張曉筱 劉 紅 齊 磊

遼寧省安全科學(xué)研究院

智能化接觸器閉合少彈跳控制技術(shù)研究

張曉筱 劉 紅 齊 磊

遼寧省安全科學(xué)研究院

接觸器閉合產(chǎn)生的彈跳作用會降低接觸器的電壽命，長時間后也將減弱接觸器閉合的可靠性，影響配電系統(tǒng)的安全。本文介紹了國內(nèi)外智能化接觸器閉合少彈跳研究的最新進(jìn)展，重點(diǎn)說明了接觸器的吸合時間控制、參數(shù)確定、反饋控制等方面的內(nèi)容及應(yīng)用，對其中需要進(jìn)一步研究的問題做出了構(gòu)想。

接觸器；閉合；彈跳；控制

1 引言

電磁機(jī)構(gòu)能否可靠吸合取決于其吸力特性與反力特性配合是否得當(dāng)。接觸器吸合過程中，由于力的存在，導(dǎo)致觸頭之間、鐵芯之間的碰撞，產(chǎn)生的觸頭彈跳現(xiàn)象是不可避免的，這種彈跳一方面會加劇觸頭的磨損，降低其機(jī)械壽命；另一方面，彈跳過程產(chǎn)生的電弧也將對其電氣壽命帶來一定的影響。因此，如何降低接觸器閉合過程觸頭的彈跳已成為目前研究的一個熱點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者提出了很多有效的控制方法。

2 接觸器的吸合時間控制

對吸合時間和彈跳時間控制是減小接觸器觸頭彈跳的重要途徑之一，彈跳時間控制目前還沒有具體的理論參考，而吸合時間控制方法目前已有實(shí)驗(yàn)性結(jié)論發(fā)表。

接觸器吸合時間控制過程是將勵磁線圈采樣電流進(jìn)行積分，并與吸合電流有效值進(jìn)行比較，以判斷是否達(dá)到吸合時刻，當(dāng)達(dá)到吸合時刻時，進(jìn)入保持階段，降低勵磁電壓和電流，減小碰撞，降低損耗。電流有效值為下式。

將式(1)取極限并離散化，得到

由式(2)可知，當(dāng)電流積分達(dá)到參考電流I時，即為吸合時刻。為了減小由于離散采樣帶來的誤差，可應(yīng)用高采樣頻率的處理芯片。實(shí)際中也可采取模擬電路構(gòu)建積分器和比較器，以達(dá)到實(shí)時控制，這也將是下一步的一個研究方向。

3 基于反饋的智能化接觸器動態(tài)控制

反饋是控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的必經(jīng)之路。為滿足智能化接觸器的動態(tài)穩(wěn)定控制，希望線圈電壓或電流能夠保持穩(wěn)定，且稍稍大于吸合值，以實(shí)現(xiàn)觸頭的軟著陸。

西安交通大學(xué)劉穎異、陳德桂分別提出了智能接觸器的電壓[1]和電流反饋控制[2]。

交流電壓經(jīng)整流進(jìn)入PWM(脈沖寬度調(diào)制)調(diào)節(jié)器，供電于接觸器線圈，線圈電壓經(jīng)反饋至控制模塊，控制模塊完成PWM占空比的控制，實(shí)現(xiàn)線圈電壓不變，驅(qū)動開關(guān)選擇絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明觸頭彈跳時間較普通交流接觸器有了明顯的減少。

電流反饋的原理與電壓反饋基本一致，區(qū)別是硬件電路采用了誤差放大器、PWM比較器、與非門等模擬器件。

4 接觸器閉合過程可變參數(shù)的確定

接觸器閉合是一個動態(tài)過程，正如前面分析的那樣，有些參數(shù)是時變的。接觸器電氣回路方程為

根據(jù)式(3)，可知線圈電感是一個時變量，而電阻由于外界環(huán)境的變化也是變量。因此，為滿足控制的準(zhǔn)確性，這兩個變量應(yīng)予以明確。

對于電阻，通常采用人工學(xué)習(xí)法，通過建立學(xué)習(xí)樣本，在實(shí)際中選擇較為接近的電阻值進(jìn)行計(jì)算；文獻(xiàn)[3]提出了一種溫度補(bǔ)償控制策略，考慮參數(shù)在不同溫度下的數(shù)值，通過實(shí)驗(yàn)建立了動態(tài)輸出控制表。給出了不同工作電壓下和不同環(huán)境溫度下的最優(yōu)PWM占空比及勵磁時間。

西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)的Espinosa等人建立了電阻和電感的表達(dá)式[4]，該表達(dá)式表明電阻和電感可通過實(shí)時電壓、電流及其變化量計(jì)算得到，該表達(dá)式的推廣和應(yīng)用將極大地降低裝置的成本，并能加強(qiáng)控制的準(zhǔn)確性。

5 基于PWM的鐵芯磁通控制

電力電子變流技術(shù)的發(fā)展為智能化接觸器控制方法的研究提供了廣闊的平臺，通過改變電力電子開關(guān)動作頻率，進(jìn)而改變加在線圈的電壓和電流是控制鐵芯磁通的重要手段之一。文獻(xiàn)[5]將有源逆變電路應(yīng)用于電磁接觸器磁通控制中，采用PWM控制技術(shù)，通過控制線圈兩端電壓，使鐵芯磁通出現(xiàn)増磁和弱磁兩個過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制鐵芯電磁吸力的目的。

交流電源經(jīng)不可控整流以獲得需要的直流電源，直流側(cè)電容C2和二極管D1分別用于直流電壓的穩(wěn)定和保證直流電流的單向性，逆變側(cè)采用單相橋式電路，由4個開關(guān)和4個反并聯(lián)二極管構(gòu)成，開關(guān)用于獲得所需的PWM脈沖電壓，反并聯(lián)二極管用于能量的回饋。

増磁過程中施加正向電壓并保持穩(wěn)定，使電磁吸力略高于反力；在弱磁過程中施加反向電壓，使電磁吸力快速減小，降低鐵芯閉合速度和碰撞力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟著陸。

6 結(jié)束語

該電路結(jié)構(gòu)較好地實(shí)現(xiàn)了電磁吸力的控制，而控制的精密性很大程度上取決于直流側(cè)電壓的穩(wěn)定度，因此，為了進(jìn)一步快速穩(wěn)定直流側(cè)電壓，將前饋解耦控制、反饋線性化控制]等有關(guān)PWM整流控制策略應(yīng)用其中將是下一步的研究方向之一。

[1] 劉穎異，陳德桂，紐春萍.帶電壓反饋的智能接觸器動態(tài)特性及觸頭彈跳的仿真與研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27(30)：20-25.

[2] 劉穎異，陳德桂，袁海文等.帶電流反饋的永磁接觸器動態(tài)特性仿真與分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30(15)：118-124.

[3] 周亮，舒亮，吳桂初等.智能交流接觸器溫度補(bǔ)償控制策略研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(7)：73-76.

[4] 汪先兵，林鶴云，房淑華等.無位置傳感器的智能永磁接觸器弱磁控制及合閘動態(tài)特性分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2011，31(18)：93-99.