孟彥京，高澤宇，王素娥

（陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021）

智能無火花開關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

孟彥京*，高澤宇，王素娥

（陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021）

為了從根本上消除接觸器開關(guān)時(shí)刻產(chǎn)生的火花，增強(qiáng)工業(yè)生產(chǎn)安全性，在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合氣隙擊穿和功率損耗分析產(chǎn)生火花的原因，從電磁、機(jī)械兩方面因素分析接觸器動(dòng)作延時(shí)特性，總結(jié)火花產(chǎn)生熄滅規(guī)律，測量無火花區(qū)域大小。設(shè)計(jì)帶有巴特沃斯濾波和自校正功能的智能開關(guān)控制系統(tǒng)，使接觸器動(dòng)作時(shí)刻誤差絕對值小于0.3 ms，精確地動(dòng)作在無火花區(qū)域。驗(yàn)證了接觸器延時(shí)特性分析和無火花區(qū)域理論的正確性及過零關(guān)斷方案的可行性。

智能控制；過零關(guān)斷；特性分析；氣隙擊穿；電磁因素；自校正

工業(yè)控制中大量使用接觸器作為控制用電設(shè)備啟停的電氣開關(guān)，由于目前接觸器動(dòng)作的隨機(jī)性，觸點(diǎn)斷開與閉合的瞬間頻繁出現(xiàn)氣隙擊穿，放電形成功率損耗產(chǎn)生火花，觸點(diǎn)會(huì)被高溫?zé)g而損傷，損傷到一定程度后，接觸器燒毀，甚至引起電氣火災(zāi)［1-2］。同時(shí)火花放電造成電磁干擾將影響系統(tǒng)的正常工作。目前采取的措施有：（1）改進(jìn)觸點(diǎn)材料增強(qiáng)觸點(diǎn)抗蝕能力；（2）改進(jìn)滅弧設(shè)計(jì)，提高滅弧裝置的性能［3-4］。但是這些方法僅能在火花出現(xiàn)后治理火花減小火花的危害。

接觸器智能化研究就是改進(jìn)接觸器動(dòng)作的隨機(jī)性，從而消除開關(guān)過程產(chǎn)生的火花，是智能電器研究的重要方向，也是智能電網(wǎng)建設(shè)的要求。國內(nèi)外已有部分學(xué)者對交流接觸器的動(dòng)作特性［5，6］和智能控策略［7，8］進(jìn)行研究，但是都沒有結(jié)合火花的產(chǎn)生原理、熄滅規(guī)律及接觸器延時(shí)特性的分析設(shè)計(jì)智能控制方案。

本文從上述切入點(diǎn)進(jìn)行研究計(jì)了智能無火花開關(guān)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以主動(dòng)的方式從根本上消除火花，完全保護(hù)觸點(diǎn)，使接觸器壽命延長5～10倍并且提高工業(yè)生產(chǎn)安全性。

1　火花產(chǎn)生的條件與理論無火花區(qū)的分析

1.1火花產(chǎn)生的條件

火花產(chǎn)生的主要原因是，接觸器開閉過程中，觸點(diǎn)端電壓過高擊穿短距離的空氣間隙，放電形成集中的功率損耗。計(jì)算觸點(diǎn)功率損耗的公式為：

式中U、I分別為放電電壓電流。當(dāng)損耗過大放熱過多時(shí)就會(huì)產(chǎn)生火花。

實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，負(fù)載都呈現(xiàn)感性有續(xù)流和產(chǎn)生反電動(dòng)勢的特性，因此接觸器動(dòng)作時(shí)刻式（1）中放電電流電壓分別為：

工頻交流電電壓與電流都是按照正弦規(guī)律變化的，式中IL為負(fù)載回路的電流瞬時(shí)值，Ug為觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)刻電網(wǎng)的瞬時(shí)電壓，dIL為觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)刻電流變化量。

1.2理論無火花區(qū)的分析

確定了火花產(chǎn)生的條件后，不滿足火花產(chǎn)生條件的區(qū)域就是無火花區(qū)，下面分為接觸器吸合和斷開兩種情況來分析無火花區(qū)。

接觸器在吸合瞬間前一時(shí)刻電流為零（即IL=0、dIL=0），放電電壓由Ug決定，在交流電壓過零點(diǎn)前后某個(gè)區(qū)域吸合觸點(diǎn)避免氣隙擊穿放電，即便氣隙擊穿也會(huì)因?yàn)榉烹婋妷汉苄《畲蟪潭葴p少功率損耗，有效消除火花，因?yàn)檫@一過程所受放電電壓僅由Ug影響，而且氣隙擊穿要求電壓幅值較高，所以閉合過程中的無火花區(qū)域范圍較大。

圖1　理論無火花區(qū)域分析

2　接觸器動(dòng)作延時(shí)特性測試與可估計(jì)性分析

在上述分析中得出無火花投切區(qū)，那么通過控制使接觸器實(shí)際動(dòng)作在無火花投切區(qū)就能有效消除火花。但是接觸器觸點(diǎn)吸合與斷開動(dòng)作都有延時(shí)，控制信號發(fā)出，接觸器觸點(diǎn)不會(huì)立即動(dòng)作。為了達(dá)到控制目的，對接觸器動(dòng)作延時(shí)特性做了測試并分析其可估計(jì)性。由于接觸器觸點(diǎn)閉合過程中的無火花區(qū)域范圍較大，所以閉合過程中對延時(shí)控制精度要求不高，因此下面以接觸器觸點(diǎn)斷開時(shí)動(dòng)作延時(shí)特性為主要測試分析對象。

接觸器動(dòng)作由機(jī)械彈力和電磁吸力完成，直流接觸控制線圈通直流電，線圈電壓電流固定即電磁因素固定，延時(shí)只受機(jī)械因素影響。而交流接觸器則有機(jī)械和電磁兩種因素影響其動(dòng)作延時(shí)。

2.1電磁因素作用下接觸器延時(shí)特性

由電磁學(xué)可知，電磁鐵吸力公式為：

式中?為磁極端面磁通（Wb），S為磁極的面積。交流電磁鐵的交變磁通為：

將其代入式（4）得：

式中Ft為瞬時(shí)吸力，F(xiàn)m為最大吸力，得到如圖2所示的特性：

圖2　交流接觸器磁通、吸力、延時(shí)特性圖

（1）吸力由一個(gè)不變分量的平均吸力和一個(gè)交變分量的脈動(dòng)吸力疊加組成；

（2）總的吸力雖然也隨時(shí)間周期性變化，但總是大于或等于零，即只有吸力，沒有斥力；

（3）吸力的頻率是磁通頻率的2倍。

不考慮接觸器彈簧彈力時(shí)，接觸器觸點(diǎn)斷開延時(shí)與電磁吸合力成正比。因此可以得到電磁因素作用下的接觸器延時(shí)特性如圖2所示。結(jié)合實(shí)際，電磁因素由磁通?決定，就是由接觸器控制信號發(fā)出時(shí)控制線圈所流過的電流瞬時(shí)值決定。只要固定了控制信號發(fā)出時(shí)交流電流所處的相對位置就可以固定由電磁因素引起的接觸器延時(shí)。

2.2機(jī)械因素作用下接觸器延時(shí)特性

上一節(jié)的論述闡明了接觸器延時(shí)與電磁因素的關(guān)系，固定電磁因素（方案1：使用直流接觸器實(shí)驗(yàn)測試；方案2：固定對交流接觸器發(fā)出控制信號的時(shí)交流電流所處的相對位置）；通過數(shù)次投切試驗(yàn)測試接觸器的動(dòng)作延時(shí)得到了僅在機(jī)械因素影響下接觸器延時(shí)分布如圖3所示，僅有機(jī)械因素影響時(shí)接觸器延時(shí)呈現(xiàn)較為集中的正態(tài)分布，圍繞其正態(tài)分布均值有一定波動(dòng)。波動(dòng)最大差值為1 ms。

接觸器動(dòng)作延時(shí)實(shí)際由電磁和機(jī)械因素影響疊加決定，接觸器動(dòng)作延時(shí)與電磁因素呈現(xiàn)的正弦關(guān)系已確定，電磁因素影響固定后延時(shí)波動(dòng)最大為1 ms，而且出現(xiàn)大波動(dòng)可能性很小，由此可以確定接觸器的動(dòng)作延時(shí)是可估計(jì)的，但是存在一定的估計(jì)誤差。

圖3　只有機(jī)械因素影響時(shí)某接觸器延時(shí)正態(tài)分布圖

3　控制方案設(shè)計(jì)

上一章確定了接觸器的延時(shí)特性和延時(shí)可估計(jì)性，這樣實(shí)際設(shè)計(jì)中可以采取通過軟件延時(shí)控制電磁因素（即選擇對交流接觸器發(fā)出控制信號時(shí)交流電流所處的相對位置）來控制接觸器的動(dòng)作延時(shí)，并且通過兩個(gè)延時(shí)的相互配合的方案使接觸器實(shí)際動(dòng)作在無火花投切區(qū)，最大限度消除火花。

3.1控制方案

方案框圖如圖4所示，利用霍爾傳感器將負(fù)載電流電壓轉(zhuǎn)換為同步波形信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路后被STM32采樣。當(dāng)STM32收到開通和關(guān)斷的命令后，將采樣信息進(jìn)行數(shù)字濾波，過零檢測，檢測到過零后控制軟件延時(shí)t1配合接觸器動(dòng)作延時(shí)t2，保證在下一個(gè)周期過零點(diǎn)附近的無火花區(qū)投切負(fù)載。同時(shí)利用一組輔助觸點(diǎn)測量接觸器每次開通和關(guān)斷的延時(shí)，將20個(gè)測量數(shù)據(jù)利用最小二乘法做一次辨識(shí)和自校正。

圖4　方案設(shè)計(jì)框圖

控制方案的延時(shí)控制波形如圖5所示圖中t1為軟件延時(shí)，t2為接觸器動(dòng)作延時(shí)。在上圖中可以明顯的看出控制上對軟件延時(shí)t1和動(dòng)作延時(shí)t2的要求：

根據(jù)旅游度假服務(wù)產(chǎn)品的形式分類，在線自助游分為組合產(chǎn)品和單品。在組合產(chǎn)品類型中，指通過旅行社購買只涵蓋部分度假行程的機(jī)票、酒店、門票等打包出售的產(chǎn)品組合。現(xiàn)階段，中國在線自助游組合產(chǎn)品以“機(jī)票＋酒店”和“酒店＋景點(diǎn)”形式為主。在單品類型中，在線自助游包括除交通類和住宿類預(yù)訂之外的所有在線旅游度假單品形式。此外，根據(jù)旅游度假產(chǎn)品的區(qū)域分類，在線自助游也可劃分為國內(nèi)自助游和出境自助游。

式中T是工頻周期，這樣就可以保證接觸器斷開或閉合時(shí)接觸器在無火花區(qū)動(dòng)作，滿足投切時(shí)刻功率損耗P≈0，有效消除火花。

圖5　延時(shí)控制基本波形圖

3.2系統(tǒng)辨識(shí)與延時(shí)自校正設(shè)計(jì)

對于不同的接觸器描述其延時(shí)特性的函數(shù)參數(shù)可能會(huì)不同，并且接觸器的動(dòng)作延時(shí)會(huì)隨著開合次數(shù)的增加和接觸器線圈電壓的波動(dòng)而改變，軟件延時(shí)t1是微小變化的，因此需要對系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)和延時(shí)自校正（即對軟件延時(shí)t1與接觸器動(dòng)作延時(shí)t2函數(shù)關(guān)系的擬合）。在延時(shí)特性分析中，忽略機(jī)械因素時(shí)電磁因素與接觸器動(dòng)作延時(shí)呈現(xiàn)正弦關(guān)系，在延時(shí)控制波形圖5中軟件延時(shí)t1決定了對交流接觸器發(fā)出控制信號的時(shí)交流電流所處的相對位置即決定了電磁因素，則忽略機(jī)械因素時(shí)軟件延時(shí)t1與接觸器動(dòng)作延時(shí)t2呈現(xiàn)正弦關(guān)系。考慮機(jī)械因素作用時(shí)形成的延時(shí)特性曲線就是在這個(gè)正弦關(guān)系曲線上疊加上一個(gè)非線性曲線。即應(yīng)有函數(shù)：式中 f代表疊加的非線性函數(shù)，但是如果用這種方式擬合延時(shí)曲線，校正時(shí)需要求解反三角函數(shù)不容易實(shí)現(xiàn)。實(shí)際控制中t1的變動(dòng)范圍并不是很大，在這段區(qū)間內(nèi)可以用三次函數(shù)曲線近似逼近［9-12］。使用最小二乘法處理每次閉合斷開測出的延時(shí)數(shù)據(jù)可以擬合t1與t2的關(guān)系，具體做法為：

取出最新測量的20個(gè)延時(shí)數(shù)據(jù)T1、T2、…、T20設(shè)非線性關(guān)系為：

取得極小值，則a0，a1，a2，a3滿足：

整理得矩陣方程：

解得a0，a1，a2，a3，自校正后的延時(shí)控制滿足的公式由式（7）變?yōu)椋?/p>

4　火花規(guī)律與最佳投切時(shí)機(jī)選擇

根據(jù)上述的方案搭建無火花開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)次有火花和無火花投切實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了火花產(chǎn)生和熄滅的規(guī)律，驗(yàn)證了原理分析中的無火花區(qū)，并且確定了最佳投切時(shí)機(jī)。

如圖6所示，圖中波形1為STM32的IO口模擬的狀態(tài)標(biāo)志位的輸出波形，這個(gè)標(biāo)志位會(huì)在STM32檢測到交流過零時(shí)和軟件延時(shí)后發(fā)出控制信號時(shí)有一個(gè)高低電平轉(zhuǎn)換。波形2是負(fù)載電流波形，其中a點(diǎn)是交流過零點(diǎn)，b點(diǎn)是控制信號發(fā)出點(diǎn)，c點(diǎn)是接觸器的實(shí)際動(dòng)作點(diǎn)，d點(diǎn)是火花熄滅點(diǎn)，e點(diǎn)為a點(diǎn)后下一個(gè)周期的負(fù)向交流自然過零點(diǎn)。ab段時(shí)間是軟件延時(shí)，bc段時(shí)間是接觸器動(dòng)作延時(shí)，cd波段為火花波形。

圖6　火花產(chǎn)生和熄滅的規(guī)律波形分析圖

對照圖6，將火花產(chǎn)生與熄滅的規(guī)律總結(jié)為：

（1）火花總是在接觸器實(shí)際動(dòng)作點(diǎn)（c點(diǎn)）處產(chǎn)生，火花的電流波形繼續(xù)保持正弦變化趨勢，但是有畸變和衰減，畸變的弧段越長火花越大（如cd段波形）；

（2）火花總是在正弦交流量自然過零點(diǎn)的前一時(shí)刻（d點(diǎn)）熄滅；

（3）在交流自然過零前后約2 ms為無火花投切區(qū)。

通過上述規(guī)律可以確定最佳投切時(shí)機(jī)，如原理分析中所述閉合觸點(diǎn)時(shí)IL=0、電流無突變dIL=0，控制條件要求不高容易實(shí)現(xiàn)無火花閉合。在斷開觸點(diǎn)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原理分析一致，綜合考慮負(fù)載電流和電壓，存在電流過零點(diǎn)前后不對稱一段無火花區(qū)，如圖7所示，實(shí)驗(yàn)測試這段區(qū)域有2 ms的時(shí)間。經(jīng)過辨識(shí)和自校正后接觸的動(dòng)作延時(shí)估計(jì)誤差絕對值小于0.3 ms，控制點(diǎn)波動(dòng)最大為0.6 ms遠(yuǎn)小于2 ms，將期望動(dòng)作點(diǎn)選取在無火花區(qū)域的中心就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的無火花投切。則有公式

式中θ為負(fù)載功率因角。

圖7　實(shí)際無火花區(qū)域圖

5　測試結(jié)果

按照原理與方案設(shè)計(jì)無火花開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其實(shí)物圖8所示。

圖8　無火花開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在示波器上測試接觸器投切時(shí)刻的電流波形，將其波形通過數(shù)字示波器打印，波形如圖9所示，觀察波形圖結(jié)合火花產(chǎn)生與熄滅的規(guī)律，可以知道：過零檢測精度很高，軟件延時(shí)適當(dāng)，波形完好，畸變段很小，有效消除火花，基本實(shí)現(xiàn)控制目的。

圖9　無火花投切負(fù)載電流波形

表1的數(shù)據(jù)是對某個(gè)接觸器，按照控制方案進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，觀察火花的控制情況和接觸器的機(jī)械延時(shí)情況得到的。表1第2列的數(shù)據(jù)中，負(fù)號表示接觸器實(shí)際動(dòng)作點(diǎn)在過零點(diǎn)之前，正號表示接觸器實(shí)際動(dòng)作點(diǎn)在過零點(diǎn)之后。通過表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出：

（1）無火花投切區(qū)位于交流自然過零點(diǎn)前后2 ms范圍內(nèi)；

（2）表中的第1列數(shù)據(jù)表明電磁因素固定后（自校正的過程中有微小區(qū)域調(diào)整）接觸器機(jī)械延時(shí)分布集中，波動(dòng)小于1 ms；

（3）加入自校正環(huán)節(jié)后接觸器延時(shí)估計(jì)誤差絕對值小于0.3 ms，所以表1中第2列接觸器實(shí)際動(dòng)作點(diǎn)位置最大波動(dòng)小于0.6 ms；

（4）0.6 ms遠(yuǎn)小于2 ms，可以做到在定點(diǎn)控制情況下，無論接觸器延時(shí)范圍內(nèi)怎樣波動(dòng)，實(shí)際投切都在無火花區(qū)，成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的無火花開關(guān)；

表1　某接觸器實(shí)測控制效果

6　結(jié)　論

通過以上的分析與實(shí)驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：（1）實(shí)現(xiàn)無火花開關(guān)要考慮氣隙擊穿和功率損耗兩個(gè)因素，閉合觸點(diǎn)時(shí)在電壓過零點(diǎn)附近動(dòng)作，斷開觸點(diǎn)時(shí)嚴(yán)格控制放電電壓同時(shí)限制放電電流。（2）交流接觸器的動(dòng)作延時(shí)特性是由機(jī)械因素影響呈現(xiàn)的特性在電磁因素影響呈現(xiàn)的正弦關(guān)系特性上的疊加，固定電磁因素后其動(dòng)作延時(shí)分布集中度提高，具有可估計(jì)性但估計(jì)精度有限。這種特性在小范圍能可以通過最小二乘法對三次函數(shù)的擬合來逼近，并且通過這種逼近來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的辨識(shí)和自校正。（3）通過實(shí)驗(yàn)中大量波形分析總結(jié)出了火花的規(guī)律，驗(yàn)證了無火花區(qū)域的存在，并且確定區(qū)域大小在時(shí)間尺度上大于施加控制后接觸器實(shí)際動(dòng)作點(diǎn)波動(dòng)范圍，因此選擇好最佳投切時(shí)機(jī)就可以做到穩(wěn)定的無火花開關(guān)。

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孟彥京（1956-），男，漢族，河北省寧晉縣人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，自動(dòng)化控制，yjm1292@163.com；

高澤宇（1991-），男，漢族，遼寧省興城市人，陜西科技大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，自動(dòng)化控制，740696366@ qq.com。

The Design of Intelligent No-Spark Switching Control System*

MENG Yanjing*，GAO Zeyu，WANG Sue
（College of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science&Technology，Xi'an 710021，China）

To eliminate the disasters of the spark generated when contactor switching fundamentally and strengthen industrial production safty，the causes resulting in spark is analyzed combining with air gap brokendown and power loss，the delay characteristic of contactors is analyzed from electromagnetic and mechanical element，the rule of spark's generating and putting out is summarized and the size of no-spark area is measured on the basis of many experiments.The intelligent switch control system which has Butterworth filter and the correction by its own is designed.This system can make contactor active in the no-spark area accurately and the error absolute value is less than 0.3 ms.The last，the correctness of contactor's delay characteristic analyzing，no-spark area theory and the way of zero crossing shutoff is verified.

intelligent control；zero crossing shutoff；characteristic analysis；air gap breakdown；electromagnetic factors；self-correcting

TP23

A

1005-9490（2016）05-1149-06

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51577110）

2015-10-06修改日期：2015-10-27

EEACC:623010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.026