智能大功率過零接觸器關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)

徐帥 曹睿杭 祝志強(qiáng) 劉燕紅 黃菲

摘要：該文詳細(xì)闡述了研發(fā)不產(chǎn)生電弧和沖擊的智能大功率接觸器的過程。項(xiàng)目以STM32F103RCT6單片機(jī)為核心，通過光耦隔離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使接觸器在電壓過零時觸頭閉合，電流過零時觸頭分開，從而達(dá)到保護(hù)用電設(shè)備和延長接觸器使用壽命的目的。通過借助ESP8266WIFI模塊，使用MQTT協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和接收。最后基于Vue開發(fā)微信小程序，對接觸器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制，使接觸器走向智能化。

關(guān)鍵詞：過零投切;接觸器;單片機(jī);智能測控;互聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）01-0225-02

1 概述

交流接觸器是一種常用于接通和切斷電路的自動化切換電器，它不但有益于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和高頻率操作，而且市場需求量大、使用范圍廣。電動機(jī)、變壓器、電阻爐等用電設(shè)備是接觸器的主要控制對象，它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、商業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)等社會的方方面面都有廣泛的應(yīng)用。因此，交流接觸器的穩(wěn)定性和壽命直接影響到整個工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命，影響其他電機(jī)電器的正常工作，甚至帶來巨大的生命財產(chǎn)損失。

在國民經(jīng)濟(jì)的大量需求及電力工業(yè)增長的趨勢下，交流接觸器的需求量持續(xù)增長，并朝著節(jié)能、智能、高壽命和高可靠性發(fā)展。但傳統(tǒng)接觸器有以下缺點(diǎn)：①在觸頭閉合和分開時會產(chǎn)生沖擊和電弧，造成接觸器壽命降低并對電網(wǎng)和用電設(shè)備帶來沖擊。②由于工藝和動作機(jī)構(gòu)等原因，開關(guān)電器的合閘和分?jǐn)鄷r間不能確定，即時間的分散性很大。③要提高開關(guān)電器的分?jǐn)嗨俣?，會給電器的動作機(jī)構(gòu)帶來一定的困難，增加電器的負(fù)擔(dān)。為了提高交流接觸器運(yùn)行的可靠性，必須進(jìn)一步改善交流接觸器在進(jìn)行分?jǐn)鄷r觸頭間電弧過大的問題。目前，國內(nèi)外的許多專家學(xué)者以及各高校都在這方面進(jìn)行了深入的研究，以改善接觸器的性能。

針對上述問題，我們通過STM32F103RCT6單片機(jī)及測量電路檢測電流和電壓，以及運(yùn)動機(jī)構(gòu)時間，使觸頭在電流過零前某一極短時刻斷開，在電壓過零前某一極短時刻閉合，并提升觸頭運(yùn)動速度使得觸頭在過零時有足夠的分離速度，使得觸頭無弧光分?jǐn)?，減少對觸頭固有動作時間的穩(wěn)定性要求，達(dá)到延長接觸器使用壽命以及保護(hù)電路的目的。

由此可見，對于智能大功率過零接觸器的研究具有重要意義。

2 項(xiàng)目總體設(shè)計

我們通過STM32F103RCT6單片機(jī)及測量電路檢測電流和電壓，以及運(yùn)動機(jī)構(gòu)時間，使觸頭在電流過零前某一極短時刻斷開，在電壓過零前某一極短時刻閉合。創(chuàng)新地運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)+的思維，使用MQTT協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行通訊，將硬件設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲;通過微信小程序的開發(fā)，使我們能通過手機(jī)等終端實(shí)現(xiàn)對智能大功率接觸器實(shí)時狀態(tài)的監(jiān)測和控制，從而讓接觸器走向智能化。智能大功率接觸器總體設(shè)計框圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計

智能大功率過零接觸器的硬件部分主要由CPU單元、電源電路模塊、光耦檢測電路模塊、ESP8266WIFI通信模塊構(gòu)成。硬件部分設(shè)計框圖如圖2所示。

3.1 CPU單元

CPU是整個控制系統(tǒng)的核心，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易擴(kuò)展性，我們采用意法半導(dǎo)體推出的“增強(qiáng)型”系列STM32F103RCT6，它使用基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的ARMCorrex-M3內(nèi)核，內(nèi)置高速存儲器，工作頻率為72MHz，增強(qiáng)了I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。

3.2 電源電路模塊

將220V電壓經(jīng)過變壓器降為12V的交流電，經(jīng)過整流電路將12V交流電轉(zhuǎn)化成單向脈動性直流電，然后進(jìn)行濾波，濾除交流分量，保留直流分量，使電壓平滑。最后經(jīng)過穩(wěn)壓電路，使輸出電壓穩(wěn)定，不隨負(fù)載變化。電源電路示意圖如圖3所示。

3.3 光耦檢測電路模塊

光耦合器以光為媒介傳輸電信號，它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。當(dāng)接觸器觸頭過零點(diǎn)時，圖中1和2之間沒有電流通過，光電二極管不會發(fā)光，三極管將不導(dǎo)通，輸出端通過單片機(jī)檢測不到電流;當(dāng)觸頭未過零點(diǎn)時，1和2之間有電流通過，二極管發(fā)光，三極管導(dǎo)通，則可以檢測出電流。因此，通過單片機(jī)檢測出電流的兩種狀態(tài)，則可以判斷接觸器是否過零點(diǎn)。光耦檢測電路如圖4所示。

3.4 ESP8266WIFI通信模塊

我們之所以選用ESP8266WIFI模塊，是因?yàn)樗鼛в型暾腤IFI功能，內(nèi)置高速的緩沖存儲器，有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求。之所以使用MQTT協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行通訊，是因?yàn)樗⌒蛡鬏敚_銷很?。ü潭ㄩL度的頭部是 2 字節(jié)），能降低網(wǎng)絡(luò)流量。

通過借助ESP8266WIFI模塊，使用MQTT協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和接收。通過云平臺上顯示的數(shù)據(jù)，我們能夠分析出它是否能完成過零投切，并且將數(shù)據(jù)及時的儲存下來。

4 軟件設(shè)計

在本文軟件的設(shè)計中，主要通過開發(fā)微信小程序來實(shí)現(xiàn)對接觸器實(shí)時狀態(tài)的監(jiān)測和控制。

首先基于vue.js的web漸進(jìn)式框架，編寫前端界面;然后通過簡單的API實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)綁定，通過嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，通過TCP傳輸控制協(xié)議與小程序端進(jìn)行實(shí)時交互;最后，通過mpvue框架將前端代碼轉(zhuǎn)化為微信小程序代碼，在微信開發(fā)者工具中進(jìn)行軟件調(diào)試。其設(shè)計流程圖如圖5所示。

用微信小程序連接智能接觸器，控制它的狀態(tài)為開，實(shí)時測出它的電壓和電流，并分析它是否在電壓過零時觸頭閉合，電流過零時觸頭分開。微信小程序測試界面如圖6所示。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目主要對大功率接觸器的過零投切和智能測控進(jìn)行設(shè)計和研究。在閱讀了大量國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，了解了智能交流接觸器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，給出了具體的硬件設(shè)計方案和軟件設(shè)計方案。并且對本項(xiàng)目每個模塊都進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

隨著工業(yè)革命的快速發(fā)展，智能交流接觸器的設(shè)計是一個重要的發(fā)展方向，其性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)交流接觸器，它還有很多方面值得去進(jìn)一步研究和創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳文桂. 一種新型智能交流接觸器的設(shè)計與研究[D].福州大學(xué)，2016.

[2] 劉天宇，張曉斌，董延軍.基于單片機(jī)的航空直流接觸器智能控制單元設(shè)計[J].測控技術(shù)，2014，33（07）：81-84.