一種閉環斬波起動直流保持的電磁電器控制系統的製作方法

2023-06-08 11:39:56

專利名稱：一種閉環斬波起動直流保持的電磁電器控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及器械智能控制領域，特別是一種閉環斬波起動直流保持的電磁電器控制系統。
背景技術：
電磁電器作為一種傳統電器在控制系統中得到廣泛的應用，如電磁式接觸器、電磁式繼電器、電磁式脫扣器等等。隨著系統自動化水平的不斷提高，對電磁電器的性能指標提出了更高的要求。普通電磁電器在運行中存在如下特點 (I)合閘相位角影響其吸合動特性。對交流供電的電磁機構和脈動直流供電的電磁機構，合閘相角的隨機性導致了電磁機構吸合過程激磁電流、磁路中的磁通、磁鏈、鐵心的運動速度等均隨機變化，在某些相角下將出現合閘困難的現象，直接影響電磁電器的吸合特性。(2)動作時間的分散性。電磁機構動作時間的分散性特點無論對交流電磁電器還是對直流電磁電器都同樣存在，造成了電磁電器的控制困難，對於需要快速動作的電磁式斷路器影響更加明顯。雖然微處理器控制系統的時間在微秒級以內，但是，機構動作時間的分散性，常常導致控制失敗。並且，隨著開關電器的頻繁工作，觸頭系統的磨損、機構的老化等因素，將導致動作時間發生變化。因此，單方向的開環控制模式無法有效的完成電磁電器的智能控制。(3)工作電壓範圍窄。一般電磁電器的工作電壓按國家標準規定在(80% 115%)Ue，在臨界吸合電壓時極易產生持續的振動，電壓過高時又容易引起線圈溫升上升，導致線圈燒損現象，造成了接觸器的品種規格繁多，加工麻煩。(4)分磁環的影響。單相控制電源的交流電磁電器，在吸持狀態下會產生振動與噪聲，因此，需要設計安裝分磁環，分磁環往往成為交流電磁電器工作的弱點，由於分磁環的斷裂引起交流電磁電器機械壽命終止的現象較為普遍，再者對於空調製冷行業等單相交流電磁電器來說，設計理想的分磁環，減少工作噪聲，也是一個設計難點。(5)磁路中存在磁滯渦流損耗。對於交流電磁電器來說，其交變的磁場導致了磁路中的鐵損現象，雖然採用矽鋼片的鐵心結構，仍然存在較大的損耗，並且，給產品設計和磁路分析帶來一定難度。從上分析可以看出，對於傳統的交流勵磁的電磁電器來說，由於交流電磁機構具有鐵磁材料損耗大、分磁環易斷裂、運行中交流噪聲大、起動過程受吸合相角影響等缺點，目前在智能控制模式中常常採用直流勵磁的工作模式。這樣，可以去掉分磁環、不受合閘相角的影響、實現節能無聲運行。因此，早期的電磁電器智能控制方案均採用直流高電壓起動、直流低電壓保持的控制原理。起動過程中，通過控制模塊的整流、濾波以後將一個直流高電壓施加在交流電磁電器的勵磁線圈上，滿足電磁電器對起動磁勢的要求。當起動過程結束，通過微處理器控制晶片，切斷起動迴路，起動低電壓直流保持迴路，實現節能無聲運行。在起動過程中，還可以將起動過程分段控制，調節動鐵心運動速度，實現「軟起動」控制方案，大大減少鐵心的閉合過程碰撞、降低觸頭彈跳，提高電磁電器的整體性能指標。但是，其存在如下缺點
首先，無法解決機構的影響所導致的電磁電器動作分散性問題，和由於觸頭系統的磨損而導致的動作時間變化問題；
其次，在電磁機構中，直接影響機構工作的是磁路中的磁勢，由於將交流電磁機構通入了直流激磁電源，其磁路中的磁抗(磁滯、渦流損耗引起)、電路中的電抗就不存在了，那麼，線圈中的電流將大幅度增加。在控制過程中，起動迴路的開關管將承受極大的電流衝擊，尤其對大容量的電器，採用調節電壓的控制原理控制起動過程非常困難。第三，需要實時監控電磁電器線圈中的電流變化規律，才可以實現整體過程的優化控制，採用電壓控制方案實現較困難。第四，高壓起動低壓保持方案中，需要兩個電力電子開關進行高低電平的轉換，而高壓起動電力電子開關隨著電磁電器容量的增加，電壓電流應力迅速增加，成本也迅速增加。第五，大部分電磁電器均屬於電壓源供電的工作模式。在這種模式中，由於工作氣隙的變化，使得在整個運動過程中交流電感等參量是變化的，在動態過程中其系統中的電壓、電流、磁通、磁鏈、位移、速度、吸力等參量均隨時間改變，造成控制難點。機構閉合以後和打開位置的磁狀態相差甚遠，因此，這種採用改變電壓的控制模式，無法有效、實時地控制磁路中的激磁磁勢。第六，在起動過程結束，轉到保持階段時，由於快速切斷吸持電路、起動保持電路，將造成衝擊電流和操作過電壓。等等。

發明內容
本發明的目的是提供一種閉環斬波起動直流保持的電磁電器控制系統，是一具有閉環斬波起動、閉環直流保持、過程智能轉換的控制系統。本發明採用以下方案實現一種閉環斬波起動直流保持的電磁電器控制系統，包括一電源，該電源經整流濾波電路整流後再經一電力電子開關為一設置有低壓保持迴路的線圈供電，以構成主迴路；其特徵在於，還包括
一恆壓自動切換電源，其經所述低壓保持迴路為線圈供電；
一單片機控制模塊，該單片機控制模塊通過一電壓採樣電路採集所述整流濾波電路的輸出電壓；
一脈寬調製模塊，該脈寬調製模塊經一自舉驅動電路驅動所述的電力電子開關工作，所述單片機控制模塊為該脈寬調製模塊提供一 PWM信號，用於限制該脈寬調製模塊的最大工作頻率和最大工作佔空比；
一第一電流監視電路，用於所述主迴路保持電流的檢測；
一第二電流監視電路，該第二電流監視電路的輸出接到所述的脈寬調製模塊，用作所述主迴路電流的反饋輸入；
一第三電流監視電路，該第三電流監視電路的輸出接到所述的脈寬調製模塊，用於限、制所述主迴路的最大電流；
一切換點檢測電路，所述單片機控制系統控制該切換點檢測電路通過所述第一電流監視電路判斷低壓保持迴路的切換時刻；以及
一雙路DA轉換器，其接收單片機控制系統的指令通過數模轉換產生兩路獨立的參考電壓，一路給所述脈寬調製模塊提供參考值，用來控制主迴路的電流值，另外一路給所述切換點檢測電路提供參考電壓，用於設置切換點電流值。在本發明一實施例中，所述的脈寬調製模塊包括
一振蕩器；所述PWM信號輸入給該振蕩器；
一誤差放大器，所述雙路DA轉換器產生的參考電壓接入到該誤差放大器； 一電流比較器，所述的誤差放大器的輸出端與該電流比較器的第一輸入端連接，所述第三電流監視電路的輸出端與該電流比較器第二輸入端連接；以及
一 RS鎖存器，所述電流比較器和振蕩器的輸出信號進入該RS鎖存器，該RS鎖存器的輸出經過一第一保護電路與一驅動電路連接。在本發明一實施例中，所述的電力電子開關設置有一第二保護電路。本發明通過閉環斬波控制，直接以線圈電流作為反饋量，快速的調節線圈兩端PWM電壓的佔空比和導通周期數，達到調節線圈電流的目的，在起動過程中可以快速調節起動電流，達到動態過程合理配合的目的。在閉合階段，根據不同的容量選擇不同的直流保持電源，實現節能無聲運行。其應用在電磁電器的控制領域中，具有工作穩定、噪聲小、使用範圍寬、控制可靠等特點，可以總結其優點如下
1、採用了電流監視器在起動閉環控制中，沒有採用電流互感器來檢測電路中的電流，而是採用電流監視器與檢測電阻來檢測電路中的電流值，具有體積小、價格低廉、安裝方便的特點；
2、採用了高速脈寬調製模塊該模塊主要由時鐘信號輸入埠、誤差放大器、電流比較器、RS鎖存器、過溫及欠壓保護電路、驅動電路等部分組成，可以通過單片機系統對其直接控制，與採用模擬晶片進行PWM控制的方案相比，具有體積小、控制精度高、控制方便、抗幹擾能力強的特點；
3、使用了雙路DA轉換器該轉換器由單片機控制，通過數模轉換產生兩路獨立的參考電壓，一路給高速脈寬調製模塊提供參考電壓，方便脈寬調製，優化起動過程；另一路給切換點檢測電路提供參考電壓，合理設置起動過程與吸合過程的轉換，減少轉換過程的電流衝擊。4、使用了切換點檢測電路因為，電磁電器的起動電流數倍於保持電流值，在切換過程中由於線圈的阻感特性，其線圈電流要連續衰減，如果起動過程關閉後立即打開低壓保持電路，可能會從低壓保持迴路抽出短時大電流，影響系統穩定性，加入切換點檢測電路後，可以檢測主迴路的電流值，在適當的時刻進行切換，減小切換過程的電流突變，增強系統穩定性；
5、具有恆壓/恆流自動切換保持電源低壓迴路電源系統設計成恆壓/恆流自動切換 系統，可以擴大控制系統的適用範圍，電磁電器線圈電阻較大時，輸出恆定電壓，電磁電器線圈電阻較小時，輸出恆定電流，使不同線圈電阻的電磁電器可以得到合理的保持功率。6、閉環斬波起動、閉環直流保持控制在電磁電器起動過程中實時調節線圈電流，做到起動參數的合理配合，在保持過程中屬於直流工作方式，減少了斬波工作方式產生的開關噪聲和損耗，在需要保持階段穩定、無噪聲的場合，具有顯著優點。


圖I是本發明實施例的電路原理框圖。其中，P為直流或交流電源，A為整流濾波電路，D為第二保護電路，E為恆壓(恆流)自動切換電源，F為低壓保持迴路，B為電 壓採樣電路，H為自舉驅動電路，G為電力電子開關，N為續流二極體，C為電磁電器的線圈，Rl為檢測電阻，R2為檢測電阻，R3為檢測電阻，Ql為電流檢測器，Q2為電流檢測器，Q3為電流檢測器，L為切換點檢測電路，J為雙路DA轉換器，K為單片機控制模塊，S為振蕩器，EA為誤差放大器，0為電流比較器，R為RS鎖存器，V為第一保護電路，Y為驅動輸出電路，I為脈寬調製模塊，2為第一電流監視電路，3為第二電流監視電路，3為第三電流監視電路。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。如圖I所示，本發明提供一種閉環斬波起動直流保持的電磁電器控制系統，包括一電源P，該電源可以是直流電源，也可以是交流電源，該電源P經整流濾波電路A整流後再經一電力電子開關G為一設置有低壓保持迴路F的線圈C供電，以構成主迴路；其特徵在於，還包括一恆壓自動切換電源E，其經所述低壓保持迴路為線圈供電；一單片機控制模塊K，該單片機控制模塊K通過一電壓採樣電路B採集所述整流濾波電路A的輸出電壓；一脈寬調製模塊1，該脈寬調製模塊I經一自舉驅動電路H驅動所述的電力電子開關G工作，所述單片機控制模塊K為該脈寬調製模塊I提供一 PWM信號，用於限制該脈寬控制模塊
I的最大工作頻率和最大工作佔空比；一第一電流監視電路2，用於所述主迴路保持電流的檢測；一第二電流監視電路3，該第二電流監視電路的輸出接到所述的脈寬控制模塊1，用作所述主迴路電流的反饋輸入；一第三電流監視電路4，該第三電流監視電路4的輸出接到所述的脈寬控制模塊1，用於限制所述主迴路的最大電流；一切換點檢測電路L，所述單片機控制系統K控制該切換點檢測電路L通過所述第一電流監視電路2判斷低壓保持迴路F切換時刻；以及一雙路DA轉換器J，其接收單片機控制系統K的指令通過數模轉換產生兩路獨立的參考電壓，一路給所述脈寬調製模塊I提供參考值，用來控制主迴路的電流值，另外一路給所述切換點檢測電路L提供參考電壓，用於設置切換點電流值。所述的脈寬調製模塊包括一振蕩器S ;所述PWM信號輸入給該振蕩器S ;—誤差放大器EA,所述雙路DA轉換器J產生的參考電壓接入到該誤差放大器EA ;—電流比較器0，所述的誤差放大器EA的輸出端與該電流比較器0的第一輸入端連接，所述第三電流監視電路4的輸出端與該電流比較器第二輸入端連接；以及一 RS鎖存器R，所述電流比較器和振蕩器的輸出信號進入該RS鎖存器R，該RS鎖存器R的輸出經過一第一保護電路V與一驅動電路連接。具體的說，請繼續參見圖1，圖I中的B為電壓採樣電路，直接對電源電壓進行採樣，當電源電壓在電器工作允許範圍之內，電磁電器進入起動階段。這種採樣方式大大減少了開關電源對採樣電壓的幹擾和影響，提高了系統的運行可靠性。第二保護電路D用於保護電力電子開關G，防止電路中的寄生參數產生過壓及過流損壞電力電子開關G ;恆壓/恆流自動切換電源E為具有電壓反饋環和電流反饋環的開關電源系統，能根據負載的大小自動進行恆壓輸出和恆流輸出之間的切換；檢測電阻R1、檢測電阻R2、檢測電阻R3為毫歐級功率電阻串入主迴路中，分別配合電流監視器Q1、電流監視器Q2、電流監視器Q3將毫歐電阻兩端的電壓進行放大用於檢測主迴路的電流值；單片機控制系統K負責參數的設置及系統運行狀態的顯示，同時，為其他外圍電路正常工作提供控制信號；雙路DA轉換器J接受單片機系統K的指令通過數模轉換產生兩路獨立的參考電壓，一路給高速脈寬調製模塊提供參考值，用來控制主迴路的電流值，另外一路給切換點檢測電路L提供參考電壓，用於設置切換點電流值。電磁電器線圈等效為電感量很大的阻感負載，線圈串入降壓斬波迴路中既作為電感使用，同時又作為負載，系統交直流通用；AC/DC電源P經整流濾波電路A後變成直流電，經過電力電子開關G的斬波作用，產生高頻方波電壓施加在線圈兩端，由於線圈電感很大，主迴路中的電流近似為直流。電流監視器Q2的輸出接入脈寬調製模塊中誤差放大器EA的FB引腳，用作主迴路電流的反饋輸入；電流監視器Q3的輸出接入脈寬調製模塊中電流比較器0的CS引腳，用於限制主迴路的最大電流；雙路DA轉換器J產生的參考電壓VREF接入脈寬調製模塊中誤差放大器EA的VREF引腳，單片機控制系統K輸出高速PWM信號到脈寬調製模塊中振蕩器S的OSCIN引腳，用於限制脈寬調製模塊的最大工作頻率和最大工作佔空比，電流比較器0和振蕩器S的輸出信號進入RS鎖存器R，RS鎖存器R的輸出經過第一保護電路V，進入驅動電路Y，第一保護電路V可以實現脈寬調製模塊的過熱、欠壓等保護功能，驅動電路Y輸出一個PWM信號VEXT給自舉驅動電路H，驅動電力電子開關G進行高頻斬波。脈寬調製模塊配置成典型的電流型PWM晶片的工作方式，其最大工作頻率和最大工作佔空比由單片機控制系統K控制，誤差放大器EA的參考電壓由雙路DA轉換器J提供。電磁電器在起動過程中單片機向雙路DA轉換器J發送不同的指令，產生的不同的參考電壓VREF，脈寬調製模塊根據不同的參考電壓，控制主迴路產生不同的線圈電流值。通過合理的設置，可以優化電磁電器的起動過程，減小吸合過程產生的鐵心撞擊和彈跳，提高整體性能指標。
起動過程結束後，單片機控制系統K控制高速脈寬調製模塊使其關斷，同時觸發切換點檢測電路L使其工作，電流監視器Ql用於主迴路保持電流的檢測，DA轉換器J產生的參考電壓V2與電流監視器Ql的輸出信號進行比較，當電流監視器的輸出信號小於參考電壓V2的值時，切換點檢測電路打開低壓保持迴路，將一直流恆壓/恆流源加到電磁電器線圈兩端，使電器保持吸持狀態。以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種閉環斬波起動直流保持的電磁電器控制系統，包括一電源，該電源經整流濾波電路整流後再經一電力電子開關為一設置有低壓保持迴路的線圈供電，以構成主迴路；其特徵在於，還包括 一恆壓自動切換電源，其經所述低壓保持迴路為線圈供電； 一單片機控制模塊，該單片機控制模塊通過一電壓採樣電路採集所述整流濾波電路的輸出電壓； 一脈寬調製模塊，該脈寬調製模塊經一自舉驅動電路驅動所述的電力電子開關工作，所述單片機控制模塊為該脈寬調製模塊提供一 PWM信號，用於限制該脈寬調製模塊的最大工作頻率和最大工作佔空比； 一第一電流監視電路，用於所述主迴路保持電流的檢測； 一第二電流監視電路，該第二電流監視電路的輸出接到所述的脈寬調製模塊，用作所述主迴路電流的反饋輸入； 一第三電流監視電路，該第三電流監視電路的輸出接到所述的脈寬調製模塊，用於限制所述主迴路的最大電流； 一切換點檢測電路，所述單片機控制系統控制該切換點檢測電路通過所述第一電流監視電路判斷低壓保持迴路的切換時刻；以及 一雙路DA轉換器，其接收單片機控制系統的指令通過數模轉換產生兩路獨立的參考電壓，一路給所述脈寬調製模塊提供參考值，用來控制主迴路的電流值，另外一路給所述切換點檢測電路提供參考電壓，用於設置切換點電流值。
2.根據權利要求I所述的閉環斬波起動直流保持的電磁電器控制系統，其特徵在於所述的脈寬調製模塊包括 一振蕩器；所述PWM信號輸入給該振蕩器； 一誤差放大器，所述雙路DA轉換器產生的參考電壓接入到該誤差放大器； 一電流比較器，所述的誤差放大器的輸出端與該電流比較器的第一輸入端連接，所述第三電流監視電路的輸出端與該電流比較器第二輸入端連接；以及 一 RS鎖存器，所述電流比較器和振蕩器的輸出信號進入該RS鎖存器，該RS鎖存器的輸出經過一第一保護電路與一驅動電路連接。
3.根據權利要求I所述的閉環斬波起動直流保持的電磁電器控制系統，其特徵在於所述的電力電子開關設置有一第二保護電路。
全文摘要
本發明涉及一種閉環斬波起動直流保持的電磁電器控制系統。該系統包括單片機控制模塊、脈寬調製模塊、三路電流監視電路等，通過閉環斬波控制，直接以線圈電流作為反饋量，快速的調節線圈兩端PWM電壓的佔空比和導通周期數，達到調節線圈電流的目的，在起動過程中可以快速調節起動電流，達到動態過程合理配合的目的。在閉合階段，根據不同的容量選擇不同的直流保持電源，實現節能無聲運行。
文檔編號H01H47/00GK102751141SQ20121023719
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月10日 優先權日2012年7月10日
發明者湯龍飛, 許志紅 申請人:福州大學