智能化接觸器閉合少彈跳控制技術研究

張曉筱 劉 紅 齊 磊

遼寧省安全科學研究院

智能化接觸器閉合少彈跳控制技術研究

張曉筱 劉 紅 齊 磊

遼寧省安全科學研究院

接觸器閉合產生的彈跳作用會降低接觸器的電壽命，長時間后也將減弱接觸器閉合的可靠性，影響配電系統的安全。本文介紹了國內外智能化接觸器閉合少彈跳研究的最新進展，重點說明了接觸器的吸合時間控制、參數確定、反饋控制等方面的內容及應用，對其中需要進一步研究的問題做出了構想。

接觸器；閉合；彈跳；控制

1 引言

電磁機構能否可靠吸合取決于其吸力特性與反力特性配合是否得當。接觸器吸合過程中，由于力的存在，導致觸頭之間、鐵芯之間的碰撞，產生的觸頭彈跳現象是不可避免的，這種彈跳一方面會加劇觸頭的磨損，降低其機械壽命；另一方面，彈跳過程產生的電弧也將對其電氣壽命帶來一定的影響。因此，如何降低接觸器閉合過程觸頭的彈跳已成為目前研究的一個熱點，國內外學者提出了很多有效的控制方法。

2 接觸器的吸合時間控制

對吸合時間和彈跳時間控制是減小接觸器觸頭彈跳的重要途徑之一，彈跳時間控制目前還沒有具體的理論參考，而吸合時間控制方法目前已有實驗性結論發表。

接觸器吸合時間控制過程是將勵磁線圈采樣電流進行積分，并與吸合電流有效值進行比較，以判斷是否達到吸合時刻，當達到吸合時刻時，進入保持階段，降低勵磁電壓和電流，減小碰撞，降低損耗。電流有效值為下式。

將式(1)取極限并離散化，得到

由式(2)可知，當電流積分達到參考電流I時，即為吸合時刻。為了減小由于離散采樣帶來的誤差，可應用高采樣頻率的處理芯片。實際中也可采取模擬電路構建積分器和比較器，以達到實時控制，這也將是下一步的一個研究方向。

3 基于反饋的智能化接觸器動態控制

反饋是控制系統達到穩定的必經之路。為滿足智能化接觸器的動態穩定控制，希望線圈電壓或電流能夠保持穩定，且稍稍大于吸合值，以實現觸頭的軟著陸。

西安交通大學劉穎異、陳德桂分別提出了智能接觸器的電壓[1]和電流反饋控制[2]。

交流電壓經整流進入PWM(脈沖寬度調制)調節器，供電于接觸器線圈，線圈電壓經反饋至控制模塊，控制模塊完成PWM占空比的控制，實現線圈電壓不變，驅動開關選擇絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)。實驗結果表明觸頭彈跳時間較普通交流接觸器有了明顯的減少。

電流反饋的原理與電壓反饋基本一致，區別是硬件電路采用了誤差放大器、PWM比較器、與非門等模擬器件。

4 接觸器閉合過程可變參數的確定

接觸器閉合是一個動態過程，正如前面分析的那樣，有些參數是時變的。接觸器電氣回路方程為

根據式(3)，可知線圈電感是一個時變量，而電阻由于外界環境的變化也是變量。因此，為滿足控制的準確性，這兩個變量應予以明確。

對于電阻，通常采用人工學習法，通過建立學習樣本，在實際中選擇較為接近的電阻值進行計算；文獻[3]提出了一種溫度補償控制策略，考慮參數在不同溫度下的數值，通過實驗建立了動態輸出控制表。給出了不同工作電壓下和不同環境溫度下的最優PWM占空比及勵磁時間。

西班牙加泰羅尼亞理工大學的Espinosa等人建立了電阻和電感的表達式[4]，該表達式表明電阻和電感可通過實時電壓、電流及其變化量計算得到，該表達式的推廣和應用將極大地降低裝置的成本，并能加強控制的準確性。

5 基于PWM的鐵芯磁通控制

電力電子變流技術的發展為智能化接觸器控制方法的研究提供了廣闊的平臺，通過改變電力電子開關動作頻率，進而改變加在線圈的電壓和電流是控制鐵芯磁通的重要手段之一。文獻[5]將有源逆變電路應用于電磁接觸器磁通控制中，采用PWM控制技術，通過控制線圈兩端電壓，使鐵芯磁通出現増磁和弱磁兩個過程，進而實現控制鐵芯電磁吸力的目的。

交流電源經不可控整流以獲得需要的直流電源，直流側電容C2和二極管D1分別用于直流電壓的穩定和保證直流電流的單向性，逆變側采用單相橋式電路，由4個開關和4個反并聯二極管構成，開關用于獲得所需的PWM脈沖電壓，反并聯二極管用于能量的回饋。

増磁過程中施加正向電壓并保持穩定，使電磁吸力略高于反力；在弱磁過程中施加反向電壓，使電磁吸力快速減小，降低鐵芯閉合速度和碰撞力，進而實現軟著陸。

6 結束語

該電路結構較好地實現了電磁吸力的控制，而控制的精密性很大程度上取決于直流側電壓的穩定度，因此，為了進一步快速穩定直流側電壓，將前饋解耦控制、反饋線性化控制]等有關PWM整流控制策略應用其中將是下一步的研究方向之一。

[1] 劉穎異，陳德桂，紐春萍.帶電壓反饋的智能接觸器動態特性及觸頭彈跳的仿真與研究[J].中國電機工程學報，2007，27(30)：20-25.

[2] 劉穎異，陳德桂，袁海文等.帶電流反饋的永磁接觸器動態特性仿真與分析[J].中國電機工程學報，2010，30(15)：118-124.

[3] 周亮，舒亮，吳桂初等.智能交流接觸器溫度補償控制策略研究[J].電子技術應用，2013，39(7)：73-76.

[4] 汪先兵，林鶴云，房淑華等.無位置傳感器的智能永磁接觸器弱磁控制及合閘動態特性分析[J].中國電機工程學報，2011，31(18)：93-99.