带电压反馈智能控制的交流接触器的制作方法

专利名称：带电压反馈智能控制的交流接触器的制作方法
技术领域：
本发明属于智能化低压电器领域，涉及一种交流接触器，特别是一种带电压反馈的智能控制接触器。
背景技术：
交流接触器是一种频繁操作的控制电器，它由操作电磁铁带动触头系统来进行操作。当电磁铁接通电源时，电磁铁克服触头弹簧和反力弹簧所组成的反作用力，动铁心带动主要由动触头组成的可动部分向下运动，首先使动静触头接触，然后经过一段超行程，动静铁心闭合。动触头的超行程是为了保证触头磨损后，仍能保证动静触头能可靠接触，它是指若取走静触头，动触头在电磁铁带动下可继续前进的路程。大部分交流接触器工作在AC3工作类别，即用于直接启动鼠笼电动机和在运转中断开。这种工作类别要求接触器在额定电压Ue下接通电动机启动电路，即6倍额定电流，而在0.17Ue电压下断开额定电流，所以AC3工作类别接触器的电气寿命决定于接通过程。在接触器接通过程，触头的电气磨损主要是由断续电弧对触头材料的侵蚀所造成。图1给出了交流接触器结构与操作过程，在接触器的操作电磁铁吸合过程，会发生两次可动部分的碰撞，一次是动铁心从起始位置即铁心开距为1走到行程为(1-S)，动、静触头开始接触时，另一次是动铁心走完行程1，使动、静铁芯发生碰撞。这两次碰撞都会引起触头的弹跳，产生断续电弧而使触头受电弧高温而侵蚀。交流接触器是一种频繁操作电器，其操作频率为300～1200次/小时，电气寿命是其主要技术指标，因此，要提高接触器的电寿命，特别是AC3工作类别时的电寿命，提高接触器性能是关键点。
传统交流接触器在线圈电压接近电磁铁吸上和释放电压时，由于这时的吸力与相应工作气隙下对应的反力非常接近，且交流电磁铁的吸力是脉动的，因而会发生强烈的振动，影响接触器的可靠工作。另外，目前在工业系统中安装有百万至千万台接触器，尽管每台接触器平均耗能几十瓦，但是总数是巨大的，因而长期以来接触器的节能问题一直是受人关注的一个技术问题。同时节能问题也联系到接触器本身的小型化，节能后，接触器发热量少，因而不但接触器本身的设计可实现小型化，连同安装接触器的成套装置，由于发热量减少，冷却条件变好，也可以减小体积。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种带电压反馈的智能控制接触器，该接触器能提高AC3电寿命和机械寿命、节能、可靠工作并且实现接触器操作电磁铁的小型化。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术方案一种带电压反馈智能控制的交流接触器，其特征在于，该交流接触器至少有线圈操作模块、中央控制模块、电压检测模块、电源模块及IGBT驱动与保护模块，其中的线圈操作模块中含有滤波、整流电路以及功率电子器件IGBT构成的斩波电路；线圈操作模块分别与中央控制模块、IGBT驱动与保护模块连接，电源模块分别与中央控制模块、电压检测模块连接，电压检测模块还和中央控制模块连接，所述的电源模块提供+5V和+12V两路电源，+5V作为中央控制模块的工作电源，+12V作为电压检测模块工作电源；线圈操作模块将交流工频电源经输入滤波和整流变为直流电压，该直流电压通过由功率电子器件IGBT组成的斩波电路，将可调直流电压加于接触器线圈，接触器线圈上设置的电压检测模块对线圈的直流电压进行采样，采样后的电压信号反馈输入至中央控制模块中，由中央控制模块控制IGBT驱动与保护模块以输出功率电子器件IGBT的控制脉冲信号，并且自动调节斩波电路的占空比以使当外界电源电压波动时，保持线圈的电压稳定在一定的数值。
本发明的带电压反馈智能控制的交流接触器，具有如下的技术特点1.通过接触器线圈的电压反馈，使操作电磁铁的吸力特性与反力特性达到理想配合，通过减少正常工作条件下电磁铁可动部分动能，减少或消除当动静触头碰撞时的触头弹跳和动静铁心碰撞时的铁心振动，大幅度提高接触器在AC3工作条件下的电气寿命，同时提高接触器的机械寿命。
2.当接触器操作电磁铁吸上后，利用电磁铁在吸上位置电磁吸力裕量很大的特点，系统自动调整斩波调压电路占空比，使线圈供电电压降低，节省能量。另外由于电磁铁由整流后直流供电，因而可省略一般交流电磁铁所需的分磁环及由分磁环造成的功耗，在电磁铁吸合位置，分磁环占电磁铁功耗的很大比重。
3.由中央控制模块控制的交流接触器，其吸上和释放电压由软件编程来设定，因而当电源电压下降到这两个门槛值时，不会发生传统接触器产生的铁芯抖动现象，而提高了接触器工作可靠性。
4.由中央控制模块控制的交流接触器，可由软件编程让操作电磁铁在释放时设置一定的延时，以提高当电源电压短时间内突然下降的承受能力，一般接触器在遇到瞬时电源电压骤降时，会使接触器控制的电器设备断电而发生事故。


图1是交流接触器结构与操作过程图，其中图(a)为接触器处于断开位置，图(b)为接触器动铁芯运动经历触头开距d后，至动静触头接触位置，图(c)为动铁芯由动静触头刚接触位置，走过距离s后行至和静铁芯接触位置，这里超行程s是指动触头和静触头接触后，若去掉静触头，动触头继续前进的路程。动触头整个行程为1，即动静铁芯开距，它是触头开距d和超行程s之和，1＝d+s。
图2是吸力与反力特性配合曲线；图3是智能控制的线圈供电电压；图4是本发明的带电压反馈智能控制的交流接触器结构框图；图5是线圈操作回路电路图；图6是中央控制模块原理图；图7是电压检测模块的方框图；图8是电压检测电路图；图9是软件框图；图10是IGBT驱动及保护电路；图11是程序框架图；图12是触头振动时间测量原理图；图13是220V输入电压下有无智能控制情况触头振动时间对比图；图14是有无智能控制情况下触头振动时间对比图。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施例方式
1.智能控制原理按国标GB14048.4-93的规定，交流接触器操作电磁铁应在85％额定电压下可靠吸合，一般工厂为保证接触器在低电压下能可靠工作，把电磁铁的吸合电压都设计在65％～75％额定电压。若对应吸上电压的电磁铁吸力特性F吸上＝f(δ)与反力特性Ff＝f(δ)配合如图2所示，则当操作电磁铁在额定电压下正常工作时，其吸力特性F额定＝f(δ)远高于反力特性，额定电压下吸合过程中可动部分的动能太大，而造成触头振动。
若能通过一个带反馈的调压系统，在国标规定的85％～110％额定电压波动下，能保持接触器线圈电压不变，并使对应的吸力特性F智能＝f(δ)仅稍高于反力特性，则可大大减少正常工作电压下电磁铁可动部分的动能，减小或消除触头振动，并大幅度提高电寿命。从电磁铁的吸力特性可知，吸力随着工作气隙减小而增大得很快，利用电磁铁在吸上位置电磁吸力裕度很大的特点，可通过调压器让吸上位置的线圈电压减小并保持低电压，可达到节能的目的。本发明提出的带电压反馈智能控制的交流接触器在吸合过程中线圈电压的变化如图3所示，在吸合过程，通过反馈调压系统，当外界条件变化时，保持U智能不变，当动铁心吸合后，线圈供电电压降低，并保持在U保持以节能。
由于当前电网上使用大量电力电子设备，因而会发生各种电力质量问题。其中最常见的是短时间内电压骤降，它会造成接触器释放，而使被控制电气设备失电而发生事故。因而设计一种能承受短时电压骤降的接触器，是电力质量对接触器提出的新的要求。
2.技术方案参见图4，本发明的带电压反馈智能控制的交流接触器至少有线圈操作模块、中央控制模块、电压检测模块、电源模块及IGBT驱动与保护模块，其中的线圈操作模块中含有滤波、整流电路以及功率电子器件IGBT构成的斩波电路。；线圈操作模块分别与中央控制模块、IGBT驱动与保护模块连接，电源模块分别与中央控制模块、电压检测模块连接，电压检测模块还和中央控制模块连接，所述的电源模块提供+5V和+12V两路电源，+5V作为中央控制模块的工作电源，+12V作为电压检测模块工作电源；线圈操作模块将交流工频电源经输入滤波和整流变为直流电压，该直流电压通过由功率电子器件IGBT组成的斩波电路，将可调直流电压加于线圈，线圈上设置的电压检测模块对线圈的直流电压进行采样，采样后的电压信号反馈输入至中央控制模块中，由中央控制模块控制IGBT驱动与保护模块以输出电子器件IGBT的控制脉冲信号，自动调节斩波电路的占空比以使当外界电源电压波动时，保持线圈的电压稳定在一定的数值。
我国目前使用的接触器一般为电磁铁线圈采用交流控制，由于吸力是脉动的，必须在磁系统上加装分磁环以减弱铁心振动。因而分磁环较高的功率损耗和铁心振动是交流控制存在的问题。而通过将交流电整流变为直流电来给接触器线圈供电能消除以上缺点，并且通过相应的斩波电路直流电压易于被调节，因而本发明提出的带电压反馈智能控制的交流接触器以此为依据，目的是控制接触器线圈的电压，使其吸力特性能和反力特性良好配合。其操作电磁铁线圈由脉冲整流电压提供能量，通过反馈网络所检测的参数，可以按照和反力特性配合最佳的吸力特性曲线来实时调节线圈电参数。线圈供电回路将交流电整流为直流随后通过斩波电路给接触器线圈供电，同时由单片机接收来自电压检测模块的反馈信号，并根据反馈信号调整输出控制脉冲的宽度，当供电电压波动时，保持如图3所示的线圈电压。
2.1硬件电路设计2.1.1硬件电路结构设计本发明的带电压反馈智能控制的交流接触器，其工作原理是交流工频220V电源经输入滤波和整流后成为直流脉动电压，该电压通过电力电子开关器件IGBT加于接触器操作线圈上。中央控制模块负责接收电压检测模块传送来的电压信号，以此电压信号为依据来确定输出控制脉冲的占空比，电压和控制脉冲占空比的对应关系由仿真或实验获得，控制脉冲通过电力电子开关驱动电路来控制线圈供电回路中电力电子开关器件的通断，从而可以实时调节线圈两端的直流电压。在吸合过程完成后，改变控制脉冲的占空比以调节线圈两端的电压，使得线圈在一个很小的直流电压下保持接触器触头闭合。电源模块提供中央控制模块与电压检测模块电源。
2.1.2各功能模块电路设计2.1.2.1线圈操作模块线圈操作模块包括输入滤波、整流、IGBT以及接触器线圈。整流电路采用单相全波整流，这里采用的是整流桥模块。电力电子开关IGBT的作用是通断线圈电流，接触器线圈上反并联二极管实现续流功能。
线圈操作模块的电原理图如图5所示图中的各元件型号分别为J1为输入接插件，接工频交流220V电源输入。C11，C1，C2为滤波电容。U2为5A的整流桥。J2为接插件，接操作线圈两端。D1为续流二极管，目的是当IGBT关断时给线圈释放能量提供通道，这里选择耐压1000V、允许最大电流为5A。Q1为IGBT，用以接通和关断线圈回路，由于接触器吸合过程的电流一般在1～3A，吸持阶段的电流为mA级，考虑到安全裕量的问题，选择了东芝公司的GT25Q101，它耐压1200V，允许通过的最大电流为25A，单价也不高。D2，D3为TVS管，这里选择的是1.5KE250。
2.1.2.2中央控制模块中央控制模块的作用是接收检测电路传送来的接触器操作线圈电压信号以及输出电力电子开关器件控制脉冲信号，现在单片机的集成度越来越高，抗干扰能力越来越强，选取PIC16F873单片机来实现此控制功能。
PIC16F873单片机内部集成有5路8位A/D转换部件，可以实现对接触器操作线圈电压和电流信号的检测，节省了外围的A/D转换器件，使得抗干扰能力增强。单片机内置脉宽调制模块的工作时钟由PIC16F873片内集成的定时器提供，在输出脉宽调制波形的同时，单片机可以执行其它任务，这就保证了在接触器吸持阶段单片机输出窄脉冲的同时可以实时检测接触器操作线圈的电压以及完成其它功能。其具体实现电路参见图6图中的具体电路包括单片机及其时钟电路和复位电路。时钟电路采用的是无源晶体振荡器，大小取为4M，电容取为15pf。PIC16F873的MCLR/VPP引脚为低电平复位，在实际的实验操作中，将此引脚直接接+5伏。D5为指示灯。
2.1.2.3电压检测模块电压检测模块采用运放来实现。整流所得的直流脉动电压首先通过电压采样，得到单片机可以处理的电压信号，再经过由运放构成的比例器输入单片机端口，经单片机内置A/D模块采样运算后得到脉动电压的平均值，从而可以确定电力电子开关控制脉冲的占空比电压检测模块的方框图如图7所示。电压检测电路电路图如8所示。
2.1.2.4电源模块智能控制单元需要两路电源，+5V作为单片机的工作电源，+12V作为电压电流检测电路中运算放大器的工作电源，此电源模块在交流85伏～265伏输入时，可得到稳定的+12伏输出。经过7805的调节可得到+5伏电源。其电路图如图9所示。其中J1接交流220伏电源。
2.1.2.5 IGBT驱动及保护模块参见图10，GT25Q101在栅源极间施加7V左右的电压时即可导通，因此利用光耦来实现IGBT的驱动。光耦选用TLP521-1，当单片机端口RC2输出高电平时，发光二极管导通，驱动三极管导通从而电压V12加于IGBT栅源极间，驱动IGBT导通。R1的作用是减少寄生振荡。D2、D3为1.5ke250的TVS管，用以吸收关断瞬间的能量，采用两个串连是为了提高吸收功率。
2.2智能控制单元软件设计参见图11，该图为控制单元程序框架图，当单片机在执行程序时，首先需要对整流后的直流电压进行检测，然后通过由仿真或实验所得的表格查得输出控制脉冲的占空比，输出脉冲对整流后的直流电压进行调制作为接触器操作线圈的吸合电压，延时一段时间吸持完成后，再检测电压确定吸持阶段中输出控制脉冲的占空比，每隔一段时间定时检测接触器操作线圈的供电电压，以更新输出脉冲的占空比。接触器的吸上和释放电压根据国家标准规定，在软件中设定，接触器线圈合上电源后，若检测得到得电压大于规定得吸上电压则确定占空比，输出控制脉冲，使IGBT导通，当接触器处于吸上位置，若检测到得电源电压低于规定得释放电压，则停止输出脉冲，封锁IGBT使接触器线圈断电。由于本发明的吸上与释放电压根据设定值由开通或封锁IGBT来实现，因而没有传统接触器到达临界值时发生严重抖动的现象。为了提高接触器对瞬时电压骤降的承受能力，当电源电压下降至释放电压时，单片机编程中设置一个可调延时，经过延时后再停止控制脉冲的输出，并且延时可由用户任选。
2.3实验结果及分析本发明对交流接触器进行智能控制的目的一是在吸持阶段在保证足够闭合条件下节能，二是减少接触器在吸合过程中的弹跳，提高接触器的电寿命。因此，实验的目的是为了从这两个方面来验证智能控制的效果。实验过程中我们测定了交流接触器采用智能控制前后的功率消耗以及振动时间，也测定了交流接触器吸合过程中触头及铁心闭合时刻的速度，对两种情况进行了对比，验证了智能控制的效果。
实验使用的交流接触器型号是CJ20-160，该接触器额定电压为交流220V，额定电流为160A。
2.3.1吸上电压、释放电压和功耗的对比从表1数据可看出当吸上电压和释放电压相同的情况下，用电子控制后功耗降低了近5倍，大大节约了能量。
表1 有无智能控制情况下接触器性能比较

2.3.2有无智能控制情况下触头振动时间的比较接触器吸合过程中触头振动时间可以直观的反映接触器的机械寿命和电寿命，触头振动时间越长，触头的寿命越短。为了反映触头的振动情况，实验采用了以下的测量方法将一直流电源通过电阻加于接触器触头两端，在接触器触头闭合的过程中发生的振动情况通过电阻两端的电压来反映，我们可以捕捉电阻的电压从而了解吸合过程中触头的振动情况，实验原理图如图12所示。
国标规定接触器的操作电磁铁应在85％～110％额定电压下完成吸合，因此实验选取了覆盖这一范围的电压来比较有无智能控制下触头的振动时间，每组电压下振动时间测量5次取其平均值。其中220v输入电压情况下触头的振动时间对比如图13所示。有无智能控制情况下振动时间比较如表2所示。
表2有无智能控制的情况下触头振动时间对比

有无智能控制情况下触头振动时间随输入电压的变化而变化的趋势如图14所示。为显示方便，无智能控制的情况振动波形图中横坐标为1ms/格，有智能控制的情况振动波形图中横坐标为0.5ms/格。从图13的波形图中可清楚看出，在电磁铁吸合过程中振动发生两次，一次是动静触头接触时，另一次是动静铁心接触时，后一次的触头振动是由铁心振动带来的。由图14可以明显地看出，无智能控制的情况下随着输入电压的增大，触头闭合时刻的振动时间逐渐增大，而采用智能控制后，触头闭合时刻的振动时间始终保持在一个较低稳定的程度。当在额定电压220V时，采用智能控制后的触头闭合时刻的振动时间和无智能控制相比，已经减少了80％左右。
综上所述，本发明的带电压反馈智能控制的交流接触器，在接触器吸合过程完成后，改变控制脉冲的占空比，使得操作磁铁线圈在一个低的直流电压下保持磁系统吸合，加上直流控制没有交流电磁铁的分磁环损耗，可达到节能的目的。由于节能，也促进了接触器操作磁铁的小型化。同时，由于将接触器的吸合和释放电压作为门槛值由微处理器进行控制，因而没有传统接触器当电源电压接近吸合和释放值时电磁铁发生严重抖动的现象。本发明通过单片机编程，在电压下降到释放电压时，设置一个短延时，提高接触器对电源电压骤降的承受能力。制作的智能控制系统样机用于控制传统的CJ20-160A接触器，在额定电压条件下，可使触头振动时间由5.944ms降低至1.048ms，线圈功耗由34W降低至7W。
权利要求
1.一种带电压反馈智能控制的交流接触器，其特征在于，该交流接触器至少有线圈操作模块、中央控制模块、电压检测模块、电源模块及IGBT驱动与保护模块，其中的线圈操作模块中含有滤波、整流电路以及功率电子器件IGBT构成的斩波电路；线圈操作模块分别与中央控制模块、IGBT驱动与保护模块连接，电源模块分别与中央控制模块、电压检测模块连接，电压检测模块还和中央控制模块连接，所述的电源模块提供+5V和+12V两路电源，+5V作为中央控制模块的工作电源，+12V作为电压检测模块工作电源；线圈操作模块将交流工频电源经输入滤波和整流成为直流电压，该直流电压通过由功率电子器件IGBT组成的斩波电路，将可调直流电压加于线圈，线圈上设置的电压检测模块对线圈的直流电压进行采样，采样后的电压信号反馈输入至中央控制模块中，由中央控制模块控制IGBT驱动与保护模块，控制它输出给功率电子器件IGBT的控制脉冲信号，自动调节斩波电路的占空比以使当外界电源电压波动时，保持线圈的电压稳定在一定的数值。
2.如权利要求1所述的带电压反馈智能控制的交流接触器，其特征在于，所述的功率电子器件IGBT的控制脉冲由IGBT的驱动与保护模块提供。
3.如权利要求1所述的带电压反馈智能控制的交流接触器，其特征在于，所述的IGBT驱动与保护模块采用光耦实现对IGBT驱动，用TVS管用于吸收功率器件关断瞬间的能量。
4.如权利要求1所述的带电压反馈智能控制的交流接触器，其特征在于，所述的电压检测模块含有由运放构成的比例器，由比例器将信号输入中央控制模块的端口。
5.如权利要求1或4所述的带电压反馈智能控制的交流接触器，其特征在于，所述的中央控制模块为PIC16F873单片机。
全文摘要
本发明公开了一种带电压反馈智能控制的交流接触器，包括线圈操作模块；自关断功率器件；中央控制模块；驱动及保护模块及提供反馈信号的电压检测模块。其工作流程是交流电源进入线圈操作模块，经整流后，通过斩波器供电给接触器线圈，中央控制模块接收由电压检测模块检测到的电源电压信号，并依此来控制斩波器输出电压的占空比，驱动电路提供功率器件的控制脉冲。由于采用了电压反馈，可使电磁铁的吸力和反力特性达到良好配合，减小了铁心和触头闭合时的弹跳，大幅度提高AC3使用条件下的电寿命和机械寿命。当接触器操作电磁铁吸上后，自动调整斩波调压电路占空比，使线圈供电电压降低，加上直流供电，可大幅度节省能量，缩小电磁铁尺寸。
文档编号H02M7/12GK1770349SQ20051009605
公开日2006年5月10日 申请日期2005年9月22日 优先权日2005年9月22日
发明者陈德桂, 冯涛, 耿英三, 王建华, 刘颖异 申请人:西安交通大学