一種基于負載識別的交流接觸器合閘涌流抑制策略

許儆一，許志紅,2,3

(1.福州大學電氣工程與自動化學院,福建 福州 350108;2.福建省新能源發電與電能變換重點實驗室，福建 福州 350108；3.智能配電網裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350108)

0 引言

隨著太陽能、風電等新能源領域的興起，市場對開關電器的要求也越來越高，其中以單片機為控制核心的智能交流接觸器可以對吸合、吸持、分斷進行全過程動態優化控制，相比傳統接觸器能更好地適應市場，應用前景廣闊[1-2].在智能電網和物聯網發展的背景下，開關電器的控制對象不再單一化，當負載為感性或容性時，接觸器的合閘可能會伴隨超出正常電流數倍的涌流，過大的涌流可能帶來線路的不穩定、損壞一次設備、保護裝置誤動作等危害，傳統的投切控制方案難以滿足越來越高的用電質量要求[3-4]，為了解決這一問題，選擇合適的開關合閘控制策略迫在眉睫.

近年來，針對不同負載下的開關吸合過程，國內外學者進行了廣泛的研究.文獻[5]測試了阻性和感性負載下的接觸器動作特性參數，采用相控的方式優化接觸器的接通過程，但沒有考慮容性負載的情況，且調節方式基于歷史動作數據，需要定期進行數據修正調節.文獻[6-7]對純容性負載的投切進行了研究，采用電壓過零投切的方式抑制涌流，但缺乏理論分析且沒有考慮容性負載和其他負載混合的情況.文獻[8]通過串聯合閘電阻來抑制涌流，提出合閘電阻越大接入時間越長，其抑制涌流的效果就越好，該方法的本質就是通過接入電阻，來減小負載的功率因數角，但在實際使用中存在接入電阻耗能大發熱嚴重等問題.文獻[9-11]針對不同合閘相位角，記錄其動作特性參數，以鐵芯吸合速度和合閘時間作為指標，尋找最佳的合閘相位角，但該相角沒有考慮觸頭負載回路的電路特性，在該相角下合閘仍然存在涌流.文獻[12]基于電器開關的機械分散性與關合預擊穿特性求解出最佳合閘相角，但該相角需要根據不同開關的絕緣特性進行調整，計算過程復雜.

當負載為感性和容性時，其抑制涌流的最佳合閘相角均不相同，不同負載需要不同的應對措施[13].以抑制觸頭回路的合閘涌流為目的，需要對不同負載下的合閘過程進行理論分析作為支撐，找到影響涌流的關鍵因素.本研究通過理論分析和實驗仿真，找到不同負載下的最佳合閘相角，且實驗仿真的結果和理論分析一致，在控制阻感和阻容性負載時，均能有效識別負載性質并找到對應的最佳合閘相角，抑制涌流的效果明顯，為接觸器控制非單一性元件奠定了基礎.

1 涌流影響因素

圖1 觸頭回路等效電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of contact loop

在接觸器合閘過程中，將觸頭簡化為理想開關，根據負載的不同，分別討論不同功率因數角下的阻容性負載或阻感性負載的情況，其等效電路圖如圖1所示，從電路的角度分析研究產生涌流的機理，找到對應的抑制涌流的方法.

1.1 阻容性負載

當接觸器控制的對象為阻容性負載時，將觸頭等效為理想開關，阻容性負載等效為電阻R和電容C，觸頭回路簡化為了交流電源下的開關控制阻容性負載的理想電路，其對應的電路微分方程如下：

(1)

式中：uc為電容電壓；Um為電源電壓幅值；α為開關合閘初始相位角.對微分方程進行化簡,得

(2)

其中電路的負載功率因數角為：

(3)

分析式(2)可知，電路閉合后，由于暫態分量的存在，電路可能會產生明顯的涌流，該暫態分量為：

(4)

在最初合閘的時候暫態分量的影響最明顯，隨著時間的推移，暫態分量會逐漸趨近于零.通過控制合閘初始相位角α，可以使暫態分量(4)為零，從而達到消除涌流的目的.

所以當負載為阻容性時，對應的消除涌流的條件為：

α+φ=90°

(5)

1.2 阻感性負載

當觸頭回路的負載為阻感性時，電路等效模型和阻容性類似，R和L為阻感性負載，對應的電路微分方程如下：

(6)

式中:iL為電感電流.對微分方程進行換算化簡可得電路電流為：

(7)

其中電路的負載功率因數角為：

(8)

阻感性負載的暫態分量為：

(9)

分析式(7)可知，當電路接通后，由于暫態分量的存在，電路可能會產生大小不等的涌流.若要抑制涌流，則必須想辦法減小甚至消除暫態分量，但和阻容性負載的調節有所不同，要讓阻感性負載的暫態分量(9)為零，其對應的條件為：

α=φ

(10)

2 仿真實驗和數據分析

2.1 不同相角合閘仿真

針對接觸器開關閉合階段的涌流問題，在實際控制中，需要通過檢測開關的電壓波形來確定合閘初始相位角α，同時也需要檢測合閘階段的電流波形來確定是否達到減小甚至消除涌流的控制效果.根據上述控制標準，需建立一個對開關電壓和電流波形進行實時采樣的電路仿真模型.

圖2 觸頭回路負載仿真電路Fig.2 Contact loop load simulation circuit

本文采用電路仿真軟件Multisim對觸頭回路進行仿真，在Multisim中搭建阻容性負載和阻感性負載電路的仿真模型.觸頭由理想壓控開關代替，用階躍電壓控制壓控開關，起到延時控制定相合閘的效果.由示波器采集壓控開關兩端的電壓電流，分析不同負載不同合閘相角下的涌流情況.如圖2所示，在仿真中按接觸器工作的市電環境設置電壓、頻率等參數，電阻R=10 Ω，電容C=85.3 μF，電感L=0，此時的負載為阻容性，且功率因數角φc=75°.

調節階躍電壓的開始時間，得到不同初始合閘相角下的電壓電流波形，如圖3所示.圖3(a)、(b)、(c)中，合閘時刻均有大小不等的涌流，調節合閘相角使α=15°，此時滿足涌流消除條件式(5)，波形如圖3(d)所示，合閘之后沒有出現涌流.

圖3 阻容性負載的合閘仿真波形Fig.3 Closing simulation waveform of resistive and capacitive load

在圖2的仿真電路中設置R=3.31 Ω，電感L=0.12 H，電容C=0，此時的負載為阻感性，且功率因數角為φL=85°,在45°合閘時有涌流，且電流在5個周波后才接近正常電流，根據公式(10)選取合閘相角為85°，涌流得到了消除，其波形圖如圖4所示.仿真證明涌流消除條件有效，和理論推導相符.

圖4 阻感性負載的合閘仿真波形Fig.4 Closing simulation waveform of inductive load resistance

2.2 負載識別

根據負載功率因數角的不同，要消除涌流需選擇不同的合閘相位角，但在實際實驗中，大多數情況下都不知道負載的功率因數角，甚至也不知道負載的性質類別.為了在負載未知的情況下，也能挑選出對應的合閘相位角來消除涌流，有必要設計出一套合理可行的調節流程，對負載進行智能識別找到各自的最佳合閘相角.

利用Multisim中的電路仿真模型，對不同功率因數角的負載進行合閘實驗仿真，記錄閉合后觸頭電流的首個半波時間，如圖5所示，ta為開始出現電流的合閘時刻，tb為閉合后電流的首個過零點時刻，半波時間tbb=tb-ta.

在初始合閘相位角α0=45°時，記錄不同功率因數角下的感性負載和容性負載的首個電流半波時間，將數據整理成折線圖，如圖6所示.

從圖6可看出，此時阻感性負載的半波時間均大于阻容性負載的時間，且不同功率因數角下的半波時間不同，由此可判斷負載的性質和對應的功率因數角.其對應的理論分析如下，當α0=45°時，阻性負載的電流和電壓沒有相位差，可計算出其首個半波時間，如下式：

(11)

圖5 合閘后電流的首個半波時間Fig.5 First half-wave time of thecurrent after switching

圖6 不同負載下的電流首個半波時間Fig.6 First half wave time of current under different loads

由式(11)可得，在該合閘相位角下合閘時，純阻性負載的電流首個半波時間為7.5 ms.感性負載電流滯后電壓，其電流的首個半波時間均大于7.5 ms，而容性負載剛好相反，由于電流超前電壓，其電流的首個半波時間均小于7.5 ms.根據這個特點，可以識別出負載的性質.

在知道負載的性質后，根據電流首個半波時間，還可以識別出負載的功率因數角φ，進而調節到最佳合閘相角.以感性負載為例，由圖6可知，當初始合閘相位角固定的時候，隨著負載功率因數角的增加，電流的首個半波時間也會增加，即使改變負載大小，但只要功率因數角相同，則電流的首個半波時間也相同.容性負載則相反，當初始合閘相位角固定時，隨著功率因數角增大，電流的首個半波時間會減小.

當根據電流首個半波時間識別出負載的性質和功率因數角后，參考式(5)和(10)調節合閘相角，繼續檢測合閘后的觸頭電流首個半波時間，以此來判斷該相角是否為最佳合閘相角.具體的判斷依據如下，首先是阻容性負載，當調節到最佳合閘相角時，功率因數角和合閘相角應滿足式(5)，將其代入到式(2)可得：

(12)

由式(12)可知，阻容性負載的觸頭電流首個半波為余弦波，電流半波時間為5 ms.同理，阻感性負載調節到最佳合閘相角時，功率因數角和合閘相角應滿足式(10)，將其代入到式(7)可得：

(13)

由式(13)可知，阻感性負載的觸頭電流首個半波時間為正弦波，電流半波時間為10 ms.

從上述分析可得，當調節到消除涌流的最佳合閘相角時，阻容性負載和阻感性負載的電流半波時間應分別為5和10 ms，可由此分別判斷阻容性負載和阻感性負載的合閘相角是否為最佳相角.故在實際操作中，只需通過檢測觸頭電流零點，用閉合后的首個電流零點時刻和閉合時刻作差即可得到電流首個半波時間，從而判斷涌流抑制情況，和直接檢測電流峰值來判斷涌流抑制情況的方法相比更易實現.

3 實驗結果與分析

圖7 控制時序圖Fig.7 Control sequence diagram

3.1 控制流程

要完成接觸器的定相合閘控制，需要對觸頭回路的電壓進行檢零，本文選用了HVS-AS3.3系列的霍爾電壓傳感器，采用實驗室自主研發的單極交流接觸器作為實驗對象.當接觸器上電后，首先是傳感器檢測觸頭回路的電壓零點，以檢測到的第一個電壓零點為起點，設置延時，使接觸器的合閘相角可控，其控制時序圖如圖7所示.

圖8 相角調節流程圖Fig.8 Flow chart of phase angle adjustment

當線圈控制回路的電源正常時記為t0發出上電準備信號，然后開始檢測觸頭回路的電壓零點，當t1時刻檢測到觸頭電壓零點后，進入動作延時程序，延時時間td=t2-t1，t3為接觸器固有動作時間，t4為合閘時刻前的電壓零點，t5為合閘時刻.合閘相角α與時間的關系應滿足下式：

α=2πf(t5-t4)

(14)

將相角調節步驟整理為流程圖，如圖8所示.初始合閘相角α0選擇45°，可以避免隨機合閘相角時可能出現的涌流最壞的情況.第一次合閘后通過電流半波時間tbb識別負載，小于7.5 ms即為容性負載，否則視為非容性負載.查圖6的折線圖，找到與此次合閘的半波時間最接近的點，以此確定負載的功率因數角，再根據式(5)和(10)得到對應的最佳合閘相角.記錄后續合閘的半波時間，考慮到實驗使用的單極接觸器的機構動作分散性等因素，當半波時間與對應的無涌流標準時間差值在0.2 ms以內時，電流幅值的波動不會超過5%，認為涌流已得到充分抑制，調節結束.

3.2 實驗驗證

確定了相角調節流程后，使用實驗室自主研發的智能單極交流接觸器進行合閘實驗，觸頭回路接入的負載性質和功率因數角均為未知，實驗平臺現場如圖9所示.根據節3.1的流程，第一次的合閘相角選取為45°，對應的實驗波形圖如圖10所示.由圖10可得，電流的首個半波時間tbb為13.5 ms，大于純阻性負載在45°時合閘的首個半波時間7.5 ms，負載為阻感性.

圖9 帶載實驗平臺Fig.9 Load experiment platform

圖10 首次合閘實驗波形Fig.10 First closing experiment waveform

查圖6可知，該阻感性負載的功率因數角最接近80°，由式(10)可知，控制合閘相角等于該功率因數角時可以消除涌流，故第二次的合閘相角選取為80°，其對應的波形圖如圖11(a)所示.圖11(a)的電流首個半波時間為10.3 ms，與阻感性負載的無涌流標準時間相差0.3 ms，此時應增大合閘相角，對合閘相角進行微調，增加為82°后第三次合閘，實驗波形如圖11(b)所示，吸合后的第一個電流半波與后續穩定的電流基本一致，此時電流的首個半波時間為9.9 ms，與阻感性負載的無涌流標準時間相差小于0.2 ms，根據調節流程認為此時涌流已基本消除，相角已調節到最佳合閘相角，調節結束.

通過實驗驗證，在首次合閘時因為電感飽和最大涌流為正常電流的3.6倍，第二次合閘時涌流超出正常電流的幅度已控制在12%以內，進行微調后的第三次合閘時，電流穩定，波動程度控制在1%以內，有效地抑制了涌流.與直接檢測電流峰值判斷涌流抑制效果的方法相比，通過檢測合閘后電流半波時間的方法更具有可操作性.在保證負載有合適的放電電路的情況下，上述基于觸頭電流首個半波時間的調節流程對阻感容性負載的涌流抑制效果明顯，通過該策略可有效識別負載性質并確定負載功率因數角范圍，達到抑制涌流的目的.

圖11 合閘調整實驗波形Fig.11 Waveform diagram of the closing adjustment experiment

4 結語

1) 根據負載性質和功率因數角的不同，應分別選取合適的合閘相角來抑制涌流，阻容性負載應滿足式(5)，阻感性負載應滿足式(10)，此時涌流抑制效果明顯.

2) 以接觸器閉合后出現電流為起點時刻，觸頭電流第一次過零為終點時刻，計為首個電流半波時間tbb.在相同合閘相角下，阻容性負載的tbb小于負載為純阻性時的tbb，阻感性負載則大于純阻性時的tbb，以此為依據可識別負載種類.

3) 當負載選取了最佳合閘相位角消除涌流時，觸頭電流的首個半波時間記為無涌流標準時間.阻容性負載的無涌流標準時間為5 ms，阻感性負載的無涌流標準時間為10 ms，電流半波時間越接近無涌流標準時間，則涌流抑制效果越好，反之則效果越差.

4) 在負載越來越多樣化的市場背景下，采用本研究的控制策略可以在不改變接觸器結構的前提下，實現不同負載的無涌流合閘，對優化接觸器的合閘過程具有參考意義.