基于多反饋參量的交流接觸器自適應吸持控制策略

劉向軍 楊 程 周煜源

基于多反饋參量的交流接觸器自適應吸持控制策略

劉向軍 楊 程 周煜源

（福州大學電氣工程與自動化學院 福州 350108）

交流接觸器的吸持大多通過單一控制線圈電流或電壓實現，因此無法兼顧可靠吸持和節能運行的要求，該文對交流接觸器不可靠吸持特性進行理論分析、建模仿真和實驗測試，得到動、靜鐵心分離過程中線圈感應電動勢的變化規律，并以此為基礎，提出一種基于多反饋參量的交流接觸器自適應吸持控制策略。以交流接觸器正常運行中的觸頭電流、線圈電流以及不可靠吸持發生時線圈的感應電動勢為反饋參量，通過對參量的監測并根據不同的工作狀態輸出相應的控制信號，使接觸器即使處于較低的吸持電壓下，依然具備較高的吸持穩定性。基于該策略，設計了控制模塊并進行實驗驗證。結果表明，利用該控制策略可以有效實現接觸器的節能運行與可靠吸持，減小吸持能耗并提高交流接觸器的工作穩定性。

交流接觸器 多反饋參量 自適應吸持控制 感應電動勢

0 引言

交流接觸器是一種用于頻繁接通和斷開交流主電路和大容量控制電路的電器，直接影響低壓配電系統、自動控制系統的運行可靠性[1-2]。隨著交流接觸器的大量使用，能耗成了不容忽視的問題[3-4]。相較于吸合時動、靜觸頭間的接觸電阻引起的能耗和毫秒級起動階段的線圈能耗，線圈的吸持能耗成了最主要的來源，如何兼顧可靠吸持與節能保持成了吸持過程控制的研究重點。

為了實現交流接觸器的節能運行，目前較為常見的有以線圈電壓為控制量的直流低電壓保持方式和以線圈電流為控制量的直流低電流保持方式。低電壓保持控制策略通過線圈雙電源切換供電，在起動時線圈采用高電壓勵磁，保持過程則切換為低電壓電源供電，可有效地減小吸持能耗[5-7]。然而溫升問題普遍存在于長時間通電以及工作在各種復雜環境的接觸器中，線圈電阻不可避免地增大，倘若采用恒定的線圈電壓控制方式，將不能保證接觸器工作的可靠性。低電流保持控制方式采用單一電源進行供電，以線圈電流作為控制參量，可分為開環和閉環兩種控制方式，具體表現為占空比是否恒定。開環控制采用恒定高占空比勵磁起動，恒定低占空比進行保持，忽略線圈電阻的影響，因此控制的有效性同樣受到溫升的制約。而帶線圈電流反饋的閉環控制方式通過實時控制線圈電壓的占空比，使線圈電流保持在恒定值，可以有效避免溫升引發的不可靠吸持問題[8-10]。為了保證可靠吸持，閉環控制方式通常采用臨界吸持電流的數倍作為吸持電流參考值[11]。這將造成額外的能耗，無法實現真正意義的節能運行。而在過低的保持電流控制方式下動、靜觸頭間的電動斥力可能導致接觸器不可靠吸持[12-14]，此外，為了維持恒定的吸持電流，線圈勵磁回路的開關電子器件需要不停地通斷，將帶來附加的開關損耗。由于上述兩種方式均采用固定的保持電壓或電流參考值，導致其適應性不強。因此，本文以減少能耗為出發點，提出一種基于多反饋參量的自適應吸持控制策略。通過實時監測觸頭電流、線圈電流、線圈感應電動勢，自適應地調整吸持電壓，保證了接觸器即使處于較低的吸持電壓下，依然具備較高的吸持穩定性。

1 接觸器不可靠吸持過程特性分析

為減小吸持能耗，吸持電壓或吸持電流參考值須盡可能低，且應具備自適應調節功能，以確保控制的有效性不受交流接觸器老化、機構特性改變的影響，因此，反饋參量的選定、檢測及判斷顯得尤為重要。文獻[15]在交流接觸器勵磁線圈上外繞一個輔助線圈，分析了分斷過程中動、靜鐵心分離與輔助線圈感應電動勢之間存在一定的關系。因此，本文通過理論推導、仿真以及實驗，對不可靠吸持發生時感應電動勢的變化規律進行分析，為將感應電動勢作為不可靠吸持事件的反饋信號提供基礎。

1.1 電磁機構動態微分方程組

本文以某型號的交流接觸器為研究對象，結構示意圖如圖1所示。該交流接觸器主要由電磁機構（包括反力彈簧、勵磁線圈、靜鐵心、分磁環、動鐵心），觸頭系統（包括觸頭彈簧、靜觸頭、動觸頭和輔助觸頭）、絕緣外殼以及其他附件組成。

圖1 交流接觸器結構

電磁機構動態過程包含電、磁、機械參量的變化，其動態特性可用動態方程組描述為

吸合過程中，隨著鐵心的運動，將產生運動反電動勢coild/d，此時電磁機構磁路電壓平衡方程式為

1.2 不可靠吸持過程理論分析

為了產生不可靠吸持事件，將線圈勵磁電壓設為0V，則不可靠吸持發生過程中的電壓平衡方程可表示為

式中，為動、靜鐵心之間的氣隙。在動、靜鐵心分離初期，氣隙非常小，忽略漏磁，則磁路電感可表示為

求解上述方程得到coil的通解為

由于接觸器勵磁線圈與輔助線圈套在同一鐵心極柱上，近似于同心變壓器，可得

式中，1為勵磁線圈繞組漏阻；1為勵磁線圈感應電動勢；2為輔助線圈感應電動勢（下稱感應電動勢）；為輔助線圈與勵磁線圈的匝數比。聯立式（5）～式（7）可得

由于coil為e的指數函數，恒大于零，即coil＞0，因此，2＜0，即感應電動勢在動、靜鐵心分離期間應為負電動勢。

1.3 仿真分析

為了驗證理論推導的準確性，建立Simulink與Flux的聯合仿真模型，對接觸器的吸持過程進行仿真分析。圖2為具有雙層線圈的接觸器電磁機構模型，其中輔助線圈套在勵磁線圈外，用于感應電動勢的檢測。聯合仿真過程另文敘述。

圖2 聯合仿真原理

為了研究不可靠吸持發生時接觸器各參量變化情況，在鐵心吸持階段，使接觸器線圈斷電，觸發不可靠吸持事件。由于仿真過程計算量大，迭代時間冗長，因此，本文對仿真模型和控制方式進行一定的簡化，對接觸器采用帶線圈電流反饋的閉環控制方式起動并穩定吸持一段時間后，在50ms時刻使線圈斷電。仿真結果如圖3所示，圖3中包含了接觸器起動和吸持過程的接觸器的動態特性。圖中從上到下依次為線圈電壓、線圈電流、線圈感應電動勢以及鐵心位移曲線。

如圖3所示，動、靜鐵心在1時刻分離，在反力彈簧的作用下，在2時刻動鐵心返回最大工作氣隙處。在這個過程中，線圈電流先增大后減小，而感應電動勢存在反向增大而后減小的趨勢。

圖3 仿真結果

從線圈開始斷電到鐵心分離前，由于鐵心速度為零，此時電磁機構的磁路電壓平衡方程為

線圈斷電后，電流呈下降趨勢，當線圈電流自由衰減到不足以維持接觸器吸持時，鐵心開始分離，線圈中產生阻礙電流減小的運動反電動勢coild/d，此時電磁機構的磁路電壓平衡方程如式（3）所示。由于鐵心分離過程電感變化率d/d為負，其運動反電動勢也為負，鐵心剛開始分離時由于線圈電流較小，coilcoil不足以平衡運動反電動勢，故運動反電動勢出現后便占據主要地位，迫使線圈電流上升，因此1時刻線圈電流出現拐點，電流變化率dcoil/d＞ 0。隨著電流上升，coilcoil與dcoil/d不斷增大，直到運動反電動勢不足以維持電流的上升，電流達到最大值，隨后開始下降。根據式（8），電流的變化過程將會導致輔助線圈產生一個先反向增大而后減小的負感應電動勢。

1.4 實驗分析

為了驗證感應電動勢的變化規律，在某型號的交流接觸器線圈外加繞一個輔助線圈，以測試感應電動勢；采用位移傳感器測得動鐵心的位移曲線；在觸頭上串聯一個電阻并為觸頭回路施加一個5V的直流電壓，測得觸頭動作信號。圖4為線圈感應電動勢變化規律。

圖4 線圈感應電動勢變化規律

圖4中四條曲線從上到下依次為線圈電壓、線圈感應電動勢、動鐵心位移曲線、觸頭信號(高電平為觸頭閉合，低電平為斷開)。0時刻動、靜鐵心分離，此時輔助線圈兩端出現負的感應電動勢，隨后感應電動勢逐漸增大；1時刻鐵心走完接觸器超程，觸頭隨之分斷，動鐵心繼續運動直到最大行程處。從圖4中可見，從感應電動勢出現到觸頭分斷的時間間隔達10ms以上，在這段時間內足以對接觸器進行二次控制。

2 線圈控制電路設計原理

為滿足交流接觸器以閉環控制方式起動和自適應吸持的需要，本文設計了接觸器線圈控制拓撲電路，如圖5所示。圖中S為交流電源；2為保持階段的數控直流電壓源，可以為線圈提供可調節的保持電壓；VD3、VD4、VD6、VD7組成整流電路；1為濾波電容；Q1、Q2、Q3為場效應開關管，可快速通斷回路。由于續流回路的存在，導致分斷過程中線圈電流變化緩慢，機構釋放時間長，因此選擇續流回路可控的設計方案，在釋放過程中關斷Q2，以加快機構的釋放；VD1、VD2、VD5為快恢復二極管，可以防止S和2所在的支路同時導通，避免短路。

圖5 線圈控制拓撲電路

該電路具有三種工作模態：①當Q1導通、Q3截止時，線圈由S供電，實現高電壓勵磁；②當Q1、Q3截止時，由于線圈近似于一個電感，線圈電流不能突變，此時Q2、VD5將作為線圈的續流回路；③當Q1截止、Q3導通時，線圈由2供電，處于低電壓保持狀態。這三種工作模態對應的電流流向軌跡如圖5中虛線所示。

為了滿足吸持電壓值可調的要求，本文設計了如圖6所示的數控開關電源降壓斬波電路。該電路以TI公司的同步降壓控制器LM5117為核心，通過單片機改變數字電位器MCP41010的電阻值，實現電源輸出電壓可調。

3 基于多反饋參量的交流接觸器自適應吸持控制策略

在接觸器吸持過程中，影響吸持穩定性的因素分為內部因素和外部因素。內部因素包括線圈長期通電以及環境溫度升高引發的線圈電阻增大，導致線圈吸持電流減小，無法維持正常的吸持過程；還包括由于觸頭系統通過的電流過大導致觸頭間電動斥力而引發的不可靠吸持。外部因素為接觸器運行于惡劣環境下，如：使接觸器振動引發的不可靠吸持。通過電流傳感器檢測線圈電流和觸頭電流可判定當前是否可能發生不可靠吸持現象。而從本文第1節對感應電動勢的仿真與實驗可知，感應電動勢的出現幾乎與不可靠吸持事件的發生同步，且感應電動勢出現到觸頭分斷的時間間隔較長，可以對接觸器進行二次控制。因此，本文將線圈電流、觸頭電流以及線圈感應電動勢作為反饋參量，利用數控開關電源輸出可調的特點，自適應調整吸持電壓，保證了接觸器即使處于較低的吸持電壓下，依然具備較高的吸持穩定性，其控制系統框圖如圖7所示。

圖6 數控開關電源降壓斬波電路

吸持電壓設定值r由吸持電壓設定值基礎分量r1與吸持電壓設定值疊加分量r2、r3共同 決定。

在吸合過程完成后，線圈并不會馬上切換為低電壓保持，而是再持續一小段時間的強勵磁，在這段時間內，單片機將完成對觸頭電流contact的檢測，并根據一定的觸頭電流梯度設定對應的初始吸持電壓參考值r1，即

圖7 多反饋參量自適應吸持控制系統框圖

此時有

即初始吸持電壓完全由r1決定。強勵磁過程結束后，系統將開啟對線圈電流以及感應電動勢的檢測，此后保持對這三個反饋量的實時監測，直至吸持過程結束。

基于線圈電流反饋的控制策略實質是對線圈電阻的實時計算，通過單片機將采集得到的線圈電壓coil與線圈電流coil計算實際線圈電阻coil，并與常溫下線圈電阻coil_ref進行比較，即

當接觸器由于長期工作或外部溫升等原因導致線圈電阻變大時，若值超過了線圈電阻變化閾值，此時系統將在原有的吸持電壓設定值上疊加分量r2，r2的設定方法與r1相似，此時有

即此時的吸持電壓將由r1與r2共同決定。

以上兩種參量的設定值皆是出于接觸器本體在正常情況下的考慮。當接觸器發生老化、機構特性改變，或是接觸器在某一時刻由于外部振動或觸頭電流瞬時急劇增大導致基于觸頭電流反饋控制來不及反應時，可能引發不可靠吸持問題。若此時鐵心被斥開，線圈將有感應電動勢出現。在感應電動勢達到一定閾值后被單片機所識別，此時系統將對接觸器進行二次控制，對線圈采取強勵磁措施，使動鐵心在走完超程前重新被吸上（可以保證在這個過程中觸頭依然處于閉合狀態），隨后系統將在原有的吸持電壓設定值上增加疊加分量r3，則此時的吸持電壓將由r1、r2與r3共同決定，即有

雖然基于感應電動勢的自適應吸持控制可以有效避免所有可能導致接觸器誤動作的因素，但在控制中為了使鐵心分離后再次吸合需要較大的勵磁電流，將造成額外的能耗。而在大部分情況下，觸頭電流以及線圈溫升為緩慢變化過程，將觸頭電流以及線圈電流作為基本反饋參量，自適應調節吸持電壓，可避免基于感應電動勢的自適應控制的觸發次數，減少強勵磁的能耗，通過將初始保持電壓設定在一個較低的值，降低接觸器運行過程中的能耗，兼顧了接觸器節能運行與可靠吸持，并大幅度提升接觸器在不同工作環境下的適應能力。

4 實驗驗證

為了驗證該自適應吸持控制策略的可行性，本文設計了控制模塊，并進行實驗驗證。

4.1 基于觸頭電流的自適應吸持控制實驗

如上文所述，由于初始保持電壓設定值較低，交流接觸器過載時觸頭間所產生電動斥力可能引發接觸器誤動作。實驗模擬觸頭電流突然變大和恢復常態，驗證基于觸頭電流反饋的自適應吸持控制策略有效性。基于觸頭電流的自適應吸持實驗結果如圖8所示。

由圖8a可見，常態下觸頭電流為5A，在0時刻主回路并入同樣大小的負載，主回路電流增大至10A，單片機檢測到觸頭電流增大后，在1時刻輸出信號，隨后線圈電壓逐漸上升。圖8b為觸頭電流在2時刻從非常態（10A）恢復為常態（5A），經過一段時間后，在3時刻線圈吸持電壓將緩慢恢復原來的吸持電壓值，可避免誤檢測以及觸頭電流短暫性恢復常態又轉為非常態。

圖8 基于觸頭電流的自適應吸持實驗結果

4.2 基于線圈電流的自適應吸持控制實驗

線圈電流作為影響電磁吸力的重要物理量，其波動將影響接觸器吸持過程的穩定性。線圈長時間通電或者周圍環境溫度升高將不可避免地導致線圈電阻增大，線圈電流隨之減小，此時基于觸頭電流的吸持電壓設定值將無法保證接觸器吸持的可靠性。將線圈電流作為反饋參量，由單片機進行采集并調整輸出電壓，實現自適應調整。

為模擬線圈電阻增大引發的不可靠吸持問題，對交流接觸器進行模擬實驗，在某時刻為線圈回路串入一個阻值為10%左右線圈電阻的電阻，驗證自適應吸持控制的有效性。基于線圈電流的自適應吸持實驗結果如圖9所示。

圖9 基于線圈電流的自適應吸持實驗結果

從圖9中可見，在0時刻線圈回路串入電阻，由于線圈近似于一個儲能電感，因此線圈電流并不會馬上跌落，而是緩慢下降，在1時刻線圈電流達到觸發閾值，隨后單片機輸出信號，使保持電源輸出電壓上升，線圈電流隨之上升，完成自適應調整過程。

4.3 基于感應電動勢的自適應吸持控制實驗

為驗證該控制策略的有效性，在強勵磁后為接觸器設置一個較低的保持電壓，使其無法可靠吸持，通過自適應吸持控制后，接觸器可靠保持，實驗波形如圖10所示。

圖10 基于線圈感應電動勢的自適應吸持實驗結果

0時刻，線圈電流不足以維持保持狀態，動、靜鐵心分離，線圈出現感應電動勢；單片機檢測到感應電動勢后，在1時刻對線圈進行強勵磁，鐵心重新吸合，強勵磁結束后，在2時刻提高保持電壓，防止鐵心再次斥開。從圖10中鐵心位移曲線和觸頭信號波形可以看到，鐵心在分離一段距離后被再次吸上，在這個過程中觸頭始終保持閉合狀態，說明了控制的有效性。在1～2之間由于線圈強勵磁導致感應電動勢出現高頻信號，為了避免感應電動勢反饋控制的誤觸發，將在強勵磁過程中關閉對感應電動勢的檢測。

5 結論

本文以減小交流接觸器吸持能耗為出發點，同時考慮了交流接觸器的可靠運行，提出了一種多反饋參量自適應吸持控制策略，通過實時監測觸頭電流、線圈電流以及線圈感應電動勢，使接觸器處于一個較低的吸持電壓下，可以最大程度地減小接觸器的能耗，并同時具備較高的吸持穩定性。設計了控制模塊并進行實驗，驗證了該控制策略的可行性。結果表明，該控制模塊可以有效實現以下功能：

1）當觸頭電流發生變化時，吸持電壓可以根據觸頭電流變化幅值做出反應，說明該控制策略可以有效防止過載可能引發的接觸器不可靠吸持。

2）當線圈電流下降到一定閾值時，使保持電源的輸出電壓上升，保證了交流接觸器在線圈長期通電以及環境溫度升高導致線圈發熱時，仍可以可靠運行。

3）當接觸器發生老化、機構特性改變，或是由于外部振動及其他突發情況導致的接觸器不可靠吸持事件發生時，該多反饋參量自適應吸持控制策略將基于感應電動勢對接觸器進行二次控制，有效防止動、靜觸頭分離，保證主回路的正常工作。

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Adaptive Holding Control Strategy of AC Contactor Based on Multiple Feedback Parameters

（College of Electrical Engineering and Automation Fuzhou University Fuzhou 350108 China）

With the extensive use of AC contactors, energy consumption has become a problem that cannot be ignored, in which the coil holding energy consumption is the main source. In order to reduce the energy consumption, the reference value of the holding voltage or current must be as low as possible, and the control system should have the adaptive adjustment function to ensure that the effectiveness of the control is not affected by the aging of the AC contactor or the change of the mechanism characteristics. The closed-loop control mode with coil current feedback can effectively avoid the unreliable holding problem caused by temperature rise by controlling the duty cycle of the coil voltage in real time to keep the coil current at a constant value. However, the closed loop control mode usually uses several times of the critical holding current as the reference value, which will cause additional energy consumption and cannot achieve energy-saving operation in real sense. At the same time, the switching electronic devices in the coil excitation circuit need to be on and off constantly, that will bring additional switching losses. Consequently, giving consideration to both reliable holding and energy saving has become the research focus of holding process control. This paper proposes an adaptive holding control strategy based on multiple feedback parameters, which make the contactor have high holding stability even under low holding current.

Through theoretical derivation, simulation and experiment, this paper analyzes the change rule of induced electromotive force when unreliable holding event occurs, and draws the conclusion that the generation of induced electromotive force is almost synchronous with the occurrence of unreliable holding events, and the time interval from the occurrence of induced electromotive force to the contacts breaking is more than 10ms. During this period of time, it is sufficient for secondary control of the contactor. The topology control circuit of the contactor coil is designed, which can adaptively adjust the holding voltage by using the numerical control switching power supply to meet the needs of AC contactor starting and adaptive holding in the closed-loop control mode.

Taking coil current, contact current and coil induced electromotive force as feedback parameters, an adaptive holding control strategy for AC contactors based on multiple feedback parameters is proposed. Under normal conditions, the contact current and coil current are used as basic feedback parameters to adaptively adjust the holding voltage. If the moving iron core and the static one are separated abnormally, an induced electromotive force of the coil will be generated. When the induced electromotive force reaches a certain threshold, it will be detected by the single chip microcomputer in the control circuit. At this time, the coil is excited strongly by the circuit to make the moving iron core close again to ensure the reliability of the holding.

Based on the control strategy, the control module is designed and tested. The results show that the control module can achieve the following functions. ① When the contact current increases, the holding voltage of the coil can change according to the change amplitude of the contact current, indicating that the control strategy can effectively prevent the unreliable holding of the contactor caused by overload. ② When the coil current drops to a certain threshold, the output voltage of the holding power supply rises, ensuring that the AC contactor can still operate reliably when the coil is powered on for a long time or the coil is heated due to the rise of the ambient temperature. ③ In case of aging of the contactor, change of mechanism characteristics, or unreliable holding of the contactor due to external vibration and other emergencies, the multiple feedback parameter adaptive holding control module will conduct secondary control on the coil based on the induced electromotive force, effectively prevent the separation of moving and static contacts, and ensure the normal operation of the main circuit.

AC contactor, multiple feedback parameters, adaptive holding control, induced electromotive force

TM572.2

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211586

福建省高校產學合作資助項目（2019H6009）。

2021-10-05

2022-01-24

劉向軍 女，1970年生，博士，副教授，研究方向為電器智能測試技術、電接觸理論及材料應用。

E-mail: liuxj@fzu.edu.cn（通信作者）

楊 程 男，1996年生，碩士研究生，研究方向為電機與電器。

E-mail: 549046091@qq.com

（編輯 郭麗軍）