一种直流电磁铁控制电路及吸放板控制系统的制作方法

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种直流电磁铁控制电路及吸放板控制系统。

背景技术：

电磁铁是通电产生电磁的一种装置。在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性，它也叫做电磁铁。通常条形或蹄形状，以使铁芯更加容易磁化。另外，为了使电磁铁断电立即消磁，往往采用消磁较快的的软铁或硅钢材料来制做。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁就随之消失。

现有的技术中，对于电磁特的控制主要是充放磁的控制比较难，现有的技术中有一种是采用变压器降压二极管整流，电路包括整流变压器，二极管整流模块，接触器等，采用该方案的缺点是电控柜体积比较大，电路复杂，成本比较贵。

另外，在具体的基于电磁铁的钢板吸放操作中，不但要实现电磁铁对钢板的吸放，还需要充分考虑整个过程的安全性和可靠性，以及如何与行车(又称天车)配合，以及在出现停电和故障情况下如何保障不发生安全事故。

因此，有必要设计一种直流电磁铁控制电路及吸放板控制系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种直流电磁铁控制电路及吸放板控制系统，该直流电磁铁控制电路及吸放板控制系统易于控制，能实现的吸放板功能。

发明的技术解决方案如下：

一种直流电磁铁控制电路，包括主电路、控制电路和泄放电路；

所述的主电路包括三相不可控整流桥、储能电容支路、均压电阻支路和H桥逆变器；

三相不可控整流桥为6个二极管组成的整流桥；

H桥逆变器为由4个IGBT连接而成的2桥臂模块；

储能电容支路由2个储能电容C1和C2串联而成；

均压电阻由2个均压电阻R2和R3串联而成；

三相不可控整流桥的交流侧接三相电源；

三相不可控整流桥的直流侧与储能电容支路、均压电阻支路以及H桥逆变器的直流侧并联；

2个储能电容的连接点与2个均压电阻的连接点短接；

H桥逆变器的交流侧(输出侧)为电磁铁供电；

电磁铁上并联有泄放电路；

控制电路用于控制H桥逆变器中IGBT的通断。

在三相不可控整流桥输出侧的回路上串联有软启动器；软启动器包括并联的第一接触器K1和缓冲电阻R1；第一接触器受控于控制电路。

作为优选：所述的泄放电路为由泄放电阻R4和第二接触器K2串联而成的泄放支路；泄放支路与电磁铁并联。

另一种泄放电路为

由泄放电阻R4和泄放二极管D7串联而成的泄放支路；泄放支路与电磁铁并联。

一种吸放板控制系统，包括控制装置、行车、吊钩和电磁铁；

吊钩设置在行车上；电磁铁设置在吊钩上，用于吸放钢板；

电磁铁的励磁和退磁均受控于控制装置；

所述的控制装置为所述的控制电磁铁的装置。

控制电路中集成有MCU；MCU连接有手动开关。

吸放板控制系统还包括用于检测电磁铁两端电压的电压检测卡，电磁铁两端电压作为反馈信号被采集。也可以进一步检测桥式整流器的输出侧的直流电压作为第二反馈信号。

MCU与行车控制信号输出端相连。

所述的吸放板控制系统还包括后备电源以及用于投切后备电源的接触器，接触器受控于MCU，当停电或主电路故障时，MCU控制接触器投入后备电源，保障电磁铁励磁供电，防止电磁铁突然失电而造成钢板坠落事故。

MCU连接有远程通信模块，如远程通信模块，如3G，4G通信模块，遥控信号接收模块等，用于将相关参数传送到主控室或远程设备，或者接收遥控信号，实现遥控控制等。

MCU连接有键盘和显示屏。

控制方法：

一、基本控制

通过控制电路实施以下3种基本控制：

(A)励磁控制

励磁控制为MCU通过驱动IGBT为电磁铁供电，励磁分为强励磁和弱励磁；强励磁是指主电路输出DC290V电压；弱励磁是指主电路输出DC220V直流电压；

弱励磁电压0-DC220V(大于0且小于或等于DC220V)，强励磁电压为DC250-500；

励磁控制用于吸附钢板；

正向励磁时，IGBT模块Q2一直导通，IGBT模块Q1和Q3交替导通为电磁铁提供脉冲式的工作电压(或者Q3一直导通，Q2和Q4交替导通)。

(B)退磁控制

反向励磁在设备接收到退磁信号后，电控设备为电磁铁提供反向电压，加快电磁铁泄放速度。时，IGBT模块Q1一直导通，IGBT模块Q2和Q4交替导通(或者Q4一直导通，Q1和Q3交替导通)。

(C)能量泄放控制

能量泄放控制为MCU控制所有IGBT闭锁(或称为阻断、截止等)，针对有开关K2的退磁电路，MCU驱动开关K2闭合，电磁铁通过电阻R4和K2泄放原本存储的能量；或电磁铁通过二极管D7以R4泄放原本存储的能量；

退磁控制用于将吸附的钢板放落；

二、软启动控制

启动时，常开开关K1断开，R1串接在主电路中起到限流电容充电保护作用；

启动完成后(如启动开始5秒钟后，或者，设备连接市电后，通过电压检测板采集母线电压，将采集到的电压信号送到MUC控制单元中进行处理，监测电容充电过程，当电容C1 C2充电完成后，表示启动完成)，MCU控制接触器得电，K1闭合，使得R1短路，则软启动完成。

三、4种具体控制工况

(1)一次性吸放板控制

通过手动开关，采用前述的基本控制中的励磁控制和退磁控制，实现一次性吸放板控制；

(2)分张放板控制

通过操作手动开关吸附多张钢板，然后操作另一手动开关，MCU向IGBT发出短时脉冲封锁；脉冲封锁：脉冲封锁就是不发脉冲，不励磁；具体操作时，按下分张放板按钮后，停止给电磁铁正向电压，人工判断电磁铁吊起的最底部的钢板脱落时，松开分张放板按钮。设备重新为电磁铁提供正向电压。从而使得吸附的最下方的一张或多张钢板坠落，而其他吸附的钢板维持吸附；

(3)天车行走连锁控制

行书即将行走时，行车向MCU发送有效的行走状态信号(低电平或高电平信号)，MCU收到该有效的行走状态信号后，驱动IGBT保持励磁功能，防止电磁铁吸附的钢板坠落引发事故；当所述的走状态信号失效(如高电平转变为低电平)后，则MCU能执行退磁控制；即恢复正常的控制(即不受行车状态干扰的控制)；即行车有效状态信号能闭锁MCU的退磁控制功能。

(4)停电保持控制

当停电或主电路故障时(通过监测整流器输出侧电压可判断存在停电或主电路故障)，MCU控制接触器投入后备电源与三相不可控整流桥输出侧对接，保障电磁铁励磁，防止电磁铁突然失电而造成钢板坠落事故。

主电路中，各电阻的阻值范围如下：R1：3.3-4Ω R2，R3：5.1K-6K

系统包括一键盘，所述的键盘受控于控制板MCU(DSP)；所述控制板MCU(DSP)用于控制主回路IGBT模块；所述主回路包括不可控整流，软启动器(上电缓冲回路)，储能电容，均压电阻，IGBT模块等；所述电压检测卡用于检测电磁铁两端的电压，实现恒压控制；所述手动开关用于给定强励磁信号、弱磁信号、退磁信号等给到控制板；所述泄放回路主要用于为电磁铁正向励磁到反向消磁提供泄放回路，防止报过压故障。

所述主回路见图6所示，所述不可控整流单元包括二极管D1，二极管D2，二极管D3，二级管D4，二级管D5，二极管D6，其中二极管D1和D4，二极管D2和D5，二极管D3和D6分别连接三相电的输入相电压；软启动器包括直流接触器K1和上电缓冲电阻R1，其中K1和R1并联，所述上电缓冲电阻R1连接于二极管D6的阳极和储能电容C2的负极；储能电容包括储能电容C1和储能电容C2，其中所述储能电容C1和储能电容C2组成串联电路；均压电阻包括R2和R3，R2和R3组成串联电路，所述均压电阻R2和储能电容C1并联，所述均压电阻R3和储能电容C2并联；H桥拓扑包括IGBT模块Q1～Q4。IGBT模块Q1和IGBT模块Q3串联之后与所述IGBT模块Q2和IGBT模块Q4并联，所述IGBT Q1和IGBT Q3以及IGBT Q2和IGBT Q4之间分别连接电磁铁输出端。

有益效果：

本发明的直流电磁铁控制电路及吸放板控制系统，通过控制其输出电压的大小，以及通过针对IGBT的PWM控制，能减缓线圈能量冲击，对于正向励磁时泄放，以及反向励磁时泄放没有太高实时要求的场合，可以使用此方式。其成本相比其传统方案有显著的下降，体积比较小，产品在市场上具有较大竞争力。

本发明构建一种控制电磁铁的装置相比传统方案可以降低成本，体积小，控制精度高，保护性能完善并且具备停电保磁功能，能解决正向励磁到反向退磁报过压故障的问题。

系统具有以下功能：

(1)上电初始化，等待吸料，通过键盘由人工输入设定参数。其设定的参数包括强励磁，退磁，弱磁，分张放板，天车行走等参数的设置。

(2)强励磁输出。通过手动开关给开关量信号给到控制板来控制IGBT模块输出强励磁信号。装置输出DC290V直流电压，实现电磁铁强磁输出。

(3)弱磁输出。通过手动开关给开关量信号给到控制板来控制IGBT模块输出弱磁信号。装置输出DC220V直流电压，实现电磁铁弱磁输出。

(4)退磁输出。通过手动开关给开关量信号给到控制板来控制IGBT模块输出退磁信号，完成放料。

(5)分张放板功能。通过手动开关给开关量信号给到控制板控制IGBT模块的关断。

(6)天车行走信号功能。通过手动开关给开关量信号给到控制板，当天车行走信号引入后，并且装置处于运行状态，此时当停止信号接通，装置不能停止，必须保证运行状态。只有当天车行走信号解除后，重新接通停止信号接通后，方可完成停机动作。

(7)该装置具有停电保磁功能，可以采用备用蓄电池组给电磁铁继续供电，保证电磁铁所吊运的被吸物不脱落，从而保证现场的其他设备及人生安全。、

该装置具有恒压限流和恒流限压功能。

所述主回路还包括两个电流传感器，所述电流传感器信号经过处理后送到控制板，实时检测P相和N相电流。

因此，这种吸放板控制系统电路简洁，易于实施，功能丰富，安全可靠性高，适合推广实施。

附图说明

图1为直流电磁铁控制电路及吸放板控制系统的总体结构示意图；

图2为第一种具有泄放回路主电路原理图；

图3为第二种具有泄放回路主电路原理图；

图4为行车、吊钩和电磁铁等设备的位置关系示意图；

图5为励磁和退磁时序图；

图6为没有泄放回路的主电路原理图；

标号说明：1-控制装置，2-行车，3-吊钩，4-电磁铁，5-钢板。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：如图1～5，一种直流电磁铁控制电路，包括主电路、控制电路和泄放电路；所述的主电路包括三相不可控整流桥、储能电容支路、均压电阻支路和H桥逆变器；三相不可控整流桥为6个二极管组成的整流桥；

H桥逆变器为由4个IGBT连接而成的2桥臂模块；

储能电容支路由2个储能电容C1和C2串联而成；

均压电阻由2个均压电阻R2和R3串联而成；

三相不可控整流桥的交流侧接三相电源；

三相不可控整流桥的直流侧与储能电容支路、均压电阻支路以及H桥逆变器的直流侧并联；

2个储能电容的连接点与2个均压电阻的连接点短接；

H桥逆变器的交流侧(输出侧)为电磁铁供电；

电磁铁上并联有泄放电路；

控制电路用于控制H桥逆变器中IGBT的通断。

在三相不可控整流桥输出侧的回路上串联有软启动器；软启动器包括并联的第一接触器K1和缓冲电阻R1；第一接触器受控于控制电路。

优选地，所述的泄放电路为由泄放电阻R4和第二接触器K2串联而成的泄放支路；泄放支路与电磁铁并联。

另一种泄放电路为：

由泄放电阻(R4)和泄放二极管(D7)串联而成的泄放支路；泄放支路与电磁铁并联。

一种吸放板控制系统，包括控制装置1、行车2、吊钩3和电磁铁4；

吊钩设置在行车上；电磁铁设置在吊钩上，用于吸放钢板5；

电磁铁的励磁和退磁均受控于控制装置；

所述的控制装置为所述的控制电磁铁的装置。

控制电路中集成有MCU；MCU连接有手动开关。

吸放板控制系统还包括用于检测电磁铁两端电压的电压检测卡，电磁铁两端电压作为反馈信号被采集。也可以进一步检测桥式整流器的输出侧的直流电压作为第二反馈信号。

MCU与行车控制信号输出端相连。

所述的吸放板控制系统还包括后备电源以及用于投切后备电源的接触器，接触器受控于MCU，当停电或主电路故障时，MCU控制接触器投入后备电源，保障电磁铁励磁供电，防止电磁铁突然失电而造成钢板坠落事故。

MCU连接有远程通信模块，如远程通信模块，如3G，4G通信模块，遥控信号接收模块等，用于将相关参数传送到主控室或远程设备，或者接收遥控信号，实现遥控控制等。

如图1，所述主回路还包括两个电流传感器，所述电流传感器信号经过电路处理后送到控制板，实时检测P相和N相电流。

其中，所述键盘为初始化参数设置装置，其设定的参数包括强励磁，退磁，弱磁，分张放板，天车行走等参数的设置。

如图6的主回路中，所述不可控整流单元包括二极管D1，二极管D2，二极管D3，二级管D4，二级管D5，二极管D6，其中二极管D1和D4，二极管D2和D5，二极管D3和D6分别连接三相电的输入相电压；软启动器包括直流接触器K1和上电缓冲电阻R1，其中K1和R1正向励磁状态时自动并联，所述上电缓冲电阻R1连接于二极管D6的阳极和储能电容C2的负极；储能电容包括储能电容C1和储能电容C2，其中所述储能电容C1和储能电容C2组成串联电路；均压电阻包括R2和R3，R2和R3组成串联电路，所述均压电阻R2和储能电容C1并联，所述均压电阻R3和储能电容C2并联；H桥拓扑包括IGBT模块Q1～Q4。IGBT模块Q1和IGBT模块Q3串联之后与所述IGBT模块Q2和IGBT模块Q4并联，所述IGBT Q1和IGBT Q3以及IGBT Q2和IGBT Q4之间分别连接电磁铁输出端。

由于电磁铁是以一种大的感性设备，在电磁铁的正向励磁/反向消磁过程种，电磁铁线圈中有很大的储能。在正向励磁完成关断IGBT时，电磁铁线圈中通过IGBT模块Q1和IGBT模块Q4的反向恢复二极管回馈到主回路储能电容中，反之反向消磁操作完成后关断IGBT模块，电磁铁线圈中储能通过IGBT模块Q2和Q3的反向恢复二极管回馈到主回路储能电容中，这样可能会导致报过压故障。

图2相比图6增加了泄放回路，电阻R4和直流接触器K2串联，然后与电磁铁并联，当电磁铁从正向励磁到反向消磁过程中，需要正向励磁PWM关掉之前提前大概几百毫秒打开直流接触器即可，保证正向励磁/反向消磁过程中，电磁铁线圈中有很大的储能通过泄放电阻释放掉，这样不会报过压故障。

按照图2的泄放回路，这里给出了一种电磁铁从正向励磁到反向退磁的时序图，如图5所示，T1为正反转死区时间，一般为几秒左右，T2为泄放回路接触打开到PWM关断的时间，一般为几百毫秒左右，T3为PWM关断到泄放回路接触关断的时间，一般为几秒左右，这3个参数可以由键盘来设置时间。泄放回路阻值一般为线圈等效直流电阻的2-5倍在几欧～几十欧以内，根据现场调试键盘参数和泄放回路阻值来保证从正向励磁到反向退磁不报故障。

如图2，直流接触器K1和上电缓冲电阻R1，组成软启动器。优选此电路。

(1)退磁

K2为继电器或接触器的常开开关，由CPU控制。

退磁：IGBT阻断供电，合上K2，能量泄放。

(2)励磁

K2断开，通过IGBT为电磁铁供电

图3相比图2用整流二极管替代直流接触器，可以解决停电保磁报故障，当电磁铁从正向励磁到反向消磁过程中，电磁铁线圈的反向电压通过泄放回路电阻R4和二极管D7来释放掉。当电磁铁处于反向消磁时，反向消磁时间一般为几秒，电磁铁线圈存储的能量比较小，不会导致报过压故障。

如图3

(1)退磁

退磁：IGBT阻断供电，电磁铁、R4和D7(续流二极管)组成泄放回路，能量泄放。

(2)励磁

通过IGBT为电磁铁供电，励磁时，R4上也消耗能量。

通过上面描述的具体实施方式，可以增加一种解决过压故障的方式。通过软件的PWM控制，减缓线圈能量冲击，对于部分最正向励磁时泄放，以及反向励磁时泄放没有太实时要求的场合，可以使用此方式。

优势：可以通过PWM控制，实现对变频器电解电容的无过冲，电流缓慢下降，下降时间在2-5秒，反向泄放时，可实现电流下降时间在1-3秒。

劣势：由于电流下降时间较长，在需要从正向励磁到反向泄放快速要求的场合，可能不适合。影响操作的实时性。

其控制方法部分工作原理为：

1、正向励磁时，IGBT模块Q2一直导通，IGBT模块Q1和Q3交替导通，为电磁铁提供工作电压(或者Q3一直导通，Q2和Q4交替导通)。

2、反向励磁：反向励磁：为电磁铁提供反向电压，加快放料速度。时，IGBT模块Q1一直导通，IGBT模块Q2和Q4交替导通(或者Q4一直导通，Q1和Q3交替导通)。