專利名稱：帶電壓反饋智能控制的交流接觸器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于智能化低壓電器領(lǐng)域，涉及一種交流接觸器，特別是一種帶電壓反饋的智能控制接觸器。
背景技術(shù)：
交流接觸器是一種頻繁操作的控制電器，它由操作電磁鐵帶動(dòng)觸頭系統(tǒng)來進(jìn)行操作。當(dāng)電磁鐵接通電源時(shí)，電磁鐵克服觸頭彈簧和反力彈簧所組成的反作用力，動(dòng)鐵心帶動(dòng)主要由動(dòng)觸頭組成的可動(dòng)部分向下運(yùn)動(dòng)，首先使動(dòng)靜觸頭接觸，然后經(jīng)過一段超行程，動(dòng)靜鐵心閉合。動(dòng)觸頭的超行程是為了保證觸頭磨損后，仍能保證動(dòng)靜觸頭能可靠接觸，它是指若取走靜觸頭，動(dòng)觸頭在電磁鐵帶動(dòng)下可繼續(xù)前進(jìn)的路程。大部分交流接觸器工作在AC3工作類別，即用于直接啟動(dòng)鼠籠電動(dòng)機(jī)和在運(yùn)轉(zhuǎn)中斷開。這種工作類別要求接觸器在額定電壓Ue下接通電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電路，即6倍額定電流，而在0.17Ue電壓下斷開額定電流，所以AC3工作類別接觸器的電氣壽命決定于接通過程。在接觸器接通過程，觸頭的電氣磨損主要是由斷續(xù)電弧對(duì)觸頭材料的侵蝕所造成。圖1給出了交流接觸器結(jié)構(gòu)與操作過程，在接觸器的操作電磁鐵吸合過程，會(huì)發(fā)生兩次可動(dòng)部分的碰撞，一次是動(dòng)鐵心從起始位置即鐵心開距為1走到行程為(1-S)，動(dòng)、靜觸頭開始接觸時(shí)，另一次是動(dòng)鐵心走完行程1，使動(dòng)、靜鐵芯發(fā)生碰撞。這兩次碰撞都會(huì)引起觸頭的彈跳，產(chǎn)生斷續(xù)電弧而使觸頭受電弧高溫而侵蝕。交流接觸器是一種頻繁操作電器，其操作頻率為300～1200次/小時(shí)，電氣壽命是其主要技術(shù)指標(biāo)，因此，要提高接觸器的電壽命，特別是AC3工作類別時(shí)的電壽命，提高接觸器性能是關(guān)鍵點(diǎn)。
傳統(tǒng)交流接觸器在線圈電壓接近電磁鐵吸上和釋放電壓時(shí)，由于這時(shí)的吸力與相應(yīng)工作氣隙下對(duì)應(yīng)的反力非常接近，且交流電磁鐵的吸力是脈動(dòng)的，因而會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，影響接觸器的可靠工作。另外，目前在工業(yè)系統(tǒng)中安裝有百萬至千萬臺(tái)接觸器，盡管每臺(tái)接觸器平均耗能幾十瓦，但是總數(shù)是巨大的，因而長(zhǎng)期以來接觸器的節(jié)能問題一直是受人關(guān)注的一個(gè)技術(shù)問題。同時(shí)節(jié)能問題也聯(lián)系到接觸器本身的小型化，節(jié)能后，接觸器發(fā)熱量少，因而不但接觸器本身的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)小型化，連同安裝接觸器的成套裝置，由于發(fā)熱量減少，冷卻條件變好，也可以減小體積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種帶電壓反饋的智能控制接觸器，該接觸器能提高AC3電壽命和機(jī)械壽命、節(jié)能、可靠工作并且實(shí)現(xiàn)接觸器操作電磁鐵的小型化。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案一種帶電壓反饋智能控制的交流接觸器，其特征在于，該交流接觸器至少有線圈操作模塊、中央控制模塊、電壓檢測(cè)模塊、電源模塊及IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊，其中的線圈操作模塊中含有濾波、整流電路以及功率電子器件IGBT構(gòu)成的斬波電路；線圈操作模塊分別與中央控制模塊、IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊連接，電源模塊分別與中央控制模塊、電壓檢測(cè)模塊連接，電壓檢測(cè)模塊還和中央控制模塊連接，所述的電源模塊提供+5V和+12V兩路電源，+5V作為中央控制模塊的工作電源，+12V作為電壓檢測(cè)模塊工作電源；線圈操作模塊將交流工頻電源經(jīng)輸入濾波和整流變?yōu)橹绷麟妷?，該直流電壓通過由功率電子器件IGBT組成的斬波電路，將可調(diào)直流電壓加于接觸器線圈，接觸器線圈上設(shè)置的電壓檢測(cè)模塊對(duì)線圈的直流電壓進(jìn)行采樣，采樣后的電壓信號(hào)反饋輸入至中央控制模塊中，由中央控制模塊控制IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊以輸出功率電子器件IGBT的控制脈沖信號(hào)，并且自動(dòng)調(diào)節(jié)斬波電路的占空比以使當(dāng)外界電源電壓波動(dòng)時(shí)，保持線圈的電壓穩(wěn)定在一定的數(shù)值。
本發(fā)明的帶電壓反饋智能控制的交流接觸器，具有如下的技術(shù)特點(diǎn)1.通過接觸器線圈的電壓反饋，使操作電磁鐵的吸力特性與反力特性達(dá)到理想配合，通過減少正常工作條件下電磁鐵可動(dòng)部分動(dòng)能，減少或消除當(dāng)動(dòng)靜觸頭碰撞時(shí)的觸頭彈跳和動(dòng)靜鐵心碰撞時(shí)的鐵心振動(dòng)，大幅度提高接觸器在AC3工作條件下的電氣壽命，同時(shí)提高接觸器的機(jī)械壽命。
2.當(dāng)接觸器操作電磁鐵吸上后，利用電磁鐵在吸上位置電磁吸力裕量很大的特點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整斬波調(diào)壓電路占空比，使線圈供電電壓降低，節(jié)省能量。另外由于電磁鐵由整流后直流供電，因而可省略一般交流電磁鐵所需的分磁環(huán)及由分磁環(huán)造成的功耗，在電磁鐵吸合位置，分磁環(huán)占電磁鐵功耗的很大比重。
3.由中央控制模塊控制的交流接觸器，其吸上和釋放電壓由軟件編程來設(shè)定，因而當(dāng)電源電壓下降到這兩個(gè)門檻值時(shí)，不會(huì)發(fā)生傳統(tǒng)接觸器產(chǎn)生的鐵芯抖動(dòng)現(xiàn)象，而提高了接觸器工作可靠性。
4.由中央控制模塊控制的交流接觸器，可由軟件編程讓操作電磁鐵在釋放時(shí)設(shè)置一定的延時(shí)，以提高當(dāng)電源電壓短時(shí)間內(nèi)突然下降的承受能力，一般接觸器在遇到瞬時(shí)電源電壓驟降時(shí)，會(huì)使接觸器控制的電器設(shè)備斷電而發(fā)生事故。


圖1是交流接觸器結(jié)構(gòu)與操作過程圖，其中圖(a)為接觸器處于斷開位置，圖(b)為接觸器動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷觸頭開距d后，至動(dòng)靜觸頭接觸位置，圖(c)為動(dòng)鐵芯由動(dòng)靜觸頭剛接觸位置，走過距離s后行至和靜鐵芯接觸位置，這里超行程s是指動(dòng)觸頭和靜觸頭接觸后，若去掉靜觸頭，動(dòng)觸頭繼續(xù)前進(jìn)的路程。動(dòng)觸頭整個(gè)行程為1，即動(dòng)靜鐵芯開距，它是觸頭開距d和超行程s之和，1＝d+s。
圖2是吸力與反力特性配合曲線；圖3是智能控制的線圈供電電壓；圖4是本發(fā)明的帶電壓反饋智能控制的交流接觸器結(jié)構(gòu)框圖；圖5是線圈操作回路電路圖；圖6是中央控制模塊原理圖；圖7是電壓檢測(cè)模塊的方框圖；圖8是電壓檢測(cè)電路圖；圖9是軟件框圖；圖10是IGBT驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路；圖11是程序框架圖；圖12是觸頭振動(dòng)時(shí)間測(cè)量原理圖；圖13是220V輸入電壓下有無智能控制情況觸頭振動(dòng)時(shí)間對(duì)比圖；圖14是有無智能控制情況下觸頭振動(dòng)時(shí)間對(duì)比圖。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式
1.智能控制原理按國(guó)標(biāo)GB14048.4-93的規(guī)定，交流接觸器操作電磁鐵應(yīng)在85％額定電壓下可靠吸合，一般工廠為保證接觸器在低電壓下能可靠工作，把電磁鐵的吸合電壓都設(shè)計(jì)在65％～75％額定電壓。若對(duì)應(yīng)吸上電壓的電磁鐵吸力特性F吸上＝f(δ)與反力特性Ff＝f(δ)配合如圖2所示，則當(dāng)操作電磁鐵在額定電壓下正常工作時(shí)，其吸力特性F額定＝f(δ)遠(yuǎn)高于反力特性，額定電壓下吸合過程中可動(dòng)部分的動(dòng)能太大，而造成觸頭振動(dòng)。
若能通過一個(gè)帶反饋的調(diào)壓系統(tǒng)，在國(guó)標(biāo)規(guī)定的85％～110％額定電壓波動(dòng)下，能保持接觸器線圈電壓不變，并使對(duì)應(yīng)的吸力特性F智能＝f(δ)僅稍高于反力特性，則可大大減少正常工作電壓下電磁鐵可動(dòng)部分的動(dòng)能，減小或消除觸頭振動(dòng)，并大幅度提高電壽命。從電磁鐵的吸力特性可知，吸力隨著工作氣隙減小而增大得很快，利用電磁鐵在吸上位置電磁吸力裕度很大的特點(diǎn)，可通過調(diào)壓器讓吸上位置的線圈電壓減小并保持低電壓，可達(dá)到節(jié)能的目的。本發(fā)明提出的帶電壓反饋智能控制的交流接觸器在吸合過程中線圈電壓的變化如圖3所示，在吸合過程，通過反饋調(diào)壓系統(tǒng)，當(dāng)外界條件變化時(shí)，保持U智能不變，當(dāng)動(dòng)鐵心吸合后，線圈供電電壓降低，并保持在U保持以節(jié)能。
由于當(dāng)前電網(wǎng)上使用大量電力電子設(shè)備，因而會(huì)發(fā)生各種電力質(zhì)量問題。其中最常見的是短時(shí)間內(nèi)電壓驟降，它會(huì)造成接觸器釋放，而使被控制電氣設(shè)備失電而發(fā)生事故。因而設(shè)計(jì)一種能承受短時(shí)電壓驟降的接觸器，是電力質(zhì)量對(duì)接觸器提出的新的要求。
2.技術(shù)方案參見圖4，本發(fā)明的帶電壓反饋智能控制的交流接觸器至少有線圈操作模塊、中央控制模塊、電壓檢測(cè)模塊、電源模塊及IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊，其中的線圈操作模塊中含有濾波、整流電路以及功率電子器件IGBT構(gòu)成的斬波電路。；線圈操作模塊分別與中央控制模塊、IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊連接，電源模塊分別與中央控制模塊、電壓檢測(cè)模塊連接，電壓檢測(cè)模塊還和中央控制模塊連接，所述的電源模塊提供+5V和+12V兩路電源，+5V作為中央控制模塊的工作電源，+12V作為電壓檢測(cè)模塊工作電源；線圈操作模塊將交流工頻電源經(jīng)輸入濾波和整流變?yōu)橹绷麟妷海撝绷麟妷和ㄟ^由功率電子器件IGBT組成的斬波電路，將可調(diào)直流電壓加于線圈，線圈上設(shè)置的電壓檢測(cè)模塊對(duì)線圈的直流電壓進(jìn)行采樣，采樣后的電壓信號(hào)反饋輸入至中央控制模塊中，由中央控制模塊控制IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊以輸出電子器件IGBT的控制脈沖信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)斬波電路的占空比以使當(dāng)外界電源電壓波動(dòng)時(shí)，保持線圈的電壓穩(wěn)定在一定的數(shù)值。
我國(guó)目前使用的接觸器一般為電磁鐵線圈采用交流控制，由于吸力是脈動(dòng)的，必須在磁系統(tǒng)上加裝分磁環(huán)以減弱鐵心振動(dòng)。因而分磁環(huán)較高的功率損耗和鐵心振動(dòng)是交流控制存在的問題。而通過將交流電整流變?yōu)橹绷麟妬斫o接觸器線圈供電能消除以上缺點(diǎn)，并且通過相應(yīng)的斬波電路直流電壓易于被調(diào)節(jié)，因而本發(fā)明提出的帶電壓反饋智能控制的交流接觸器以此為依據(jù)，目的是控制接觸器線圈的電壓，使其吸力特性能和反力特性良好配合。其操作電磁鐵線圈由脈沖整流電壓提供能量，通過反饋網(wǎng)絡(luò)所檢測(cè)的參數(shù)，可以按照和反力特性配合最佳的吸力特性曲線來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)線圈電參數(shù)。線圈供電回路將交流電整流為直流隨后通過斬波電路給接觸器線圈供電，同時(shí)由單片機(jī)接收來自電壓檢測(cè)模塊的反饋信號(hào)，并根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)整輸出控制脈沖的寬度，當(dāng)供電電壓波動(dòng)時(shí)，保持如圖3所示的線圈電壓。
2.1硬件電路設(shè)計(jì)2.1.1硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本發(fā)明的帶電壓反饋智能控制的交流接觸器，其工作原理是交流工頻220V電源經(jīng)輸入濾波和整流后成為直流脈動(dòng)電壓，該電壓通過電力電子開關(guān)器件IGBT加于接觸器操作線圈上。中央控制模塊負(fù)責(zé)接收電壓檢測(cè)模塊傳送來的電壓信號(hào)，以此電壓信號(hào)為依據(jù)來確定輸出控制脈沖的占空比，電壓和控制脈沖占空比的對(duì)應(yīng)關(guān)系由仿真或?qū)嶒?yàn)獲得，控制脈沖通過電力電子開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路來控制線圈供電回路中電力電子開關(guān)器件的通斷，從而可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)線圈兩端的直流電壓。在吸合過程完成后，改變控制脈沖的占空比以調(diào)節(jié)線圈兩端的電壓，使得線圈在一個(gè)很小的直流電壓下保持接觸器觸頭閉合。電源模塊提供中央控制模塊與電壓檢測(cè)模塊電源。
2.1.2各功能模塊電路設(shè)計(jì)2.1.2.1線圈操作模塊線圈操作模塊包括輸入濾波、整流、IGBT以及接觸器線圈。整流電路采用單相全波整流，這里采用的是整流橋模塊。電力電子開關(guān)IGBT的作用是通斷線圈電流，接觸器線圈上反并聯(lián)二極管實(shí)現(xiàn)續(xù)流功能。
線圈操作模塊的電原理圖如圖5所示圖中的各元件型號(hào)分別為J1為輸入接插件，接工頻交流220V電源輸入。C11，C1，C2為濾波電容。U2為5A的整流橋。J2為接插件，接操作線圈兩端。D1為續(xù)流二極管，目的是當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)給線圈釋放能量提供通道，這里選擇耐壓1000V、允許最大電流為5A。Q1為IGBT，用以接通和關(guān)斷線圈回路，由于接觸器吸合過程的電流一般在1～3A，吸持階段的電流為mA級(jí)，考慮到安全裕量的問題，選擇了東芝公司的GT25Q101，它耐壓1200V，允許通過的最大電流為25A，單價(jià)也不高。D2，D3為TVS管，這里選擇的是1.5KE250。
2.1.2.2中央控制模塊中央控制模塊的作用是接收檢測(cè)電路傳送來的接觸器操作線圈電壓信號(hào)以及輸出電力電子開關(guān)器件控制脈沖信號(hào)，現(xiàn)在單片機(jī)的集成度越來越高，抗干擾能力越來越強(qiáng)，選取PIC16F873單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)此控制功能。
PIC16F873單片機(jī)內(nèi)部集成有5路8位A/D轉(zhuǎn)換部件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸器操作線圈電壓和電流信號(hào)的檢測(cè)，節(jié)省了外圍的A/D轉(zhuǎn)換器件，使得抗干擾能力增強(qiáng)。單片機(jī)內(nèi)置脈寬調(diào)制模塊的工作時(shí)鐘由PIC16F873片內(nèi)集成的定時(shí)器提供，在輸出脈寬調(diào)制波形的同時(shí)，單片機(jī)可以執(zhí)行其它任務(wù)，這就保證了在接觸器吸持階段單片機(jī)輸出窄脈沖的同時(shí)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)接觸器操作線圈的電壓以及完成其它功能。其具體實(shí)現(xiàn)電路參見圖6圖中的具體電路包括單片機(jī)及其時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。時(shí)鐘電路采用的是無源晶體振蕩器，大小取為4M，電容取為15pf。PIC16F873的MCLR/VPP引腳為低電平復(fù)位，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作中，將此引腳直接接+5伏。D5為指示燈。
2.1.2.3電壓檢測(cè)模塊電壓檢測(cè)模塊采用運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)。整流所得的直流脈動(dòng)電壓首先通過電壓采樣，得到單片機(jī)可以處理的電壓信號(hào)，再經(jīng)過由運(yùn)放構(gòu)成的比例器輸入單片機(jī)端口，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)置A/D模塊采樣運(yùn)算后得到脈動(dòng)電壓的平均值，從而可以確定電力電子開關(guān)控制脈沖的占空比電壓檢測(cè)模塊的方框圖如圖7所示。電壓檢測(cè)電路電路圖如8所示。
2.1.2.4電源模塊智能控制單元需要兩路電源，+5V作為單片機(jī)的工作電源，+12V作為電壓電流檢測(cè)電路中運(yùn)算放大器的工作電源，此電源模塊在交流85伏～265伏輸入時(shí)，可得到穩(wěn)定的+12伏輸出。經(jīng)過7805的調(diào)節(jié)可得到+5伏電源。其電路圖如圖9所示。其中J1接交流220伏電源。
2.1.2.5 IGBT驅(qū)動(dòng)及保護(hù)模塊參見圖10，GT25Q101在柵源極間施加7V左右的電壓時(shí)即可導(dǎo)通，因此利用光耦來實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)。光耦選用TLP521-1，當(dāng)單片機(jī)端口RC2輸出高電平時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通從而電壓V12加于IGBT柵源極間，驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通。R1的作用是減少寄生振蕩。D2、D3為1.5ke250的TVS管，用以吸收關(guān)斷瞬間的能量，采用兩個(gè)串連是為了提高吸收功率。
2.2智能控制單元軟件設(shè)計(jì)參見圖11，該圖為控制單元程序框架圖，當(dāng)單片機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)，首先需要對(duì)整流后的直流電壓進(jìn)行檢測(cè)，然后通過由仿真或?qū)嶒?yàn)所得的表格查得輸出控制脈沖的占空比，輸出脈沖對(duì)整流后的直流電壓進(jìn)行調(diào)制作為接觸器操作線圈的吸合電壓，延時(shí)一段時(shí)間吸持完成后，再檢測(cè)電壓確定吸持階段中輸出控制脈沖的占空比，每隔一段時(shí)間定時(shí)檢測(cè)接觸器操作線圈的供電電壓，以更新輸出脈沖的占空比。接觸器的吸上和釋放電壓根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在軟件中設(shè)定，接觸器線圈合上電源后，若檢測(cè)得到得電壓大于規(guī)定得吸上電壓則確定占空比，輸出控制脈沖，使IGBT導(dǎo)通，當(dāng)接觸器處于吸上位置，若檢測(cè)到得電源電壓低于規(guī)定得釋放電壓，則停止輸出脈沖，封鎖IGBT使接觸器線圈斷電。由于本發(fā)明的吸上與釋放電壓根據(jù)設(shè)定值由開通或封鎖IGBT來實(shí)現(xiàn)，因而沒有傳統(tǒng)接觸器到達(dá)臨界值時(shí)發(fā)生嚴(yán)重抖動(dòng)的現(xiàn)象。為了提高接觸器對(duì)瞬時(shí)電壓驟降的承受能力，當(dāng)電源電壓下降至釋放電壓時(shí)，單片機(jī)編程中設(shè)置一個(gè)可調(diào)延時(shí)，經(jīng)過延時(shí)后再停止控制脈沖的輸出，并且延時(shí)可由用戶任選。
2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析本發(fā)明對(duì)交流接觸器進(jìn)行智能控制的目的一是在吸持階段在保證足夠閉合條件下節(jié)能，二是減少接觸器在吸合過程中的彈跳，提高接觸器的電壽命。因此，實(shí)驗(yàn)的目的是為了從這兩個(gè)方面來驗(yàn)證智能控制的效果。實(shí)驗(yàn)過程中我們測(cè)定了交流接觸器采用智能控制前后的功率消耗以及振動(dòng)時(shí)間，也測(cè)定了交流接觸器吸合過程中觸頭及鐵心閉合時(shí)刻的速度，對(duì)兩種情況進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了智能控制的效果。
實(shí)驗(yàn)使用的交流接觸器型號(hào)是CJ20-160，該接觸器額定電壓為交流220V，額定電流為160A。
2.3.1吸上電壓、釋放電壓和功耗的對(duì)比從表1數(shù)據(jù)可看出當(dāng)吸上電壓和釋放電壓相同的情況下，用電子控制后功耗降低了近5倍，大大節(jié)約了能量。
表1 有無智能控制情況下接觸器性能比較

2.3.2有無智能控制情況下觸頭振動(dòng)時(shí)間的比較接觸器吸合過程中觸頭振動(dòng)時(shí)間可以直觀的反映接觸器的機(jī)械壽命和電壽命，觸頭振動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，觸頭的壽命越短。為了反映觸頭的振動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)采用了以下的測(cè)量方法將一直流電源通過電阻加于接觸器觸頭兩端，在接觸器觸頭閉合的過程中發(fā)生的振動(dòng)情況通過電阻兩端的電壓來反映，我們可以捕捉電阻的電壓從而了解吸合過程中觸頭的振動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖12所示。
國(guó)標(biāo)規(guī)定接觸器的操作電磁鐵應(yīng)在85％～110％額定電壓下完成吸合，因此實(shí)驗(yàn)選取了覆蓋這一范圍的電壓來比較有無智能控制下觸頭的振動(dòng)時(shí)間，每組電壓下振動(dòng)時(shí)間測(cè)量5次取其平均值。其中220v輸入電壓情況下觸頭的振動(dòng)時(shí)間對(duì)比如圖13所示。有無智能控制情況下振動(dòng)時(shí)間比較如表2所示。
表2有無智能控制的情況下觸頭振動(dòng)時(shí)間對(duì)比

有無智能控制情況下觸頭振動(dòng)時(shí)間隨輸入電壓的變化而變化的趨勢(shì)如圖14所示。為顯示方便，無智能控制的情況振動(dòng)波形圖中橫坐標(biāo)為1ms/格，有智能控制的情況振動(dòng)波形圖中橫坐標(biāo)為0.5ms/格。從圖13的波形圖中可清楚看出，在電磁鐵吸合過程中振動(dòng)發(fā)生兩次，一次是動(dòng)靜觸頭接觸時(shí)，另一次是動(dòng)靜鐵心接觸時(shí)，后一次的觸頭振動(dòng)是由鐵心振動(dòng)帶來的。由圖14可以明顯地看出，無智能控制的情況下隨著輸入電壓的增大，觸頭閉合時(shí)刻的振動(dòng)時(shí)間逐漸增大，而采用智能控制后，觸頭閉合時(shí)刻的振動(dòng)時(shí)間始終保持在一個(gè)較低穩(wěn)定的程度。當(dāng)在額定電壓220V時(shí)，采用智能控制后的觸頭閉合時(shí)刻的振動(dòng)時(shí)間和無智能控制相比，已經(jīng)減少了80％左右。
綜上所述，本發(fā)明的帶電壓反饋智能控制的交流接觸器，在接觸器吸合過程完成后，改變控制脈沖的占空比，使得操作磁鐵線圈在一個(gè)低的直流電壓下保持磁系統(tǒng)吸合，加上直流控制沒有交流電磁鐵的分磁環(huán)損耗，可達(dá)到節(jié)能的目的。由于節(jié)能，也促進(jìn)了接觸器操作磁鐵的小型化。同時(shí)，由于將接觸器的吸合和釋放電壓作為門檻值由微處理器進(jìn)行控制，因而沒有傳統(tǒng)接觸器當(dāng)電源電壓接近吸合和釋放值時(shí)電磁鐵發(fā)生嚴(yán)重抖動(dòng)的現(xiàn)象。本發(fā)明通過單片機(jī)編程，在電壓下降到釋放電壓時(shí)，設(shè)置一個(gè)短延時(shí)，提高接觸器對(duì)電源電壓驟降的承受能力。制作的智能控制系統(tǒng)樣機(jī)用于控制傳統(tǒng)的CJ20-160A接觸器，在額定電壓條件下，可使觸頭振動(dòng)時(shí)間由5.944ms降低至1.048ms，線圈功耗由34W降低至7W。
權(quán)利要求
1.一種帶電壓反饋智能控制的交流接觸器，其特征在于，該交流接觸器至少有線圈操作模塊、中央控制模塊、電壓檢測(cè)模塊、電源模塊及IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊，其中的線圈操作模塊中含有濾波、整流電路以及功率電子器件IGBT構(gòu)成的斬波電路；線圈操作模塊分別與中央控制模塊、IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊連接，電源模塊分別與中央控制模塊、電壓檢測(cè)模塊連接，電壓檢測(cè)模塊還和中央控制模塊連接，所述的電源模塊提供+5V和+12V兩路電源，+5V作為中央控制模塊的工作電源，+12V作為電壓檢測(cè)模塊工作電源；線圈操作模塊將交流工頻電源經(jīng)輸入濾波和整流成為直流電壓，該直流電壓通過由功率電子器件IGBT組成的斬波電路，將可調(diào)直流電壓加于線圈，線圈上設(shè)置的電壓檢測(cè)模塊對(duì)線圈的直流電壓進(jìn)行采樣，采樣后的電壓信號(hào)反饋輸入至中央控制模塊中，由中央控制模塊控制IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊，控制它輸出給功率電子器件IGBT的控制脈沖信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)斬波電路的占空比以使當(dāng)外界電源電壓波動(dòng)時(shí)，保持線圈的電壓穩(wěn)定在一定的數(shù)值。
2.如權(quán)利要求1所述的帶電壓反饋智能控制的交流接觸器，其特征在于，所述的功率電子器件IGBT的控制脈沖由IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊提供。
3.如權(quán)利要求1所述的帶電壓反饋智能控制的交流接觸器，其特征在于，所述的IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊采用光耦實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)，用TVS管用于吸收功率器件關(guān)斷瞬間的能量。
4.如權(quán)利要求1所述的帶電壓反饋智能控制的交流接觸器，其特征在于，所述的電壓檢測(cè)模塊含有由運(yùn)放構(gòu)成的比例器，由比例器將信號(hào)輸入中央控制模塊的端口。
5.如權(quán)利要求1或4所述的帶電壓反饋智能控制的交流接觸器，其特征在于，所述的中央控制模塊為PIC16F873單片機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶電壓反饋智能控制的交流接觸器，包括線圈操作模塊；自關(guān)斷功率器件；中央控制模塊；驅(qū)動(dòng)及保護(hù)模塊及提供反饋信號(hào)的電壓檢測(cè)模塊。其工作流程是交流電源進(jìn)入線圈操作模塊，經(jīng)整流后，通過斬波器供電給接觸器線圈，中央控制模塊接收由電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)到的電源電壓信號(hào)，并依此來控制斬波器輸出電壓的占空比，驅(qū)動(dòng)電路提供功率器件的控制脈沖。由于采用了電壓反饋，可使電磁鐵的吸力和反力特性達(dá)到良好配合，減小了鐵心和觸頭閉合時(shí)的彈跳，大幅度提高AC3使用條件下的電壽命和機(jī)械壽命。當(dāng)接觸器操作電磁鐵吸上后，自動(dòng)調(diào)整斬波調(diào)壓電路占空比，使線圈供電電壓降低，加上直流供電，可大幅度節(jié)省能量，縮小電磁鐵尺寸。
文檔編號(hào)H02M7/12GK1770349SQ20051009605
公開日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月22日
發(fā)明者陳德桂, 馮濤, 耿英三, 王建華, 劉穎異 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)