一種適用于低電壓供電系統(tǒng)的電磁開關(guān)智能控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于低電壓供電系統(tǒng)的電磁開關(guān)智能控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁開關(guān)是低壓電力系統(tǒng)中最常用的一類控制電器，由電磁機(jī)構(gòu)、觸頭機(jī)構(gòu)、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。電磁機(jī)構(gòu)根據(jù)控制對(duì)象工作要求，帶動(dòng)觸頭機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，用于遠(yuǎn)距離接通和分?jǐn)嘟?、直流主電路和大容量控制電路，其主要控制?duì)象是電動(dòng)機(jī)，也可用于控制其它電力負(fù)載，如電熱器、照明設(shè)備、電焊機(jī)、電容器組等。
[0003]控制電器動(dòng)作一般有機(jī)械信號(hào)和電氣信號(hào)兩種驅(qū)動(dòng)方式。電磁開關(guān)是以電氣信號(hào)為驅(qū)動(dòng)方式的控制電器，驅(qū)動(dòng)信號(hào)使電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)作并通過(guò)連桿帶動(dòng)觸頭機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)消除后通過(guò)反力彈簧使電磁機(jī)構(gòu)和觸頭機(jī)構(gòu)復(fù)位。傳統(tǒng)電磁機(jī)構(gòu)工作電壓范圍窄，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一般電磁機(jī)構(gòu)的工作電壓在額定電壓的85% —110%之間。當(dāng)電壓處于臨界吸合工作電壓時(shí)，極易產(chǎn)生持續(xù)的振動(dòng)，當(dāng)工作電壓過(guò)高時(shí)，又容易引起線圈溫升的升高，導(dǎo)致線圈燒損，因此，為適應(yīng)不同的工作電壓，電磁機(jī)構(gòu)的品種規(guī)格繁多，造成生產(chǎn)加工麻煩。
[0004]隨著智能配電網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，開關(guān)電器的智能化進(jìn)程得到廣泛的關(guān)注，在控制電器的智能化控制模式中，首先是對(duì)其電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行智能化的過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)吸合、吸持、分?jǐn)噙^(guò)程的優(yōu)化控制。吸合階段減少鐵心與觸頭的彈跳，增加電器的電壽命與運(yùn)行可靠性；吸持階段實(shí)現(xiàn)節(jié)能無(wú)聲運(yùn)行的直流工作模式；分?jǐn)嚯A段實(shí)現(xiàn)快速分?jǐn)嗫刂婆c減少觸頭分?jǐn)嚯娀〉倪^(guò)程控制。
[0005]電磁開關(guān)在各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)被廣泛采用，由于使用習(xí)慣和改造成本等原因，世界各國(guó)的供電電壓難以采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，電器制造商必須考慮所生產(chǎn)的開關(guān)電器適應(yīng)不同系統(tǒng)的工作電壓需求。目前，額定電壓100-240V，直流或者交流頻率50/60HZ這一控制電壓是使用量最大的一類電壓等級(jí)，針對(duì)這一控制電壓等級(jí)下的電磁機(jī)構(gòu)相關(guān)研宄工作開展的較早、也較為成熟。
[0006]然而，隨著新能源系統(tǒng)的發(fā)展以及現(xiàn)代社會(huì)對(duì)人體用電安全意識(shí)的日益提高，24/12V等低電壓用電系統(tǒng)迅速增加，這類系統(tǒng)可用蓄電池作為能量?jī)?chǔ)備，或從高壓側(cè)經(jīng)控制變壓器獲得所需電壓，如:在潮濕、高絕緣、防爆安全等級(jí)高的應(yīng)用場(chǎng)合，出于線路和人體安全的考慮，在滿足更低供電電壓的情況下，需要有能與之配套的電磁開關(guān)；新能源風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電目前存在發(fā)電量不穩(wěn)的現(xiàn)狀，其配電網(wǎng)絡(luò)需要低工作電壓的電磁開關(guān)；電動(dòng)汽車、車床系統(tǒng)中，常常采用蓄電池作為儲(chǔ)能元件，供電電壓往往是直流低電壓，在電機(jī)啟停的瞬間，蓄電池輸出電壓劇烈變化，直接影響到作為控制電器的電磁開關(guān)。
[0007]這些系統(tǒng)的發(fā)展給電磁機(jī)構(gòu)的智能化控制帶來(lái)新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。在體積、成本、可靠性的要求下，常見的110/220V智能控制方案在低電壓控制系統(tǒng)中并不適用。電磁機(jī)構(gòu)的線圈電流上升速率隨工作電壓的降低呈指數(shù)下降，將造成電磁開關(guān)的動(dòng)作觸動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)；在港口、礦業(yè)、石油等行業(yè)中，電磁開關(guān)距離供電電源遠(yuǎn)，設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電壓降大，線路損耗大，電磁機(jī)構(gòu)的激磁磁勢(shì)受實(shí)際電壓的影響，吸合困難，甚至?xí)霈F(xiàn)吸合后觸頭重新彈開的事故。然而，無(wú)論是傳統(tǒng)的，還是智能控制后的電磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大都以激磁電壓為正弦電壓、正弦電流的情況為設(shè)計(jì)參數(shù)，隨著大量電子負(fù)載的接入，電源諧波污染嚴(yán)重，直接影響電磁機(jī)構(gòu)的工作性能，對(duì)智能控制裝置提出了新的要求。
[0008]以往電磁機(jī)構(gòu)的智能控制方案基本控制原理是通過(guò)功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷，改變施加到電磁機(jī)構(gòu)線圈兩端的電壓，反饋量分別為線圈電壓或者電流參量。此類控制方案從本質(zhì)上屬于直接能量變換方式，即能量只在功率管開通時(shí)向電磁機(jī)構(gòu)傳遞。存在如下缺點(diǎn):
(I)吸合階段:直接能量控制方式加載到電磁機(jī)構(gòu)的最大能量受供電電壓最大值制約，在低電壓控制系統(tǒng)中，吸合過(guò)程實(shí)現(xiàn)困難。
[0009](2 )吸持階段:常常采用節(jié)能無(wú)聲運(yùn)行的直流吸持方案，分為直流電壓吸持方案和直流電流吸持方案。在直流電壓吸持控制中，需要單獨(dú)回路與線圈連接，隨著線圈電阻的變化，線圈上的電流隨之變化，吸持吸力也將跟隨變化，往往需要采用增大吸持電壓的方式使得吸持可靠，而線圈磁能的釋放跟吸持電壓有直接關(guān)系，吸持電壓越高一一線圈磁能越大一一電磁機(jī)構(gòu)釋放越緩慢，將造成分?jǐn)嘌訒r(shí)。采用直流電流的吸持模式，能夠解決直流電壓吸持的缺陷，卻帶來(lái)了噪聲，這個(gè)噪聲不同于交流運(yùn)行下的電磁機(jī)構(gòu)交流噪聲，而是由于直流電流吸持狀態(tài)所引起的高頻變化噪聲，是一種電磁音頻噪聲。這種噪聲，對(duì)于采用PWM脈寬控制的智能化開關(guān)電器普遍存在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種適用于低電壓供電系統(tǒng)的電磁開關(guān)智能控制裝置，該裝置采用了級(jí)聯(lián)式的間接能量控制模式，包括前級(jí)的電壓變換和后級(jí)的電流變換。前級(jí)的電壓變換采用電流模式控制方式，可以靈活、快速的調(diào)節(jié)供應(yīng)給后級(jí)的工作電壓，使之高于輸入電壓并進(jìn)行電流的監(jiān)測(cè)。后級(jí)對(duì)前級(jí)輸出電壓進(jìn)行斬波，在電磁機(jī)構(gòu)兩端獲得方波電壓，從而對(duì)電磁開關(guān)進(jìn)行電流閉環(huán)控制。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種適用于低電壓供電系統(tǒng)的電磁開關(guān)智能控制裝置，其特征在于:級(jí)聯(lián)的電壓變換模塊及電流變換模塊；所述電壓變換模塊包括整流電路、濾波電路、升壓電感、第一功率管、PWM控制器、第一電流采樣電路、第一電壓采樣電路、二極管、電容、斜坡補(bǔ)償電路、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，所述濾波電路對(duì)所述整流電路的輸出進(jìn)行濾波，濾波電路的輸出接升壓電感；所述PWM控制器驅(qū)動(dòng)控制第一功率管；第一電流采樣對(duì)第一功率管進(jìn)行電流采樣并將采樣信號(hào)反饋至PWM控制器；所述第一電壓采樣電路對(duì)所述電容的輸出電壓進(jìn)行采樣并將采樣信號(hào)反饋至PWM控制器；所述斜坡補(bǔ)償電路與PWM控制器連接，對(duì)升壓電感電流不穩(wěn)定引起的高次諧波振蕩進(jìn)行補(bǔ)償；所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與PWM控制器連接，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)反饋的增益和相位特性，提高電磁機(jī)構(gòu)在吸合到吸持的瞬態(tài)過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，所述二極管接升壓電感輸出；所述電容一端接所述二極管輸出，另一端接地；所述電流變換模塊包括線圈、第二功率管、第三功率管、第二電流采樣電路、去磁回路、MCU、第一驅(qū)動(dòng)電路、第二驅(qū)動(dòng)電路、第二電壓采樣電路；所述MCU經(jīng)第一驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)第二功率管，經(jīng)第二驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)第三功率管；所述第二電流采樣對(duì)第二功率管進(jìn)行電流采樣并將采樣信號(hào)反饋至MCU ;所述第二電壓采樣電路對(duì)輸入電源進(jìn)行采樣并將采樣信號(hào)輸入MCU ;所述線圈接二極管輸出，所述線圈的輸出分別接第二功率管及去磁回路；第三功率管的輸出接去磁回路。
[0012]在本發(fā)明一實(shí)施例中，當(dāng)整流后的電壓瞬時(shí)值小于輸出電壓目標(biāo)時(shí)，控制方案為boost-斬波模式；第一功率管處于高頻開、關(guān)狀態(tài)，第一電壓采樣電路的采樣信號(hào)輸入至PWM控制器內(nèi)部的誤差放大器，與內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓比較，同時(shí)采樣升壓電感上的電流，二者比較完成脈沖寬度的調(diào)制；當(dāng)?shù)谝还β使荛]合時(shí)，電流流過(guò)升壓電感和第一功率管，向升壓電感充磁，而無(wú)電流流向電流變換模塊，當(dāng)?shù)谝还β使軘嚅_時(shí)，輸出電壓等于輸入電壓加上升壓電感兩端的電壓之和。
[0013]進(jìn)一步的，所述PWM控制器通過(guò)外部設(shè)置控制頻率。
[0014]較佳的，所述第一功率管門極驅(qū)動(dòng)接地。
[0015]在本發(fā)明一實(shí)施例中，當(dāng)整流后的電壓瞬時(shí)值大于輸出電壓目標(biāo)時(shí)，控制方案為斬波模式；第一功率管處于關(guān)斷狀態(tài)，升壓電感和電容構(gòu)成前置LC濾波器，第三功率管在電磁開關(guān)吸合、吸持過(guò)程不觸發(fā)，線圈進(jìn)行自然續(xù)流，電磁機(jī)構(gòu)分?jǐn)鄷r(shí)，觸發(fā)第三功率管，線圈電流通過(guò)去磁回路，磁能迅速被消耗，加快分?jǐn)噙M(jìn)程；電流反饋環(huán)路決定第二功率管的開、關(guān)狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)流過(guò)線圈的電流，進(jìn)而改變了電磁狀態(tài)，能夠間接控制電磁音頻噪聲。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種適用于低電壓供電系統(tǒng)的電磁開關(guān)智能控制裝置，該裝置具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、采用了級(jí)聯(lián)式的間接能量控制模式。能量變化分為兩級(jí)變換，當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定電壓時(shí)進(jìn)行升壓變換，為后級(jí)提供穩(wěn)定的工作電壓；當(dāng)輸入電壓高于設(shè)定電壓時(shí)，升壓模塊不起作用，輸出電壓直接受制于輸入電壓，具有工作電壓范圍寬、交直流通用的特點(diǎn)，尤其適合低電壓的供電系統(tǒng)；
2、提出了控制模塊的諧波抑制措施。通過(guò)斜坡補(bǔ)償消除了由于升壓電感電流不穩(wěn)定引起的高次諧波振蕩問(wèn)題。同時(shí)前級(jí)的升壓變換，也能夠起到功率因數(shù)調(diào)節(jié)作用，明顯減少輸入電流諧波含量，減少智能控制裝置工作時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響，凈化控制電源；
3、設(shè)計(jì)了減少電磁音頻噪聲的控制模式。通過(guò)采用先進(jìn)的控制算法配合電磁機(jī)構(gòu)的本體設(shè)計(jì)，自動(dòng)尋找最佳控制占空比調(diào)節(jié)模式，并將最大占空比限制在一定范圍內(nèi)，從而降低吸持階段電流的諧波分量，減少電磁音頻噪聲。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的控制原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0019]本發(fā)明提供一種適用于低電壓供電系統(tǒng)的電磁開關(guān)智能控制裝置，其特征在于:級(jí)聯(lián)的電壓變換模塊及電流變換模塊；所述電壓變換模塊包括整流電路、濾波電路、升壓電感、第一功率管、PWM控制器、第一電流采樣電路、第一電壓采樣電路、二極管、電容、斜坡補(bǔ)償電路、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，所述濾波電路對(duì)所述整流電路的輸出進(jìn)行濾波，濾波電路的輸出接升壓電感；所述PWM控制器驅(qū)動(dòng)控制第一功率管；第一電流采樣對(duì)第一功率管進(jìn)行電流采樣并將采樣信號(hào)反饋至PWM控制器；所述第一電壓采樣電路對(duì)所述電容的輸出電壓進(jìn)行采樣并將采樣信號(hào)反饋至PWM控制器；所述斜坡補(bǔ)償電路與PWM控制器連接，對(duì)升壓電感電流不穩(wěn)定引起的高次諧波振蕩進(jìn)行補(bǔ)償；所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與PWM控制器連接，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)反饋的增益和相位特性，提高電磁機(jī)構(gòu)在吸合到吸持的瞬態(tài)過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，所述二極管接升壓電感輸出；所述電容一端接所述二極管輸出，另一端接地；所述電流變換模塊包括線圈、第二功率管、第三功率管、第二電流采樣電路、去磁回路、MCU、第一驅(qū)動(dòng)電路、第二驅(qū)動(dòng)電路、第二電壓采樣電路；所述MCU經(jīng)第