（电机与电器专业论文）永磁接触器的控制技术研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e t ( p m ) c o n t a c t o ri sak i n do fs w i t c h e rb a s e do nan e wp r i n c i p l e i th a sb r o a d a p p l i c a t i o n si ni n d u s t r yd u et oi t sa d v a n t a g e so fe n e r g y s a v i n ga n dn o i s er e d u c t i o n ac o n t r o lu n i ti s n e e d e dt or e a l i z ei t sc o n t r o l ，p r o t e c t i o na n di n t e l l i g e n tf u n c t i o n s t h e r e f o r e ，t h ep mc o n t a c t o rc o n t r o l t e c h n o l o g yr e s e a r c hw i l lh a v ev e r yi m p o r t a n ti m p a c t so nb o t ht h e o r e t i c a le n d e a v o r sa n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n sf o ri m p r o v i n gt h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ew o r k i n gp r i n c i p l e so f t h ep ma c t u a t o r s ，ac y l i n d r i c a lp ma c t u a t o ri s s e l e c t e da sar e s e a r c hs a m p l e t h ed y n a m i cm o d e li sb u i l t ，a n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo nm a k i n g c o u r s eo ft h ep ma c t u a t o ri sa n a l y z e d ，i nw h i c h ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h e e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e t h ec o r r e s p o n d i n gr e q u i r e m e n t so ft h em e c h a n i c sa n dc i r c u i td e s i g na r e o b t a i n e d ，w h i c hi st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g n i n gc o n t r o lc i r c u i t so fp mc o n t a c t o r i nm a k i n gc o u r s eo fp mc o n t a c t o r , t h et r a n s i t i o nt i m eo fe x i s t i n gc o n t r o lu n i ti sm u c hl o n g e rt h a n t h em o t i o nt i m eo fa c t u a t o r an e wc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e dt od e c r e a s et h et r a n s i t i o nm a k i n gt i m e b ys e t t i n gaf e e d b a c k - h o l d i n gc i r c u i t ，w h i c hc a nt u r no f fm a i nc i r c u i tq u i c k l y , t h ed i g i t a ls i m u l a t i o n f o rm a k i n gc o u r s ei sc a r r i e do u tt oo b t a i nt h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a p a c i t o rv o l t a g ea n d c o i lc u r r e n tv e r s u st i m ea n dt h ee x p e c t e do p e r a t i o nt i m eo ft h em a i nc i r c u i t e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f 2 5 ap r o t o t y p ea td i f f e r e n tm a k i n gp h a s ea n g l ev e d f yt h ec o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v i t yo ft h ep r o p o s e d m e t h o d ad i g i t a lc o n t r o lc i r c u i tf o rp mc o n t a c t o rb a s e do nt h e h i g h - p e r f o r m a n c ed s pc h i p t m s 3 2 0 f 2 812i sd e s i g n e dt oe s t a b l i s ha ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mf o rp r e c i s e l yc o n t r o l l i n gt h e d y n a m i cp r o c e s s b o t ht h eh a r d w a r ec i r c u i t s ，i n c l u d i n gd i g i t a lm e a s u r e m e n t , c o n t r o la n dp r o c e s s i n g u n i t s ，a n dt h es o f t w a r ea r ed e s i g n e d s t a b i l i t yt e s t ，m a k i n gb o u n c i n gc o n t r o la n dz e r o - c u r r e n tb r e a k i n g a r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l yi nd e t a i l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep mc o n t a c t o rb a s e do nt h e d s pd i g i t a lc o n t r o lc i r c u i ti sr e l i a b l e ，a n dt h ec o n t a c tb o u n c i n gi sr e d u c e dw i t ht h er e a s o n a b l ep u l s e c o n d i t i o n ，a n dt h ez e r oc u r r e n to ft h em a i nc k c u i tb r e a k i n gi sb a s i c a l l yr e a l i z e d k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e tc o n t a c t o r ；a n a l o gc o n t r o lc i r c u i t ；f e e d b a c k h o l d i n gc i r c u i t ； i n t e l l i g e n tc o n t r o l ；d s p i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对电力的需求量愈来愈多， 对供电的可靠性、安全性以及供电设备的节能环保效果提出了新的更高的要求。据统计j 电力 系统电能的8 0 以上是通过低压电器分配使用的f 1 】。接触器是电力拖动和自动化控制系统中不 可或缺的量大面广的低压电器产品，用于频繁接通和分断交直流主电路和大容量控制电路，并 可实现远距离控制1 2 】。在接触器的应用中，电磁接触器是最广泛的一种【3 】，普通的电磁接触器在 运行时，需要靠线圈长时间通电所产生电磁力来维持吸合状态，铁心涡流能耗严重，并且极易 烧毁线圈，此外，灰尘侵入、电压波动、机械磨损等原因还会产生震颤噪声 4 1 。 相对于电磁式接触器，永磁接触器由于结构特点及工作原理的不同，具有节能效果显著、 工作无噪声、不受电网电压波动影响、闭合电路动触头无弹跳或弹跳持续时间短、操动机构可 控性能好等优点【5 1 。目前，研究人员对永磁操动机构已经做了包括永磁接触器的仿真研究等 6 - 1 5 】 的大量工作，但是对于永磁接触器的控制研究还较少。从现有资料来看，控制单元的设计是永 磁接触器的设计难点之- - 1 1 6 1 。为了设计可靠的控制单元，有必要针对永磁接触器控制技术展开 研究。 在永磁接触器接通电路时，动静触头在达到稳定接触前会产生弹跳，不仅影响系统的性能 而且产生的电弧对触头的烧蚀作用会降低接触器的电寿命，尤其是当接触器用在a c 4 使用类别 下，闭合的起动电流达6 倍的额定电流，触头弹跳成为影响电寿命的主要因素。因而，研究永 磁接触器接通电路的整个动态过程，尤其是触头弹跳对于接触器的优化设计和提高整体性能具 有重要的意义和实用价值【l7 1 。近年来，国内外对电磁接触器的智能控制做了大量的工作，利用 操作电磁铁“软着陆”来减少触头弹跳和铁芯振动来提高a c 3 电气寿命的控制方案已被大多数 国外大公司所采用，主要用于额定电流在1 0 0 a 以上的交流接触器。但要提高a c 4 的寿命，主 要应着重于提高接触器的分断性能i l 引。用智能控制方式提高接触器的分断性能，英国的n o u r i 对于接触器进行了定相合闸控制，找出了合闸相角与触头磨损的关系，并得到过零点分断对于 任何一种材料触头的磨损最小的结论【1 9 】。对于永磁接触器合闸过程中的弹跳控制和分闸过程中 主触头过零点分断的研究还未见有专门的分析，本文将对此进行研究与实验。 目前，国内外将永磁技术全面应用在低压电器领域的研究，还处于起步阶段，相关的理论 和技术还远未达到成熟的阶段。因此，开展永磁接触器设计理论的研究，对于掌握核心技术， 促进其推广应用，达到节能、降噪的目的和提高工业控制系统可靠性，具有十分重要的理论意 义和工程应用价值。课题的研究还可以有效避免我国电器行业长期以来的仿制模式，走创新型 道路，掌握电器领域中的核心技术，因而具有十分重要的战略意义。如果能设计出简单适用、 成本低廉的永磁接触器控制电路，并且使其具有高可靠的工作性能，同时降低接触器的生产成 本，该产品将具有很强的竞争力，具有良好的市场前景【2 们。 东南大学硕士学位论文 1 2 永磁接触器的国内外研究现状 1 2 1 操动机构的研究现状 永磁接触器控制电路的控制对象是永磁操动机构，为了对控制对象有一个比较深入的了解， 本文首先将介绍永磁操动机构的研究现状。 永磁操动机构的研究是永磁接触器研究的一个重点。早在上世纪6 0 年代中期国外有关研究 机构对于永磁操动机构的应用就展开了研究【2 1 1 ，但由于缺乏特性优良的稀土永磁材料，有关永 磁操动机构的研究始终停留在实验室层面。随着上世纪8 0 年代稀土永磁材料n d f e b 的出现， 国内外对于永磁操动机构的大规模研究从上世纪8 0 年代末开始展开。 现有的永磁操动机构，主要分为单稳态永磁操动机构和双稳态永磁操动机构。但划分依据 目前仍不统一，主要争议在于按照是否借助弹簧储能来划分【2 1 1 ，还是按照动铁心在行程终止的 两个位置上是否需要任何外界能量或锁扣保持来划分【2 2 1 。本文采用文献 2 1 的划分方式。 1 2 1 1 单稳态永磁操动机构 单稳态永磁操动机构借用传统电磁式接触器弹簧储能分闸的原理，在合闸过程中利用弹簧 进行储能，分闸时线圈通电抵消永磁力，弹簧释放能量实现分洲2 1 1 。 文献 2 3 】提出了如图1 1 所示的u 形单稳态永磁操动机构的结构形式。该结构在合闸保持 状态，由永磁体产生的永磁力和在线圈中通过的特定的维持电流产生的电磁吸力共同作用，使 接触器保持在合闸位置。分闸时，可以通过切断线圈维持电流的方式实现分闸，也可以给线圈 通以反向电流，由电磁斥力和弹簧反力共同分闸，提高了分闸时的刚分速度。 文献 2 4 】提出了如图1 2 所示的u 形并联磁路单稳态永磁操动机构的形式。该结构处于合 闸位置时，其保持力由电磁吸力和永磁力共同承担。不同的是，该结构采用了并联磁路，串联 励磁线圈产生的磁通和永磁体产生的磁通分别流经不同的路径，两者互不干扰，因此线圈磁路 磁通所通过的磁阻达到最小，实现了永磁接触器的节能。 头 头 图1 1u 型铁心单稳态永磁操动机构图1 2u 型铁心并联磁路单稳态永磁操动机构 文献 2 5 】介绍了如图1 3 所示的圆柱形单稳态永磁操动机构，采用了圆柱形永磁体代替电磁 铁的动铁心。圆柱形软铁与电子模块固化在一起替代电磁铁的静铁心与电磁线罔，并与底座相 - 2 - 第l 章绪论 连。通过电子模块对控制线圈通以正反方向的脉冲电流，永磁接触器实现合闸和分闸，合闸状 态采用永磁保持。 文献【1 6 介绍了如图l _ 4 所示的永磁接触器的双e 型铁心单稳态永磁操动机构。该永磁操 动机构与现有c j 2 0 系列电磁接触器外壳兼容，具有良好的工业应用前景。 i兰固颃 l 图1 3 圆柱形单稳态永磁操动机构图1 4 双e 型铁心单稳态永磁操动机构 1 2 1 2 双稳态永磁操动机构 双稳态永磁操动机构是指与传统接触器弹簧储能分闸完全不同，完全使用电磁力实现分闸 和合闸过程，使用永磁力保持分闸和合闸状态的永磁操动机构【2 。 如图1 5 所示为一种双稳态永磁操动机构，由于完全取消了弹簧辅助，分闸保持和合闸保 持均采用永磁保持。但是由于双稳态永磁操动机构相对复杂且往往需要多个线圈，不利于小型 化的设计，现阶段多使用于永磁断路器中，在接触器中的使用还有待进一步的研究。 1 2 2 控制电路的研究现状 ： 图1 5 双稳态永磁操动机构 3 东南大学硕上学位论文 目前，对于电磁接触器控制的研究较多，取得了很多进展【2 睨引，但是对于永磁接触器控制 的研究尚不够深入。无论是单稳态永磁操动机构还是双稳态永磁操动机构，在接触器分闸时， 一般均需要外部电路向操动机构提供电磁力，即需要提供线圈电流。所以相比于电磁接触器， 永磁接触器分闸时需要外界向其提供一定的能量。因此，永磁接触器必须要设计特定的控制电 路驱动操动机构的动作。 永磁接触器控制电路所用的电源的不同方式决定了永磁接触器控制电路的不同设计。从国 内外情况看，永磁机构的电源主要采用以下几种方案： 采用电容器对分、合闸线圈放电的方式； 使用直流电源； 直接使用高能量的锂电池。 对于、两种方案，线圈电流的大小直接影响着电容器或锂电池的体积，成本及可靠性。 如果电流较大、电压较高，则方案中的电容器容量大、耐压高，体积大、成本高、可靠性差， 而方案中的锂电池供电在电流较大，电压较高时几乎完全行不通。 从目前各个厂家的现有接触器产品来看，只要元器件的质量一致性比较好，再进行必要的 出厂实验，控制电路的抗干扰问题不难解决。主要问题还在于合分闸线圈的切换元件上。在切 断线圈电流时，由于切感性电流会产生较大的过电压，虽然所制作控制电路一般均有续流回路。 但如果回路的参数选择不当，或者对元器件的保护不好，在切换线圈电流时，元件两端仍然会 有很高的过电压，从而使元器件造成损坏。 由于方案中直流电源的使用条件的限制，目前方案的使用最普遍。方案中电容器的 寿命问题是大家关注的焦点，这也是目前影响永磁接触器发展的一个瓶颈。现在大多数控制电 路中使用的电容器都采用电解电容器，电解电容器的电解液随着时间会劣化，从而使得电容器 的绝缘电阻减小，漏电流增大，电容器的寿命缩短。电解电容器的使用寿命与使用的环境温度 有关，一般在1 0 5 时，寿命为2 0 0 0 h ，但当电容器的工作温度低于5 0 时，其寿命可达l o 年 以上，因此在设计控制电路部分时，应通过有效措施降低电容器的工作温度，使电容器的工作 温度低于5 0 。c ，使其寿命延长至1 0 年，满足用户的要求1 3 0 1 。 在永磁接触器控制电路的研究中，主要有辅助触点控制电路、模拟控制电路和数字控制电 路三种实现方式。 1 2 2 1辅助触点控制电路 早期的永磁接触器控制电路多采用辅助触点控制电路，利用接触器的辅助触头及手动按钮 实现合分闸控制。 如图1 6 所示是一种永磁接触器辅助触点控制电路的结构形式，合闸时二极管d 2 导通， 分闸时二极管d 1 导通。线圈c j 只在电路接通和断开的瞬间通电，基本实现永磁接触的合闸与 分闸功能【3 1 】。 4 第1 章绪论 n 图l - 6 永磁接触器辅助触点控制电路 如图1 7 所示是另一种永磁接触器辅助触点控制电路的结构形式，不同之处在于增加了欠 压保护功能。按动合闸按钮q a ，d 4 导通，线圈正向通电，接触器合闸；按动分闸按钮t a ， d 3 导通，线罔反向通电，接触器分闸。正常工作时，储能电容c 充电；在电源欠压时，储能 电容c 放电，接触器分闸，实现永磁接触器的欠压保护功能旧。 n 图1 7 欠压保护式永磁接触器辅助触点控制电路 1 2 2 2 模拟控制电路 辅助触点控制电路的优点是结构简单、寿命长，缺点是需要辅助触头，增加触头机构的复 杂程度，同时容易发生控制动作与接触器动作的失步，引起接触器动铁心的反复吸合分断，使 接触器不断跳动，并最终带来接触器线圈的烧毁。而不带有辅助触点的单纯模拟控制电路，基 于永磁机构的脉冲动作原理，不需要辅助触头，具有良好的稳定性，并且基本实现与电磁接触 器类似的外部通断电的合分闸控制方式。实现控制与动作分离，成本也较低，同时可以承受一 定的谐波和晃电的影响。模拟控制电路的控制方式是目前永磁接触器控制中一种比较理想的控 制方式。 文献 3 3 1 提出了图1 8 所示的一种带欠压和失压保护的永磁接触器控制电路。合闸时，线圈 通以正向电流，同时对电容充电，以备分闸之需。分闸时，电容放电线圈通以反向电流抵消永 磁作用。当接触器欠压或失压时，控制电路经过判断后切断主回路，电容放电，抵消永磁体的 吸力，实现分闸功能。 5 - 东南大学硕士学位论文 r -l 、 d 7 一 厂 一 i2i d 2、 zd 5 一d 6 r 1 1l j u ip 7 c 1 = 甲勉 旺= 郸 _ n i 区 本d 9 一 驸节ki i l r 5l 2 i2王 d 3 d 4 图1 8 永磁接触器的模拟控制电路 文献 3 4 1 提出了如图l - 9 所示的永磁式接触器控制模块，该模块可以在允许的电压波动范围 内，稳定的实现控制永磁式接触器的分闸与合闸。 一一聪d 嚼1 聪一一一k 一 h 7 。 ”爿! r 9 d 1 一d 2 r 1 3 1 22 ， 叠l 一卜_ 。与口 u 刚呈= c 4 y r l d 8 r 5 r 6 弋 2 i 一 l cc 1 y r 2d 9 一 d g 严 p 串三崮 三；c 5 _d 3 互口斗和广广1 zlz 图1 9 永磁式接触器控制模块 r l l r 1 2 文献【3 5 】提出了如图1 1 0 所示的可防电压瞬态中断的永磁接触器控制模块，该模块有效解 决了控制电路的晃电带来的危害，使生产系统稳定，减少因电网波动给企业带来的损失。 图1 1 0 可防电压瞬态中断的永磁接触器控制模块 永磁接触器模拟控制电路的形式比较多，但总体的设计方案差别不大。主要是依靠电子控 - 6 - 第l 章绪论 制电路控制电容器的充放电来提供充电和放电脉冲电流，实现永磁接触器的合闸和分闸。 1 2 2 3 数字控制电路 低压电器将重点逐步向系统化、智能化发展1 3 6 1 。利用单片机，d s p 等现代数字控制手段进 行检测调节控制通信一体化设计，使永磁接触器具有可通信能力，同时可以对永磁接触器运 动过程进行控制，实现低合闸弹跳、微弧分断等智能化控制目的，是目前永磁接触器设计的一 个主要趋势。由于永磁接触器本身是一种新型的开关电器，国内外有关文献还不多见，有关其 数字控制电路的设计还需要进一步的研究。 现有的数字控制电路多在电磁接触器中使用，如图1 1 1 所示为西安交通大学设计的基于可 变电流控制的智能交流接触器控制单元，该模块通过调节m o s f e t 的p w m 脉宽，达到调节接 触器动作特性的目的。 图1 1 1 基于可变电流控制的智能交流接触器控制单元 数字控制的优点是功能较完善，可以实现自动控制，缺点是成本较高，同时对电磁干扰等 抵抗力较低，器件寿命和可靠性还有待进一步实验。数字控制电路最终一般需要以s o c 专用：笛 片的形式出现，这大大增加了设计数字控制电路的难度，使接触器设计必须与电子、控制等专 业进行联合研发，增加了开发成本与设计周期。 如图1 1 2 所示给出了美国西屋公司近期推出的a d v a n t a g e 系列电磁接触器及其智能控制单 元，它包含一块称为s u r e 的智能芯片，该芯片能对电磁铁的线圈进行智能控制，同时包含三 个电流互感器，整个接触器具有如下的功能： ( 1 ) s u r e 智能芯片通过检测线圈电流的变化选取最佳的动态特性曲线，使闭合中线圈消耗 功率最小。当触头闭合后使线圈功率迅速下降，使动铁心与静铁心闭合瞬间的速度几乎为零， 大大减少静铁心闭合时的撞击，减少了触头的二次弹跳，保证了可靠动作，提高了寿命，减少 了功耗。 ( 2 ) 独特的电流传感器，可实现过载保护、断相保护、三相不平衡和接地保护。 ( 3 ) 双向通信及控制功能接口，能把电动机运动状态和数据传输给中央自动控制系统，易于 远程控制。 - 7 东自 学硕1 学位论女 图i - 1 2 西屋公司的a d v a n t a g e 电磁式接触器及其智雒控制单元 1 3 永磁接触器的应用前景 永磁接触器在合闸保持时采用永磁保持这种与传统电磁接触器完全不同的特性决定了它 有如下一些优点： ( 1 ) 高节电率。图1 1 3 给出了传统c j 2 0 电磁接触器和永磁接触器的节能效果对比。由于 传统电碰接触器线圈长时间通电，能耗很大，而小磁接触器克服了这一缺点，节能潜力很大。 在同等工作条件下，永磁接触器相对传统电磁接触器的节电率可达9 9 。 ( 2 ) 触头长寿命。实验表明，应用永磁接触器合闸时的触头二次弹跳得到明显抑制，分闸 的触头速度快燃弧时间极短，使得触头的使用寿命大大延长。 ( 3 ) 线圈几乎无温升。传统电磁接触器运行时线圈通电，必然有温升。一旦散热不良就将 造成线圈烧毁。然而，永磁接触器吸台后，线圈中没有电流流过，因此线圈几乎无温升，更可 以避免传统电磁接触器线圈烧毁的现象。 2 5 0 董2 0 0 菩，5 0 臣 蠹l o o 5 0 0 1 01 62 54 06 31 0 01 6 02 5 04 0 06 3 0 额定自龇 图li3 传统c j 2 0 电磁接触器和永磁接触器的节能效果对比 4 ) 高u r 靠、免维护。永磁接触器在吸台阶段的保持力为水磁力，不需电磁线罔通电产生 - 8 一 第l 章绪论 电磁力来保持。由于采用了永磁力进行合闸保持，触头接触压力恒定，完全不受电压波动影响。 配用电子控制电路可实现高可靠、免维护的效果，具有良好的抗晃电特性。 永磁接触器在低压电器领域的应用与电器销售市场紧密相连。我国低压电器产品的销售市 场主要在国内1 3 7 1 。低压电器产品绝大多数被低压成套设备厂家所购买，然后组装成配电屏、动 力配电箱、保护屏、控制屏等低压成套装置再销售给用户，为发电设备、配电设备、电气传动 自动控制设备等配套。 发电设备所发电能的8 0 以上是通过低压电器分配使用的。粗略估计每新增l 万千瓦发电 设备，约需6 万件各类低压电器产品为之配套。也就是说一套3 0 万千瓦的发电设备需要1 8 0 万件各类低压电器元件与之配套。以2 0 0 4 年为例，全国净增发电装机容量4 , 9 2 9 万千瓦，发电 设备总容量达到4 4 ，0 7 0 万千瓦，因此可以推测带来的低压电器产品的市场需求量接近3 亿件， 其中接触器约为5 ，5 0 0 万台【3 8 】。 我国目前的电磁接触器按每台功率5 0 瓦计算，如果采用永磁接触器，每天工作1 2 小时计 算，年可节电4 3 8 度。每度电按0 6 元计算，每台永磁接触器年可节约电费为2 6 3 元，经济效 益显著。 “十一五”期间我国低压电器将继续保持高质快速的发展趋势，预计到2 0 1 0 年我国低压电 器市场规模将突破6 0 0 亿元，且近年来随着电力、石化等产业的大力发展，给低压电器制造业 提供了更巨大的市场。可以预见，我国低压电器市场容量会继续增长，因此，节能型的永磁接 触器的应用前景非常乐观。 1 4 本文主要工作和章节安排 1 4 1论文主要工作 永磁接触器控制电路的性能对接触器的性能起着决定性的作用，因此，本文主要围绕永磁 接触器的控制技术展开研究，本文以永磁接触器动态过程分析为基础，主要研究了圆柱形单稳 态永磁接触器的模拟控制电路以及基于直流电源的数字控制电路，论文的主要工作如下： 介绍了永磁接触器的国内外研究现状，分析了其应用的前景。按照单稳态和双稳态的划分 方式，详细介绍了现有的各种永磁接触器操动机构；按照辅助触点控制电路、模拟控制电路和 数字控制电路三种不同的类型，具体介绍了永磁接触器控制电路的研究现状，并简要分析了不 同电路类型的优缺点；描述了永磁接触器在低压电器领域的应用前景。 以圆柱形单稳态永磁接触器操动机构为例，对合闸和分闸的动态过程进行分析。具体分析 了永磁接触器合闸过程中触头碰撞和操动机构碰撞过程在内的动力学问题；利用a n s y s 有限 元软件计算了永磁接触器操动机构的电磁力特性，结合弹簧反力特性，分析计算永磁接触器操 动机构运动过程的力学特征和电气特性，提出了永磁接触器控制器的设计要求。 论文设计了一种用于圆柱形单稳态双线圈永磁接触器的模拟控制电路。对永磁接触器合分 闸过程进行电路等效分析，针对合闸过程等效d r l c 串联充电电路和分闸过程等效r l c 串联 零输入响应放电电路，建立了基于c 语言的数值仿真，用于永磁接触器的合分闸主回路计算。 并基于该数值仿真，得出通过降低预期的储能电容电压值，加快合闸充电时间的方法。利用未 引入反馈的控制电路和引入反馈的控制电路的实验进行对比验证。 q 东南大学硕士学位论文 论文还设计了一种基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的d s p 的新型数字化测量、控制和处理电路为核心 的永磁接触器数字电路。在此电路的基础上，进行了稳定性实验，测试数字电路控制下永磁接 触器的动态性能，通过分析不同脉冲条件下的触头弹跳情况，给出了减少合闸弹跳的控制方式， 同时针对触头回路电流过零点分断进行了研究。 最后，在全文总结的基础上，讨论了永磁操接触器未来研究的方向。 1 4 2 论文章节安排 第一章绪论。对国内外永磁接触器操动机构和控制电路研究现状和应用前景进行全面系 统的阐述，介绍各种永磁接触器操动机构及控制电路的优缺点，讨论其应用背景和发展前景。 第二章永磁接触器动态过程分析。通过分析包括永磁接触器合闸过程中触头碰撞和操动 机构碰撞过程在内的动力学问题，以及基于a n s y s 的力学分析，对给定的圆柱形永磁接触器 进行分析和计算，得出永磁接触器动态过程对于控制电路的要求。 第三章永磁接触器模拟控制电路的设计与研究。对永磁接触器合分闸过程进行电路等效 分析，建立了基于c 语言的合分闸主回路数值仿真；提出引入储能电容电压的反馈保持电路的 控制新方法，显著缩短永磁接触器电气过渡过程；设计一种圆柱形单稳态双线圈永磁接触器的 模拟控制电路，并进行了实验。 第四章基于d s p 的数字控制器的设计与研究。基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片设计了一种新型 的以d s p 式数字化测量、控制和处理电路为核心的永磁接触器数字控制电路。利用该控制电路， 进行测试实验，并针对触头的合闸弹跳控制以及主回路电流过零点分断展开实验研究。 第五章总结与展望。通过总结指出本文工作的取得的成绩和存在的不足，并对下一步工 作进行展望。 1 0 第2 章永磁接触器的动力学模型和动态过程分析 第2 章永磁接触器动力学模型和动态过程分析 永磁接触器的动态过程包括合闸过程和分闸过程，分析和研究动态过程的目的是设计好控 制电路的关键和基础。永磁接触器动态过程中主要受重力、弹簧反力、永磁和电磁共同作用产 生的电磁力、摩擦力以及缓冲橡胶的阻尼力共同作用。由于永磁接触器是机、电、磁共同作用 的强耦合系统，因此，通过研究其动态特性，可获得控制动态特性的控制参数。 本章内容以圆柱形单稳态永磁接触器操动机构为例，具体分析了永磁接触器合闸过程中触 头碰撞和操动机构碰撞过程在内的动力学问题；利用a n s y s 软件计算了永磁接触器操动机构 的电磁力特性，结合弹簧反力特性，分析计算永磁接触器操动机构运动过程的力学特征和电气 特性，提出了永磁接触器控制器的设计要求。 2 1 永磁接触器的动态过程 2 1 1 永磁操动机构 为了和电磁接触器兼容，永磁接触器的设计中需要重新设计操动机构系统，触头和灭弧系 统仍借用电磁系统的结构。永磁操动机构可以采用双e 型，u 型以及圆柱形结构。为了更好地 研究永磁接触器控制技术，本文选择了较为简单的圆柱形单稳态永磁操动机构为控制对象，可 以方便的变换线圈参数，通过研究，获取控制动态特性的控制参数。 图2 1 为圆柱形单稳态永磁接触器结构图，分闸状态下的正面剖视图2 1 ( a ) 和侧面剖视图 2 1 ( b ) 。该接触器由触头系统、操动机构和起绝缘支撑作用的塑壳部件组成。其中，触头系统由 两组常闭触头、两组常开触头、三组主触头及相应触头弹簧机构构成：操动机构由动铁心、永 磁体、静铁心、线圈及反力弹簧构成。上述机构中，动铁心与动触头弹簧之间连接杆为塑料骨 架，且与动触头共同构成接触器的运动部份。永磁体同定于动铁心之上；静铁心为圆柱形，线 圈与静铁心固定；反力弹簧及所有触头弹簧在分闸状态均处于预压状态。 2 1 2 合闸过程描述 永磁接触器的整个合闸动态过程可以通过运动过程的8 个临界状态来描述，如图2 2 所示。 其中，( q a ) 为分闸稳定时的状态，( q b ) 为常闭静触头与常闭动触头即将分离时的状态，( q c ) 为 常开静触头与常开动触头接触时的状态，( q d ) 为主静触头与主动触头接触时的状态，( q e ) 为动 铁心与静贴心初次接触时的状态，( q f ) 为动铁心与静贴心接触后到达最大正偏移( 碰撞时静铁 心的与动铁心合闸运动方向同向的偏移量) 时的状态，( q g ) 为动铁心与静贴心接触后到达最大 负偏移( 碰撞时静铁心的与动铁心合闸运动方向同反的偏移量) 时的状态，( q h ) 为合闸稳定时 的状态。 东南大学硕士学位论文 一圊圜雷 uuu 萋纛 常开触头弹簧 常开触头 常闭触头 常闭触头弹簧 主触头弹簧 主触头 塑壳 动铁心 永磁体 反力弹簧 线圈 静铁心 ( a ) 正面剖视图( b ) 侧面剖视示意图 图2 1 圆柱形单稳态永磁接触器结构图 工l _ 1 工一工r ( q a )( q b )( q c ) ( q d ) ( q e )(qf)(og) ( q h ) 图2 - 2 永磁接触器的合闸运动过程 如图2 3 所示为圆柱形单稳态永磁接触器合闸运动过程的线圈电流、电容电压、动铁心位 1 2 - 第2 章永磁接触器的动力学模型和动态过程分析 移以及触头电压波形。线圈电流波形显示线圈电流经过几个波头后即截止，线圈不再通电；电 容电压波形显示电容充电与线圈通电同步；动铁心位移波形表明动静铁心接触后时立即开始了 操动机构的碰撞过程，初次碰撞时的正偏移和负偏移最大；触头电压波形给出了动静触头接触 时，用电阻法测得触头碰撞，图示为触头碰撞时的触头电压变化的情况，操动机构碰撞过程的 负偏移并未使触头发生了二次弹跳。图下方单位5 m s 1 a l o o v 5 m m 5v 的第一项为横坐标 的单位，示波器一格表示时间为5 m s ；第二项及第二项以后的项表示纵坐标自上而下的线圈电 流波形、电容电压波形、动铁心位移波形以及触头电压波形的单位，即示波器一格分别为线圈 电流1 a 、电容电压l o o v ，动铁心位移5 m m 以及触头电压5 v ，以下同。 2 1 3 分闸过程描述 图2 2 中从( q e ) 到( q a ) 的过程为永磁接触器及分闸运动过程。在永磁接触器分闸过程 中，由于合闸保持时永磁力大于反力，分闸时需要给线圈一个反方向的电流脉冲。图2 4 给出 了一个典型的分闸运动过程的线圈电流、电容电压、动铁心位移以及触头电压波形。动铁心位 移波形表明在分闸结束时，操动机构的运动发生了一定程度的分闸反弹，该反弹包括由于接触 器基座固定不牢固引起的接触器跳起和触头弹簧的压缩，由触头电压波形可以看出，该反弹不 影响触头的分断，未带来动静触头重接通。 i 电流波形： 一一i ： 、； ：7 ： 曩、二一； ：刮： ：电容电压波形：釜釜盘 !。， ；磙甚砸瑶高稿荔一； ：一一一 ： 。：一，一i 卜7 同一- p 一i 动铁心位移波形j 2 ，坷一一i ；一- 墼头电压波形； ? ：l忙二 i i 5 m s 1 a 1 0 0 v 5 m m 5v 图2 3 永磁接触器的合闸运动过程 1 0 m s 1 a 5 m m 1 0 0 v 5 v 图2 - 4 永磁接触器的分闸运动过程 2 2 永磁接触器的动态过程分析 在永磁接触器的合闸和分闸过程中都存在的弹跳问题，是动态过程分析的重点。由于分闸 过程中的触头弹跳与合闸过程的弹跳性质类似，本文将集中对于合闸过程的弹跳进行分析。另 外，铁心碰撞也是动态过程分析的一个重点，本文亦将对此进行分析。 2 2 1动力学模型的建立 如图2 5 所示为本文永磁接触器的动力学模型，其中电流输入为来自控制电路的脉冲电流 输入。该模型充分考虑了各部分重量和材料特性。为了深入分析包括合闸碰撞的全过程，对缓 冲机构的弹性系数和粘性阻尼系数亦予以考虑。 1 3 东南大学硕士学位论文 输入 参数说明 参数：下标： m 重量 矿辅助触头弹簧 x 位移 c 主触头 k 胡克系数 m运动部分 c 粘性系数 厂 静铁心 月 电阻 s 缓冲系数 厂摩擦力 b反力弹簧 图2 5 永磁接触器机械动力学模型 图2 2 中敛一q 的过程为永磁接触器动静铁心碰撞前运动过程，运动方程为 m 。5 i = + l + m ，g 一厂q 寸q ( 2 1 ) 式中，r 为电磁力；兄为总的弹簧反力；其它参数见图2 5 中的参数说明。相比于运动部分 重量m 6 ，主触头的重量m 。和辅助触头的重量m 一非常小，因此在合闸动态过程计算中忽略动 触头和静触头接触后运动部分重量的损失。 根据动量守恒原理，在统一见过程中保证顺利合闸的条件为 i ( + m 。g ) d t l ( 一f o c ) d r ( 2 2 ) 根据图2 - 5 的动力学模型，弹簧反力可以表示为 比= k b x + 2 七乡工一2 r 6 + 2 皱一q 七6 z x ， - 2 f o , 盯一2 r 6 2 r 盯q 鳞b 一- 伤q c k b 2 k 。f x ( 2 3 ) z 盯一2 r 6 2 r 盯鳞一伤 7 k t , x 一2 k q x , f 一3 k 。x c 一2 f 0 6 2 f o 矿3 r 。伤斗幺 式中，r 6 、r 。、扇巧分别为反力弹簧、主触头弹簧、辅助触头弹簧的预压力；x 、x 、x 巧、 工。分别为反力弹簧、常闭触头弹簧、常开出头弹簧和主触头弹簧的相对位移；其它参数见图2 5 中的参数说明。 2 2 2 触头碰撞过程的分析 接触器触头碰撞后的弹跳时间长短是影响接触器电寿命、机械寿命、触头熔焊和合闸过电 压的重要冈素。永磁接触器中的碰撞主要包括动静触头的碰撞和操动机构的碰撞，静触头的碰 撞包括辅助触头碰撞与主触头碰撞，本文选取主触头碰撞进行分析，辅助触头碰撞的分析类似。 动静主触头碰撞过程中，为了简化模型，忽略触头的变形力。动触头的动力学方程为【4 0 】： 一m 。舅。= m 。g + k c x c + r 。+ 七。z 。甜 ( 2 4 ) 式中，x 删为碰撞后动铁心继续运动而压缩主触头弹簧的位移。为了简化计算，假定在动静触 头接触时的动铁心的速度( 触头的刚合速度) j = ，。，则碰撞后一个弹跳运动周期内可认为动铁心 的速度戈= g 为常数( ，定义为触头碰撞后动铁心速度的恢复系数) ，有锄= g t 。可得到二阶 方程 1 4 第2 章永磁接触器的动力学模型和动态过程分析 ” m + 鲁m 附叫g + 等mcc 。 c ( 2 5 ) 解( 2 。5 ) 的微分方程，并代入初始条件t = 0 ，x c = 0 ，支= 以( 夕定义为触头碰撞后的触头速度 的恢复系数) ，取口= ，f 生可解得方程( 2 5 ) 的解，即触头碰撞后弹跳的位移方程为 y 历。 t=警sinc咖篆鲁cos(a0cos o s 巩卜气导 ， e ca k c a 。 k 由式( 2 6 ) 可以得到触头碰撞后弹跳的速度方程为 主。：旦兰兰鉴c 。s ( 耐) 一( m i c g + f o c ) as i n ( 讲) 一g ( 2 7 ) 当动触头运动到最大位移x 。时，有j 。= 0 ，故可解得动触头第1 次弹跳到最大位移时的 弹跳时间为 “2 ：去( 剩n 孕一删n 警) ( 2 8 ) 22 i ( a r c 8 1 n 1 产一眦5 1 n 彳) ( 2 届) 式中，c =( ! 兰塑鳖) ：+ ( c o s 口 ( m c g + f o c ) a t ) 2 。 席c o s c r 忽略重力影响和动铁心运动速度变化的影响，认为最大位移时的运动时间为第一个周期运 动时间的一半，即第1 个碰撞周期时间为t 。= 2 t 抛。考虑动铁心速度实际是增加过程，实际时 间略小于t ，。 在动铁心仍处于超程的运动过程中，以后的碰撞过程与第一次类似；动铁心完成超程的运 动后，只需将( 2 4 ) 中k c x 删项换为超程的运动距离增加的力五即可。 根据式( 2 8 ) ，可以得到以下结论： 1 ) 减小触头的刚合速度1 ，。可以减小碰撞后弹跳时间t 。； 2 ) 减小触头碰撞后的触头速度的恢复系数可以减小碰撞后弹跳时间t ，； 3 ) 减小触头碰撞后动铁心速度的恢复系数y 可以减小碰撞后弹跳时间t 。； 4 ) 增大弹簧的胡克系数k 。可以减小碰撞后弹跳时间t 。； 5 ) 增大触头弹簧的预压力扇。可以减小碰撞后弹跳时间t l 。 2 2 3操动机构碰撞过程的分析 操动机构的碰撞过程中，其粘性阻尼力【3 9 】 只= c 。j( 2 9 ) 式中，c 。为粘性阻尼系数。 操动机构的阻尼运动过程中，动力学方程为 ( m r + m 。) 支= - - c ，j + k s x 一，乙+ ( 肌，+ m 。) g ( 2 1 0 ) 式中，乙= 一2 k 6 x r _ 2 七盯x 盯一3 k 。x 。一2 r 6 2 f o 盯一3 f o 。 为便于计算，将k , x 一吃+ ( 聊r + m 。) g 等效为一x ，则式( 2 1 0 ) 变为 m ，+ 。叠= - c ，j 一k a t t x 7 ( 2 11 ) 初始条件为t = 0 ，工= 工：，j = d v ；，：为动静铁心接触时的动铁心速度( 动铁心的刚合速度) ； 1 5 - 东南大学硕士学位论文 仃定义为动静铁心碰撞后共同运动速度的恢复系数。解得二阶方程( 2 11 ) 的特征根为 & , 2 z 掰c ，s = ( 2 1 2 ) 方程( 2 1 1 ) 的解有3 种形式过阻尼振动