CN1257291A - 具有由电磁铁保持电流供电的电源电路的电磁铁控制设备 - Google Patents

Abstract

一种电磁铁控制设备包括:保持线圈(1),电子开关(T4)和电源电路(8),所述电源电路和线圈(1)的电源电压(Va)的两端串联。一个用于测量保持电流的电路和电源电路(8)并联,并且该用于测量保持电流的电路包括串联的附加电子开关(T5)和测量电阻(R4)。因而电源电路由流过线圈(1)的保持电流供电,并且附加电子开关(T5)被周期性地闭合,以便测量由用于控制两个电子开关(T4,T5)的基于微处理器的电路(9)调节的保持电流。

Description

具有由电磁铁保持电流供电的 电源电路的电磁铁控制设备

本发明涉及一种电磁铁的控制设备，包括：至少一个和电子开关串联的保持线圈连接到线圈的电源电压端；用于测量在保持线圈中流过的保持电流的装置；用于控制电磁铁的控制装置，其包括用于调节保持电流的装置，该控制装置和用于测量保持电流的装置以及电子开关的控制电极相连，以及控制装置的电源装置。

电路断路器一般包括一定数量的电气辅助件，更具体地说，包括闭合电磁铁(XF)或断开电磁铁。一般具有两类断开电磁铁，或电压跳闸释放电磁铁。它们包括这样一种电磁铁，当使电路断路器断开的某种条件满足时这种电磁铁被启动。当要被保护的电力系统的电压降低到某个门限之下时欠电压释放(MN)使电路断路器断开，当电力系统的电压超过另一个门限时短路释放(MX)使电路断路器断开。

为了控制电磁铁，已知的方法有(FR-A-2,133,652)瞬时提供一个相当高的启动电流，然后跟着一个较小的保持电流。这可以利用具有一个单线圈的装置实现，其中电流被转换而形成为保持电流，或者利用具有启动线圈和保持线圈的双线圈装置来实现。已经公知的方法还有把启动电流和保持电流调节为预定的值(FR-A-2,568,715)。这种装置由电源电路供电，所述电源电路消耗可观的功率，因而成本高，体积大。

电磁铁控制装置的电路的电压源可能需要辅助电源电压产生。文件EP-A-353,533提出为此目的而使用的电压是当和线圈串联的晶体管截止时在电磁铁的控制线圈内感应的电压。这个例子不能使线圈中的电流被调节，因为该电流的一部分被分支到电源电路。

本发明的目的是实现一种能使保持电流被简单地调节的装置，同时以低的成本和小的体积提供该装置所需的电源电压。

按照本发明，这一目的是这样实现的：控制装置的电源装置和保持线圈以及电子开关串联，以这样的方式使得其可以由保持电流供电，用于测量保持电流的装置包括和电源装置并联连接的测量电路，并且包括一个串联的附加电子开关和测量电阻，控制装置被连接到该电阻的两端，并和附加电子开关的控制极相连以这样的方式使得可以周期地使附加电子开关导通。

由下面参考附图结合非限制性的例子对本发明优选实施例进行的说明可以清楚地看出本发明的其它优点和特点，其中：

图1和图2是按照现有技术的两种控制装置；

图3是按照本发明的装置的第一实施例；

图4是在包括启动线圈的第二实施例中按照图3的装置的附加的元件；

图5是按照图3的装置的电压匹配电路的一个特定实施例；

图6是按照图3的装置的电源电路的另一个实施例。

图1所示的装置是在文件FR-A-2,568,715中披露的，其中包括和晶体管T1以及测量电阻R1串联后被连接到电源电压Va的线圈1。以常规方式，续流二极管(free-wheel diode)D1和线圈1并联。一个控制与调节电路2和晶体管T1的控制极相连。电路2的输入端接收电磁铁的控制信号A。电路2还和电阻R1的端子相连，从而在晶体管T1导通时接收代表流过线圈1的电流的信号Ib。这样，电路2能够使该装置被控制并能够使线圈中的电流被调节到预定值，而与电源电压Va无关。和电压Va两端相连的电源电路3向电路2提供稳定的辅助电源电压Vb1。

在按照图1的装置中，电源电路3消耗的功率是不可忽略的。例如，如果必须提供的电源电流大约为4mA，并且如果电压Va达到500V，则由电源电路消耗的功率可以达到2W。因为电磁铁线圈一般消耗大约几瓦的功率，所以电源电路的相关体积是不成比例的。使用转换的电源电路3可以使其功率消耗受到限制，但是不能解决成本和体积的问题。

由文件EP-A-353,533披露的装置如图2所示，其中包括线圈1和晶体管T2，T3串联后和电源电压Va相连。脉宽调制型控制电路4和晶体管T2，T3的控制极相连。电源电路5能够使得从电压Va得到图2所示的装置的负的辅助电源电压Vb2。线圈1与NPN晶体管T3的集电极的公共点通过二极管D2和电压Va相连，而线圈1与PNP晶体管T2的集电极的公共点通过可控硅Th接地。可控硅Th用于调节辅助电源电压Vb2，该电压出现在和二极管D3串联后和可控硅Th的端子相连的电容器C1的两端。电压Vb2的调节电路6和电容器C1并联，并向可控硅的控制极提供控制信号。当在电路4的控制下，晶体管T2从导通状态转换到截止状态时，在线圈1中感应电压。这样在二极管D3的阴极产生一个负电压，因而使电容器C1负充电。当在电容器C1的两端获得所需的电压时，电压Vb2的调节电路6借助于可控硅Th把该电压保持在所需的值。

在按照图2的电路中，不能通过使用和线圈串联的电阻进行电流测量以把线圈中的电流调节到预定的值，如图1所示。实际上一部分线圈电流被分流到电源电路5。

在按照图3的本发明的实施例中，控制装置由全波整流器桥7和交流电压相连。整流器桥至少为一个线圈1提供电源电压Va。在优选实施例中，所述的装置是具有启动线圈(图3中没有示出)和由图3中的线圈1构成的保持线圈的双线圈装置。

线圈1和图中所示的MOS型晶体管T4以及用于提供两个辅助电源电压Vb和Vc的电源电路8串联。

由基于微处理器的电路9进行电磁铁的控制。在图3中，电路9包括和由两个电阻R2，R3构成的分压器的中点相连的输入端E1，两个电阻串联后被连接于电源电压Va的两端。因而该装置可以用于控制电压跳闸装置的电磁铁，代表施加于整流器桥7的输入端的电压的R3两端的电压可以通过微处理器和预定门限进行比较，所述门限对于欠压释放(under-voltage release)取最小的，对于短路释放(shunt release)取最大的。

基于微处理器的电路9的输出端S1通过电压匹配电路10和晶体管T4的控制极相连，电压匹配电路本身由电压Va供电。基于微处理器的电路9一方面按照电阻R3两端的电压值控制晶体管T4的状态，另一方面把线圈1中的保持电流箝位到预定值。为了进行保持电流的调节和箝位，基于微处理器的电路9需要测量该电流。为此，该装置包括和电源电路8并联的测量电路。测量电路包括和图中MOS型的晶体管T5串联的测量电阻R4。晶体管T5的控制极和电路9的输出端S2相连，而测量电阻R4两端的电压被提供给电路9的输入端E2。

在图3所示的实施例中，电源电路8包括齐纳二极管Z1，其与线圈1以及晶体管T4串联后被连接于电源电压Va两端。二极管D4和电容器C2串联后被连接于齐纳二极管Z1的两端。辅助电源电压Vb的调节电路11和电容器C2并联。

在图3中，辅助电源电压Vb被提供给基于微处理器的电路9的电源输入端。未被调节的辅助电源电压Vc是电容器C2两端的电压。其可用于控制启动线圈，下面参照图4进行说明。在优选实施例中，Vb接近5V，而Vc大约10V。

按照图3的装置的工作方式如下。线圈1的被调节的保持电流由基于微处理器的电路9控制。当晶体管T4导通时，保持电流在齐纳二极管Z1的两端产生一个例如大约10V的预定电压，该电压通过二极管D4对电容器C2充电。因而在电容器C2两端获得未被调节的辅助电源电压Vc。该电压施加于Vb的调节电路11，调节电路11可以是任何已知类型的，例如是线性调节器，从而提供辅助电源电压Vb。

基于微处理器的电路9定期地，最好每隔312微秒，在用于电阻R4两端进行电压测量所需的时间期间，在其输出端S1和S2同时提供晶体管T4和T5的导通指令信号。晶体管T5导通时，施加于齐纳二极管Z1上的电压，即施加于电源电路8的输入端的电压减少，例如减少到大约几伏的值(例如3V)。保持电流不再供给电源电路，而反极性二极管D4阻止电容C2通过电阻T5放电。因而线圈中的保持电流全部经晶体管T5通过电阻R4。因而基于微处理器的电路9周期地在其输入端E2获得代表保持电流的测量值。这一测量值被基于微处理器的电路9用于调节保持电流。如果保持电流小于或等于预定的设置点的值，电路9就保持晶体管T4导通，直到下一个测量。如果另一方面，保持电流大于设置点的值，则晶体管T4被截止，直到下一个测量。

图3的电源电路8对于5V的电压Vb，提供的4mA的电流只消耗非常低的功率，大约为20mW，而和电压Va的值无关。

按照图3所示的装置可以通过附加图4所示的元件来完善。在本实施例中，该装置包括附加的启动线圈12，其通过和晶体管T6以及测量电阻R5串联后被连接于电源电压Va的两端。续流二极管D5和线圈12并联。基于微处理器的电路9包括控制输出端S3，用于控制启动线圈12的启动电流。在图3和图4中，该电流由基于微处理器的电路9按照常规方式进行调节，电路9在输入端E3接收代表测量电阻R5两端的电压的信号因而代表启动线圈12中的启动电流的信号。

来自基于微处理器的电路9的控制信号是非常低的电压信号，例如大约5V，而线圈1和12的电源电压Va可以达到220V，或甚至500V。这需要在输出端S1，S2和晶体管T4，T6的控制极之间设置电压匹配电路。

图3所示的电压匹配电路10的一种已知类型的具体例子如图5所示。其包括高压电阻R6，其通过和齐纳二极管Z2串联后被连接于电源电压Va的两端。电阻R7和晶体管T7串联后和齐纳二极管Z2并联。晶体管T7的控制极和基于微处理器的电路9的输出端S1相连。电阻R6，R7以及齐纳二极管Z2的公共点形成电压匹配电路的输出，其和晶体管T4的控制极相连。当提供给S1的逻辑信号电平低时(例如0V)，晶体管T7截止，因而晶体管T8的控制极处于高电平，其相应于齐纳二极管Z2的限制电压，大于电压Vc。例如，齐纳二极管Z2的限制电压大约可以是18V。此时晶体管T4导通。如果另一方面，施加于S1上的逻辑信号的电平高(例如5V)时，则晶体管T7导通，从而把齐纳二极管Z2短路，把晶体管T4的控制极转换为低电平，因而使晶体管T4截止。

在输出端S3和晶体管T6的控制极之间可以使用同一种类型的电路。不过，这种电路要求使用体积大的高压电阻R6和齐纳二极管Z2。图4的特定实施例通过使用由电源电路8提供的辅助电源电压Vc作为电压匹配电路的电源，从而克服了这一缺点。应当注意，大约5V的辅助电源电压Vb可能不足以使晶体管T6转换。另一方面，大约10V的电压Vc是十分合适的。图4的电压匹配电路包括两个电阻R8和R9，它们串联在辅助电源电压Vc和晶体管T6的控制极之间。MOS型的晶体管T8被连接在电阻R8，R9的公共点和地之间。晶体管T8的控制极和输出端S3相连，并通过电阻R10和辅助电源电压相连。当施加于S3上的逻辑信号为低电平时，晶体管T8截止，而晶体管T6导通。另一方面，当施加于S3上的逻辑信号为电平高时，晶体管T8导通，而晶体管T6截止。

辅助电源电压调节电路11也可以包括(图3)和基于微处理器的电路9的复位输入端R相连的输出端，使得当电路9的电源电压Vb低于某个门限时使微处理器复位。

当该装置被加电时，基于微处理器的电路9被自动复位。其输入/输出端口呈高阻抗。在图5中，和晶体管T7的控制极以及和地相连的电阻R11把该电极的电位设置为0V，使晶体管T7截止，这使得晶体管T4导通。因此，自动地发生电容器C2的充电，确保装置的启动。

近来微处理器在减少其电源电压的情况下常常综合其复位功能。在这种情况下，和电路9的输入端R相连的电路11的输出端不再是必不可少的，并且电压Vb不再必须如此精确。此时，可以简化电源电路8。一种简化的替代形式如图6所示。

在图6中，取消了调节电路11，由一种电路代替齐纳二极管Z1，所述电路包括正常导通的串联二极管D6和齐纳二极管Z3，Z3的门限电压等于所需的辅助电源电压Vb，例如大约为5V。二极管D6能够补偿二极管D4的电压由于温度变化而受到的影响。

如果控制装置包括图6所示的简化的电源电路8，便不再能够得到为图4的电压匹配电路供电的辅助电源电压Vc。在电压匹配电路10(图5)的齐纳二极管Z2的两端的电压可用来代替辅助电源电压Vc。

为了释放电磁铁(unlatch the electromagnet)，在启动和保持线圈中的电流必须被中断至少15ms。消除用于提供基于微处理器的电路9的电源电压Vb的保持电流引起了在这个时间间隔期间维持其电源的问题。例如，如果基于微处理器的电路9消耗4mA，要维持其电源15ms意味着使用大体积的电容器C2(图3)，因而使体积增大。按照本发明的改进，能够使电容C2的尺寸减小，其中的控制装置，只要发出命令晶体管T4截止的释放指令，便使微处理器转换到特定的待用方式，被称为STOP方式。在STOP方式下，基于微处理器的电路具有大大减少的消耗，例如大约几微安(1-10微安)。因为电容器C2不再被保持电流充电，它便缓慢地放电。当电压Vb下降到预定门限以下时，微处理器通过调节电路11，或者通过自身，或者通过任何合适的比较电路被自动地复位。这个复位和在加电阶段一样，自动地使微处理器的输入/输出端口转换为高阻抗，因而使晶体管T4导通，使电容器C4充电，使辅助电源电压Vb增加。不过，电容器C2的大小是为了使微处理器能够复位而选择的，使得在为电磁铁释放所需的15ms之后总能够复位。电磁铁被释放之后，当复位产生在线圈1中的保持电流不足以使电磁铁吸合时，其需要较大的启动电流。

在上面的说明中，线圈1是保持线圈，线圈12(图4)是启动线圈。本发明也应用于这样的情况，其中所述装置只包括一个线圈1，根据流过线圈的电流，既作为启动线圈，又作为保持线圈，基于微处理器的电路9把保持电流调节到一个比启动电流小的值。

按照图3的装置，其中提供给基于微处理器的电路9的输入端E1的信号代表要被保护的电力系统的电压，这种装置尤其适用于控制欠压或者短路释放(MN或MX)。

本发明适用于任何类型的电磁铁，特别是也适用于电路断路器闭合电磁铁，此时，合适的控制信号被施加于输入端E1。

Claims (7)

1.一种电磁铁的控制设备，包括：至少一个和电子开关(T4)串联的保持线圈(1)被连接到线圈的电源电压(Va)端；用于测量保持线圈(1)中的保持电流的装置；用于控制电磁铁的控制装置，其包括用于调节保持电流的装置，该控制装置和用于测量保持电流的装置以及电子开关(T4)的控制极相连；以及控制装置的电源装置(8)，其特征在于，所述控制装置的电源装置(8)和保持线圈(1)以及电子开关(T4)串联，以这样的方式使得其由保持电流供电；用于测量保持电流的装置包括一个测量电路，其和电源装置(8)并联，并包括串联的附加电子开关(T5)和测量电阻(R4)；控制装置(9，10)和该电阻的两端以及附加电子开关(T5)的控制极相连，以这样的方式使得周期性地使附加电子开关导通。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于电源装置(8)包括和保持线圈(1)以及电子开关(T4)串联的齐纳二极管(Z1，Z3)，以及和电容器(C2)串联后被连接于齐纳二极管的两端的一个二极管(D4)。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于所述电源装置包括和齐纳二极管(Z3)串联的一个二极管(D6)。

4.如权利要求2所述的设备，其特征在于所述电源装置包括和电容器(C2)并联的电压调节电路(11)。

5.如权利要求1到4任何一个所述的设备，其特征在于所述控制装置包括基于微处理器的电路(9)。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于所述控制装置包括电压匹配电路(10)，其被连接在基于微处理器的电路(9)的输出端(S1)和电子开关(T4)的控制极之间。

7.如权利要求5所述的设备，其特征在于所述基于微处理器的电路(9)当其向电磁铁提供释放指令时转换到待用方式。

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