一種具有過載保護(hù)功能接觸器的研究設(shè)計

(陜西群力電工有限責(zé)任公司,陜西寶雞,721300)

1 引言

該型接觸器的核心技術(shù)是采用單片機(jī)技術(shù)控制內(nèi)置接觸器線圈斷電或通電，當(dāng)輸出端負(fù)載電流大于規(guī)定值時，單片機(jī)輸出高電平，線圈斷電，反之單片機(jī)輸出低電平，線圈通電，可實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)、復(fù)位功能，從而保護(hù)用戶負(fù)載電路和接觸器自身。該產(chǎn)品具有一組動合觸點(diǎn)，額定負(fù)載為100A，27Vd.c.(阻性)，主要用于航空、兵器等領(lǐng)域控制設(shè)備中切換電路之用。

2 技術(shù)要求

主要技術(shù)指標(biāo)如下:

溫度范圍：-55℃～85℃

正弦振動：10Hz～1000Hz，98m/s2

沖 擊：98m/s2(脈沖持續(xù)時間：11ms)

穩(wěn)態(tài)加速度：98m/s2

觸點(diǎn)組數(shù)：1H

介質(zhì)耐電壓：1000Vr.m.s.

絕緣電阻：≥1000MΩ

接觸電壓降：≤125mV

觸點(diǎn)額定負(fù)載：100A，27Vd.c.(阻性)

電 壽 命：1×104次

過流保護(hù)值：150A(可調(diào))

重 量：≤700g

外形尺寸：91mm×91mm×67mm

經(jīng)過分析以上主要技術(shù)指標(biāo),確定研制該產(chǎn)品主要技術(shù)難點(diǎn)：①控制電路部分保護(hù)功能設(shè)計難度大；②產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，抗電磁干擾能力差，易出現(xiàn)反應(yīng)不靈敏。

解決措施：① 過流保護(hù)的電流采樣使用霍爾電流傳感器，并對傳感器降額使用，通過軟件仿真，以保證所有功能可靠實(shí)現(xiàn)。② 對控制電路板和接觸器部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將控制電路板置于接觸器線圈轉(zhuǎn)換部分一側(cè)，同時在單片機(jī)控制程序中設(shè)置濾波程序，提高產(chǎn)品的抗干擾能力。

3 研究與設(shè)計

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及功能說明

3.1.1 基本結(jié)構(gòu)確定

該型接觸器分為：接觸器部分和控制電路部分。接觸器部分和控制電路部分通過霍爾電流傳感器連接，霍爾電流傳感器采樣接觸器部分負(fù)載電流，并將電流值轉(zhuǎn)化為電壓值傳輸給控制電路部分，控制電路部分將該電壓值與基準(zhǔn)電壓值進(jìn)行比較來判斷是否進(jìn)行過流跳閘保護(hù)。接觸器部分和控制電路經(jīng)裝配后用罩殼封裝。產(chǎn)品外形見圖1；接線圖見圖2；內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3。

圖1 外形圖

圖2 接線圖

圖3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 功能說明

a) 當(dāng)線圈加電，負(fù)載端不加電時， LED1、LED2、RES均為高電平；

b) 當(dāng)線圈加電，負(fù)載端有電流且電流小于等于120A時，接觸器正常工作，LED1高電平，LED2低電平，RES高電平；

c) 當(dāng)線圈加電，負(fù)載端電流大于120A，小于等于150A，接觸器進(jìn)入反時限過流保護(hù)，延時0.5s～15s后斷電保護(hù)，LED1低電平，LED2高電平，RES高電平，直到有復(fù)位命令(即RES為低電平脈沖信號)才可恢復(fù)接通狀態(tài)；

d) 當(dāng)線圈加電，負(fù)載端電流大于150A，在30ms內(nèi)執(zhí)行斷電保護(hù)，LED1低電平，LED2高電平，RES高電平，直到有復(fù)位命令(即RES為低電平脈沖信號)才可恢復(fù)接通狀態(tài)。

e) 復(fù)位功能：當(dāng)給RES一個低電平脈沖信號，可啟動復(fù)位功能。

3.2 接觸器部分設(shè)計方案

接觸器部分采用某型直流接觸器，該型接觸器結(jié)構(gòu)成熟可靠，能夠滿足振動、壽命等指標(biāo)要求，通過螺釘、螺母固定在底板上，負(fù)載引出端通過連接片和輸出端連接，線圈由控制電路供電。如圖4所示。

圖4 接觸器部分示意圖

3.3 控制電路部分設(shè)計方案

控制電路部分由輸入部分、單片機(jī)部分、復(fù)位電路、電流采樣部分、驅(qū)動部分、連接器部分組成，其原理框圖如圖5所示。

圖5 電原理框圖

輸入部分：用來給接觸器部分線圈提供電壓，同時通過三端穩(wěn)壓器將輸入電壓降到5Vd.c.，給單片機(jī)和霍爾電流傳感器供電；

單片機(jī)部分：判斷采樣到的負(fù)載電流信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并判斷該值是否達(dá)到過流保護(hù)值，并作出相應(yīng)的保護(hù)動作；

復(fù)位電路：當(dāng)接觸器進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)后，可通過復(fù)位電路給一個低電平脈沖信號使單片機(jī)復(fù)位；

電流采樣部分：通過霍爾電流傳感器將負(fù)載電流值轉(zhuǎn)化為電壓值，并傳輸給單片機(jī)部分；

驅(qū)動部分：用來驅(qū)動光耦給接觸器部分線圈供電或斷電，從而控制接觸器部分觸點(diǎn)接通或關(guān)斷；

連接器部分：用于用戶檢測接觸器工作狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能用。

3.3.1 控制電路板設(shè)計

根據(jù)以上思路，設(shè)計制作并優(yōu)化了控制電路板，如圖6所示。

圖6 控制電路板接線圖

3.3.2 軟件設(shè)計

該產(chǎn)品軟件采用C語言編寫，在MPLAB開發(fā)環(huán)境中完成程序的編譯調(diào)試，該產(chǎn)品主流程圖見圖7。

圖7 主流程圖 圖8 反時限流程圖

主程序中A/D轉(zhuǎn)換采樣電流值通過單片機(jī)自帶的10位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，其分辨率為：VCC/210=5V/1024=4.8828mV(VCC為單片機(jī)的供電電壓為5V)。本產(chǎn)品電流采樣選用靈敏度較高霍爾電流傳感器，其靈敏度為10mV/A，則輸出電壓為：U=V/2*1000+I*10，因此，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的離散電壓值M為：

M=U/4.8828=(V/2*1000+I*10)/1024

為了減少單片機(jī)的空間占用率，程序中均采用離散電壓值進(jìn)行反時限計算，其反時限過載保護(hù)流程圖見上圖8。

3.4 控制電路部分仿真分析

采用PROTUES軟件對控制電路部分進(jìn)行功能仿真，可以減小產(chǎn)品開發(fā)過程中的風(fēng)險，其仿真電路見圖9，圖中顯示為額定電流下的仿真結(jié)果。

圖中，通過滑動變阻器RV1來調(diào)節(jié)負(fù)載電流，通過開關(guān)K1來模擬負(fù)載被短路，通過開關(guān)K2復(fù)位單片機(jī)。單片機(jī)上電，驅(qū)動Q1導(dǎo)通，接觸器RL1線圈加電，開關(guān)閉合，霍爾電流傳感器U3采樣負(fù)載電流，并將采樣值傳輸給單片機(jī)，通過功能仿真，說明程序可行。

圖9 功能仿真

4 測量與試驗(yàn)

按本研究結(jié)果和設(shè)計及仿真進(jìn)行了產(chǎn)品裝配和試驗(yàn),過流跳閘保護(hù)時間測試見下表：

參數(shù) 項目產(chǎn)品編號I負(fù)載≤120A,正常工作,不跳閘120A150A,跳閘時間≤35ms交收測試環(huán)境試驗(yàn)后測試電壽命試驗(yàn)后測試機(jī)械壽命試驗(yàn)后測試交收測試環(huán)境試驗(yàn)后測試電壽命試驗(yàn)后測試機(jī)械壽命試驗(yàn)后測試交收測試環(huán)境試驗(yàn)后測試電壽命試驗(yàn)后測試機(jī)械壽命試驗(yàn)后測試1合格合格合格合格1.361.221.301.4011.110.912.815.32合格合格合格合格1.141.111.151.5611.711.013.116.03合格合格合格合格1.241.151.321.6012.111.813.816.24合格合格合格合格1.301.261.351.6813.413.014.617.45合格合格合格合格1.321.211.501.7012.312.113.816.5

從以上數(shù)據(jù)可以看出,產(chǎn)品過流跳閘保護(hù)時間滿足技術(shù)指標(biāo)要求，按其詳細(xì)規(guī)范進(jìn)行鑒定試驗(yàn)結(jié)果合格，產(chǎn)品各項性能指標(biāo)和參數(shù)符合規(guī)定。

5 結(jié)論

通過對具有過載保護(hù)功能的接觸器研究和分析，并通過軟件仿真，保證了過流保護(hù)功能的可靠實(shí)現(xiàn)；通過對控制電路板和接觸器部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將控制電路板置于接觸器線圈轉(zhuǎn)換部分一側(cè)，同時在單片機(jī)控制程序中設(shè)置濾波程序，提高產(chǎn)品的抗干擾能力。另外該產(chǎn)品可衍生出具有其它保護(hù)功能的接觸器，用途廣泛，很有發(fā)展前景。