CN104935077A - 用于串联电容式交流接触器的防晃电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种防晃电装置及其控制方法，防晃电装置包括电能转换及储存单元以及依次连接的模拟量采集单元、中央控制单元、半桥斩波电压输出控制单元和交直流电源切换控制单元，交直流电源切换控制单元和中央控制单元之间连接有驱动单元，模拟量采集单元和电能转换及储存单元分别接入交流电，电能转换及储存单元分别与中央控制单元和半桥斩波电压输出控制单元连接。中央控制单元能够根据采集交流接触器的运行电流估算出接触器的容量，依据接触器的容量来设定驱动电路的PWM占空比，在交流接触器发生晃电时，防晃点装置通过半桥斩波电压输出控制单元来对接触器充电与放电，使输出的可控直流电压施加到接触器线圈，保证接触器晃电时依然可靠吸合。

Description

用于串联电容式交流接触器的防晃电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电子电路领域，尤其涉及一种用于串联电容式交流接触器的防晃电装置及其控制方法。

背景技术

交流接触器通常用于交流电路中，其利用线圈流过的电流产生磁场，从而使触头闭合，以达到控制负载电器的目的。通电后，线圈会产生强大的磁场，使电磁***中的静铁芯产生电磁吸引衔铁，并带动触头做出开关或闭合的动作，断电时，磁力消失，触头又恢复到原样：常闭则闭合，常开则开。传统的交流接触器电路在使用的过程中，由于供电***的不稳定会发生瞬间失压的现象，导致接触器在运行时突然释放，影响了负载电路的安全稳定运行，给连续生产型企业带来了巨大的经济损失和安全隐患。

为了解决这一技术问题，现有技术在发生晃电时给所述交流接触器接入直流电，如图1所示，这种处理方式具有以下缺点：(1)直流电压直接输出到串接电容补偿式节能型交流接触器时，由于该接触器内部的串接电容Cs具有隔直流通交流的作用，导致直流电压施加时只有充电过程，无放电过程，当Cs充满时，直流被阻隔在接触器线圈KM外，因此接触器只能吸合很短一段时间，无法长时间吸合，进而无法满足用户对保持时间的设定要求。(2)输出的直流电压不可调节，而不同厂家的接触器在设计时参数各有不同，固定一个电压输出时，电压偏高容易导致线圈烧毁，电压偏低容易导致接触器无法保持吸合。(3)当直流电压外部可调时，需要对不同接触器进行试验，以验证电压是否能够可靠吸合，导致现场调试工作量大，效率低。

因此，有必要提供一种新的防晃电装置来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够自动调节直流电压大小，使所述交流接触器具有充电和放电功能的用于串联电容式交流接触器的防晃电装置及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于串联电容式交流接触器的防晃电装置，所述防晃电装置包括模拟量采集单元、交直流电源切换控制单元、电能转换及储存单元、半桥斩波电压输出控制单元、中央控制单元和驱动单元，所述模拟量采集单元和所述电能转换及储存单元分别接入交流电，所述模拟量采集单元与所述中央控制单元电性连接，所述电能转换及储存单元分别与所述中央控制单元和所述半桥斩波电压输出控制单元电性连接以提供电能，所述交直流电源切换控制单元连接在所述模拟量采集单元与交流接触器电路之间，所述驱动单元连接在所述中央控制单元和所述交直流电源切换控制单元之间，所述半桥斩波电压输出控制单元与所述交直流电源切换控制单元电性连接。

优选的，所述交流电包括火线和零线，所述模拟量采集单元包括电流变换器、电压变换器和第一电阻，所述电流变换器串联在所述火线上，所述电压变换器与所述第一电阻串联连接在所述火线和所述零线之间。

优选的，所述电能转换及储存单元包括C/DC电源模块、第一DC/DC电源模块、第二DC/DC电源模块和储能模块，所述C/DC电源模块分别与所述第一DC/DC电源模块、所述第二DC/DC电源模块和所述储能模块电性连接，所述储能模块分别与所述第一DC/DC电源模块和所述第二DC/DC电源模块电性连接。

优选的，所述储能模块包括可充电电池或超级电容。

优选的，所述防晃电装置包括第一继电器和第二继电器，所述第一继电器包括第一线圈和第一动断开关，所述第二继电器包括第二线圈、第一动合开关和第二动合开关。

优选的，所述交直流电源切换控制单元包括所述第一动断开关、所述第一动合开关、所述第二动合开关、第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关，所述第一至第三电子开关均包括第一接线端、第二接线端和控制端，所述第一动断开关串联在所述火线上，所述第一电子开关与所述第一动断开关并联连接，所述第一动断开关的第一端与所述模拟量采集单元连接，所述第二电子开关与所述第一动合开关串联连接在所述第一动断开关的第二端与所述半桥斩波电压输出控制单元的第一接线端之间，所述第三电子开关与所述第二动合开关串联连接在所述零线与所述半桥斩波电压输出控制单元的第二接线端之间。

优选的，所述半桥斩波电压输出控制单元包括第四电子开关、第五电子开关和脉冲宽度调制(PWM)驱动电路，所述第四电子开关和所述第五电子开关均包括第一接线端、第二接线端和控制端，所述第四电子开关的第一接线端与所述第一DC/DC电源模块连接，所述第四电子开关的第二接线端与所述第五电子开关的第一接线端连接，所述脉冲宽度调制(PWM)驱动电路的信号输入端与所述中央控制单元连接，所述脉冲宽度调制(PWM)驱动电路的信号输出端分别与所述第四电子开关、所述第五电子开关的控制端连接，其中，所述第四电子开关的第二接线端形成所述半桥斩波电压输出控制单元的第一接线端，所述第五电子开关的第二接线端形成所述半桥斩波电压输出控制单元的第二接线端。

优选的，所述驱动电路包括继电器驱动电路、所述第一线圈、所述第二线圈和电子开关驱动电路，所述电子开关驱动电路的信号输入端与所述中央控制单元连接，所述电子开关驱动电路的信号输出端分别与所述第一电子开关、第二电子开关和所述第三电子开关的控制端连接，所述继电器驱动电路的信号输入端与所述中央控制单元连接，所述继电器驱动电路的信号输出端分别与所述第一线圈的第一端、所述第二线圈的第一端连接，所述第一线圈的第二端和所述第二线圈的第二端接地。

本发明还提供一种所述防晃电装置的控制方法，包括以下步骤：

a)进行***初始化；

b)准备阶段：检测并计算所述交流电的交流电压和交流回路的交流电流，检测储能模块是否充好电，根据所述交流电压和交流电流计算得出所述半桥斩波电压输出控制单元的电压输出占空比，控制所述驱动单元工作；

c)监视阶段：检测所述交流电是否晃电，即所述交流电压是否突然跌落且所述交流电流是否突然增大，若晃电，控制所述驱动电路、所述半桥斩波电压输出控制单元工作，启动所述交直流电源切换控制单元，给所述交流接触器电路切入直流电；

d)切换阶段：检测异常的交流电压和交流电流是否在预先设定好的晃电维持时间内恢复正常，若恢复正常启动重启延时，给所述交流接触器电路切入交流电，若未恢复正常启动释放延时，使所述交流接触器电路断电；

e)转至步骤b)。

与现有技术相比，本发明用于串联电容式交流接触器的防晃电装置及其控制方法的有益效果在于：所述电能转换及储存单元能够将交流电转换成直流电储存，所述中央控制单元能够根据采集交流接触器的运行电流估算出接触器的容量，并依据接触器的容量来设定驱动电路的PWM占空比，在交流接触器发生晃电时，防晃点装置通过半桥斩波电压输出控制单元来对接触器充电与放电，使输出的可控直流电压施加到接触器线圈，保证接触器晃电时依然可靠吸合。

附图说明

图1为现有技术中防晃电装置的电路原理图；

图2本发明所述防晃电装置与交流接触器的电路结构框图；

图3为本发明所述防晃电装置的电路原理图；

图4为本发明所述防晃电装置的控制方法的流程图；

图5为本发明所述准备阶段的控制流程图；

图6为本发明所述监视阶段的控制流程图；

图7为本发明所述切换阶段的控制流程图。

图中各标记如下：1、模拟量采集单元；2、交直流电源切换控制单元；3、电能转换及储存单元；301、储能模块；4、半桥斩波电压输出控制单元；5、驱动单元；6、交流接触器电路；L、火线；N、零线；TA、电流变换器；TV、电压变换器；R1、第一电阻；R2、第二电阻；L1、第一线圈；L1_1、第一动断开关；L2、第二线圈；L2_1、第一动合开关；L2_2、第二动合开关；S1、第一电子开关；S2、第二电子开关；S3、第三电子开关；S4、第四电子开关；S5、第五电子开关；Csuper、超级电容；D1、第一二极管；D2、第二二极管。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

请参阅图1至图7所示，本发明用于串联电容式交流接触器的防晃电装置包括模拟量采集单元1、交直流电源切换控制单元2、电能转换及储存单元3、半桥斩波电压输出控制单元4、中央控制单元和驱动单元5，所述模拟量采集单元1和所述电能转换及储存单元3分别接入交流电，所述模拟量采集单元1与所述中央控制单元电性连接，所述电能转换及储存单元3分别与所述中央控制单元和所述半桥斩波电压输出控制单元4电性连接以提供电能，所述交直流电源切换控制单元2连接在所述模拟量采集单元1与交流接触器电路6之间，所述驱动单元5连接在所述中央控制单元和所述交直流电源切换控制单元2之间，所述半桥斩波电压输出控制单元4与所述交直流电源切换控制单元2电性连接。

其中，所述中央控制单元包括微处理器及其***电路，所述交流电包括火线L和零线N，所述模拟量采集单元1包括电流变换器TA、电压变换器TV和第一电阻R1，所述电流变换器TA串联在所述火线L上，所述电压变换器TV与所述第一电阻R1串联连接在所述火线L和所述零线N之间。

所述电能转换及储存单元3包括AC/DC电源模块、第一DC/DC电源模块、第二DC/DC电源模块和储能模块301，所述AC/DC电源模块分别与所述第一DC/DC电源模块、所述第二DC/DC电源模块和所述储能模块301电性连接，所述储能模块301分别与所述第一DC/DC电源模块和所述第二DC/DC电源模块电性连接。所述储能模块301包括可充电电池或超级电容Csuper。在本实施例中，所述AC/DC电源模块将交流电转换成14V直流电，14V直流电经过所述第一DC/DC电源模块转换成96V直流电给所述半桥斩波电压输出控制单元4供电，14V直流电经过所述第二DC/DC电源模块转换成5V直流电给所述中央控制单元供电。

在本实施例中，所述储能模块301与所述AC/DC电源模块连接有第一二极管D1，所述第一二极管D1的阳极与所述AC/DC电源模块的直流电压输出端连接，第一二极管D1的阴极与第一DC/DC电源模块的电源输入端连接，所述储能模块301由超级电容Csuper、第二二极管D2和第二电阻R2组成，所述第二二极管D2和第二电阻R2并联连接，所述超级电容Csuper的第一端与第二二极管D2的阳极连接，所述超级电容Csuper的第二端接地，第二二极管D2的阴极与所述第一二极管D1的阴极连接。

所述防晃电装置包括第一继电器和第二继电器，所述第一继电器包括第一线圈L1和第一动断开关L1_1，所述第二继电器包括第二线圈L2、第一动合开关L2_1和第二动合开关L2_2。

在本发明中，所述交直流电源切换控制单元2包括所述第一动断开关L1_1、所述第一动合开关L2_1、所述第二动合开关L2_2、第一电子开关S1、第二电子开关S2和第三电子开关S3，所述第一至第三电子开关S3均包括第一接线端、第二接线端和控制端，所述第一动断开关L1_1串联在所述火线L上，所述第一电子开关S1与所述第一动断开关L1_1并联连接，所述第一动断开关L1_1的第一端与所述模拟量采集单元1连接，所述第二电子开关S2与所述第一动合开关L2_1串联连接在所述第一动断开关L1_1的第二端与所述半桥斩波电压输出控制单元4的第一接线端之间，所述第三电子开关S3与所述第二动合开关L2_2串联连接在所述零线N与所述半桥斩波电压输出控制单元4的第二接线端之间。

所述半桥斩波电压输出控制单元4包括第四电子开关S4、第五电子开关S5和脉冲宽度调制驱动电路，所述第四电子开关S4和所述第五电子开关S5均包括第一接线端、第二接线端和控制端，所述第四电子开关S4的第一接线端与所述第一DC/DC电源模块连接，所述第四电子开关S4的第二接线端与所述第五电子开关S5的第一接线端连接，所述脉冲宽度调制驱动电路的信号输入端与所述中央控制单元连接，所述脉冲宽度调制驱动电路的信号输出端分别与所述第四电子开关S4、所述第五电子开关S5的控制端连接，其中，所述第四电子开关S4的第二接线端形成所述半桥斩波电压输出控制单元4的第一接线端，所述第五电子开关S5的第二接线端形成所述半桥斩波电压输出控制单元4的第二接线端。

所述驱动电路包括继电器驱动电路、所述第一线圈L1、所述第二线圈L2和电子开关驱动电路，所述电子开关驱动电路的信号输入端与所述中央控制单元连接，所述电子开关驱动电路的信号输出端分别与所述第一电子开关S1、第二电子开关S2和所述第三电子开关S3的控制端连接，所述继电器驱动电路的信号输入端与所述中央控制单元连接，所述继电器驱动电路的信号输出端分别与所述第一线圈L1的第一端、所述第二线圈L2的第一端连接，所述第一线圈L1的第二端和所述第二线圈L2的第二端接地。

如图3所示，当交流接触器电路6通电时，所述线圈KM通电，线圈KM对应的动断开关断开，电容Cs接入电路中，线圈KM对应的动合开关闭合，负载电路接通。当交流电发生晃点时，所述储能模块301能够给所述第一DC/DC电源模块和第二DC/DC电源模块供电，所述第一DC/DC电源模块能够给所述交流接触器电路6供电，所述第二DC/DC电源模块给所述中央控制单元供电。

本发明所述防晃电装置的控制方法包括以下步骤：

a)进行***初始化；

b)准备阶段：检测并计算所述交流电的交流电压和交流回路的交流电流，检测储能模块301是否充好电，根据所述交流电压和交流电流计算得出所述半桥斩波电压输出控制单元4的电压输出占空比，控制所述驱动单元5工作；

c)监视阶段：检测所述交流电是否晃电，即所述交流电压是否突然跌落且所述交流电流是否突然增大，若晃电，控制所述驱动电路、所述半桥斩波电压输出控制单元4工作，启动所述交直流电源切换控制单元2，给所述交流接触器电路6切入直流电；

d)切换阶段：检测异常的交流电压和交流电流是否在预先设定好的晃电维持时间内恢复正常，若恢复正常启动重启延时，给所述交流接触器电路6切入交流电，若未恢复正常启动释放延时，使所述交流接触器电路6断电；

e)转至步骤b)。

其中所述准备阶段的控制过程如图5所示，所述模拟量采集单元1通过电压变换器TV及电流变换器TA将控制回路的电压和电流转换成小电压信号，即交流电压uac和交流电流iac，并将交流电压uac和交流电流iac输送至所述中央控制单元，通过中央控制单元内的模数转换电路转换为数字信号，经过微处理器的算法计算出电源端电压和接触器运行时电流的大小，判断电源端电压和接触器运行时电流是否均大于设定值，若否，则将准备标志设置为FALSE，若是，则判断准备准备标志是否为TRUE，若为TRUE则准备阶段完成，若不为TRUE则判断超级电容Csuper是否充满电，若未充满则将准备标志设置为FALSE，若充满则判断直流电压是否计算完毕并设置好占空比，若否，则将准备标志设置为FALSE，若是，则驱动S1导通，驱动所述第一动断开关L1_1断开，驱动所述第一动合开关L2_1和第二动合开关L2_2导通，PWM驱动电路设置好占空比，最后将准备标志设置为TRUE，准备阶段完成。其中，PWM驱动电路能够使S4和S5按照设定的占空比交替导通与关断，所述S4与S5不同时导通，当S4导通S5关断时，所述交流接触器电路6中的电容Cs充电，电压施加到线圈KM两端，当S4关断S5导通时，所述交流接触器电路6中的电容Cs通过线圈KM放电。

所述监视阶段的控制过程如图6所示，判断准备准备标志是否为TRUE，若是则判断切换标志是否为FALSE，若不为FALSE，检测uac是否突然跌落额定电压的20％以上并缓慢降到额定电压的80％以下，若是再检测iac是否突然增大额定电流的100％以上，若是关闭S1，并启动防晃延时(0.16ms)，若防晃延时时间结束则导通S2和S3，防晃维持时间计数器清零，将切换标志设置为TRUE，监视阶段完成。

所述切换阶段的控制过程如图7所示，判断切换标志是否为TRUE，若是再判断防晃延时时间是否结束，若结束则判断uac是否恢复正常，若uac正常则关断S2和S3，使第一动合开关L2_1和第二动合开关L2_2断开并启动重启延时(2ms)，若重启延时时间结束则交流接触器电路6重新接入交流电，导通S1，使第一动断开关L1_1闭合，将切换标志设置为FALSE，将准备标志设置为FALSE，切换阶段结束；若uac不正常则关断S2和S3，使第一动合开关L2_1和第二动合开关L2_2断开并启动释放延时(20ms)，若释放延时时间结束则交流接触器电路6跳闸断电，导通S1，使第一动断开关L1_1闭合，将切换标志设置为FALSE，将准备标志设置为FALSE，切换阶段结束。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于串联电容式交流接触器的防晃电装置，其特征在于，所述防晃电装置包括模拟量采集单元、交直流电源切换控制单元、电能转换及储存单元、半桥斩波电压输出控制单元、中央控制单元和驱动单元，所述模拟量采集单元和所述电能转换及储存单元分别接入交流电，所述模拟量采集单元与所述中央控制单元电性连接，所述电能转换及储存单元分别与所述中央控制单元和所述半桥斩波电压输出控制单元电性连接以提供电能，所述交直流电源切换控制单元连接在所述模拟量采集单元与交流接触器电路之间，所述驱动单元连接在所述中央控制单元和所述交直流电源切换控制单元之间，所述半桥斩波电压输出控制单元与所述交直流电源切换控制单元电性连接。

2.如权利要求1所述的防晃电装置，其特征在于，所述交流电包括火线和零线，所述模拟量采集单元包括电流变换器、电压变换器和第一电阻，所述电流变换器串联在所述火线上，所述电压变换器与所述第一电阻串联连接在所述火线和所述零线之间。

3.如权利要求1所述的防晃电装置，其特征在于，所述电能转换及储存单元包括AC/DC电源模块、第一DC/DC电源模块、第二DC/DC电源模块和储能模块，所述AC/DC电源模块分别与所述第一DC/DC电源模块、所述第二DC/DC电源模块和所述储能模块电性连接，所述储能模块分别与所述第一DC/DC电源模块和所述第二DC/DC电源模块电性连接。

4.如权利要求3所述的防晃电装置，其特征在于，所述储能模块包括可充电电池或超级电容。

5.如权利要求4所述的防晃电装置，其特征在于，所述防晃电装置包括第一继电器和第二继电器，所述第一继电器包括第一线圈和第一动断开关，所述第二继电器包括第二线圈、第一动合开关和第二动合开关。

6.如权利要求5所述的防晃电装置，其特征在于，所述交直流电源切换控制单元包括所述第一动断开关、所述第一动合开关、所述第二动合开关、第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关，所述第一至第三电子开关均包括第一接线端、第二接线端和控制端，所述第一动断开关串联在所述火线上，所述第一电子开关与所述第一动断开关并联连接，所述第一动断开关的第一端与所述模拟量采集单元连接，所述第二电子开关与所述第一动合开关串联连接在所述第一动断开关的第二端与所述半桥斩波电压输出控制单元的第一接线端之间，所述第三电子开关与所述第二动合开关串联连接在所述零线与所述半桥斩波电压输出控制单元的第二接线端之间。

7.如权利要求6所述的防晃电装置，其特征在于，所述半桥斩波电压输出控制单元包括第四电子开关、第五电子开关和脉冲宽度调制驱动电路，所述第四电子开关和所述第五电子开关均包括第一接线端、第二接线端和控制端，所述第四电子开关的第一接线端与所述第一DC/DC电源模块连接，所述第四电子开关的第二接线端与所述第五电子开关的第一接线端连接，所述脉冲宽度调制驱动电路的信号输入端与所述中央控制单元连接，所述脉冲宽度调制驱动电路的信号输出端分别与所述第四电子开关、所述第五电子开关的控制端连接，其中，所述第四电子开关的第二接线端形成所述半桥斩波电压输出控制单元的第一接线端，所述第五电子开关的第二接线端形成所述半桥斩波电压输出控制单元的第二接线端。

8.如权利要求7所述的防晃电装置，其特征在于，所述驱动电路包括继电器驱动电路、所述第一线圈、所述第二线圈和电子开关驱动电路，所述电子开关驱动电路的信号输入端与所述中央控制单元连接，所述电子开关驱动电路的信号输出端分别与所述第一电子开关、第二电子开关和所述第三电子开关的控制端连接，所述继电器驱动电路的信号输入端与所述中央控制单元连接，所述继电器驱动电路的信号输出端分别与所述第一线圈的第一端、所述第二线圈的第一端连接，所述第一线圈的第二端和所述第二线圈的第二端接地。

9.一种如权利要求1至8任一所述防晃电装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)进行***初始化；

b)准备阶段：检测并计算所述交流电的交流电压和交流回路的交流电流，检测储能模块是否充好电，根据所述交流电压和交流电流计算得出所述半桥斩波电压输出控制单元的电压输出占空比，控制所述驱动单元工作；

c)监视阶段：检测所述交流电是否晃电，即所述交流电压是否突然跌落且所述交流电流是否突然增大，若晃电，控制所述驱动电路、所述半桥斩波电压输出控制单元工作，启动所述交直流电源切换控制单元，给所述交流接触器电路切入直流电；

d)切换阶段：检测异常的交流电压和交流电流是否在预先设定好的晃电维持时间内恢复正常，若恢复正常启动重启延时，给所述交流接触器电路切入交流电，若未恢复正常启动释放延时，使所述交流接触器电路断电；

e)转至步骤b)。