WO2017159070A1 - 電磁接触器の操作コイル駆動装置 - Google Patents

電磁接触器の操作コイル駆動装置 Download PDF

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直之 松尾
貴裕 田口
昌弘 元信
堤　貴志
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Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
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    • H03K17/64—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors having inductive loads

Definitions

  • the present invention relates to an operation coil drive device for an electromagnetic contactor that opens and closes a current supplied to an electrical load device such as an electric motor.
  • the electromagnetic contactor generates a suction force for attracting the movable iron core to the fixed iron core by energization of the operation coil constituting the electromagnet device, and brings the movable contact into contact with and away from the fixed contact. This opens and closes the electric circuit between the single-phase power source or the three-phase power source and the load device.
  • various proposals have been made for coil drive circuits used in electromagnetic contactors (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • a semiconductor switching element that supplies a power supply voltage to the operation coil, a voltage detection circuit that detects the power supply voltage, and a setting level signal that corresponds to the detection voltage of the voltage detection circuit are output and set.
  • a gain circuit that outputs a holding level signal higher than the input level signal based on the detected voltage after the set time, a reference wave generating circuit that generates a sawtooth wave, a sawtooth wave of the reference wave generating circuit, Comparison of the input level signal of the gain circuit and output of the input pulse signal with a fixed period After the set time, the sawtooth wave and the holding level signal are compared, and the on / off time ratio (duty A comparator that outputs a holding pulse signal with a small ratio), and a supply pulse signal and a holding pulse signal of the comparison circuit are supplied to the semiconductor switching element.
  • Coil driving apparatus of an electromagnet having a pulse output circuit is disclosed.
  • Patent Document 1 a large attractive force is required at the time of closing control in which the iron core gap of the electromagnet is large (that is, the fixed contact and the movable contact are separated), so that the coil is excited with a large current,
  • the iron core gap of the electromagnet is large (that is, the fixed contact and the movable contact are separated)
  • the coil is excited with a large current
  • Patent Document 2 a main current control element connected in series with a winding of an electromagnet is provided, and the main current control element initially operates as a switch for passing an “attraction” current through the operation coil winding. And then acts as a current limiter that limits the current to a lower "hold” level.
  • Patent Document 2 includes a capacitor to which a diode and / or a switching element is connected. This capacitor is switched from “suction” to “hold” to obtain a counter charge and a capacitor at the time of switching off. It is connected across the windings. As a result, the capacitor can be discharged to the operating coil winding, and the main current control element is switched off to supply the electromagnetic force in the direction opposite to the eddy current held in the core. As a result, the capacitor controls the electromagnet that gives a magnetizing force in the opposite direction to the direction of the magnetizing force of the eddy current after the main current control element is switched off by discharging to the operating coil winding. This circuit is disclosed.
  • Patent Document 2 in order to shorten the release time of the electromagnet when the movable contact is released from the holding state of the electromagnet movable contact, a capacitor is connected in parallel to the coil and the electromagnet is turned off.
  • a technique for reducing the release time of the electromagnet by applying the magnetizing force in the reverse direction of the electromagnet by storing the operation coil current in the capacitor and discharging the electric charge in the reverse direction is shown.
  • the conventional operation coil drive device for an electromagnetic contactor has the following problems. Normally, when the electromagnetic contactor changes from an off state to an on state, a large coil current is passed to move the movable iron core from the released state to the attracted state, and when the attracted state is reached, the operating coil current is reduced. It has been switched to. Therefore, it is necessary to flow a large current through the operation coil when shifting to the suction state, and the operation coil generates self-heating due to the current, and the DC resistance value of the operation coil changes due to this self-heating. That is, since the value of the current flowing through the operation coil depends on the coil DC resistance in addition to the inductance component of the operation coil, the change due to self-heating of the coil DC resistance of the operation coil cannot be ignored.
  • the operation coil uses a wire with a relatively low resistivity, such as enameled copper wire material, so the coil resistance is low at low temperatures, and it operates in an environment where the ambient temperature is high even if a drive current can be applied to attract the movable iron core.
  • the direct current resistance value of the operating coil increases with respect to the low temperature, so that a current sufficient to attract the movable iron core cannot flow.
  • the present invention has been made paying attention to the problems of the conventional example described above, and without using a temperature detector for the operating coil, the operating resistance value of the operating coil is confirmed, and an appropriate operating coil current suitable for the operating conditions is obtained. It is an object of the present invention to provide an operation coil drive device for an electromagnetic contactor that can be obtained.
  • an operation coil drive device for an electromagnetic contactor is an electromagnetic contactor that controls a power supply voltage to be applied to an operation coil wound around a fixed iron core that attracts a movable iron core.
  • a current detection unit that detects a current flowing through the operation coil by switching control, a coil voltage detection unit that detects a voltage between terminals of the operation coil during the switching control, and semiconductor switching that switches and applies a power supply voltage to the operation coil
  • a drive control unit that controls to increase the ON / OFF time ratio of the element at the time of closing control and to decrease it at the time of holding control.
  • the drive control unit calculates the inductance of the operation coil for calculating the inductance of the operation coil by the sampling time of the coil current flowing through the operation coil immediately after the start of the circuit control, and the calculation result of the circuit operation inductance calculation unit Based on the calculation result of the closed circuit control resistance value calculation unit for calculating the direct current resistance value of the operating coil based on the calculation result of the closed circuit control resistance value calculation unit, the on / off time ratio during the closed circuit control of the semiconductor switching element is corrected. And a switching correction unit for closing control.
  • an optimum coil for performing a reliable movable iron core suction operation without being affected by temperature change or the like on an operation coil wound around a fixed iron core that sucks the movable iron core Current control is possible, and reliable operation of the magnetic contactor can be realized.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a specific configuration of a drive control unit in FIG. 3. It is a signal waveform diagram which shows operation
  • an electromagnetic contactor 10 applicable to the present invention includes a lower case 11 made of an insulating material, an upper case 12 made of an insulating material mounted on the upper portion of the lower case 11, and an upper case 12. And an arc extinguishing cover 13 made of an insulating material that covers and covers the upper opening.
  • a pair of left and right fixed contacts 15A and 15B and terminal plates 16A and 16B are fixed to the intermediate wall of the upper case 12 at a predetermined interval.
  • the fixed contact 15A and the terminal plate 16A are connected to an external power supply 17, and the fixed contact 15B and the terminal plate 16B are connected to a load device 18 such as an inverter that drives an electric device such as an electric motor.
  • An electromagnet device 21 is housed in the space of the lower case 11 and the lower space of the space below the intermediate wall of the upper case 12.
  • the electromagnet device 21 includes a pair of left and right fixed iron cores 21a and 21b, an operation coil 21d wound around the outer circumference of one fixed iron core 21a via a coil holder 21c, and a coil holder 21c on the outer circumference of the other fixed iron core 21b.
  • the movable contact mechanism 22 is housed in an internal space that sandwiches the intermediate wall portion of the upper case 12.
  • the movable contact mechanism 22 includes a contact support 23 and a connecting portion 24 that fixes the movable iron core 21 i of the electromagnet device 21, and is connected to an upper portion of the movable contact holder 25.
  • a single plate-like movable contact 26 facing the fixed contacts 15A and 15B from above, and an upper portion of the contact support 23, and a spring biasing force is applied downward to the movable contact 26.
  • a plurality of contact pressure springs 27 are provided, and a plurality of return springs 28 are arranged between the magnetic pole plates 21g and 21h and the connecting portion 24 and bias the movable iron core 21i away from the fixed iron cores 21a and 21b.
  • the electromagnetic contactor 10 having the above-described configuration has a current flowing in the operation coils 21d and 21e of the fixed iron cores 21a and 21b in an open state in which the movable contact 26 is spaced upward from the fixed contacts 15A and 15B shown in FIG.
  • Due to the strong magnetic flux generated in the fixed iron cores 21a and 21b an attractive force to the movable iron core 21i is generated in the fixed iron cores 21a and 21b.
  • the attractive force is proportional to the product of the coil current flowing through the operation coils 21d and 21e and the number of windings wound around the operation coils 21d and 21e.
  • the movable iron core 21i is attracted downward by a suction force generated in the fixed iron cores 21a and 21b after a certain period of time after the operation coils 21d and 21e are started to be driven, and as shown in FIG. 15B is contacted by the contact pressure of the contact pressure spring 27. For this reason, the magnetic contactor 10 is in a closed state, and the electric power from the external power supply 17 is supplied to the load device 18. Further, the electromagnetic contactor 10 incorporates an operation coil driving device 30 shown in FIG. 3 in order to flow current to the operation coils 21d and 21e.
  • the operation coil drive device 30 includes a rectifier circuit 33 to which a coil power source 31 that is a single-phase AC power source or a three-phase AC power source is connected via an operation switch 32.
  • the operation switch 32 is controlled by a switching signal from the outside that controls the electromagnetic contactor 10 to an on state (closed state) and an off state (open state).
  • the rectifier circuit 33 includes a number of rectifier diodes or the like corresponding to the type of the coil power supply 31, and supplies a DC voltage obtained by rectifying an AC voltage to the following circuits via the positive electrode side line Lp and the negative electrode side line Ln.
  • the operation coil drive device 30 includes an input voltage detection circuit 34 and a drive control unit 35 connected in parallel between the positive line Lp and the negative line Ln of the rectifier circuit 33.
  • the input voltage detection circuit 34 detects the output voltage of the rectifier circuit 33 using, for example, voltage dividing means using a resistance element, and supplies it to the drive control unit 35.
  • the drive control unit 35 includes an arithmetic processing circuit 35a such as a microprocessor, for example.
  • the drive control unit 35 is supplied with the output voltage of the rectifier circuit 33 directly as an operation power supply. When the output voltage of the rectifier circuit 33 is a high voltage, the drive control unit 35 operates from a low voltage power supply such as a voltage regulator circuit. Power is supplied.
  • the operation coil driving device 30 includes a current detection resistor element 36 connected in series with the operation coils 21d and 21e of the electromagnetic contactor 10 connected in series between the positive line Lp and the negative line Ln of the rectifier circuit 33. And a semiconductor switching element 40. That is, one end of the operation coils 21d and 21e connected in series is connected to the positive electrode side line Lp of the rectifier circuit 33, and one end of the current detection resistor element 36 is connected to the other end of the operation coils 21d and 21e. ing.
  • the operation coil drive device 30 includes a coil voltage processing circuit 37 as a voltage detection unit connected between both ends of the operation coils 21d and 21e and a coil current as a current detection unit connected to both ends of the current detection resistance element 36.
  • a processing circuit 38 and a pulse generation circuit 39 connected to the control electrode of the semiconductor switching element 40 are provided.
  • the output of the coil voltage processing circuit 37 is input to the drive control unit 35, and the output of the coil current processing circuit 38 is also input to the drive control unit 35. Outputs of the drive control unit 35 (the input control signal C and the holding control signal D) are input to the pulse generation circuit 39.
  • the operation coil drive device 30 having the above configuration is a circuit that appropriately controls the coil current supplied to the operation coils 21 d and 21 e of the electromagnet device 21.
  • the operation coil drive device 30 generally drives the operation coils 21d and 21e so that the movable iron core 21i is attracted to the fixed iron cores 21a and 21b, and further, the operation coils 21d and 21e maintain the attracted state. Drive.
  • the semiconductor switching element 40 can be realized by, for example, a MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor) or a bipolar transistor. In the case of an N-type MOS-FET, the control electrode of the semiconductor switching element 40 is used as a gate terminal. The high potential side electrode corresponds to the drain terminal, and the low potential side electrode corresponds to the source terminal.
  • MOS-FET Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor
  • the semiconductor switching element 40 switches the output DC voltage of the rectifier circuit 33 by an on / off signal from the pulse generation circuit 39. As a result, a coil current flows through the operation coils 21d and 21e. At this time, a voltage obtained by subtracting the voltage across the current detection resistor element 36 and the saturation voltage of the semiconductor switching element 20 from the output voltage of the rectifier circuit 33 is generated at both terminals of the operation coils 21d and 21e. The voltage across the operation coils 21d and 21e is input to the coil voltage processing circuit 37.
  • the semiconductor switching element 40 an element whose saturation voltage is sufficiently smaller than the output voltage of the rectifier circuit 33 is selected as the semiconductor switching element 40. Thereby, element damage due to the influence of the package thermal resistance of the semiconductor switching element can be prevented.
  • the current sensing resistor element 36 is operated coil 21d when turned pulse, to withstand the large current flowing in 21e, the resistance ⁇ current 2 considering package heat-resistant temperature of the current detecting resistor element 36 to select the minute resistance value . Further, a resistance value that is sufficiently smaller than the output voltage of the rectifier circuit 33 is selected for the voltage across both terminals of the current detection resistor element 36.
  • the semiconductor switching element 40 switches the output DC voltage of the rectifier circuit 33 by an on / off signal supplied from the pulse generation circuit 39. As a result, a coil current flows through the operation coils 21d and 21e. The magnitude of the coil current is determined by the power supply voltage, the resistance values and inductance values of the operation coils 21d and 21e, and the on-time of the semiconductor switching element 40.
  • the current detection resistance element 36 detects the coil current flowing through the operation coils 21 d and 21 e and outputs it to the coil current processing circuit 38.
  • the drive control unit 35 performs a closing control for attracting the movable iron core 21i to the fixed iron cores 21a and 21b and a holding control for maintaining the subsequent attracting state.
  • the specific configuration of the drive control unit 35 accurately measures fluctuation factors other than the power supply voltage, such as variations in resistance values of the operation coils 21d and 21e and changes in the operation coil resistance due to a rise in coil temperature.
  • an arithmetic processing circuit 35a composed of, for example, a microprocessor is mounted.
  • the drive control unit 35 includes, for example, at least two analog / digital converters (hereinafter referred to as ADC) 35b and 35c.
  • the drive control unit 35 is equipped with at least two first timers 35d and second timers 35e in order that the arithmetic processing circuit 35a and the pulse generation circuit 39 have a pulse width modulation (PWM) control function.
  • PWM pulse width modulation
  • the first timer 35d is used as a timer for determining the PWM period, and it is desirable that the period exceeds a dozen KHz outside the audible frequency.
  • the second timer 35e is used to determine the time for turning on the semiconductor switching element 40 and exciting the operation coils 21d and 21e.
  • the time (or duty ratio) for exciting the operation coils 21d and 21e determined by the first timer 35d is set large during the closed circuit control and set small during the holding control with respect to the PWM cycle determined during the closed circuit control. .
  • a fixed period immediately after the start of the closing control of the operation coils 21d and 21e a period Ts during which the operation coils 21d and 21e are excited, and a constant cycle during the holding control.
  • a period Th for exciting the period operation coils 21d and 21e is provided.
  • the operation coil voltage applied to the operation coils 21 d and 21 e is taken into the drive control unit 35 via the coil voltage processing circuit 37.
  • the coil current flowing through the operation coils 21 d and 21 e is converted into a voltage signal by the current detection resistance element 36, and further taken into the drive control unit 35 via the coil current processing circuit 38.
  • the output signal of the coil voltage processing circuit 37 is taken into one ADC 35b mounted on the drive control unit 35 and converted into digital data.
  • the output signal of the coil current processing circuit 38 is taken into another ADC 35c mounted on the drive control unit 35 and converted into digital data.
  • the specific configuration of the arithmetic processing circuit 35a is as follows: a closing control inductance calculating unit 51 that performs closing control, a closing control resistance value calculating unit 52, a closing control on-time ratio setting unit 53, and a closing control.
  • An hour switching correction unit 54 is provided.
  • the arithmetic processing circuit 35 a includes a holding control time inductance calculating unit 55 that performs holding control, a holding control time resistance value calculating unit 56, a holding control time period setting unit 57, and a holding control time switching correction unit 58.
  • the closing control inductance calculating unit 51 calculates the closing control inductance L MAG at the start of closing control.
  • the closing control is started when the operation switch 32 is turned on as shown in FIG. 5A as shown in FIG.
  • a PWM cycle of tens of kHz or more outside the audible frequency is set to a duty ratio of 100% for a certain period Ts.
  • the current flowing through the operation coils 21d and 21e increases as shown in FIG. 5B, and then the duty ratio is reduced to, for example, 50% after a certain period of time Ts has elapsed. Increase the flowing current gently.
  • the duty ratio is further reduced to reduce the current flowing through the operation coils 21d and 21e.
  • the movable contact 26 comes into contact with the fixed contacts 15A and 15B and the electromagnetic contactor 10 is turned on as shown in FIG.
  • the duty ratio is increased to about 50%, and the current flowing through the operation coils 21d and 21e is increased to the peak current.
  • the closing control period is ended, and a holding control period described later is entered.
  • the PWM cycle is set to the time ⁇ T and the duty ratio becomes 100%. Therefore, the operation coils 21d and 21e are charged with the current i (n) represented by the following expression.
  • n 0, 1, 2,...
  • the variables of the above equation (1) are as follows. i: charging current V MAG of the operating coils 21d, 21e: charging voltage L MAG of the operating coils 21d, 21e: inductance R MAG : closing resistance of the operating coils 21d, 21e R MAG : DC resistance value R during closing control of the operating coils 21d, 21e S : current detection resistance value ⁇ T: sampling time
  • i charging current V MAG of the operating coils 21d
  • 21e charging voltage L MAG of the operating coils 21d
  • 21e inductance
  • R MAG closing resistance of the operating coils 21d
  • R MAG DC resistance value R during closing control of the operating coils 21d
  • 21e S current detection resistance value
  • ⁇ T sampling time
  • I (1) is measured by the coil current processing circuit 38, and V MAG is measured by the coil voltage processing circuit 37.
  • ⁇ T is a predetermined sampling time, that is, a PWM cycle. Therefore, the calculation of the equation (2) is performed by the closed circuit control inductance calculation unit 51, and the closed circuit control inductance LMAG is calculated.
  • the closed circuit control resistance value calculation unit 52 calculates the closed circuit control resistance value R MAG based on the closed circuit control inductance L MAG calculated by the closed circuit control inductance calculation unit 51. That is, when the exponential function part of the above-described equation (1) is expanded by Fourier series, the current flowing through the operation coils 21d and 21e is
  • the current detection resistance value R S actually used is R MAG >> R S (5) compared to the DC resistance value R MAG of the operation coils 21d and 21e. If R S ⁇ 0 in equation (4), the DC resistance value R MAG can be calculated for an appropriate n.
  • the contactor portion that is, the contact portion of the electromagnetic contactor 10 has inductances of the operation coils 21d and 21e because the space gap between the fixed iron cores 21a and 21b and the movable iron core 21i is small as shown in FIG. Increases from the above-described closed control inductance LMAG to the holding control inductance L' MAG .
  • the holding control time inductance calculation unit 55 calculates the holding control time inductance L ′ MAG . That is, if the above-described equation (2) is used, the current in the holding control mode can be expressed by the following equation (6).
  • i (1) is measured by the coil current processing circuit 38
  • V MAG is measured by the coil voltage processing circuit 37
  • i (h) is a preset current that determines the current flowing through the operation coils 21d and 21e during the holding control.
  • ⁇ T is a predetermined sampling time, that is, a PWM cycle.
  • the inductance L of the operation coils 21d and 21e in the holding control is calculated by substituting i (1), i (h), VMAG and ⁇ T into the equation (6) in the holding control inductance calculating unit 55.
  • ′ MAG can be calculated.
  • the holding control resistance value calculation unit 56 can calculate the holding control resistance value R MAG by performing the following expression (7) using the above-described expression (3).
  • the current detection resistance value R S actually used is sufficiently smaller than the DC resistance R MAG of the operation coils 21d and 21e, and the above formula (5) is applied, and if R S ⁇ 0 is set in the formula (7), an appropriate value is obtained.
  • the DC resistance value R MAG at the time of holding control can be calculated for n.
  • the non-volatile memory 35f connected to the arithmetic processing circuit 35a mounted on the drive control unit 35 includes the inductance and DC resistance value of the operation coil at the start of closing in the closing control of the electromagnetic contactor at the time of factory shipment. If the electromagnetic contactor 10 is in the normal operation state after shipment, the inductance and the DC resistance value of the operation coils 21d and 21e at the time of closing control and holding control are calculated and confirmed. can do.
  • the temperature coefficient ⁇ of the wire used for the copper wire is
  • the change in the resistance value of the current operating state with respect to the factory shipment can be obtained from the direct current resistance value of the operating coil 21d, 21e at the time of factory shipment and the DC resistance value of the operation coil 21d, 21e in the current operation state with the following (9 ).
  • ⁇ Tmp the temperature change of the operation state with respect to the factory shipment
  • ⁇ R Coil DC resistance of operating conditions - Factory Operation coil DC resistance
  • R init an operation coil DC resistance value of the factory.
  • the pulse generation circuit 39 supplies the semiconductor switching element 40 to the semiconductor switching element 40 within a period in which the input control signal C is at “H” level.
  • An ON / OFF signal for closing control is output, and an ON / OFF signal for holding control is output to the semiconductor switching element 40 within a period in which the holding control signal D is at “H” level.
  • the on-time ratio of the on / off signal for closing control is set to be larger than the on-time ratio of the on / off signal for holding control. .
  • the on-time ratio at the time of closing control has an on-time ratio pattern determined within this period.
  • the on-time ratio during the holding control is a fixed ratio and is determined at the time of shipment from the factory.
  • the operating temperature environment described above is different from that at the time of factory shipment. That is, there is an influence of a change in the ambient temperature in the operation state and a change in the temperature of the operation coil due to self-heating due to the operation of the electromagnetic contactor. Under the influence of the temperature change of the operation coils 21d and 21e, the operation coil 21d and 21e are affected by the temperature change shown in the equation (9). Therefore, if the on-time ratio at the closing control is D (1) and the on-time ratio at the holding control is D (2), it is necessary to correct each by the equation (9). By this correction, the coil current control can be realized by appropriately correcting the coil current in the operation coils 21d and 21e.
  • the on-time ratio D (1) set by the on-time ratio setting unit 53 at the closing control is corrected by the switching correction unit 54 at the closing control by the following equation (10),
  • the input control signal C is output to the pulse generation circuit 39.
  • the on-time ratio D (2) set by the holding control on-time ratio setting unit 57 is corrected by the holding control-time switching correction unit 58 by the following equation (11), and the holding control signal D is output to the pulse generation circuit 39.
  • the switching correction unit 54 at the time of closing control and the switching correction unit 58 at the time of holding control Due to the correction performed by the switching correction unit 54 at the time of closing control and the switching correction unit 58 at the time of holding control, the temperature of the operation coils 21d and 21e is detected by the temperature detection unit, and the current drive of the operation coil is corrected. And the best electromagnetic contactor can be realized.
  • the on / off time ratio of the switching element that switches and applies the power supply voltage to the operation coil that drives the movable core of the magnetic contactor is increased during the closing control, and the holding control is performed.
  • a coil drive circuit of an electromagnetic contactor that is controlled to be small in some cases, by operating while checking the rate of change of the resistance value of the operating coil, it is possible to reliably drive the iron core without being affected by temperature changes.
  • Optimal coil current control for performing iron core holding drive can be performed, and reliable operation of the magnetic contactor 10 can be realized.
  • the closed circuit control inductance calculation unit 51, the closed circuit control resistance value calculation unit 52, the holding control time inductance calculation unit 55, and the holding control time resistance value calculation unit 56 perform calculation using an approximate expression by Fourier series expansion, As the arithmetic processing circuit 25a, a microprocessor having a low arithmetic processing capability can be applied. In addition, by providing the calculation process of the resistance value of the operating coil in both the closing control and holding control processes, it is possible to grasp the fluctuation of the resistance value of the operating coil during the holding control process.
  • the semiconductor switching element 40 is not limited to being interposed between the operation coils 21d and 21e and the negative electrode side line Ln, but may be inserted between the operation coils 21d and 21e and the positive electrode side line Lp. Good. Further, the current detection resistance element 36 and the semiconductor switching element 40 are interchanged, and the operation coils 21d and 21e, the semiconductor switching element 40, and the current detection resistance element 36 are arranged in series between the positive electrode side line Lp and the negative electrode side line Ln. You may make it connect.
  • the present invention is not limited to this, and the inductance and the DC resistance value during the holding control are not limited thereto. Monitoring may be omitted.
  • the closed loop control inductance calculation unit 51, the closed loop control resistance value calculation unit 52, the holding control time inductance calculation unit 55, and the holding control resistance value calculation unit 56 are approximated by Fourier series expansion. Although the case where the calculation is performed has been described, the present invention is not limited to this, and the calculation may be performed using the expressions (1) and (3) and the corresponding expressions without using the approximate expression. Good.
  • the drive control unit 35 is not limited to being configured by an arithmetic processing circuit 35a such as a microprocessor, but may be configured by combining a logic circuit, a comparator, an arithmetic circuit, and the like.
  • the configuration of the electromagnetic contactor 10 is not limited to the configuration of FIG. 1 and FIG. 2, as long as the movable contact can be connected to and separated from the other fixed contact by the operation coil. The present invention can be applied to electromagnetic contactors having various configurations.
  • Electromagnetic contactor 11 ... Lower case, 12 ... Upper case, 13 ... Arc-extinguishing cover, 15A, 15B ... Fixed contact, 16A, 16B ... Terminal board, 17 ... External power supply, 18 ... Load apparatus, 21 ... Electromagnetic device, 21a, 21b ... fixed iron core, 21c ... coil holder, 21d, 21e ... operating coil, 21f ... yoke, 21g, 21h ... magnetic pole plate, 21i ... movable iron core, 22 ... movable contact mechanism, 23 ... contact support, 24 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Connection part, 25 ... Movable contact holder, 26 ...
  • Movable contact 27 ... Contact pressure spring, 28 ... Return spring, 30 ... Operation coil drive device, 31 ... Coil power supply, 32 ... Operation switch, 33 ... Rectifier circuit, 34 ... Input voltage detection circuit, 35 ... Drive control unit, 35a ... Arithmetic processing circuit, 35b, 35c ... Analog / digital converter (ADC), 35d ... First timer, 35e Second timer, 35f ... Non-volatile memory, 36 ... Current detection resistance element, 37 ... Coil voltage processing circuit, 38 ... Coil current processing circuit, 39 ... Pulse generation circuit, 40 ... Semiconductor switching element, 51 ... Inductance calculation during closing control , 52... Resistance value calculation unit during closing control, 53... ON time ratio setting unit during closing control, 54. Switching correction unit during closing control, 55. Inductance calculation unit during holding control, 56. , 57... ON time ratio setting unit during holding control, 58...

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Abstract

操作コイルの動作抵抗値を確認し動作条件にあった適切な操作コイル電流を得ることができる電磁接触器の操作コイル駆動装置を提供する。電磁接触器の操作コイルをスイッチング制御する際に流れる電流及び端子間電圧を検出する電流及び電圧検出部（３７），（３８）と、操作コイルに電源電圧をスイッチングして印可する半導体スイッチング素子のオン・オフの時間比率を閉路制御時では大きくし、保持制御時には小さくするように制御する駆動制御部（３５）とを備え、駆動制御部は、閉路制御時の開始直後において操作コイルのインダクタンスを演算する閉路制御時インダクタンス演算部（５１）と、その演算結果に基づいて操作コイルの直流抵抗値を演算する閉路制御時抵抗値演算部（５２）と、その演算結果に基づいて半導体スイッチング素子の閉路制御時のオン・オフ時間比率を補正する閉路制御時スイッチング補正部（５４）とを有している。

Description

電磁接触器の操作コイル駆動装置
　本発明は、電動モータ等の電気的負荷機器に供給する電流を開閉する電磁接触器の操作コイル駆動装置に関するものである。
　電磁接触器は、電磁石装置を構成する操作コイルの通電によって固定鉄心に可動鉄心を吸引する吸引力を発生させて、固定接触子に対して可動接触子を接離させる。これにより、単相電源や三相電源と負荷機器間の電路を開閉する。
　電磁接触器に用いられるコイル駆動回路としては、従来、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１及び２参照）。
　特許文献１では、前記操作コイルに電源電圧を供給する半導体スイッチング素子と、前記電源電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路の検出電圧に応じた投入用レベル信号を出力し、且つ設定された時間の後にその検出電圧に基づいて投入用レベル信号よりも高い保持用レベル信号を出力するゲイン回路と、鋸波を発生する基準波発生回路と、この基準波発生回路の鋸波と前記ゲイン回路の投入用レベル信号を比較して一定周期の投入用パルス信号を出力設定時間後に前記鋸波と保持用レベル信号とを比較して前記投入用パルス信号よりもオン・オフ時間比率（デューテイ比とも言う）の小さな保持用パルス信号を出力する比較器と、この比較回路の投入パルス信号と保持用パルス信号を前記半導体スイッチング素子に供給するパルス出力回路を備えた電磁石のコイル駆動装置が開示されている。
　すなわち、この特許文献１では、電磁石の鉄心ギャップが大きい（すなわち、固定接点と可動接点が離間している）閉路制御時では大きな吸引力が必要であるので、大きな電流でコイルを励磁する一方、鉄心が吸着状態になり鉄心ギヤップのない保持制御時では比較的小さな電流で操作コイルを励磁しても保持が可能であるので、できるだけコイル電流を少なくして電力消費を低減する技術が示されている。
　また、特許文献２では、電磁石の巻線に直列接続した主電流制御素子を具備し、前記主電流制御素子は前記操作コイル巻線を介して「吸引」電流を通過させるスイッチとして初めは動作し、そして次いで上記電流を上記より低い「保持」レベルに制限する電流リミツタとして動作するものである。そして、特許文献２では、ダイオードおよび／またはスイッチング素子を接続されたキャパシタを具備し、このキャパシタは「吸引」から「保持」に切り換えられて反対電荷を得る期間およびスイッチ・オフのときのキャパシタを上記巻線にまたがって接続するものである。その結果キャパシタは操作コイル巻線に放電することができて主電流制御素子がスイッチ・オフされて後コア内に保持された渦電流に対向した向きの電磁力を供給するものである。その結果キャパシタは操作コイル巻線に放電して主電流制御素子がスイッチ・オフされた後において渦電流の磁化力の方向とは異なる逆の方向の磁化力を与えるようにした電磁石を制御するための回路が開示されている。
　すなわち、この特許文献２では、電磁石の可動接触子の保持状態から可動接触子を釈放する釈放状態とするときの電磁石の釈放時間を短縮するために、コンデンサをコイルに並列に接続し電磁石オフ後の操作コイル電流をコンデンサに蓄え、この電荷を逆方向に放電させることにより、電磁石の逆方向の磁化力を印可して電磁石の釈放時間を低減する技術が示されている。
特開平１－１３２１０８号公報 特開昭５７－７８１１４号公報
　しかしながら、従来の電磁接触器の操作コイル駆動装置には、次のような課題がある。通常、電磁接触器がオフ状態からオン状態に変化する閉路動作時に大きなコイル電流を流して可動鉄心を釈放状態から吸着状態に移行させ、その吸着状態になったときに操作コイル電流を低減するように切り替えている。
　したがって、吸着状態に移行させるときに操作コイルには大きな電流を流す必要があり、操作コイルには電流による自己発熱が発生し、この自己発熱により操作コイルの直流抵抗値が変化する。すなわち、操作コイルに流れる電流値は操作コイルが持つインダクタンス成分以外にコイル直流抵抗に依存するため、操作コイルが持つコイル直流抵抗の自己発熱による変化を無視できない。
　操作コイルは比較的抵抗率の小さな電線、例えばエナメル銅線材料を使用するので、低温時にはコイル抵抗が低く、可動鉄心を吸着させるだけの駆動電流が流せていても、周囲温度が高い環境で動作させる場合や自己発熱により操作コイル自身の温度が高い場合には、操作コイルの直流抵抗値が低温時に対して増加するので可動鉄心を吸着させるだけの電流が流せなくなる。
　このため、電磁接触器ではこの周囲温度変化や自己発熱による動作温度の最悪条件を見込んで、操作コイル電流に余裕を持たせる電流設定にしている。したがって、操作コイルに流す電流は必要な電流より大きな電流を流すようにしている。
　そこで、本発明は、上記従来例の課題に着目してなされたもので、操作コイルに温度検出部を用いることなく操作コイルの動作抵抗値を確認し動作条件にあった適切な操作コイル電流を得ることができる電磁接触器の操作コイル駆動装置を提供することを目的としている。
　上記目的を達成するため、本発明に係る電磁接触器の操作コイル駆動装置の一態様は、可動鉄心を吸引する固定鉄心に巻かれた操作コイルに電源電圧をスイッチング制御して印可する電磁接触器と、スイッチング制御により操作コイルを流れる電流を検出する電流検出部と、スイッチング制御中の操作コイルの端子間電圧を検出するコイル電圧検出部と、操作コイルに電源電圧をスイッチングして印可する半導体スイッチング素子のオン・オフの時間比率を閉路制御時では大きくし、保持制御時には小さくするように制御する駆動制御部とを備えている。そして、駆動制御部は、閉路制御時の開始直後において操作コイルを流れるコイル電流のサンプリング時間で操作コイルのインダクタンスを演算する閉路制御時インダクタンス演算部と、この閉路制御時インダクタンス演算部の演算結果に基づいて操作コイルの直流抵抗値を演算する閉路制御時抵抗値演算部と、この閉路制御時抵抗値演算部の演算結果に基づいて半導体スイッチング素子の閉路制御時のオン・オフ時間比率を補正する閉路制御時スイッチング補正部とを有している。
　本発明の一態様によれば、可動鉄心を吸引する固定鉄心に巻かれた操作コイルに対して、温度変化などの影響を受けることなく、確実な可動鉄心の吸引動作を行うための最適なコイル電流制御ができ、電磁接触器の確実な動作を実現できる。
本発明を適用し得る電磁接触器の一例を示す開極状態の断面図である。 本発明を適用し得る電磁接触器の一例を示す閉極状態の断面図である。 操作コイル駆動装置を示すブロック図である。 図３の駆動制御部の具体的構成を示すブロック図である。 図３の操作コイル駆動装置の動作を示す信号波形図である。
　次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。
　以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
　また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
　以下、本発明の第１の実施の形態である電磁接触器の操作コイル駆動装置の一態様について説明する。
　先ず、本発明に適用し得る電磁接触器１０は、図１に示すように、絶縁材からなる下ケース１１と、下ケース１１の上部に装着した絶縁材からなる上ケース１２と、上ケース１２の上部開口を覆って装着した絶縁材からなる消弧カバー１３とで構成されている。
　上ケース１２の中間壁には、左右一対の固定接触子１５Ａ，１５Ｂ及び端子板１６Ａ，１６Ｂが所定間隔を保って固定されている。
　固定接触子１５Ａ及び端子板１６Ａは、外部供給電源１７に接続され、固定接触子１５Ｂ及び端子板１６Ｂは、電動機等の電気機器を駆動するインバータ等の負荷装置１８に接続されている。
　下ケース１１の空間部及び上ケース１２中間壁より下側の空間部下部空間には、電磁石装置２１が収納されている。この電磁石装置２１は、左右一対の固定鉄心２１ａ，２１ｂと、一方の固定鉄心２１ａの外周にコイルホルダ２１ｃを介して巻回された操作コイル２１ｄと、他方の固定鉄心２１ｂの外周にコイルホルダ２１ｃを介して巻回された操作コイル２１ｅと、一対の固定鉄心２１ａ，２１ｂの下部端面に当接して設けたヨーク２１ｆと、一対の固定鉄心２１ａ，２１ｂの上部端面に当接して設けた磁極板２１ｇ，２１ｈと、磁極板２１ｇ，２１ｈに対向して配置された可動鉄心２１ｉとを備えている。
　また、上ケース１２の中間壁部を挟む内部空間に可動接点機構２２が収納されている。
　可動接点機構２２は、接点支え２３及び電磁石装置２１の可動鉄心２１ｉを固定する連結部２４を備えて上下方向に移動自在に配置された可動接点ホルダ２５と、可動接点ホルダ２５の上部に連結され、固定接触子１５Ａ及び１５Ｂに上方から対向している１枚の板状の可動接触子２６と、接点支え２３の上部に連結されて可動接触子２６に対して下方に向けてばね付勢力を付与する接圧スプリング２７と、磁極板２１ｇ，２１ｈと連結部２４との間に複数配置され、可動鉄心２１ｉを固定鉄心２１ａ，２１ｂから離れる方向に付勢する復帰スプリング２８とを備えている。
　上記構成を有する電磁接触器１０は、図１に示す固定接触子１５Ａ及び１５Ｂに対して可動接触子２６が上方に離間した開極状態で、固定鉄心２１ａ，２１ｂの操作コイル２１ｄ，２１ｅに電流を流すことで固定鉄心２１ａ，２１ｂの透磁率により強い磁束を発生させる。固定鉄心２１ａ，２１ｂに発生した強い磁束により可動鉄心２１ｉに対する吸引力が固定鉄心２１ａ，２１ｂに発生する。なお、吸引力は操作コイル２１ｄ，２１ｅに流すコイル電流と操作コイル２１ｄ，２１ｅに巻かれた巻線回数との積に比例する。
　操作コイル２１ｄ，２１ｅを駆動開始後一定時間経て固定鉄心２１ａ，２１ｂに発生する吸引力により、可動鉄心２１ｉが下方に吸引され、図２に示すように、可動接触子２６が固定接触子１５Ａ及び１５Ｂに接圧スプリング２７の接触圧で接触する。このため、電磁接触器１０が閉極状態となり、外部供給電源１７の電力が負荷装置１８に供給される。
　また、電磁接触器１０は、操作コイル２１ｄ及び２１ｅに電流を流すために、図３に示す操作コイル駆動装置３０を内蔵している。
　この操作コイル駆動装置３０は、単相交流電源または三相交流電源であるコイル電源３１が運転スイッチ３２を介して接続される整流回路３３を備えている。運転スイッチ３２は、電磁接触器１０をオン状態（閉極状態）とオフ状態（開極状態）に制御する外部からの切り替え信号によって制御される。整流回路３３は、コイル電源３１の形式に応じた数の整流ダイオードなどで構成され、以下の各回路に交流電圧を整流した直流電圧を正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎを介して供給する。
　また、操作コイル駆動装置３０は、整流回路３３の正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に並列に接続された入力電圧検出回路３４と駆動制御部３５とを備えている。入力電圧検出回路３４は例えば抵抗素子による電圧分圧手段を用いて整流回路３３の出力電圧を検出し駆動制御部３５に供給する。駆動制御部３５は、例えばマイクロプロセッサ等の演算処理回路３５ａを含んで構成されている。この駆動制御部３５は、整流回路３３の出力電圧が直接動作電源として供給されているが、整流回路３３の出力電圧が高電圧である場合には、例えば電圧レギュレータ回路などによる低電圧電源から動作電源が供給される。
　さらに、操作コイル駆動装置３０は、整流回路３３の正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に直列に接続された電磁接触器１０の操作コイル２１ｄ及び２１ｅと直列に接続された電流検出抵抗素子３６と半導体スイッチング素子４０とを備えている。すなわち、整流回路３３の正極側ラインＬｐには、直列に接続された操作コイル２１ｄ、２１ｅの一端が接続され、操作コイル２１ｄ、２１ｅの他端には、電流検出抵抗素子３６の一端が接続されている。
　また、電流検出抵抗素子３６の他端には、半導体スイッチング素子４０の高電位側電極が接続されている。半導体スイッチング素子４０の低電位側電極には、整流回路３３の負極側ラインＬｎが接続されている。
　そして、操作コイル駆動装置３０は、操作コイル２１ｄ，２１ｅの両端間に接続された電圧検出部としてのコイル電圧処理回路３７と電流検出抵抗素子３６の両端に接続された電流検出部としてのコイル電流処理回路３８と、半導体スイッチング素子４０の制御電極に接続されたパルス発生回路３９とを備えている。コイル電圧処理回路３７の出力は駆動制御部３５に入力され、コイル電流処理回路３８の出力も駆動制御部３５に入力される。駆動制御部３５の出力（投入制御信号Ｃ、保持制御信号Ｄ）は、パルス発生回路３９に入力される。
　また、操作コイル２１ｄ，２１ｅと電流検出抵抗素子３６の直列回路には、還流回路を構成するダイオード素子４１が並列接続されている。
　上記構成を有する操作コイル駆動装置３０は、電磁石装置２１の操作コイル２１ｄ，２１ｅに供給するコイル電流を適切に制御する回路である。
　ここで、操作コイル駆動装置３０は、一般には、可動鉄心２１ｉを固定鉄心２１ａ，２１ｂに吸着させるように操作コイル２１ｄ，２１ｅを駆動し、さらに、吸着状態を保持するように操作コイル２１ｄ，２１ｅを駆動する。
　なお、可動鉄心２１ｉを固定鉄心２１ａ，２１ｂに吸着させるようにする制御を閉路制御と称し、その後の吸着状態を保持する制御を保持制御と称す。また、可動鉄心２１ｉを固定鉄心２１ａ，２１ｂから離間させる制御は開路制御と称す。
　半導体スイッチング素子４０は、例えば、ＭＯＳ－ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ－Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やバイポーラトランジスタなどで実現できるが、Ｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴの場合は、半導体スイッチング素子４０の前記制御電極がゲート端子に、高電位側電極がドレイン端子に、さらに、低電位側電極がソース端子にそれぞれ相当する。
　半導体スイッチング素子４０は、パルス発生回路３９からオン・オフ信号によって整流回路３３の出力直流電圧をスイッチングするようになっている。これによって、操作コイル２１ｄ，２１ｅにコイル電流が流れる。このときに、操作コイル２１ｄ，２１ｅの両端子には整流回路３３の出力電圧から電流検出抵抗素子３６の両端電圧と半導体スイッチング素子２０の飽和電圧分を差し引いた電圧が発生する。この操作コイル２１ｄ，２１ｅの両端電圧は、コイル電圧処理回路３７に入力される。
　ただし、一般的には、半導体スイッチング素子４０としては、その飽和電圧が整流回路３３の出力電圧に比べ充分小さな素子を選択する。これにより、半導体スイッチング素子の持つパッケージ熱抵抗の影響による素子破損を防止することができる。また、電流検出抵抗素子３６は、投入パルス時に操作コイル２１ｄ，２１ｅに流す大きな電流に耐えるように、抵抗×電流２が電流検出抵抗素子３６のパッケージ耐熱温度を考慮し微小な抵抗値を選定する。さらに、電流検出抵抗素子３６の両端子電圧が整流回路３３の出力電圧に比べ充分小さな抵抗値を選定する。
　半導体スイッチング素子４０は、パルス発生回路３９から供給されるオン・オフ信号によって整流回路３３の出力直流電圧をスイッチングするようになっている。これによって、操作コイル２１ｄ，２１ｅにコイル電流が流れる。コイル電流の大きさは、電源電圧と操作コイル２１ｄ，２１ｅの抵抗値およびインダクタンス値と半導体スイッチング素子４０のオン時間によって決まる。電流検出抵抗素子３６は、操作コイル２１ｄ，２１ｅに流れるコイル電流を検出し、コイル電流処理回路３８に出力する。
　駆動制御部３５は、可動鉄心２１ｉを固定鉄心２１ａ，２１ｂに吸着させる閉路制御と、その後の吸着状態を維持する保持制御とを行う。この駆動制御部３５の具体的構成は、図４に示すように、操作コイル２１ｄ，２１ｅの抵抗値のばらつきやコイル温度上昇による操作コイル抵抗の変化など電源電圧以外の変動要因を正確に計測するために、例えばマイクロプロセッサで構成される演算処理回路３５ａを搭載している。また、駆動制御部３５は、例えば少なくとも２個のアナログ／デジタル変換器（以下、ＡＤＣと記載する）３５ｂ，３５ｃを搭載している。さらに、駆動制御部３５は、演算処理回路３５ａおよびパルス発生回路３９に、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御機能を持たせるため少なくとも２個の第１タイマ３５ｄ及び第２タイマ３５ｅを搭載している。このうち第１タイマ３５ｄはＰＷＭ周期を決定するタイマに使用し、またその周期は可聴周波数外の十数ＫＨｚを越えていることが望ましい。
　また、第２タイマ３５ｅは、半導体スイッチング素子４０をオンさせて操作コイル２１ｄ，２１ｅを励磁する時間を決定するのに使用する。この場合に、閉路制御時には決められたＰＷＭ周期に対し、第１タイマ３５ｄで定める操作コイル２１ｄ，２１ｅを励磁する時間（あるいは、Ｄｕｔｙ比）を閉路制御時には大きく設定し、保持制御時には小さく設定する。
　すなわち、本実施形態では、図５（ｄ）に示すように、操作コイル２１ｄ，２１ｅの閉路制御の開始直後の一定期間、操作コイル２１ｄ，２１ｅを励磁する期間Ｔｓと保持制御中一定サイクルで一定期間操作コイル２１ｄ，２１ｅを励磁する期間Ｔｈを設けている。これらの設定された期間Ｔｓおよび期間Ｔｈでは、操作コイル２１ｄ，２１ｅに印可されている操作コイル電圧がコイル電圧処理回路３７を経由して駆動制御部３５に取り込まれる。また、操作コイル２１ｄ，２１ｅを流れるコイル電流は電流検出抵抗素子３６で電圧信号に変換され、さらに、コイル電流処理回路３８を経由して駆動制御部３５に取り込まれる。ここで、コイル電圧処理回路３７の出力信号は駆動制御部３５に搭載された１つのＡＤＣ３５ｂに取り込まれデジタルデータに変換される。
　また、コイル電流処理回路３８の出力信号は駆動制御部３５に搭載されたもう一つのＡＤＣ３５ｃに取り込まれデジタルデータに変換される。
　演算処理回路３５ａの具体的構成は、図４に示すように、閉路制御を行なう閉路制御時インダクタンス演算部５１、閉路制御時抵抗値演算部５２、閉路制御時オン時間比率設定部５３及び閉路制御時スイッチング補正部５４を備えている。
　また、演算処理回路３５ａは、保持制御を行なう保持制御時インダクタンス演算部５５、保持制御時抵抗値演算部５６、保持制御時オン時間比率設定部５７及び保持制御時スイッチング補正部５８を備えている。
　閉路制御時インダクタンス演算部５１は、閉路制御の開始時に、閉路制御時インダクタンスＬＭＡＧを演算する。
　閉路制御は、図５に示すように、運転スイッチ３２が図５（ａ）に示すようにオン状態となったときに開始される。閉路制御の開始直後は、可聴周波数外の十数ｋＨｚ以上のＰＷＭ周期を一定期間Ｔｓの間Ｄｕｔｙ比１００％とする。これにより、操作コイル２１ｄ，２１ｅを流れる電流が図５（ｂ）に示すように増加し、その後、一定期間Ｔｓが経過した後にＤｕｔｙ比を例えば５０％に低下させて、操作コイル２１ｄ，２１ｅに流れる電流を緩やかに増加させる。その後、固定鉄心２１ａ，２１ｂに可動鉄心２１ｉが吸引されて可動接触子２６が固定接触子１５Ａ，１５Ｂに移動を開始すると、Ｄｕｔｙ比をさらに低下させて操作コイル２１ｄ，２１ｅに流れる電流を減少させる。その後、図５（ｄ）に示すように、可動接触子２６が固定接触子１５Ａ，１５Ｂに接触して、電磁接触器１０が、図５（ｃ）に示すように、オン状態となると、再度Ｄｕｔｙ比を５０％程度まで増加させて操作コイル２１ｄ，２１ｅに流れる電流をピーク電流まで増加させる。
　そして、操作コイル２１ｄ，２１ｅに流れる電流がピーク電流に達すると、閉路制御期間を終了して後述する保持制御期間に移行する。
　ここで、閉路制御の開始直後の一定期間Ｔｓでは、ＰＷＭ周期を時間ΔＴとおき、Ｄｕｔｙ比１００％となるので、操作コイル２１ｄ，２１ｅには以下の式で示す電流ｉ(n)が充電される。
　すなわち、閉路制御時に操作コイル２１ｄ，２１ｅに充電される充電電流ｉ(n)は、下記（１）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ｎ＝０，１，２，・・・
ここで、上記（１）式の変数は以下の通りである。
ｉ　　　　　：操作コイル２１ｄ，２１ｅの充電電流
ＶＭＡＧ　　：操作コイル２１ｄ，２１ｅの充電電圧
ＬＭＡＧ　　：操作コイル２１ｄ，２１ｅの閉路制御時インダクタンス
ＲＭＡＧ　　：操作コイル２１ｄ，２１ｅの閉路制御時直流抵抗値
ＲＳ　　　：電流検出抵抗値
ΔＴ　 　：サンプリング時聞
　さらに、演算処理回路３５ａでの内部演算を簡素化するために、（１）式の指数関数部をフーリエ級数展開すると、次式のように近似可能である。ｎ＝１のときの操作コイル２１ｄ，２１ｅを流れる電流ｉ(1)は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 であり、ｉ(1)はコイル電流処理回路３８で計測され、ＶＭＡＧはコイル電圧処理回路３７で計測される。ΔＴは予め決められたサンプリング時間すなわちＰＷＭ周期である。したがって、この（２）式の演算を閉路制御時インダクタンス演算部５１で行なって、閉路制御時インダクタンスＬＭＡＧを演算する。
　また、閉路制御時抵抗値演算部５２は、閉路制御時インダクタンス演算部５１で演算した閉路制御時インダクタンスＬＭＡＧをもとに閉路制御時抵抗値ＲＭＡＧを演算する。
　すなわち、前述した（１）式の指数関数部をフーリエ級数展開すると、操作コイル２１ｄ，２１ｅを流れる電流は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 と展開できる。
　そして、（２）式および（３）式より、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 が得られる。実際使用する電流検出抵抗値ＲＳは操作コイル２１ｄ，２１ｅの直流抵抗値ＲＭＡＧに比べ
　ＲＭＡＧ≫ＲＳ　・・・（５）
であり、（４）式においてＲＳ≒０と置くと、適当なｎに対し直流抵抗値ＲＭＡＧを演算できる。したがって、閉路制御時抵抗値演算部５２で、（４）式でＲＳ≒０とし、この（４）式にコイル電流処理回路３８で測定したコイル電流ｉ(n)、処理回数ｎ、ｎ＝１のときの操作コイル２１ｄ，２１ｅを流れる電流ｉ(１)、閉路制御時インダクタンスＬＭＡＧ、ＰＷＭ周期ΔＴを代入して演算を行なうことにより、閉路制御時直流抵抗値ＲＭＡＧを演算することができる。
　一方、閉路制御期間を終了して保持制御期間に移行し、前記保持制御中一定サイクルで一定期間操作コイル２１ｄ，２１ｅを励磁する期間Ｔｈを設けた場合の制御について記載する。
　保持制御では、電磁接触器１０のコンタクタ部すなわち接点部は図２で示しているように固定鉄心２１ａ，２１ｂと可動鉄心２１ｉ間の空間ギャップが小さくなっている関係から操作コイル２１ｄ，２１ｅのインダクタンスは、前述した閉制御時インダクタンスＬＭＡＧから保持制御時インダクタンスＬ′ＭＡＧへと増加する。
　このため、保持制御時インダクタンス演算部５５で、保持制御時インダクタンスＬ′ＭＡＧを演算する。
　すなわち、前述した（２）式を流用すると、保持制御モードでの電流は下記（６）式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　ここで、ｉ(1)はコイル電流処理回路３８で計測され、ＶＭＡＧはコイル電圧処理回路３７で計測される。ｉ（ｈ）は保持制御時の操作コイル２１ｄ，２１ｅに流れる電流を決定する予め設定された設定電流である。△Ｔは予め決められたサンプリング時間すなわちＰＷＭ周期である。
　したがって、保持制御時インダクタンス演算部５５で、（６）式にｉ(１)、ｉ（ｈ）、ＶＭＡＧ及びΔＴを代入して演算することにより、保持制御における操作コイル２１ｄ，２１ｅのインダクタンスＬ′ＭＡＧを演算することができる。
　保持制御時抵抗値演算部５６は、前述した（３）式を流用した下記（７）式の演算を行なうことにより、保持制御時抵抗値ＲＭＡＧを演算することができる。
　すなわち、前述した（１）式の指数関数部をフーリエ級数展開した前記（３）式に対応する電流と、前記（６）の電流とから下記（７）式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　実際使用する電流検出抵抗値ＲＳは操作コイル２１ｄ，２１ｅの直流抵抗ＲＭＡＧに比べ十分に小さく前述した（５）式を適用し、（７）式においてＲＳ≒０と置くと、適当なｎに対し保持制御時直流抵抗値ＲＭＡＧが計算できる。
　したがって、保持制御時抵抗値演算部５６で、（７）式でＲＳ≒０とし、この（７）式にコイル電流処理回路３８で測定したコイル電流ｉ(n)、設定電流ｉ（ｈ）、処理回数ｎ、ｎ＝１のときの操作コイル２１ｄ，２１ｅを流れる電流ｉ(１)、保持制御時インダクタンスＬ′ＭＡＧ及びＰＷＭ周期ΔＴを代入して演算を行なうことにより、保持制御時直流抵抗値ＲＭＡＧを演算することができる。
　以上により、電磁接触器の可動接触子２６の釈放状態あるいは接触状態にかかわらず１サンプリングの測定結果とｎサンプリングの測定結果から、閉路制御における投入開始時の操作コイル２１ｄ，２１ｅのインダクタンスＬＭＡＧ及び直流抵抗値ＲＭＡＧを制御回路１５で確認することができる。
　これに加えて、保持制御における前記操作コイル２１ｄ，２１ｅのインダクタンスＬ′ＭＡＧ及び同直流抵抗値ＲＭＡＧの確認を一定周期で行なうシーケンスを駆動制御部３５に搭載することが可能となる。
　したがって、例えば、工場出荷時の電磁接触器の閉路制御時における投入開始時の操作コイルのインダクタンスおよび直流抵抗値を駆動制御部３５に搭載されている演算処理回路３５ａに接続された不揮発性メモリ３５ｆ内に格納しておけば、電磁接触器１０が出荷後の通常運転状態であったとしても、閉路制御時及び保持制御時の操作コイル２１ｄ，２１ｅのインダクタンスおよび同直流抵抗値を演算して確認することができる。
　ここで、操作コイル２１ｄ，２１ｅの巻線に、例えばエナメル被覆された銅線を使用すると銅線に使用する線材の温度係数αは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 である。したがって、前記工場出荷時の操作コイル２１ｄ，２１ｅの直流抵抗値と現状運転状態の操作コイル２１ｄ，２１ｅの直流抵抗値から、現状運転状態の工場出荷時に対する抵抗値変化を求めることが下記（９）により可能となる。ここで、工場出荷時に対する運転状態の温度変化をΔＴｍｐで表すと、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 となる。ここで、
　△Ｒ　：運転状態の操作コイル直流抵抗値－工場出荷時の操作コイル直流抵抗値
　Ｒｉｎｉｔ：工場出荷時の操作コイル直流抵抗値
である。
　一方、パルス発生回路３９は、駆動制御部３５からの運転信号が“Ｈ”レベル（オン状態）であるときに、投入制御信号Ｃが“Ｈ”レベルである期間内で、半導体スイッチング素子４０に閉路制御用オン・オフ信号を出力し、保持制御信号Ｄが“Ｈ”レベルにある期間内で、半導体スイッチング素子４０に保持制御用のオン・オフ信号を出力する。
　本実施の形態では、図５（ｄ）に示すように、閉路制御用のオン・オフ信号のオン時間比率は、保持制御用のオン・オフ信号のオン時間比率よりも大きくなるようにしている。また、閉路制御時のオン時間比率はこの期間内で定められたオン時間比率パターンを持つ。さらに、保持制御時のオン時間比率は固定比率で工場出荷時に定められている。
　しかし、電磁接触器が運転状態にあるとき、工場出荷時とは先に記載の動作温度環境が変わる。すなわち、運転状態の周囲温度の変化と電磁接触器の運転による自己発熱による操作コイルの温度変化の影響が存在する。前記操作コイル２１ｄ，２１ｅの温度変化の影響により，（９）式で示した温度変化による影響を受けることとなる。
　したがって、前記閉路制御時のオン時間比率をＤ(1)、前記保持制御時のオン時間比率をＤ(2)とおくと、それぞれに対して（９）式で補正する必要がある。この補正により操作コイル２１ｄ，２１ｅにはコイル電流に適正な補正を行うことでコイル電流制御が実現できる。
　具体的には、閉路制御時オン時間比率設定部５３で設定されたオン時間比率Ｄ(1)に対して、閉路制御時スイッチング補正部５４で、以下の（１０）式で示す補正を行ない、投入制御信号Ｃとしてパルス発生回路３９へ出力する。
　同様に、保持制御時オン時間比率設定部５７で設定されたオン時間比率Ｄ(2)に対して、下記の（１１）式で示す補正を保持制御時スイッチング補正部５８で行い、保持制御信号Ｄとしてパルス発生回路３９へ出力する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　この閉路制御時スイッチング補正部５４及び保持制御時スイッチング補正部５８で行なう補正により、操作コイル２１ｄ，２１ｅの温度を温度検出部で検出することなく、温度変動の影響を補正した操作コイルの電流駆動が可能になり、最善の電磁接触器を実現することが可能となる。
　このように上記実施の形態によれば、電磁接触器の可動鉄心を駆動する操作コイルに電源電圧をスイッチングして印可するスイッチング素子のオン・オフ時間比率を、閉路制御時では大きくし、保持制御時では小さくするように制御する電磁接触器のコイル駆動回路において、操作コイルの抵抗値の変化率を確認しながら運転することで、温度変化などの影響を受けることなく、確実に鉄心吸着駆動ならびに鉄心保持駆動を行うための最適なコイル電流制御ができ、電磁接触器１０の確実な動作が実現できる。
　また、閉路制御時インダクタンス演算部５１、閉路制御時抵抗値演算部５２、保持制御時インダクタンス演算部５５、保持制御時抵抗値演算部５６でフーリエ級数展開による近似式を用いて演算を行なうので、演算処理回路２５ａとして演算処理能力の低いマイクロプロセッサ等を適用することができる。
　また、操作コイルの抵抗値の演算過程を閉路制御時および保持制御時の両過程に設けることで、保持制御過程での操作コイルの抵抗値変動を把握することが可能であり、同時に、電磁接触器１０において閉路制御時と保持制御時に接触器の構造に関与して操作コイルのインダクタンスが変化する場合にも、操作コイルの抵抗値を正確に確認することが可能となり、正確なコイル抵抗値変動を演算し、操作コイルの対温度変化に対する適切な電流制御が可能となる。
　なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、半導体スイッチング素子４０は操作コイル２１ｄ，２１ｅと負極側ラインＬｎとの間に介挿する場合に限らず、操作コイル２１ｄ，２１ｅと正極側ラインＬｐとの間に介挿するようにしてもよい。さらに、電流検出抵抗素子３６と半導体スイッチング素子４０とを入れ替えて、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に、操作コイル２１ｄ，２１ｅ、半導体スイッチング素子４０及び電流検出抵抗素子３６の順で直列に接続するようにしてもよい。
　また、上記実施形態では、閉路制御時及び保持制御時の双方でインダクタンス及び直流抵抗値を監視する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、保持制御時におけるインダクタンス及び直流抵抗値の監視を省略するようにしてもよい。
　さらに、上記実施形態では、閉路制御時インダクタンス演算部５１、閉路制御時抵抗値演算部５２、保持制御時インダクタンス演算部５５、保持制御時抵抗値演算部５６でフーリエ級数展開による近似式を用いて演算を行なう場合について説明したが、これに限定されるものではなく、近似式を用いず、（１）式及び（３）式とこれに相当する式を使用して演算を行なうようにしてもよい。
　また、駆動制御部３５としてはマイクロプロセッサ等の演算処理回路３５ａで構成する場合に限らず、論理回路、比較器、演算回路等を組み合わせて構成することもできる。
　さらに、電磁接触器１０の構成も図１及び図２の構成に限定されるものではなく、他の固定接触子に対して可動接触子が操作コイルによって接離可能に構成されていれば、他の種々の構成の電磁接触器に本発明を適用することができる。
　１０…電磁接触器、１１…下ケース、１２…上ケース、１３…消弧カバー、１５Ａ，１５Ｂ…固定接触子、１６Ａ，１６Ｂ…端子板、１７…外部供給電源、１８…負荷装置、２１…電磁石装置、２１ａ，２１ｂ…固定鉄心、２１ｃ…コイルホルダ、２１ｄ，２１ｅ…操作コイル、２１ｆ…ヨーク、２１ｇ，２１ｈ…磁極板、２１ｉ…可動鉄心、２２…可動接点機構、２３…接点支え、２４…連結部、２５…可動接点ホルダ、２６…可動接触子、２７…接圧スプリング、２８…復帰スプリング、３０…操作コイル駆動装置、３１…コイル電源、３２…運転スイッチ、３３…整流回路、３４…入力電圧検出回路、３５…駆動制御部、３５ａ…演算処理回路、３５ｂ，３５ｃ…アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）、３５ｄ…第１タイマ、３５ｅ…第２タイマ、３５ｆ…不揮発性メモリ、３６…電流検出抵抗素子、３７…コイル電圧処理回路、３８…コイル電流処理回路、３９…パルス発生回路、４０…半導体スイッチング素子、５１…閉路制御時インダクタンス演算部、５２…閉路制御時抵抗値演算部、５３…閉路制御時オン時間比率設定部、５４…閉路制御時スイッチング補正部、５５…保持制御時インダクタンス演算部、５６…保持制御時抵抗値演算部、５７…保持制御時オン時間比率設定部、５８…保持制御時スイッチング補正部

Claims (6)

  1. 　可動鉄心を吸引する固定鉄心に巻かれた操作コイルに電源電圧をスイッチング制御して印可する電磁接触器と、
    　前記スイッチング制御により前記操作コイルを流れる電流を検出する電流検出部と、
    　前記スイッチング制御中の前記操作コイルの端子間電圧を検出するコイル電圧検出部と、
    　前記操作コイルに電源電圧をスイッチングして印可する半導体スイッチング素子のオン・オフの時間比率を閉路制御時では大きくし、保持制御時には小さくするように制御する駆動制御部とを備え、
    　前記駆動制御部は、前記閉路制御時の開始直後において前記操作コイルを流れるコイル電流のサンプリング時間で前記操作コイルのインダクタンスを演算する閉路制御時インダクタンス演算部と、該閉路制御時インダクタンス演算部の演算結果に基づいて前記操作コイルの直流抵抗値を演算する閉路制御時抵抗値演算部と、該閉路制御時抵抗値演算部の演算結果に基づいて前記半導体スイッチング素子の閉路制御時のオン・オフ時間比率を補正する閉路制御時スイッチング補正部とを有することを特徴とする電磁接触器の操作コイル駆動装置。
  2. 　閉路制御時インダクタンス演算部及び前記閉路制御時抵抗値演算部の少なくとも一方は、前記操作コイルを流れる電流と、操作コイルの端子間電圧及び直流抵抗値と、閉路制御時インダクタンスとの関係式における自然対数による指数関数をフーリエ級数展開により得られた近似式にしたがって演算を行なうことを特徴とする請求項１に記載の電磁接触器の操作コイル駆動装置。
  3. 　前記閉路制御時スイッチング補正部は、前記操作コイルの直流抵抗値の工場出荷値に対する閉路制御時における操作コイルの直流抵抗変化分から、工場出荷時に設定された操作コイルを駆動する半導体スイッチング素子の閉路制御時のオン・オフ時間比率に対する補正比率を演算することを特徴とする請求項１に記載の電磁接触器の操作コイル駆動装置。
  4. 　前記駆動制御部は、前記保持制御時に一定のサイクルで前記操作コイルを流れるコイル電流のサンプリング時間で前記操作コイルのインダクタンスを演算する保持制御時インダクタンス演算部と、該保持制御時インダクタンス演算部の演算結果に基づいて前記操作コイルの直流抵抗値を演算する保持制御時抵抗値演算部と、該保持制御時抵抗値演算部の演算結果に基づいて前記半導体スイッチング素子の保持制御時におけるオン・オフ時間比率を補正する保持制御時スイッチング補正部とを有することを特徴とする請求項１に記載の電磁接触器の操作コイル駆動装置。
  5. 　保持制御時インダクタンス演算部及び前記保持制御時抵抗値演算部の少なくとも一方は、前記操作コイルを流れる電流と、操作コイルの端子間電圧及び直流抵抗値と、保持制御時インダクタンスとの関係式における自然対数による指数関数をフーリエ級数展開により得られた近似式にしたがって演算を行なうことを特徴とする請求項４に記載の電磁接触器の操作コイル駆動装置。
  6. 　前記保持制御時スイッチング補正部は、前記操作コイルの直流抵抗値の工場出荷値に対する保持制御時における操作コイルの直流抵抗変化分から、工場出荷時に設定された操作コイルを駆動する半導体スイッチング素子の閉路制御時のオン・オフ時間比率に対する補正比率を演算することを特徴とする請求項４に記載の電磁接触器の操作コイル駆動装置。
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