電磁式接觸器智能控制模塊設計及試驗

張雄清 林 毅 戴 濤

（舟山電力局，浙江 舟山 316000）

1 引言

接觸器是一種用于遠距離頻繁地接通和斷開交直流主電路及大容量控制電路的電器，應用非常廣泛。據統計，電力系統的能量有一半以上是通過接觸器分配到各種電器——電動機、電熱設備、電焊機、電容器組等。電磁接觸器是我們常見的一種。隨著科技的發展和用電水平的大幅度提高，不僅對其數量有日益增長的要求，對產品的性能、質量的要求也越來越高。由于電磁機構是電磁接觸器的核心部件，靜態特性與動態特性是電磁機構主要的電氣特性，它們決定了接觸器的性能和質量。接觸器的動態特性與接觸器的電壽命密切相關，其吸合過程是一個動態過程，包含著力、位移、速度、碰撞和彈跳過程，變化規律復雜。傳統的接觸器的工作電壓比較窄，不能實現交直流通用，而且吸合過程都是隨機的。交流電磁式接觸器還存在分磁環，長期工作后，分磁環會斷裂，交流電壓過零點時，電磁力為零，在反力彈簧的作用下，接觸器會產生振動，可能會拉弧，會產生噪音。近年來， 隨著微處理技術、通信技術、傳感器技術和電力電子技術廣泛應用于智能接觸器中，可以對接觸器吸合、吸持、分斷全過程進行動態控制，使得智能接觸器正朝著節小型化、智能化、網絡化和節能等方向發展。

2 電磁式接觸器智能控制電路原理

電磁式接觸器智能控制電路原理如圖1所示。由圖1可知，不管電源是直流還是交流，經過整流最終都是直流，線圈的激磁電壓最終都是直流電壓，因此外部電源可以是交流也可以是直流，即實現了接觸器交直流通用。整流得到的直流一路給接觸器的線圈供電，另一路經高頻變壓器給單片機和線圈供電。高頻變壓器可以把整流后的直流，轉換成7～12V的電壓，在通過穩壓回路把電壓穩定在5V，給線圈和單片機供電。強激磁回路是由整流后電源、主控元件、線圈組成。保持回路是由保持電源、保持元件、線圈組成。電源上電以后，接觸器不會馬上動作，單片機正處于等待狀態。當單片機接到合閘信號時，才開始A/D采樣，判斷電源電壓是正常。如果電壓不正常，單片機通過控制回路1，讓主控制元件不導通。如果電壓正常，單片機通過控制回路1，讓主控元件導通一定時間，等觸頭閉合時，主控元件分斷。通過控制回路2讓保持元件導通，接觸器工作在低電壓吸持狀態下，實現節能無聲運行。當單片機檢測到電壓異常時，分斷保持元件，就可以使接觸器分斷。如果正常情況下要分斷接觸器，只要給單片機相應的信號，就可以斷開保持回路。

圖1 控制原理圖

3 軟件控制主程序

軟件是控制模塊的靈魂，是智能控制模塊的核心。通過軟件與硬件的配合，可以實現吸合過程和保持過程的控制，下位機可以和上位機進行雙向通信，主程序框圖如圖2。當外加電源給控制板加壓時，接觸器不會馬上吸合，只有當就地合閘按鈕按下或遠程遙控合閘時，接觸器才會吸合，通過控制強激磁的時間，來控制接觸器的彈跳，分閘原理也是類似。

圖2

4 電磁式接觸器試驗

電磁式接觸器的線圈是按照最小動作電壓下設計的，在控制板的配合下，通過控制強激磁時間，線圈具有很強的過載能力，可以工作在很寬的工作電壓下。通過對吸合過程進行動態控制，使觸頭彈跳達到最小，從而達到減少觸頭磨損、提高電器壽命的目的。接觸器彈跳除了與強激磁電壓大小有關外，還與強激磁時間有關，因此對不同的電壓就有不同的最佳吸合方案。

電磁式接觸器吸合過程采用直流起動，起動過程又可分為兩個階段，一是觸動階段，二是吸合運動階段。其電流和時間的關系如圖3。對強激磁電壓的控制有兩種方法，一種是在Td之前關閉強激磁電壓，觸頭靠慣性閉合；另一種是在Td之后關閉強激磁電壓，這樣會造成觸頭彈跳比較厲害。為了提高接觸器的壽命，在保證接觸器可靠動作的前提下，強激磁電壓通電時間應小于Td。下面介紹接觸器在不同強激磁電壓和不同強激磁時間，對合閘的影響。

圖3 吸合過程電流與時間關系

本次試驗用的接觸器型號為CJ20-40，已經割了分磁環，其匝數為2100，線徑為0.30mm，電阻為100.5Ω。

4.1 不同強激磁電壓對吸合的影響

試驗以CJ20-40為試品，在不同電壓下，測量線圈電流與觸頭信號。強激磁時間都為25ms,分別測出DC220V和DC110V情況下的波形圖，其中圖4是在DC220V下測量，圖5是在DC110V下測量。由圖4可知在DC220V情況下，接觸器的動作時間為4.2ms,25ms的強激磁時間太長，觸頭在閉合時速度很大，觸頭彈跳的比較厲害。由圖5可知在DC110V情況下，接觸器的動作時間為22ms，觸頭的彈跳減少了。比較圖4和圖5不難發現，在相同的激磁時間下，不同的激磁電壓具有不同的彈跳。

4.2 不同強激磁時間對吸合控制的影響

圖4 強激磁電壓為DC220V

圖5 強激磁電壓為DC110V

在不改變電源電壓的情況下，調節強激磁時間，得出的波形，如圖6、圖7、圖8。由圖6可知，接觸器的動作時間小于強激磁時間，觸頭彈跳比較厲 害。由圖7可知接觸器的動作時間大于強激磁時間，觸頭靠慣性閉合，彈跳少，動作時間短。由圖8可知接觸器不能可靠吸合。比較圖6、圖7、圖8可知，在相同的電壓下不同的強激磁時間，觸頭彈跳也是不一樣的，因此在交流220V的強激磁時間可以設定為5ms。

圖6 強激磁時間25ms

圖7 強激磁時間5ms

圖8 強激磁時間4ms

4.3 電磁式接觸器吸持過程的控制

吸持過程的控制是軟件控制的重要內容，是實現節能無聲運行的關鍵。在吸合過程中，接觸器在打開位置氣隙大，需要的磁勢比較大，激磁電壓大，而閉合位置氣隙小，需要的磁勢小，激磁電壓只需5～10V就可以保持。因此閉合后，只須要高頻變壓器給線圈一個保持電壓就行了。接觸器線圈加的始終是直流電，可以不考慮電感的影響。接觸器一般是用在DC110V、AC220V或AC380V，以DC110V接觸器為例計算線圈功率。已知線圈電阻為100.5Ω，如果保持電壓為DC110V，根據式（1）可知

線圈的功率為120W，如果線圈保持電壓為10V的話，根據式（1）可知，線圈的功率為1W。比較兩者的功率，不難發現后者更節能、環保。

5 結論

CJ20-40接觸器在智能控制板的配合下，實現了交直流通用、工作電壓寬、減少了觸頭的彈跳，提高合閘可靠性，達到節能環保的目的。通過下位機與主控計算機的通信功能，實現遠程監控和操作，保證操作人員的安全，為電器網絡化打下了良好的基礎。

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