一種具有過載保護功能接觸器的研究設計

(陜西群力電工有限責任公司,陜西寶雞,721300)

1 引言

該型接觸器的核心技術是采用單片機技術控制內置接觸器線圈斷電或通電，當輸出端負載電流大于規定值時，單片機輸出高電平，線圈斷電，反之單片機輸出低電平，線圈通電，可實現過流保護、復位功能，從而保護用戶負載電路和接觸器自身。該產品具有一組動合觸點，額定負載為100A，27Vd.c.(阻性)，主要用于航空、兵器等領域控制設備中切換電路之用。

2 技術要求

主要技術指標如下:

溫度范圍：-55℃～85℃

正弦振動：10Hz～1000Hz，98m/s2

沖 擊：98m/s2(脈沖持續時間：11ms)

穩態加速度：98m/s2

觸點組數：1H

介質耐電壓：1000Vr.m.s.

絕緣電阻：≥1000MΩ

接觸電壓降：≤125mV

觸點額定負載：100A，27Vd.c.(阻性)

電 壽 命：1×104次

過流保護值：150A(可調)

重 量：≤700g

外形尺寸：91mm×91mm×67mm

經過分析以上主要技術指標,確定研制該產品主要技術難點：①控制電路部分保護功能設計難度大；②產品內部結構緊湊，抗電磁干擾能力差，易出現反應不靈敏。

解決措施：① 過流保護的電流采樣使用霍爾電流傳感器，并對傳感器降額使用，通過軟件仿真，以保證所有功能可靠實現。② 對控制電路板和接觸器部分結構進行優化設計，將控制電路板置于接觸器線圈轉換部分一側，同時在單片機控制程序中設置濾波程序，提高產品的抗干擾能力。

3 研究與設計

3.1 總體結構設計及功能說明

3.1.1 基本結構確定

該型接觸器分為：接觸器部分和控制電路部分。接觸器部分和控制電路部分通過霍爾電流傳感器連接，霍爾電流傳感器采樣接觸器部分負載電流，并將電流值轉化為電壓值傳輸給控制電路部分，控制電路部分將該電壓值與基準電壓值進行比較來判斷是否進行過流跳閘保護。接觸器部分和控制電路經裝配后用罩殼封裝。產品外形見圖1；接線圖見圖2；內部結構見圖3。

圖1 外形圖

圖2 接線圖

圖3 內部結構圖

3.1.2 功能說明

a) 當線圈加電，負載端不加電時， LED1、LED2、RES均為高電平；

b) 當線圈加電，負載端有電流且電流小于等于120A時，接觸器正常工作，LED1高電平，LED2低電平，RES高電平；

c) 當線圈加電，負載端電流大于120A，小于等于150A，接觸器進入反時限過流保護，延時0.5s～15s后斷電保護，LED1低電平，LED2高電平，RES高電平，直到有復位命令(即RES為低電平脈沖信號)才可恢復接通狀態；

d) 當線圈加電，負載端電流大于150A，在30ms內執行斷電保護，LED1低電平，LED2高電平，RES高電平，直到有復位命令(即RES為低電平脈沖信號)才可恢復接通狀態。

e) 復位功能：當給RES一個低電平脈沖信號，可啟動復位功能。

3.2 接觸器部分設計方案

接觸器部分采用某型直流接觸器，該型接觸器結構成熟可靠，能夠滿足振動、壽命等指標要求，通過螺釘、螺母固定在底板上，負載引出端通過連接片和輸出端連接，線圈由控制電路供電。如圖4所示。

圖4 接觸器部分示意圖

3.3 控制電路部分設計方案

控制電路部分由輸入部分、單片機部分、復位電路、電流采樣部分、驅動部分、連接器部分組成，其原理框圖如圖5所示。

圖5 電原理框圖

輸入部分：用來給接觸器部分線圈提供電壓，同時通過三端穩壓器將輸入電壓降到5Vd.c.，給單片機和霍爾電流傳感器供電；

單片機部分：判斷采樣到的負載電流信號進行A/D轉換，并判斷該值是否達到過流保護值，并作出相應的保護動作；

復位電路：當接觸器進入保護狀態后，可通過復位電路給一個低電平脈沖信號使單片機復位；

電流采樣部分：通過霍爾電流傳感器將負載電流值轉化為電壓值，并傳輸給單片機部分；

驅動部分：用來驅動光耦給接觸器部分線圈供電或斷電，從而控制接觸器部分觸點接通或關斷；

連接器部分：用于用戶檢測接觸器工作狀態和實現復位功能用。

3.3.1 控制電路板設計

根據以上思路，設計制作并優化了控制電路板，如圖6所示。

圖6 控制電路板接線圖

3.3.2 軟件設計

該產品軟件采用C語言編寫，在MPLAB開發環境中完成程序的編譯調試，該產品主流程圖見圖7。

圖7 主流程圖 圖8 反時限流程圖

主程序中A/D轉換采樣電流值通過單片機自帶的10位分辨率的A/D轉換模塊將模擬信號轉化為數字信號，其分辨率為：VCC/210=5V/1024=4.8828mV(VCC為單片機的供電電壓為5V)。本產品電流采樣選用靈敏度較高霍爾電流傳感器，其靈敏度為10mV/A，則輸出電壓為：U=V/2*1000+I*10，因此，經A/D轉換的離散電壓值M為：

M=U/4.8828=(V/2*1000+I*10)/1024

為了減少單片機的空間占用率，程序中均采用離散電壓值進行反時限計算，其反時限過載保護流程圖見上圖8。

3.4 控制電路部分仿真分析

采用PROTUES軟件對控制電路部分進行功能仿真，可以減小產品開發過程中的風險，其仿真電路見圖9，圖中顯示為額定電流下的仿真結果。

圖中，通過滑動變阻器RV1來調節負載電流，通過開關K1來模擬負載被短路，通過開關K2復位單片機。單片機上電，驅動Q1導通，接觸器RL1線圈加電，開關閉合，霍爾電流傳感器U3采樣負載電流，并將采樣值傳輸給單片機，通過功能仿真，說明程序可行。

圖9 功能仿真

4 測量與試驗

按本研究結果和設計及仿真進行了產品裝配和試驗,過流跳閘保護時間測試見下表：

參數 項目產品編號I負載≤120A,正常工作,不跳閘120A150A,跳閘時間≤35ms交收測試環境試驗后測試電壽命試驗后測試機械壽命試驗后測試交收測試環境試驗后測試電壽命試驗后測試機械壽命試驗后測試交收測試環境試驗后測試電壽命試驗后測試機械壽命試驗后測試1合格合格合格合格1.361.221.301.4011.110.912.815.32合格合格合格合格1.141.111.151.5611.711.013.116.03合格合格合格合格1.241.151.321.6012.111.813.816.24合格合格合格合格1.301.261.351.6813.413.014.617.45合格合格合格合格1.321.211.501.7012.312.113.816.5

從以上數據可以看出,產品過流跳閘保護時間滿足技術指標要求，按其詳細規范進行鑒定試驗結果合格，產品各項性能指標和參數符合規定。

5 結論

通過對具有過載保護功能的接觸器研究和分析，并通過軟件仿真，保證了過流保護功能的可靠實現；通過對控制電路板和接觸器部分結構進行優化設計，將控制電路板置于接觸器線圈轉換部分一側，同時在單片機控制程序中設置濾波程序，提高產品的抗干擾能力。另外該產品可衍生出具有其它保護功能的接觸器，用途廣泛，很有發展前景。