一种基于负载识别的交流接触器合闸涌流抑制策略

许儆一，许志红,2,3

(1.福州大学电气工程与自动化学院,福建 福州 350108;2.福建省新能源发电与电能变换重点实验室，福建 福州 350108；3.智能配电网装备福建省高校工程研究中心，福建 福州 350108)

0 引言

随着太阳能、风电等新能源领域的兴起，市场对开关电器的要求也越来越高，其中以单片机为控制核心的智能交流接触器可以对吸合、吸持、分断进行全过程动态优化控制，相比传统接触器能更好地适应市场，应用前景广阔[1-2].在智能电网和物联网发展的背景下，开关电器的控制对象不再单一化，当负载为感性或容性时，接触器的合闸可能会伴随超出正常电流数倍的涌流，过大的涌流可能带来线路的不稳定、损坏一次设备、保护装置误动作等危害，传统的投切控制方案难以满足越来越高的用电质量要求[3-4]，为了解决这一问题，选择合适的开关合闸控制策略迫在眉睫.

近年来，针对不同负载下的开关吸合过程，国内外学者进行了广泛的研究.文献[5]测试了阻性和感性负载下的接触器动作特性参数，采用相控的方式优化接触器的接通过程，但没有考虑容性负载的情况，且调节方式基于历史动作数据，需要定期进行数据修正调节.文献[6-7]对纯容性负载的投切进行了研究，采用电压过零投切的方式抑制涌流，但缺乏理论分析且没有考虑容性负载和其他负载混合的情况.文献[8]通过串联合闸电阻来抑制涌流，提出合闸电阻越大接入时间越长，其抑制涌流的效果就越好，该方法的本质就是通过接入电阻，来减小负载的功率因数角，但在实际使用中存在接入电阻耗能大发热严重等问题.文献[9-11]针对不同合闸相位角，记录其动作特性参数，以铁芯吸合速度和合闸时间作为指标，寻找最佳的合闸相位角，但该相角没有考虑触头负载回路的电路特性，在该相角下合闸仍然存在涌流.文献[12]基于电器开关的机械分散性与关合预击穿特性求解出最佳合闸相角，但该相角需要根据不同开关的绝缘特性进行调整，计算过程复杂.

当负载为感性和容性时，其抑制涌流的最佳合闸相角均不相同，不同负载需要不同的应对措施[13].以抑制触头回路的合闸涌流为目的，需要对不同负载下的合闸过程进行理论分析作为支撑，找到影响涌流的关键因素.本研究通过理论分析和实验仿真，找到不同负载下的最佳合闸相角，且实验仿真的结果和理论分析一致，在控制阻感和阻容性负载时，均能有效识别负载性质并找到对应的最佳合闸相角，抑制涌流的效果明显，为接触器控制非单一性元件奠定了基础.

1 涌流影响因素

图1 触头回路等效电路模型Fig.1 Equivalent circuit model of contact loop

在接触器合闸过程中，将触头简化为理想开关，根据负载的不同，分别讨论不同功率因数角下的阻容性负载或阻感性负载的情况，其等效电路图如图1所示，从电路的角度分析研究产生涌流的机理，找到对应的抑制涌流的方法.

1.1 阻容性负载

当接触器控制的对象为阻容性负载时，将触头等效为理想开关，阻容性负载等效为电阻R和电容C，触头回路简化为了交流电源下的开关控制阻容性负载的理想电路，其对应的电路微分方程如下：

(1)

式中：uc为电容电压；Um为电源电压幅值；α为开关合闸初始相位角.对微分方程进行化简,得

(2)

其中电路的负载功率因数角为：

(3)

分析式(2)可知，电路闭合后，由于暂态分量的存在，电路可能会产生明显的涌流，该暂态分量为：

(4)

在最初合闸的时候暂态分量的影响最明显，随着时间的推移，暂态分量会逐渐趋近于零.通过控制合闸初始相位角α，可以使暂态分量(4)为零，从而达到消除涌流的目的.

所以当负载为阻容性时，对应的消除涌流的条件为：

α+φ=90°

(5)

1.2 阻感性负载

当触头回路的负载为阻感性时，电路等效模型和阻容性类似，R和L为阻感性负载，对应的电路微分方程如下：

(6)

式中:iL为电感电流.对微分方程进行换算化简可得电路电流为：

(7)

其中电路的负载功率因数角为：

(8)

阻感性负载的暂态分量为：

(9)

分析式(7)可知，当电路接通后，由于暂态分量的存在，电路可能会产生大小不等的涌流.若要抑制涌流，则必须想办法减小甚至消除暂态分量，但和阻容性负载的调节有所不同，要让阻感性负载的暂态分量(9)为零，其对应的条件为：

α=φ

(10)

2 仿真实验和数据分析

2.1 不同相角合闸仿真

针对接触器开关闭合阶段的涌流问题，在实际控制中，需要通过检测开关的电压波形来确定合闸初始相位角α，同时也需要检测合闸阶段的电流波形来确定是否达到减小甚至消除涌流的控制效果.根据上述控制标准，需建立一个对开关电压和电流波形进行实时采样的电路仿真模型.

图2 触头回路负载仿真电路Fig.2 Contact loop load simulation circuit

本文采用电路仿真软件Multisim对触头回路进行仿真，在Multisim中搭建阻容性负载和阻感性负载电路的仿真模型.触头由理想压控开关代替，用阶跃电压控制压控开关，起到延时控制定相合闸的效果.由示波器采集压控开关两端的电压电流，分析不同负载不同合闸相角下的涌流情况.如图2所示，在仿真中按接触器工作的市电环境设置电压、频率等参数，电阻R=10 Ω，电容C=85.3 μF，电感L=0，此时的负载为阻容性，且功率因数角φc=75°.

调节阶跃电压的开始时间，得到不同初始合闸相角下的电压电流波形，如图3所示.图3(a)、(b)、(c)中，合闸时刻均有大小不等的涌流，调节合闸相角使α=15°，此时满足涌流消除条件式(5)，波形如图3(d)所示，合闸之后没有出现涌流.

图3 阻容性负载的合闸仿真波形Fig.3 Closing simulation waveform of resistive and capacitive load

在图2的仿真电路中设置R=3.31 Ω，电感L=0.12 H，电容C=0，此时的负载为阻感性，且功率因数角为φL=85°,在45°合闸时有涌流，且电流在5个周波后才接近正常电流，根据公式(10)选取合闸相角为85°，涌流得到了消除，其波形图如图4所示.仿真证明涌流消除条件有效，和理论推导相符.

图4 阻感性负载的合闸仿真波形Fig.4 Closing simulation waveform of inductive load resistance

2.2 负载识别

根据负载功率因数角的不同，要消除涌流需选择不同的合闸相位角，但在实际实验中，大多数情况下都不知道负载的功率因数角，甚至也不知道负载的性质类别.为了在负载未知的情况下，也能挑选出对应的合闸相位角来消除涌流，有必要设计出一套合理可行的调节流程，对负载进行智能识别找到各自的最佳合闸相角.

利用Multisim中的电路仿真模型，对不同功率因数角的负载进行合闸实验仿真，记录闭合后触头电流的首个半波时间，如图5所示，ta为开始出现电流的合闸时刻，tb为闭合后电流的首个过零点时刻，半波时间tbb=tb-ta.

在初始合闸相位角α0=45°时，记录不同功率因数角下的感性负载和容性负载的首个电流半波时间，将数据整理成折线图，如图6所示.

从图6可看出，此时阻感性负载的半波时间均大于阻容性负载的时间，且不同功率因数角下的半波时间不同，由此可判断负载的性质和对应的功率因数角.其对应的理论分析如下，当α0=45°时，阻性负载的电流和电压没有相位差，可计算出其首个半波时间，如下式：

(11)

图5 合闸后电流的首个半波时间Fig.5 First half-wave time of thecurrent after switching

图6 不同负载下的电流首个半波时间Fig.6 First half wave time of current under different loads

由式(11)可得，在该合闸相位角下合闸时，纯阻性负载的电流首个半波时间为7.5 ms.感性负载电流滞后电压，其电流的首个半波时间均大于7.5 ms，而容性负载刚好相反，由于电流超前电压，其电流的首个半波时间均小于7.5 ms.根据这个特点，可以识别出负载的性质.

在知道负载的性质后，根据电流首个半波时间，还可以识别出负载的功率因数角φ，进而调节到最佳合闸相角.以感性负载为例，由图6可知，当初始合闸相位角固定的时候，随着负载功率因数角的增加，电流的首个半波时间也会增加，即使改变负载大小，但只要功率因数角相同，则电流的首个半波时间也相同.容性负载则相反，当初始合闸相位角固定时，随着功率因数角增大，电流的首个半波时间会减小.

当根据电流首个半波时间识别出负载的性质和功率因数角后，参考式(5)和(10)调节合闸相角，继续检测合闸后的触头电流首个半波时间，以此来判断该相角是否为最佳合闸相角.具体的判断依据如下，首先是阻容性负载，当调节到最佳合闸相角时，功率因数角和合闸相角应满足式(5)，将其代入到式(2)可得：

(12)

由式(12)可知，阻容性负载的触头电流首个半波为余弦波，电流半波时间为5 ms.同理，阻感性负载调节到最佳合闸相角时，功率因数角和合闸相角应满足式(10)，将其代入到式(7)可得：

(13)

由式(13)可知，阻感性负载的触头电流首个半波时间为正弦波，电流半波时间为10 ms.

从上述分析可得，当调节到消除涌流的最佳合闸相角时，阻容性负载和阻感性负载的电流半波时间应分别为5和10 ms，可由此分别判断阻容性负载和阻感性负载的合闸相角是否为最佳相角.故在实际操作中，只需通过检测触头电流零点，用闭合后的首个电流零点时刻和闭合时刻作差即可得到电流首个半波时间，从而判断涌流抑制情况，和直接检测电流峰值来判断涌流抑制情况的方法相比更易实现.

3 实验结果与分析

图7 控制时序图Fig.7 Control sequence diagram

3.1 控制流程

要完成接触器的定相合闸控制，需要对触头回路的电压进行检零，本文选用了HVS-AS3.3系列的霍尔电压传感器，采用实验室自主研发的单极交流接触器作为实验对象.当接触器上电后，首先是传感器检测触头回路的电压零点，以检测到的第一个电压零点为起点，设置延时，使接触器的合闸相角可控，其控制时序图如图7所示.

图8 相角调节流程图Fig.8 Flow chart of phase angle adjustment

当线圈控制回路的电源正常时记为t0发出上电准备信号，然后开始检测触头回路的电压零点，当t1时刻检测到触头电压零点后，进入动作延时程序，延时时间td=t2-t1，t3为接触器固有动作时间，t4为合闸时刻前的电压零点，t5为合闸时刻.合闸相角α与时间的关系应满足下式：

α=2πf(t5-t4)

(14)

将相角调节步骤整理为流程图，如图8所示.初始合闸相角α0选择45°，可以避免随机合闸相角时可能出现的涌流最坏的情况.第一次合闸后通过电流半波时间tbb识别负载，小于7.5 ms即为容性负载，否则视为非容性负载.查图6的折线图，找到与此次合闸的半波时间最接近的点，以此确定负载的功率因数角，再根据式(5)和(10)得到对应的最佳合闸相角.记录后续合闸的半波时间，考虑到实验使用的单极接触器的机构动作分散性等因素，当半波时间与对应的无涌流标准时间差值在0.2 ms以内时，电流幅值的波动不会超过5%，认为涌流已得到充分抑制，调节结束.

3.2 实验验证

确定了相角调节流程后，使用实验室自主研发的智能单极交流接触器进行合闸实验，触头回路接入的负载性质和功率因数角均为未知，实验平台现场如图9所示.根据节3.1的流程，第一次的合闸相角选取为45°，对应的实验波形图如图10所示.由图10可得，电流的首个半波时间tbb为13.5 ms，大于纯阻性负载在45°时合闸的首个半波时间7.5 ms，负载为阻感性.

图9 带载实验平台Fig.9 Load experiment platform

图10 首次合闸实验波形Fig.10 First closing experiment waveform

查图6可知，该阻感性负载的功率因数角最接近80°，由式(10)可知，控制合闸相角等于该功率因数角时可以消除涌流，故第二次的合闸相角选取为80°，其对应的波形图如图11(a)所示.图11(a)的电流首个半波时间为10.3 ms，与阻感性负载的无涌流标准时间相差0.3 ms，此时应增大合闸相角，对合闸相角进行微调，增加为82°后第三次合闸，实验波形如图11(b)所示，吸合后的第一个电流半波与后续稳定的电流基本一致，此时电流的首个半波时间为9.9 ms，与阻感性负载的无涌流标准时间相差小于0.2 ms，根据调节流程认为此时涌流已基本消除，相角已调节到最佳合闸相角，调节结束.

通过实验验证，在首次合闸时因为电感饱和最大涌流为正常电流的3.6倍，第二次合闸时涌流超出正常电流的幅度已控制在12%以内，进行微调后的第三次合闸时，电流稳定，波动程度控制在1%以内，有效地抑制了涌流.与直接检测电流峰值判断涌流抑制效果的方法相比，通过检测合闸后电流半波时间的方法更具有可操作性.在保证负载有合适的放电电路的情况下，上述基于触头电流首个半波时间的调节流程对阻感容性负载的涌流抑制效果明显，通过该策略可有效识别负载性质并确定负载功率因数角范围，达到抑制涌流的目的.

图11 合闸调整实验波形Fig.11 Waveform diagram of the closing adjustment experiment

4 结语

1) 根据负载性质和功率因数角的不同，应分别选取合适的合闸相角来抑制涌流，阻容性负载应满足式(5)，阻感性负载应满足式(10)，此时涌流抑制效果明显.

2) 以接触器闭合后出现电流为起点时刻，触头电流第一次过零为终点时刻，计为首个电流半波时间tbb.在相同合闸相角下，阻容性负载的tbb小于负载为纯阻性时的tbb，阻感性负载则大于纯阻性时的tbb，以此为依据可识别负载种类.

3) 当负载选取了最佳合闸相位角消除涌流时，触头电流的首个半波时间记为无涌流标准时间.阻容性负载的无涌流标准时间为5 ms，阻感性负载的无涌流标准时间为10 ms，电流半波时间越接近无涌流标准时间，则涌流抑制效果越好，反之则效果越差.

4) 在负载越来越多样化的市场背景下，采用本研究的控制策略可以在不改变接触器结构的前提下，实现不同负载的无涌流合闸，对优化接触器的合闸过程具有参考意义.