周煜源,劉向軍

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福建 福州 350108)

1 引言

作為配電系統(tǒng)中大量使用的開關(guān)電器，接觸器的性能是制約電力系統(tǒng)和其他低壓控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定的重要因素[1]。受機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有缺陷限制，交流接觸器動(dòng)作時(shí)間存在很大的分散性[2]，吸合過程中觸頭彈跳劇烈，分?jǐn)噙^程中電弧侵蝕嚴(yán)重，都是制約其壽命的重要因素。這些問題單純依靠改變接觸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已無法解決，伴隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，許多智能控制策略被陸續(xù)引入到電磁系統(tǒng)的控制中來，大幅度地提升了交流接觸器性能和穩(wěn)定性。 針對交流接觸器吸合過程的控制，主要集中在減少觸頭彈跳和觸頭的零電壓合閘以減小觸頭磨損。文獻(xiàn)[3-6]提出了基于線圈電流反饋的交流接觸器斜率控制器的類PID整定規(guī)則、交流接觸器自校正控制、批間控制(run-to-run control)等智能控制方法，有效改善了觸頭彈跳，提高了接觸器吸合動(dòng)作過程的穩(wěn)定性，有利于觸頭的定相合閘。隨著接觸器在電力系統(tǒng)中的大量使用，能耗成了不容忽視問題。相較于吸合時(shí)動(dòng)靜觸頭間的接觸電阻能耗和毫秒級起動(dòng)時(shí)間的線圈能耗，線圈的吸持能耗成了最主要的能耗來源。線圈雙電源切換供電的控制策略有效地減小了吸持能耗，在起動(dòng)時(shí)線圈采用大電壓激磁、保持過程則切換為低壓電源供電[7-8]，然而當(dāng)吸持過程中線圈電阻隨著溫度上升而逐漸變大，接觸器工作的可靠性也要大打折扣。而恒電流吸持的控制方式則可以避免這個(gè)問題[9-11]，但為了維持恒定的電流，線圈勵(lì)磁回路的開關(guān)電子器件需要不停的通斷，將帶來額外的能耗，并且這兩種方式都采用固定的保持電壓或電流參考值，導(dǎo)致了其可移植性不強(qiáng)。交流接觸器的分?jǐn)嗉夹g(shù)則主要是為了快速熄弧，減少電弧對觸點(diǎn)的侵蝕。針對電流在過零處電弧容易熄滅的特點(diǎn)引入了零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)了無弧或微電弧分?jǐn)郲12-13]。而三相負(fù)載多樣性以及不同的負(fù)載連接方式下三相電流過零時(shí)間各不相同，是零電流分?jǐn)嗫刂齐y點(diǎn)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的交流接觸器三相觸頭幾乎同步斷開，顯然無法實(shí)現(xiàn)每一相電流的零電流分?jǐn)唷?/p>

鑒于上述問題，本文提出一種異步組合式交流接觸器全過程智能控制策略。在吸合過程中采用線圈電流閉環(huán)控制方式，有效實(shí)現(xiàn)鐵心和觸頭閉合的“軟著陸”，使交流接觸器動(dòng)作過程更加穩(wěn)定，提高了三相觸頭的定相合閘準(zhǔn)確率；采用基于數(shù)控開關(guān)電源的自適應(yīng)吸持電壓控制策略可以兼顧吸持過程的可靠性和低功耗要求；由三個(gè)電磁系統(tǒng)獨(dú)立控制每一相觸頭可實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的三相電流零電流分?jǐn)唷?/p>

2 工作原理

本文以課題組自行研制的斜極面交流接觸器為單極控制對象，提出一種異步組合式的智能交流接觸器，圖1為該接觸器智能控制系統(tǒng)的原理框圖。采用改進(jìn)的降壓(buck)斬波電路作為線圈控制電路，實(shí)現(xiàn)對線圈的閉環(huán)控制以及供電電源切換；線圈電壓采樣電路用于采集線圈的勵(lì)磁電壓信號，判斷輸入電壓是否處于線圈工作電壓范圍內(nèi)；線圈電流采樣電路用于采集線圈的勵(lì)磁電流信號，為吸合過程的電流滯環(huán)比較跟蹤和自適應(yīng)吸持控制做準(zhǔn)備；三相電壓和三相電流采樣電路用于采集交流接觸器觸頭上的電壓電流信號，以實(shí)現(xiàn)交流接觸器的定相分合閘控制；主控芯片采用IAP15W4K58S4芯片。

圖1 組合式交流接觸器智能控制系統(tǒng)框圖

為實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的定相分合閘控制，本文從集中管理為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了組合控制方案，由一個(gè)主控芯片實(shí)現(xiàn)對三臺交流接觸器的協(xié)調(diào)控制。圖2為組合式交流接觸器3相1重?cái)夭娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，三個(gè)斬波電路共用一個(gè)電源，可大幅度減小體積。而多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的斬波電路使電源電流脈動(dòng)次數(shù)和頻率增加，可以有效減少電源電流引起的感應(yīng)干擾，降低了對輸入側(cè)的濾波要求，可進(jìn)一步減小裝置的體積。

圖2 組合式交流接觸器線圈控制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 組合式交流接觸器全過程控制策略

3.1 合閘控制策略

電磁系統(tǒng)作為接通和分?jǐn)嘀骰芈返膭?dòng)力來源，決定了整個(gè)交流接觸器的動(dòng)態(tài)性能，而線圈電流直接影響電磁吸力，更是核心控制對象。滯環(huán)比較控制作為一種常用的電流跟蹤控制策略，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、不需要載波、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。因此在交流接觸器吸合過程中采用線圈電流滯環(huán)比較跟蹤的閉環(huán)控制策略，通過給定電流參考值使得接觸器在每次動(dòng)作過程中的電磁吸力曲線保持一致，從而保證了動(dòng)作時(shí)間的穩(wěn)定性。圖3為線圈控制電路，其中V2數(shù)控開關(guān)電源，Vs為市電，由于線圈模型較復(fù)雜，以Lcoil和Rcoil串聯(lián)的形式代替。

圖3 線圈控制電路

市電以及主回路中的高頻斬波使線圈電流中夾雜著大量的高次諧波，因此本文采用霍爾電流傳感器采集線圈電流，避免其對單片機(jī)和其他敏感元件產(chǎn)生干擾。根據(jù)滯回跟蹤比較控制原理以及線圈實(shí)際電流if與線圈設(shè)定的參考電流ir之間的關(guān)系，吸合過程中線圈控制電路可分為三種工作狀態(tài)：

(1)

式中，e為比較閾值。

電流的跟蹤誤差為：

Δ=ir-if

(2)

具體工作流程為：當(dāng)Δ>e時(shí)，Q1導(dǎo)通，加在線圈上的電壓為Vs經(jīng)過整流濾波后的電壓；當(dāng)e>Δ>-e，開關(guān)管維持原有的開關(guān)狀態(tài)；當(dāng)Δ<-e時(shí)，Q1截止，線圈電流通過Q3、D5回路續(xù)流。而D2、Q2、V2與線圈構(gòu)成低壓保持回路，其中D2可以防止兩個(gè)供電電源同時(shí)導(dǎo)通。

在Simulink中搭建了控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，如圖4所示，其中Recurdyn為動(dòng)力學(xué)仿真軟件，用于計(jì)算鐵心和觸頭位移及碰撞彈跳情況，以分析控制策略的性能。

圖4 控制系統(tǒng)仿真模型搭建

降低動(dòng)靜鐵心及動(dòng)靜觸頭接觸時(shí)的碰撞能量是減小觸頭彈跳的有效方法。但減少碰撞能量勢必會增加吸合時(shí)間，如何恰當(dāng)?shù)娜∩崾强刂茀?shù)設(shè)置的關(guān)鍵。本文采用電流階梯掃描型的參數(shù)設(shè)置方式，在接觸器起動(dòng)時(shí)給線圈施加一個(gè)較大的電流參考值，使鐵心獲得較大的初速度，隨后按階梯狀逐步減少參考電流，以減小鐵心和觸頭的閉合末速度，從而到達(dá)減小觸頭彈跳的目的。圖5為該接觸器吸合過程的電流曲線和觸頭彈跳曲線。

圖5 吸合過程仿真波形

從圖5(a)可見，線圈電流變化趨勢與設(shè)定的參考值基本保持一致，說明了滯環(huán)控制的有效性。從圖5(b)中可以看到，經(jīng)過控制后的觸頭彈跳時(shí)間和幅值非常小，說明該控制可以有效抑制觸頭彈跳。

觸頭接通時(shí)，觸頭間產(chǎn)生的電弧會對觸頭產(chǎn)生侵蝕，影響觸頭的電壽命，而通過智能控制使觸頭在電壓過零時(shí)合閘可有效減少電弧。對于中性點(diǎn)接地的三相負(fù)載和中性點(diǎn)不接地三相負(fù)載的電壓零點(diǎn)是不同的，本文以最常見的三相負(fù)載星形無中性線連接方式為例，說明三相觸頭零電壓合閘時(shí)序的建立。

三相觸頭零電壓合閘控制時(shí)序圖如圖6所示。在t1時(shí)刻控制系統(tǒng)得到合閘指令，隨后A相開始檢測電壓零點(diǎn)，觸頭電壓到達(dá)零點(diǎn)后，單片機(jī)軟件延時(shí)tdA，A相線圈開始激磁，動(dòng)作機(jī)構(gòu)延時(shí)tcA后，A相在電壓零點(diǎn)合閘。在A相電壓零點(diǎn)檢測完成的同時(shí)，開啟對B、C兩相電壓零點(diǎn)的檢測，由時(shí)序圖可知，先到零點(diǎn)者為C相，據(jù)此實(shí)現(xiàn)相序的識別。B、C兩相在A相合閘后，C相(即合閘第二相)將會與A相形成回路，此時(shí)C相的觸頭電壓零點(diǎn)將不再是原來的相電壓零點(diǎn)，而是在相電壓UA等于UC處(即A相觸頭電壓過零后30°)，單片機(jī)通過調(diào)整tdC，使C相在此處合閘。而B相作為最后一相，則根據(jù)其觸頭電壓零點(diǎn)進(jìn)行合閘，原理與A相觸頭合閘一致。

圖6 零電壓合閘時(shí)序圖

3.2 自適應(yīng)吸持控制策略

無論是基于恒定電流吸持還是恒定電壓吸持均存在缺陷性。本文以減少能耗為目的，提出了一種自適應(yīng)吸持電壓控制策略。利用基于數(shù)控開關(guān)電源輸出可調(diào)的特點(diǎn)，將吸持電壓初始值設(shè)定為一個(gè)較低的值以實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，而針對交流接觸器在長期通電及環(huán)境溫升影響下線圈電阻增大可能引發(fā)的一系列不可靠吸持問題，以線圈電流和線圈電壓為反饋參量，通過單片機(jī)計(jì)算線圈電阻并與線圈電阻初始值進(jìn)行比較，以此為依據(jù)調(diào)整數(shù)控開關(guān)電源輸出電壓，完成自適應(yīng)吸持控制，保證了接觸器即使處于較低的吸持電壓下，依然具備較高的吸持穩(wěn)定性，其控制框圖如圖7所示。

圖7 自適應(yīng)吸持控制系統(tǒng)框圖

3.3 零電流分?jǐn)嗫刂撇呗?/h3>

相較于合閘過程對觸頭的影響，分?jǐn)噙^程電弧對觸頭的侵蝕更為嚴(yán)重，也是影響交流接觸器電壽命最主要的因素。因此，如何克服機(jī)構(gòu)動(dòng)作的分散性，提升觸頭在電流過零處分?jǐn)嗟臏?zhǔn)確率成了重要研究方向之一。與三相觸頭零電壓合閘原理相似，三相負(fù)載中性點(diǎn)是否接地，將影響三相觸頭電流的過零點(diǎn)。本文分析了三種接線方式下，三相觸頭分?jǐn)嚯娏鞯臅r(shí)序關(guān)系，通過單片機(jī)對各相電流零點(diǎn)的判斷以及計(jì)算軟件延時(shí)，實(shí)現(xiàn)三相觸頭的零電流分?jǐn)?。下面同樣以三相?fù)載星形無中性線連接方式為例，說明零電流分?jǐn)鄷r(shí)序的建立。圖8為零電流分?jǐn)鄷r(shí)序圖，t1時(shí)刻單片機(jī)得到分閘命令，此時(shí)開始檢測A相電流零點(diǎn)，檢測到A相電流零點(diǎn)并經(jīng)過tdA后，控制A相的接觸器線圈斷電，經(jīng)過動(dòng)作機(jī)構(gòu)固有延時(shí)tbA后，觸頭在A相電流過零分?jǐn)?。在A相分?jǐn)嗪?，B、C相形成回路，擁有同樣的過零點(diǎn)，即落后A相5ms，根據(jù)這一原理使B、C相在電流過零點(diǎn)分?jǐn)?。至此，三相電流?shí)現(xiàn)零電流分?jǐn)唷?/p>

圖8 零電流分?jǐn)鄷r(shí)序圖

由于實(shí)際運(yùn)用中，零電流分?jǐn)嗉夹g(shù)中觸頭并非控制在電流過零處分?jǐn)?，而是取電流過零前的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)分?jǐn)?，這是因?yàn)橛|頭分開時(shí)刻過于接近電流零點(diǎn)可能導(dǎo)致電弧重燃。因此本文采用零前分?jǐn)嗟牧汶娏鞣謹(jǐn)嗫刂撇呗浴?/p>

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該智能控制方案的可行性，在10A的負(fù)載電流下完成驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，圖9為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖。

圖9 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

4.1 滯環(huán)比較控制下的零電壓合閘過程

該交流接觸器在額定電壓下無控制的吸合過程波形圖如圖10(a)所示，圖10(b)為采用線圈電流滯環(huán)跟蹤比較控制下，接觸器吸合過程波形圖。從圖(b)可見，線圈電流變化趨勢呈階梯狀，證明該控制的有效性。此外，相較于圖(a)中該接觸器無控制時(shí)1ms左右的觸頭彈跳時(shí)間，經(jīng)過智能控制后觸頭彈跳有了大幅度的改善。

圖10 吸合過程波形圖

為驗(yàn)證控制系統(tǒng)在負(fù)載中性點(diǎn)接地和不接地連接方式下電壓合閘控制的準(zhǔn)確性，本文分別將三個(gè)單相負(fù)載按上述兩種方式連接并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖11所示。

圖11中，UA、UB、UC分別為A、B、C三相的觸頭兩端電壓波形。如圖11(a)所示，C相和A相零電壓合閘時(shí)間差為3.33ms，合閘相角相差60°，B相和A相合閘時(shí)間差為6.67ms，合閘相角相差120°。如圖11(b)所示，C相和A相零電壓合閘時(shí)間差為1.67ms，合閘相角相差30°，B相和A相合閘時(shí)間差為6.67ms，合閘相角相差120°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)可有效控制三相觸頭的零電壓合閘。

圖11 零電壓合閘

4.2 自適應(yīng)吸持調(diào)整過程

為驗(yàn)證自適應(yīng)控制策略的有效性，實(shí)驗(yàn)?zāi)M交流接觸器線圈電阻增大引發(fā)的不可靠吸持問題，在某時(shí)刻為線圈回路串入100Ω電阻(約為線圈電阻的10%)，驗(yàn)證自適應(yīng)吸持控制的有效性，實(shí)驗(yàn)波形如圖12所示。

圖12 基于線圈電流的自適應(yīng)吸持實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖12可見，在t0時(shí)刻線圈回路串入電阻，隨后線圈電流緩慢下降，在t1時(shí)刻電流達(dá)到設(shè)定的閾值，隨后單片機(jī)輸出信號，使保持電源輸出電壓上升，線圈電流隨之上升，完成自適應(yīng)調(diào)整過程。

4.3 零電流分閘過程

本文在負(fù)載電流為10A下，進(jìn)行了中性點(diǎn)接地與中性點(diǎn)不接地三相負(fù)載的零電流分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 零電流分?jǐn)嗖ㄐ螆D

由圖13可見，對于中性點(diǎn)不接地的三相負(fù)載，由于首開相斷開后，其余兩相將形成回路，因此具有相同的電流零點(diǎn)，均落后首開相5ms。針對中性點(diǎn)接地的三相負(fù)載，A相觸頭完成過零分?jǐn)嗪?，C相在與A相分閘后3.33ms處分?jǐn)?，而B相則在A相分閘后6.67ms處分?jǐn)唷?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可以有效控制三相觸頭于電流過零處分?jǐn)唷?/p>

5 結(jié)論

本文提出了一種基于異步組合式交流接觸器的全過程智能控制策略。根據(jù)交流接觸器的各個(gè)工作過程中的特性分析，對每個(gè)工作階段采不同的控制策略，最后就該智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了不同連接方式下的三相負(fù)載的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)采用滯環(huán)跟蹤比較控制策略，實(shí)現(xiàn)了三相觸頭的零電壓吸合，有效改善了接觸器閉合過程的觸頭彈跳并提高了接觸器動(dòng)作時(shí)間的穩(wěn)定性。

(2)自適應(yīng)吸持電壓控制策略兼顧了吸持過程的可靠吸持與低能耗，并保證了交流接觸器長期通電下的工作可靠性。

(3)利用組合式交流接觸器的異步控制的優(yōu)點(diǎn)，在分?jǐn)噙^程中具有高可靠性和準(zhǔn)確率的零電流分?jǐn)唷?/p>