一種小容量電磁電器智能控制裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種小容量電磁電器智能控制裝置，包括電源、浪涌保護模塊、整流模塊、第一濾波電容、旁路電容、開關(guān)芯片、電感、第二濾波電容、續(xù)流模塊、反饋開啟電路、電流反饋電路、短路保護模塊、電壓反饋電路、第三濾波電容、電磁系統(tǒng)線圈；開關(guān)芯片內(nèi)部的電流源、電感、旁路電容構(gòu)成動態(tài)自供電電路，控制開關(guān)芯片輸出的高頻脈沖。該裝置采用單片開關(guān)芯片，實現(xiàn)對小容量電磁電器電磁系統(tǒng)的起動過程和保持過程的過程控制；控制采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，起動過程采用電壓反饋實現(xiàn)電磁系統(tǒng)在直流高電壓下起動，保持過程采用電流反饋實現(xiàn)電磁系統(tǒng)在直流低電流下保持吸合狀態(tài)。該裝置運行可靠、節(jié)能，控制方便，而且結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，使用效果好。
【專利說明】一種小容量電磁電器智能控制裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電磁電器智能控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種小容量電磁電器智能控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]面向二十一世紀，信息技術(shù)、生物工程、新材料、新工藝、新技術(shù)、新能源的高速發(fā)展，多領(lǐng)域的相互滲透和技術(shù)創(chuàng)新給傳統(tǒng)的電器行業(yè)帶來新理念、新觀念。傳統(tǒng)的開關(guān)電器產(chǎn)品遠遠無法滿足現(xiàn)代化控制與配電系統(tǒng)的需求，限制了現(xiàn)代化控制與配電系統(tǒng)的發(fā)展。
[0003]低壓電器領(lǐng)域中，電磁開關(guān)作為主要的控制電器被廣泛使用，如電磁式接觸器、電磁繼電器、電磁閥以及斷路器的一些電磁脫扣裝置等。傳統(tǒng)的電磁式開關(guān)電器在結(jié)構(gòu)上主要包含兩部分:感測部分與執(zhí)行部分，其感測部分為電磁系統(tǒng)，執(zhí)行部分為觸頭滅弧系統(tǒng)。由于電磁開關(guān)的動作必需經(jīng)由感測部分來控制，因此電磁系統(tǒng)是影響其動作特性的重要因素，直接影響整個電磁開關(guān)的運行品質(zhì)。作為一種能量轉(zhuǎn)換裝置，電磁系統(tǒng)的工作過程是一個電能一磁能一力的轉(zhuǎn)換過程，運動過程中要克服機械力做功，因此慣性大、撞擊大、靈敏度低、操作頻率低。為了提高電磁開關(guān)的整體性能，就必須盡快研制高性能、高可靠性的電磁系統(tǒng)。
[0004]電磁式接觸器作為一種量大面廣的電磁開關(guān)，多用于遠距離控制和電動機傳動系統(tǒng)中。隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，對控制的要求也越來越高。現(xiàn)有的電磁式接觸器由于電磁機構(gòu)輸入電壓類型單一、工作范圍窄、吸持損耗大，造成機構(gòu)種類繁多、資源浪費大、壽命低、產(chǎn)品可靠性差。進入21世紀后，國外大容量的電磁接觸器普遍加入了智能控制模塊，采用帶有智能控制的操作電磁鐵來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁鐵，利用帶微處理器的反饋控制系統(tǒng)，使電磁鐵的吸力和反力特性良好配合，提高了接觸器的電氣和機械壽命。同時由于線圈采用了脈沖調(diào)寬供電，鐵心采用的是無疊片結(jié)構(gòu)并去除了分磁環(huán)，使得電磁系統(tǒng)的功耗大大減小。
[0005]早在20世紀80年代，為了實現(xiàn)節(jié)能無聲運行，交流接觸器就通過轉(zhuǎn)變其線圈的勵磁電壓，即吸合階段施加強電壓使其閉合，待鐵心閉合后去除強電，轉(zhuǎn)為低電壓直流保持，因此取得了節(jié)能以及運行無噪聲的效果。后來，日本富士電機公司在其SC系列交流接觸器中加入了專用集成電路對其吸合門檻電壓進行判斷，同時監(jiān)視其運行時的輸入電壓，有效減小了電源電壓波動對接觸器運行的影響。進入新世紀以來，隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究者把單片機引入到電磁開關(guān)的智能控制當中。2000年,H.Nouri提出了一種電子操作的方案，在線圈的勵磁過程中將其分為兩個周期，即在線圈勵磁過程中間加入停歇時間，并引入反饋形成閉環(huán)控制，自動調(diào)節(jié)停歇時間，使得操作電磁鐵在閉合過程中實現(xiàn)“軟著陸”，極大地減小觸頭彈跳和鐵心撞擊能量，提高了其AC3的使用壽命。目前，這種方案已被國外很多大公司所采用。為了提高接觸器的開斷性能，H.N0uri對接觸器進行了定向合閘控制，找出了接觸器合閘相角與觸頭磨損之間的關(guān)系。美國伊頓公司的Xin.Zhou提出了一種異步組合式接觸器的控制方案，通過三臺獨立的單極接觸器作為本體，采用定相分、合閘技術(shù)來控制電動機，大大提高了接觸器的AC3和AC4使用壽命。福州大學(xué)智能電器研究室從90年代開始就對交流接觸器的智能化控制展開了全面的研究，在接觸器的吸合、分斷過程的動態(tài)控制中提出了多種解決方案。在吸合過程的控制中，通過對各種條件與控制方案下的吸合動態(tài)過程進行試驗研究的基礎(chǔ)上，確定其最佳吸合控制方案，按照不同電源電壓進行動態(tài)過程優(yōu)化控制，大大減少了鐵心閉合時的撞擊能量，減小甚至消除了觸頭彈跳。
[0006]隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，帶反饋控制的交流接觸器脈寬調(diào)制控制方案得到關(guān)注。劉穎異等發(fā)表的《帶電壓反饋的智能接觸器動態(tài)特性及觸頭彈跳的仿真與研究》提出了一種帶電壓反饋的接觸器脈寬調(diào)制智能控制方案，并對接觸器的動態(tài)工作過程及磁系統(tǒng)的情況進行分析，汪先兵等發(fā)表的《無位置傳感器的智能永磁接觸器弱磁控制及合閘動態(tài)特性分析》采用脈寬調(diào)制技術(shù)控制永磁接觸器起動過程，實現(xiàn)了無位置傳感器的永磁接觸器優(yōu)化控制，但其起動過程中電參量均為開環(huán)控制。湯龍飛、許志紅發(fā)表的《閉環(huán)斬波起動交流接觸器控制模塊設(shè)計》提出了一種閉環(huán)斬波起動的交流接觸器智能控制方案，可靈活調(diào)節(jié)接觸器的激磁電流。以上控制方案中都是針對100A以上容量的電磁電器展開的，由于控制模塊的成本問題、在電器產(chǎn)品中的安裝問題等原因，這些方案對40A以下的交流接觸器并不適用。
[0007]可是小容量的電磁電器，如小容量的接觸器、電磁繼電器、電磁閥等產(chǎn)品用量極大，如何在小容量電磁電器中融入智能控制的思想和理念，實現(xiàn)節(jié)能無聲運行，是一個值得研究的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對小容量電磁電器的特點，提供一種小容量電磁電器智能控制裝置，該裝置運行可靠、節(jié)能，控制方便，而且結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，使用效果好。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種小容量電磁電器智能控制裝置，包括:交(直)流電源P、浪涌保護模塊T、整流模塊Z、第一濾波電容Cl、旁路電容C5、開關(guān)芯片1C、電感L2、第二濾波電容C3、續(xù)流模塊D5、反饋開啟電路FK、電流反饋電路IF、短路保護模塊F、電壓反饋電路UF、第三濾波電容C4、電磁系統(tǒng)線圈X ;開關(guān)芯片IC內(nèi)部的電流源、電感L2、旁路電容C5構(gòu)成動態(tài)自供電電路，控制開關(guān)芯片IC輸出的高頻脈沖；
所述交(直)流電源P的兩連接端分別與浪涌保護模塊T的兩連接端、整流模塊Z的兩連接端相連接，所述整流模塊Z的第三連接端分別與第一濾波電容Cl的第一連接端、電感L2的第一連接端、第二濾波電容C3的第一連接端、反饋開啟電路FK的第一連接端、電壓反饋電路UF的第一連接端、第三濾波電容C4的第一連接端和電磁系統(tǒng)線圈X的第一連接端相連接，所述整流模塊Z的第四連接端分別與第一濾波電容Cl的第二連接端、旁路電容C5的第一連接端、開關(guān)芯片IC的第一連接端相連接，所述旁路電容C5的第二連接端接至開關(guān)芯片IC的第二連接端，所述開關(guān)芯片IC的第三連接端分別與電感L2的第二連接端、續(xù)流模塊D5的第一連接端相連接，所述續(xù)流模塊D5的第二連接端分別與第二濾波電容C3的第二連接端、反饋開啟電路FK的第二連接端、電流反饋電路IF的第一連接端相連接,所述電流反饋電路IF的第二連接端接至反饋開啟電路FK的第三連接端，所述電流反饋電路IF的第三連接端分別與開關(guān)芯片IC的第四連接端、電壓反饋電路UF的第三連接端相連接，所述電流反饋電路IF的第四連接端接至短路保護模塊F的第一連接端，所述短路保護模塊F的第二連接端分別與電壓反饋電路UF的第二連接端、第三濾波電容C4的第二連接端和電磁系統(tǒng)線圈X的第二連接端相連接。
[0010]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是:
(1)通過兩種不同反饋方式的切換，一片開關(guān)芯片IC同時承擔起動和保持過程功率輸出的調(diào)制。電路結(jié)構(gòu)緊湊、電路元器件利用率高、控制模塊體積小、成本低，容易實現(xiàn)小容量電磁電器的機電一體化設(shè)計，形成新型智能化產(chǎn)品；
(2)反饋開啟電路能夠靈活地設(shè)置起動到保持的切換時間，能夠?qū)﹄姶畔到y(tǒng)起動過程進行過程控制，根據(jù)具體情況設(shè)置相應(yīng)的機構(gòu)閉合速度，在吸合時間滿足要求的前提下，減少鐵心的撞擊速度，降低激磁線圈的溫升。
[0011](3)電磁系統(tǒng)起動到吸合過程轉(zhuǎn)變是一個負載變化的過程，采用電流反饋、PWM跳周期的閉環(huán)控制模式，通過峰值電流變換，減輕了高頻工作狀態(tài)下的電感音頻噪聲。
[0012](4)采用了電流限流工作模式，能夠很好的抑制電壓紋波，提供不受輸入電壓影響的恒定輸出功率，屬于寬電壓的工作方式。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明實施例的原理框圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0015]本發(fā)明小容量電磁電器智能控制裝置，如圖1所示，包括:交(直)流電源P、浪涌保護模塊T、整流模塊Z、第一濾波電容Cl、旁路電容C5、開關(guān)芯片1C、電感L2、第二濾波電容C3、續(xù)流模塊D5、反饋開啟電路FK、電流反饋電路IF、短路保護模塊F、電壓反饋電路UF、第三濾波電容C4、電磁系統(tǒng)線圈X ;開關(guān)芯片IC內(nèi)部的電流源、電感L2、旁路電容C5構(gòu)成動態(tài)自供電(DSS)電路，控制開關(guān)芯片IC輸出的高頻脈沖。
[0016]參見圖1，所述交(直)流電源P的兩連接端分別與浪涌保護模塊T的兩連接端、整流模塊Z的兩連接端相連接，所述整流模塊Z的第三連接端分別與第一濾波電容Cl的第一連接端、電感L2的第一連接端、第二濾波電容C3的第一連接端、反饋開啟電路FK的第一連接端、電壓反饋電路UF的第一連接端、第三濾波電容C4的第一連接端和電磁系統(tǒng)線圈X的第一連接端相連接，所述整流模塊Z的第四連接端分別與第一濾波電容Cl的第二連接端、旁路電容C5的第一連接端、開關(guān)芯片IC的第一連接端相連接，所述旁路電容C5的第二連接端接至開關(guān)芯片IC的第二連接端，所述開關(guān)芯片IC的第三連接端分別與電感L2的第二連接端、續(xù)流模塊D5的第一連接端相連接，所述續(xù)流模塊D5的第二連接端分別與第二濾波電容C3的第二連接端、反饋開啟電路FK的第二連接端、電流反饋電路IF的第一連接端相連接，所述電流反饋電路IF的第二連接端接至反饋開啟電路FK的第三連接端,所述電流反饋電路IF的第三連接端分別與開關(guān)芯片IC的第四連接端、電壓反饋電路UF的第三連接端相連接，所述電流反饋電路IF的第四連接端接至短路保護模塊F的第一連接端，所述短路保護模塊F的第二連接端分別與電壓反饋電路UF的第二連接端、第三濾波電容C4的第二連接端和電磁系統(tǒng)線圈X的第二連接端相連接。
[0017]交流電源電壓P (如果是直流電源電壓，也不影響模塊正常工作)與浪涌保護模塊T相連，施加在整流模塊Z上，經(jīng)過整流以后，由第一濾波電容Cl將電壓變?yōu)槠椒€(wěn)的直流電壓，加在動態(tài)自供電電路上，當旁路電容C5上電壓達到一定值時，芯片IC開始工作。直流電壓經(jīng)開關(guān)芯片IC內(nèi)置的MOSFET進行斬波，通過主電路向電磁系統(tǒng)線圈傳遞能量。
[0018]同時反饋開啟電路FK開始工作，設(shè)定反饋開啟時間大于電磁系統(tǒng)的吸合時間，使電流反饋電路IF在電磁系統(tǒng)的起動過程中處于無效狀態(tài)，不工作。當芯片IC輸出電壓值達到參考電壓值(即電磁電器起動電壓值)后，電壓反饋電路UF開始工作，芯片IC根據(jù)內(nèi)部的設(shè)定值選擇電流模式或者跳周期模式，電流大于設(shè)定值運行在電流模式，電流小于設(shè)定值運行在跳周期模式，這兩種模式均輸出恒定電壓，電磁系統(tǒng)恒壓起動。當達到設(shè)定的反饋開啟時間后，電流反饋電路IF投入工作，芯片也同樣會選擇在電流模式或者跳周期模式工作，同時，強制將電流值拉低到參考電流值，輸出恒定電流，電磁系統(tǒng)恒流保持。芯片IC內(nèi)的設(shè)定值在缺省狀態(tài)為最大峰值電流的1/4，當負載電流超過這個設(shè)定值，芯片工作在電流模式，工作頻率固定。當負載電流小于這個設(shè)定值，工作在跳周期模式，工作頻率變化。在電磁系統(tǒng)的起動過程中由于工作氣隙的改變，導(dǎo)致負載發(fā)生變化，芯片會自行判斷工作模式，有可能工作在一種模式下，也可能在兩種模式之間切換。而電磁系統(tǒng)的保持過程只存在一種工作模式，根據(jù)輸出電流決定是工作在電流模式，還是跳周期模式。
[0019]在芯片IC中，集成了一個控制器和一個MOSFET開關(guān)管，提供軟啟動、頻率抖動、短路保護、電流、跳周期等工作模式，具有最大峰值電流調(diào)整和動態(tài)自供電功能，工作噪聲低。在額定負載工作期間，IC芯片采用電流模式，通過檢測電感L2上的電流值控制占空比。當電流調(diào)整值降到給定值以下時，如輸出功率的需求減小，芯片IC會自動進入跳周期模式，跳過附加周期以保持電源輸出的穩(wěn)定，從而在較輕負載下能夠高效工作。反饋開啟電路FK通過內(nèi)部設(shè)置，調(diào)節(jié)電流反饋電路IF的開啟時間。
[0020]第三濾波電容C4可以濾除電路中的高頻分量，續(xù)流模塊D5提供芯片中MOSFET管關(guān)閉時電磁系統(tǒng)線圈電流的續(xù)流回路。
[0021]浪涌保護模塊T能夠在雷擊、靜電放電、輸入過壓浪涌時進行抑制，保護電路。短路保護模塊F在負載發(fā)生短路時，對電路實施保護。芯片IC內(nèi)部也含有相關(guān)保護電路，在負載短路或反饋網(wǎng)絡(luò)損壞時，芯片IC會立即停止輸出脈沖，故障排除后，模塊再次正常啟動。芯片IC內(nèi)部還具有過熱保護功能，當結(jié)溫度超過150°時，起動過熱保護關(guān)斷芯片，當溫度低于100°時重新起動芯片工作。
[0022]本發(fā)明通過采用單片開關(guān)芯片1C，實現(xiàn)了對小容量電磁電器電磁系統(tǒng)的起動過程和保持過程的過程控制。采用低端buck-boost拓撲，具有更寬的輸出電壓范圍，同時滿足起動功率和保持功率的輸出。在同一個主電路下通過兩種不同反饋方式的切換，控制電磁電器起動到保持過程輸出功率的自動切換。控制采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，起動過程采用電壓反饋實現(xiàn)電磁系統(tǒng)在直流高電壓下起動，保持過程采用電流反饋實現(xiàn)電磁系統(tǒng)在直流低電流下保持吸合狀態(tài)。反饋開啟電路能夠設(shè)置電流反饋的起始時間，在起動時間內(nèi)，反饋開啟電路使得電流反饋處于無效狀態(tài)，只有電壓反饋起作用，控制模塊輸出起動需要的直流高電壓。設(shè)置時間到后，電流反饋開始起作用，強制將輸出拉低到保持需要的直流低電流，實現(xiàn)節(jié)能無聲運行。[0023]以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種小容量電磁電器智能控制裝置，其特征在于，包括:電源P、浪涌保護模塊T、整流模塊Z、第一濾波電容Cl、旁路電容C5、開關(guān)芯片1C、電感L2、第二濾波電容C3、續(xù)流模塊D5、反饋開啟電路FK、電流反饋電路IF、短路保護模塊F、電壓反饋電路UF、第三濾波電容C4、電磁系統(tǒng)線圈X ;開關(guān)芯片IC內(nèi)部的電流源、電感L2、旁路電容C5構(gòu)成動態(tài)自供電電路，控制開關(guān)芯片IC輸出的聞頻脈沖；所述電源P的兩連接端分別與浪涌保護模塊T的兩連接端、整流模塊Z的兩連接端相連接，所述整流模塊Z的第三連接端分別與第一濾波電容Cl的第一連接端、電感L2的第一連接端、第二濾波電容C3的第一連接端、反饋開啟電路FK的第一連接端、電壓反饋電路UF的第一連接端、第三濾波電容C4的第一連接端和電磁系統(tǒng)線圈X的第一連接端相連接，所述整流模塊Z的第四連接端分別與第一濾波電容Cl的第二連接端、旁路電容C5的第一連接端、開關(guān)芯片IC的第一連接端相連接，所述旁路電容C5的第二連接端接至開關(guān)芯片IC的第二連接端，所述開關(guān)芯片IC的第三連接端分別與電感L2的第二連接端、續(xù)流模塊D5的第一連接端相連接，所述續(xù)流模塊D5的第二連接端分別與第二濾波電容C3的第二連接端、反饋開啟電路FK的第二連接端、電流反饋電路IF的第一連接端相連接,所述電流反饋電路IF的第二連接端接至反饋開啟電路FK的第三連接端，所述電流反饋電路IF的第三連接端分別與開關(guān)芯片IC的第四連接端、電壓反饋電路UF的第三連接端相連接，所述電流反饋電路IF的第四連接端接至短路保護模塊F的第一連接端，所述短路保護模塊F的第二連接端分別與電壓反饋電路UF的第二連接端、第三濾波電容C4的第二連接端和電磁系統(tǒng)線圈X的第二連接端相連接。
【文檔編號】H01H47/00GK103456565SQ201310412318
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】許志紅, 莊杰榕 申請人:福州大學(xué)