專利名稱：具有由電磁鐵保持電流供電的電源電路的電磁鐵控制設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁鐵的控制設(shè)備，包括至少一個和電子開關(guān)串聯(lián)的保持線圈連接到線圈的電源電壓端；用于測量在保持線圈中流過的保持電流的裝置；用于控制電磁鐵的控制裝置，其包括用于調(diào)節(jié)保持電流的裝置，該控制裝置和用于測量保持電流的裝置以及電子開關(guān)的控制電極相連，以及控制裝置的電源裝置。
電路斷路器一般包括一定數(shù)量的電氣輔助件，更具體地說，包括閉合電磁鐵(XF)或斷開電磁鐵。一般具有兩類斷開電磁鐵，或電壓跳閘釋放電磁鐵。它們包括這樣一種電磁鐵，當使電路斷路器斷開的某種條件滿足時這種電磁鐵被啟動。當要被保護的電力系統(tǒng)的電壓降低到某個門限之下時欠電壓釋放(MN)使電路斷路器斷開，當電力系統(tǒng)的電壓超過另一個門限時短路釋放(MX)使電路斷路器斷開。
為了控制電磁鐵，已知的方法有(FR-A-2,133,652)瞬時提供一個相當高的啟動電流，然后跟著一個較小的保持電流。這可以利用具有一個單線圈的裝置實現(xiàn)，其中電流被轉(zhuǎn)換而形成為保持電流，或者利用具有啟動線圈和保持線圈的雙線圈裝置來實現(xiàn)。已經(jīng)公知的方法還有把啟動電流和保持電流調(diào)節(jié)為預定的值(FR-A-2,568,715)。這種裝置由電源電路供電，所述電源電路消耗可觀的功率，因而成本高，體積大。
電磁鐵控制裝置的電路的電壓源可能需要輔助電源電壓產(chǎn)生。文件EP-A-353,533提出為此目的而使用的電壓是當和線圈串聯(lián)的晶體管截止時在電磁鐵的控制線圈內(nèi)感應(yīng)的電壓。這個例子不能使線圈中的電流被調(diào)節(jié)，因為該電流的一部分被分支到電源電路。
本發(fā)明的目的是實現(xiàn)一種能使保持電流被簡單地調(diào)節(jié)的裝置，同時以低的成本和小的體積提供該裝置所需的電源電壓。
按照本發(fā)明，這一目的是這樣實現(xiàn)的控制裝置的電源裝置和保持線圈以及電子開關(guān)串聯(lián)，以這樣的方式使得其可以由保持電流供電，用于測量保持電流的裝置包括和電源裝置并聯(lián)連接的測量電路，并且包括一個串聯(lián)的附加電子開關(guān)和測量電阻，控制裝置被連接到該電阻的兩端，并和附加電子開關(guān)的控制極相連以這樣的方式使得可以周期地使附加電子開關(guān)導通。
由下面參考附圖結(jié)合非限制性的例子對本發(fā)明優(yōu)選實施例進行的說明可以清楚地看出本發(fā)明的其它優(yōu)點和特點，其中

圖1和圖2是按照現(xiàn)有技術(shù)的兩種控制裝置；圖3是按照本發(fā)明的裝置的第一實施例；圖4是在包括啟動線圈的第二實施例中按照圖3的裝置的附加的元件；圖5是按照圖3的裝置的電壓匹配電路的一個特定實施例；圖6是按照圖3的裝置的電源電路的另一個實施例。
圖1所示的裝置是在文件FR-A-2,568,715中披露的，其中包括和晶體管T1以及測量電阻R1串聯(lián)后被連接到電源電壓Va的線圈1。以常規(guī)方式，續(xù)流二極管(free-wheel diode)D1和線圈1并聯(lián)。一個控制與調(diào)節(jié)電路2和晶體管T1的控制極相連。電路2的輸入端接收電磁鐵的控制信號A。電路2還和電阻R1的端子相連，從而在晶體管T1導通時接收代表流過線圈1的電流的信號Ib。這樣，電路2能夠使該裝置被控制并能夠使線圈中的電流被調(diào)節(jié)到預定值，而與電源電壓Va無關(guān)。和電壓Va兩端相連的電源電路3向電路2提供穩(wěn)定的輔助電源電壓Vb1。
在按照圖1的裝置中，電源電路3消耗的功率是不可忽略的。例如，如果必須提供的電源電流大約為4mA，并且如果電壓Va達到500V，則由電源電路消耗的功率可以達到2W。因為電磁鐵線圈一般消耗大約幾瓦的功率，所以電源電路的相關(guān)體積是不成比例的。使用轉(zhuǎn)換的電源電路3可以使其功率消耗受到限制，但是不能解決成本和體積的問題。
由文件EP-A-353,533披露的裝置如圖2所示，其中包括線圈1和晶體管T2，T3串聯(lián)后和電源電壓Va相連。脈寬調(diào)制型控制電路4和晶體管T2，T3的控制極相連。電源電路5能夠使得從電壓Va得到圖2所示的裝置的負的輔助電源電壓Vb2。線圈1與NPN晶體管T3的集電極的公共點通過二極管D2和電壓Va相連，而線圈1與PNP晶體管T2的集電極的公共點通過可控硅Th接地?？煽毓鑄h用于調(diào)節(jié)輔助電源電壓Vb2，該電壓出現(xiàn)在和二極管D3串聯(lián)后和可控硅Th的端子相連的電容器C1的兩端。電壓Vb2的調(diào)節(jié)電路6和電容器C1并聯(lián)，并向可控硅的控制極提供控制信號。當在電路4的控制下，晶體管T2從導通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止狀態(tài)時，在線圈1中感應(yīng)電壓。這樣在二極管D3的陰極產(chǎn)生一個負電壓，因而使電容器C1負充電。當在電容器C1的兩端獲得所需的電壓時，電壓Vb2的調(diào)節(jié)電路6借助于可控硅Th把該電壓保持在所需的值。
在按照圖2的電路中，不能通過使用和線圈串聯(lián)的電阻進行電流測量以把線圈中的電流調(diào)節(jié)到預定的值，如圖1所示。實際上一部分線圈電流被分流到電源電路5。
在按照圖3的本發(fā)明的實施例中，控制裝置由全波整流器橋7和交流電壓相連。整流器橋至少為一個線圈1提供電源電壓Va。在優(yōu)選實施例中，所述的裝置是具有啟動線圈(圖3中沒有示出)和由圖3中的線圈1構(gòu)成的保持線圈的雙線圈裝置。
線圈1和圖中所示的MOS型晶體管T4以及用于提供兩個輔助電源電壓Vb和Vc的電源電路8串聯(lián)。
由基于微處理器的電路9進行電磁鐵的控制。在圖3中，電路9包括和由兩個電阻R2，R3構(gòu)成的分壓器的中點相連的輸入端E1，兩個電阻串聯(lián)后被連接于電源電壓Va的兩端。因而該裝置可以用于控制電壓跳閘裝置的電磁鐵，代表施加于整流器橋7的輸入端的電壓的R3兩端的電壓可以通過微處理器和預定門限進行比較，所述門限對于欠壓釋放(under-voltage release)取最小的，對于短路釋放(shunt release)取最大的。
基于微處理器的電路9的輸出端S1通過電壓匹配電路10和晶體管T4的控制極相連，電壓匹配電路本身由電壓Va供電?；谖⑻幚砥鞯碾娐?一方面按照電阻R3兩端的電壓值控制晶體管T4的狀態(tài)，另一方面把線圈1中的保持電流箝位到預定值。為了進行保持電流的調(diào)節(jié)和箝位，基于微處理器的電路9需要測量該電流。為此，該裝置包括和電源電路8并聯(lián)的測量電路。測量電路包括和圖中MOS型的晶體管T5串聯(lián)的測量電阻R4。晶體管T5的控制極和電路9的輸出端S2相連，而測量電阻R4兩端的電壓被提供給電路9的輸入端E2。
在圖3所示的實施例中，電源電路8包括齊納二極管Z1，其與線圈1以及晶體管T4串聯(lián)后被連接于電源電壓Va兩端。二極管D4和電容器C2串聯(lián)后被連接于齊納二極管Z1的兩端。輔助電源電壓Vb的調(diào)節(jié)電路11和電容器C2并聯(lián)。
在圖3中，輔助電源電壓Vb被提供給基于微處理器的電路9的電源輸入端。未被調(diào)節(jié)的輔助電源電壓Vc是電容器C2兩端的電壓。其可用于控制啟動線圈，下面參照圖4進行說明。在優(yōu)選實施例中，Vb接近5V，而Vc大約10V。
按照圖3的裝置的工作方式如下。線圈1的被調(diào)節(jié)的保持電流由基于微處理器的電路9控制。當晶體管T4導通時，保持電流在齊納二極管Z1的兩端產(chǎn)生一個例如大約10V的預定電壓，該電壓通過二極管D4對電容器C2充電。因而在電容器C2兩端獲得未被調(diào)節(jié)的輔助電源電壓Vc。該電壓施加于Vb的調(diào)節(jié)電路11，調(diào)節(jié)電路11可以是任何已知類型的，例如是線性調(diào)節(jié)器，從而提供輔助電源電壓Vb。
基于微處理器的電路9定期地，最好每隔312微秒，在用于電阻R4兩端進行電壓測量所需的時間期間，在其輸出端S1和S2同時提供晶體管T4和T5的導通指令信號。晶體管T5導通時，施加于齊納二極管Z1上的電壓，即施加于電源電路8的輸入端的電壓減少，例如減少到大約幾伏的值(例如3V)。保持電流不再供給電源電路，而反極性二極管D4阻止電容C2通過電阻T5放電。因而線圈中的保持電流全部經(jīng)晶體管T5通過電阻R4。因而基于微處理器的電路9周期地在其輸入端E2獲得代表保持電流的測量值。這一測量值被基于微處理器的電路9用于調(diào)節(jié)保持電流。如果保持電流小于或等于預定的設(shè)置點的值，電路9就保持晶體管T4導通，直到下一個測量。如果另一方面，保持電流大于設(shè)置點的值，則晶體管T4被截止，直到下一個測量。
圖3的電源電路8對于5V的電壓Vb，提供的4mA的電流只消耗非常低的功率，大約為20mW，而和電壓Va的值無關(guān)。
按照圖3所示的裝置可以通過附加圖4所示的元件來完善。在本實施例中，該裝置包括附加的啟動線圈12，其通過和晶體管T6以及測量電阻R5串聯(lián)后被連接于電源電壓Va的兩端。續(xù)流二極管D5和線圈12并聯(lián)?；谖⑻幚砥鞯碾娐?包括控制輸出端S3，用于控制啟動線圈12的啟動電流。在圖3和圖4中，該電流由基于微處理器的電路9按照常規(guī)方式進行調(diào)節(jié)，電路9在輸入端E3接收代表測量電阻R5兩端的電壓的信號因而代表啟動線圈12中的啟動電流的信號。
來自基于微處理器的電路9的控制信號是非常低的電壓信號，例如大約5V，而線圈1和12的電源電壓Va可以達到220V，或甚至500V。這需要在輸出端S1，S2和晶體管T4，T6的控制極之間設(shè)置電壓匹配電路。
圖3所示的電壓匹配電路10的一種已知類型的具體例子如圖5所示。其包括高壓電阻R6，其通過和齊納二極管Z2串聯(lián)后被連接于電源電壓Va的兩端。電阻R7和晶體管T7串聯(lián)后和齊納二極管Z2并聯(lián)。晶體管T7的控制極和基于微處理器的電路9的輸出端S1相連。電阻R6，R7以及齊納二極管Z2的公共點形成電壓匹配電路的輸出，其和晶體管T4的控制極相連。當提供給S1的邏輯信號電平低時(例如0V)，晶體管T7截止，因而晶體管T8的控制極處于高電平，其相應(yīng)于齊納二極管Z2的限制電壓，大于電壓Vc。例如，齊納二極管Z2的限制電壓大約可以是18V。此時晶體管T4導通。如果另一方面，施加于S1上的邏輯信號的電平高(例如5V)時，則晶體管T7導通，從而把齊納二極管Z2短路，把晶體管T4的控制極轉(zhuǎn)換為低電平，因而使晶體管T4截止。
在輸出端S3和晶體管T6的控制極之間可以使用同一種類型的電路。不過，這種電路要求使用體積大的高壓電阻R6和齊納二極管Z2。圖4的特定實施例通過使用由電源電路8提供的輔助電源電壓Vc作為電壓匹配電路的電源，從而克服了這一缺點。應(yīng)當注意，大約5V的輔助電源電壓Vb可能不足以使晶體管T6轉(zhuǎn)換。另一方面，大約10V的電壓Vc是十分合適的。圖4的電壓匹配電路包括兩個電阻R8和R9，它們串聯(lián)在輔助電源電壓Vc和晶體管T6的控制極之間。MOS型的晶體管T8被連接在電阻R8，R9的公共點和地之間。晶體管T8的控制極和輸出端S3相連，并通過電阻R10和輔助電源電壓相連。當施加于S3上的邏輯信號為低電平時，晶體管T8截止，而晶體管T6導通。另一方面，當施加于S3上的邏輯信號為電平高時，晶體管T8導通，而晶體管T6截止。
輔助電源電壓調(diào)節(jié)電路11也可以包括(圖3)和基于微處理器的電路9的復位輸入端R相連的輸出端，使得當電路9的電源電壓Vb低于某個門限時使微處理器復位。
當該裝置被加電時，基于微處理器的電路9被自動復位。其輸入/輸出端口呈高阻抗。在圖5中，和晶體管T7的控制極以及和地相連的電阻R11把該電極的電位設(shè)置為0V，使晶體管T7截止，這使得晶體管T4導通。因此，自動地發(fā)生電容器C2的充電，確保裝置的啟動。
近來微處理器在減少其電源電壓的情況下常常綜合其復位功能。在這種情況下，和電路9的輸入端R相連的電路11的輸出端不再是必不可少的，并且電壓Vb不再必須如此精確。此時，可以簡化電源電路8。一種簡化的替代形式如圖6所示。
在圖6中，取消了調(diào)節(jié)電路11，由一種電路代替齊納二極管Z1，所述電路包括正常導通的串聯(lián)二極管D6和齊納二極管Z3，Z3的門限電壓等于所需的輔助電源電壓Vb，例如大約為5V。二極管D6能夠補償二極管D4的電壓由于溫度變化而受到的影響。
如果控制裝置包括圖6所示的簡化的電源電路8，便不再能夠得到為圖4的電壓匹配電路供電的輔助電源電壓Vc。在電壓匹配電路10(圖5)的齊納二極管Z2的兩端的電壓可用來代替輔助電源電壓Vc。
為了釋放電磁鐵(unlatch the electromagnet)，在啟動和保持線圈中的電流必須被中斷至少15ms。消除用于提供基于微處理器的電路9的電源電壓Vb的保持電流引起了在這個時間間隔期間維持其電源的問題。例如，如果基于微處理器的電路9消耗4mA，要維持其電源15ms意味著使用大體積的電容器C2(圖3)，因而使體積增大。按照本發(fā)明的改進，能夠使電容C2的尺寸減小，其中的控制裝置，只要發(fā)出命令晶體管T4截止的釋放指令，便使微處理器轉(zhuǎn)換到特定的待用方式，被稱為STOP方式。在STOP方式下，基于微處理器的電路具有大大減少的消耗，例如大約幾微安(1-10微安)。因為電容器C2不再被保持電流充電，它便緩慢地放電。當電壓Vb下降到預定門限以下時，微處理器通過調(diào)節(jié)電路11，或者通過自身，或者通過任何合適的比較電路被自動地復位。這個復位和在加電階段一樣，自動地使微處理器的輸入/輸出端口轉(zhuǎn)換為高阻抗，因而使晶體管T4導通，使電容器C4充電，使輔助電源電壓Vb增加。不過，電容器C2的大小是為了使微處理器能夠復位而選擇的，使得在為電磁鐵釋放所需的15ms之后總能夠復位。電磁鐵被釋放之后，當復位產(chǎn)生在線圈1中的保持電流不足以使電磁鐵吸合時，其需要較大的啟動電流。
在上面的說明中，線圈1是保持線圈，線圈12(圖4)是啟動線圈。本發(fā)明也應(yīng)用于這樣的情況，其中所述裝置只包括一個線圈1，根據(jù)流過線圈的電流，既作為啟動線圈，又作為保持線圈，基于微處理器的電路9把保持電流調(diào)節(jié)到一個比啟動電流小的值。
按照圖3的裝置，其中提供給基于微處理器的電路9的輸入端E1的信號代表要被保護的電力系統(tǒng)的電壓，這種裝置尤其適用于控制欠壓或者短路釋放(MN或MX)。
本發(fā)明適用于任何類型的電磁鐵，特別是也適用于電路斷路器閉合電磁鐵，此時，合適的控制信號被施加于輸入端E1。
權(quán)利要求
1.一種電磁鐵的控制設(shè)備，包括至少一個和電子開關(guān)(T4)串聯(lián)的保持線圈(1)被連接到線圈的電源電壓(Va)端；用于測量保持線圈(1)中的保持電流的裝置；用于控制電磁鐵的控制裝置，其包括用于調(diào)節(jié)保持電流的裝置，該控制裝置和用于測量保持電流的裝置以及電子開關(guān)(T4)的控制極相連；以及控制裝置的電源裝置(8)，其特征在于，所述控制裝置的電源裝置(8)和保持線圈(1)以及電子開關(guān)(T4)串聯(lián)，以這樣的方式使得其由保持電流供電；用于測量保持電流的裝置包括一個測量電路，其和電源裝置(8)并聯(lián)，并包括串聯(lián)的附加電子開關(guān)(T5)和測量電阻(R4)；控制裝置(9，10)和該電阻的兩端以及附加電子開關(guān)(T5)的控制極相連，以這樣的方式使得周期性地使附加電子開關(guān)導通。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于電源裝置(8)包括和保持線圈(1)以及電子開關(guān)(T4)串聯(lián)的齊納二極管(Z1，Z3)，以及和電容器(C2)串聯(lián)后被連接于齊納二極管的兩端的一個二極管(D4)。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于所述電源裝置包括和齊納二極管(Z3)串聯(lián)的一個二極管(D6)。
4.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于所述電源裝置包括和電容器(C2)并聯(lián)的電壓調(diào)節(jié)電路(11)。
5.如權(quán)利要求1到4任何一個所述的設(shè)備，其特征在于所述控制裝置包括基于微處理器的電路(9)。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于所述控制裝置包括電壓匹配電路(10)，其被連接在基于微處理器的電路(9)的輸出端(S1)和電子開關(guān)(T4)的控制極之間。
7.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于所述基于微處理器的電路(9)當其向電磁鐵提供釋放指令時轉(zhuǎn)換到待用方式。
全文摘要
一種電磁鐵控制設(shè)備包括:保持線圈(1),電子開關(guān)(T4)和電源電路(8),所述電源電路和線圈(1)的電源電壓(Va)的兩端串聯(lián)。一個用于測量保持電流的電路和電源電路(8)并聯(lián),并且該用于測量保持電流的電路包括串聯(lián)的附加電子開關(guān)(T5)和測量電阻(R4)。因而電源電路由流過線圈(1)的保持電流供電,并且附加電子開關(guān)(T5)被周期性地閉合,以便測量由用于控制兩個電子開關(guān)(T4,T5)的基于微處理器的電路(9)調(diào)節(jié)的保持電流。
文檔編號H01H71/12GK1257291SQ99122868
公開日2000年6月21日 申請日期1999年12月3日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月7日
發(fā)明者吉斯萊恩·杜里夫 申請人:施耐德電器工業(yè)公司