智能大功率過零接觸器關鍵技術研究與開發

徐帥 曹睿杭 祝志強 劉燕紅 黃菲

摘要：該文詳細闡述了研發不產生電弧和沖擊的智能大功率接觸器的過程。項目以STM32F103RCT6單片機為核心，通過光耦隔離的數據采集系統，使接觸器在電壓過零時觸頭閉合，電流過零時觸頭分開，從而達到保護用電設備和延長接觸器使用壽命的目的。通過借助ESP8266WIFI模塊，使用MQTT協議與服務器進行通訊，從而實現數據的上傳和接收。最后基于Vue開發微信小程序，對接觸器進行實時監測和控制，使接觸器走向智能化。

關鍵詞：過零投切;接觸器;單片機;智能測控;互聯網

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）01-0225-02

1 概述

交流接觸器是一種常用于接通和切斷電路的自動化切換電器，它不但有益于實現遠距離控制和高頻率操作，而且市場需求量大、使用范圍廣。電動機、變壓器、電阻爐等用電設備是接觸器的主要控制對象，它在工業、農業、交通運輸、商業和國民經濟等社會的方方面面都有廣泛的應用。因此，交流接觸器的穩定性和壽命直接影響到整個工業系統的穩定性和壽命，影響其他電機電器的正常工作，甚至帶來巨大的生命財產損失。

在國民經濟的大量需求及電力工業增長的趨勢下，交流接觸器的需求量持續增長，并朝著節能、智能、高壽命和高可靠性發展。但傳統接觸器有以下缺點：①在觸頭閉合和分開時會產生沖擊和電弧，造成接觸器壽命降低并對電網和用電設備帶來沖擊。②由于工藝和動作機構等原因，開關電器的合閘和分斷時間不能確定，即時間的分散性很大。③要提高開關電器的分斷速度，會給電器的動作機構帶來一定的困難，增加電器的負擔。為了提高交流接觸器運行的可靠性，必須進一步改善交流接觸器在進行分斷時觸頭間電弧過大的問題。目前，國內外的許多專家學者以及各高校都在這方面進行了深入的研究，以改善接觸器的性能。

針對上述問題，我們通過STM32F103RCT6單片機及測量電路檢測電流和電壓，以及運動機構時間，使觸頭在電流過零前某一極短時刻斷開，在電壓過零前某一極短時刻閉合，并提升觸頭運動速度使得觸頭在過零時有足夠的分離速度，使得觸頭無弧光分斷，減少對觸頭固有動作時間的穩定性要求，達到延長接觸器使用壽命以及保護電路的目的。

由此可見，對于智能大功率過零接觸器的研究具有重要意義。

2 項目總體設計

我們通過STM32F103RCT6單片機及測量電路檢測電流和電壓，以及運動機構時間，使觸頭在電流過零前某一極短時刻斷開，在電壓過零前某一極短時刻閉合。創新地運用互聯網+的思維，使用MQTT協議與服務器進行通訊，將硬件設備聯網，將數據上傳至云平臺，實現數據的存儲;通過微信小程序的開發，使我們能通過手機等終端實現對智能大功率接觸器實時狀態的監測和控制，從而讓接觸器走向智能化。智能大功率接觸器總體設計框圖如圖1所示。

3 硬件設計

智能大功率過零接觸器的硬件部分主要由CPU單元、電源電路模塊、光耦檢測電路模塊、ESP8266WIFI通信模塊構成。硬件部分設計框圖如圖2所示。

3.1 CPU單元

CPU是整個控制系統的核心，為了保證系統的穩定性和易擴展性，我們采用意法半導體推出的“增強型”系列STM32F103RCT6，它使用基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的ARMCorrex-M3內核，內置高速存儲器，工作頻率為72MHz，增強了I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。

3.2 電源電路模塊

將220V電壓經過變壓器降為12V的交流電，經過整流電路將12V交流電轉化成單向脈動性直流電，然后進行濾波，濾除交流分量，保留直流分量，使電壓平滑。最后經過穩壓電路，使輸出電壓穩定，不隨負載變化。電源電路示意圖如圖3所示。

3.3 光耦檢測電路模塊

光耦合器以光為媒介傳輸電信號，它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。當接觸器觸頭過零點時，圖中1和2之間沒有電流通過，光電二極管不會發光，三極管將不導通，輸出端通過單片機檢測不到電流;當觸頭未過零點時，1和2之間有電流通過，二極管發光，三極管導通，則可以檢測出電流。因此，通過單片機檢測出電流的兩種狀態，則可以判斷接觸器是否過零點。光耦檢測電路如圖4所示。

3.4 ESP8266WIFI通信模塊

我們之所以選用ESP8266WIFI模塊，是因為它帶有完整的WIFI功能，內置高速的緩沖存儲器，有利于提高系統性能，并減少內存需求。之所以使用MQTT協議與服務器進行通訊，是因為它小型傳輸，開銷很小（固定長度的頭部是 2 字節），能降低網絡流量。

通過借助ESP8266WIFI模塊，使用MQTT協議與服務器進行通訊，從而實現數據的上傳和接收。通過云平臺上顯示的數據，我們能夠分析出它是否能完成過零投切，并且將數據及時的儲存下來。

4 軟件設計

在本文軟件的設計中，主要通過開發微信小程序來實現對接觸器實時狀態的監測和控制。

首先基于vue.js的web漸進式框架，編寫前端界面;然后通過簡單的API實現數據綁定，通過嵌入式實時操作系統將采集的數據進行上傳，通過TCP傳輸控制協議與小程序端進行實時交互;最后，通過mpvue框架將前端代碼轉化為微信小程序代碼，在微信開發者工具中進行軟件調試。其設計流程圖如圖5所示。

用微信小程序連接智能接觸器，控制它的狀態為開，實時測出它的電壓和電流，并分析它是否在電壓過零時觸頭閉合，電流過零時觸頭分開。微信小程序測試界面如圖6所示。

5 結語

本項目主要對大功率接觸器的過零投切和智能測控進行設計和研究。在閱讀了大量國內外文獻的基礎上，了解了智能交流接觸器國內外研究現狀和發展趨勢，給出了具體的硬件設計方案和軟件設計方案。并且對本項目每個模塊都進行了詳細的闡述。

隨著工業革命的快速發展，智能交流接觸器的設計是一個重要的發展方向，其性能大大優于傳統交流接觸器，它還有很多方面值得去進一步研究和創新。

參考文獻：

[1] 陳文桂. 一種新型智能交流接觸器的設計與研究[D].福州大學，2016.

[2] 劉天宇，張曉斌，董延軍.基于單片機的航空直流接觸器智能控制單元設計[J].測控技術，2014，33（07）：81-84.