智能交流接觸器智能控制電路的設計與分析

陳文桂，陳德為，呂伯欽，黃燁洋

(福州大學，福建福州350002)

智能交流接觸器智能控制電路的設計與分析

陳文桂，陳德為，呂伯欽，黃燁洋

(福州大學，福建福州350002)

介紹了智能交流接觸器的基本結構特點和功能。設計交流接觸器的控制電路實現交流接觸器的智能控制功能，包括高壓選相合閘、低壓吸持以及微電弧能量分斷等功能。之后通過Matlab軟件的Simulink仿真和分析了高壓強激磁電路。最后依靠該智能控制電路完成智能交流接觸器的動態分析。

智能交流接觸器;智能控制電路;Simulink仿真;動態特性分析

1 引言

傳統的接觸器是一種依靠觸頭閉合來實現開關功能的電器，在斷開負載瞬間動靜觸頭間會產生電弧，電弧的產生會反過來影響接觸器的三組動靜觸頭的壽命［1］。智能交流接觸器具有高壓選相合閘、低壓吸持和微電弧能量分斷等優點，為接觸器的設計提供了一種新的解決方案。

傳統的接觸器在工作過程中會有大量的能量損耗，由此降低工作時接觸器的吸持電壓可以減少接觸器的能量損耗。智能交流接觸器閉合后是依靠低壓吸持，因此可以滿足節能這一基本要求。

本文結合現有接觸器，首先對其觸頭系統進行改造，將其改造成三相不同步觸頭系統;接著對其控制電路進行重新設計，實現交流接觸器的智能化控制，即高壓選相合閘，減少動靜觸頭閉合時的電弧;低壓吸持，智能交流接觸器減少了運行時線圈的噪音，并且相對于傳統的電磁接觸器顯得更節能;通過電流傳感器檢測負載電流，并通過控制系統的恰當控制實現了智能交流接觸器的微電弧能量分閘。在明顯增加了交流接觸器的電氣壽命的基礎上，實現了交流接觸器閉合后的節能運行［2］。

2 智能交流接觸器介紹

智能交流接觸器是一種新型的控制電器［2－3］，其結構簡圖如圖1所示，主要包括機械系統和電控系統。其中，接觸器的智能特征表現為:(1)為了保證分斷時負載電流同時過零點，在原有交流接觸器的基礎上采用三相觸頭不同步的結構［4］。即B相觸頭墊高約3.8mm，這樣分斷時B相先斷開稱為首開相，A、C相后斷開稱為非首開相;(2)接觸器的閉合過程是一個高壓強激磁脈動直流的選相合閘過程;(3)接觸器閉合后是采用直流低壓進行無聲節電吸持;(4)通過檢測負載電流，當電流趨于最小值時，接觸器進行分閘，實現智能交流接觸器的微電弧能量分閘。

圖1 智能交流接觸器結構示意圖

3 智能交流接觸器的智能控制電路與分析

3.1 智能交流接觸器的控制原理

結合智能交流接觸的智能特征，以及智能交流接觸器的結構特點，可以得出智能交流接觸器的控制原理，如圖2所示。圖2表明，以STC12系列的單片機為核心的控制系統實現了智能交流接觸器閉合時的選相合閘的合閘控制，以及分閘時的微電弧能量的分閘控制［5］。接觸器的閉合過程是當電壓傳感器檢測到電源電壓過零點時，單片機通過延時確定了合閘的初始相角，然后通過控制回路1控制強激磁啟動元件的啟動，當強激磁啟動元件導通時，單相電源電壓流過整流回路1之后，直接加載到智能交流接觸器的線圈上，使智能交流接觸器的可動部件在脈動直流強激磁方式下可靠快速吸合。當吸合過程完成以后，單片機控制系統通過控制回路2導通低壓吸持回路，通過控制回路1關斷強激磁啟動元件，即智能交流接觸器的線圈斷開強激磁電路，切換到直流低壓激磁電路，使智能交流接觸器進行直流低壓吸持。在接觸分閘時，通過電流傳感器檢測負載電流，當檢測到電流趨近于最小值時，此時利用控制回路2斷開低壓吸持回路，以及依靠反力彈簧和觸頭彈簧的總彈力來完成接觸器的分閘。接觸器動靜觸頭分閘瞬間由于負載電流比較小，動靜觸頭間產生的電弧也會比較小，這樣就實現了智能交流接觸器的微電弧能量分閘。總之，智能交流接觸器的控制電路需具有選相合閘、微電弧能量分斷及直流低壓吸持等基本功能。

圖2 智能交流接觸器的控制原理

3.2 智能交流接觸器的控制電路的仿真分析

(1)MATLAB軟件的Simulink簡介

MATLAB軟件是美國Math Works公司在20世紀80年代中期推出的高性能數值計算軟件，經過不斷的開發和更新換代，該軟件已在很多的場合表現出了其卓越的功能。MATLAB中含有一個仿真集成環境Simulink，其主要功能是實現各種動態系統的建模與仿真分析。Simulink支持連續、離散系統、非線性系統以及多種類型混合等的仿真分析［6］。本文主要利用Simulink中的電路仿真分析功能。

(2)Simulink仿真模型

本文主要仿真高壓強激磁模塊，來檢查是否能實現交流接觸器的選相合閘控制，其Simulink仿真分析模型如圖3所示。主要的仿真元件有電壓檢測模塊(Voltage Measurement)、電流檢測模塊(Current Measurement)、交流電源模塊(AC Voltage Source)、整流橋模塊(Universal Bridge)、晶閘管模塊(Thyristor)、單相可控硅模塊(Gto)、RLC模塊(Series RLC Branch)、脈沖模塊(Plus)、階躍模塊(Step)以及顯示器(Scope)等。其中，交流電源電壓的峰值為220槡2V頻率為50Hz。RLC模塊表示線圈的電感和電阻，其參數值是依據物理公式算出的值，電阻值為33Ω，電感為0.0679H。脈沖模塊和階躍模塊表示單片機控制高壓強激模塊的開通和關斷的控制信號。

圖3 高壓強激磁仿真模型

(3)仿真結果與分析

通過設置脈沖模塊的觸發時間可以得到在不同的初始相角下線圈的電流波形，通過設置階躍模塊的跳變時間可以關斷強激磁電路。初始相角θ取不同值的仿真波形，如圖4所示，其中，i表示電流，u表示電源電壓，u1表示選相脈沖信號，u2表示強激磁關斷信號。從圖中可以看出，(a)改變晶閘管的觸發時間即可以進行選相，可以通過改變單相可控硅的截止時間來截止強激磁電路;(b)不同的初始相角，在第一個周期內電流的平均值是不同的，隨著相角(取值范圍0°～180°)的增大電流的平均值反而減小。這些說明了強激磁模塊可以通過改變初始相角進而實現智能交流接觸器的選相合閘功能。

圖4 初始相角θ取不同值的仿真波形圖

通過上述分析仿真模型與單片機控制系統的對照關系是通過電壓傳感器檢測電壓的過零點，然后利用單片機的延時來確定合閘的相角，通過控制回路1開通強激磁實現智能交流接觸器的選相合閘，然后利用單片機的延時，通過控制回路1關斷強激磁，通過控制回路2開通直流低壓吸持回路，使智能交流接觸器進入直流低壓吸持階段。

(4)智能交流接觸器控制電路實物

根據智能交流接觸器的控制原理與仿真結果，可以在Protel軟件中畫出電路原理圖以及完成PCB排版，智能控制電路的實物如圖5所示。

圖5 智能交流接觸器控制電路實物圖

4 智能交流接觸器智能控制下的動態特性分析

本文采用本實驗室自制的基于高速攝像機的交流接觸器測試系統對交流接觸器進行動態測試［5］，以此來驗證智能交流接觸器的控制電路。基于本文的控制電路的交流接觸器的動態特性如圖6所示，其中，y表示智能交流接觸器動鐵心的位移信號;yb表示智能交流接觸器首開相動觸頭的位移信號;ya表示智能交流接觸器非首開相動觸頭的位移信號;v表示智能交流接觸器動鐵心的速度信號;u表示電源AC220V的電壓波形，電源電壓通過整流橋整流后直接加載到智能交流接觸器的激磁線圈上，使智能交流接觸器的線圈能夠產生足夠大的電磁場;i表示智能交流接觸器線圈的電流波形。

圖6表示初始相角θ=30°時智能交流接觸器的動態特性曲線圖。圖中可以看出，動鐵心帶著動觸頭運動，在非首開相動觸頭閉合前，非首開相動觸頭、首開相動觸頭以及動鐵心的運動曲線并不完全重合在一起，非首開相動觸頭閉合后到首開相動觸頭閉合前，首開相動觸頭與動鐵心的運動曲線也不完全重合在一起，非首開相的動觸頭先閉合，這都說明了在閉合過程中非首開相動觸頭、首開相動觸頭以及動鐵心運動的不一致性。在動靜鐵心接觸后，由于軟墊的存在以及碰撞力的產生，會使動鐵心仍然往下運動一段距離，加上軟墊要復原及彈簧系統彈力的影響導致了非首開相動觸頭、首開相動觸頭以及動鐵心三者一定程度上的抖動。從圖中可以看出動鐵心的運動速度在觸動后的一段時間里的變化率不大，但是到了動靜鐵心碰撞在一起的前幾毫秒其速度急劇增大，這點說明了動靜鐵心靠的越近，電磁力越大。動靜鐵心碰撞后速度又急劇減小到零，然后由于接觸器本身系統的反作用力大于電磁吸力又使動鐵心反向運動，系統反作用力小于電磁吸力后速度再次為零，反復抖動幾個來回，動鐵心運動部件最終停止運動。

圖6 初始相角θ=30°時接觸器的動態特性

5 結論

本文基于CJ20－100A接觸器，并對其觸頭進行改造，使動觸頭在結構上具有不同步的特征。研究了其控制原理，并重點仿真了選相合閘高壓強激磁模塊。

通過高壓強激磁和低壓激磁的切換，可以得到在吸合過程中，接觸器快速吸合，吸合完成后，接觸器進入低壓吸持階段，使得接觸器實現了無聲吸持和節能的特征，并且低壓吸持時，線圈和鐵心產生的熱可以及時散去，這樣延長了接觸器的使用壽命，并降低吸持的噪音。通過引入電流傳感器檢測負載電流，當檢測到的負載電流到達程序設定的范圍時，使接觸器分閘，這個樣的分閘過程過程實現了交流接觸器的微電弧能量分閘。

［1］郭銀婷，劉向軍，繆希仁.基于磁保持繼電器的小容量交流接觸器的研究［J］.電氣開關，2013，51(5):79－82.

［2］鮑光海，張培銘.交流接觸器智能化技術研究［J］.電器與能效管理技術，2011(3):1－4.

［3］陳德為，張培銘.基于圖像測量的智能交流接觸器設計技術［J］.中國電機工程學報，2009，29(36):108－112.

［4］陳德為，張培銘.采用高速攝像機的智能交流接觸器控制及其測試裝置的研制［J］.電工電能新技術，2009，28(3):58－61.

［5］陳德為，莊煜祺，張培銘，等.基于單目視覺技術的智能交流接觸器三維動態測試與分析技術［J］.中國電機工程學報，2014(12):1931－1937.

［6］周曉蘭，張杰.MATLAB在通信系統仿真中的應用［J］.計算機技術與發展，2006，16(9):166－168.

Design and Analysis of IntelligentControl Circuit for IntelligentAC Contactor

CHEN Wen-gui，CHEN De-wei，LV Bo-qin，HUANG Ye-yang
(Fuzhou University，Fuzhou 35002，China)

This paper introduces the basic structure and feature of intelligent AC contactor.The intelligent control function of intelligent AC contactor is achieved by designing the control circuit.The intelligent control function is included by the closing phase selection of high voltage，retention of low voltage and breaking of micro arc.The strong excitation circuit of high voltage is simulated by Matlab/Simulink.At last，the dynamic characteristics of intelligent AC contactor is tested with this intelligent control circuit.

intelligent AC contactor，intelligent control circuit，Simulink simulation，dynamic analysis

TM572

B

1004－289X(2016)04－0042－04

2015－05－21

陳文桂(1989－)，男，在讀研究生，研究方向:機電系統控制技術;

陳德為(1962－)，男，教授，博士，研究方向:測控技術與儀器;

呂伯欽(1993－)，男，在讀研究生，研究方向:機電系統控制技術;

黃燁洋(1992－)，女，在讀研究生，研究方向:機電系統控制技術。