交流接触器数字化控制的分析与设计

罗海海，许志红

(福州大学电气工程与自动化学院，福建福州 350116)

0 引言

交流接触器是一种量大面广的自动控制电器，存在触头弹跳严重、电寿命低、损耗和交流噪声大等弊端，改善其各项性能指标迫在眉睫［1］．随着计算机和电子技术的突破，交流接触器的智能控制与设计取得了很大发展．

交流接触器智能控制大都采用直流高压吸合、低压保持方式，既保证动作的快速性与可靠性，也达到了节能、无声运行的要求［2－3］;文献［4］提出线圈电压的分段式控制，克服了输入电压变化对吸力的影响，触头、铁芯的碰撞与弹跳现象大为改善;文献［5－6］提出带线圈电压、触头位移等反馈量的闭环控制交流接触器，实现了吸反力的合理配合，优化了动态特性．文献［7］将闭环斩波技术引入过程控制，以线圈电流作为反馈量，实时更改占空比大小，全面提高了交流接触器的各项性能指标．在分断控制方面，文献［8］研究触头断开速度与触头腐蚀之间的关系，指出:提高触头断开速度能减小电弧能量以及电弧持续时间，且电极间的材料转移较低，可提高接触器寿命．文献［9］通过调整交流接触器三相触头系统的开距，实现零电流分断控制，提高了接触器的电寿命与操作频率．早期的控制方案均通过模拟电路实现，提高了交流接触器的性能指标．但硬件设计较为复杂，灵活性与通用性较差;电路参数较难确定，且易受器件老化、环境或参数变化的影响．

本研究设计的交流接触器数字化智能控制模块，以dsPIC作为控制核心，内部集成模块丰富，数据处理强，控制精度高，可有效解决以上问题．文章提出了数字PI和流限开/关两种吸合过程的数字控制方案，对线圈电流进行闭环控制，使得吸反力良好配合，有效地减小触头弹跳;采用直流低压保持技术，实现了节能、无声运行;分断过程的负压控制，可有效提高分断速度．并通过PROTEUS软件，对控制模块的吸合、分断进行仿真分析与比较．最后，进行相关实验，验证数字化智能控制的可行性和通用性．

1 控制模块整体设计方案

交流接触器数字化智能控制模块以dsPIC为控制核心，其结构框图如图1．由BUCK线圈供电主回路、开关电源、电压检测电路与低压保持电路等组成．吸合过程利用线圈电流，作为反馈量，实时更改占空比，快速调节线圈电流，实现吸合过程的智能化控制．可靠吸合后，切断斩波信号，由恒压源为线圈供电，进入低压保持阶段．吸持电流小，实现节能、无声运行．下电时，去磁开关断开，将去磁部分串入续流回路，快速吸收线圈磁能，接触器可靠分断．

控制器的软件流程如图2所示，主要由高速10位模数转换器、高速PWM模块和高模拟比较器等组成．吸合过程对线圈电流进行闭环斩波控制，动态调节线圈电流，使得电磁机构的吸反力良好配合，减小触头弹跳．随后转入低压保持阶段，接触器线圈电流保持在较低值，实现节能、无声运行．当发生过压、欠压或正常下电时，dsPIC关闭低压保持信号，线圈储能在去磁元件作用下迅速释放，接触器完成分闸．

图1 模块结构框图Fig．1 Structure of module

图2 系统工作流程框图Fig．2 Work flow of the system

2 电磁机构动态过程仿真及分析

2．1 控制模块仿真模型

PROTEUS软件是英国Labcenter Electronics公司出品的电子设计软件，具有很好的仿真界面、完善的虚拟测试技术，支持众多的电子元件，包括Microchip公司的dsPIC33系列数字信号控制器，故选用PROTEUSISIS仿真软件对控制模块进行仿真．

控制模块的仿真模型如图3所示．电磁机构系统吸合过程线圈电感量变化复杂，难以找到合适模型，故用电感L1和电阻R1串联代替．V1为整流滤波后得到的平滑直流电压源．Q1，Q2为电力电子高频开关管，R5、C1和D5形成RCD缓冲电路，抑制开关管过电压．开关管驱动电路分别以电压控制电压源E1、E2代替，R2、R4为充电回路振荡电阻，D3、D4用于提供快速放电回路．二极管D1、D2分别为续流回路、去磁回路，而低压保持回路由RL1、V2和Q3组成．电流采样通过电流控制电流源F1实现．dsPIC电路包含若干I/O接线端，及一些简单电源线、地线，在此就不例图表示．

图3 控制模块仿真模型Fig．3 Simulation model of the control module

通过仿真可获得动态的线圈电压、电流波形，对控制模块工作可行性的分析、闭环控制下电流变化规律的研究及不同控制方案特点的比较，都具有指导意义，为后续实验分析及验证奠定基础．

2．2 吸合过程仿真分析

接触器频繁操作，要求动作时间快，这与减小触头、铁芯的碰撞和弹跳相矛盾．根据电磁机构动态特性，提出数字PI、流限开/关控制的闭环控制方案，实现了吸反力合理配合，仿真如图4．

数字PI控制如图4(a)，系统稳定性强，不易受输入电压变化等因素影响．需要修改比例、积分参数，以适应不同控制对象，增加了工作量，可移植性较差．闭环系统过于稳定，难以在吸合动态过程中，调整线圈电流大小，实现吸反力合理配合．

流限开/关控制将实际采样电流值与参考值进行比较，决定开关管的通断．触动阶段给定较大的参考电流，动铁心与触头获得较大的初速度．随后参考值逐渐减小，并在电流下降斜坡阶段关断开关管，有效降地减小激磁，降低了触头和铁心的碰撞能量，仿真如图4(b)．相比数字PI，其控制量少，响应速度快，适用于高频控制;程序可移植性高，通用性强．

图4 数字控制仿真Fig．4 Emulation of digital control

2．3 分断过程仿真分析

接触器吸持阶段由恒压源为线圈供电，续流回路、去磁回路无电流通过．接触器分断时，恒压源被切除，若去磁开关保持闭合状态，线圈电感只通过续流二极管向线圈电阻放电．满足电压平衡方程:

式中:UD为续流二极管压降，其电流变化规律与吸合过程相似，如图5(a)．触动阶段线圈电流呈指数函数规律下降，放电时间常数为:

铁心运动阶段，在运动反电势作用下，tc时刻产生电流尖峰．随后电流按新的指数规律衰减至0，完成分断．仿真波形如图5(b)，吸合时接触器线圈电感量很大，储能多，且放电时间常数大，故分断速度慢．

保持阶段打开去磁开关，分断时，线圈电流通过去磁回路和续流回路放电．若在去磁回路加一电阻R'，则时间常数:

线圈电流快速衰减，并产生过电压:

式中:U2为保持阶段直流电压源．仿真如图6，电阻R'大，分断速度才能显著提高，但过电压也越大，对控制模块器件的电压应力要求高，可靠性降低．

图5 分断过程波形Fig．5 The waveform in breaking process

图6 去磁回路串电阻Fig．6 Connecting resistors in series to demagnetizing circuit

压敏电阻主要用于在电路承受过压时进行电压嵌位，吸收多余的电流．将其作为消磁元件，仿真如图7，去磁效果显著，线圈电流快速下降．作为半导体器件，压敏电阻吸收作用会损伤物理材料，受寿命限制，不适合应用在频繁操作的接触器控制中．

瞬态抑制二极管(transient voltage suppressor，TVS)工作于反向截止状态，能以10－12s重复量级的速度，吸收反向瞬态能量，将TVS置于去磁回路，接触器分断时，可快速吸收线圈电流，起快速消磁作用．TVS特性曲线如图8(a)．反向电压小于截止电压VRWM时，只有很小的反向漏电流．当反向电流上升到击穿电流IR(1mA)，TVS开始反向导通，两极之间达到击穿电压VBR．脉冲峰值电流IPP、最大钳位VC电压为TVS允许的最大电流和电压，超过该值会造成永久性损坏．

选取不同的型号TVS，仿真如图8(b)、(c)．TVS吸收的功率:

图7 去磁回路串压敏电阻Fig．7 Connecting varistor in series to demagnetizing circuit

式中:ITVS，UTVS为TVS反向电流及极间电压．分断时，初始反向电流一致，反向击穿电压越大，TVS吸收的功率越多，消磁效果越显著，但在持续工作下，随着功率的累积，TVS寿命降低．因此，在满足快速分断的要求下，应降低反向钳位电压，提高可靠性．

图8 快速去磁设计Fig．8 Design of degaussing

若去磁回路由电阻与TVS串联组成，分断时线圈电流、电压如图8(d)．TVS单独作用时，消磁效果已很显著，线路附加电阻反而会产生过电压，虽然被TVS钳制，但加大了TVS的损耗，若过电压超过钳位电压，TVS将永久性损坏．

综上分析，通过选择一合适瞬态抑制二极管作为去磁回路，可以有效地吸收分断时的线圈电流，明显加快了接触器的分断速度，且工作稳定、可靠．

3 实验验证

3．1 吸合过程

以CJX2－6511交流接触器作为试验对象，采用交流激磁和数字化控制的弹跳情况分别如图9、图10．交流激磁下弹跳次数多，持续时间长，还具有随机性的特点，触头容易产生较大电弧，甚至熔焊，从而减少了电器的寿命．采用数字化控制的波形如图11，避免了相角不同造成的合闸随机性，并有效地减小了吸合过程触头弹跳时间和弹跳次数．流限开/关控制效果尤其显著，是一种较优的控制方案．

图9 220 V交流激磁下，不同合闸相角下触头信号波形Fig．9 The signal of contact with 220 V/AC in different Closed phase

图10 弹跳波形Fig．10 Waveform of contact signal

图11 数字控制的线圈电流电压及触头信号波形Fig．11 Waveform of coil current，coil voltage and contact signal by digital control

3．2 分断过程

不加去磁回路分断时的线圈电压、电流及触头信号波形如图12(a)，分断时间达到180 ms．在去磁回路加一瞬态抑制二极管，分断波形如图12(b)．t1时产生分断信号，线圈电流大于击穿电流IR，瞬态抑制二极管被反向击穿，极间产生较大的负压，线圈能量被快速吸收．当线圈电流小于击穿电流，TVS与续流二极管关断．二极管寄生电容、线圈电阻和线圈电感组成RLC电路，因此线圈电压产生振荡，最后衰减至零，t2时完成分断，分断时间为22 ms．消磁效果明显，铁心还未动作，电流已衰减至零，不产生电流峰值．

实验表明:利用瞬态抑制二极管可快速吸收分断时线圈能量，起消磁作用，分断速度快．不仅提高了接触器的寿命、分断能力等，还大幅度地减小了机构的分散性．

图12 分断时线圈电流电压及触头信号波形Fig．12 The waveform of coil voltage，current and contact signal in breaking process

4 结语

1)交流接触器的数字控制模块，数据处理能力强，硬件设计简洁，通过软件调整，可实现复杂的吸合过程控制．

2)数字化闭环控制，以线圈电流作为反馈量，调节线圈激磁，有效地减小吸合过程的触头弹跳．吸持阶段采用低压保持，实现节能、无声运行;

3)瞬态抑制二极管可用于快速吸收分断时线圈能量，起消磁作用，分断速度快．提高了接触器的寿命、分断能力等性能指标．

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