CN1989691A - 用于驱动特别用于操作泵的电磁体的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于驱动特别用于操作泵的电磁体(4)尤其的包括初级绕组(3)和移动元件(9)的设备，该设备包括电源开关电子装置(S1，S2)，该设备的特征在于它包括易于控制所述电源开关电子装置(S1，S2)并检测所述激励电流的值的控制逻辑单元(6)，该控制逻辑单元(6)的电源由初级绕组(3)的对应分路(PP)提供，该控制逻辑单元(6)依据检测到的所述激励电流的值来控制所述电源开关电子装置(S1，S2)，以使电磁体(4)作为用于为控制逻辑单元(6)充分提供所述电源以保持吸引移动元件(9)的功能基本不变的自耦变压器来工作。本发明还涉及对应的驱动电磁体以及用于驱动该电磁体的相关方法。

Description

用于驱动特别用于操作泵的电磁体的设备
本发明涉及一种用于驱动特别用于操作诸如用于定量液体的泵之类的泵的电磁体的设备，该设备能够在各种各样的电源电压下工作并且允许以可靠且有效的方式从电磁体中获取设备控制逻辑工作所需的供应能量并实现从电能到机械力的最大转换。
本发明还涉及相应的驱动电磁体以及驱动电磁体的相关方法。
已知可以利用电磁泵通过可在时间上重复的可预定剂量为水溶液添加诸如清洁剂、杀菌剂(sanitiser)和消毒剂等液体。
特别地，液体通过插入膜的机械动作被定量投入溶液中，并通过以下两个反向力的作用而移动：通过由电子控制电路合适地驱动的电磁体施加在铁磁活塞上的磁引力而获得的推力；以及通过与活塞共轴的在推进阶段由同一活塞负载的弹簧的排斥作用而获得的返回力。
然而，当前可用的控制电路有一些缺点。
实际上，直接从能量源中供应电磁体而不考虑宽输入电压范围的传统电路引入了巨大的效率损失，这就导致：电磁体的尺寸更大；功耗更高；由于电磁体焦耳效应引起的温度增加而限制了电磁体以及邻近电子部件的所谓“失效时间”；以及由此而来的制造和维护成本的增加。
为了消除这些缺点，某些解决方案包括在能量源和电磁体之间插入用以调节输入电压的某些供应电路。
然而，这些传统的解决方案也有缺点。
首先，即便是这些驱动电路仍有很高的制造和维护成本。
此外，传统驱动电路不允许对与稳态下有效的基准值基本相等的激励电流进行准确的调节，即，使用具有在操作开始时较高的绕组电阻值的暖电磁体，亦即，使用具有大于所需的较低绕组电阻值的冷电磁体。这就导致效率损失以及随之发生的更高功耗，同时还使得电磁体遭受由焦耳效应引起快速温度增加，从而限制了电磁体的“失效时间”。
最后，传统驱动电路不允许对活塞在电磁体内的位置进行精确检测，因而只能将其位置粗略假设为完全外向或完全内向的限制位置。
在本文中，包括根据本发明所提出的能够解决上述全部缺点的解决方案。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于驱动电磁体并易于在宽范围电源电压下工作的电路。
本发明的另一个目的是允许对电磁体的激励电流进行准确调节。
本发明的又一个目的是允许以可靠且有效的方式从电磁体中获取驱动控制逻辑工作所需的供应能量。
本发明的再一个目的是在驱动电磁体的同时进行从电能到机械力的最大转换。
因此，本发明的特定主题是如权利要求1至11所限定的用于驱动特别用于操作泵的电磁体的设备。
本发明的另一个主题是如权利要求12所限定的特别用于操作泵的驱动电磁体。
本发明的再一个主题是如权利要求13所限定的用于驱动特别用于操作泵的电磁体的方法。
现将根据其较佳实施，尤其是参考附图的各图，以示例性而非限制性的方式来描述本发明，在附图中：
图1示出了根据本发明的驱动设备的示意性电路图；以及
图2示出了图1的设备的一部分以及在三种不同操作阶段中由图1的设备生成的两个控制信号。
在附图中，相同的标号指示相似的元素。
图1示出了根据本发明的驱动设备的示意性电路图，特别地，其中电源电子开关由简单的双位开关来表示。
根据本发明的设备通过整流桥2和阻挡二极管D1(用来避免出现反向电流)连接至电力网1，该电力网的输出电压由电容器C1稳定，并在经过电阻器R1之后被提供给电源端子MA。
第一电源开关S1连接在电磁体4的初级绕组3的输出端PO和电路接地GC之间。第二电源开关S2连接在电源端子MA和电磁体4的初级绕组3的输入端子PI之间。
第二二极管D2连接在端子PO和在电阻器R1之前的稳定电容器C1的正向节点PN之间，其极性使得允许电流从端子PO流向正向节点PN。第三二极管D3连接在电路接地GC和端子PI之间，其极性使得允许电流从电路接地GC流向端子PI。更具体地，如下将描述的，第二和第三二极管D2和D3执行与作为意大利专利第IT1315957号的主题的控制设备的类似二极管相同的功能，该专利结合在此作为参考。
未电绝缘的第一控制逻辑单元6控制电源开关S1和S2的操作，并且通过测量电阻器R1两端的电压来检测流经电磁体4的初级绕组3的电源电流。此外，第一控制逻辑单元6连接至可由操作人员调整的调节电位计P1，该调节电位计P1易于例如在操作的泵是所谓“定量泵”的一种的情况下调节每分钟发射数，即为调节其力而调节电磁体4的初级绕组3中的电流。第一控制逻辑单元6工作所需的电源由电磁体4的初级绕组3的合适分路PP提供。
该设备还包括易于通过数字和/或模拟信号来与外部设备通信(接收和/或发送)的第二控制逻辑单元7。具体地，第二控制逻辑单元7易于经由电绝缘单元8进一步地与第一控制逻辑单元6通信；作为示例而非限制，第二控制逻辑单元7可以在该泵是所谓的“成比例”泵的情况下向第一控制逻辑单元6发送激活脉冲，并且在此情况下调节电位器P1易于调节在所谓的“成比例”泵的情况下由第二控制逻辑单元7接收的输入脉冲数与同一电磁体4的有效发射数之间的比率。第二控制逻辑单元7工作所需的电源由电磁体4的合适的次级绕组5提供。
如已知的，电磁体4配备有易于被在初级绕组3内流过的电流吸引到同一电磁体中的移动元件9。
为了更好地理解本发明，如下将描述该设备的优选实施例的工作模式，其中类似的模式对其他实施例也有效。
在闭合电力网开关(未示出)时，或者在对整流桥2施加电力网时，两个开关S1和S2被闭合，从而为第一控制逻辑单元6提供必要的电源，同时对电磁体4的初级绕组3施加的电流逐渐增加并且尚不足以吸引移动元件9进入电磁体内。
第一控制逻辑单元6在“启动”阶段通过电阻器R1测量当前的电源电压和/或电流。当第一控制逻辑单元6检测到充分电源条件的开始时，它以带有某一通/断(即，闭合/断开)比率的预定(或可变)频率来闭合两个开关S1和S2，以确保用于电磁体4的初级绕组3的精确工作电流，因此开始执行其自己的吸引移动元件9的功能。
具体地，第一控制逻辑单元6执行参考图2所示的用于驱动电磁体4的初级绕组3的创新方法，其中图2a示出了在由(i)、(ii)和(iii)指示的三个不同操作阶段的图1设备的一部分，图2b和2c分别示出了在三个不同操作阶段控制开关S1和S2的电压。
在第一操作激活阶段，电磁体4必须执行其吸引移动元件9的功能。在此阶段中，如图2的部分(i)所示，第一控制逻辑单元6在牵引所需的整个时间T1内都闭合开关S2。此外，它还以带有某一通/断比率的预定(或可变)频率控制开关S1的闭合，以使执行其自己的牵引功能所需的电流在电磁体4的初级绕组3内流动，并且同时作为用于通过初级绕组3的分路PP为第一逻辑单元6提供电源的自耦变压器来工作，并作为用于通过次级绕组5为第二逻辑单元7提供电源的变压器来工作。
在该操作激活阶段，当开关S1断开时，放电电流流经二极管D2、开关S2和电磁体4的初级绕组3。以此方式，放电电路呈现低阻抗，以避免电流降至零，因而避免电磁体4不执行其吸引移动元件9的功能。此外，放电电路对由焦耳效应引起的热耗散不产生显著影响。
在第二断开阶段，移动元件9必须返回到它在电磁体4外的静止位置。在此阶段中，如图2的部分(ii)所示，第一控制逻辑单元6以在意大利专利第IT1315957号中描述的方式同时断开开关S2和S1，该专利结合在此作为参考。以此方式，截止电流非常快，并且累积在电容器C1内的残余能量通过二极管D2和D3回收至电磁体4，其中这些能量能够用于后续阶段。以此方式回收的能量不会产生由焦耳效应引起的热效应。
在第三保持阶段中，电磁体4不得执行其牵引功能，但是它必须确保对控制逻辑单元6和7的电源供应。在此阶段中，如图2的部分(iii)所示，第一控制逻辑单元6以带有某一通/断比率的预定(或可变)频率同时闭合两个开关S2和S1，以使具有值非常低的电流流经电磁体4的初级绕组3，该电流不足以牵引，但足以使电磁体作为用于通过初级绕组3的分路PP为第一逻辑单元6提供电源的自耦变压器来工作，并作为用于通过次级绕组5为第二逻辑单元7提供电源的变压器来工作。在此保持阶段中，在断开开关S2和S1的期间，在其闭合期间累积的残余能量经由二极管D2和D3回收至电容器C1。由此方式回收的能量是容性的，因而不会产生由焦耳效应所引发的热耗散效应。
通过调节开关S1和S2的通/断比率，第一控制逻辑单元6易于使任何电流在电磁体4的初级绕组3内流过，以便能够控制其机械力。特别地，这一通/断比率等于：
duty＝k/Vin+q
其中：
duty是占空因数(即开关接通时间和开关断开时间之比)的值，
k取决于输入滤波电容和磁感应之比，
Vin是工作电压，以及
q是与电容有关的自适应系数。
因此，通过调节电流，根据本发明的驱动设备能够激励电磁体4，以使在其配备的移动元件9的移动期间，该设备能以连续的方式调节所要求的工作所需的正确的力。这一调节解决了其中在启动时施加的电流值高于所需的传统操作系统的问题，即施加的电路等于稳态下对电磁体有效的基准值，这呈现出初级绕组的更高的电阻值。这一功能适于用于任何应用的所有电磁体。
通过对电流始终进行调节，能够将电磁体4的移动元件9移动预定(或可变)的量，由此调节它的行程(stroke)。通过测量流经电阻器R1的电流，第一控制逻辑单元6还可以进一步调节它期望从电磁体中获取的以千克计的最大容量，从而优化其性能。前述调节可以通过电位计P1或通过第二控制逻辑单元7来优选地执行。
由根据本发明的驱动设备所提供的优点是明显的。
首先，在第一激活阶段中，开关S2的闭合以及S1的经调节的断开允许驱动磁体磁化强度的合适部分和激励电流，从而降低热损耗并能够极大低简化断开电路。
此外，在第一激活阶段和第三保持阶段中，电磁体被用作自耦变压器，并可能被用作变压器，从而允许该电路以电气安全(因为做出了双重电绝缘)和廉价(因为不使用电源外部电路)的方式通过同一电磁体进行自动供应。
另外，该设备能够以可靠且精确的方式在宽范围的电源电压内工作。
而且，该设备允许将电能到机械力的转换最大化，从而避免低效率。
此外，该设备允许回收所存储的残余能量。
该设备还允许调节电流，以补偿操作过程中电磁体电枢的热变化。
另外，该设备允许缩减电磁体的尺寸、提高效率、降低能耗并削除电源电路，使得成本随之下降。
已经根据本发明的优选实施例对本发明进行了示意性而非限制性的描述，但是应该理解，本领域普通技术人员能够做出各种变化和/或改变而不背离由所附权利要求定义的相关保护范围。

Claims (13)

1.一种用于驱动特别用于操作泵的电磁体(4)的设备，包括初级绕组(3)和移动元件(9)，所述移动元件(9)易于在具有高于阈值的值的激励电流流过所述初级绕组(3)时被吸引进入所述初级绕组(3)，所述设备包括电源开关电子装置(S1，S2)，所述设备的特征在于它包括易于控制所述电源开关电子装置(S1，S2)并检测所述激励电流的值的控制逻辑单元(6)，所述控制逻辑单元(6)的电源由所述初级绕组(3)的对应分路(PP)提供，所述控制逻辑单元(6)依据检测到的所述激励电流的值来控制所述电源开关电子装置(S1，S2)，以使所述电磁体(4)作为用于为所述控制逻辑单元(6)充分提供所述电源以保持吸引所述移动元件(9)的功能基本不变的自耦变压器来工作。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括：
整流桥(2)，所述整流桥(2)易于连接至电力网(1)，连接至电容器(C1)，连接在正向节点(PN)和电源接地(GC)之间，并且易于为电源端子(MA)提供稳定化的输出电压，
第一电源开关(S1)，所述第一电源开关(S1)连接在所述初级绕组(3)的输出端子(PO)和所述电源接地(GC)之间，并且由所述控制逻辑单元(6)来控制，
第二电源开关(S2)，所述第二电源开关(S2)连接在所述电源端子(MA)和所述初级绕组(3)的输入端子(PI)之间，并由所述控制逻辑单元(6)来控制，
二极管(D2)，所述二极管(D2)连接在所述初级绕组(3)的输出端子(PO)和所述电容器(C1)的正向节点(PN)之间，其极性允许电流从所述输出端子(PO)流至所述正向节点(PN)，以及
另一个二极管(D3)，所述另一个二极管(D3)连接在电源接地(GC)和所述初级绕组(3)的输入端子(PI)之间，其极性允许电流从电源接地(GC)流向所述输入端子(PI)，
控制逻辑单元(6)，所述控制逻辑单元(6)易于控制所述第一和第二电源开关(S1，S2)，并检测所述激励电流的值，所述控制逻辑单元(6)工作所需的电源由所述初级绕组(3)的对应分路(PP)提供。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，在其中所述电磁体(4)执行吸引所述移动元件(9)的功能的操作激活阶段中，所述控制逻辑单元(6)保持所述第二电源开关(S2)闭合，并以带有一通/断(闭合/断开)比率的第一频率闭合所述第一电源开关(S1)，以使高于所述阈值的可变激励电流在所述初级绕组(3)内流过。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，在所述操作激活阶段中，所述控制逻辑单元(6)易于调节所述第一频率以调节所述移动元件(9)的行程。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述移动元件(9)的行程可以通过连接到所述控制逻辑单元(6)的调节电位计(P1)来调节。
6.如权利要求2至5中任一项所述的设备，其特征在于，在其中所述电磁体(4)不执行吸引所述移动元件(9)的功能的保持阶段中，所述控制逻辑单元(6)以带有某一通/断(闭合/打开)比率的第二频率同时闭合所述第一和第二电源开关(S1，S2)，以使低于所述阈值的可变激励电流在所述初级绕组(3)内流过。
7.如权利要求2至6中任一项所述的设备，其特征在于，在其中所述移动元件(9)返回到所述电磁体(4)外的静止位置的断开阶段中，所述控制逻辑单元(6)同时打开所述第一和第二电源开关(S1，S2)。
8.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述控制逻辑单元(6)通过测量连接在所述正向节点(PN)和所述电源端子(MA)之间的电阻器(R1)两端的电压来检测所述激励电流的值。
9.如前述任一权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，还包括另一个控制逻辑单元(7)，所述另一个控制逻辑单元(7)易于通过数字和/或模拟信号与外部设备通信，所述另一个控制逻辑单元(7)的电源由所述电磁体(4)的对应次级绕组(5)提供，所述控制逻辑单元(6)依据检测到的所述激励电流的值来控制所述电源开关电子装置(S1，S2)，以使所述电磁体(4)还作为用于为所述另一个控制逻辑单元(7)充分提供所述电源以保持吸引所述移动元件(9)的功能基本不变的变压器来工作。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述另一个控制逻辑单元(7)易于通过电绝缘单元(8)与所述第一控制逻辑单元(6)进一步通信。
11.如权利要求10所述的设备，在从属于权利要求4时，其特征在于，所述另一个控制逻辑单元(7)易于与所述第一控制逻辑单元(6)通信以调节所述移动元件(9)的行程。
12.一种特别用于操作泵的驱动电磁体(4)，包括初级绕组(3)和移动元件(9)，所述移动元件(9)易于在具有高于阈值的值的激励电流流过所述初级绕组(3)时被吸引进入所述初级绕组(3)，其特征在于，所述驱动电磁体(4)包括根据权利要求1至11中任一项所述的驱动设备。
13.一种用于驱动电磁体(4)，特别用于操作泵的方法，包括初级绕组(3)和移动元件(9)，所述移动元件(9)易于在具有高于阈值的值的激励电流流过所述初级绕组(3)时被吸引进入所述初级绕组(3)，其特征在于，它依据检测到的所述激励电流的值通过控制逻辑单元(6)来控制电源开关电子装置(S1，S2)，以使所述电磁体(4)作为用于通过所述初级绕组(3)的对应分路(PP)为控制逻辑单元(6)充分提供所述电源以保持吸引所述移动元件(9)的功能基本不变的自耦变压器来工作。
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