智能无火花开关控制系统设计*

孟彦京，高泽宇，王素娥

（陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021）

智能无火花开关控制系统设计*

孟彦京*，高泽宇，王素娥

（陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021）

为了从根本上消除接触器开关时刻产生的火花，增强工业生产安全性，在大量实验基础上，结合气隙击穿和功率损耗分析产生火花的原因，从电磁、机械两方面因素分析接触器动作延时特性，总结火花产生熄灭规律，测量无火花区域大小。设计带有巴特沃斯滤波和自校正功能的智能开关控制系统，使接触器动作时刻误差绝对值小于0.3 ms，精确地动作在无火花区域。验证了接触器延时特性分析和无火花区域理论的正确性及过零关断方案的可行性。

智能控制；过零关断；特性分析；气隙击穿；电磁因素；自校正

工业控制中大量使用接触器作为控制用电设备启停的电气开关，由于目前接触器动作的随机性，触点断开与闭合的瞬间频繁出现气隙击穿，放电形成功率损耗产生火花，触点会被高温烧蚀而损伤，损伤到一定程度后，接触器烧毁，甚至引起电气火灾［1-2］。同时火花放电造成电磁干扰将影响系统的正常工作。目前采取的措施有：（1）改进触点材料增强触点抗蚀能力；（2）改进灭弧设计，提高灭弧装置的性能［3-4］。但是这些方法仅能在火花出现后治理火花减小火花的危害。

接触器智能化研究就是改进接触器动作的随机性，从而消除开关过程产生的火花，是智能电器研究的重要方向，也是智能电网建设的要求。国内外已有部分学者对交流接触器的动作特性［5，6］和智能控策略［7，8］进行研究，但是都没有结合火花的产生原理、熄灭规律及接触器延时特性的分析设计智能控制方案。

本文从上述切入点进行研究计了智能无火花开关控制系统。该系统以主动的方式从根本上消除火花，完全保护触点，使接触器寿命延长5～10倍并且提高工业生产安全性。

1　火花产生的条件与理论无火花区的分析

1.1火花产生的条件

火花产生的主要原因是，接触器开闭过程中，触点端电压过高击穿短距离的空气间隙，放电形成集中的功率损耗。计算触点功率损耗的公式为：

式中U、I分别为放电电压电流。当损耗过大放热过多时就会产生火花。

实际工业生产中，负载都呈现感性有续流和产生反电动势的特性，因此接触器动作时刻式（1）中放电电流电压分别为：

工频交流电电压与电流都是按照正弦规律变化的，式中IL为负载回路的电流瞬时值，Ug为触点动作时刻电网的瞬时电压，dIL为触点动作时刻电流变化量。

1.2理论无火花区的分析

确定了火花产生的条件后，不满足火花产生条件的区域就是无火花区，下面分为接触器吸合和断开两种情况来分析无火花区。

接触器在吸合瞬间前一时刻电流为零（即IL=0、dIL=0），放电电压由Ug决定，在交流电压过零点前后某个区域吸合触点避免气隙击穿放电，即便气隙击穿也会因为放电电压很小而最大程度减少功率损耗，有效消除火花，因为这一过程所受放电电压仅由Ug影响，而且气隙击穿要求电压幅值较高，所以闭合过程中的无火花区域范围较大。

图1　理论无火花区域分析

2　接触器动作延时特性测试与可估计性分析

在上述分析中得出无火花投切区，那么通过控制使接触器实际动作在无火花投切区就能有效消除火花。但是接触器触点吸合与断开动作都有延时，控制信号发出，接触器触点不会立即动作。为了达到控制目的，对接触器动作延时特性做了测试并分析其可估计性。由于接触器触点闭合过程中的无火花区域范围较大，所以闭合过程中对延时控制精度要求不高，因此下面以接触器触点断开时动作延时特性为主要测试分析对象。

接触器动作由机械弹力和电磁吸力完成，直流接触控制线圈通直流电，线圈电压电流固定即电磁因素固定，延时只受机械因素影响。而交流接触器则有机械和电磁两种因素影响其动作延时。

2.1电磁因素作用下接触器延时特性

由电磁学可知，电磁铁吸力公式为：

式中ϕ为磁极端面磁通（Wb），S为磁极的面积。交流电磁铁的交变磁通为：

将其代入式（4）得：

式中Ft为瞬时吸力，Fm为最大吸力，得到如图2所示的特性：

图2　交流接触器磁通、吸力、延时特性图

（1）吸力由一个不变分量的平均吸力和一个交变分量的脉动吸力叠加组成；

（2）总的吸力虽然也随时间周期性变化，但总是大于或等于零，即只有吸力，没有斥力；

（3）吸力的频率是磁通频率的2倍。

不考虑接触器弹簧弹力时，接触器触点断开延时与电磁吸合力成正比。因此可以得到电磁因素作用下的接触器延时特性如图2所示。结合实际，电磁因素由磁通ϕ决定，就是由接触器控制信号发出时控制线圈所流过的电流瞬时值决定。只要固定了控制信号发出时交流电流所处的相对位置就可以固定由电磁因素引起的接触器延时。

2.2机械因素作用下接触器延时特性

上一节的论述阐明了接触器延时与电磁因素的关系，固定电磁因素（方案1：使用直流接触器实验测试；方案2：固定对交流接触器发出控制信号的时交流电流所处的相对位置）；通过数次投切试验测试接触器的动作延时得到了仅在机械因素影响下接触器延时分布如图3所示，仅有机械因素影响时接触器延时呈现较为集中的正态分布，围绕其正态分布均值有一定波动。波动最大差值为1 ms。

接触器动作延时实际由电磁和机械因素影响叠加决定，接触器动作延时与电磁因素呈现的正弦关系已确定，电磁因素影响固定后延时波动最大为1 ms，而且出现大波动可能性很小，由此可以确定接触器的动作延时是可估计的，但是存在一定的估计误差。

图3　只有机械因素影响时某接触器延时正态分布图

3　控制方案设计

上一章确定了接触器的延时特性和延时可估计性，这样实际设计中可以采取通过软件延时控制电磁因素（即选择对交流接触器发出控制信号时交流电流所处的相对位置）来控制接触器的动作延时，并且通过两个延时的相互配合的方案使接触器实际动作在无火花投切区，最大限度消除火花。

3.1控制方案

方案框图如图4所示，利用霍尔传感器将负载电流电压转换为同步波形信号，经过信号调理电路后被STM32采样。当STM32收到开通和关断的命令后，将采样信息进行数字滤波，过零检测，检测到过零后控制软件延时t1配合接触器动作延时t2，保证在下一个周期过零点附近的无火花区投切负载。同时利用一组辅助触点测量接触器每次开通和关断的延时，将20个测量数据利用最小二乘法做一次辨识和自校正。

图4　方案设计框图

控制方案的延时控制波形如图5所示图中t1为软件延时，t2为接触器动作延时。在上图中可以明显的看出控制上对软件延时t1和动作延时t2的要求：

根据旅游度假服务产品的形式分类，在线自助游分为组合产品和单品。在组合产品类型中，指通过旅行社购买只涵盖部分度假行程的机票、酒店、门票等打包出售的产品组合。现阶段，中国在线自助游组合产品以“机票＋酒店”和“酒店＋景点”形式为主。在单品类型中，在线自助游包括除交通类和住宿类预订之外的所有在线旅游度假单品形式。此外，根据旅游度假产品的区域分类，在线自助游也可划分为国内自助游和出境自助游。

式中T是工频周期，这样就可以保证接触器断开或闭合时接触器在无火花区动作，满足投切时刻功率损耗P≈0，有效消除火花。

图5　延时控制基本波形图

3.2系统辨识与延时自校正设计

对于不同的接触器描述其延时特性的函数参数可能会不同，并且接触器的动作延时会随着开合次数的增加和接触器线圈电压的波动而改变，软件延时t1是微小变化的，因此需要对系统进行辨识和延时自校正（即对软件延时t1与接触器动作延时t2函数关系的拟合）。在延时特性分析中，忽略机械因素时电磁因素与接触器动作延时呈现正弦关系，在延时控制波形图5中软件延时t1决定了对交流接触器发出控制信号的时交流电流所处的相对位置即决定了电磁因素，则忽略机械因素时软件延时t1与接触器动作延时t2呈现正弦关系。考虑机械因素作用时形成的延时特性曲线就是在这个正弦关系曲线上叠加上一个非线性曲线。即应有函数：式中 f代表叠加的非线性函数，但是如果用这种方式拟合延时曲线，校正时需要求解反三角函数不容易实现。实际控制中t1的变动范围并不是很大，在这段区间内可以用三次函数曲线近似逼近［9-12］。使用最小二乘法处理每次闭合断开测出的延时数据可以拟合t1与t2的关系，具体做法为：

取出最新测量的20个延时数据T1、T2、…、T20设非线性关系为：

取得极小值，则a0，a1，a2，a3满足：

整理得矩阵方程：

解得a0，a1，a2，a3，自校正后的延时控制满足的公式由式（7）变为：

4　火花规律与最佳投切时机选择

根据上述的方案搭建无火花开关控制实验平台，进行数次有火花和无火花投切实验，总结了火花产生和熄灭的规律，验证了原理分析中的无火花区，并且确定了最佳投切时机。

如图6所示，图中波形1为STM32的IO口模拟的状态标志位的输出波形，这个标志位会在STM32检测到交流过零时和软件延时后发出控制信号时有一个高低电平转换。波形2是负载电流波形，其中a点是交流过零点，b点是控制信号发出点，c点是接触器的实际动作点，d点是火花熄灭点，e点为a点后下一个周期的负向交流自然过零点。ab段时间是软件延时，bc段时间是接触器动作延时，cd波段为火花波形。

图6　火花产生和熄灭的规律波形分析图

对照图6，将火花产生与熄灭的规律总结为：

（1）火花总是在接触器实际动作点（c点）处产生，火花的电流波形继续保持正弦变化趋势，但是有畸变和衰减，畸变的弧段越长火花越大（如cd段波形）；

（2）火花总是在正弦交流量自然过零点的前一时刻（d点）熄灭；

（3）在交流自然过零前后约2 ms为无火花投切区。

通过上述规律可以确定最佳投切时机，如原理分析中所述闭合触点时IL=0、电流无突变dIL=0，控制条件要求不高容易实现无火花闭合。在断开触点时实验结果与原理分析一致，综合考虑负载电流和电压，存在电流过零点前后不对称一段无火花区，如图7所示，实验测试这段区域有2 ms的时间。经过辨识和自校正后接触的动作延时估计误差绝对值小于0.3 ms，控制点波动最大为0.6 ms远小于2 ms，将期望动作点选取在无火花区域的中心就能实现稳定的无火花投切。则有公式

式中θ为负载功率因角。

图7　实际无火花区域图

5　测试结果

按照原理与方案设计无火花开关控制实验平台，其实物图8所示。

图8　无火花开关控制实验平台

在示波器上测试接触器投切时刻的电流波形，将其波形通过数字示波器打印，波形如图9所示，观察波形图结合火花产生与熄灭的规律，可以知道：过零检测精度很高，软件延时适当，波形完好，畸变段很小，有效消除火花，基本实现控制目的。

图9　无火花投切负载电流波形

表1的数据是对某个接触器，按照控制方案进行多次实验，观察火花的控制情况和接触器的机械延时情况得到的。表1第2列的数据中，负号表示接触器实际动作点在过零点之前，正号表示接触器实际动作点在过零点之后。通过表中实验数据分析得出：

（1）无火花投切区位于交流自然过零点前后2 ms范围内；

（2）表中的第1列数据表明电磁因素固定后（自校正的过程中有微小区域调整）接触器机械延时分布集中，波动小于1 ms；

（3）加入自校正环节后接触器延时估计误差绝对值小于0.3 ms，所以表1中第2列接触器实际动作点位置最大波动小于0.6 ms；

（4）0.6 ms远小于2 ms，可以做到在定点控制情况下，无论接触器延时范围内怎样波动，实际投切都在无火花区，成功实现稳定的无火花开关；

表1　某接触器实测控制效果

6　结　论

通过以上的分析与实验可以得到以下结论：（1）实现无火花开关要考虑气隙击穿和功率损耗两个因素，闭合触点时在电压过零点附近动作，断开触点时严格控制放电电压同时限制放电电流。（2）交流接触器的动作延时特性是由机械因素影响呈现的特性在电磁因素影响呈现的正弦关系特性上的叠加，固定电磁因素后其动作延时分布集中度提高，具有可估计性但估计精度有限。这种特性在小范围能可以通过最小二乘法对三次函数的拟合来逼近，并且通过这种逼近来实现系统的辨识和自校正。（3）通过实验中大量波形分析总结出了火花的规律，验证了无火花区域的存在，并且确定区域大小在时间尺度上大于施加控制后接触器实际动作点波动范围，因此选择好最佳投切时机就可以做到稳定的无火花开关。

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孟彦京（1956-），男，汉族，河北省宁晋县人，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力电子与电力传动，自动化控制，yjm1292@163.com；

高泽宇（1991-），男，汉族，辽宁省兴城市人，陕西科技大学控制理论与控制工程专业在读硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动，自动化控制，740696366@ qq.com。

The Design of Intelligent No-Spark Switching Control System*

MENG Yanjing*，GAO Zeyu，WANG Sue
（College of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science&Technology，Xi'an 710021，China）

To eliminate the disasters of the spark generated when contactor switching fundamentally and strengthen industrial production safty，the causes resulting in spark is analyzed combining with air gap brokendown and power loss，the delay characteristic of contactors is analyzed from electromagnetic and mechanical element，the rule of spark's generating and putting out is summarized and the size of no-spark area is measured on the basis of many experiments.The intelligent switch control system which has Butterworth filter and the correction by its own is designed.This system can make contactor active in the no-spark area accurately and the error absolute value is less than 0.3 ms.The last，the correctness of contactor's delay characteristic analyzing，no-spark area theory and the way of zero crossing shutoff is verified.

intelligent control；zero crossing shutoff；characteristic analysis；air gap breakdown；electromagnetic factors；self-correcting

TP23

A

1005-9490（2016）05-1149-06

项目来源：国家自然科学基金项目（51577110）

2015-10-06修改日期：2015-10-27

EEACC:623010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.026