程 靜努爾買買提阿布都拉蘇 樂

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)實驗室，新疆烏魯木齊，830047)

近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源的消耗不斷加劇，“節(jié)能環(huán)?！背蔀闀r代命題[1]。習(xí)總書記在十九大報告中提出“青山綠水就是金山銀山”，各國呼吁建設(shè)資源節(jié)約型社會，增強可持續(xù)發(fā)展能力[2-3]。如何高效地利用資源、降低能耗，成為電氣工程的重要任務(wù)，其重中之重就是電氣設(shè)備的節(jié)能問題[4-5]。

隨著控制技術(shù)的不斷進(jìn)步及控制系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加，電磁閥技術(shù)與控制技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)相結(jié)合，已被廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)和生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域[6-11]。目前，工業(yè)和電氣工程領(lǐng)域普遍使用水、油或氣體介質(zhì)的電磁閥，且大多場合仍采用傳統(tǒng)的直接驅(qū)動方式，即依據(jù)額定參數(shù)，以額定電源直接驅(qū)動。這種方式簡單方便，但由于啟動后電磁閥鐵芯與線圈間距減小、電磁力增大，電磁閥線圈流過大的工作電流，引起線圈發(fā)熱，長期持續(xù)的大電流工況將縮短閥體壽命，增大設(shè)備故障率，同時造成電能浪費，嚴(yán)重時可能會影響到整個系統(tǒng)的安全性。

因此，設(shè)計了一種節(jié)能電磁閥驅(qū)動電路，通過降低電磁閥的工作電流和電壓，以及抑制線圈發(fā)熱的措施，以降低電磁閥的功耗，并保障其安全運行。

1 電磁閥工作原理

電磁閥種類繁多，按結(jié)構(gòu)來分，主要分為3 大類:直動式、分步直動式和先導(dǎo)式，其核心部件是動鐵芯、定鐵芯、線圈和彈簧等。無論哪種電磁閥，都是依據(jù)電磁原理，在通電線圈中產(chǎn)生電磁力，借助彈簧控制鐵芯的運動，實現(xiàn)閥門的開合。

目前，在工業(yè)和電氣工程領(lǐng)域廣泛使用直動式電磁閥，其原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。將線圈通電時，電流流過線圈，產(chǎn)生電磁力，電磁力通過彈簧作用將動鐵芯提起，控制動鐵芯向上運動，使閥門打開；線圈斷電時，電磁力消失，彈簧復(fù)位迫使動鐵芯向下運動，使閥門關(guān)閉。

圖1 直動式電磁閥原理結(jié)構(gòu)圖

因線圈與動鐵芯間存在較大磁路間隙，具有較高磁阻，通電時，線圈需流經(jīng)足夠大的電流，才能產(chǎn)生足夠大的電磁力，保障動鐵芯運動到位[12]。因此，電磁閥的工作電流較大，一般情況下都在幾百毫安以上，若設(shè)備運行過程中同時使用多個電磁閥，其消耗的電能也較大[13]。

以一個FDZ-DC 12 V 電磁閥為例。其直流電阻為40 Ω，當(dāng)采用12 V 全額電壓啟動時，線圈電流達(dá)300 mA，電磁閥功率為3.6 W。長時間工作時，電磁閥消耗的電能隨著通電時間的增加而增加，期間伴隨著器件發(fā)熱，導(dǎo)致閥門密閉性和機械性能降低。同時，電源持續(xù)工作于大電流狀態(tài)，負(fù)擔(dān)加重，電路的安全性降低。

2 驅(qū)動電路的設(shè)計

由電磁閥的工作原理可知，在電磁閥開啟時，需要大電流的原因是為了產(chǎn)生大的電磁力，保障鐵芯的動作一次性到位。而一旦鐵芯動作到位，電磁閥完成打開動作之后，就不再需要如此大的電流來維持了。因此，為了降低電磁閥功耗，節(jié)約能源，且保障其安全穩(wěn)定運行，以FDZ-DC 12V 直動式電磁閥為研究對象，設(shè)計了一種節(jié)能驅(qū)動電路。

2.1 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)及工作原理

電磁閥驅(qū)動電路由直流電源、電壓調(diào)節(jié)電路、延時控制電路及電磁閥保護電路4 個部分組成，電路圖如圖2 所示。

圖2 電磁閥驅(qū)動電路

15 V 直流電源電壓同時為延時控制電路和調(diào)壓電路供電。電路通電前，電容C1初始電壓為0 V，硅三極管VT1處于截止?fàn)顟B(tài)。通電后，驅(qū)動電路工作過程分兩個階段:第1 階段，15 V 電源通過電阻R1向電容C1充電，電容電壓逐漸上升。從0 V 增加到0.7 V之前，三極管VT1始終處于截止?fàn)顟B(tài)，集電極電阻R3對后續(xù)電壓調(diào)節(jié)電路無影響，三端穩(wěn)壓器LM317 輸出電壓為電磁閥額定電壓12 V，電磁閥全壓啟動，此時線圈流過300 mA 大電流。全額驅(qū)動電壓與分壓電阻R4、R5有關(guān)，由式(1)計算。第2 階段，當(dāng)電容C1被充電，電壓提升至0.7 V 后，三極管VT1導(dǎo)通，電容C1電壓繼續(xù)升高至1.7 V 時，三極管VT1進(jìn)入飽和狀態(tài)，電阻R3與R4并聯(lián)，且與R5的分壓總電阻減小，電磁閥電壓降低，線圈電流降低。

2.2 驅(qū)動電路元器件參數(shù)與選型

由驅(qū)動電路工作原理可知，電路性能取決于2個參數(shù)指標(biāo)，即驅(qū)動電路啟動第1 階段的全額電壓值和延遲時間(電磁閥的快速性指標(biāo))。

(1)全額驅(qū)動電壓

全額驅(qū)動電壓與分壓電阻R4、R5有關(guān)，由式(1)計算[14]。

式中:VEV為電磁閥額定電壓，單位為V；R4、R5為分壓電阻，單位為Ω。

(2)延遲時間

延遲時間是指電容C1通電后電壓逐步升高至三極管VT1進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)的時間，即電磁閥啟動的第1 階段所需時間。它體現(xiàn)了電磁閥動作的快速性，在保障電磁閥完全動作的條件下，延遲時間越小，其快速性越好。延遲時間用τ表示，如式(2)[15]。

式中:R1、C1為延時電路中充電回路的電阻和電容，單位分別為Ω 和μF；V0為電容初始電壓值，V1為電容最高充電電壓值(即直流電源電壓值)，Vt為t時刻電容兩端的電壓值，三者單位均為V。

由式(1)和式(2)對電路中各部分元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和選型，如表1 所示。

表1 電路元器件參數(shù)設(shè)置與選型

依照表1 進(jìn)行元器件參數(shù)設(shè)置與選型后，幾個關(guān)鍵參量的理論計算值為:(1)第1 階段全壓啟動:電磁閥電壓VEV＝12.18 V，電流IEV＝297 mA，功率PEV＝3.62 W。經(jīng)τ＝440 ms 后三極管VT1飽和導(dǎo)通，進(jìn)入第2 階段。一般情況下，12 V 電磁閥的通電時間為80 ms～150 ms，440 ms 延遲時間足以保障電磁閥動作完畢。(2)第2 階段:電磁閥電壓VEV＝7.08 V，電流IEV＝173 mA，功率PEV＝1.21 W。

3 仿真分析

依照圖2 電路結(jié)構(gòu)及表1 中元器件參數(shù)設(shè)置及選型，在multisim 軟件平臺搭建電路仿真模型，如圖3 所示。

圖3 multisim 仿真電路圖

圖3 仿真電路中，電磁閥用40Ω 電阻RX代替，用示波器A、B 兩通道分別觀測電磁閥電壓及電流波形，如圖4 所示。其中，電流量用電流探針以0.01 V/mA 的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換為電壓量，送入示波器B 通道進(jìn)行觀測。

從圖4 仿真波形圖可讀出:(1)第1 階段全壓啟動:電磁閥電壓VEV＝12.06 V，電流IEV＝299 mA，此時電磁閥功率PEV＝3.61 W。經(jīng)τ＝433 ms 后進(jìn)入第2 階段。(2)第2 階段:電磁閥電壓VEV＝7.18 V，電流IEV＝180 mA，功率PEV＝1.29 W。

由此可知，仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致，誤差很小，在允許范圍內(nèi)。

圖4 multisim 仿真運行結(jié)果

4 實驗測試

搭建圖2 的實物電路，如圖5 所示。

圖5 驅(qū)動電路實物圖

4.1 電路節(jié)能效果

從圖5 的實物電路圖，經(jīng)測量得電磁閥相關(guān)參數(shù)實測值:(1)第1 階段全壓啟動:電磁閥電壓VEV＝11.95 V，電流IEV＝298 mA，此時電磁閥功率PEV＝3.56 W。電磁閥在極短時間內(nèi)動作完畢，進(jìn)入第2階段。(2)第2 階段:電磁閥電壓VEV＝7.12 V，電流IEV＝180 mA，功率PEV＝1.26 W。

將理論計算值、仿真數(shù)據(jù)、實際測量值，放入表2 中，進(jìn)行對比分析。

表2 電磁閥驅(qū)動電路指標(biāo)參數(shù)值

由表2 中數(shù)據(jù)對比分析可知，理論值、仿真數(shù)據(jù)與實際測量值基本一致，且誤差很小，在允許范圍內(nèi)。引用該驅(qū)動電路后，在保障電磁閥動作的快速性及安全性的基礎(chǔ)上，每個電磁閥能夠節(jié)能64%以上。

4.2 電磁閥溫度特性

對FDZ-DC 12V 電磁閥實物電路進(jìn)行測溫實驗，利用數(shù)字溫度計測量電磁閥線圈的表面溫度，測量總時長為60 min，采樣周期為5 min，環(huán)境溫度25 ℃。直接驅(qū)動及節(jié)能驅(qū)動時，電磁閥線圈的溫度特性如圖6 所示。

圖6 電磁閥線圈的溫度特性曲線

由圖6 可以看出，采用直接驅(qū)動方式給電磁閥通電時，線圈溫度以大約1 ℃/min 的速度迅速上升，持續(xù)運行35 min 左右，線圈表面溫度達(dá)到50 ℃，此時內(nèi)部溫度已經(jīng)達(dá)70 ℃以上。電磁閥線圈長期持續(xù)工作于高溫發(fā)熱狀態(tài)，容易燒毀線圈，造成電磁閥故障，嚴(yán)重時還可能引起電路火災(zāi)，大大降低電路安全性。當(dāng)采用節(jié)能驅(qū)動電路后，線圈溫度小幅度增加，持續(xù)運行25 min 左右達(dá)到29 ℃后基本維持不變，在此溫度下電磁閥能夠保持正常穩(wěn)定工作狀態(tài)。

5 結(jié)束語

電磁閥是一種用電磁控制流體介質(zhì)的工業(yè)自動化設(shè)備執(zhí)行元件，用于調(diào)整控制系統(tǒng)中介質(zhì)的方向、流量、速度等參數(shù)。它與其他電路配合使用，以保證控制的精度和靈活性，在控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。設(shè)計了一種電磁閥驅(qū)動電路，對其性能指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了理論分析計算，并在multisim 軟件仿真平臺搭建電路模型，進(jìn)行仿真分析驗證，最后制作了實物電路，并進(jìn)行實驗分析驗證，三者結(jié)果一致。并由驗證結(jié)果得到以下結(jié)論:

(1)節(jié)能驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，通電后能保證電磁閥正常啟動及安全運行，加裝于電路中切實可行。

(2)工作時，電磁閥通電全額電壓啟動后，在極短時間(440 ms 左右)內(nèi)降壓、降流。在保證電磁閥完整動作到位的基礎(chǔ)上，一方面，降低了電磁閥的消耗功率，節(jié)能效果達(dá)64%以上；另一方面，降壓、降流，減輕了電源及閥體的負(fù)擔(dān)，提高了電路的安全性，并延長了設(shè)備及器件使用壽命。

(3)采用節(jié)能驅(qū)動電路后，電磁閥線圈溫度大大降低，長期持續(xù)運行時，能夠保證線圈表面溫度穩(wěn)定于29 ℃以下，解決了由線圈發(fā)熱引發(fā)的閥門密閉性、機械性能降低的問題，大大提高了電路的安全性及穩(wěn)定性。