張雄清 林 毅 戴 濤

（舟山電力局，浙江 舟山 316000）

1 引言

接觸器是一種用于遠(yuǎn)距離頻繁地接通和斷開交直流主電路及大容量控制電路的電器，應(yīng)用非常廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電力系統(tǒng)的能量有一半以上是通過接觸器分配到各種電器——電動(dòng)機(jī)、電熱設(shè)備、電焊機(jī)、電容器組等。電磁接觸器是我們常見的一種。隨著科技的發(fā)展和用電水平的大幅度提高，不僅對(duì)其數(shù)量有日益增長的要求，對(duì)產(chǎn)品的性能、質(zhì)量的要求也越來越高。由于電磁機(jī)構(gòu)是電磁接觸器的核心部件，靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性是電磁機(jī)構(gòu)主要的電氣特性，它們決定了接觸器的性能和質(zhì)量。接觸器的動(dòng)態(tài)特性與接觸器的電壽命密切相關(guān)，其吸合過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，包含著力、位移、速度、碰撞和彈跳過程，變化規(guī)律復(fù)雜。傳統(tǒng)的接觸器的工作電壓比較窄，不能實(shí)現(xiàn)交直流通用，而且吸合過程都是隨機(jī)的。交流電磁式接觸器還存在分磁環(huán)，長期工作后，分磁環(huán)會(huì)斷裂，交流電壓過零點(diǎn)時(shí)，電磁力為零，在反力彈簧的作用下，接觸器會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，可能會(huì)拉弧，會(huì)產(chǎn)生噪音。近年來， 隨著微處理技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能接觸器中，可以對(duì)接觸器吸合、吸持、分?jǐn)嗳^程進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，使得智能接觸器正朝著節(jié)小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和節(jié)能等方向發(fā)展。

2 電磁式接觸器智能控制電路原理

電磁式接觸器智能控制電路原理如圖1所示。由圖1可知，不管電源是直流還是交流，經(jīng)過整流最終都是直流，線圈的激磁電壓最終都是直流電壓，因此外部電源可以是交流也可以是直流，即實(shí)現(xiàn)了接觸器交直流通用。整流得到的直流一路給接觸器的線圈供電，另一路經(jīng)高頻變壓器給單片機(jī)和線圈供電。高頻變壓器可以把整流后的直流，轉(zhuǎn)換成7～12V的電壓，在通過穩(wěn)壓回路把電壓穩(wěn)定在5V，給線圈和單片機(jī)供電。強(qiáng)激磁回路是由整流后電源、主控元件、線圈組成。保持回路是由保持電源、保持元件、線圈組成。電源上電以后，接觸器不會(huì)馬上動(dòng)作，單片機(jī)正處于等待狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)接到合閘信號(hào)時(shí)，才開始A/D采樣，判斷電源電壓是正常。如果電壓不正常，單片機(jī)通過控制回路1，讓主控制元件不導(dǎo)通。如果電壓正常，單片機(jī)通過控制回路1，讓主控元件導(dǎo)通一定時(shí)間，等觸頭閉合時(shí)，主控元件分?jǐn)?。通過控制回路2讓保持元件導(dǎo)通，接觸器工作在低電壓吸持狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能無聲運(yùn)行。當(dāng)單片機(jī)檢測到電壓異常時(shí)，分?jǐn)啾３衷?，就可以使接觸器分?jǐn)?。如果正常情況下要分?jǐn)嘟佑|器，只要給單片機(jī)相應(yīng)的信號(hào)，就可以斷開保持回路。

圖1 控制原理圖

3 軟件控制主程序

軟件是控制模塊的靈魂，是智能控制模塊的核心。通過軟件與硬件的配合，可以實(shí)現(xiàn)吸合過程和保持過程的控制，下位機(jī)可以和上位機(jī)進(jìn)行雙向通信，主程序框圖如圖2。當(dāng)外加電源給控制板加壓時(shí)，接觸器不會(huì)馬上吸合，只有當(dāng)就地合閘按鈕按下或遠(yuǎn)程遙控合閘時(shí)，接觸器才會(huì)吸合，通過控制強(qiáng)激磁的時(shí)間，來控制接觸器的彈跳，分閘原理也是類似。

圖2

4 電磁式接觸器試驗(yàn)

電磁式接觸器的線圈是按照最小動(dòng)作電壓下設(shè)計(jì)的，在控制板的配合下，通過控制強(qiáng)激磁時(shí)間，線圈具有很強(qiáng)的過載能力，可以工作在很寬的工作電壓下。通過對(duì)吸合過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，使觸頭彈跳達(dá)到最小，從而達(dá)到減少觸頭磨損、提高電器壽命的目的。接觸器彈跳除了與強(qiáng)激磁電壓大小有關(guān)外，還與強(qiáng)激磁時(shí)間有關(guān)，因此對(duì)不同的電壓就有不同的最佳吸合方案。

電磁式接觸器吸合過程采用直流起動(dòng)，起動(dòng)過程又可分為兩個(gè)階段，一是觸動(dòng)階段，二是吸合運(yùn)動(dòng)階段。其電流和時(shí)間的關(guān)系如圖3。對(duì)強(qiáng)激磁電壓的控制有兩種方法，一種是在Td之前關(guān)閉強(qiáng)激磁電壓，觸頭靠慣性閉合；另一種是在Td之后關(guān)閉強(qiáng)激磁電壓，這樣會(huì)造成觸頭彈跳比較厲害。為了提高接觸器的壽命，在保證接觸器可靠動(dòng)作的前提下，強(qiáng)激磁電壓通電時(shí)間應(yīng)小于Td。下面介紹接觸器在不同強(qiáng)激磁電壓和不同強(qiáng)激磁時(shí)間，對(duì)合閘的影響。

圖3 吸合過程電流與時(shí)間關(guān)系

本次試驗(yàn)用的接觸器型號(hào)為CJ20-40，已經(jīng)割了分磁環(huán)，其匝數(shù)為2100，線徑為0.30mm，電阻為100.5Ω。

4.1 不同強(qiáng)激磁電壓對(duì)吸合的影響

試驗(yàn)以CJ20-40為試品，在不同電壓下，測量線圈電流與觸頭信號(hào)。強(qiáng)激磁時(shí)間都為25ms,分別測出DC220V和DC110V情況下的波形圖，其中圖4是在DC220V下測量，圖5是在DC110V下測量。由圖4可知在DC220V情況下，接觸器的動(dòng)作時(shí)間為4.2ms,25ms的強(qiáng)激磁時(shí)間太長，觸頭在閉合時(shí)速度很大，觸頭彈跳的比較厲害。由圖5可知在DC110V情況下，接觸器的動(dòng)作時(shí)間為22ms，觸頭的彈跳減少了。比較圖4和圖5不難發(fā)現(xiàn)，在相同的激磁時(shí)間下，不同的激磁電壓具有不同的彈跳。

4.2 不同強(qiáng)激磁時(shí)間對(duì)吸合控制的影響

圖4 強(qiáng)激磁電壓為DC220V

圖5 強(qiáng)激磁電壓為DC110V

在不改變電源電壓的情況下，調(diào)節(jié)強(qiáng)激磁時(shí)間，得出的波形，如圖6、圖7、圖8。由圖6可知，接觸器的動(dòng)作時(shí)間小于強(qiáng)激磁時(shí)間，觸頭彈跳比較厲 害。由圖7可知接觸器的動(dòng)作時(shí)間大于強(qiáng)激磁時(shí)間，觸頭靠慣性閉合，彈跳少，動(dòng)作時(shí)間短。由圖8可知接觸器不能可靠吸合。比較圖6、圖7、圖8可知，在相同的電壓下不同的強(qiáng)激磁時(shí)間，觸頭彈跳也是不一樣的，因此在交流220V的強(qiáng)激磁時(shí)間可以設(shè)定為5ms。

圖6 強(qiáng)激磁時(shí)間25ms

圖7 強(qiáng)激磁時(shí)間5ms

圖8 強(qiáng)激磁時(shí)間4ms

4.3 電磁式接觸器吸持過程的控制

吸持過程的控制是軟件控制的重要內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能無聲運(yùn)行的關(guān)鍵。在吸合過程中，接觸器在打開位置氣隙大，需要的磁勢比較大，激磁電壓大，而閉合位置氣隙小，需要的磁勢小，激磁電壓只需5～10V就可以保持。因此閉合后，只須要高頻變壓器給線圈一個(gè)保持電壓就行了。接觸器線圈加的始終是直流電，可以不考慮電感的影響。接觸器一般是用在DC110V、AC220V或AC380V，以DC110V接觸器為例計(jì)算線圈功率。已知線圈電阻為100.5Ω，如果保持電壓為DC110V，根據(jù)式（1）可知

線圈的功率為120W，如果線圈保持電壓為10V的話，根據(jù)式（1）可知，線圈的功率為1W。比較兩者的功率，不難發(fā)現(xiàn)后者更節(jié)能、環(huán)保。

5 結(jié)論

CJ20-40接觸器在智能控制板的配合下，實(shí)現(xiàn)了交直流通用、工作電壓寬、減少了觸頭的彈跳，提高合閘可靠性，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。通過下位機(jī)與主控計(jì)算機(jī)的通信功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，保證操作人員的安全，為電器網(wǎng)絡(luò)化打下了良好的基礎(chǔ)。

[1] 楊茜.電磁式交流接觸器專家系統(tǒng)[D].河北工業(yè)大學(xué),2002.3.

[2] 許志紅,張培銘.交流接觸器控制技術(shù)的探討[J].中國儀器儀表,2002(3)：11-14.

[3] 張培銘,董紀(jì)清,陳麗輝.智能型直流接觸器的研究[J].電工技術(shù)雜志,2003(1)：19-20．

[4] 許平.DILM系列接觸器的智能化控制[J].低壓電器,2000(2)：17-18．

[5] 許志紅,張培銘.智能交流接觸器零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)[J].電工電能新技術(shù),2002,10(4)．

[6] 許志紅,張培銘.智能交流接觸器動(dòng)態(tài)吸合過程研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,6(18)．

[7] 許志紅,張培銘.智能交流接觸器的研究[J].低壓電器,1988(3)：19-22.