控制電器內(nèi)置電源技術(shù)的研究

邱才元 劉向軍

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350116）

控制電器是被用在長距離閉合或分?jǐn)嗑€路的電器。電磁式接觸器作為本課題的主要研究對象，是控制電器中最基本的元件之一，被用來自動接通或斷開大電流電路。具有價格低廉，控制系統(tǒng)簡單，控制容量大、過載性能好等特點(diǎn)[1]。

隨著電器技術(shù)的發(fā)展，電器及其電磁系統(tǒng)需要進(jìn)行控制、狀態(tài)顯示等，比如控制其接通與分?jǐn)噙^程，顯示其電壓，電流，工作狀態(tài)等，這些功能的實(shí)現(xiàn)需要電源，特別是智能化產(chǎn)品中微處理器的電源，目前一般采用線性直流穩(wěn)壓電源或開關(guān)電源，不僅成本高，而且所占空間大[3-5]。

電器設(shè)計和生產(chǎn)企業(yè)正致力于促進(jìn)控制電器的智能化的進(jìn)展。因此，于電器產(chǎn)品中加入智能化模塊將成為一種必然的趨勢[6]。在智能模塊中則包括微處理器在內(nèi)等許多種的電子元件，而由這些元件所組成的電路需要直流穩(wěn)壓電源用以提供電能。而這些元件對工作電源又有各種不同的要求，因此為了新一代電器的發(fā)展，需要開發(fā)符合其需求的電 源[7-8]。

本文提出的控制電器內(nèi)置電源是用于提供電器的智能模塊的工作電源。按照控制電路所需的電壓，在電器電磁系統(tǒng)安裝適當(dāng)?shù)碾娖麟姶畔到y(tǒng)二次線圈，作為控制電路的交流電源，通過整流元件、濾波電容與穩(wěn)壓元件輸出控制電路所需的直流穩(wěn)壓 電源。

1 工作原理

電磁機(jī)構(gòu)是自動化電磁電器的感測機(jī)構(gòu)，并把電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的重要機(jī)構(gòu)，作為電和磁的相互轉(zhuǎn)化的機(jī)構(gòu)，其主要是借助通電后被磁化的磁系統(tǒng)，產(chǎn)生電磁吸力使銜鐵關(guān)合，并隨著觸頭系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動，打開其常閉觸點(diǎn)，并吸合常開觸點(diǎn)，使得電路導(dǎo)通。線圈失電或線圈兩端電壓顯著降低時，電磁吸力小于彈簧反力，使得銜鐵釋放，觸頭機(jī)構(gòu)復(fù)位，斷開線路。

本文所研究的控制電器內(nèi)置電源以電磁式接觸器為本體，在接觸器線圈上適當(dāng)部位抽頭，或繞制二次線圈，再將二次電壓整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出作為控制電路的直流電源。

當(dāng)電磁機(jī)構(gòu)不需要與電源隔離時，在線圈適當(dāng)部位抽頭，產(chǎn)生輸出電壓，作為控制電路的交流電源；在電器控制電路電源需要與電器電磁系統(tǒng)線圈電源電氣隔離時，按照控制電路所需的電壓，在接觸器線圈上適當(dāng)繞制二次線圈，一次線圈通電后，二次線圈產(chǎn)生二次電壓，再將二次電壓整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出作為控制電路的直流電源，這有點(diǎn)類似于線性電源，但是在本文中卻沒有用到變壓器，而是對電磁機(jī)構(gòu)自身的優(yōu)勢進(jìn)行充分的運(yùn)用，對于智能電器小型化的實(shí)現(xiàn)將會有很大的幫助。

2 線圈抽頭式內(nèi)置電源的研究

2.1 試驗(yàn)方法

本課題設(shè)計的是控制電器內(nèi)置電源，首先在380V 交流線圈適當(dāng)部位抽出三個不同的抽頭，采集其輸出電壓在整流、濾波和穩(wěn)壓后的電源信號，并帶一定負(fù)載后，對一次線圈的動作特性進(jìn)行測試。

三端固定式穩(wěn)壓模塊7805 的最低工作電壓是7V，最高輸入電壓為36V，因此對接觸器線圈進(jìn)行抽頭時應(yīng)使抽頭的輸出電壓在這個范圍內(nèi)。先在線圈的三個不同部位進(jìn)行抽頭并測試其輸出電壓，根據(jù)輸出電壓適當(dāng)調(diào)整抽頭的部位，為了獲得7V、12V和16V 的電壓，進(jìn)行計算并最終加工后獲得三個處于工作電壓范圍的抽頭。加工后的三個抽頭的實(shí)際輸出電壓為：A3-7.3V；A4-11.6V；A5-15.2V。

線圈二次側(cè)的輸出電壓和電流的采集電路中的電壓互感器采用的是微型電壓互感HPT304A，其一次輸入電壓為0～1000V，二次輸出電壓為0～10V，額定電流比為2mA/2mA。

2.2 電壓感應(yīng)試驗(yàn)

首先在一次線圈通交流電壓，測得三個抽頭A3、A4、A5 輸出的電壓波形如圖1所示。

從圖1可以看出在一次線圈通交流電時，二次線圈的三個抽頭所輸出的電壓信號是具有不同的有效值的正弦波，抽頭A3、A4 和A5 的輸出電壓有效值分別為7.32V、12.0V 和15.2V，有效值均在在7V到35V 之間，將這三個輸出電壓進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓后的波形如圖2所示。

如圖2所示，將三個抽頭的輸出電壓進(jìn)行處理后所得的直流電壓可以作為單片機(jī)的供電電源。因此線圈抽頭后，抽頭輸出的二次電壓在經(jīng)過處理后可以用于單片機(jī)的工作電源，證明該方案可行。

圖1 各抽頭的輸出電壓波形

圖2 各抽頭處理后的輸出電壓波形

3 線圈外繞式內(nèi)置電源的研究

3.1 二次線圈匝數(shù)計算方法

本文是在220V 交流線圈外繞制二次線圈以產(chǎn)生感應(yīng)電壓，以便為智能模塊提供所需的電壓。由于不知道所研究的接觸器線圈匝數(shù)，無法根據(jù)變壓器原理來計算二次線圈所需的匝數(shù)，本課題采用試?yán)@的辦法求出一次線圈匝數(shù)。首先在接觸器線圈外部繞制50 匝的線圈，然后在接觸器的線圈觸頭上通市電，測得市電的電壓為227V，并測得二次線圈輸出電壓為3.78V，該電壓不滿足工作電壓的要求。根據(jù)變壓器原理，一次電壓和二次電壓之比等于一次線圈匝數(shù)和二次線圈匝數(shù)之比，因此，計算得到一次線圈的匝數(shù)為N1=227×50/3.78=3002.65 匝。根據(jù)該線圈匝數(shù)可知，當(dāng)一次電壓為227V 時，為了使二次線圈輸出電壓大于7V，其匝數(shù)應(yīng)多于92.59匝，為了便于在測試中改變輸出電壓的大小，先在線圈上繞制的二次繞組匝數(shù)為180 匝，所得電壓為13.6V，通過計算得到N11=227×180/13.6=3004.41匝，兩次計算的誤差為（3004.41-3002.65）/3002.65×100%=0.06%。

3.2 二次線圈交流電壓感應(yīng)試驗(yàn)

本文設(shè)計的控制電器內(nèi)置電源，在交流接觸器線圈中經(jīng)過計算試驗(yàn)后對線圈合理地進(jìn)行了二次線圈的繞制，采集二次線圈輸出電壓在整流、濾波和穩(wěn)壓后的電源信號，并帶一定負(fù)載后，對一次線圈的動作特性進(jìn)行測試。本文繞制了匝數(shù)為180 匝的二次線圈。在一次線圈通電后測得二次線圈輸出電壓波形如圖3所示。

圖3 線圈外繞180 匝時的輸出電壓波形

從圖3中可以看出線圈在外繞180 匝線圈時輸出電壓有效值為15.3V 的電壓，將該電壓經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓處理后能夠得到如圖4所示的波形。

如圖4所示，外繞的二次線圈的輸出電壓進(jìn)行處理后所得的直流電壓可以作為單片機(jī)的供電電源。因此線圈外繞后輸出的二次電壓在經(jīng)過處理后可以用于單片機(jī)的工作，證明該方案可行。

圖4 二次線圈處理后的輸出電壓波形

4 結(jié)論

本文以電磁式交流接觸器為本體，對其電磁機(jī)構(gòu)內(nèi)置電源進(jìn)行可行性分析，解決電器智能化的電源成本和體積問題。在研究中主要設(shè)計了兩種不同方法制作的接觸器內(nèi)置電源在交流電路和直流電路中工作的可行性。研究后發(fā)現(xiàn)這兩種內(nèi)置電源的設(shè)計方案在交流線路中都能夠用于提供單片機(jī)正常工作所需的電源電壓。

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