智能交流接触器智能控制电路的设计与分析

陈文桂，陈德为，吕伯钦，黄烨洋

(福州大学，福建福州350002)

智能交流接触器智能控制电路的设计与分析

陈文桂，陈德为，吕伯钦，黄烨洋

(福州大学，福建福州350002)

介绍了智能交流接触器的基本结构特点和功能。设计交流接触器的控制电路实现交流接触器的智能控制功能，包括高压选相合闸、低压吸持以及微电弧能量分断等功能。之后通过Matlab软件的Simulink仿真和分析了高压强激磁电路。最后依靠该智能控制电路完成智能交流接触器的动态分析。

智能交流接触器;智能控制电路;Simulink仿真;动态特性分析

1 引言

传统的接触器是一种依靠触头闭合来实现开关功能的电器，在断开负载瞬间动静触头间会产生电弧，电弧的产生会反过来影响接触器的三组动静触头的寿命［1］。智能交流接触器具有高压选相合闸、低压吸持和微电弧能量分断等优点，为接触器的设计提供了一种新的解决方案。

传统的接触器在工作过程中会有大量的能量损耗，由此降低工作时接触器的吸持电压可以减少接触器的能量损耗。智能交流接触器闭合后是依靠低压吸持，因此可以满足节能这一基本要求。

本文结合现有接触器，首先对其触头系统进行改造，将其改造成三相不同步触头系统;接着对其控制电路进行重新设计，实现交流接触器的智能化控制，即高压选相合闸，减少动静触头闭合时的电弧;低压吸持，智能交流接触器减少了运行时线圈的噪音，并且相对于传统的电磁接触器显得更节能;通过电流传感器检测负载电流，并通过控制系统的恰当控制实现了智能交流接触器的微电弧能量分闸。在明显增加了交流接触器的电气寿命的基础上，实现了交流接触器闭合后的节能运行［2］。

2 智能交流接触器介绍

智能交流接触器是一种新型的控制电器［2－3］，其结构简图如图1所示，主要包括机械系统和电控系统。其中，接触器的智能特征表现为:(1)为了保证分断时负载电流同时过零点，在原有交流接触器的基础上采用三相触头不同步的结构［4］。即B相触头垫高约3.8mm，这样分断时B相先断开称为首开相，A、C相后断开称为非首开相;(2)接触器的闭合过程是一个高压强激磁脉动直流的选相合闸过程;(3)接触器闭合后是采用直流低压进行无声节电吸持;(4)通过检测负载电流，当电流趋于最小值时，接触器进行分闸，实现智能交流接触器的微电弧能量分闸。

图1 智能交流接触器结构示意图

3 智能交流接触器的智能控制电路与分析

3.1 智能交流接触器的控制原理

结合智能交流接触的智能特征，以及智能交流接触器的结构特点，可以得出智能交流接触器的控制原理，如图2所示。图2表明，以STC12系列的单片机为核心的控制系统实现了智能交流接触器闭合时的选相合闸的合闸控制，以及分闸时的微电弧能量的分闸控制［5］。接触器的闭合过程是当电压传感器检测到电源电压过零点时，单片机通过延时确定了合闸的初始相角，然后通过控制回路1控制强激磁启动元件的启动，当强激磁启动元件导通时，单相电源电压流过整流回路1之后，直接加载到智能交流接触器的线圈上，使智能交流接触器的可动部件在脉动直流强激磁方式下可靠快速吸合。当吸合过程完成以后，单片机控制系统通过控制回路2导通低压吸持回路，通过控制回路1关断强激磁启动元件，即智能交流接触器的线圈断开强激磁电路，切换到直流低压激磁电路，使智能交流接触器进行直流低压吸持。在接触分闸时，通过电流传感器检测负载电流，当检测到电流趋近于最小值时，此时利用控制回路2断开低压吸持回路，以及依靠反力弹簧和触头弹簧的总弹力来完成接触器的分闸。接触器动静触头分闸瞬间由于负载电流比较小，动静触头间产生的电弧也会比较小，这样就实现了智能交流接触器的微电弧能量分闸。总之，智能交流接触器的控制电路需具有选相合闸、微电弧能量分断及直流低压吸持等基本功能。

图2 智能交流接触器的控制原理

3.2 智能交流接触器的控制电路的仿真分析

(1)MATLAB软件的Simulink简介

MATLAB软件是美国Math Works公司在20世纪80年代中期推出的高性能数值计算软件，经过不断的开发和更新换代，该软件已在很多的场合表现出了其卓越的功能。MATLAB中含有一个仿真集成环境Simulink，其主要功能是实现各种动态系统的建模与仿真分析。Simulink支持连续、离散系统、非线性系统以及多种类型混合等的仿真分析［6］。本文主要利用Simulink中的电路仿真分析功能。

(2)Simulink仿真模型

本文主要仿真高压强激磁模块，来检查是否能实现交流接触器的选相合闸控制，其Simulink仿真分析模型如图3所示。主要的仿真元件有电压检测模块(Voltage Measurement)、电流检测模块(Current Measurement)、交流电源模块(AC Voltage Source)、整流桥模块(Universal Bridge)、晶闸管模块(Thyristor)、单相可控硅模块(Gto)、RLC模块(Series RLC Branch)、脉冲模块(Plus)、阶跃模块(Step)以及显示器(Scope)等。其中，交流电源电压的峰值为220槡2V频率为50Hz。RLC模块表示线圈的电感和电阻，其参数值是依据物理公式算出的值，电阻值为33Ω，电感为0.0679H。脉冲模块和阶跃模块表示单片机控制高压强激模块的开通和关断的控制信号。

图3 高压强激磁仿真模型

(3)仿真结果与分析

通过设置脉冲模块的触发时间可以得到在不同的初始相角下线圈的电流波形，通过设置阶跃模块的跳变时间可以关断强激磁电路。初始相角θ取不同值的仿真波形，如图4所示，其中，i表示电流，u表示电源电压，u1表示选相脉冲信号，u2表示强激磁关断信号。从图中可以看出，(a)改变晶闸管的触发时间即可以进行选相，可以通过改变单相可控硅的截止时间来截止强激磁电路;(b)不同的初始相角，在第一个周期内电流的平均值是不同的，随着相角(取值范围0°～180°)的增大电流的平均值反而减小。这些说明了强激磁模块可以通过改变初始相角进而实现智能交流接触器的选相合闸功能。

图4 初始相角θ取不同值的仿真波形图

通过上述分析仿真模型与单片机控制系统的对照关系是通过电压传感器检测电压的过零点，然后利用单片机的延时来确定合闸的相角，通过控制回路1开通强激磁实现智能交流接触器的选相合闸，然后利用单片机的延时，通过控制回路1关断强激磁，通过控制回路2开通直流低压吸持回路，使智能交流接触器进入直流低压吸持阶段。

(4)智能交流接触器控制电路实物

根据智能交流接触器的控制原理与仿真结果，可以在Protel软件中画出电路原理图以及完成PCB排版，智能控制电路的实物如图5所示。

图5 智能交流接触器控制电路实物图

4 智能交流接触器智能控制下的动态特性分析

本文采用本实验室自制的基于高速摄像机的交流接触器测试系统对交流接触器进行动态测试［5］，以此来验证智能交流接触器的控制电路。基于本文的控制电路的交流接触器的动态特性如图6所示，其中，y表示智能交流接触器动铁心的位移信号;yb表示智能交流接触器首开相动触头的位移信号;ya表示智能交流接触器非首开相动触头的位移信号;v表示智能交流接触器动铁心的速度信号;u表示电源AC220V的电压波形，电源电压通过整流桥整流后直接加载到智能交流接触器的激磁线圈上，使智能交流接触器的线圈能够产生足够大的电磁场;i表示智能交流接触器线圈的电流波形。

图6表示初始相角θ=30°时智能交流接触器的动态特性曲线图。图中可以看出，动铁心带着动触头运动，在非首开相动触头闭合前，非首开相动触头、首开相动触头以及动铁心的运动曲线并不完全重合在一起，非首开相动触头闭合后到首开相动触头闭合前，首开相动触头与动铁心的运动曲线也不完全重合在一起，非首开相的动触头先闭合，这都说明了在闭合过程中非首开相动触头、首开相动触头以及动铁心运动的不一致性。在动静铁心接触后，由于软垫的存在以及碰撞力的产生，会使动铁心仍然往下运动一段距离，加上软垫要复原及弹簧系统弹力的影响导致了非首开相动触头、首开相动触头以及动铁心三者一定程度上的抖动。从图中可以看出动铁心的运动速度在触动后的一段时间里的变化率不大，但是到了动静铁心碰撞在一起的前几毫秒其速度急剧增大，这点说明了动静铁心靠的越近，电磁力越大。动静铁心碰撞后速度又急剧减小到零，然后由于接触器本身系统的反作用力大于电磁吸力又使动铁心反向运动，系统反作用力小于电磁吸力后速度再次为零，反复抖动几个来回，动铁心运动部件最终停止运动。

图6 初始相角θ=30°时接触器的动态特性

5 结论

本文基于CJ20－100A接触器，并对其触头进行改造，使动触头在结构上具有不同步的特征。研究了其控制原理，并重点仿真了选相合闸高压强激磁模块。

通过高压强激磁和低压激磁的切换，可以得到在吸合过程中，接触器快速吸合，吸合完成后，接触器进入低压吸持阶段，使得接触器实现了无声吸持和节能的特征，并且低压吸持时，线圈和铁心产生的热可以及时散去，这样延长了接触器的使用寿命，并降低吸持的噪音。通过引入电流传感器检测负载电流，当检测到的负载电流到达程序设定的范围时，使接触器分闸，这个样的分闸过程过程实现了交流接触器的微电弧能量分闸。

［1］郭银婷，刘向军，缪希仁.基于磁保持继电器的小容量交流接触器的研究［J］.电气开关，2013，51(5):79－82.

［2］鲍光海，张培铭.交流接触器智能化技术研究［J］.电器与能效管理技术，2011(3):1－4.

［3］陈德为，张培铭.基于图像测量的智能交流接触器设计技术［J］.中国电机工程学报，2009，29(36):108－112.

［4］陈德为，张培铭.采用高速摄像机的智能交流接触器控制及其测试装置的研制［J］.电工电能新技术，2009，28(3):58－61.

［5］陈德为，庄煜祺，张培铭，等.基于单目视觉技术的智能交流接触器三维动态测试与分析技术［J］.中国电机工程学报，2014(12):1931－1937.

［6］周晓兰，张杰.MATLAB在通信系统仿真中的应用［J］.计算机技术与发展，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

陈文桂(1989－)，男，在读研究生，研究方向:机电系统控制技术;

陈德为(1962－)，男，教授，博士，研究方向:测控技术与仪器;

吕伯钦(1993－)，男，在读研究生，研究方向:机电系统控制技术;

黄烨洋(1992－)，女，在读研究生，研究方向:机电系统控制技术。