交流接觸器動態(tài)過程彈跳控制的研究

摘要: 在分析了接觸器動態(tài)過程的基礎(chǔ)上，提出電流積分的方法作為動態(tài)過程調(diào)節(jié)的判斷依據(jù)，并以此給出了彈跳控制方法和控制流程。通過試驗對比分析，驗證了控制方法在減少動態(tài)過程的彈跳方面的效果，并且降低了接觸器的吸持功耗。

　　0 引言

　　交流接觸器是一種廣泛用于電動機控制、電氣傳動以及自動化控制領(lǐng)域中的電器設(shè)備。接觸器吸合動作過程中由于觸頭之間以及鐵心之間的碰撞將會產(chǎn)生明顯的彈跳現(xiàn)象，如何減少這種現(xiàn)象是現(xiàn)今交流接觸器研究的一個重點。以往接觸器動態(tài)控制的研究中，對于觸頭和鐵心閉合狀態(tài)的檢測有多種方法，如通過檢測觸頭或銜鐵的速度、位移等方法，判斷觸頭和鐵心的閉合狀態(tài)?，F(xiàn)通過對吸合過程中線圈電流進行檢測，來實現(xiàn)交流接觸器動態(tài)過程控制，從而改善動態(tài)過程特性，達到減少動態(tài)過程彈跳、節(jié)能的目的。

　　1 交流接觸器動態(tài)吸合過程

　　交流接觸器電磁鐵主要由線圈和鐵心構(gòu)成，線圈通電后，通過電磁線圈產(chǎn)生電磁吸力，當(dāng)電磁吸力大于彈簧反力時，帶動銜鐵和動觸頭運動。

　　交流接觸器要可靠運行必須保證吸、反力特性的良好配合。

　　交流接觸器的吸合過程可以分為兩個階段:

　　(1) 觸動過程。是指從線圈通電到電流增加到觸動電流的過程，這一過程吸力小于或等于反力，動鐵心處于靜止?fàn)顟B(tài)。

　　(2) 運動過程。是指動鐵心開始運動到完成吸合的過程，在這一過程中，吸力大于反力。當(dāng)吸力大于彈簧的反力時，動鐵心開始運動直至動、靜鐵心完全閉合，期間都包含著電磁、發(fā)熱、機械等過程。

　　吸合過程中電路上遵循電壓平衡方程，在力學(xué)上遵循達朗貝爾運動方程，在磁場上遵循麥克斯韋方程。這些相互聯(lián)系的方程構(gòu)成了描述動態(tài)過程的微分方程組(1)。

　　式中

　　u———線圈勵磁電壓

　　R———線圈電阻

　　i、Ψ———分別為線圈電流及電磁機構(gòu)的磁鏈

　　m1、m2———電磁機構(gòu)運動部件( 下標(biāo)1、2 分別表示動、靜鐵心) 歸算到鐵心極面中心質(zhì)量

　　x1、x2———電磁機構(gòu)運動部件( 下標(biāo)1、2 分別表示動、靜鐵心) 歸算到鐵心極面中心位移

　　t———時間

　　Fx、Ff1、Ff2———相應(yīng)為折算到鐵芯極面中心處動態(tài)吸力和運動反力( 下標(biāo)1、2 分別表示動、靜鐵心)，彈簧反力是位移的函數(shù)，而空氣阻力則是dx1 /dt、dx2 /dt 的函數(shù)

　　Wμ———電磁系統(tǒng)的磁能

　　整個吸合過程是電能、磁能、機械能等能量的轉(zhuǎn)換過程。動態(tài)過程的彈跳由動鐵心的動能決定，任一階段的動能由吸、反力做功的差值決定，在反力做功已知的前提下，主要由吸力做功決定。

　　在運動部分質(zhì)量一定的情況下，減小運動部分速度就可減少彈跳，即控制線圈上的電流就可減少運動過程中的彈跳。

　　2 交流接觸器電磁機構(gòu)電路模型與吸合時刻檢測

　　交流接觸器的電磁機構(gòu)簡化電路模型如圖1所示。圖中:U(t)為線圈激磁，r 為線圈電阻，e 為線圈的感應(yīng)電動勢，λ 為磁鏈線圈的電感與導(dǎo)線的線徑，與匝數(shù)及鐵心的導(dǎo)磁率等因素有關(guān);在線圈參數(shù)一定的情況下，線圈電感在運動過程中是位移的函數(shù)，與氣隙的大小有關(guān);在觸動階段，動鐵心的位移不變，線圈電感可以近似認為是常量。

圖1 電路模型

　　根據(jù)基爾霍夫電壓定律:

　　式中：

　　當(dāng)動鐵心運動前，電感的變化量為零，故第三項為零。因此，動鐵心運動前的電壓方程為：

　　忽略其他因素，動鐵心運動前的吸合過程可近似等式(5)來表示，從而有：

　　其中，時間常數(shù)τ = L /r，動鐵心運動前可認為是一常量。另外，線圈電流的變化還受到控制電壓合閘角度的影響，可設(shè)定輸入電壓和合閘角度，仿真求得線圈電流的軌跡。

　　交流接觸器吸合過程中由于電流的波動，依靠單點采樣吸合電流值檢測吸合時刻( 運動過程的開始時刻) 并不準(zhǔn)確，這里采用一種電流積分方法判別接觸器的吸合時刻。當(dāng)吸力大于反力時，動鐵心開始運動。對于同一電磁機構(gòu)，動鐵心運動需要克服的反力可認為是一定的( 主要是彈簧的反力)，對于不同電壓等級，所需要的吸合電流不同，吸合時刻也不同，但在同一電壓等級下，通過試驗分析，同一接觸器在吸合階段的吸合電流有效值是近似相同的，因此，可以采用在一定時間內(nèi)的電流積分方法來動態(tài)檢測吸合時刻。下面是利用單片機控制實現(xiàn)電流采樣的計算過程。

　　電流有效值計算公式:

　　極限形式:

　　當(dāng)取樣間隔Δt 很短時:

　　用單片機對線圈電流值采樣時，采取等間隔采樣，為避免開方運算，提高運算速度，將等式兩邊平方運算。從而有：

　　可通過提高采樣頻率，減小采樣間隔，來修正計算帶來的誤差。

　　3 交流接觸器動態(tài)過程控制

　　電磁鐵的激磁方式分為交流激磁和直流激磁。交流激磁存在激磁能量可控性差、能量損失嚴重、噪聲大等問題，為改善動態(tài)過程，直流激磁方式逐漸被采用。

　　3. 1 控制原理框圖

　　整個控制系統(tǒng)如圖2 所示，由電源模塊、驅(qū)動模塊、控制回路模塊、微控制器等組成。電源部分為驅(qū)動模塊和控制器供電;微控制器為驅(qū)動模塊提供控制信號;控制回路控制電磁線圈的供電，并測量線圈電流作為反饋信號，為動態(tài)控制提供依據(jù)。

圖2 系統(tǒng)框圖。

　　3. 2 控制流程圖

　　吸合時刻的檢測利用線圈電流積分的方法來實現(xiàn)。將動態(tài)過程進行分段調(diào)整，以電流積分法檢測吸合時刻作為調(diào)整的標(biāo)志，整體控制框圖如圖3 所示。

圖3 控制流程圖。

　　首先對吸合控制電壓進行檢測，當(dāng)達到安全工作電壓后，開始檢測控制電壓過零點，以確定采樣的起點，確定采樣間隔，之后進行線圈電流的采樣，進行吸合時刻的判斷，檢測到吸合時刻后，進行保持階段的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)低電流保持，降低功耗。

　　4 試驗對比分析

　　試驗采用以上控制方法，以傳統(tǒng)交流接觸器線圈作為試驗對象，在不同電壓等級下對整流后控制電壓有無反饋的控制方法做了對比試驗。采用帶電流反饋的直流激磁控制前后波形的對比如圖4、圖5 所示。彈跳現(xiàn)象如圖6 所示?？刂魄昂蟮脑囼瀸Ρ葦?shù)據(jù)如表1 所示。

圖4 控制前波形。

圖5 控制后波形。

圖6 彈跳現(xiàn)象。

表1 試驗數(shù)據(jù)對比。

　　對控制前后不同控制電壓下吸合過程中的彈跳時間和彈跳次數(shù)進行了對比，如圖7 所示。在不同控制電壓下，智能控制在觸頭彈跳時間和觸頭彈跳次數(shù)上效果，如圖8 所示。上述的數(shù)據(jù)和圖表表明，采用動態(tài)反饋控制后，吸合過程觸頭彈跳時間和彈跳次數(shù)減少。由于觸頭的彈跳會產(chǎn)生電弧，而且彈跳持續(xù)時間越長，燃弧時間就越長，電弧產(chǎn)生的能量對觸頭侵蝕，碰撞對觸頭和電磁鐵磨損越嚴重，從而減少了電器的壽命。對在控制電源電壓Us的85% ～ 110% 范圍內(nèi)電壓(190、200、210、220、230 V) 下進行實驗的數(shù)據(jù)進行求均后，計算得出采用動態(tài)控制后觸頭的彈跳時間能夠減少20. 40%，觸頭的彈跳次數(shù)能夠減少31. 82%。

圖7 控制前后彈跳時間和彈跳次數(shù)的對比圖。

圖8 控制前后彈跳時間和次數(shù)減少效果。

　　5 結(jié)語

　　通過以線圈電流積分的方法作為吸合時刻檢測的依據(jù)，調(diào)節(jié)線圈供電，來減少運動過程的彈跳，試驗結(jié)果表明該方法可明顯減少彈跳的時間和次數(shù)。通過電流反饋控制保持時線圈的電流，使線圈功耗降低。