交流接觸器智能控制技術(shù)的發(fā)展

，,

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116)

1 引言

接觸器廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備的自動(dòng)控制中，主要用來(lái)接通、分?jǐn)嘟涣麟娐?，也可以和繼電器配合達(dá)到遠(yuǎn)程控制電氣設(shè)備的目的，所以接觸器的性能指標(biāo)會(huì)影響到自控系統(tǒng)和電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。由于接觸器需要較頻繁地進(jìn)行合閘、分閘操作，若其沒(méi)有足夠長(zhǎng)的使用壽命及可靠性，使用中突然發(fā)生故障，將會(huì)使生產(chǎn)線(xiàn)或者控制設(shè)備停止運(yùn)行，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的電磁式交流接觸器具有操作簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但還存在著諸多不足。一方面，電磁系統(tǒng)通常采用交流電源控制。交流電源使得鐵芯交變磁化，從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。同時(shí)，鐵芯交變磁化會(huì)產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗。由于接觸器大部分時(shí)間工作在吸合保持階段，故產(chǎn)生了極大的能量浪費(fèi),多余的能量還導(dǎo)致線(xiàn)圈發(fā)熱加劇，影響其壽命。另一方面，在吸合過(guò)程中，傳統(tǒng)交流接觸器無(wú)法對(duì)電磁吸力進(jìn)行有效控制，吸力與反力特性配合無(wú)法達(dá)到最佳。若吸力小于反力，則可能使接觸器不可靠吸合，觸頭和鐵芯產(chǎn)生振動(dòng)，燒損觸頭。若吸力遠(yuǎn)大于反力，則將使得動(dòng)靜觸頭之間及動(dòng)靜鐵芯之間閉合時(shí)劇烈碰撞。同時(shí)，電網(wǎng)電壓波動(dòng)導(dǎo)致接觸器處于過(guò)壓和欠壓狀態(tài)工作時(shí)，傳統(tǒng)接觸器無(wú)法做出調(diào)整，將處于非正常工作狀態(tài)，也會(huì)使接觸器出現(xiàn)振動(dòng)和觸頭嚴(yán)重?zé)龘p等現(xiàn)象。針對(duì)以上問(wèn)題,結(jié)合現(xiàn)代微機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù),在電磁機(jī)構(gòu)吸力特性和反力特性合理配置,線(xiàn)圈激勵(lì)由交流電源控制改用直流電源控制,還有對(duì)合閘相角進(jìn)行選相合閘控制等方面進(jìn)行研究,可以有效改善交流接觸器的性能指標(biāo).

2 傳統(tǒng)交流接觸器節(jié)能控制方法

為了改善交流接觸器能耗指標(biāo)，早期的專(zhuān)家學(xué)者研究出許多控制方法，有的方法至今還有小部分用戶(hù)使用，主要包括加裝節(jié)電器和使用節(jié)電線(xiàn)圈[1]。這里對(duì)主要的幾種做簡(jiǎn)單介紹。

2.1 交流接觸器節(jié)電器

交流接觸器節(jié)電器主要又分為電容式節(jié)電器和變壓器式節(jié)電器。它們都是利用輔助觸頭和手動(dòng)按鈕對(duì)接觸器的起動(dòng)和運(yùn)行進(jìn)行控制。

(1)電容式節(jié)電器

電容式節(jié)電器工作原理如圖1所示。

圖1 電容式節(jié)電器原理圖

電容式節(jié)電器的工作原理為：按下起動(dòng)按鈕SB1，當(dāng)交流電源電壓A端為正時(shí)，二極管V1正向?qū)ǎ娫戳鹘?jīng)限流電阻R向接觸器線(xiàn)圈KM供電,使其起動(dòng)；當(dāng)A端為負(fù)時(shí)，線(xiàn)圈電流通過(guò)二極管V2續(xù)流，這樣就使得線(xiàn)圈電流為脈動(dòng)的直流。當(dāng)運(yùn)動(dòng)鐵芯閉合到一定位置時(shí)，常閉輔助觸頭KM斷開(kāi)，電容C接入，降低線(xiàn)圈電流。

(2)變壓器式節(jié)電器

變壓器式節(jié)電器原理圖如圖2所示。

圖2 變壓器式節(jié)電器

變壓器式節(jié)電器的工作原理：按下起動(dòng)按鈕SB1，電源電流經(jīng)限流電阻、整流二極管V1向線(xiàn)圈供電，V2為續(xù)流二極管；當(dāng)接觸器的鐵芯閉合到一定位置，常閉輔助觸頭斷開(kāi)，常開(kāi)輔助觸頭閉合，這時(shí)電源變?yōu)榻?jīng)過(guò)降壓變壓器和整流二極管V3向線(xiàn)圈供電，即轉(zhuǎn)入低壓吸持狀態(tài),這時(shí)變壓器供電損耗加上此時(shí)吸持功率小于原來(lái)直接供電吸持時(shí)吸持功率,從而達(dá)到節(jié)能目的。

2.2 節(jié)電線(xiàn)圈

常見(jiàn)的節(jié)電線(xiàn)圈為雙繞組節(jié)電線(xiàn)圈，原理圖如圖3所示，它由一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的雙繞組線(xiàn)圈和整流橋組成，將接觸器鐵芯兼做變壓器鐵芯。其工作原理如下：按下起動(dòng)按鈕SB1，繞組1和繞組2同時(shí)通電，繞組1流過(guò)的交流和繞組2流過(guò)的經(jīng)過(guò)全波整流橋的脈動(dòng)直流共同產(chǎn)生的磁通使得鐵芯吸動(dòng)，當(dāng)鐵芯閉合到主觸頭都接通后常閉輔助觸頭才斷開(kāi)，從而轉(zhuǎn)換成經(jīng)過(guò)降壓變壓器供電的吸持狀態(tài)。

圖3 節(jié)電線(xiàn)圈原理圖

2.3 加裝節(jié)電器對(duì)交流接觸器性能的影響

利用輔助觸頭進(jìn)行節(jié)電控制的節(jié)電器可能會(huì)因?yàn)槌ｉ]輔助觸頭的斷開(kāi)和主觸頭閉合順序而產(chǎn)生閉合動(dòng)作失敗，且存在吸力特性和反力特性配合不良等問(wèn)題。對(duì)接觸器性能的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[1]：

對(duì)合閘動(dòng)作性能的影響：由于使用了節(jié)電器，在輔助常閉觸頭斷開(kāi)之后均會(huì)時(shí)線(xiàn)圈電流減小，所以若主觸頭還沒(méi)完全閉合，輔助常閉觸頭就斷開(kāi)，可能會(huì)使鐵芯合不到底，即出現(xiàn)合閘失敗。這種情況在控制電源電壓波動(dòng)在較低位置或者運(yùn)動(dòng)部件受卡頓導(dǎo)致摩擦加大的時(shí)候更加明顯。

對(duì)分?jǐn)嘈阅艿挠绊懀涸趫D1和圖2兩種節(jié)電器中都使用了續(xù)流二極管，因此在按下分閘按鈕之后，線(xiàn)圈電流會(huì)經(jīng)續(xù)流回路續(xù)流，延時(shí)數(shù)百毫秒接觸器才會(huì)斷開(kāi)。

采用加裝電容式節(jié)電器時(shí)，線(xiàn)圈脈動(dòng)直流合閘、脈動(dòng)直流吸持的情況，吸力特性和反力特性之間會(huì)出現(xiàn)配合不良，吸力遠(yuǎn)大于反力，這不僅會(huì)使觸頭機(jī)械壽命減小，其產(chǎn)生的觸頭彈跳會(huì)使觸頭產(chǎn)生熔焊等問(wèn)題，影響其電壽命。電容式節(jié)電器對(duì)電容性能的依賴(lài)性較大，在實(shí)際使用中接觸器的性能會(huì)隨著電容的劣化而變差，這樣就降低了接觸器的可靠性。

3 接觸器智能控制的研究現(xiàn)狀

接觸器智能控制就是以微處理器為核心，對(duì)一些影響接觸器性能指標(biāo)的因素進(jìn)行有效的改善控制，其主要包括：吸力特性與反力特性的優(yōu)化控制；節(jié)能控制；選相合閘控制；零電流分?jǐn)嗫刂?；利用智能算法?duì)接觸器的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)等，根據(jù)控制依據(jù)分類(lèi)又可分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類(lèi)。

3.1 選相合閘控制技術(shù)

接觸器線(xiàn)圈在通電時(shí)，線(xiàn)圈的電壓u(t)，電流i(t)與相角的關(guān)系為：

(1)

式中：Um為峰值電壓；ω為角頻率 ；φ0為電壓初始相角；φui為電壓電流相角差；Z為阻抗；T電磁時(shí)間常數(shù)。

從式(1)可以看出，線(xiàn)圈的電壓、電流的大小與初始相位角φ0有關(guān)，接觸器從鐵芯開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到閉合，總用時(shí)在20ms左右，而控制電壓的頻率為50Hz，即一個(gè)電壓波形周期為20ms，所以初始相位對(duì)接觸器的合閘動(dòng)態(tài)過(guò)程影響比較大。文獻(xiàn)[2]中做了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：在不同的合閘相角下，電磁機(jī)構(gòu)的吸力、銜鐵的運(yùn)動(dòng)速度與位移量的變化規(guī)律都不一樣，同時(shí)可能導(dǎo)致不合閘的情況發(fā)生；而在另一些相角下，雖然能可靠合閘，但閉合末速度太大，導(dǎo)致觸頭彈跳加劇，影響觸頭的機(jī)械壽命和電壽命。

3.2 零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)

對(duì)于大容量的接觸器，接通和分?jǐn)噙^(guò)程額定電流很大，尤其是工作在A(yíng)C4(籠型異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng),點(diǎn)動(dòng),反接制動(dòng)與反向)重任務(wù)的交流接觸器，在合閘和分閘過(guò)程主觸點(diǎn)要承受6倍的額定電流，所以分?jǐn)噙^(guò)程將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電弧，電弧會(huì)直接影響接觸器的電壽命及運(yùn)行的可靠性。交流電流具有電流過(guò)零的特點(diǎn)，因此控制交流接觸器的電磁機(jī)構(gòu)使其在電流過(guò)零點(diǎn)附近斷開(kāi)，可實(shí)現(xiàn)微弧少弧的分?jǐn)嗫刂萍此^的零電流分?jǐn)嗫刂啤?/p>

實(shí)現(xiàn)交流接觸器三相觸頭系統(tǒng)的零電流分?jǐn)嗫刂?，研究學(xué)者提出了以下幾種控制方案：(1)通過(guò)微機(jī)及軟件控制，使三相觸頭隨機(jī)在電流過(guò)零點(diǎn)分?jǐn)?，這樣的話(huà)每一次分?jǐn)噙^(guò)程只有一相觸頭實(shí)現(xiàn)零電流分?jǐn)郲6]。(2)改變觸頭的結(jié)構(gòu)，使三相觸頭之間的開(kāi)距不同，這樣分?jǐn)嗟臅r(shí)候三相觸頭就不同步，假設(shè)中間相的觸頭開(kāi)距大于其余兩相，且其分開(kāi)時(shí)刻剛好領(lǐng)先其他兩相一定的時(shí)間t，則在分?jǐn)嗟臅r(shí)候只要控制中間相，使其在電流過(guò)零點(diǎn)分?jǐn)啵渌麅上嘣谘訒r(shí)t時(shí)刻后也達(dá)到電流過(guò)零點(diǎn)，這樣就實(shí)現(xiàn)了接觸器三相觸頭零電流分?jǐn)郲7]。(3)采用組合式接觸器，執(zhí)行分相控制。用一臺(tái)單極交流接觸器和一臺(tái)兩極交流接觸器組合，單極接觸器代替方案(2)中的首開(kāi)觸頭，負(fù)責(zé)首開(kāi)相的分?jǐn)?，兩極交流接觸器負(fù)責(zé)其余兩相。通過(guò)微機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)接觸器三相電路的零電流分?jǐn)郲8]。

這三種方案都需要通過(guò)微機(jī)控制系統(tǒng)控制，其實(shí)現(xiàn)存在問(wèn)題：由于接觸器結(jié)構(gòu)、工藝等機(jī)械因素，隨著觸頭的機(jī)械磨損及電磨損，接觸器的分?jǐn)鄤?dòng)態(tài)過(guò)程具有較大的分散性，無(wú)法保證觸頭每一次的分?jǐn)鄷r(shí)間都穩(wěn)定在某一數(shù)值，這就使得微機(jī)設(shè)定的控制參數(shù)可能會(huì)失效，影響接觸器的可靠性。

3.3 開(kāi)環(huán)控制技術(shù)

接觸器的開(kāi)環(huán)控制一般采用電磁系統(tǒng)的分時(shí)或者分段PWM控制技術(shù)。原理圖如圖4所示，單片機(jī)控制系統(tǒng)在檢測(cè)控制回路得電之后發(fā)出一定占空比的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，使經(jīng)過(guò)整流濾波后得到的直流電壓變?yōu)楦哳l方波電壓施加在線(xiàn)圈兩端，通過(guò)控制每個(gè)時(shí)段的占空比就能調(diào)節(jié)線(xiàn)圈兩端的激勵(lì)，從而調(diào)節(jié)電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性[9-10]。

圖4 PWM開(kāi)環(huán)控制

文獻(xiàn)[11]提出一種PWM分時(shí)控制策略，將閉合過(guò)程以等時(shí)間間隔分為3段，每段10ms，在每一時(shí)段施加不同的占空比的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使線(xiàn)圈獲得不同大小的激勵(lì)，從而調(diào)節(jié)接觸器的吸合曲線(xiàn)。對(duì)于占空比的選取，其在不同占空比組合下測(cè)試接觸器的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用支持向量機(jī)回歸方法建立PWM控制模型并優(yōu)化控制參數(shù)，此模型可以根據(jù)占空比組合預(yù)測(cè)接觸器吸合時(shí)間和動(dòng)鐵心合閘末速度。

3.4 閉環(huán)控制技術(shù)

前面提到接觸器吸力特性與反力特性的配合十分的重要，其決定接觸器性能的優(yōu)劣。接觸器的反力包括機(jī)械彈簧提供的分?jǐn)喾戳?，觸頭系統(tǒng)安裝的超程彈簧提供的反力，輔助觸頭系統(tǒng)恢復(fù)彈簧的反力，還有各運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的摩擦力等一系列阻礙鐵芯閉合的力的合力。這么多機(jī)械力的合力表現(xiàn)出的機(jī)械分散性使得接觸器的吸力和反力之間的配合具有不穩(wěn)定性，這時(shí)候如果采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)時(shí)有效的反饋信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)電磁吸力的大小，這樣就能使接觸器既能可靠閉合，也不會(huì)造成吸力過(guò)大加劇觸頭彈跳和機(jī)械磨損。

閉環(huán)控制需要有效的反饋信號(hào)，反饋信號(hào)主要包括幾種：線(xiàn)圈電壓、電流、鐵芯運(yùn)動(dòng)速度、鐵芯位移量等幾種。在文獻(xiàn)[12]中，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，在采集到線(xiàn)圈電壓后控制調(diào)壓器，使其輸出穩(wěn)定在一定數(shù)值，這樣盡管電網(wǎng)電壓存在波動(dòng)(國(guó)標(biāo)規(guī)定的85%～110%額定電壓范圍內(nèi)波動(dòng))，接觸器的動(dòng)態(tài)特性也會(huì)保持穩(wěn)定，試驗(yàn)證明控制效果良好。文獻(xiàn)[13]以線(xiàn)圈電流作為反饋信號(hào)是因?yàn)橹绷麟娫纯刂频慕佑|器在銜鐵閉合時(shí)，由于氣隙δ突然變小，電磁吸力急劇增大，造成觸頭彈跳嚴(yán)重，在重負(fù)載的工作狀態(tài)下可能還會(huì)引起觸頭燒蝕、熔焊。電流反饋控制系統(tǒng)根據(jù)接觸器在實(shí)際運(yùn)行中吸力特性與反力特性配合要求，在接通時(shí)使吸力遠(yuǎn)大于反力，讓鐵芯獲得一個(gè)比較大的加速度；隨著氣隙的減小，逐漸減小線(xiàn)圈電流，使在吸力與反力的共同作用下，鐵芯末速度處于一個(gè)較小的水平下，從而達(dá)到減少觸頭彈跳的目的。文獻(xiàn)[14]提出了一種激磁控制策略，通過(guò)耦合電壓平衡方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，建立了弱磁控制策略下合閘過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型結(jié)合磁路和電路模型，經(jīng)過(guò)推理，得到線(xiàn)圈動(dòng)態(tài)電感與線(xiàn)圈兩端電壓和流過(guò)線(xiàn)圈的電流之間的關(guān)系,然后通過(guò)采樣合閘過(guò)程中線(xiàn)圈電壓u和電流i的信號(hào),再用等效磁鏈模型計(jì)算出線(xiàn)圈的動(dòng)態(tài)電感變化曲線(xiàn),這樣就能由動(dòng)態(tài)電感的變化預(yù)測(cè)接觸器鐵芯的位移和速度,并根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)不同階段施加以不同占空比的控制信號(hào)，達(dá)到分段激磁的目的，從而使吸力特性與反力特性配合更加合理。

文獻(xiàn)[15]將斬波控制引入到交流接觸器智能控制系統(tǒng)中，通過(guò)改變電力電子開(kāi)關(guān)接通和分?jǐn)嗟臅r(shí)間比例，來(lái)改變加到負(fù)載上的平均電壓或者電流。在接觸器起動(dòng)階段，采用線(xiàn)圈電流作為閉環(huán)反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)直流控制；在保持階段，控制系統(tǒng)根據(jù)線(xiàn)圈電阻自動(dòng)進(jìn)行保持電壓閉環(huán)與保持電流閉環(huán)的快速切換，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減少線(xiàn)圈發(fā)熱等功能。

3.5 智能交流接觸器綜合控制技術(shù)

智能交流接觸器的發(fā)展方向,是將電力電子技術(shù)、通信技術(shù)、微處理器等融入到接觸器的控制中，在接觸器加裝不同的控制模塊，可以提高接觸器不同方面的性能指標(biāo)。

文獻(xiàn)[16]通過(guò)加裝新型抗電壓跌落模塊使接觸器在電壓跌落時(shí)不會(huì)引起觸頭晃動(dòng)等問(wèn)題，與傳統(tǒng)的采用延時(shí)繼電器、儲(chǔ)能延時(shí)元件、雙電源供電等方案不同，其將線(xiàn)圈的后備供電電源由鎳氫電池改為新型儲(chǔ)能元件超級(jí)電容。超級(jí)電容體積小，能夠?qū)崿F(xiàn)反復(fù)充電，且不必?fù)?dān)心過(guò)充情況的發(fā)生，在進(jìn)行后備供電時(shí)較傳統(tǒng)鎳氫電池有較大優(yōu)勢(shì)。除了具有抗電壓跌落的功能,這篇論文中還加裝了通信模塊和電壓采集模塊配合,可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控接觸器的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)論

早期學(xué)者提出的節(jié)能控制方案雖可以節(jié)省一定的運(yùn)行能耗，但控制可靠性降低，對(duì)合閘及分?jǐn)嘈阅芫嬖诓涣加绊?，在?shí)際運(yùn)用中逐漸被淘汰。隨著微處理器及相關(guān)電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，接觸器的智能化控制也會(huì)越來(lái)越完善?，F(xiàn)有的智能控制方案理論上都能改善接觸器的某些方面的性能指標(biāo)，但實(shí)際應(yīng)用還需考慮到接觸器在使用過(guò)程中動(dòng)態(tài)參數(shù)的分散性的特點(diǎn)，采用閉環(huán)控制和相關(guān)的參數(shù)自校正技術(shù)可以改善這個(gè)問(wèn)題。

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