文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2012)06-0027-04
根據(jù)交流接觸器的工作原理,,當(dāng)交流接觸器處于吸持的狀態(tài)時(shí),交流電流通過(guò)交流接觸器的線圈會(huì)消耗一定的能耗,。例如,,一臺(tái)CJ20-250A的交流接觸器,按1天工作8 h,,1年工作300天計(jì)算,,年耗電量為156 kW·h。由于我國(guó)正在運(yùn)行的大,、中容量交流接觸器數(shù)量很大,,累計(jì)起來(lái)年耗電量非常驚人[1]。因此,,交流接觸器的節(jié)能技術(shù)具有非常大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,。目前市場(chǎng)上已有的交流接觸器節(jié)能運(yùn)行方案很多,但是節(jié)能技術(shù)的推廣面比較小,,普及率不高,。出現(xiàn)這種情況的原因主要有:有的節(jié)能附加裝置要占用或者調(diào)整接觸器的輔助觸頭;有的節(jié)能方案還不夠完善,,可能會(huì)降低交流接觸器的工作可靠性,、性能指標(biāo)以及使用壽命[2]。
交流接觸器的節(jié)能技術(shù)之一是使接觸器在直流方式下運(yùn)行,,這樣不僅節(jié)省電能,,還能顯著降低噪聲和溫升,而且能夠延長(zhǎng)交流接觸器的壽命,。
在這樣的背景下,,本文設(shè)計(jì)了一款采用改變占空比自轉(zhuǎn)換式方案的交流接觸器節(jié)能專用芯片ZDLX。此節(jié)能方案具有體積小,、成本低,、節(jié)電效果好,并且不需要占用接觸器的輔助觸頭,,可以輕易地對(duì)已有的傳統(tǒng)交流接觸器進(jìn)行改造,;能使量大面廣的機(jī)電產(chǎn)品降低能耗,具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。因此ZDLX芯片具有推廣應(yīng)用的價(jià)值,。
1 交流接觸器節(jié)能的基本原理
交流接觸器基于“通電吸合,,帶電保持,斷電釋放”的工作原理,,其控制方式一般采用交流電流控制,。交流接觸器在正常工作時(shí),交流電通過(guò)接觸器線圈,,不僅存在銅損而且存在鐵損,。一方面,交流接觸器的線圈一般都是銅線,,這些銅導(dǎo)線具有一定的電阻,,電流流過(guò)線圈的電阻會(huì)消耗一定的功率,這部分損耗往往變成熱量而消耗,,即稱這種損耗為“銅損”,。銅損由線圈電流決定,占總能耗的30%左右,;另一方面,,線圈通交流電后所產(chǎn)生的磁通在鐵心流動(dòng),因?yàn)殍F心本身也是導(dǎo)體,,在垂直于磁力線的平面上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),,這個(gè)電勢(shì)在鐵心的斷面上形成閉合回路并產(chǎn)生電流,好像一個(gè)旋渦(稱為“渦流”),。這個(gè)“渦流”使接觸器的損耗增加,,并且使接觸器的鐵心發(fā)熱導(dǎo)致溫度升高。由“渦流”所產(chǎn)生的損耗稱為“鐵損”,,鐵損占總能耗的70%左右,。
交流接觸器節(jié)能的基本原理是將其電磁系統(tǒng)的交流運(yùn)行方式改為直流吸合,即直流吸持的工作方式,。同時(shí)交流接觸器具有強(qiáng)激磁吸動(dòng)和弱激磁吸持的特性,。所謂強(qiáng)激磁吸動(dòng),就是要使交流接觸器的觸頭從斷開到吸合,,必須要有強(qiáng)磁場(chǎng)的作用,。而弱激磁吸持是指一旦接觸器的觸頭吸合,只需較弱的磁場(chǎng)就能使接觸器的觸頭保持吸持狀態(tài),。因此,,可以使線圈先流過(guò)大電流使接觸器吸合,吸合后通過(guò)小電流讓接觸器保持在吸持狀態(tài),。從而讓交流接觸器在吸持狀態(tài)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的,。
改變占空比自轉(zhuǎn)換式節(jié)能器的節(jié)能是通過(guò)改變芯片輸出脈沖的寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。在吸合階段,調(diào)節(jié)輸出脈沖為寬脈沖得到高吸動(dòng)電壓,,從而使交流接觸器安全可靠地吸合,。吸合后,節(jié)能器再將輸出脈沖轉(zhuǎn)換成足以維持吸合的窄脈沖,,從而維持低電壓,,以達(dá)到節(jié)能的目的。改變占空比自轉(zhuǎn)換式節(jié)能器的基本信號(hào)處理流程為:交流電源經(jīng)二極管半波整流轉(zhuǎn)換成直流后直接供電給操作線圈,,使接觸器電磁系統(tǒng)強(qiáng)激磁吸動(dòng),;然后經(jīng)一段時(shí)間的延時(shí)后由變換器自動(dòng)轉(zhuǎn)換為窄脈沖寬度的脈沖信號(hào)來(lái)控制線圈的接通和關(guān)斷,使線圈上的電壓成為10 V以下的脈沖電壓,,從而實(shí)現(xiàn)交流接觸器吸持狀態(tài)的低電能消耗的目的[3-5],。
2 芯片設(shè)計(jì)
ZDLX節(jié)能專用芯片的系統(tǒng)框圖如圖1所示。芯片采用數(shù)?;旌显O(shè)計(jì)方法。模擬部分主要作為輔助電路,、接口電路,、時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生及信號(hào)的前端處理,主要包括電源模塊,、緩沖模塊,、振蕩器模塊、基準(zhǔn)模塊以及上電復(fù)位電路[6-8],。而數(shù)字部分主要作用是對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行基于某種算法的處理,,產(chǎn)生所希望的控制信號(hào)。數(shù)字部分的模塊主要包括分頻電路,、延時(shí)模塊,、脈寬調(diào)整模塊、信號(hào)合成模塊以及輸出緩沖模塊[9],。
模擬電路模塊主要功能是產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖信號(hào)以及上電復(fù)位信號(hào),。時(shí)鐘脈沖信號(hào)發(fā)給數(shù)字電路作為時(shí)鐘基準(zhǔn),而上電復(fù)位信號(hào)則在上電開始時(shí)對(duì)輸出清零,。數(shù)字電路的功能是通過(guò)脈寬調(diào)整模塊將輸入的10 ms脈寬的工頻方波信號(hào)處理為脈寬為1.5 ms的工頻方波信號(hào),。延時(shí)模塊將上電復(fù)位信號(hào)延時(shí)130 ms后作為信號(hào)合成模塊的控制端,最后通過(guò)輸出緩沖電路輸出信號(hào),。因此電源電壓上電后,,芯片先輸出周期為20 ms、脈沖寬度為10 ms的工頻方波信號(hào),,然后經(jīng)過(guò)130 ms延時(shí)后輸出經(jīng)脈沖寬度調(diào)整電路輸出的脈沖寬度為1.5 ms的工頻方波信號(hào),。
圖2是芯片的整體功能仿真圖,。圖中,IN曲線是周期為20 ms,、脈沖寬度為10 ms的輸入工頻方波信號(hào),,SUPPLY為芯片的電源電壓曲線,RESET為模擬部分上電復(fù)位電路產(chǎn)生的上電清零信號(hào),。從圖中可以看出,,當(dāng)芯片的電源電壓上升到約3.8 V以上時(shí),芯片內(nèi)部的清零信號(hào)RESET輸出高電平,,在接著的130 ms時(shí)間內(nèi)芯片輸出脈沖寬度為10 ms的工頻波形信號(hào),。130 ms后,SELECT輸出為低電平,芯片接著輸出脈沖寬度為1.5 ms的脈沖波形,。而當(dāng)電源電壓突然降低到3.8 V以下時(shí),,RESET輸出為0,芯片輸出也為0。而當(dāng)電源電壓恢復(fù)到正常電壓時(shí),,芯片輸出重復(fù)正常上電后的輸出信號(hào),。因此,芯片同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)在電源電壓降低到一定值時(shí)輸出清零,、而當(dāng)電源電壓正常時(shí)正常輸出的功能,。
3 芯片的外圍電路及工作原理
結(jié)合圖3的芯片外圍應(yīng)用電路圖和圖4的節(jié)能器工作波形示意圖以及節(jié)能器的工作原理如下:220 V交流電源接到AC1和AC2之間,交流電通過(guò)整流二極管進(jìn)行半波整流,,整流后交流接觸器一端的E點(diǎn)電壓如圖4所示,。整流后的電壓通過(guò)R2、R3及穩(wěn)壓管D3分壓后得到周期為20 ms,、脈沖寬度為10 ms的工頻方波信號(hào),,將這個(gè)方波信號(hào)輸入到芯片的信號(hào)輸入端signal。整流后的電壓同時(shí)經(jīng)過(guò)降壓電阻R1,、穩(wěn)壓二極管D4及濾波電容C1和C3得到一個(gè)穩(wěn)定的5 V電源電壓給ZDLX芯片進(jìn)行供電,。芯片的輸出直接接可控硅的控制端,因此芯片在上電后先輸出周期為20 ms,、脈沖寬度為10 ms的工頻方波信號(hào),,此時(shí)由于可控硅在正半波完全導(dǎo)通,因此流過(guò)交流接觸器上的直流電流非常大,,使接觸器鐵芯的吸力也很大,,從而很快實(shí)現(xiàn)了交流接觸器的吸合。當(dāng)交流接觸器上電吸合130 ms以后,,ZDLX芯片Out輸出周期為20 ms,、脈沖寬度為1.5 ms的工頻方波信號(hào)。由于此時(shí)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間變得更短,,放電時(shí)間更長(zhǎng),,而且當(dāng)Out處于高電平時(shí),,E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓已經(jīng)不大,經(jīng)過(guò)占空比較小的脈沖寬度時(shí)間的充電,,線圈電流也不會(huì)增大很多,,從而使電流峰值處在一個(gè)較低的值。此時(shí)線圈電流Ij處于小電流狀態(tài),,維持交流接觸器觸頭的閉合,。由于線圈上的電流很小,因此節(jié)能器實(shí)現(xiàn)了降低交流接觸器的功耗的目的,,同時(shí)也降低了交流接觸器的線圈噪聲和溫升,,對(duì)交流接觸器的主電路具有保護(hù)功能,可延長(zhǎng)交流接觸器的使用壽命,。
4 芯片測(cè)試結(jié)果
本芯片采用無(wú)錫上華的0.5 ?滋m混合信號(hào)CMOS工藝流片[10],。包括輸入輸出PAD和內(nèi)核,芯片的尺寸為0.73 mm×0.62 mm,,總面積為0.5 mm2,,芯片總電流為400 ?滋A。由于電源電壓為5 V,,因此功耗為2 mW,。
圖5是芯片上電后的輸出波形。如圖所示,,芯片上電后130 ms內(nèi)輸出脈沖寬度為10 ms的工頻方波信號(hào)(圖5中虛線前6個(gè)脈沖),然后再輸出脈沖寬度為1.5 ms的工頻方波信號(hào)(圖5虛線后面脈沖),,輸出信號(hào)滿足設(shè)計(jì)的要求,。
GB 14048.4-2003《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器》規(guī)定:接觸器釋放和完全斷開的極限值是其額定控制電源電壓U(220 V)的10%~75%(直流),即10%U適用于完全斷開的上限值,,75%U適用于保持閉合的下限值[12],。根據(jù)外圍電路的設(shè)計(jì),當(dāng)外部交流電源為75%U以上時(shí),,芯片電源電壓大于4 V,;當(dāng)外部交流電源在10%U以下時(shí),芯片的電源電壓低于3.5 V,。因此,,芯片必須實(shí)現(xiàn)當(dāng)電源電壓下降到3.5 V以下時(shí),芯片輸出為0,;而電源電壓在4 V以上時(shí)芯片正常輸出,。圖6是芯片在電源電壓降低后的輸出波形圖。如圖所示,,芯片電源電壓為5 V時(shí),,芯片輸出窄脈寬方波信號(hào),;當(dāng)電源電壓下降到3.76 V以下時(shí),芯片輸出低電平,;而當(dāng)電源電壓再升高到3.76 V以上后,,芯片正常輸出。芯片實(shí)現(xiàn)了在電源電壓下降到大約3.8 V時(shí)輸出低電平,,并在電源電壓恢復(fù)到正常值時(shí)輸出正常,。因此芯片在低電源電壓下具有保護(hù)功能。
從表1可以看出,,以交流接觸器節(jié)能芯片ZDLX為核心的節(jié)能器的節(jié)電率大約為90%,,節(jié)能效果非常顯著。
本文設(shè)計(jì)了一款采用改變占空比自轉(zhuǎn)換技術(shù)的交流接觸器節(jié)能專用集成電路芯片ZDLX,,對(duì)芯片進(jìn)行了封裝和測(cè)試,,測(cè)試結(jié)果十分理想, 達(dá)到了設(shè)計(jì)所要求的功能和性能指標(biāo)。同時(shí)為芯片設(shè)計(jì)了外圍應(yīng)用電路配合交流接觸器進(jìn)行了測(cè)試,,結(jié)果表明,,交流接觸器的能耗減低了約90%。因此ZDLX芯片具有非常好的節(jié)電效果,,在節(jié)能減排的大環(huán)境下具有非常重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,。
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