根據(jù)交流接觸器的工作原理，當交流接觸器處于吸持的狀態(tài)時，交流電流通過交流接觸器的線圈會消耗一定的能耗。例如，一臺CJ20-250A的交流接觸器，按1天工作8 h，1年工作300天計算，年耗電量為156 kW·h。由于我國正在運行的大、中容量交流接觸器數(shù)量很大，累計起來年耗電量非常驚人[1]。因此，交流接觸器的節(jié)能技術具有非常大的經(jīng)濟效益和社會效益。目前市場上已有的交流接觸器節(jié)能運行方案很多，但是節(jié)能技術的推廣面比較小，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，可能會降低交流接觸器的工作可靠性、性能指標以及使用壽命[2]。

    交流接觸器的節(jié)能技術之一是使接觸器在直流方式下運行，這樣不僅節(jié)省電能，還能顯著降低噪聲和溫升，而且能夠延長交流接觸器的壽命。
    在這樣的背景下，本文設計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，可以輕易地對已有的傳統(tǒng)交流接觸器進行改造；能使量大面廣的機電產(chǎn)品降低能耗，具有很好的經(jīng)濟和社會效益。因此ZDLX芯片具有推廣應用的價值。
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，交流電通過接觸器線圈，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，這些銅導線具有一定的電阻，電流流過線圈的電阻會消耗一定的功率，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，因為鐵心本身也是導體，在垂直于磁力線的平面上就會產(chǎn)生感應電勢，這個電勢在鐵心的斷面上形成閉合回路并產(chǎn)生電流，好像一個旋渦（稱為“渦流”）。這個“渦流”使接觸器的損耗增加，并且使接觸器的鐵心發(fā)熱導致溫度升高。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)的交流運行方式改為直流吸合，即直流吸持的工作方式。同時交流接觸器具有強激磁吸動和弱激磁吸持的特性。所謂強激磁吸動，就是要使交流接觸器的觸頭從斷開到吸合，必須要有強磁場的作用。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，可以使線圈先流過大電流使接觸器吸合，吸合后通過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)能是通過改變芯片輸出脈沖的寬度來實現(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)強激磁吸動；然后經(jīng)一段時間的延時后由變換器自動轉(zhuǎn)換為窄脈沖寬度的脈沖信號來控制線圈的接通和關斷，使線圈上的電壓成為10 V以下的脈沖電壓，從而實現(xiàn)交流接觸器吸持狀態(tài)的低電能消耗的目的[3-5]。

2 芯片設計
    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計方法。模擬部分主要作為輔助電路、接口電路、時鐘信號產(chǎn)生及信號的前端處理，主要包括電源模塊、緩沖模塊、振蕩器模塊、基準模塊以及上電復位電路[6-8]。而數(shù)字部分主要作用是對外部信號進行基于某種算法的處理，產(chǎn)生所希望的控制信號。數(shù)字部分的模塊主要包括分頻電路、延時模塊、脈寬調(diào)整模塊、信號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)生一個穩(wěn)定的時鐘脈沖信號以及上電復位信號。時鐘脈沖信號發(fā)給數(shù)字電路作為時鐘基準，而上電復位信號則在上電開始時對輸出清零。數(shù)字電路的功能是通過脈寬調(diào)整模塊將輸入的10 ms脈寬的工頻方波信號處理為脈寬為1.5 ms的工頻方波信號。延時模塊將上電復位信號延時130 ms后作為信號合成模塊的控制端，最后通過輸出緩沖電路輸出信號。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，然后經(jīng)過130 ms延時后輸出經(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。
    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，SUPPLY為芯片的電源電壓曲線，RESET為模擬部分上電復位電路產(chǎn)生的上電清零信號。從圖中可以看出，當芯片的電源電壓上升到約3.8 V以上時，芯片內(nèi)部的清零信號RESET輸出高電平，在接著的130 ms時間內(nèi)芯片輸出脈沖寬度為10 ms的工頻波形信號。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。而當電源電壓突然降低到3.8 V以下時，RESET輸出為0,芯片輸出也為0。而當電源電壓恢復到正常電壓時，芯片輸出重復正常上電后的輸出信號。因此，芯片同時能夠?qū)崿F(xiàn)在電源電壓降低到一定值時輸出清零、而當電源電壓正常時正常輸出的功能。

3 芯片的外圍電路及工作原理
      結合圖3的芯片外圍應用電路圖和圖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，交流電通過整流二極管進行半波整流，整流后交流接觸器一端的E點電壓如圖4所示。整流后的電壓通過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，將這個方波信號輸入到芯片的信號輸入端signal。整流后的電壓同時經(jīng)過降壓電阻R1、穩(wěn)壓二極管D4及濾波電容C1和C3得到一個穩(wěn)定的5 V電源電壓給ZDLX芯片進行供電。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，此時由于可控硅在正半波完全導通，因此流過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，從而很快實現(xiàn)了交流接觸器的吸合。當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。由于此時晶閘管的導通時間變得更短，放電時間更長，而且當Out處于高電平時，E點對應的電壓已經(jīng)不大，經(jīng)過占空比較小的脈沖寬度時間的充電，線圈電流也不會增大很多，從而使電流峰值處在一個較低的值。此時線圈電流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)能器實現(xiàn)了降低交流接觸器的功耗的目的，同時也降低了交流接觸器的線圈噪聲和溫升，對交流接觸器的主電路具有保護功能，可延長交流接觸器的使用壽命。

4 芯片測試結果
    本芯片采用無錫上華的0.5 ?滋m混合信號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(圖5中虛線前６個脈沖)，然后再輸出脈沖寬度為1.5 ms的工頻方波信號（圖5虛線后面脈沖），輸出信號滿足設計的要求。

    GB 14048.4-2003《低壓開關設備和控制設備機電式接觸器和電動機起動器》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)外圍電路的設計，當外部交流電源為75%U以上時，芯片電源電壓大于4 V；當外部交流電源在10%U以下時，芯片的電源電壓低于3.5 V。因此，芯片必須實現(xiàn)當電源電壓下降到3.5 V以下時，芯片輸出為0；而電源電壓在4 V以上時芯片正常輸出。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，芯片輸出窄脈寬方波信號；當電源電壓下降到3.76 V以下時，芯片輸出低電平；而當電源電壓再升高到3.76 V以上后，芯片正常輸出。芯片實現(xiàn)了在電源電壓下降到大約3.8 V時輸出低電平，并在電源電壓恢復到正常值時輸出正常。因此芯片在低電源電壓下具有保護功能。

    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。
    本文設計了一款采用改變占空比自轉(zhuǎn)換技術的交流接觸器節(jié)能專用集成電路芯片ZDLX，對芯片進行了封裝和測試，測試結果十分理想, 達到了設計所要求的功能和性能指標。同時為芯片設計了外圍應用電路配合交流接觸器進行了測試，結果表明，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)濟和社會效益。
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