一种接触器控制电路的制作方法

本发明涉及交流接触器领域，具体是涉及一种带功率因数矫正功能的接触器节电器。

背景技术：

传统接触器操作系统由线圈、静铁心、衔铁和反力弹簧组成。当接触器线圈通电后，静铁心和衔铁之间产生吸力，当吸力大于弹簧反作用力时，衔铁被吸向静铁心，直到与静铁心接触为止，这时主触头闭合，这个过程称为吸合过程。线圈持续通电，衔铁与静铁心保持接触，主触头保持闭合状态的过程，称为吸持过程。当线圈中电流减少或中断时，静铁心对衔铁的吸力减小，当吸力小于弹簧反作用力时，衔铁返回打开位置，主触头分开，这个过程称为释放过程。从电气的角度来看，接触器线圈可以等效为一个有一定内阻的电感。

接触器用于频繁地接通和分断交、直流电路，且可以远距离控制低压电器。其主要控制对象是电动机，也可以用于控制电热器、电焊机和照明灯等电力负载。目前全国接触器的使用量巨大，中大容量的接触器在吸持状态时，每台消耗的有功功率平均约为60w，功率因数只有0.3左右。降低接触器的能耗对节能减排有重大贡献。

目前已有的接触器节电器采用交流转直流，大电流吸合，小电流保持的方式，大大降低了电磁线圈铁损、铜损和短路环的损耗，可以减小90％以上的有功功耗。通过芯片控制mos管的导通占空比来实现大电流吸合，小电流吸持的控制。但这些技术还有一定的缺陷，只解决了有功功耗的问题，对于功率因数的提高却无能为力，某些节电技术还会使得功率因数降低。如申请号为200510029373.2的专利中，采用脉冲形式给电磁线圈供电，使电磁线圈以恒定的小电流工作；采用该方式工作，不仅会产生大量的谐波，而且输入电流的有效值不跟随输入电压，导致功率因素很低，按照该技术制作样机，实际pf值小于0.3。申请号为201210196762.4和201010040019.9的专利的技术，在输入交流电压过零附近给电磁线圈励磁，使得输入电流与输出电压处于一种类似反相的状态，按照该技术制作样机，功率因数小于0.1。

为了使带节电器的接触器得到推广，厂商都是希望它跟传统接触器的使用方式与外观改变不大。那么节电器就必须放在接触器壳架里面，这对节电器的体积方面的要求是很高的。根据上述已公开的专利可知，接触器节电器的主功率器件包括整流桥、母线电容、mos管、续流二极管、电流采样电阻。以上的器件并不都是必须的，可以进一步通过改进控制方式来减少功率器件，同时使得原有性能不变或提高。进一步增加节电器的市场竞争力。

由于传统接触器没有控制电路，线圈电流会跟随输入电压变化，所以传统接触器的输入电压范围是很窄的，通常的输入范围为80％*um～110％um。而现在厂商对接触器节电器提出过了新的要求，提出了宽压交直流通用的接触器。如提出了24v～48v，48v～120v，100v～250v，250v～500v这四种宽压交直流通用的接触器的需求。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术所存在的上述的缺陷与市场新的要求，通过改进控制方法，在提高接触器节电器的pf值同时，可去掉接触器节电器中的母线电容与采样电阻，并且在宽压交直流输入电压范围内，接触器线圈电流平均值恒定不变。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种接触器控制电路，其特征在于：包括电压检测电路和占空比控制电路；电压检测电路先通过分压电阻把母线电压降低到合适的范围，分压比记为kv，然后通过低通滤波器把交流分量滤除，剩下的直流分量作为电压检测电路的输出，输出电压记为vs；占空比控制电路通过检测输出电压vs，输出占空比d，vs×d记为kd，kd为占空比控制电路内部设定的常数。

作为电压检测电路的一种具体的实施方式，其特征在于包括：电阻r1、电阻r2和电容c1，电阻r1和电阻r2串联后用于与整流后的母线电压两端并联，电容c1的一端与电阻r1与电阻r2的连接点相连，并作为电压检测电路的输出端，输出所述的输出电压vs，电容c1的另一端接地。

作为占空比控制电路的第一种具体的实施方式，其特征在于包括：运放u1、mos管q2、电阻rd1、开关k1、开关k2、开关k3、电容cd1、电容cd2、反相器u2、比较器u3、rs触发器u4、时钟发生器、吸合吸持切换电路、恒流源m1和恒流源m2；吸合吸持切换电路用于在吸合阶段控制开关k1导通开关k2断开，在吸持阶段控制开关k2导通k1断开；运放u1的正输入端用于输入所述的输出电压vs，运放u1的负输入端与电阻rd1的一端和mos管q2的漏极相连，运放u1的输出端与mos管q2的栅极相连；电阻rd1的另一端接地；恒流源m1的输入端用于输入供电电压vdd，恒流源m1的输出端与mos管q2的漏极相连；恒流源m2的输入端用于输入供电电压vdd，开关k1、开关k2和开关k3的第一开关端与恒流源m2的输出端和比较器u3的正输入端相连，开关k1的第二开关端通过电容cd1接地，开关k2的第二开关端通过电容cd2接地，开关k3的第二开关端接地；开关k1的控制端与吸合吸持切换电路的第一输出端相连，开关k2的控制端与吸合吸持切换电路的第二输出端相连；开关k3的控制端与反相器u2的输出相连；比较器u3的负输入端输入比较阈值电压vth，比较器u3的输出端与rs触发器u4的r输入端相连，rs触发器u4的s输入端与时钟发生器相连，rs触发器u4的输出端与反相器u2相连的同时也是占空比控制电路的输出端，输出控制接触器中主功率开关管开通与关断的信号。

作为占空比控制电路的第二种具体的实施方式，其特征在于包括：运放u1、mos管q2、电阻rd1、电阻rd2、开关k1、开关k2、开关k3、电容cd1、反相器u2、比较器u3、rs触发器u4、时钟发生器、吸合吸持切换电路、恒流源m1和恒流源m2；吸合吸持切换电路用于在吸合阶段控制开关k1导通开关k2断开，在吸持阶段控制开关k2导通k1断开；运放u1的正输入端用于输入所述的输出电压vs，运放u1的负输入端分别与开关k1和开关k2的第一开关端以及mos管q2的漏极相连，运放u1的输出端与mos管q2的栅极相连；开关k1的第二开关端通过电阻rd1接地，开关k2的第二开关端通过电阻rd2接地，开关k1的控制端与吸合吸持切换电路的第一输出端相连，开关k2的控制端与吸合吸持切换电路的第二输出端相连；恒流源m1的输入端用于输入供电电压vdd，恒流源m1的输出端与mos管q2的漏极相连；恒流源m2的输入端用于输入供电电压vdd，恒流源m2的输出端与比较器u3的正输入端、开关k3的第一开关端和电容cd1的一端相连，电容cd1的另一端接地，开关k3的第二开关端接地，开关k3的控制端与反相器u2的输出相连；比较器u3的负输入端输入比较阈值电压vth，比较器u3的输出端与rs触发器u4的r输入端相连，rs触发器u4的s输入端与时钟发生器相连，rs触发器u4的输出端与反相器u2相连的同时也是占空比控制电路的输出端，输出控制接触器中主功率开关管开通与关断的信号。

通过以上对本方案基本原理的叙述，采用本专利的方案，可以得到以下的有益效果：

1、占空比不跟随母线电压波动变化，可去除母线电容；

2、输入电流会跟随输入电压变化，pf值高；

3、通过采样输入电压间接控制线圈电流恒定不变，可去除电流采样电阻；

4、宽输入电压下线圈电流平均值恒定，并且输入交直流通用。

附图说明

图1为接触器节电器主功率电路与等效电路；

图2为第一实施例电路原理图；

图3第一实施例关键节点波形；

图4为第二实施例电路原理图。

具体实施方式

本申请的发明构思产生思路如下：

现有的接触器节电器的主功率电路如图1中的左图所示，主要由接触器线圈l1、二极管d1和mos管q1组成。母线电压的峰值为um，驱动信号的占空比为d。假如占空比恒定不变，假如只关注接触器线圈l1的电流参数，那么图1中的左图就可以等效为右图，其中右图的母线电压峰值为um*d。

假如去掉母线电容，整流后的电压为馒头波。馒头波经过傅里叶分解，100hz以上的分量已经很小，因此馒头波的公式可近似为：

uin(t)＝um·|sinω0t|≈um·(0.6365+0.424·cos2ω0t)

其中，um为输入电压的峰值，ω0为对应50hz工频的角频率。

设接触器线圈l1的内阻为rcoil，线圈电感为lcoil。用这个母线电压uin(t)给接触器线圈l1励磁，那么就可以得到接触器线圈l1的直流分量与交流分量。

对于0hz(直流分量)，线圈的阻抗为rcoil；对于100hz，线圈的阻抗为：

线圈直流分量：

线圈交流分量：

同理，也很容易得到，输入为直流电压udc时，线圈的电流为：

输入为直流时，线圈电流：

本发明的电压检测电路为分压滤波电路，电压检测电路的输入与整流后的母线电压相连。电压检测电路先通过分压电阻把母线电压降低到合适的范围，分压比记为kv，然后通过低通滤波器把交流分量滤除，剩下的直流分量作为电压检测电路的输出，输出电压记为vs。上文已对馒头波的公式进行了分析，所以很容易得到，电压检测电路的输出电压为：

输入为交流时，检测电路输出电压：

vs_ac＝0.6365·kv·um(4)

输入为直流时，检测电路输出电压：

vs_dc＝kv·udc(5)

本发明的占空比控制电路通过检测电压检测电路的输出电压vs，输出占空比d。其中vs与d的关系为：

vs·d＝kd(6)

其中kd为占空比控制电路内部确定的常数，就可以使得接触器线圈l1的电流在宽输入范围内不变。把公式(4)和公式(6)代入公式(1)和公式(2)中，可得到输入为交流时线圈的交流分量和直流分量。把公式(5)和公式(6)代入公式(3)中，可得到输入为直流时线圈的线圈电流。

输入为交流时，线圈直流分量：

输入为交流时，线圈交流分量：

输入为直流时，线圈电流：

通过以上的电流公式，可以看到，经过本发明的控制方案，线圈的电流跟输入电压是无关的，这说明在宽输入电压范围内，线圈电流是恒定的。交流输入和直流输入时线圈的平均电流也是一样的。

因为电压检测电路的输出近似为直流电压信号，所以占空比控制电路的输出占空比在整个工频周期内也是不变的。这种控制跟pfc的控制原理有点类似。根据公式△i＝vin·ton/lcoil可知，ton不跟随母线电压波动变化，那么输入电流是跟随输入电压变化的，那么这种控制方式的pf值会比较高。

为了更好地理解本发明相对于现有技术所作出的改进，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

第一实施例

如图2所示为本发明第一实施例接触器控制电路原理图，包括电压检测电路和占空比控制电路。

电压检测电路包括电阻r1、电阻r2和电容c1。电阻r1和电阻r2串联后并联于整流后的母线电压两端。电容c1的一端与电阻r1与电阻r2的连接点相连，并作为电压检测电路的输出端，电容c1的另一端接地。电压检测电路作用是分压和滤波，把母线电压降低到合适的值并提取其直流分量。

第一实施例的占空比控制电路包括运放u1、mos管q2、电阻rd1、开关k1、开关k2、开关k3、电容cd1、电容cd2、反相器u2、比较器u3、rs触发器u4、时钟发生器、吸合吸持切换电路、恒流源m1、恒流源m2。运放u1的正输入端与电压检测电路的输出相连，运放u1的负输入端与电阻rd1的一端和mos管q2的漏极相连，运放u1的输出端与mos管q2的栅极相连。电阻rd1的另一端接地。恒流源m1的输入端与电压vdd相连，恒流源m1的输出端与mos管q2的漏极相连。恒流源m2的输入端与电压vdd相连，开关k1、开关k2、开关k3的第一开关端与恒流源m2的输出端、比较器u3的正输入端相连，开关k1的第二开关端通过电容cd1接地，开关k2的第二开关端通过电容cd2接地，开关k3的第二开关端接地。开关k1的控制端与吸合吸持切换电路的第一输出端相连，开关k2的控制端与吸合吸持切换电路的第二输出端相连。开关k3的控制端与反相器u2的输出相连。比较器u3的负输入端与电压vth相连，比较器u3的输出端与rs触发器u4的r输入端相连，rs触发器u4的s输入端与时钟发生器相连，rs触发器u4的输出端与反相器u2相连的同时也是占空比控制电路的输出端，输出gate信号。

电压vdd：为供电电压，电压值稳定不变。

电压vth：为比较阈值电压，电压值稳定不变。

vcd电压：在吸合阶段开关k1导通k2断开，vcd电压为电容cd1上的电压；在吸持阶段开关k2导通k1断开，vcd电压为电容cd2上的电压。vcd电压波形为锯齿波，锯齿波的斜率主要会跟随电容cd1容值、电容cd2容值、输入电压变化。

gate信号：控制接触器中主功率开关管q1开通与关断的信号。

上述吸合吸持切换电路的作用为在吸合阶段控制开关k1导通开关k2断开，在吸持阶段控制开关k2导通k1断开。控制电路上电使能后，进入吸合阶段，经过一个固定延时后，进入吸持阶段并一直维持该阶段，直到下一次断电重启才会进入吸合阶段。用半导体逻辑电路很容易实现该功能。其它实施例相同。

结合图3对本实施例的工作原理进行如下的解释。根据运放u1的负反馈和输入端虚端和虚断的原理，运放u1的负输入端电压等于电压检测电路的输出电压vs。恒流源m1的电流就等于：

id1＝vs/rd1

恒流源m1和恒流源m2构成镜像电流源，镜像电流比例为ki，那么恒流源m2的输出电流为：

id2＝id1/ki。

电容cd1决定吸合阶段的占空比，电容cd2决定吸持阶段的占空比，电容cd1与电容cd2的容值倍数，就是吸合吸持电流的倍数。如图3所示，在吸合阶段让开关k1导通开关k2不导通，vcd电压为电容cd1上的电压；在吸持阶段让开关k1不导通开关k2导通，vcd电压为电容cd2上的电压。电流id2给电容cd1或电容cd2，电容电压线性上升，当电容电压电压上升到vth值时，比较器u3就输出高电平，这时rs触发器u4输出低电平，同时k3闭合电容cd1或电容cd2上的电压复位到0。等到下一个周期时钟发生器发出高电平信号，控制rs触发器u4输出高电平。占空比gate的导通时间为：

吸合阶段：

吸持阶段：当母线电压变高时，给电容cd1或电容cd2的充电电流id2变大，电容上的电压更快达到电压值vth，占空比就会变小；反之母线电压变低时，占空比就会变大。使得母线电压与输出占空比成反比的关系。在本实施例中，通过设置电容cd1和电容cd2大小，来设置吸合阶段与吸持阶段的占空比。

第二实施例

第二实施例的电路原理图如图4所示。第二实施例的基本原理跟第一实施例一样。不同的是第二实施例是通过电阻rd1和电阻rd2来控制充电电流id2，设置吸合阶段和吸持阶段的占空比。第二实施例的电压检测电路跟第一实施例一样。第二实施例的占空比控制电路连接关系如下。

第二实施例的占空比控制电路包括运放u1、mos管q2、电阻rd1、电阻rd2、开关k1、开关k2、开关k3、电容cd1、反相器u2、比较器u3、rs触发器u4、时钟发生器、吸合吸持切换电路、恒流源m1、恒流源m2。运放u1的正输入端与电压检测电路的输出相连，运放u1的负输入端分别与开关k1、开关k2的第一开关端、mos管q2的漏极相连，运放u1的输出端与mos管q2的栅极相连。开关k1的第二开关端通过电阻rd1接地，开关k2的第二开关端通过电阻rd2接地，开关k1的控制端与吸合吸持切换电路的第一输出端相连，开关k2的控制端与吸合吸持切换电路的第二输出端相连。恒流源m1的输入端与电压vdd相连，恒流源m1的输出端与mos管q2的漏极相连。恒流源m2的输入端与电压vdd相连，恒流源m2的输出端与比较器u3的正输入端、开关k3的第一开关端、电容cd1的一端相连，电容cd1的另一端接地，开关k3的第二开关端接地，开关k3的控制端与反相器u2的输出相连。比较器u3的负输入端与电压vth相连，比较器u3的输出端与rs触发器u4的r输入端相连，rs触发器u4的s输入端与时钟发生器相连，rs触发器u4的输出端与反相器u2相连的同时也是占空比控制电路的输出端，输出gate信号。

电压vth：为比较阈值电压，电压值稳定不变。

vcd电压：vcd电压为电容cd1上的电压。vcd电压波形为锯齿波，锯齿波的斜率主要会跟随电阻rd1阻值、电阻rd2阻值、输入电压变化。

第二实施例的关键节点波形跟第一实施例是一样的，同样可以通过图3来说明。vcd电压为电容cd1上的电压。在吸合阶段让开关k1导通开关k2不导通，电流从rd1流过；在吸持阶段让开关k1不导通开关k2导通，电流从rd2流过。电阻rd1的取值比rd2要大，流过电阻rd1的电流比电阻rd2小。在吸合阶段给电容cd1充电的电流小，电容cd1电压上升慢，占空比大；在吸持阶段给电容cd1的充电电流大，占空比小。当母线电压变高时，给电容cd1充电的电流变大，电容上的电压更快达到电压值vth，占空比就会变小；反之母线电压变低时，占空比就会变大。使得母线电压与输出占空比成反比的关系。在本实施例中，通过设置电阻rd1和rd2的阻值，在分别设置吸合阶段和吸持阶段的占空比。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。