一種直流電磁鐵控制電路及吸放板控制系統的製作方法
2023-12-04 12:10:36 1
本發明屬於電力電子技術領域，涉及一種直流電磁鐵控制電路及吸放板控制系統。
背景技術：
電磁鐵是通電產生電磁的一種裝置。在鐵芯的外部纏繞與其功率相匹配的導電繞組，這種通有電流的線圈像磁鐵一樣具有磁性，它也叫做電磁鐵。通常條形或蹄形狀，以使鐵芯更加容易磁化。另外，為了使電磁鐵斷電立即消磁，往往採用消磁較快的的軟鐵或矽鋼材料來製做。這樣的電磁鐵在通電時有磁性，斷電後磁就隨之消失。
現有的技術中，對於電磁特的控制主要是充放磁的控制比較難，現有的技術中有一種是採用變壓器降壓二極體整流，電路包括整流變壓器，二極體整流模塊，接觸器等，採用該方案的缺點是電控櫃體積比較大，電路複雜，成本比較貴。
另外，在具體的基於電磁鐵的鋼板吸放操作中，不但要實現電磁鐵對鋼板的吸放，還需要充分考慮整個過程的安全性和可靠性，以及如何與行車(又稱天車)配合，以及在出現停電和故障情況下如何保障不發生安全事故。
因此，有必要設計一種直流電磁鐵控制電路及吸放板控制系統。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種直流電磁鐵控制電路及吸放板控制系統，該直流電磁鐵控制電路及吸放板控制系統易於控制，能實現的吸放板功能。
發明的技術解決方案如下：
一種直流電磁鐵控制電路，包括主電路、控制電路和洩放電路；
所述的主電路包括三相不可控整流橋、儲能電容支路、均壓電阻支路和H橋逆變器；
三相不可控整流橋為6個二極體組成的整流橋；
H橋逆變器為由4個IGBT連接而成的2橋臂模塊；
儲能電容支路由2個儲能電容C1和C2串聯而成；
均壓電阻由2個均壓電阻R2和R3串聯而成；
三相不可控整流橋的交流側接三相電源；
三相不可控整流橋的直流側與儲能電容支路、均壓電阻支路以及H橋逆變器的直流側並聯；
2個儲能電容的連接點與2個均壓電阻的連接點短接；
H橋逆變器的交流側(輸出側)為電磁鐵供電；
電磁鐵上並聯有洩放電路；
控制電路用於控制H橋逆變器中IGBT的通斷。
在三相不可控整流橋輸出側的迴路上串聯有軟啟動器；軟啟動器包括並聯的第一接觸器K1和緩衝電阻R1；第一接觸器受控於控制電路。
作為優選：所述的洩放電路為由洩放電阻R4和第二接觸器K2串聯而成的洩放支路；洩放支路與電磁鐵並聯。
另一種洩放電路為
由洩放電阻R4和洩放二極體D7串聯而成的洩放支路；洩放支路與電磁鐵並聯。
一種吸放板控制系統，包括控制裝置、行車、吊鉤和電磁鐵；
吊鉤設置在行車上；電磁鐵設置在吊鉤上，用於吸放鋼板；
電磁鐵的勵磁和退磁均受控於控制裝置；
所述的控制裝置為所述的控制電磁鐵的裝置。
控制電路中集成有MCU；MCU連接有手動開關。
吸放板控制系統還包括用於檢測電磁鐵兩端電壓的電壓檢測卡，電磁鐵兩端電壓作為反饋信號被採集。也可以進一步檢測橋式整流器的輸出側的直流電壓作為第二反饋信號。
MCU與行車控制信號輸出端相連。
所述的吸放板控制系統還包括後備電源以及用於投切後備電源的接觸器，接觸器受控於MCU，當停電或主電路故障時，MCU控制接觸器投入後備電源，保障電磁鐵勵磁供電，防止電磁鐵突然失電而造成鋼板墜落事故。
MCU連接有遠程通信模塊，如遠程通信模塊，如3G，4G通信模塊，遙控信號接收模塊等，用於將相關參數傳送到主控室或遠程設備，或者接收遙控信號，實現遙控控制等。
MCU連接有鍵盤和顯示屏。
控制方法：
一、基本控制
通過控制電路實施以下3種基本控制：
(A)勵磁控制
勵磁控制為MCU通過驅動IGBT為電磁鐵供電，勵磁分為強勵磁和弱勵磁；強勵磁是指主電路輸出DC290V電壓；弱勵磁是指主電路輸出DC220V直流電壓；
弱勵磁電壓0-DC220V(大於0且小於或等於DC220V)，強勵磁電壓為DC250-500；
勵磁控制用於吸附鋼板；
正向勵磁時，IGBT模塊Q2一直導通，IGBT模塊Q1和Q3交替導通為電磁鐵提供脈衝式的工作電壓(或者Q3一直導通，Q2和Q4交替導通)。
(B)退磁控制
反向勵磁在設備接收到退磁信號後，電控設備為電磁鐵提供反向電壓，加快電磁鐵洩放速度。時，IGBT模塊Q1一直導通，IGBT模塊Q2和Q4交替導通(或者Q4一直導通，Q1和Q3交替導通)。
(C)能量洩放控制
能量洩放控制為MCU控制所有IGBT閉鎖(或稱為阻斷、截止等)，針對有開關K2的退磁電路，MCU驅動開關K2閉合，電磁鐵通過電阻R4和K2洩放原本存儲的能量；或電磁鐵通過二極體D7以R4洩放原本存儲的能量；
退磁控制用於將吸附的鋼板放落；
二、軟啟動控制
啟動時，常開開關K1斷開，R1串接在主電路中起到限流電容充電保護作用；
啟動完成後(如啟動開始5秒鐘後，或者，設備連接市電後，通過電壓檢測板採集母線電壓，將採集到的電壓信號送到MUC控制單元中進行處理，監測電容充電過程，當電容C1 C2充電完成後，表示啟動完成)，MCU控制接觸器得電，K1閉合，使得R1短路，則軟啟動完成。
三、4種具體控制工況
(1)一次性吸放板控制
通過手動開關，採用前述的基本控制中的勵磁控制和退磁控制，實現一次性吸放板控制；
(2)分張放板控制
通過操作手動開關吸附多張鋼板，然後操作另一手動開關，MCU向IGBT發出短時脈衝封鎖；脈衝封鎖：脈衝封鎖就是不發脈衝，不勵磁；具體操作時，按下分張放板按鈕後，停止給電磁鐵正向電壓，人工判斷電磁鐵吊起的最底部的鋼板脫落時，鬆開分張放板按鈕。設備重新為電磁鐵提供正向電壓。從而使得吸附的最下方的一張或多張鋼板墜落，而其他吸附的鋼板維持吸附；
(3)天車行走連鎖控制
行書即將行走時，行車向MCU發送有效的行走狀態信號(低電平或高電平信號)，MCU收到該有效的行走狀態信號後，驅動IGBT保持勵磁功能，防止電磁鐵吸附的鋼板墜落引發事故；當所述的走狀態信號失效(如高電平轉變為低電平)後，則MCU能執行退磁控制；即恢復正常的控制(即不受行車狀態幹擾的控制)；即行車有效狀態信號能閉鎖MCU的退磁控制功能。
(4)停電保持控制
當停電或主電路故障時(通過監測整流器輸出側電壓可判斷存在停電或主電路故障)，MCU控制接觸器投入後備電源與三相不可控整流橋輸出側對接，保障電磁鐵勵磁，防止電磁鐵突然失電而造成鋼板墜落事故。
主電路中，各電阻的阻值範圍如下：R1：3.3-4Ω R2，R3：5.1K-6K
系統包括一鍵盤，所述的鍵盤受控於控制板MCU(DSP)；所述控制板MCU(DSP)用於控制主迴路IGBT模塊；所述主迴路包括不可控整流，軟啟動器(上電緩衝迴路)，儲能電容，均壓電阻，IGBT模塊等；所述電壓檢測卡用於檢測電磁鐵兩端的電壓，實現恆壓控制；所述手動開關用於給定強勵磁信號、弱磁信號、退磁信號等給到控制板；所述洩放迴路主要用於為電磁鐵正向勵磁到反向消磁提供洩放迴路，防止報過壓故障。
所述主迴路見圖6所示，所述不可控整流單元包括二極體D1，二極體D2，二極體D3，二級管D4，二級管D5，二極體D6，其中二極體D1和D4，二極體D2和D5，二極體D3和D6分別連接三相電的輸入相電壓；軟啟動器包括直流接觸器K1和上電緩衝電阻R1，其中K1和R1並聯，所述上電緩衝電阻R1連接於二極體D6的陽極和儲能電容C2的負極；儲能電容包括儲能電容C1和儲能電容C2，其中所述儲能電容C1和儲能電容C2組成串聯電路；均壓電阻包括R2和R3，R2和R3組成串聯電路，所述均壓電阻R2和儲能電容C1並聯，所述均壓電阻R3和儲能電容C2並聯；H橋拓撲包括IGBT模塊Q1～Q4。IGBT模塊Q1和IGBT模塊Q3串聯之後與所述IGBT模塊Q2和IGBT模塊Q4並聯，所述IGBT Q1和IGBT Q3以及IGBT Q2和IGBT Q4之間分別連接電磁鐵輸出端。
有益效果：
本發明的直流電磁鐵控制電路及吸放板控制系統，通過控制其輸出電壓的大小，以及通過針對IGBT的PWM控制，能減緩線圈能量衝擊，對於正向勵磁時洩放，以及反向勵磁時洩放沒有太高實時要求的場合，可以使用此方式。其成本相比其傳統方案有顯著的下降，體積比較小，產品在市場上具有較大競爭力。
本發明構建一種控制電磁鐵的裝置相比傳統方案可以降低成本，體積小，控制精度高，保護性能完善並且具備停電保磁功能，能解決正向勵磁到反向退磁報過壓故障的問題。
系統具有以下功能：
(1)上電初始化，等待吸料，通過鍵盤由人工輸入設定參數。其設定的參數包括強勵磁，退磁，弱磁，分張放板，天車行走等參數的設置。
(2)強勵磁輸出。通過手動開關給開關量信號給到控制板來控制IGBT模塊輸出強勵磁信號。裝置輸出DC290V直流電壓，實現電磁鐵強磁輸出。
(3)弱磁輸出。通過手動開關給開關量信號給到控制板來控制IGBT模塊輸出弱磁信號。裝置輸出DC220V直流電壓，實現電磁鐵弱磁輸出。
(4)退磁輸出。通過手動開關給開關量信號給到控制板來控制IGBT模塊輸出退磁信號，完成放料。
(5)分張放板功能。通過手動開關給開關量信號給到控制板控制IGBT模塊的關斷。
(6)天車行走信號功能。通過手動開關給開關量信號給到控制板，當天車行走信號引入後，並且裝置處於運行狀態，此時當停止信號接通，裝置不能停止，必須保證運行狀態。只有當天車行走信號解除後，重新接通停止信號接通後，方可完成停機動作。
(7)該裝置具有停電保磁功能，可以採用備用蓄電池組給電磁鐵繼續供電，保證電磁鐵所吊運的被吸物不脫落，從而保證現場的其他設備及人生安全。、
該裝置具有恆壓限流和恆流限壓功能。
所述主迴路還包括兩個電流傳感器，所述電流傳感器信號經過處理後送到控制板，實時檢測P相和N相電流。
因此，這種吸放板控制系統電路簡潔，易於實施，功能豐富，安全可靠性高，適合推廣實施。
附圖說明
圖1為直流電磁鐵控制電路及吸放板控制系統的總體結構示意圖；
圖2為第一種具有洩放迴路主電路原理圖；
圖3為第二種具有洩放迴路主電路原理圖；
圖4為行車、吊鉤和電磁鐵等設備的位置關係示意圖；
圖5為勵磁和退磁時序圖；
圖6為沒有洩放迴路的主電路原理圖；
標號說明：1-控制裝置，2-行車，3-吊鉤，4-電磁鐵，5-鋼板。
具體實施方式
以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明：
實施例1：如圖1～5，一種直流電磁鐵控制電路，包括主電路、控制電路和洩放電路；所述的主電路包括三相不可控整流橋、儲能電容支路、均壓電阻支路和H橋逆變器；三相不可控整流橋為6個二極體組成的整流橋；
H橋逆變器為由4個IGBT連接而成的2橋臂模塊；
儲能電容支路由2個儲能電容C1和C2串聯而成；
均壓電阻由2個均壓電阻R2和R3串聯而成；
三相不可控整流橋的交流側接三相電源；
三相不可控整流橋的直流側與儲能電容支路、均壓電阻支路以及H橋逆變器的直流側並聯；
2個儲能電容的連接點與2個均壓電阻的連接點短接；
H橋逆變器的交流側(輸出側)為電磁鐵供電；
電磁鐵上並聯有洩放電路；
控制電路用於控制H橋逆變器中IGBT的通斷。
在三相不可控整流橋輸出側的迴路上串聯有軟啟動器；軟啟動器包括並聯的第一接觸器K1和緩衝電阻R1；第一接觸器受控於控制電路。
優選地，所述的洩放電路為由洩放電阻R4和第二接觸器K2串聯而成的洩放支路；洩放支路與電磁鐵並聯。
另一種洩放電路為：
由洩放電阻(R4)和洩放二極體(D7)串聯而成的洩放支路；洩放支路與電磁鐵並聯。
一種吸放板控制系統，包括控制裝置1、行車2、吊鉤3和電磁鐵4；
吊鉤設置在行車上；電磁鐵設置在吊鉤上，用於吸放鋼板5；
電磁鐵的勵磁和退磁均受控於控制裝置；
所述的控制裝置為所述的控制電磁鐵的裝置。
控制電路中集成有MCU；MCU連接有手動開關。
吸放板控制系統還包括用於檢測電磁鐵兩端電壓的電壓檢測卡，電磁鐵兩端電壓作為反饋信號被採集。也可以進一步檢測橋式整流器的輸出側的直流電壓作為第二反饋信號。
MCU與行車控制信號輸出端相連。
所述的吸放板控制系統還包括後備電源以及用於投切後備電源的接觸器，接觸器受控於MCU，當停電或主電路故障時，MCU控制接觸器投入後備電源，保障電磁鐵勵磁供電，防止電磁鐵突然失電而造成鋼板墜落事故。
MCU連接有遠程通信模塊，如遠程通信模塊，如3G，4G通信模塊，遙控信號接收模塊等，用於將相關參數傳送到主控室或遠程設備，或者接收遙控信號，實現遙控控制等。
如圖1，所述主迴路還包括兩個電流傳感器，所述電流傳感器信號經過電路處理後送到控制板，實時檢測P相和N相電流。
其中，所述鍵盤為初始化參數設置裝置，其設定的參數包括強勵磁，退磁，弱磁，分張放板，天車行走等參數的設置。
如圖6的主迴路中，所述不可控整流單元包括二極體D1，二極體D2，二極體D3，二級管D4，二級管D5，二極體D6，其中二極體D1和D4，二極體D2和D5，二極體D3和D6分別連接三相電的輸入相電壓；軟啟動器包括直流接觸器K1和上電緩衝電阻R1，其中K1和R1正向勵磁狀態時自動並聯，所述上電緩衝電阻R1連接於二極體D6的陽極和儲能電容C2的負極；儲能電容包括儲能電容C1和儲能電容C2，其中所述儲能電容C1和儲能電容C2組成串聯電路；均壓電阻包括R2和R3，R2和R3組成串聯電路，所述均壓電阻R2和儲能電容C1並聯，所述均壓電阻R3和儲能電容C2並聯；H橋拓撲包括IGBT模塊Q1～Q4。IGBT模塊Q1和IGBT模塊Q3串聯之後與所述IGBT模塊Q2和IGBT模塊Q4並聯，所述IGBT Q1和IGBT Q3以及IGBT Q2和IGBT Q4之間分別連接電磁鐵輸出端。
由於電磁鐵是以一種大的感性設備，在電磁鐵的正向勵磁/反向消磁過程種，電磁鐵線圈中有很大的儲能。在正向勵磁完成關斷IGBT時，電磁鐵線圈中通過IGBT模塊Q1和IGBT模塊Q4的反向恢復二極體回饋到主迴路儲能電容中，反之反向消磁操作完成後關斷IGBT模塊，電磁鐵線圈中儲能通過IGBT模塊Q2和Q3的反向恢復二極體回饋到主迴路儲能電容中，這樣可能會導致報過壓故障。
圖2相比圖6增加了洩放迴路，電阻R4和直流接觸器K2串聯，然後與電磁鐵並聯，當電磁鐵從正向勵磁到反向消磁過程中，需要正向勵磁PWM關掉之前提前大概幾百毫秒打開直流接觸器即可，保證正向勵磁/反向消磁過程中，電磁鐵線圈中有很大的儲能通過洩放電阻釋放掉，這樣不會報過壓故障。
按照圖2的洩放迴路，這裡給出了一種電磁鐵從正向勵磁到反向退磁的時序圖，如圖5所示，T1為正反轉死區時間，一般為幾秒左右，T2為洩放迴路接觸打開到PWM關斷的時間，一般為幾百毫秒左右，T3為PWM關斷到洩放迴路接觸關斷的時間，一般為幾秒左右，這3個參數可以由鍵盤來設置時間。洩放迴路阻值一般為線圈等效直流電阻的2-5倍在幾歐～幾十歐以內，根據現場調試鍵盤參數和洩放迴路阻值來保證從正向勵磁到反向退磁不報故障。
如圖2，直流接觸器K1和上電緩衝電阻R1，組成軟啟動器。優選此電路。
(1)退磁
K2為繼電器或接觸器的常開開關，由CPU控制。
退磁：IGBT阻斷供電，合上K2，能量洩放。
(2)勵磁
K2斷開，通過IGBT為電磁鐵供電
圖3相比圖2用整流二極體替代直流接觸器，可以解決停電保磁報故障，當電磁鐵從正向勵磁到反向消磁過程中，電磁鐵線圈的反向電壓通過洩放迴路電阻R4和二極體D7來釋放掉。當電磁鐵處於反向消磁時，反向消磁時間一般為幾秒，電磁鐵線圈存儲的能量比較小，不會導致報過壓故障。
如圖3
(1)退磁
退磁：IGBT阻斷供電，電磁鐵、R4和D7(續流二極體)組成洩放迴路，能量洩放。
(2)勵磁
通過IGBT為電磁鐵供電，勵磁時，R4上也消耗能量。
通過上面描述的具體實施方式，可以增加一種解決過壓故障的方式。通過軟體的PWM控制，減緩線圈能量衝擊，對於部分最正向勵磁時洩放，以及反向勵磁時洩放沒有太實時要求的場合，可以使用此方式。
優勢：可以通過PWM控制，實現對變頻器電解電容的無過衝，電流緩慢下降，下降時間在2-5秒，反向洩放時，可實現電流下降時間在1-3秒。
劣勢：由於電流下降時間較長，在需要從正向勵磁到反向洩放快速要求的場合，可能不適合。影響操作的實時性。
其控制方法部分工作原理為：
1、正向勵磁時，IGBT模塊Q2一直導通，IGBT模塊Q1和Q3交替導通，為電磁鐵提供工作電壓(或者Q3一直導通，Q2和Q4交替導通)。
2、反向勵磁：反向勵磁：為電磁鐵提供反向電壓，加快放料速度。時，IGBT模塊Q1一直導通，IGBT模塊Q2和Q4交替導通(或者Q4一直導通，Q1和Q3交替導通)。