CN110491733B - 一种宽电压模数化接触器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽电压模数化接触器，包括线路板和线圈，所述线路板上包括电压检测电路、PWM控制器、驱动电路，所述电压检测电路的输入端连接直流电压，所述检测电路的输出端连接PWM控制器的输入端，所述PWM控制器的输出端连接驱动电路的输入端，所述线圈的一端连接直流电压的正极，线圈的另一端连接驱动电路的输出端。本发明采用PWM控制器通过输出不同占空比的脉冲波形，分段控制接触器的吸合及保持过程，使接触器实际通电吸合所消耗的电能远远低于现有接触器的电能消耗，节能效果好，且接触器本身电压输入范围宽泛，方便客户选择合适规格的接触器。
Description
技术领域
本发明涉及接触器领域，尤其涉及一种宽电压模数化接触器及其工作方法。
背景技术
接触器的工作方式是给接触器的线圈通电，线圈得电产生磁场，磁场使静铁芯和动铁芯均产生磁力并相互吸引，使常开触点闭合，来控制负载的通断。现有的接触器在工作状态时，需要一直给线圈通电来保持动铁芯与静铁芯的吸合。目前接触器存在以下缺陷：1.采取双线圈的工作方法来实现接触器的吸合，这样的虽然能降低接触器的电能损耗，但在工作时接触器的线圈仍然全程通电，节能效果不佳；2.接触器的工作电压范围窄，不仅使客户购买接触器时需要选择电压一定规格范围的接触器，而且导致厂家的库存压力变大；3.接触器壳体体积大，且内部结构不够紧凑，存在装配复杂的缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有节能效果好、输入工作电压范围宽且内部结构紧凑的模数化接触器及其工作方法。
为了实现以上目的，本发明采用这样一种宽电压模数化接触器，包括线路板和线圈，所述线路板上包括电压检测电路、PWM控制器、驱动电路，所述电压检测电路的输入端连接直流电压，所述检测电路的输出端连接PWM控制器的输入端，所述PWM控制器的输出端连接驱动电路的输入端，所述线圈的一端连接直流电压的正极，线圈的另一端连接驱动电路的输出端。
上述宽电压模数化接触器通过设置电压检测电路、PWM控制器、驱动电路来控制接触器线圈的通断，通过电压检测电路检测PWM控制器输入端的电压值，PWM控制器根据电压值输出脉冲波形，线圈吸合保持是PWM控制器输出高频低占空比的脉冲波形给线圈进行保持的，由于此时脉冲的一个周期很短(脉冲的一个周期T≤0.05mS)，线圈处于低电平时，接触器还没来得及断开时，下一个脉冲的高电平就经过线圈，使接触器继续保持吸合，从而使接触器能一直保持吸合，而这样的脉冲波形使得实际通电时间很短，大大降低了电能的损耗，使接触器的节能效果更好，同时PWM控制器根据电压值输出不同占空比的脉冲波形，可拓宽接触器工作电压的范围，实用性更强，方便用户选择合适规格的接触器，也减少厂家的库存压力。
本发明进一步设置为宽电压模数化接触器包括底座、设置在底座上方的上盖、设置在底座两端的接线座、设置在底座内的电磁系统、设置在电磁系统下方的触头支持，所述电磁系统包括线圈骨架、活动连接在线圈骨架上的动铁芯、固定在线圈骨架上的静铁芯，所述线圈绕制在线圈骨架上，所述线圈骨架的两侧分别设置有电源接线端子，所述线路板固定在线圈骨架的侧面，所述线路板分别电连接电源接线端子，线圈的一端电连接电源接线端子，线圈的另一端电连接线路板。
上述接触器由安装在模数化的壳体内，线路板也内置并固定在线圈骨架的侧面，内部结构更加紧凑。
本发明进一步设置为线圈骨架的上端外侧形成限位槽，线圈骨架的下端形成多个限位块，所述线路板位于动铁芯和静铁芯的侧面，线路板的一端设置在限位槽内，线路板的另一端设置在限位块之间。
本发明进一步设置为线圈骨架的上下两端外侧均形成定位槽，所述线路板设置在线圈骨架的上下两端之间，线路板的两端均形成定位部，所述线路板通过定位部与定位槽的配合连接在线圈骨架上。
上述通过在线圈骨架上设置开槽或限位块的方式，使线路板可以直接固定在线圈骨架上，无需其它紧固部件，安装方便可靠，同时使电磁系统的结构更为紧凑。
本发明进一步设置为上盖的两端朝下形成卡钩，底座上形成卡孔，所述上盖通过卡钩与卡孔的配合固定在底座上，所述底座的底部形成卡轨滑槽，触头支持连接在动铁芯上，触头支持上形成多个开槽，所述开槽内均设置有弹簧和动触片，所述弹簧抵压着动触片，所述接线座上设置有多个触头接线端子和多个导电片，所述底座靠接线座的一侧形成多个插槽，导电片连接在插槽内，所述导电片的一端固定在触头接线端子上，动触片的两端朝上形成触点，导电片的另一端朝下形成触点，动触片上的触点设置在导电片上的触点的下方。
上述上盖与底座卡接结构的配合结构稳定、方便，适合接触器的模数化结构，且卡轨滑槽使接触器可直接安装在导轨上，插槽用于导电片的定位安装，提高接触器吸合时导电片与动触片联动配合的精度以及接触器的装配效率，触点则提高两者接触时的触碰面积，从而使接触器工作更加可靠。
本发明进一步设置为宽电压模数化接触器还包括指示件，所述指示件铰接在线圈骨架上，指示件与动铁芯联动连接，所述指示件的侧面形成凸柱，所述凸柱上设置有复位弹簧，所述复位弹簧的一端抵住指示件，复位弹簧的另一端抵住底座内壁。
本发明进一步设置为宽电压模数化接触器还包括指示件，所述指示件铰接在线圈骨架上，指示件与动铁芯联动连接，所述动铁芯与线圈骨架之间设置有反力弹簧。
上述复位弹簧和反力弹簧均在线圈通电吸合时压缩，一种是线圈失电时复位弹簧将指示件复位，指示件进一步带动动铁芯分离，另一种是线圈失电时反力弹簧将动铁芯分离，动铁芯进一步带动指示件分离，两种方式适用于不同模数的接触器，但两者均用于提升接触器的分断速度。
本发明进一步设置为线路板上还设置有整流电路和滤波电路，所述整流电路的输入端连接外部交流电或直流电，所述整流电路的输出端连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端分别连接线圈的一端和电压检测电路的输入端。
上述整流电路和滤波电路是交直流通用型接触器的线路板额外需要设置的电路，整流电路和滤波电路输出稳定的直流电压给检测电路和线圈；如果不额外设置整流电路和滤波电路，就是直流型接触器的电路，即直流电压就是外部直接施加的直流电。
本发明进一步设置为宽电压模数化接触器的工作电压范围为Ua～Ub，宽电压模数化接触器控制线圈吸合的门槛电压为Uc，PWM控制器全波投入的阈值为Uc～Ud(Ud≤Ub)，宽电压模数化接触器控制线圈分断的门槛电压为Ue(Ue＜Uc)，宽电压模数化接触器包括以下步骤：
步骤一、给宽电压模数化接触器施加直流电压U1，PWM控制器输出线圈吸合过程的脉冲波形，
(i)当直流电压满足Uc<U1<Ud时，PWM控制器输出的脉冲波形占空比为100％，即脉冲波形的高电平保持时间为t1，脉冲波形的周期时间为t2，t1：t2＝1，使线圈通电，接触器吸合；
(ii)当直流电压满足Ud<U1<Ub时，根据直流电压U1的大小，PWM控制器输出占空比低于100％但不低于50％的脉冲波形，此时脉冲波形为低频、高占空比，即脉冲波形的高电平保持时间为t1，脉冲波形的周期时间为t2，1＞t1：t2≥0.5，从而使其PWM控制器实际输出的脉冲波形等效于占空比为100％的直流电压Ud，使线圈通电，接触器吸合；
步骤二、当上述占空比为100％的脉冲波形或占空比低于100％但不低于50％的脉冲波形维持吸合动作时间T1后(T1≤300ms)，PWM控制器切换占空比并输出线圈保持过程的脉冲波形，线圈保持过程中的脉冲波形是高频且低占空比的，即脉冲波形高电平保持时间为t3，脉冲波形周期时间为t4，t3：t4≤0.15，PWM控制器输出的频率在20kHz～100kHz，接触器保持吸合状态；
步骤三、当直流电压U1下降至Ue以下，PWM控制器输出的脉冲波形占空比为0，使线圈失电，接触器断开。
上述步骤一和步骤二是接触器吸合的过程，其中步骤一为接触器吸合过程中PWM控制器输出的脉冲波形，步骤二为接触器吸合保持过程中PWM控制器输出的脉冲波形，根据直流电压U1的大小，接触器吸合过程和接触器吸合保持过程均由PWM控制器发出脉冲波形，来控制线圈，从而极大限度地降低接触器线圈实际的通电时间，大大降低了接触器的电能消耗，提升节能效果。
本发明进一步设置为直流电压U1是外部的直流电或者外部交流电经整流滤波获得的。
上述直流电压U1是外部的直流电或者外部交流电经整流滤波获得的，是分别适配直流型接触器和交直流通用型接触器两种接触器。
附图说明
图1是本发明实施例1和实施例2的电路原理方框图。
图2是本发明实施例1接触器爆炸图。
图3是本发明实施例1接触器剖视图。
图4是本发明实施例1的接触器工作电路原理图。
图5是本发明实施例2接触器部分电路原理方框图。
图6是本发明实施例2接触器爆炸图。
图7是本发明实施例2接触器剖视图。
图8是本发明实施例2的接触器工作电路原理图。
图9是本发明实施例1和实施例2接触器线圈通电的PWM脉冲波形示意图。
图10是本发明实施例1的电磁系统和线路板爆炸图。
图11是本发明实施例2的电磁系统和线路板爆炸图。
具体实施方式
下面将以本发明的两个实施例的宽电压模数化接触器为例，参照附图，说明本发明的详细内容，但是本发明不限于所描述的具体实施例。
实施例1
如图1所示，本发明是一种宽电压模数化直流型接触器，工作电压范围为12-24V，其包括线路板6和线圈44，所述线路板6上包括电压检测电路、PWM控制器、驱动电路，所述电压检测电路的输入端连接直流电压，所述检测电路的输出端连接PWM控制器的输入端，所述PWM控制器的输出端连接驱动电路的输入端，所述线圈44的一端连接直流电压的正极，线圈44的另一端连接驱动电路的输出端。
如图2、3、10所示，宽电压模数化直流型接触器包括底座1、设置在底座1上方的上盖2、设置在底座1两端的接线座3、设置在底座1内的电磁系统4、设置在电磁系统4下方的触头支持5，所述上盖2的两端朝下形成卡钩21，底座1上形成卡孔12，所述上盖2通过卡钩21与卡孔12的配合固定在底座1上，所述底座1的底部形成卡轨滑槽13，所述电磁系统4包括线圈骨架41、活动连接在线圈骨架41上的动铁芯42、固定在线圈骨架41上的静铁芯43、铰接在线圈骨架41上的指示件7，所述线圈44绕制在线圈骨架41上，所述线圈骨架41的两侧分别设置有电源接线端子45，所述线路板6固定在线圈骨架41的侧面，线圈骨架41的上端外侧形成限位槽411，线圈骨架41的下端形成多个限位块412，所述线路板6位于动铁芯42和静铁芯43的侧面，线路板6的一端设置在限位槽411内，线路板6的另一端设置在限位块412之间，所述线路板6分别电连接电源接线端子45，线圈44的一端电连接电源接线端子45，线圈44的另一端电连接线路板6，所述触头支持5连接在动铁芯42上，触头支持5上形成两个开槽51，所述两个开槽51内均设置有弹簧52和动触片53，所述弹簧52抵压着动触片53，所述每个接线座3上设置有两个触头接线端子31和两个导电片32，所述底座1靠接线座3的一侧形成两个插槽11，导电片32连接在插槽11内，所述导电片32的一端固定在触头接线端子31上，导电片32的另一端与设置在动触片53的上方，动触片53的两端朝上形成触点33，导电片32的另一端朝下形成触点33，动触片53上的触点33设置在导电片32上的触点33的下方，所述指示件7与动铁芯42联动连接，所述指示件7的侧面形成凸柱71，所述凸柱71上设置有复位弹簧72，所述复位弹簧72的一端抵住指示件7，复位弹簧72的另一端抵住底座1内壁。
如图4所示，电压检测电路与PWM控制器之间还设置有供电电路，所述电压检测电路包括二极管D1、电阻R1、电阻R2、电容C1，供电电路包括电阻R3、电容C3、电容C4、三端稳压器U2，PWM控制器包括型号为SC92F7250M08U的FLASH微控制器U1，所述驱动电路包括电容C2、二极管D2、MOS管TR1，所述二极管D1、电阻R1、电阻R2依次串联，所述二极管D1的正极连接外部直流电压的正极，所述电阻R2的一端接地，所述电容C1并联在电阻R2的两端，所述二极管D1的负极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端分别连接电容C3的一端和三端稳压器U2的输入端，所述电容C3的另一端接地，三端稳压器U2的输出端连接电容C4的一端，所述电容C4的另一端接地，三端稳压器U2输出5V的工作电压给FLASH微控制器U1，所述电阻R2的另一端连接FLASH微控制器U1的输入端(第6引脚)，FLASH微控制器U1的输出端(第4引脚)分别连接电容C2的一端和MOS管TR1的栅极，电容C2的另一端和MOS管TR1的源极均接地，MOS管TR1的漏极连接线圈的一端，线圈的另一端连接外部直流电压的正极，所述线圈两端并联有二极管D2。
实施例2
如图1和5所示，本发明是一种宽电压模数化交直流通用型接触器，工作电压范围为18-40V，其包括线路板6和线圈44，所述线路板6上包括电压检测电路、PWM控制器、驱动电路、整流电路和滤波电路，所述整流电路的输入端连接外部交流电或直流电，所述整流电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路输出直流电压，所述滤波电路的输出端连接电压检测电路的输入端，所述检测电路的输出端连接PWM控制器的输入端，所述PWM控制器的输出端连接驱动电路的输入端，所述线圈44的一端连接直流电压的正极，线圈44的另一端连接驱动电路的输出端。
如图6、7、11所示，宽电压模数化直流型接触器包括底座1、设置在底座1上方的上盖2、设置在底座1两端的接线座3、设置在底座1内的电磁系统4、设置在电磁系统4下方的触头支持5，所述上盖2的两端朝下形成卡钩21，底座1上形成卡孔12，所述上盖2通过卡钩21与卡孔12的配合固定在底座1上，所述底座1的底部形成卡轨滑槽13，所述电磁系统4包括线圈骨架41、活动连接在线圈骨架41上的动铁芯42、固定在线圈骨架41上的静铁芯43、铰接在线圈骨架41上的指示件7，所述线圈44绕制在线圈骨架41上，所述线圈骨架41的两侧分别设置有电源接线端子45，所述线路板6固定在线圈骨架41的侧面，所述线圈骨架41的上下两端外侧均形成定位槽413，所述线路板6设置在线圈骨架41的上下两端之间，线路板6的两端均形成定位部61，所述线路板6通过定位部61与定位槽413的配合连接在线圈骨架41上，所述线路板6分别电连接电源接线端子45，线圈44的一端电连接电源接线端子45，线圈44的另一端电连接线路板6，所述触头支持5连接在动铁芯42上，触头支持5上形成四个开槽51，所述四个开槽51内均设置有弹簧52和动触片53，所述弹簧52抵压着动触片53，所述每个接线座3上设置有四个触头接线端子31和四个导电片32，所述底座1靠接线座3的一侧形成四个插槽11，导电片32连接在插槽11内，所述导电片32的一端固定在触头接线端子31上，导电片32的另一端与设置在动触片53的上方，动触片53的两端朝上形成触点33，导电片32的另一端朝下形成触点33，动触片53上的触点33设置在导电片32上的触点33的下方，所述指示件7与动铁芯42联动连接，所述动铁芯42与线圈骨架41之间设置有反力弹簧73。
如图8所示，滤波电路与PWM控制器之间还设置有供电电路，所述整流电路包括压敏电阻RV1、整流桥DB1，滤波电路包括二极管D3、电容C6，电压检测电路包括电阻R4、电阻R5、电容C5，PWM控制器包括型号为SC92F7250M08U的FLASH微控制器U3、电容C7，驱动电路包括电容C8、MOS管TR2、二极管D4，供电电路包括电阻R6、电阻R7、电容C9、电容C10、三端稳压器U4，所述外部24-40V的交流电或直流电连接到压敏电阻RV1的两端，所述压敏电阻RV1的两端分别连接整流桥DB1的输入端，电阻R4和电阻R5串联，所述整流桥DB1的输出端分别连接电阻R4的一端和二极管D3的负极，二极管D3的正极接地，电容C6并联在二极管D3的两端，电阻R5的一端接地，电容C5并联在电阻R5的两端，所述电阻R5的另一端连接FLASH微控制器U3的输入端(第6引脚)，电阻R6与电阻R7并联，电容C6的一端连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端分别连接电容C9的一端和三端稳压器U4的输入端，电容C9的另一端接地，三端稳压器U4的输出端连接电容C10的一端，所述电容C10的另一端接地，三端稳压器U4输出5V的工作电压给FLASH微控制器U3，所述电容C7的一端连接FLASH微控制器U1的电源端(第8引脚)，电容C7的另一端接地，FLASH微控制器U3的输出端(第4引脚)分别连接电容C8的一端和MOS管TR2的栅极，电容C8的另一端和MOS管TR2的源极均接地，MOS管TR2的漏极连接线圈的一端，线圈的另一端连接电容C6的一端，二极管D4并联在线圈的两端。
如图9所示，宽电压模数化接触器的工作电压范围为Ua～Ub，宽电压模数化接触器控制线圈吸合的门槛电压为Uc，PWM控制器全波投入的阈值为Uc～Ud(Ud≤Ub)，宽电压模数化接触器控制线圈分断的门槛电压为Ue(Ue＜Uc)，宽电压模数化接触器包括以下步骤：
步骤一、给宽电压模数化接触器施加直流电压U1(直流电压U1是外部的直流电或者外部交流电经整流滤波获得的)，PWM控制器输出线圈吸合过程的脉冲波形，
(i)当直流电压满足Uc<U1<Ud时，PWM控制器输出的脉冲波形占空比为100％，即脉冲波形的高电平保持时间为t1，脉冲波形的周期时间为t2，t1：t2＝1，使线圈通电，接触器吸合；
(ii)当直流电压满足Ud<U1<Ub时，根据直流电压U1的大小，PWM控制器输出占空比低于100％但不低于50％的脉冲波形，此时脉冲波形为低频、高占空比，即脉冲波形的高电平保持时间为t1，脉冲波形的周期时间为t2，1＞t1：t2≥0.5，从而使其PWM控制器实际输出的脉冲波形等效于占空比为100％的直流电压Ud，使线圈通电，接触器吸合。
步骤二、当上述占空比为100％的脉冲波形或占空比低于100％但不低于50％的脉冲波形维持吸合动作时间T1后(T1≤300ms)，PWM控制器切换占空比并输出线圈保持过程的脉冲波形，线圈保持过程中的脉冲波形是高频且低占空比的，即脉冲波形高电平保持时间为t3，脉冲波形周期时间为t4，t3：t4≤0.15，PWM控制器输出的频率在20kHz～100kHz，接触器保持吸合状态。
步骤三、当直流电压U1下降至Ue以下，PWM控制器输出的脉冲波形占空比为0，使线圈失电，接触器断开。
上述步骤一和步骤二是接触器吸合的过程，步骤一T1时间段为接触器吸合过程中PWM控制器输出的脉冲波形，步骤二T2时间段为接触器吸合保持过程中PWM控制器输出的脉冲波形，根据直流电压U1的大小，接触器吸合过程和接触器吸合保持过程均由PWM控制器发出脉冲波形，来控制线圈，从而极大限度地降低接触器线圈实际的通电时间，大大降低了接触器的电能消耗，提升节能效果。
上述12-24V的直流型接触器，采用本发明的PWM控制方法后，其吸合动作的门槛电压约为9.3V，分断动作的门槛电压约为6V，全波投入的阈值约为9.3V～15V，当外部施加的直流电压大于9.3V时，PWM控制器输出低频高占空比的脉冲波形(当施加电压大于9.3V并小于15V时，脉冲波形占空比为100％)并维持约100ms后，接触器吸合，然后PWM控制器切换占空比，输出高频低占空比(频率大致在20kHz～25kHz之间)的脉冲波形来维持接触器的吸合，使线圈两端的电压等效于1.2V，当外部施加的直流电压低于6V后，输出占空比为0的脉冲波形，线圈失电接触器分断。
上述18-40V的交直流型接触器，采用本发明的PWM控制方法后，其吸合动作的门槛电压约为18V，分断动作的门槛电压约为9V，全波投入的阈值约为18V～25V，当外部施加的直流电压大于18V时，PWM控制器输出低频高占空比的脉冲波形(当施加电压大于18V并小于25V时，脉冲波形占空比为100％)并维持约100ms后，接触器吸合，然后PWM控制器切换占空比，输出高频低占空比(频率大致在20kHz～25kHz之间)的脉冲波形来维持接触器的吸合，使线圈两端的电压等效于1.6V，当外部施加的直流电压低于9V后，输出占空比为0的脉冲波形，线圈失电接触器分断。
Claims (2)
1.一种宽电压模数化接触器的工作方法，其特征在于：包括线路板和线圈，所述线路板上包括电压检测电路、PWM控制器、驱动电路，所述电压检测电路的输入端连接直流电压，所述检测电路的输出端连接PWM控制器的输入端，所述PWM控制器的输出端连接驱动电路的输入端，所述线圈的一端连接直流电压的正极，线圈的另一端连接驱动电路的输出端，所述宽电压模数化接触器的工作电压范围为Ua～Ub，宽电压模数化接触器控制线圈吸合的门槛电压为Uc，PWM控制器全波投入的阈值为Uc～Ud(Ud≤Ub)，宽电压模数化接触器控制线圈分断的门槛电压为Ue(Ue＜Uc)，宽电压模数化接触器包括以下步骤：
步骤一、给宽电压模数化接触器施加直流电压U1，PWM控制器输出线圈吸合过程的脉冲波形，
(i)当直流电压满足Uc<U1<Ud时，PWM控制器输出的脉冲波形占空比为100％，即脉冲波形的高电平保持时间为t1，脉冲波形的周期时间为t2，t1：t2＝1，使线圈通电，接触器吸合；
(ii)当直流电压满足Ud<U1<Ub时，根据直流电压U1的大小，
PWM控制器输出占空比低于100％但不低于50％的脉冲波形，
此时脉冲波形为低频、高占空比，即脉冲波形的高电平保持时间为t1，脉冲波形的周期时间为t2，1＞t1：t2≥0.5，从而使其PWM控制器实际输出的脉冲波形等效于占空比为100％的直流电压Ud，使线圈通电，接触器吸合；
步骤二、当上述占空比为100％的脉冲波形或占空比低于100％但不低于50％的脉冲波形维持吸合动作时间T1后(T1≤300ms)，PWM控制器切换占空比并输出线圈保持过程的脉冲波形，线圈保持过程中的脉冲波形是高频且低占空比的，即脉冲波形高电平保持时间为t3，脉冲波形周期时间为t4，t3：t4≤0.15，PWM控制器输出的频率在20kHz～100kHz，接触器保持吸合状态；
步骤三、当直流电压U1下降至Ue以下，PWM控制器输出的脉冲波形占空比为0，使线圈失电，接触器断开。
2.根据权利要求1所述的宽电压模数化接触器的工作方法，其特征在于：所述直流电压U1是外部的直流电或者外部交流电经整流滤波获得的。
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