二输入端，选通器U1的输出端与RS触发器U2的R输入端相连，RS触发器U2的S输入端与分频器U5的输出端相连，分频器U5的输入端用于输入时钟信号，RS触发器U2的输出端与与门U3的一个输入端相连，与门U3的另一个输入端作为逻辑控制电路的第三输入端，与门U3的输出端作为逻辑控制电路的输出端。

8.根据权利要求1或2所述的接触器节电电路，其特征在于：

占空比限制电路包括分频器U6和选通器U4；分频器U6的输入端用于输入时钟信号，分频器U6的输出端与选通器U4的输入端相连，选通器U4的输出端作为占空比限制电路的输出端。

9.根据权利要求8所述的接触器节电电路，其特征在于：

在吸合阶段选通器U4输出高电平，在吸持阶段选通器U4的输出跟随分频器U6的输出电压变化。

10.根据权利要求4或权利要求7所述的接触器节电电路，其特征在于：

在吸合阶段选通器U1的输出跟随比较器COM1的输出电压变化，在吸持阶段选通器U1的输出跟随比较器COM2的输出电压变化。