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(福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350116)

1 引言

接觸器廣泛應用于電氣設備的自動控制中，主要用來接通、分斷交流電路，也可以和繼電器配合達到遠程控制電氣設備的目的，所以接觸器的性能指標會影響到自控系統(tǒng)和電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。由于接觸器需要較頻繁地進行合閘、分閘操作，若其沒有足夠長的使用壽命及可靠性，使用中突然發(fā)生故障，將會使生產(chǎn)線或者控制設備停止運行，造成不必要的經(jīng)濟損失。傳統(tǒng)的電磁式交流接觸器具有操作簡便，結構簡單、技術成熟等優(yōu)點，但還存在著諸多不足。一方面，電磁系統(tǒng)通常采用交流電源控制。交流電源使得鐵芯交變磁化，從而產(chǎn)生振動和噪聲。同時，鐵芯交變磁化會產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗。由于接觸器大部分時間工作在吸合保持階段，故產(chǎn)生了極大的能量浪費,多余的能量還導致線圈發(fā)熱加劇，影響其壽命。另一方面，在吸合過程中，傳統(tǒng)交流接觸器無法對電磁吸力進行有效控制，吸力與反力特性配合無法達到最佳。若吸力小于反力，則可能使接觸器不可靠吸合，觸頭和鐵芯產(chǎn)生振動，燒損觸頭。若吸力遠大于反力，則將使得動靜觸頭之間及動靜鐵芯之間閉合時劇烈碰撞。同時，電網(wǎng)電壓波動導致接觸器處于過壓和欠壓狀態(tài)工作時，傳統(tǒng)接觸器無法做出調整，將處于非正常工作狀態(tài)，也會使接觸器出現(xiàn)振動和觸頭嚴重燒損等現(xiàn)象。針對以上問題,結合現(xiàn)代微機控制技術和電力電子技術,在電磁機構吸力特性和反力特性合理配置,線圈激勵由交流電源控制改用直流電源控制,還有對合閘相角進行選相合閘控制等方面進行研究,可以有效改善交流接觸器的性能指標.

2 傳統(tǒng)交流接觸器節(jié)能控制方法

為了改善交流接觸器能耗指標，早期的專家學者研究出許多控制方法，有的方法至今還有小部分用戶使用，主要包括加裝節(jié)電器和使用節(jié)電線圈[1]。這里對主要的幾種做簡單介紹。

2.1 交流接觸器節(jié)電器

交流接觸器節(jié)電器主要又分為電容式節(jié)電器和變壓器式節(jié)電器。它們都是利用輔助觸頭和手動按鈕對接觸器的起動和運行進行控制。

(1)電容式節(jié)電器

電容式節(jié)電器工作原理如圖1所示。

圖1 電容式節(jié)電器原理圖

電容式節(jié)電器的工作原理為：按下起動按鈕SB1，當交流電源電壓A端為正時，二極管V1正向導通，電源流經(jīng)限流電阻R向接觸器線圈KM供電,使其起動；當A端為負時，線圈電流通過二極管V2續(xù)流，這樣就使得線圈電流為脈動的直流。當運動鐵芯閉合到一定位置時，常閉輔助觸頭KM斷開，電容C接入，降低線圈電流。

(2)變壓器式節(jié)電器

變壓器式節(jié)電器原理圖如圖2所示。

圖2 變壓器式節(jié)電器

變壓器式節(jié)電器的工作原理：按下起動按鈕SB1，電源電流經(jīng)限流電阻、整流二極管V1向線圈供電，V2為續(xù)流二極管；當接觸器的鐵芯閉合到一定位置，常閉輔助觸頭斷開，常開輔助觸頭閉合，這時電源變?yōu)榻?jīng)過降壓變壓器和整流二極管V3向線圈供電，即轉入低壓吸持狀態(tài),這時變壓器供電損耗加上此時吸持功率小于原來直接供電吸持時吸持功率,從而達到節(jié)能目的。

2.2 節(jié)電線圈

常見的節(jié)電線圈為雙繞組節(jié)電線圈，原理圖如圖3所示，它由一個特殊設計的雙繞組線圈和整流橋組成，將接觸器鐵芯兼做變壓器鐵芯。其工作原理如下：按下起動按鈕SB1，繞組1和繞組2同時通電，繞組1流過的交流和繞組2流過的經(jīng)過全波整流橋的脈動直流共同產(chǎn)生的磁通使得鐵芯吸動，當鐵芯閉合到主觸頭都接通后常閉輔助觸頭才斷開，從而轉換成經(jīng)過降壓變壓器供電的吸持狀態(tài)。

圖3 節(jié)電線圈原理圖

2.3 加裝節(jié)電器對交流接觸器性能的影響

利用輔助觸頭進行節(jié)電控制的節(jié)電器可能會因為常閉輔助觸頭的斷開和主觸頭閉合順序而產(chǎn)生閉合動作失敗，且存在吸力特性和反力特性配合不良等問題。對接觸器性能的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面[1]：

對合閘動作性能的影響：由于使用了節(jié)電器，在輔助常閉觸頭斷開之后均會時線圈電流減小，所以若主觸頭還沒完全閉合，輔助常閉觸頭就斷開，可能會使鐵芯合不到底，即出現(xiàn)合閘失敗。這種情況在控制電源電壓波動在較低位置或者運動部件受卡頓導致摩擦加大的時候更加明顯。

對分斷性能的影響：在圖1和圖2兩種節(jié)電器中都使用了續(xù)流二極管，因此在按下分閘按鈕之后，線圈電流會經(jīng)續(xù)流回路續(xù)流，延時數(shù)百毫秒接觸器才會斷開。

采用加裝電容式節(jié)電器時，線圈脈動直流合閘、脈動直流吸持的情況，吸力特性和反力特性之間會出現(xiàn)配合不良，吸力遠大于反力，這不僅會使觸頭機械壽命減小，其產(chǎn)生的觸頭彈跳會使觸頭產(chǎn)生熔焊等問題，影響其電壽命。電容式節(jié)電器對電容性能的依賴性較大，在實際使用中接觸器的性能會隨著電容的劣化而變差，這樣就降低了接觸器的可靠性。

3 接觸器智能控制的研究現(xiàn)狀

接觸器智能控制就是以微處理器為核心，對一些影響接觸器性能指標的因素進行有效的改善控制，其主要包括：吸力特性與反力特性的優(yōu)化控制；節(jié)能控制；選相合閘控制；零電流分斷控制；利用智能算法對接觸器的設計參數(shù)進行尋優(yōu)等，根據(jù)控制依據(jù)分類又可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。

3.1 選相合閘控制技術

接觸器線圈在通電時，線圈的電壓u(t)，電流i(t)與相角的關系為：

(1)

式中：Um為峰值電壓；ω為角頻率 ；φ0為電壓初始相角；φui為電壓電流相角差；Z為阻抗；T電磁時間常數(shù)。

從式(1)可以看出，線圈的電壓、電流的大小與初始相位角φ0有關，接觸器從鐵芯開始運動到閉合，總用時在20ms左右，而控制電壓的頻率為50Hz，即一個電壓波形周期為20ms，所以初始相位對接觸器的合閘動態(tài)過程影響比較大。文獻[2]中做了相關的試驗驗證，結果表明：在不同的合閘相角下，電磁機構的吸力、銜鐵的運動速度與位移量的變化規(guī)律都不一樣，同時可能導致不合閘的情況發(fā)生；而在另一些相角下，雖然能可靠合閘，但閉合末速度太大，導致觸頭彈跳加劇，影響觸頭的機械壽命和電壽命。

3.2 零電流分斷控制技術

對于大容量的接觸器，接通和分斷過程額定電流很大，尤其是工作在AC4(籠型異步電動機的起動,點動,反接制動與反向)重任務的交流接觸器，在合閘和分閘過程主觸點要承受6倍的額定電流，所以分斷過程將會產(chǎn)生強電弧，電弧會直接影響接觸器的電壽命及運行的可靠性。交流電流具有電流過零的特點，因此控制交流接觸器的電磁機構使其在電流過零點附近斷開，可實現(xiàn)微弧少弧的分斷控制即所謂的零電流分斷控制。

實現(xiàn)交流接觸器三相觸頭系統(tǒng)的零電流分斷控制，研究學者提出了以下幾種控制方案：(1)通過微機及軟件控制，使三相觸頭隨機在電流過零點分斷，這樣的話每一次分斷過程只有一相觸頭實現(xiàn)零電流分斷[6]。(2)改變觸頭的結構，使三相觸頭之間的開距不同，這樣分斷的時候三相觸頭就不同步，假設中間相的觸頭開距大于其余兩相，且其分開時刻剛好領先其他兩相一定的時間t，則在分斷的時候只要控制中間相，使其在電流過零點分斷，其他兩相在延時t時刻后也達到電流過零點，這樣就實現(xiàn)了接觸器三相觸頭零電流分斷[7]。(3)采用組合式接觸器，執(zhí)行分相控制。用一臺單極交流接觸器和一臺兩極交流接觸器組合，單極接觸器代替方案(2)中的首開觸頭，負責首開相的分斷，兩極交流接觸器負責其余兩相。通過微機控制系統(tǒng)實現(xiàn)接觸器三相電路的零電流分斷[8]。

這三種方案都需要通過微機控制系統(tǒng)控制，其實現(xiàn)存在問題：由于接觸器結構、工藝等機械因素，隨著觸頭的機械磨損及電磨損，接觸器的分斷動態(tài)過程具有較大的分散性，無法保證觸頭每一次的分斷時間都穩(wěn)定在某一數(shù)值，這就使得微機設定的控制參數(shù)可能會失效，影響接觸器的可靠性。

3.3 開環(huán)控制技術

接觸器的開環(huán)控制一般采用電磁系統(tǒng)的分時或者分段PWM控制技術。原理圖如圖4所示，單片機控制系統(tǒng)在檢測控制回路得電之后發(fā)出一定占空比的PWM驅動信號驅動開關管，使經(jīng)過整流濾波后得到的直流電壓變?yōu)楦哳l方波電壓施加在線圈兩端，通過控制每個時段的占空比就能調節(jié)線圈兩端的激勵，從而調節(jié)電磁機構的動態(tài)特性[9-10]。

圖4 PWM開環(huán)控制

文獻[11]提出一種PWM分時控制策略，將閉合過程以等時間間隔分為3段，每段10ms，在每一時段施加不同的占空比的驅動信號，使線圈獲得不同大小的激勵，從而調節(jié)接觸器的吸合曲線。對于占空比的選取，其在不同占空比組合下測試接觸器的動態(tài)特性，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)采用支持向量機回歸方法建立PWM控制模型并優(yōu)化控制參數(shù)，此模型可以根據(jù)占空比組合預測接觸器吸合時間和動鐵心合閘末速度。

3.4 閉環(huán)控制技術

前面提到接觸器吸力特性與反力特性的配合十分的重要，其決定接觸器性能的優(yōu)劣。接觸器的反力包括機械彈簧提供的分斷反力，觸頭系統(tǒng)安裝的超程彈簧提供的反力，輔助觸頭系統(tǒng)恢復彈簧的反力，還有各運動部件產(chǎn)生的摩擦力等一系列阻礙鐵芯閉合的力的合力。這么多機械力的合力表現(xiàn)出的機械分散性使得接觸器的吸力和反力之間的配合具有不穩(wěn)定性，這時候如果采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)實時有效的反饋信號來調節(jié)電磁吸力的大小，這樣就能使接觸器既能可靠閉合，也不會造成吸力過大加劇觸頭彈跳和機械磨損。

閉環(huán)控制需要有效的反饋信號，反饋信號主要包括幾種：線圈電壓、電流、鐵芯運動速度、鐵芯位移量等幾種。在文獻[12]中，作者設計了一個以單片機為核心的控制系統(tǒng)，在采集到線圈電壓后控制調壓器，使其輸出穩(wěn)定在一定數(shù)值，這樣盡管電網(wǎng)電壓存在波動(國標規(guī)定的85%～110%額定電壓范圍內波動)，接觸器的動態(tài)特性也會保持穩(wěn)定，試驗證明控制效果良好。文獻[13]以線圈電流作為反饋信號是因為直流電源控制的接觸器在銜鐵閉合時，由于氣隙δ突然變小，電磁吸力急劇增大，造成觸頭彈跳嚴重，在重負載的工作狀態(tài)下可能還會引起觸頭燒蝕、熔焊。電流反饋控制系統(tǒng)根據(jù)接觸器在實際運行中吸力特性與反力特性配合要求，在接通時使吸力遠大于反力，讓鐵芯獲得一個比較大的加速度；隨著氣隙的減小，逐漸減小線圈電流，使在吸力與反力的共同作用下，鐵芯末速度處于一個較小的水平下，從而達到減少觸頭彈跳的目的。文獻[14]提出了一種激磁控制策略，通過耦合電壓平衡方程和機械運動方程，建立了弱磁控制策略下合閘過程的動態(tài)數(shù)學模型結合磁路和電路模型，經(jīng)過推理，得到線圈動態(tài)電感與線圈兩端電壓和流過線圈的電流之間的關系,然后通過采樣合閘過程中線圈電壓u和電流i的信號,再用等效磁鏈模型計算出線圈的動態(tài)電感變化曲線,這樣就能由動態(tài)電感的變化預測接觸器鐵芯的位移和速度,并根據(jù)這個數(shù)據(jù)對不同階段施加以不同占空比的控制信號，達到分段激磁的目的，從而使吸力特性與反力特性配合更加合理。

文獻[15]將斬波控制引入到交流接觸器智能控制系統(tǒng)中，通過改變電力電子開關接通和分斷的時間比例，來改變加到負載上的平均電壓或者電流。在接觸器起動階段，采用線圈電流作為閉環(huán)反饋信號，實現(xiàn)閉環(huán)直流控制；在保持階段，控制系統(tǒng)根據(jù)線圈電阻自動進行保持電壓閉環(huán)與保持電流閉環(huán)的快速切換，實現(xiàn)節(jié)能和減少線圈發(fā)熱等功能。

3.5 智能交流接觸器綜合控制技術

智能交流接觸器的發(fā)展方向,是將電力電子技術、通信技術、微處理器等融入到接觸器的控制中，在接觸器加裝不同的控制模塊，可以提高接觸器不同方面的性能指標。

文獻[16]通過加裝新型抗電壓跌落模塊使接觸器在電壓跌落時不會引起觸頭晃動等問題，與傳統(tǒng)的采用延時繼電器、儲能延時元件、雙電源供電等方案不同，其將線圈的后備供電電源由鎳氫電池改為新型儲能元件超級電容。超級電容體積小，能夠實現(xiàn)反復充電，且不必擔心過充情況的發(fā)生，在進行后備供電時較傳統(tǒng)鎳氫電池有較大優(yōu)勢。除了具有抗電壓跌落的功能,這篇論文中還加裝了通信模塊和電壓采集模塊配合,可以實現(xiàn)上位機實時監(jiān)控接觸器的運行狀態(tài)。

4 結論

早期學者提出的節(jié)能控制方案雖可以節(jié)省一定的運行能耗，但控制可靠性降低，對合閘及分斷性能均存在不良影響，在實際運用中逐漸被淘汰。隨著微處理器及相關電力電子技術的廣泛應用，接觸器的智能化控制也會越來越完善?，F(xiàn)有的智能控制方案理論上都能改善接觸器的某些方面的性能指標，但實際應用還需考慮到接觸器在使用過程中動態(tài)參數(shù)的分散性的特點，采用閉環(huán)控制和相關的參數(shù)自校正技術可以改善這個問題。

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