1、交流接触器的智能化设计方案摘要：随着智能化技术水平的不断提高、制造工艺的飞速发展以及工业控制对电器设备要求的不断提升，现在市场上销售的各式各样的电器产品已经日益趋向智能化了。而作为人们日常生产和生活中常用的一种电器，接触器也就如雨后春笋般的应运而生了。本文将以交流接触器为蓝本，着重从以下几方面讨论其智能化设计的目标和方案：其一，通过对接通过程中操作线圈电压的动态控制，实现对接通过程电磁力的动态调节，以控制铁芯撞击能量，减小触点接通时的弹跳，并提高其机械寿命；其二，在接点接通后，减小操作线圈供电电压，降低线圈损耗，节省电能，减小铁芯的交流噪声。其三，减小主触点在接通、分断过程中的电弧能量，提高接
2、点电气寿命；其四，通过对系统的过压、欠压及缺相运行进行监测，使其拥有相对应的保护措施；其五，对接触器主触头的温度进行实时监测并作出相应的保护；其六，赋予交流接触器以通信功能，使其能和计算机及因特网进行数据传输和交换。 关键词：接触器 智能 脉冲调制 信号调理 线圈电压一、 引言智能化电器是在传统开关设备中引入计算机技术、数字处理技术和网络通信技术而形成的新一代开关电器，具有微机测量、微机保护、网络通信以及在线监测等基本功能。在智能化电器中，采用微机测量、保护和控制技术，能够部分或全部取代传统开关设备的二次系统；引入网络通信功能，可以实现电器与电器之间以及电器与电力自动化系统之间的信息交换和信息
3、共享；而利用现代传感技术则可以对开关电器的运行状态进行在线监测。基于以上所述，越来越多的传统一次开关元件，诸如隔离器、熔断器、断路器、接触器、继电器以及其他一些主令开关设备已经实现了智能化的设计和生产。并且随着技术的不断革新，其智能化的设计方案也越来越完善。二、 交流接触器智能化改造的目的及现实意义交流接触器是工业、农业、交通运输、国防工业、科研部门及民用住宅等行业不可缺少的电气设备。传统的交流接触器是利用电磁原理通过利用电磁原理通过控制电路可动衔铁运动来带动触头控主电路通断的。在这种情况下，动、静铁心闭合时会发生碰撞，引起触点的二次振动。二次振动不仅加速了触点磨损，而且可能产生触点熔焊，严重
4、影响接触器工作可靠性和机械寿命。而且传统交流接触器在吸合或开断过程时，由于触头本身和周围介质中存在着大量可被游离的电子，那么在外电压的的作用下会产生很大的电弧，这样会进一步影响接触器的电气寿命。随着微电子术和电力电子技术的发展，用了单片机控制接触器的动作， 并用新型的电磁材料来制铁心所制成的智能型交流接触器,，既能达到远距离控制，频繁操作交、直流主电路和大容量控制电路的目的，又具有电子设备操作频率高、使用寿命长、动作时间短的优点， 同时还可实现无弧通断电路。这不仅大幅度提高了交流接触器的性能指标，而且增强了控制功能 。三、 智能交流接触器的基本原理和功能 电流反馈电压反馈 图 1 智能交流接触
5、器原理框图。 通信总线计算机网络1、系统过压、欠压及缺相运行保护功能图 1 中 :QF 为低压断路器，用于电源；KM 为普通交流接触器； FL 为分流器。工频电正常时，相电压为 220 V，线电压为 380 V。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、欠压及缺相运行( 如某相电压为零)，并作相应处理。若系统缺相，可立即封锁 PWM 信号，使系统停止运行并在显示器上显示故障信息。若系统处于欠压状态，可以给出故障报警及显示实际电压，但不立即停止系统运行，当欠电压超过允许的范围或欠压时间超过允许的范围时再停止系统运行；通过对负载电流的监测判断，就可以知道系统是否处于过载运行，如果过载
6、，给出报警，当过载时间超过允许的时间，即可停止系统，并显示过载故障信息；2、接触器触头高温报警功能通过对触头温度及负载端电压监测即可以知道触头接触是否良好，接触电阻是否过大。若检测到负载端电压低于正常值并且触头温度过高，就给出触头接触故障报警，以使工作人员在生产终止时能够进行及时检修；若系统已经发出线圈断开信号( 即封锁 PWM 信号)，而依然能够检测到负载电流，说明主触头熔焊或者机械故障，应立即发出跳闸信号，切断前级低压断路器，防止产品报废，同时给出故障报警。3、操作线圈电压的动态调节功能接触器线圈采用直流供电，交流电经过整流后，通过降压斩波电路加到线圈上，改变 IGBT 驱动信号 Ug 的
7、脉冲宽度，即可改变线圈上的直流电压。根据接触器吸过程及保持要求设定的操作线圈电压调节曲线，实时地计算电力电子器件在每个周期中的开通时间，并向器件输出相应的控制脉冲。这不仅可以进一步降低线圈损耗，还可以抑制电磁铁由交流供电时产生的噪声。4、接触器的无弧接通和分断功能如图 2 所示在接触器吸合操作时，智能监控器在接通接触器操作线圈电压前，首先根据负载的功率因数选定晶闸管的触发相角，分别向三只晶闸管发出门极脉冲，使晶闸管导通并保证负载电流为正弦。监控器监测三只晶闸管的工作状态，选择合适的时刻接通接触器操作线圈，使其主节点在三只晶闸管均处于导通状态时接通，实现零电流、零电压下吸合，从而避免了因接点的弹
8、跳产生电弧。在接点可靠闭合后，负载电流由晶闸管转移到接触器主接点，监控器停止晶闸管的触发脉冲，晶闸管关断。分断操作时，监控器按照与吸合操作时相同的触发相角分别向三只晶闸管发出门极脉冲，然后在合适的时刻切断接触器操作线圈电压，使主触点分断时刻三只晶闸管能同时导通，主接点将在零电压下分断，使负载电流从接触器主接点转移到晶闸管。监控器确定分断操作完成后，停止向晶闸管输出触发脉冲，晶闸管将在承受反向电压是自动关断。图 2 混合式交流接触器的主电路结构5、利用单片机与中央控制计算机的双向通讯，可以形成局域控制网络和简单DCS 系统，即所谓的分布式控制系统。四、 智能交流接触器的硬件设计图 3 接触器硬件
9、结构框图中央控制模块人机 交互 模块通信 模块线圈电压控制模块电压感器电压信号检测调理模块负载VTA VTB VTCA B C电源模块电流感器电流信号检测调理模块触头温度检测模块1) 中央控制模块中央控制模块采用 C8051F040 单片机为核心。芯片 是完全集成的混合信号片上系统型 MCU。内核采用高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP 51 内核(可达 25 MIPS);64 KB 在系统编程的 Flash 存储器;具有 SPI、SMBus 、I2C 和 2 个 UART 串行接口; 真正 12 bit、100 kS /s 的 ADC 和 DAC;全速、非侵入式的在系统调试接口( J
10、TAG 口) ，支持观察和修改寄存器、存储器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。其工作电压为 2. 7 3. 6 V，工作温度为 45 + 85 ，片内资源丰富，编程简单，完全适用于工业现场。2) 电压和电流信号检测调理模块电流信号检测调理模块包括阿信号调理和采样环节。信号调理电路把电流互感器的二次输出电流变为与采样环节模拟输入端兼容的电压信号（电压信号则直接输入），由采样电阻、阻容滤波电路和比例放大器的环节组成。来自互感器二次的电流信号通过桥式整流和采样电阻，变换为极性为负的单极性电压信号，再经阻容滤波和反相比例放大，输出与采样环节中 A/D 转换器模拟量输入端兼容的正极性电压信号。图
11、 4 为电流信号调理模块电路原理图。图 4 电流信号调理模块的电路原理图3) 电源模块本设计的智能交流接触器供电电源的能量直接取自一次电路中的电流互感器，电源模块主要给中央控制单元供电，另外电压和电流信号检测调理模块中的A/D 转换器的电源也由它提供。如图 5 所示，电源模块采用 lm317 可调节 3 端正电压稳压器，可实现输出电压范围 1.2 伏到 37 伏，并能够提供超过 1.5 安的电流全桥整流比例放大A/D电流互感器输出GND图 5 电源模块的原理图4) 线圈电压控制模块目前，我国使用的交流接触器一般为交流吸合、交流吸持和随机分断，且线包电压有 220 V 和 380 V 之分。试验
12、可知，无论是 380 V 还是 220 V 线包，只要加上不低于 160 V 的直流电压，接触器均能可靠吸合，并且不会产生 1、2 次弹跳，此时只要维持吸持电压不低于直流 15 V，就可以稳定地保持吸合状态。采用直流 PWM 降压斩波电路可以很容易地控制加在线圈上的直流电压，改变功率开关管 IGBT 的栅极一个周期的导通时间 ton(PWM 波脉冲宽度)，即可改变加在线圈上的直流平均电压 U0: 式中 E整流装置输出直流电压T脉冲周期ton 功率管一个周期的导通时间5) 触头温度检测模块美国 Analog Device 公司所开发的 AD590 是体积小、使用方便的温度传感器。其输出电流与开氏
13、温度成正比，开氏温度 0 度时输出 0A，开氏温度每上升 1 度电流增加 1uA。其有效温度感测范围为55150 度，可采用的电源范围为430V。测量结果以 9 12 bit 数字量方式串行传送，当检测到的触头温度大于设定温度值时，则触点接触电阻过大，需要维护，给出故障报警。6) 人机交互模块人机交互模块主要配置保护动作阈值的整定输入和系统故障显示以及故障报警。保护动作阈值整定输入采用键盘键入，故障显示采用 LCD 显示器显示，故障报警采用蜂鸣器报警。7) 通信模块通过单片机的串行口与微机 RS232 相联，从微机键盘或鼠标修改单片机的控制参数，同时将单片机的各路电流采集值读回微机显示。这样联
14、网后可对各被控对象的运行状态实时监控，易于操作。五、智能交流接触器软件设计系统软件主要有以下模块构成:主程序、初始化子程序、PWM 产生子程序、键盘中断服务程序、故障保护中断子程序、温度采集程序、AD 采集子程序、数据处理子程序及显示程序等，其中故障保护中断优先级最高。主程序流程如图6 所示。图 6 主程序流程图六、综述综上所述，本次交流接触器智能化设计的方案包含了以下几方面: 实现了三相电路的零电流分断控制,无弧或少弧分断, 接触器电寿命大大提高; 通过单片机程序控制,对应不同电源电压, 接触器可以选择相应的最佳合闸相角,具有选相合闸功能; 通过单片机程序使接触器在直流高电压大电流情况起动,直流低电压小电流吸持,实现节能无声运行; 具有与主控计算机进行双向通信的通信功能; 根据触头的温度判断负载是否过负荷，并能发出警报；电寿命、操作频率大大提高,工作的可靠性得到进一步改善。参考文献王如文.电器智能化原理及应用（第 2 版）M.电子工业出版社，2011.张义和 .例说 51 单片机（C 语言版）M.人民邮电出版社，2008.张连毅.交流接触器的智能化研究进展J .上海电机学院学报，2009,3(1).
