組合式交流接觸器全過程智能控制策略

周煜源,劉向軍

(福州大學電氣工程與自動化學院,福建 福州 350108)

1 引言

作為配電系統中大量使用的開關電器，接觸器的性能是制約電力系統和其他低壓控制系統安全穩定的重要因素[1]。受機械結構的固有缺陷限制，交流接觸器動作時間存在很大的分散性[2]，吸合過程中觸頭彈跳劇烈，分斷過程中電弧侵蝕嚴重，都是制約其壽命的重要因素。這些問題單純依靠改變接觸器結構設計已無法解決，伴隨著智能控制技術的發展，許多智能控制策略被陸續引入到電磁系統的控制中來，大幅度地提升了交流接觸器性能和穩定性。 針對交流接觸器吸合過程的控制，主要集中在減少觸頭彈跳和觸頭的零電壓合閘以減小觸頭磨損。文獻[3-6]提出了基于線圈電流反饋的交流接觸器斜率控制器的類PID整定規則、交流接觸器自校正控制、批間控制(run-to-run control)等智能控制方法，有效改善了觸頭彈跳，提高了接觸器吸合動作過程的穩定性，有利于觸頭的定相合閘。隨著接觸器在電力系統中的大量使用，能耗成了不容忽視問題。相較于吸合時動靜觸頭間的接觸電阻能耗和毫秒級起動時間的線圈能耗，線圈的吸持能耗成了最主要的能耗來源。線圈雙電源切換供電的控制策略有效地減小了吸持能耗，在起動時線圈采用大電壓激磁、保持過程則切換為低壓電源供電[7-8]，然而當吸持過程中線圈電阻隨著溫度上升而逐漸變大，接觸器工作的可靠性也要大打折扣。而恒電流吸持的控制方式則可以避免這個問題[9-11]，但為了維持恒定的電流，線圈勵磁回路的開關電子器件需要不停的通斷，將帶來額外的能耗，并且這兩種方式都采用固定的保持電壓或電流參考值，導致了其可移植性不強。交流接觸器的分斷技術則主要是為了快速熄弧，減少電弧對觸點的侵蝕。針對電流在過零處電弧容易熄滅的特點引入了零電流分斷控制技術，實現了無弧或微電弧分斷[12-13]。而三相負載多樣性以及不同的負載連接方式下三相電流過零時間各不相同，是零電流分斷控制難點，傳統結構的交流接觸器三相觸頭幾乎同步斷開，顯然無法實現每一相電流的零電流分斷。

鑒于上述問題，本文提出一種異步組合式交流接觸器全過程智能控制策略。在吸合過程中采用線圈電流閉環控制方式，有效實現鐵心和觸頭閉合的“軟著陸”，使交流接觸器動作過程更加穩定，提高了三相觸頭的定相合閘準確率；采用基于數控開關電源的自適應吸持電壓控制策略可以兼顧吸持過程的可靠性和低功耗要求；由三個電磁系統獨立控制每一相觸頭可實現更為精準的三相電流零電流分斷。

2 工作原理

本文以課題組自行研制的斜極面交流接觸器為單極控制對象，提出一種異步組合式的智能交流接觸器，圖1為該接觸器智能控制系統的原理框圖。采用改進的降壓(buck)斬波電路作為線圈控制電路，實現對線圈的閉環控制以及供電電源切換；線圈電壓采樣電路用于采集線圈的勵磁電壓信號，判斷輸入電壓是否處于線圈工作電壓范圍內；線圈電流采樣電路用于采集線圈的勵磁電流信號，為吸合過程的電流滯環比較跟蹤和自適應吸持控制做準備；三相電壓和三相電流采樣電路用于采集交流接觸器觸頭上的電壓電流信號，以實現交流接觸器的定相分合閘控制；主控芯片采用IAP15W4K58S4芯片。

圖1 組合式交流接觸器智能控制系統框圖

為實現更為精準的定相分合閘控制，本文從集中管理為出發點，設計了組合控制方案，由一個主控芯片實現對三臺交流接觸器的協調控制。圖2為組合式交流接觸器3相1重斬波電路拓撲結構，三個斬波電路共用一個電源，可大幅度減小體積。而多個結構相同的斬波電路使電源電流脈動次數和頻率增加，可以有效減少電源電流引起的感應干擾，降低了對輸入側的濾波要求，可進一步減小裝置的體積。

圖2 組合式交流接觸器線圈控制電路拓撲結構

3 組合式交流接觸器全過程控制策略

3.1 合閘控制策略

電磁系統作為接通和分斷主回路的動力來源，決定了整個交流接觸器的動態性能，而線圈電流直接影響電磁吸力，更是核心控制對象。滯環比較控制作為一種常用的電流跟蹤控制策略，具有結構簡單、響應快、不需要載波、穩定性高等優點。因此在交流接觸器吸合過程中采用線圈電流滯環比較跟蹤的閉環控制策略，通過給定電流參考值使得接觸器在每次動作過程中的電磁吸力曲線保持一致，從而保證了動作時間的穩定性。圖3為線圈控制電路，其中V2數控開關電源，Vs為市電，由于線圈模型較復雜，以Lcoil和Rcoil串聯的形式代替。

圖3 線圈控制電路

市電以及主回路中的高頻斬波使線圈電流中夾雜著大量的高次諧波，因此本文采用霍爾電流傳感器采集線圈電流，避免其對單片機和其他敏感元件產生干擾。根據滯回跟蹤比較控制原理以及線圈實際電流if與線圈設定的參考電流ir之間的關系，吸合過程中線圈控制電路可分為三種工作狀態：

(1)

式中，e為比較閾值。

電流的跟蹤誤差為：

Δ=ir-if

(2)

具體工作流程為：當Δ>e時，Q1導通，加在線圈上的電壓為Vs經過整流濾波后的電壓；當e>Δ>-e，開關管維持原有的開關狀態；當Δ<-e時，Q1截止，線圈電流通過Q3、D5回路續流。而D2、Q2、V2與線圈構成低壓保持回路，其中D2可以防止兩個供電電源同時導通。

在Simulink中搭建了控制系統的聯合仿真模型，如圖4所示，其中Recurdyn為動力學仿真軟件，用于計算鐵心和觸頭位移及碰撞彈跳情況，以分析控制策略的性能。

圖4 控制系統仿真模型搭建

降低動靜鐵心及動靜觸頭接觸時的碰撞能量是減小觸頭彈跳的有效方法。但減少碰撞能量勢必會增加吸合時間，如何恰當的取舍是控制參數設置的關鍵。本文采用電流階梯掃描型的參數設置方式，在接觸器起動時給線圈施加一個較大的電流參考值，使鐵心獲得較大的初速度，隨后按階梯狀逐步減少參考電流，以減小鐵心和觸頭的閉合末速度，從而到達減小觸頭彈跳的目的。圖5為該接觸器吸合過程的電流曲線和觸頭彈跳曲線。

圖5 吸合過程仿真波形

從圖5(a)可見，線圈電流變化趨勢與設定的參考值基本保持一致，說明了滯環控制的有效性。從圖5(b)中可以看到，經過控制后的觸頭彈跳時間和幅值非常小，說明該控制可以有效抑制觸頭彈跳。

觸頭接通時，觸頭間產生的電弧會對觸頭產生侵蝕，影響觸頭的電壽命，而通過智能控制使觸頭在電壓過零時合閘可有效減少電弧。對于中性點接地的三相負載和中性點不接地三相負載的電壓零點是不同的，本文以最常見的三相負載星形無中性線連接方式為例，說明三相觸頭零電壓合閘時序的建立。

三相觸頭零電壓合閘控制時序圖如圖6所示。在t1時刻控制系統得到合閘指令，隨后A相開始檢測電壓零點，觸頭電壓到達零點后，單片機軟件延時tdA，A相線圈開始激磁，動作機構延時tcA后，A相在電壓零點合閘。在A相電壓零點檢測完成的同時，開啟對B、C兩相電壓零點的檢測，由時序圖可知，先到零點者為C相，據此實現相序的識別。B、C兩相在A相合閘后，C相(即合閘第二相)將會與A相形成回路，此時C相的觸頭電壓零點將不再是原來的相電壓零點，而是在相電壓UA等于UC處(即A相觸頭電壓過零后30°)，單片機通過調整tdC，使C相在此處合閘。而B相作為最后一相，則根據其觸頭電壓零點進行合閘，原理與A相觸頭合閘一致。

圖6 零電壓合閘時序圖

3.2 自適應吸持控制策略

無論是基于恒定電流吸持還是恒定電壓吸持均存在缺陷性。本文以減少能耗為目的，提出了一種自適應吸持電壓控制策略。利用基于數控開關電源輸出可調的特點，將吸持電壓初始值設定為一個較低的值以實現節能運行，而針對交流接觸器在長期通電及環境溫升影響下線圈電阻增大可能引發的一系列不可靠吸持問題，以線圈電流和線圈電壓為反饋參量，通過單片機計算線圈電阻并與線圈電阻初始值進行比較，以此為依據調整數控開關電源輸出電壓，完成自適應吸持控制，保證了接觸器即使處于較低的吸持電壓下，依然具備較高的吸持穩定性，其控制框圖如圖7所示。

圖7 自適應吸持控制系統框圖

3.3 零電流分斷控制策略

相較于合閘過程對觸頭的影響，分斷過程電弧對觸頭的侵蝕更為嚴重，也是影響交流接觸器電壽命最主要的因素。因此，如何克服機構動作的分散性，提升觸頭在電流過零處分斷的準確率成了重要研究方向之一。與三相觸頭零電壓合閘原理相似，三相負載中性點是否接地，將影響三相觸頭電流的過零點。本文分析了三種接線方式下，三相觸頭分斷電流的時序關系，通過單片機對各相電流零點的判斷以及計算軟件延時，實現三相觸頭的零電流分斷。下面同樣以三相負載星形無中性線連接方式為例，說明零電流分斷時序的建立。圖8為零電流分斷時序圖，t1時刻單片機得到分閘命令，此時開始檢測A相電流零點，檢測到A相電流零點并經過tdA后，控制A相的接觸器線圈斷電，經過動作機構固有延時tbA后，觸頭在A相電流過零分斷。在A相分斷后，B、C相形成回路，擁有同樣的過零點，即落后A相5ms，根據這一原理使B、C相在電流過零點分斷。至此，三相電流實現零電流分斷。

圖8 零電流分斷時序圖

由于實際運用中，零電流分斷技術中觸頭并非控制在電流過零處分斷，而是取電流過零前的一個小區域內分斷，這是因為觸頭分開時刻過于接近電流零點可能導致電弧重燃。因此本文采用零前分斷的零電流分斷控制策略。

4 實驗驗證

為了驗證該智能控制方案的可行性，在10A的負載電流下完成驗證實驗，圖9為實驗現場圖。

圖9 實驗現場

4.1 滯環比較控制下的零電壓合閘過程

該交流接觸器在額定電壓下無控制的吸合過程波形圖如圖10(a)所示，圖10(b)為采用線圈電流滯環跟蹤比較控制下，接觸器吸合過程波形圖。從圖(b)可見，線圈電流變化趨勢呈階梯狀，證明該控制的有效性。此外，相較于圖(a)中該接觸器無控制時1ms左右的觸頭彈跳時間，經過智能控制后觸頭彈跳有了大幅度的改善。

圖10 吸合過程波形圖

為驗證控制系統在負載中性點接地和不接地連接方式下電壓合閘控制的準確性，本文分別將三個單相負載按上述兩種方式連接并進行實驗，結果如圖11所示。

圖11中，UA、UB、UC分別為A、B、C三相的觸頭兩端電壓波形。如圖11(a)所示，C相和A相零電壓合閘時間差為3.33ms，合閘相角相差60°，B相和A相合閘時間差為6.67ms，合閘相角相差120°。如圖11(b)所示，C相和A相零電壓合閘時間差為1.67ms，合閘相角相差30°，B相和A相合閘時間差為6.67ms，合閘相角相差120°。實驗結果表明該控制系統可有效控制三相觸頭的零電壓合閘。

圖11 零電壓合閘

4.2 自適應吸持調整過程

為驗證自適應控制策略的有效性，實驗模擬交流接觸器線圈電阻增大引發的不可靠吸持問題，在某時刻為線圈回路串入100Ω電阻(約為線圈電阻的10%)，驗證自適應吸持控制的有效性，實驗波形如圖12所示。

圖12 基于線圈電流的自適應吸持實驗結果

從圖12可見，在t0時刻線圈回路串入電阻，隨后線圈電流緩慢下降，在t1時刻電流達到設定的閾值，隨后單片機輸出信號，使保持電源輸出電壓上升，線圈電流隨之上升，完成自適應調整過程。

4.3 零電流分閘過程

本文在負載電流為10A下，進行了中性點接地與中性點不接地三相負載的零電流分斷實驗，實驗結果如圖13所示。

圖13 零電流分斷波形圖

由圖13可見，對于中性點不接地的三相負載，由于首開相斷開后，其余兩相將形成回路，因此具有相同的電流零點，均落后首開相5ms。針對中性點接地的三相負載，A相觸頭完成過零分斷后，C相在與A相分閘后3.33ms處分斷，而B相則在A相分閘后6.67ms處分斷。實驗結果表明，該控制系統可以有效控制三相觸頭于電流過零處分斷。

5 結論

本文提出了一種基于異步組合式交流接觸器的全過程智能控制策略。根據交流接觸器的各個工作過程中的特性分析，對每個工作階段采不同的控制策略，最后就該智能控制系統進行了不同連接方式下的三相負載的實驗驗證，結果表明，該控制系統可以有效實現以下功能：

(1)采用滯環跟蹤比較控制策略，實現了三相觸頭的零電壓吸合，有效改善了接觸器閉合過程的觸頭彈跳并提高了接觸器動作時間的穩定性。

(2)自適應吸持電壓控制策略兼顧了吸持過程的可靠吸持與低能耗，并保證了交流接觸器長期通電下的工作可靠性。

(3)利用組合式交流接觸器的異步控制的優點，在分斷過程中具有高可靠性和準確率的零電流分斷。