接觸器智能控制分析論文

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摘要：闡述了以單片機為基礎的交流接觸器的智能控制方案和原理。把單片機的邏輯判斷及通訊功能和交流接觸器組合，可實現智能化控制。其功能主要表現在確保交流接觸器吸合后，會自動執行低壓直流吸持子程序，監測設備的過流、過壓、欠壓、三相不平衡及漏電情況，在過零檢測的基礎上，使觸點分斷時的火花能量最小。和上位機聯網，可以組成簡單DCS系統。

關鍵詞：交流接觸器智能控制設計應用

0引言

隨著單片機性能價格比的大幅度提高，把計算機和微處理器技術應用于工業控制特別是增加低壓電器智能化功能，具有較大的市場經濟潛力。我們在交流接觸器智能控制方案和具體實施中做了大量的研究和可行性分析，開發了一種具有智能化功能的裝置。把該裝置和交流接觸器相組合，就可以增加交流接觸器的智能化功能。它具有設置簡單、使用可靠、節能控制、在線更改設置和顯示等功能。單片機在接到閉合或分斷指令時，可以根據最佳分斷、閉合相角輪流控制三個觸點進行過零分斷與閉合，減小了火花能量。利用它與中央控制計算機的雙向通訊，可以形成局域控制網絡和簡單DCS系統。它在工業、油田、煤礦、農村（灌溉系統）和城市等領域和地區有廣泛的應用前景。

1接觸器智能化內容和工作原理

我國目前使用的接觸器、斷路器和保護器（例如熱繼電器）均為機械非智能型的。一般為交流吸合、交流吸持和隨機分斷，且線包電壓有220V和380V之分。實驗告訴我們，不論是220V還是380V的線包，只要加上不低于160V的直流電壓，接觸器均能可靠吸合，并且不會產生一、二次彈跳。此時，只要維持吸持電壓不低于直流15V，就可以穩定地保持吸合狀態。分斷過程一旦發生，必然伴隨有電弧產生。確定分斷過程何時發生的唯一原則就是在時間允許的前提下使電弧總能量最小。對于單相電磁電路，觸點合斷的最佳時刻應該是主電路電流過零之時，而對于三相電磁電路來說，如果分斷過程發生在某一相電流過零時刻，此時三相電弧的總能量應該為最小。輪流控制三個觸點的過零分斷，可以使它們有相同的使用壽命。

視控制對象和要求，本方案采用繼電器或可控硅作為控制接觸器線包通斷的元件。在單片機的控制下，系統按設置要求運行并顯示。整個電路構成簡單，運行平穩。當啟動過程結束，高壓自行撤除，續流電路維持吸合狀態。總體控制原理如圖1所示。

根據框圖可以看出，接通電源以后，整流回路、穩壓電源回路及單片機系統得電。相電流設置完成后，單片機就開始采樣并與設定值進行比較，啟動回路和續流回路系統處于待機狀態。單片機在對電源電壓和相位的不斷采樣、比較、記錄的同時，等待啟動信號。如果得到信號，就會在不大于20ms的時間內適時通過啟動回路給線包加上一個相應的高電壓，動觸點在強激磁產生的吸力作用下，克服彈簧推力和慣性，迅速向靜觸點運動。單片機可以通過傳感器判斷觸點的吸合情況并控制續流回路，及時提供合適的吸持電壓。一旦發現電源電壓小于釋放電壓，單片機立刻選擇合適的相位，停止向線包供電，觸點在彈簧的作用下復位。顯然在啟動過程中，相電流會激增甚至超過設定值，電流激增的程度和激增持續的時間與電動機所帶負荷有關。這可以根據部頒標準和行業要求，增加相關程序，就可以很好地區分不同的負荷情況甚至短路而自動選擇相應的啟動保護時間，使電動機可以帶載啟動。

2單片機的選用和基本硬件的設計

為了安裝與使用的方便，輸入電壓可以設計成自適應型的。傳感器是在磁環或矽鋼片上繞一個繞組并通過整流裝置送入單片機。單片機通過傳感器取樣比較后，最終輸出的是一個電平信號或某一頻率的脈寬信號，用于驅動執行機構。而強電強磁的干擾往往使之產生誤動作。為此，需要采取多項措施抗干擾，除了屏蔽、光電隔離等傳統措施以外，還可以通過帶通濾波和采樣算法來抑制干擾。單片機分別選用美國Motorola公司的M68HC系列和Microchip公司的PIC系列單片機。Motorola公司的單片機在汽車上的應用非常普遍，有很強的抗干擾性能，而Microchip公司的PIC系列單片機由于內部有A/D，其外圍電路就相對簡單了。由于這些單片機的內部資源比較豐富，采用分時動態掃描模式進行顯示，其外部元件非常少，不但降低了成本，而且使可靠性大大提高。

3單片機主程序框圖

交流接觸器智能化程度的高低，主要取決于控制方案的選取和軟件的編制。程序的總體框圖如圖2所示。

程序在執行時，首先要對電網電壓取樣，若電網電壓的不平衡度大于30%，程序拒絕繼續執行，并用發光二極管對此項進行顯示。此項檢測通過以后，單片機根據相位同步信號和上次吸合、分斷過零觸點的記錄，選擇下一個觸點作為目標觸點，同時根據采樣電壓的數值，選擇合適的吸合相角，進入控制待機狀態。吸合命令一到，單片機立刻執行吸合子程序。吸合結束，單片機便使主控器件截止，系統自動進入吸持階段，線包以低電壓、小電流維持勵磁吸合狀態。

4實驗研究

可行性實驗是在開發裝置上進行的。考慮到系統的抗干擾能力和操作方便，選擇擦寫方便的89C52單片機，和蘇州機床電器廠生產的JZ7型號中間繼電器（380V，5A）組合，進行了大量的實驗，基本情況如下。

（1）吸合及分斷過程

接觸器繞組的工作電壓為380V，在交流220V的條件下無法完成吸合。和智能裝置進行組合，同樣在220V的情況下，吸合一次完成。用示波器觀察，吸合指令和執行機構的時間誤差最大不超過40ms，76%以上在20ms以內。在不產生一、二次彈跳的前提下，吸合電流為0.12A，而吸持電流僅為6mA，效果相當理想。當外電壓降到160V，觸點自動斷開，單片機處于采樣、待機狀態。

大量的實驗告訴我們，對于同一類型的接觸器和斷路器，它們彈簧彈力和動點質量基本相同，因而具有相同的慣性。電網電壓的波動使磁力克服慣性移動相同距離的時間是不同的，因而導通相角和導通時間也應該不同。把不同型號的接觸器和斷路器在不同電壓下的最佳吸合相角和吸合時間制成表格，單片機以查表的方式進行控制，可以使接觸器工作在最佳狀態下。

分斷過程有相似的結論。這里單片機要做兩項工作：更換取樣觸點和確定分斷時刻。后一項工作也是在大量實驗的基礎上查表完成的。目前正在利用新的傳感技術和過程取樣技術，完善過零分斷的閉環控制，通過自學習功能自動更新表格中的相關數據，提高模塊的智能化程度。

（2）吸持過程

啟動過程結束以后，線包就在低電壓、小電流狀態下工作。單片機在維持這種狀態的同時，對吸合電壓及電網不平衡度進行監視，一旦有短路、斷相、電網電壓不平衡度超過30%或者電網電壓低于160V及啟動運行電流超過設定值，控制回路立刻按過零要求進入分斷子程序進行失電分斷，從而保護設備的安全。

（3）通信聯網

通過單片機的串行口與微機RS232相聯，從微機鍵盤或鼠標修改單片機的控制參數，同時將單片機的各路電流采集值讀回微機顯示。這樣聯網后可對各被控對象的運行狀態實時監控，易于操作。

5結論

選擇不同的單片機，可以組成具有較強抗干擾能力和運行可靠性的產品，其抗干擾能力雖然不如PLC，但其較高的性能價格比，運行效果仍然令人滿意。和新的傳感技術相結合，可以增加包括監測觸點溫度在內的具有學習功能的智能化產品，和我國大量的接觸器、斷路器相組合，將是我國低壓電器擺脫落后局面、走出低谷的有利契機，必將為提高我國低壓電器的檔次作出貢獻。

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