控制电器内置电源技术的研究

邱才元 刘向军

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116）

控制电器是被用在长距离闭合或分断线路的电器。电磁式接触器作为本课题的主要研究对象，是控制电器中最基本的元件之一，被用来自动接通或断开大电流电路。具有价格低廉，控制系统简单，控制容量大、过载性能好等特点[1]。

随着电器技术的发展，电器及其电磁系统需要进行控制、状态显示等，比如控制其接通与分断过程，显示其电压，电流，工作状态等，这些功能的实现需要电源，特别是智能化产品中微处理器的电源，目前一般采用线性直流稳压电源或开关电源，不仅成本高，而且所占空间大[3-5]。

电器设计和生产企业正致力于促进控制电器的智能化的进展。因此，于电器产品中加入智能化模块将成为一种必然的趋势[6]。在智能模块中则包括微处理器在内等许多种的电子元件，而由这些元件所组成的电路需要直流稳压电源用以提供电能。而这些元件对工作电源又有各种不同的要求，因此为了新一代电器的发展，需要开发符合其需求的电 源[7-8]。

本文提出的控制电器内置电源是用于提供电器的智能模块的工作电源。按照控制电路所需的电压，在电器电磁系统安装适当的电器电磁系统二次线圈，作为控制电路的交流电源，通过整流元件、滤波电容与稳压元件输出控制电路所需的直流稳压 电源。

1 工作原理

电磁机构是自动化电磁电器的感测机构，并把电磁能转换为机械能的重要机构，作为电和磁的相互转化的机构，其主要是借助通电后被磁化的磁系统，产生电磁吸力使衔铁关合，并随着触头系统进行运动，打开其常闭触点，并吸合常开触点，使得电路导通。线圈失电或线圈两端电压显著降低时，电磁吸力小于弹簧反力，使得衔铁释放，触头机构复位，断开线路。

本文所研究的控制电器内置电源以电磁式接触器为本体，在接触器线圈上适当部位抽头，或绕制二次线圈，再将二次电压整流、滤波、稳压后输出作为控制电路的直流电源。

当电磁机构不需要与电源隔离时，在线圈适当部位抽头，产生输出电压，作为控制电路的交流电源；在电器控制电路电源需要与电器电磁系统线圈电源电气隔离时，按照控制电路所需的电压，在接触器线圈上适当绕制二次线圈，一次线圈通电后，二次线圈产生二次电压，再将二次电压整流、滤波、稳压后输出作为控制电路的直流电源，这有点类似于线性电源，但是在本文中却没有用到变压器，而是对电磁机构自身的优势进行充分的运用，对于智能电器小型化的实现将会有很大的帮助。

2 线圈抽头式内置电源的研究

2.1 试验方法

本课题设计的是控制电器内置电源，首先在380V 交流线圈适当部位抽出三个不同的抽头，采集其输出电压在整流、滤波和稳压后的电源信号，并带一定负载后，对一次线圈的动作特性进行测试。

三端固定式稳压模块7805 的最低工作电压是7V，最高输入电压为36V，因此对接触器线圈进行抽头时应使抽头的输出电压在这个范围内。先在线圈的三个不同部位进行抽头并测试其输出电压，根据输出电压适当调整抽头的部位，为了获得7V、12V和16V 的电压，进行计算并最终加工后获得三个处于工作电压范围的抽头。加工后的三个抽头的实际输出电压为：A3-7.3V；A4-11.6V；A5-15.2V。

线圈二次侧的输出电压和电流的采集电路中的电压互感器采用的是微型电压互感HPT304A，其一次输入电压为0～1000V，二次输出电压为0～10V，额定电流比为2mA/2mA。

2.2 电压感应试验

首先在一次线圈通交流电压，测得三个抽头A3、A4、A5 输出的电压波形如图1所示。

从图1可以看出在一次线圈通交流电时，二次线圈的三个抽头所输出的电压信号是具有不同的有效值的正弦波，抽头A3、A4 和A5 的输出电压有效值分别为7.32V、12.0V 和15.2V，有效值均在在7V到35V 之间，将这三个输出电压进行整流、滤波、稳压后的波形如图2所示。

如图2所示，将三个抽头的输出电压进行处理后所得的直流电压可以作为单片机的供电电源。因此线圈抽头后，抽头输出的二次电压在经过处理后可以用于单片机的工作电源，证明该方案可行。

图1 各抽头的输出电压波形

图2 各抽头处理后的输出电压波形

3 线圈外绕式内置电源的研究

3.1 二次线圈匝数计算方法

本文是在220V 交流线圈外绕制二次线圈以产生感应电压，以便为智能模块提供所需的电压。由于不知道所研究的接触器线圈匝数，无法根据变压器原理来计算二次线圈所需的匝数，本课题采用试绕的办法求出一次线圈匝数。首先在接触器线圈外部绕制50 匝的线圈，然后在接触器的线圈触头上通市电，测得市电的电压为227V，并测得二次线圈输出电压为3.78V，该电压不满足工作电压的要求。根据变压器原理，一次电压和二次电压之比等于一次线圈匝数和二次线圈匝数之比，因此，计算得到一次线圈的匝数为N1=227×50/3.78=3002.65 匝。根据该线圈匝数可知，当一次电压为227V 时，为了使二次线圈输出电压大于7V，其匝数应多于92.59匝，为了便于在测试中改变输出电压的大小，先在线圈上绕制的二次绕组匝数为180 匝，所得电压为13.6V，通过计算得到N11=227×180/13.6=3004.41匝，两次计算的误差为（3004.41-3002.65）/3002.65×100%=0.06%。

3.2 二次线圈交流电压感应试验

本文设计的控制电器内置电源，在交流接触器线圈中经过计算试验后对线圈合理地进行了二次线圈的绕制，采集二次线圈输出电压在整流、滤波和稳压后的电源信号，并带一定负载后，对一次线圈的动作特性进行测试。本文绕制了匝数为180 匝的二次线圈。在一次线圈通电后测得二次线圈输出电压波形如图3所示。

图3 线圈外绕180 匝时的输出电压波形

从图3中可以看出线圈在外绕180 匝线圈时输出电压有效值为15.3V 的电压，将该电压经过整流、滤波、稳压处理后能够得到如图4所示的波形。

如图4所示，外绕的二次线圈的输出电压进行处理后所得的直流电压可以作为单片机的供电电源。因此线圈外绕后输出的二次电压在经过处理后可以用于单片机的工作，证明该方案可行。

图4 二次线圈处理后的输出电压波形

4 结论

本文以电磁式交流接触器为本体，对其电磁机构内置电源进行可行性分析，解决电器智能化的电源成本和体积问题。在研究中主要设计了两种不同方法制作的接触器内置电源在交流电路和直流电路中工作的可行性。研究后发现这两种内置电源的设计方案在交流线路中都能够用于提供单片机正常工作所需的电源电压。

[1] 王红卫.电力电子技术常用控制电器的作用与分类[J].黑龙江科技信息，2010(7): 15.

[2] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2001.

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