基于无触点控制技术的混合式无弧交流接触器的研究本科毕业设计.doc

2013毕业设计论文毕业设计论文基于无触点控制技术的混合式无弧交流接触器的研究摘 要交流接触器是一种应用特别广泛的低压电器，特别是在低压配电领域及自动化控制领域更是具有不可替代的作用，所以提高交流接触器性能稳定性对电力自动化领域来说具有很重要的意义。随着材料科学的发展，交流接触器的机械寿命得到很大提升，但是远低于机械寿命的电寿命却成为了制约交流接触器发展的瓶颈所在。对于AC-4使用类别下，合闸阶段触头二次弹跳产生的断续电弧和分闸阶段产生的电弧是影响交流接触器电寿命的主要因素。综上所述，解决交流接触器合闸阶段触头弹跳问题和分闸阶段产生的电弧问题是提高交流接触器电寿命的关键所在。针对交流接触器合闸阶段触头弹跳问题和分闸阶段产生的电弧问题，本文主要从两大方面对交流接触器进行改进：第一电磁系统改进，针对交流接触器采用交流励磁所带来的问题，提出了多段脉冲稳压直流激磁和直流小电压保持的激磁方案。并且设计了智能激磁操作执行机构，从而保证了激磁过程的稳定性；第二针对触头系统进行智能改造。国内外对于交流接触器分闸过程进行了系统的研究，就国内而言，过零分断控制技术是研究热点。随着电力电子技术的发展，电力电子开关器件越来越成为低压电器控制的焦点。本文采用的无触点分断理念，具体做法是在交流接触器每相触头两端并联一个双向可控硅，并且配套设计相应的触发电路。使得双向可控硅在交流接触器分闸过程中实现分流，这样便可以使交流接触器实现无弧分闸操作,大大提高了交流接触器的电寿命。除了针对交流接触器合闸和分闸阶段进行智能改造外，本文还对交流接触器增加了可靠实用的智能保护功能，主要给予交流接触器过压、欠压、过载、漏电保护等功能，保证了交流接触器智能分合闸环境的稳定性以及使其更趋于智能化。关键词：交流接触器；智能激磁；无触点控制技术；智能保护AbstractAC contactor played an irreplaceable role in the field of low-voltage distribution and automation control. So consistencyofperformanceof the AC contactor has great economic significance. But further development has so far been constrained by its electrical life which below the mechanical lifes level. The direct effect on electrical life is electric arc that has produced in switching process. Especially under the use of categories of AC-4, the arc generating by switching process become the key restriction of the electrical life of the AC contactor. In view of the above problems, this paper put forward a research plan about intelligent Low voltage Ac contactor without arc. As to the problems in the closing and breaking process, we make the intelligent improvement to solve them. The improvement includes two aspects. one aspect is the improvement of electromagnetic system. this paper designs the corresponding experimental circuit used to determine the specific field parameters which mainly about the DC excitation voltage and DC small voltage. And the design of the intelligent excitation operation of the actuator thereby ensures the stability of the excitation process. The other aspect is intelligent transformation according to the contact system. As to this, the theories mainly divided into zero current breaking and contactless breaking, this paper adopts the contactless breaking concept. The specific approach is in each phase of contact ends connect in parallel with a Bidirectional Triode Thyristor, and supporting the corresponding design of drive circuit and trigger circuit. This makes Bidirectional Triode Thyristor realize shunt in AC contactor on-off process, namely Bidirectional Triode Thyristor bears the main circuit current signal before the on-off process. So it can make AC contactor to achieve arc-less closing operation, The greatly improves the electrical life of the contactor.In addition to AC contactor switch process, this paper also focus on other aspects of intelligent transform of AC contactor, mainly provides overvoltage, under voltage, overload, leakage protection function. As to this intelligent improvement, it will make the AC contactor more intelligent.Keywords：AC contactor；DC magnetizing ；non-contact control technique；intelligent protection(Supported by Huludao Science and Technology Bureau)目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题的研究目的和意义11.2 国内外研究概况和发展趋势11.2.1 交流接触器合闸控制技术发展状况21.2.2 交流接触器分闸控制技术发展状况31.2.3 节能保持技术发展状况41.3 课题的研究的理论依据与实践方案51.4 论文章节安排52 智能交流接触器总体设计方案82.1 引言82.2 研究对象简介92.3智能交流接触器控制原理分析102.4 智能交流接触器实验样机112.5 本章小结123 智能交流接触器合闸过程方案研究133.1 交流接触器合闸过程触头弹跳问题的分析133.2 脉动直流激磁方案分析143.2.1 合闸相角对吸合过程的影响153.2.2 激磁电压对吸合过程的影响163.2.3 不同激磁方式对吸合过程的影响163.2.4 脉动直流激磁方案存在的相关问题173.3 多段脉冲稳压直流激磁方案分析183.3.1 多段脉冲稳压直流激磁方案原理分析183.3.2 多段脉冲稳压直流激磁系统参数分析193.4 激磁电源设计223.4.1 稳压直流激磁电源的设计223.4.2 稳压直流保持电源设计223.5 智能激磁硬件部分设计233.6 智能激磁软件部分设计243.7 实验测试及结果分析243.7.1 激磁电源性能测试243.7.2 实验样机合闸测试253.8 本章小结274 智能交流接触器分闸过程方案研究284.1 交流接触器触头系统电弧能量分析284.2 关于零电流分断控制技术304.3 无触点分断控制技术分析334.3.1 分闸过程电压、电流理论分析344.3.2 双向可控硅控制方案374.4 无触点分断控制软件部分设计404.5 实验测试及结果分析414.5.1 交流电弧电压、电流的判定414.5.2 智能改进前分闸过程实验测试424.5.3 智能改进后分闸过程实验测试444.6 本章小结475 交流接触器智能保护功能设计485.1 智能保护模块硬件部分设计485.1.1 交流接触器过载保护的设计485.1.2 交流接触器漏电保护的设计505.2 智能保护模块软件部分设计515.2.1 主程序设计515.2.2 电压、电流信号有效值算法分析525.2.3 温升计算算法分析535.3 本章小结556 结论56参 考 文 献57作 者 简 历60学位论文原创性声明61学位论文数据集622013毕业设计论文2013毕业设计论文1 绪论1.1 课题的研究目的和意义交流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和断开交流电路的自动控制设备，广泛应用于各种电网配电系统、自动控制系统之中，是电气自动化设备不可缺少的元件。随着微电子技术的发展和引入，交流接触器开始向智能化方向迈进，智能化交流接触器在增强功能的同时，降低了功耗，减少了触头振动，提高了交流接触器的机械寿命和电寿命。所以交流接触器的智能化发展具有很高的经济意义和社会意义1。随着新材料新工艺的采用，交流接触器机械寿命大幅度提高，机械寿命已达万次以上，只有机械寿命十分之一的电寿命成为影响交流接触器发展的瓶颈。特别对于使用类别来说，交流接触器吸合过程中，主触头需承受几倍于主回路额定电流的电流冲击，不可避免的会产生强烈电弧侵蚀，这也使得交流接触器合闸过程成为制约接触器电寿命的重要因素。如何减少或者杜绝触头二次弹跳成为降低接触器电弧侵蚀的关键所在。针对交流接触器吸合过程产生二次弹跳问题，本文进行详细分析和方案论述，使得交流接触器吸合过程更加智能化，所以智能交流接触器的研究具有很大的实际作用与意义。随着电力电子技术的发展，电力电子开关器件越来越成为现代电子产品不可或缺的一部分。普通交流接触器分断过程也会在大分断电流的影响下产生强烈电弧影响，对交流接触器分断过程智能改造也是非常必需的，使得交流接触器分断过程基本实现无弧化。提高交流接触器电寿命，最终提高交流接触器整体性能，同时对绿色、安全、节约型电网建设有重要的实际作用和意义2。1.2 国内外研究概况和发展趋势近年来，国外著名低压电器公司纷纷推出新一代交流接触器系列产品，这些接触器的共同特点是在以上框架的产品上，其电磁机构普遍采用了智能控制电路，即通过引入微处理器，实现闭环控制以达到智能合闸操作。这种电路通过反馈信号，调节吸力与反力的配合，使电磁机构吸合冲击力最小，减少触头振动，可大幅度提高使用条件下的电气寿命。美国西屋公司()推出的“”智能接触器，额定电流有，三种框架。被广泛应用于综合监控、保护和通讯系统 (Integrated Monitoring Protection and Control Communication System)。该系列产品的核心是具有智能芯片，这种芯片能够对操作电磁机构的线圈进行智能控制，通过线圈的电流信号对闭合过程进行动态调节，达到能量平衡，实现动铁心的软着陆，减弱动静铁心的冲击，减小触头的弹跳。把三个电流传感器和智能芯片相结合，能够实现多种电动机保护功能，具有过载保护、断相保护、三相不平衡保护和接地保护等功能。该接触器还具有通信功能，能够把电动机的运行状态和数据传输给自动控制系统。当操作线圈回路条件变化时能够保持吸持线圈功率不变，消除了由于低电压引起的线圈烧损、触头弹跳和焊接现象，是一种具有代表性的新型交流接触器。国外一些主要接触器生产厂商也相继完成了产品的更新换代工作3。交流接触器是现代工业、农业、交通运输、石油化工、冶金、建筑等国民经济各个领域中需求很大的低压电器，在任何国家都不例外。我国每年需求量大约一亿台，产值约百亿。随着我国现代化发展步伐加快，这一需求将会更大，市场会更广阔。交流接触器广泛应用于供电、治金、矿山、石化行业，是一种较为理想的更新换代产品。产品适用于交流，额定工作电压至 (包括)，工作电流至的电力系统中，供远距离接通和分断线路之用；特别适用于电动机的频繁起动及控制电炉变压器的关合和分断；也广泛使用在电容无功补偿装置中。智能型交流接触器一般从以下四个方面进行研究和发展。1.2.1 交流接触器合闸控制技术发展状况随着电力电子技术的发展和电能资源的紧缺，智能交流接触器已经成为交流接触器的发展趋势。国外各大公司纷纷推出新系列的交流接触器，主要特点是其电磁铁采用了智能控制电路，即通过引入微处理器实现闭环控制，以实现智能合闸的操作。日本富士公司提出了系列接触器的超级电磁机构线路，实现节能无噪声运行，改善了电磁机构吸力与负载特性配合，减少触头闭合是振动。德国金钟-穆勒公司的系列智能接触器采用电压反馈方案，当线路电压变动时，能够实现恒流控制，保证动态吸力特性与反力特性很好的配合4。综合国外研究发现，他们对于智能交流接触器研究存在一些不足之处，比如，大多数是对电磁系统进行改进，实现合闸过程的稳定性，减少了主触头回跳次数。但对于分闸过程无弧化未能实现。就国内研究而言，通过研究得出合闸相角不同，铁芯闭合末速度不同，触点振动不同的结论。缺陷是针对不同的电压，合闸相角不同故合闸相角的准确计算是个难点，而且只能实现接触器微弧合闸，无法实现无弧合闸操作。针对交流接触器合闸阶段，智能交流接触器不同于上述做法。智能交流接触器采用多段脉冲稳压直流激磁和直流小电压保持的控制方案，在交流接触器吸合过程中采用多脉冲直流激磁方式，使得交流接触器吸合过程基本实现无弹跳，杜绝了吸合过程触头二次弹跳引起的拉弧对触头的侵蚀影响，达到了智能合闸的操作目标。同时采用稳压直流作为激磁电源还可以避免电网电压波动的影响，进一步提高了控制精度。1.2.2 交流接触器分闸控制技术发展状况针对智能交流接触器分闸技术，国内外研究人员进行了深入的探索。智能分闸技术主要分为以下三类：(1)同步分断技术：即控制交流接触器在电流过零瞬间分开，并以较快的速度拉开到足以承受恢复电压而不发生瞬间击穿的距离，则此时触头间隙不会产生电弧。事实上要完全实现同步分断是十分困难的。主要原因有：1.技术上很难保证接触器触头每次稳定在电流的零点分断。由于工艺和机构等原因，接触器的分断时间不稳定，即分断时间离散性大；2.提高接触器触头分断速度，给接触器动作机构带来一定困难，增加接触器负担；3.给接触器控制模块增加难度。(2)触头系统改造技术：使交流接触器中间相触头开距不同于旁边的两相的开距，中间相触头打开后，经过小段时间，其余两相触头才打开（如图1.1所示）。通过控制中间相触头的分断时刻，可以达到三相触头均在电流过零点前分断电路，实现三相电路的同步分断。缺陷是触头改造系统同样是结合电流过零分断技术，实施难度比较大。图1.1 触头改造系统示意图Fig.1.1 The schematic diagram of electric contact reform (3)混合式开关技术：在主触头两端并联电力电子器件的方法，运行期间由主触头分担电流，分断过程中由电力电子器件分担电流，实现微弧或者无弧分断，提高接触器电寿命5,6，具体实施方法如图1.2所示。图1.2 混合开关原理图Fig.1.2 The schematic diagram of hybrid switch1.2.3 节能保持技术发展状况普通交流接触器线圈以交流电励磁的时候，线圈不可避免会产生涡流损耗和磁滞损耗，在接触器正常工作时，线圈功耗非常大，造成不必要的能量浪费。同时通一交流电励磁的时候，每个周期交流电都有两个过零点。交流接触器虽然有短路环的存在，但不可避免的在电流过零的时候，会出现电磁吸力小于弹簧反力的情况，造成了交流接触器噪声影响特别大。交流接触器闭合之后，若仍然采用交流电压保持吸合，将会造成极大的电能浪费。实验研究表明，在交流接触器可靠闭合后，只需要给线圈提高一个小直流电压便可保持接触器稳定闭合运行。图1.3所示电路采用降压直流智能控制策略，由于采用直流保持方式可以大幅减少交流接触器功耗，同时采用直流励磁消除了噪声干扰，使交流接触器稳定无噪声运行。采用直流电源保持的另一个好处是在直流保持下分断接触器，其分断时间基本稳定，不存在很大分散性，提高了交流接触器分断的控制精度。图1.3为低压直流保持控制技术示意图。图1.3 稳压直流保持原理图Fig.1.3 The DC holding schematic diagram国内外研究表明，交流接触器保持策略还存在一种剩磁理论。即励磁铁采用永磁体来做载体，且永磁结构具有掉电自保持的功能，正好适用于交流接触器节能保持方案中，给交流接触器提供了另一种环保、节能控制方法。1.3 课题的研究的理论依据与实践方案在使用交流接触器控制电气设备的通断时，触点间存在很强的飞弧。特别是频繁地启动和停止设备时，更易使触点粘合或烧毁，需要频繁的更换触头，增加设备维修工作量和生产成本，更严重时会由于触点飞弧或烧融而导致生产事故。智能交流接触器器采用普通交流接触器与电力电子器件相结合的方案，在三相触头分别并联一个电力电子器件，在以为微处理器为核心的控制系统配合下实现交流接触器的无弧分合闸，为了克服普通交流接触器吸合过程中出现的二次弹跳问题，提出了采用多段脉冲稳压直流可控激磁、低压直流保持、分闸可控的电磁智能系统方案，实验证明基本实现了减少或消除触头二次弹跳的目标。智能交流接触器采用的是无触点电力电子器件分流技术实现智能分闸。在智能交流接触器分闸阶段，当单片机给出分闸信号后，主触头开始进行分闸操作，同时双向可控硅触发电路给出触发信号。主触头分断时，其接触面接触电阻不断增大，主电路额定电流不变，导致主触头两端电压不断增大，当主触头两端电压增大到6V左右时，双向可控硅满足导通条件，进而主电路电流流经双向可控硅，主触头分断过程无电弧产生。延时一段时间关闭双向可控硅触发信号，则双向可控硅在主电路电流过零时自然关断，从而完成了交流接触器分断过程的无弧操作。1.4 论文章节安排本文的章节安排如下:第一章为绪论部分，首先根据国内外低压电器的发展状况，分析了电器产品智能化的紧迫性和必然性，分析了低压电器的智能化控制技术在电器优化设计中应用的重要性。阐述了交流接触器的发展历程，从交流接触器的智能化控制技术、智能化的测试技术、基于现场总线的通信技术角度出发，提出本文的研究背景与意义。第二章主要论述了智能交流接触器整体设计思路并详细介绍了智能交流接触器工作原理及其智能改进目标，同时介绍了智能交流接触器所具备的智能保护功能并详细介绍了各个模块工作原理。第三章重点讨论智能交流接触器的电磁系统改进方案。本章列举了智能交流接触器电磁系统两种主要改进方案：脉动直流励磁和多脉冲稳压直流励磁，并且进行了详细对比分析。通过对比本文选择多脉冲稳压直流激磁方案，针对最佳激磁参数的确定本文设计了相应的实验电路，并根据实验得出的最佳激磁参数设计相应的系统激磁电源和智能激磁执行电路。通过智能激磁实验测试发现，智能激磁大大减少了接触器触头回跳时间，从而改善了由于触头二次弹跳引起的拉弧所造成的侵蚀影响。第四章重点论述针对普通交流接触器分闸过程中产生强烈电弧侵蚀影响，设计了智能分断控制系统。类似与第四章介绍，针对交流接触器分断过程智能控制理念，介绍了两种主要分断理念：零电流分断控制技术和无触点分断控制技术。通过分析对比，本文采用无触点分断控制技术。针对双向可控硅选型及触发模式本章也进行了详细分析，硬件电路搭建完毕后，本文对交流接触器分断过程进行了相应的实验测试，实验测试结果表明，针对交流接触器分断过程的智能改进方案有效。第五章主要针对智能交流接触器智能保护功能进行详细论述。主要是从硬件和软件两个部分进行了论述。硬件方面：根据产品所要求的具体技术指标进行硬件线路的设计。通过对硬件电路的设计和调试，实现对过载保护、过压保护、欠压保护和漏电保护等不同电流、电压信号的采集和处理;实现对中央处理单元、执行单元和键盘的设计和调试。软件部分：根据各种保护的优先级，完成主程序的设计。对采样电流值进行即采即比，求取主线路电流的有效值，根据电流有效值计算该电流下对应的温升，根据对计算值与设定温升值的比较，实现对主线路发生过载故障时的保护;由于本产品所控制的电力系统为三相三线制结构，对三相电流进行矢量求和后的中线电流求取有效值，通过与设定值进行比较，实现主线路漏电故障的保护，进而完成各个功能子程序的设计与调试。2 智能交流接触器总体设计方案2.1 引言智能交流接触器是针对普通交流接触器存在的缺陷进行相关改进形成的一种新型的低压开关电器。采用了以微处理器为核心的智能控制系统，通过相关智能控制理念，实现了交流接触器合闸、保持、分闸过程的智能操作。本文设计的交流接触器主要从两个方面进行智能改进：（1）针对普通交流接触器采用交流励磁存在的缺陷提出了多段脉冲稳压直流激磁和小电压直流保持的控制策略；（2）针对无弧分合闸的设计要求，对接触器触头系统进行无触点电子开关改进，具体做法是每相触头两端并联一个双向可控硅。智能交流接触器采用稳压直流激磁和小电压直流保持的控制策略。本文针对该控制策略设计了相应的实验测试电路，测试得出了最佳的激磁参数。并且根据激磁参数设计了相应的稳压激磁电源和保持电源。交流接触器合闸过程最容易出现二次弹跳，而二次弹跳带来的电弧也是影响交流接触器电寿命的重要因素。对于使用类别来说，合闸过程中主触头需承受主回路倍以上的额定电流冲击，这也是交流接触器合闸过程中造成触头侵蚀的重要因素。所以说优化交流接触器合闸过程对提高交流接触器整体智能化具有重要推动作用。对于普通交流接触器的分闸过程来说，不可避免会产生电弧，特别是对于使用类别来说，触头的分断过程要承受倍以上的主回路额定电流，致使动静触头之间产生强烈的电弧，这对于主触头来说有很大的侵蚀影响。针对这一问题，智能交流接触器对接触器分闸过程进行相关智能改进，主要是采用了无触点分闸的智能控制理念，也是本文研究的重点内容13。智能交流接触器具备以下主要功能：（1）合闸过程的智能控制合闸过程中若一直采用额定控制电压进行交流励磁势必会引起主触头弹跳，这也是造成触头二次弹跳的主要原因。本文根据实验测得的最佳激磁参数对电磁系统进行智能改进，采用稳压直流激磁的方案，主要是采用多段脉冲电压激磁的方式，主要是根据之前设定使线圈电磁吸力和弹簧反力之间良好配合，最终使动铁心实现“零速度”着陆。从而大大减少了触头二次弹跳的几率。（2）分闸过程的无弧化控制针对分闸过程产生的强烈电弧影响，本文采用了无触点分断控制策略，主要做法是在每相触头两端并联一个双向可控硅，主要是利用双向可控硅在分闸的瞬间实现分流的功能。最终达到无弧分闸的目标。通过上述改进大大提高了交流接触器的电寿命。（3）交流接触器的智能保护性本文研究的智能型交流接触器除了针对电磁系统和触头系统进行智能改造外，还添加了接触器智能保护功能，使交流接触器更加智能化。通过对硬件电路的设计和调试，实现对过载保护、过压保护、欠压保护和漏电保护等故障保护功能;实现对中央处理单元、执行单元和键盘及显示单元的设计和调试。2.2 研究对象简介系列交流接触器，主要用于交流（或）额定工作电压至，额定工作电流至的电路中，供远距离接通和分断电路之用，并可与适当的热过载继电器组合，以保护可能发生操作过负载的电路。本文选用德力西公司的交流接触器如图2.1所示，主触头额定电压（也称为最大工作电压）为380V/50Hz，额定工作电流为，环境参考温度为-3040，线圈控制回路电压也有相应限制，由于电网电压的波动性一般要保证吸合电压维持在85%U额定110%U额定，分断电压尽量维持在20% U额定75%U额定。图2.1 交流接触器结构示意图Fig.2.1 Schematic diagram of AC contactor交流接触器工作原理：当接触器线圈得电后，励磁线圈内部产生交变的磁场进而产生电磁吸力，而后动铁芯在静铁芯的吸力作用下加速吸合，同时反力弹簧受到动铁芯的连带压缩，进而动静触头接触，接触器合闸成功；当接触器失电后，励磁线圈内部不会再产生电磁吸力，此时动铁芯在反力弹簧的作用下向分离方向运行，进而分闸成功。2.3 智能交流接触器控制原理分析智能交流接触器控制系统主要是由Atmega16L中央处理模块、电源供电模块、双向可控硅驱动模块以及智能激磁控制电路组成。图2.2为系统控制原理图。图2.2 智能交流接触器控制原理图Fig.2.2 The sketch map of the Intelligent AC contactor图2.2所示控制电路在系统上电之后，对合闸信号和分闸信号进行循环检测和查询，看是否合闸信号或分闸信号到来，并根据信号来选择进入合闸程序模块还是分闸程序模块。当接到合闸信号后，首先触发并联在触头两端的双向可控硅，然后接通激磁电源控制电路，并按照之前设定的激磁方式进行智能激磁，当检测到触头已完全闭合后，断开可控硅触发信号，实现智能合闸过程。当接到分闸信号时，同样先触发并联在触头两端的双向可控硅，但此刻双向可控硅两端电压不足以令触头导通，所以给予双向可控硅触发信号一段时间后，断开保持电源，使接触器进入分闸过程。由于触头的接触电阻随着分断过程不断增加，导致触头两端电压也不断增加，当增加到一定程度后触头便满足导通条件。此后，触头便承担起主电路电流的分流任务直到接触器完全分断为止。接触器完全分断后，断开双向可控硅触发信号，双向可控硅便在电流过零时自行关断，实现无弧分闸过程14。为了给予交流接触器智能分合闸的良好环境，排除负载故障的影响，智能交流接触器除了具备智能分合闸优点外，还具备智能保护功能，具体实现原理如图2.3所示。智能交流接触器通过检测单元获得主线路的电流和电压信号，而后分别经过信号调理电路进行滤波、放大操作，最后经过微处理器逻辑单元分析、判断后，发出相应的指示信号或动作信号。采用以ATMEGA16单片机为控制核心，通过相应传感器对关键参数进行实时采集与分析，进而对接触器运行状况进行实时准确的判断。系统具体实现原理如图2.3所示。图2.3 智能保护原理框图Fig.2.3 The block diagram of fault protection图2.3中KM为普通交流接触器，选择工作场合为工频50Hz，相电压220V，线电压380V。通过对负载各相电压的监测判断，即可知道系统是否处于过压、欠压及缺相(由缺相保护电路检测)运行。若发现负载正在缺相运行，可立即封锁激磁信号，使系统停止运行并给出故障信息。若系统处于欠压状态可以给出故障报警和实际电压值，根据检测的三相电压值计算三相负荷不平衡度，若在运行范围内即不影响正常工作时，负载保持运行状态；当三相不平衡度超过限定值则停止系统运行进行故障检修，并给出报警信号。2.4 智能交流接触器实验样机智能交流接触器样机由双向可控硅及其控制电路板、电源及其控制电路板和电子控制电路板组成。图2.4 为基于 CJ10-20 型交流接触器的智能交流接触器实验样机。图2.4 智能交流接触器试验样机示意图Fig.2.4 The Schematic diagram of intelligent non-arc AC contactor test prototype2.5 本章小结本章主要是对智能交流接触器工作原理及其具备的特殊功能做了简短介绍。主要介绍了针对普通交流接触器激磁系统及触头进行的智能改造方案。除此之外还添加了智能保护功能，使交流接触器更加趋于智能化。3 智能交流接触器合闸过程方案研究交流接触器吸合过程是个很复杂的动态过程，普通交流接触器采用交流励磁，很容易造成交流接触器出现铁芯碰撞和触头弹跳问题。而铁芯碰撞是影响交流接触器机械寿命的重要因素，触头弹跳又是影响交流接触器电寿命的重要影响因素。所以对交流接触器吸合过程进行智能控制是提高交流接触器整体性能的重要手段15。直流激磁方式是近年来国内外针对电磁系统改进的热点，直流激磁可以很好的控制激磁能量以便控制动铁心吸合速度，减少触头二次弹跳几率；同时，接触器稳定闭合之后采用直流小电压便可维持运行，从而大大降低了接触器运行功耗。就目前来讲，脉动直流激磁方案是直流激磁方式比较常用的手段，但脉动直流激磁方式同样存在相关问题，针对这些问题，本文提出了多段脉冲稳压直流激磁方案。3.1 交流接触器合闸过程触头弹跳问题的分析图3.1 普通交流接触器结构示意图Fig.3.1 General AC contactor structure diagram动静触头在闭合过程会产生弹跳，由此引起断续电弧的产生，对触头造成侵蚀和烧损，严重影响接触器的寿命。可动部分在碰撞瞬间的动能，可以根据式(3.1)进行计算: (3.1)式（3.1）中：m动触头的质量； v动、静触头碰撞瞬间动触头的速度。在碰撞中的形变，但是考虑由形变所产生的能量损失;不考虑主触头电动力的影响，以普通交流接触器电磁系统(见图3.1)为例，分析其运动过程如下:一次弹跳：线圈通电以后，电磁系统产生电磁吸力，当大于反力弹簧的反力时，动铁心和动触头开始运动。首先是动、静触头相互接触碰撞，此刻动触头具备一定动能，其具备的动能能量一部分消耗在动静触头的形变上，另一部分以另一种能量形式消耗在触头弹簧上，其余部分能量消耗在动触头反向运动上。此刻，接触器动铁芯继续向下运动，而动触头则反向运动，同时之前压缩弹簧产生的反力又减缓触头反向运动趋势，在弹簧拉力的影响下，动触头向相反反向运动的趋势又转变成向下运动的趋势，动、静触头再次碰撞、再次弹开，直到弹跳停止为止。二次弹跳：类似与动、静触头的碰撞，动铁心在向下运动的过程势必会与静铁心相互接触碰撞，同样动铁心具备一定动能，其具备的动能能量一部分消耗在动铁心形变上，另一部分剩余动能提供动铁心反向运动的能量。此时，如果线圈产生的电磁吸力大于动铁心上反力弹簧拉力，则动、静铁心不再分离运动保持稳定闭合；如果线圈产生的电磁吸力小于动铁心上反力弹簧拉力，则动、静铁心重新分离运动，若动铁心反向运动的位移大于动、静触头本身具有的超程时，动、静触头重新分离运动，从而造成了二次电弧干扰。触头之间的振动将造成触头弹开产生电弧，当电流为i时，其电弧能量为: (3.2)式中，为电极的近极区压降，为弧柱压降，当触头材料为时，值为。一般触头振动时间为，减少二次弹跳时间，可以降低电弧能量，从而减少电弧对触头的侵蚀影响。对于普通交流接触器而言，交流接触器合闸过程产生的二次弹跳对主触头的影响远大于一次弹跳产生的影响16。为了有效解决接触器合闸过程中产生的触头二次弹跳问题，需要对接触器电磁系统进行一系列智能改进。如果能有效实现合闸过程电磁吸力与弹簧反力之间良好配合，可以大大减小动、静铁心碰撞瞬间的速度，进而减少动、静铁心碰撞能量，进而减小或杜绝了主触头在合闸过程中的二次弹跳问题，不仅提高了交流接触器机械寿命，而且还提高了交流接触器的电寿命。3.2 脉动直流激磁方案分析脉动直流激磁方案采用的经电网整流得来的脉动直流信号进行励磁操作，同时采用稳定直流信号进行运行保持操作。同时，影响脉动直流激磁方案的因素有以下三点：合闸相角、激磁电压以及激磁控制方式17-20。3.2.1 合闸相角对吸合过程的影响脉动直流方案采用脉动直流激磁、直流保持方式。工作方式是在接触器吸合过程中激磁电压和保持电压是同时加在接触器线圈上进行励磁操作的，且激磁电源是通过电网相电压整流得到的脉动直流电源。故接触器线圈中的电压，电流，磁通都是随时间不断变化的。在接触器吸合导通的暂态过程中，可以将线圈电流分解为暂态分量和稳态分量两种分量，且二者均与接入初相角有关联。 （3.3） （3.4）式（3.4）中：-电流稳态分量；-电流暂态分量；-合闸初相角；-电压、电流之间相位差；-电磁时间常数；-直流吸持电压；-直流吸持电流；Z电路阻抗，。由于，,，可以将式（3.4）改成式（3.5）所示。 （3.5）式（3.5）中：-稳态电流幅值。 （3.6） （3.7）由上述理论分析发现，当合闸初相角不同时，接触器线圈中激磁电流具有不同的变化规律。激磁电流的变化造成线圈磁路中磁链、线圈电磁吸力、动铁芯运行速度等参数变化规律也一直变化，这也对接触器吸合过程造成很大影响。合闸初相角选择不合适有可能造成无法合闸的现象，严重影响交流接触器正常工作；同样合闸初相角选择不合适，还可能造成接触器吸合过程动铁芯速度过大，引起动静铁芯碰撞和触头弹跳现象，同样也会影响交流接触器正常工作。所以，合理选择合闸初相角对减少铁芯碰撞、消除触头弹跳，提高交流接触器电寿命具有很重要的影响。3.2.2 激磁电压对吸合过程的影响根据标准参数规定，交流接触器控制电压必须在额定电压下才能稳定闭合。为了更好应对电网波动影响，厂家一般会把接触器可靠闭合控制电压控制在区间内。对于交流接触器线圈来说，其磁路方程式如下： （3.8） （3.9）其电磁吸力等效为式（3.10）： （3.10）式（3.10）中：-电源电压；-感应电动势；-电源频率；-磁路总磁链；-气隙磁通；-空气导磁率；-空气导磁率；-空气导磁率；-铁芯端面面积。对于交流接触器激磁线圈来说，当激磁电压变化时，会造成线圈磁路总磁链和磁通量的变化，最终导致线圈产生的电磁吸力发生变化，进而影响了交流接触器吸合过程。综上所述，给予接触器线圈不同的激磁电压，其磁路中的磁状态也会随着激磁电压的变化而变化，因而最佳合闸初相角与激磁电压值也是息息相关的。3.2.3 不同激磁方式对吸合过程的影响由3.2.1和3.2.2节可知，合闸初相角和激磁电压值都对激磁过程产生很重要的影响，通过条件二者之间的关系，达到交流接触器吸合过程的智能优化的目标。同时，通过调节激磁控制部件导通时刻和关断时刻可以进一步优化吸合过程，根据调节方式的不同可以将激磁控制方式分为：不分段激磁控制方法和分断激磁控制方法。图3.2 不分段激磁控制方案示意图Fig.3.2 The schematic diagram of excitation control method without fragment如图3.2所示为不分段激磁控制方案。图中所示时刻为合闸相角处，即系统检测到电压过零点以后需要延长的时间; 时间段为激磁时长。检测到交流接触器完全闭合后，关闭激磁电源信号，此刻接入保持电压进行工作保持。但是此控制方法也有其缺陷，此方法是在完全检测到接触器可靠闭合后才关断激磁信号，随着持续的激磁作用，动铁芯速度是不断增大的，不可避免会在动静铁芯接触时发生机械碰撞，同时还会导致触头发生二次弹跳现象。针对此激磁控制方案存在的问题，提出了分段激磁控制方案，控制方案原理如图3.3所示。图3.3 分段激磁控制方案示意图Fig.3.3 The schematic diagram of excitation control method with fragment图3.3中，为合闸初相角；为第一次激磁回路作用时间；为停止激磁时间段；为第二次激磁回路作用时间。然后，再次停止激磁信号，使交流接触器铁心在惯性作用下缓慢吸合，最终实现交流接触器吸合过程所谓的“软着陆”，这种激磁控制方案可以将最大限度减小铁芯碰撞速度，进而减少或消除了触头的二次弹跳问题。3.2.4 脉动直流激磁方案存在的相关问题通过前面分析可知，不同的合闸相角、不同的激磁电压、不同的激磁方案均影响交流接触器的合闸过程，脉动直流激磁方案同样存在相应问题：（1）激磁方案确定的前提下，合闸相角的选择需要跟随激磁电压的变化，同样激磁电压是由电网电压整流而来，波动比较大，造成了合闸相角的随机性。（2）电网电压波动的检测需要精度很高、相移很小的传感器检测跟踪，从而造成了控制系统成本设计的增加。3.3 多段脉冲稳压直流激磁方案分析3.3.1 多段脉冲稳压直流激磁方案原理分析实验研究表明，脉动直流激磁方案可以很好解决主触头回跳问题，采用该激磁方案可以很好实现线圈电磁吸力和弹簧反力之间的配合，实现了触头真正的“软着陆”。但是这种激磁方式同样存在不足：（1）线圈控制电压是由电网整流而来，电网电压本身有一定波动范围，交流接触器要求在线圈额定电压范围内均能保证接触器可靠闭合。上一节分析可知，脉动直流激磁方案的合闸初相角与激磁电压是息息相关的，不同的激磁电压值对应不同的合闸初相角。从这方面来讲，接触器激磁过程中合闸初相角是不固定的，另一方面也增加了合闸执行部分任务。（2）为了能根据线圈控制电压实时更改合闸初相角，电压检测电路需要实时检测和计算线圈控制电压值，一方面提高了对电压检测电路检测精度的要求，另一方面也对微处理器数据处理能力提出更高的要求。对于交流励磁来说，每个励磁周期，励磁电压信号都会出现两个过零点。在电压过零时由于电磁吸力的瞬间消失使得接触器动、静铁心出现来回吸合的现象，既产生噪声干扰又降低了接触器的机械寿命。针对上述问题，普通交流接触器在静铁心上都会加上短路环，既能降低噪声干扰又提高了接触器闭合可靠性。但是在接触器合闸操作时，短路环悬伸部分很容易出现断裂现象。如果采用多脉冲稳压直流激磁方式则不需要安装短路环，只需合理设计稳压直流激磁电源和稳压保持电源，就可以实现交流接触器合闸过程的稳定性和运行的可靠性21。采用交流励磁时，静铁心不可避免的会产生涡流损耗和磁滞损耗，而且，如果采用交流信号维持接触器稳定闭合时，若此时给予接触器分断信号，由于不同的分闸相角对应不同的分断过程，这就造成了接触器释放时间不固定，对接触器分断过程实现无弧化带来一定的难度。研究表明，当交流接触器完成合闸操作后，不需要施加很高的电压就可以保持交流接触器处于吸合状态。实验测试表明，若采用直流小电压保持的控制策略，不仅可以降低交流接触器运行时功耗，还可以提高交流接触器分断过程的稳定性。综上所述，本文针对交流接触器电磁系统进行了智能改进操作，采用了多段脉冲稳压直流激磁、直流小电压保持的控制方案22,23。多段脉冲稳压直流激磁理念，采用恒定直流进行激磁，并按照一定占空比对接触器线圈进行激磁操作，通过控制占空比来控制触头吸合过程的速度，基本可以将触头弹跳时间控制在可以忽略的区间。3.3.2 多段脉冲稳压直流激磁系统参数分析按照规定，交流接触器操作电磁铁需在额定电压下稳定吸合。图3.4所示为线圈通电后产生的电磁吸力特性和弹簧反力特性之间的关系图，从图中可以发现，若对接触器线圈采用额定电压激磁时，其弹簧反力远小于线圈电磁吸力，这种激磁方式会造成合闸过程动铁心的动能过大，既对动、静铁芯的机械寿命产生影响还造成接触器主触头产生不必要的弹跳。图3.4 吸力和反力配合曲线图Fig.3.4 Suction and anti-attraction matching graph通过上述分析可知，使动、静铁芯碰撞时速度达到最小（即使两者碰撞能量）最小既提高了交流接触器的机械寿命又改善了交流接触器的电寿命。合理处理电磁吸力和弹簧反力之间关系是实现上述目标的关键所在。对于 使用类型来说，接触器吸合瞬间主触头需承担大于主回路额定电流倍的电流冲击，所以如果不能很好解决合闸过程触头弹跳问题的话，触头弹跳产生的断续电弧将会对主触头产生强烈的侵蚀影响。特别对于感性负载来说，合闸过程触头回跳现象会令主回路电流激增，产生更加强烈的电弧，对主触头的侵蚀影响更为严重。所以说合理调节电磁吸力和弹簧反力之间的大小关系，对接触器合闸过程智能化改进过程意义重大。（1）激磁参数实验测试原理分析确定最佳激磁参数的设计原理图如图3.5所示。具体的测试方法：测试系统按一定规律改变激磁电压及激磁时间两个参数，而后测量接触器主触头回跳时间以及接触器完全吸合时间，最