一种线圈类负载电压暂降保护设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种线圈类负载电压暂降保护设备，该设备输入端连接单相交流电源，输出端与接触器线圈端子相连，包括EMI滤波电路、单相整流滤波电路、单片机控制电路、驱动放大电路以及DC/DC变换电路；其中，所述EMI滤波电路的输出端与所述单相整流滤波电路相连；所述单相整流滤波电路输出端与所述DC/DC变换电路相连；所述单片机控制电路采样输入端与所述单相整流电路相连，输出端与所述驱动放大电路的输入端相连；驱动放大电路的输出端与所述DC/DC变换电路相连。本实用新型保护设备将所有功能模块集成在一个电路板上，具有体积小、重量轻、集成化高的优点，本实用新型的输出端直接连接在交流接触器线圈上，安装方便。
【专利说明】一种线圈类负载电压暂降保护设备
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种接触器控制系统，具体涉及一种应用于线圈类负载的接触器线圈电压暂降保护设备。
【背景技术】
[0002]电磁式交流接触器是一种应用广泛的产品，可以用来接通或分断带负载的交流主电路或大容量的控制电路。在厂用交流电网发生电压暂降时，电磁式接触器线圈的会出现欠压或失压脱扣动作而引起接触器主触点释放。因此，为了防止接触器线圈在发生电压暂降时造成其主触点释放，目前采取的措施有以下几点:
[0003]I应用断电延时继电器、电机再启动器；
[0004]2采用储能延时元件；
[0005]3应用延时锁扣头装置；
[0006]4采用双电源供电；
[0007]5采用UPS进行系统保护；
[0008]但是，将以上设备安装在接触器线圈上存在着可靠性低，线路复杂，成本高的缺点，因此一种可靠性高、线路简单、成本低的线圈类负载电压暂降保护设备的开发很有必要。
实用新型内容
[0009]实用新型目的:本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可靠性高、线路简单、成本低的线圈类负载电压暂降保护设备，将该保护设备安装在接触器线圈上，安装方便，集成化高。
[0010]为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术手段为:
[0011]一种线圈类负载电压暂降保护设备，该设备输入端连接单相交流电源，输出端与交流接触器线圈端子相连；包括EMI滤波电路、单相整流滤波电路、单片机控制电路、驱动放大电路以及DC/DC变换电路；其中，所述EMI滤波电路的输出端与所述单相整流滤波电路相连；所述单相整流滤波电路输出端与所述DC/DC变换电路相连；所述单片机控制电路采样输入端与所述单相整流滤波电路相连，所述单片机控制电路输出端与所述驱动放大电路的输入端相连；所述驱动放大电路的输出端与所述DC/DC变换电路相连。
[0012]其中，所述单片机控制电路的单片机型号为STM32F101RBT，单片机控制电路设有两个电压采样输入端Ul和U2，电压采样输入端Ul串联电阻R1、电阻R2后接地，电压采样输入端U2串联电阻R3、电阻R4后接地，单片机包括ANO端口和ANl端口，电阻Rl和电阻R2之间连接ANO端口，电阻R3和电阻R4之间连接ANl端口，单片机还包括PWM信号输出端口和AN2端口，单片机通过AN2端口与电阻R5串联接地，同时单片机通过AN2端口采集MOS管电流，单片机还包括PA7端口，单片机通过PA7端口接地，单片机还包括端口 I，单片机通过端口 I接3.3V电压端，单片机还包括端口 2和端口 3，单片机的端口 2和端口 3分别与晶振连接。
[0013]其中，所述EMI滤波电路包括交流输入端口 L和N，EMI滤波后输出端口 LI和NI，以及滤波电感、电容和电阻，L和N端口通过电容Cl连接，L和N端口通过滤波电感与LI和NI端口连接，LI和NI端口通过电容C2连接，电容C2与电阻R并联，LI端口与电容C3串联接地，NI端口和电容C4串联接地。
[0014]其中，所述单相整流滤波电路包括L1、N1、U+、U-端口，LI端连接二极管Dl的阳极，二极管D3的阴极，NI端连接二极管D2的阳极，二极管D4的阴极，U+端连接二极管Dl和二极管D2的阴极，U-端连接二极管D3和二极管D4的阳极，U+、U-端通过电容C5连接。
[0015]其中，所述驱动放大电路包括PWM信号输入端和PWMl信号输出端，三极管Ql和三极管Q2的基极与PWM输入端连接，三极管Ql的集电极连接12V电压端，三极管Q2的发射极接地，电阻Rl两端分别连接三极管Ql的基极和集电极，三极管Ql的发射极和三极管Q2的集电极连接并通过电阻R2与PWMl信号输出端连接，电阻R2的一端分别与三极管Ql的发射极和三极管Q2的集电极连接，电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端、二极管D6的阴极和PWMl连接，电阻R3的另一端和稳压二极管D6的阳极接地，PWMl信号输出端连接稳压二极管D6的阴极。
[0016]其中，所述DC/DC变换电路包括U+、U-端和L2、N2输出端，U+、U-端通过电容C6连接，二极管D5的阴极分别连接U+端和L2输出端，二极管D5的阳极分别连接N2输出端和MOS管的漏极，MOS管的源极连接电阻RS的一端，MOS管的栅极连接PWMl端，电阻RS的另一端连接U-端。
[0017]有益效果:相比于现有技术，本实用新型保护设备将所有功能模块集成在一个电路板上，且各个模块的电路设计简单合理，设备外输入的交流电经EMI滤波电路和单相整流滤波电路后能得到高压直流电，驱动放大电路采用合理的电路布局能够将单片机控制电路的输出功率放大到所需值，另外，本实用新型的保护设备输出端直接连接在交流接触器线圈上，安装方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型线圈类负载电压暂降保护设备的结构示意图；
[0019]图2为单片机控制电路图；
[0020]图3为EMI滤波电路图；
[0021]图4为单相整流滤波电路图；
[0022]图5为驱动放大电路图；
[0023]图6为DC/DC变换电路的拓扑结构图；
[0024]图7为电流PI控制算法框图；
[0025]图8为本实用新型保护设备中单片机控制电路的算法流程图；
[0026]其中，1、EMI滤波电路；2、单相整流滤波电路；3、单片机控制电路；4、驱动放大电路；5、DC/DC变换电路。
【具体实施方式】
[0027]下面结合实施例和附图对本实用新型进行进一步的说明。
[0028]结合图1?8，本实用新型的线圈类负载电压暂降保护设备输入端连接单相交流电源，输出端与交流接触器线圈端子相连；其包括EMI滤波电路1、单相整流滤波电路2、单片机控制电路3、驱动放大电路4以及DC/DC变换电路5 ;其中，EMI滤波电路I的输出端与单相整流滤波电路2相连；单相整流滤波电路2输出端与DC/DC变换电路5相连；单片机控制电路3采样输入端与单相整流滤波电路2相连，单片机控制电路3输出端与驱动放大电路4的输入端相连；驱动放大电路4的输出端与DC/DC变换电路5相连，驱动放大电路4末级输出端采用仙童半导体的MOS管作为其功率管。
[0029]EMI滤波电路包括L、N、L1、N1端口和滤波电感，L和N端口通过电容Cl连接，L和N端口通过滤波电感与LI和NI端口连接，LI和NI端口通过电容C2连接，电容C2与R并联，LI端口与电容C3串联接地，NI端口和C4串联接地；
[0030]单相整流滤波电路包括L1、N1、U+、U-端口，LI端连接二极管Dl的阳极，D3的阴极，NI端连接二极管D2的阳极，D4的阴极，U+端连接Dl和D2的阴极，U-端连接D3和D4的阳极，U+、U-端通过电容C5连接，通过电容C5实现滤波；
[0031]单片机控制电路的单片机型号为STM32F101RBT，单片机控制电路设有两个电压采样输入端Ul和U2，电压采样输入端Ul串联Rl、R2后接地，电压采样输入端U2串联R3、R4后接地，单片机包括ANO端口和ANl端口，Rl和R2之间连接ANO端口，R3和R4之间连接ANl端口，单片机还包括PWM信号输出端口和AN2端口，单片机通过AN2端口与电阻R5串联接地，同时单片机通过AN2端口采样MOS管电流，单片机还包括PA7端口，单片机通过PA7端口接地，单片机还包括端口 1，单片机通过端口 I接3.3V电压端，单片机还包括端口 2和端口 3，单片机的端口 2和端口 3分别与晶振连接；
[0032]驱动放大电路包括PWM信号输入端和PWMl信号输出端，三极管Ql和三极管Q2的基极与PWM输入端连接，三极管Ql的集电极连接12V电压端，三极管Q2的发射极接地，电阻Rl两端分别连接三极管Ql的基极和集电极，三极管Ql的发射极和三极管Q2的集电极连接并通过电阻R2与PWMl信号输出端连接，电阻R2的一端分别与三极管Ql的发射极和三极管Q2的集电极连接，电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端、二极管D6的阴极和PWMl连接，电阻R3的另一端和二极管D6的阳极接地，PWMl信号输出端连接二极管D6的阴极；
[0033]DC/DC变换电路包括U+、U_端和L2、N2输出端，U+、U_端通过电容C6连接，二极管D5的阴极分别连接U+端和L2输出端，二极管D5的阳极分别连接N2输出端和MOS管漏极，MOS管的源极连接电阻Rs的一端，MOS管的栅极连接PWMl端，电阻Rs的另一端连接U-端；
[0034]单相交流电源连接EMI滤波电路I的L和N输入端口，EMI滤波电路I的L1、NI输出端口与单相整流滤波电路2的L1、N1输入端口连接，单相整流滤波电路2的U+、U-输出端口与DC/DC变换电路5的U+、U-输入端口连接；
[0035]单片机控制电路3两个电压采样输入端Ul和U2连接单相整流滤波电路2的电压输出端口，单片机通过ANO和ANl端口对输入的电压进行采样，单片机程序采用数字PI算法计算输出PWM的占空比信号，单片机的PWM信号输出端与驱动放大电路PWM信号输入端连接，驱动放大电路的PWMl信号输出端与MOS管的栅极连接，MOS管的源极连接电阻Rs，漏极分别连接二极管D5的正极和N2输出端，接触器线圈直接连在DC/DC变换电路的L2和N2输出端上。
[0036]单片机控制电路3通过改变驱动放大电路4的MOS管Q的PWM占空比值来调节DC/DC变换电路5的输出电流，从而保证接触器线圈的电流保持在恒定的数值，使得接触器在交流电压不低于25%的额定电压时能够保持吸合。交流电网中的电压(输入电压不低于25%时)，通过本保护装置，可以保证接触器线圈的电流恒定，从而保证接触器处于吸合状态。
[0037]本实用新型具体实施方法如下:
[0038]接触器线圈电流给定值的设定,通过预先确定交流接触器的型号,确定其交流条件下的保持功耗值(VA)，依据此数值来计算接触器线圈的保持电流，即接触器线圈电流给定值=保持功耗(VA)/220V，然后在单片机控制程序中设定此电流给定值，作为电流PI计算程序的给定值。
[0039]系统上电后，交流电经HMI滤波电路1，单相整流滤波电路2滤波后得到高压直流电，待单片机稳定后，通过单片机的AD采样单元来采集单相整流后滤波前的整流电压(10Hz的正弦半波)，此电压数值送到过零检测子程序来计算，单片机找到交流输入过零点，单片机给出PWM信号，延时60ms，PWM占空比值设定为100%，经过驱动放大电路4放大后开通MOS管，接触器线圈得到高压直流电而迅速吸合，60ms延时时间到，进入电流PI计算环节。
[0040]电流PI计算环节:
[0041]根据接触器线圈设定的电流给定值，通过电流数字PI来计算单片机控制器输出PWM占空比。当单片机控制器检测到交流电压不低于25%的额定电压时，通过电流数字PI来计算MOS管的PWM占空比，来保证流过线圈的电流恒定且足以维持线圈吸合而不释放。
[0042]电流PI控制算法框图如图7所示，利用单片机AD模块来连续采集k与k_l时刻接触器线圈的电流值，然后与电流给定值做差比较得到电流误差信号e (k)，e (k-Ι)，代入
(I)式来计算电流调节器输出的变化量AUk),再利用(2)式来计算电流控制环节的输出值i (k)，其中e(k)，e(k-l)分别是k、k-1时刻的电流误差信号值，kp、ki分别表示比例系数、积分系数，其数值分别为1、2。根据数字PI调节器的控制算法的差分方程，得到，
[0043]数字PI 调节器输出的变化量:Di (k) = kp [e (k) _e (k-1) ] +^e (k) (I)
[0044]增量式数字PI调节器的输出为:i (k) = i (k-1)+Di (k) (2)
[0045]电流控制环节的输出值i (k)，是k时刻AD采样以及电流数字PI调节器计算后单片机得到的一个数字量，数值范围O?65536，单片机PWM主占空比寄存器是16位的，此数字量在比较后送到单片机内部的PWM主占空比寄存器，来产生PWM控制信号，进一步来调节接触器线圈的电流保持恒定，保证接触器吸合。
[0046]在本实用新型中，通过拨码开关设定额定输入电压时保持电流给定值，单片机时刻检测交流输入电压和接触器线圈电流，通过数字PI计算，来调节MOS管的占空比，保持线圈电流恒定。当交流输入电压下降时，线圈保持电流会下降，单片机主动增加电流给定，通过数字PI计算，来增加MOS管的占空比，保证线圈保持电流恒定；当交流输入电压上升时，线圈保持电流会增加，单片机主动减小电流给定，通过数字PI计算，来减小MOS管的占空t匕，保证线圈保持电流恒定；故交流电压在额定电压25%?130%范围变化时，接触器主触点保持吸合。
[0047]本实用新型保护设备不能多个并联工作，其输出端只能接在一个交流接触器线圈上。
【权利要求】
1.一种线圈类负载电压暂降保护设备，该设备输入端连接单相交流电源，输出端与交流接触器线圈端子相连，其特征在于:包括EMI滤波电路、单相整流滤波电路、单片机控制电路、驱动放大电路以及DC/DC变换电路；其中，所述EMI滤波电路的输出端与所述单相整流滤波电路相连；所述单相整流滤波电路输出端与所述DC/DC变换电路相连；所述单片机控制电路采样输入端与所述单相整流滤波电路相连，所述单片机控制电路输出端与所述驱动放大电路的输入端相连；所述驱动放大电路的输出端与所述DC/DC变换电路相连。
2.根据权利要求1所述的线圈类负载电压暂降保护设备，其特征在于:所述单片机控制电路的单片机型号为STM32F101RBT，单片机控制电路设有两个电压采样输入端Ul和U2，电压采样输入端Ul串联电阻R1、电阻R2后接地，电压采样输入端U2串联电阻R3、电阻R4后接地，单片机包括ANO端口和ANl端口，电阻Rl和电阻R2之间连接ANO端口，电阻R3和电阻R4之间连接ANl端口，单片机还包括PWM信号输出端口和AN2端口，单片机通过AN2端口与电阻R5串联接地，同时单片机通过AN2端口采集MOS管电流，单片机还包括PA7端口，单片机通过PA7端口接地，单片机还包括端口 1，单片机通过端口 I接3.3V电压端，单片机还包括端口 2和端口 3，单片机的端口 2和端口 3分别与晶振连接。
3.根据权利要求1所述的线圈类负载电压暂降保护设备，其特征在于:所述EMI滤波电路包括交流输入端口 L和N，EMI滤波后输出端口 LI和NI，以及滤波电感、电容和电阻，L和N端口通过电容Cl连接，L和N端口通过滤波电感与LI和NI端口连接，LI和NI端口通过电容C2连接，电容C2与电阻R并联，LI端口与电容C3串联接地，NI端口和电容C4串联接地。
4.根据权利要求1所述的线圈类负载电压暂降保护设备，其特征在于:所述单相整流滤波电路包括L1、N1、U+、U-端口，LI端连接二极管Dl的阳极，二极管D3的阴极，NI端连接二极管D2的阳极，二极管D4的阴极，U+端连接二极管Dl和二极管D2的阴极，U-端连接二极管D3和二极管D4的阳极，U+、U-端通过电容C5连接。
5.根据权利要求1所述的线圈类负载电压暂降保护设备，其特征在于:所述驱动放大电路包括PWM信号输入端和PWMl信号输出端，三极管Ql和三极管Q2的基极与PWM输入端连接，三极管Ql的集电极连接12V电压端，三极管Q2的发射极接地，电阻Rl两端分别连接三极管Ql的基极和集电极，三极管Ql的发射极和三极管Q2的集电极连接并通过电阻R2与PWMl信号输出端连接，电阻R2的一端分别与三极管Ql的发射极和三极管Q2的集电极连接，电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端、二极管D6的阴极和PWMl连接，电阻R3的另一端和稳压二极管D6的阳极接地，PWMl信号输出端连接稳压二极管D6的阴极。
6.根据权利要求1所述的线圈类负载电压暂降保护设备，其特征在于:所述DC/DC变换电路包括u+、u-端和L2、N2输出端，u+、u-端通过电容C6连接，二极管D5的阴极分别连接U+端和L2输出端，二极管D5的阳极分别连接N2输出端和MOS管的漏极，MOS管的源极连接电阻Rs的一端，MOS管的栅极连接PWMl端，电阻Rs的另一端连接U-端。
【文档编号】H02M3/157GK204179946SQ201420407592
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】陈文波 申请人:南京国臣信息自动化技术有限公司