摘要: 在分析了接觸器動(dòng)態(tài)過程的基礎(chǔ)上，提出電流積分的方法作為動(dòng)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(yàn)對(duì)比分析，驗(yàn)證了控制方法在減少動(dòng)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(dòng)機(jī)控制、電氣傳動(dòng)以及自動(dòng)化控制領(lǐng)域中的電器設(shè)備。接觸器吸合動(dòng)作過程中由于觸頭之間以及鐵心之間的碰撞將會(huì)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(gè)重點(diǎn)。以往接觸器動(dòng)態(tài)控制的研究中，對(duì)于觸頭和鐵心閉合狀態(tài)的檢測(cè)有多種方法，如通過檢測(cè)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(duì)吸合過程中線圈電流進(jìn)行檢測(cè)，來實(shí)現(xiàn)交流接觸器動(dòng)態(tài)過程控制，從而改善動(dòng)態(tài)過程特性，達(dá)到減少動(dòng)態(tài)過程彈跳、節(jié)能的目的。

　　1 交流接觸器動(dòng)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(shí)，帶動(dòng)銜鐵和動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)。

　　交流接觸器要可靠運(yùn)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(gè)階段:

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

　　(2) 運(yùn)動(dòng)過程。是指動(dòng)鐵心開始運(yùn)動(dòng)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(shí)，動(dòng)鐵心開始運(yùn)動(dòng)直至動(dòng)、靜鐵心完全閉合，期間都包含著電磁、發(fā)熱、機(jī)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(dá)朗貝爾運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)過程的微分方程組(1)。

　　式中

　　u———線圈勵(lì)磁電壓

　　R———線圈電阻

　　i、Ψ———分別為線圈電流及電磁機(jī)構(gòu)的磁鏈

　　m1、m2———電磁機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件( 下標(biāo)1、2 分別表示動(dòng)、靜鐵心) 歸算到鐵心極面中心質(zhì)量

　　x1、x2———電磁機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件( 下標(biāo)1、2 分別表示動(dòng)、靜鐵心) 歸算到鐵心極面中心位移

　　t———時(shí)間

　　Fx、Ff1、Ff2———相應(yīng)為折算到鐵芯極面中心處動(dòng)態(tài)吸力和運(yùn)動(dòng)反力( 下標(biāo)1、2 分別表示動(dòng)、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(gè)吸合過程是電能、磁能、機(jī)械能等能量的轉(zhuǎn)換過程。動(dòng)態(tài)過程的彈跳由動(dòng)鐵心的動(dòng)能決定，任一階段的動(dòng)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(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量一定的情況下，減小運(yùn)動(dòng)部分速度就可減少彈跳，即控制線圈上的電流就可減少運(yùn)動(dòng)過程中的彈跳。

　　2 交流接觸器電磁機(jī)構(gòu)電路模型與吸合時(shí)刻檢測(cè)

　　交流接觸器的電磁機(jī)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(dòng)勢(shì)，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(yùn)動(dòng)過程中是位移的函數(shù)，與氣隙的大小有關(guān);在觸動(dòng)階段，動(dòng)鐵心的位移不變，線圈電感可以近似認(rèn)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(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)前，電感的變化量為零，故第三項(xiàng)為零。因此，動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)前的電壓方程為：

　　忽略其他因素，動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)前的吸合過程可近似等式(5)來表示，從而有：

　　其中，時(shí)間常數(shù)τ = L /r，動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)前可認(rèn)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(dòng)，依靠單點(diǎn)采樣吸合電流值檢測(cè)吸合時(shí)刻( 運(yùn)動(dòng)過程的開始時(shí)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(shí)刻。當(dāng)吸力大于反力時(shí)，動(dòng)鐵心開始運(yùn)動(dòng)。對(duì)于同一電磁機(jī)構(gòu)，動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)需要克服的反力可認(rèn)為是一定的( 主要是彈簧的反力)，對(duì)于不同電壓等級(jí)，所需要的吸合電流不同，吸合時(shí)刻也不同，但在同一電壓等級(jí)下，通過試驗(yàn)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(shí)間內(nèi)的電流積分方法來動(dòng)態(tài)檢測(cè)吸合時(shí)刻。下面是利用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)電流采樣的計(jì)算過程。

　　電流有效值計(jì)算公式:

　　極限形式:

　　當(dāng)取樣間隔Δt 很短時(shí):

　　用單片機(jī)對(duì)線圈電流值采樣時(shí)，采取等間隔采樣，為避免開方運(yùn)算，提高運(yùn)算速度，將等式兩邊平方運(yùn)算。從而有：

　　可通過提高采樣頻率，減小采樣間隔，來修正計(jì)算帶來的誤差。

　　3 交流接觸器動(dòng)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(yán)重、噪聲大等問題，為改善動(dòng)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(gè)控制系統(tǒng)如圖2 所示，由電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、控制回路模塊、微控制器等組成。電源部分為驅(qū)動(dòng)模塊和控制器供電;微控制器為驅(qū)動(dòng)模塊提供控制信號(hào);控制回路控制電磁線圈的供電，并測(cè)量線圈電流作為反饋信號(hào)，為動(dòng)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(shí)刻的檢測(cè)利用線圈電流積分的方法來實(shí)現(xiàn)。將動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行分段調(diào)整，以電流積分法檢測(cè)吸合時(shí)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(duì)吸合控制電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)達(dá)到安全工作電壓后，開始檢測(cè)控制電壓過零點(diǎn)，以確定采樣的起點(diǎn)，確定采樣間隔，之后進(jìn)行線圈電流的采樣，進(jìn)行吸合時(shí)刻的判斷，檢測(cè)到吸合時(shí)刻后，進(jìn)行保持階段的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)低電流保持，降低功耗。

　　4 試驗(yàn)對(duì)比分析

　　試驗(yàn)采用以上控制方法，以傳統(tǒng)交流接觸器線圈作為試驗(yàn)對(duì)象，在不同電壓等級(jí)下對(duì)整流后控制電壓有無反饋的控制方法做了對(duì)比試驗(yàn)。采用帶電流反饋的直流激磁控制前后波形的對(duì)比如圖4、圖5 所示。彈跳現(xiàn)象如圖6 所示。控制前后的試驗(yàn)對(duì)比數(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(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

　　對(duì)控制前后不同控制電壓下吸合過程中的彈跳時(shí)間和彈跳次數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，如圖7 所示。在不同控制電壓下，智能控制在觸頭彈跳時(shí)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(dòng)態(tài)反饋控制后，吸合過程觸頭彈跳時(shí)間和彈跳次數(shù)減少。由于觸頭的彈跳會(huì)產(chǎn)生電弧，而且彈跳持續(xù)時(shí)間越長，燃弧時(shí)間就越長，電弧產(chǎn)生的能量對(duì)觸頭侵蝕，碰撞對(duì)觸頭和電磁鐵磨損越嚴(yán)重，從而減少了電器的壽命。對(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行求均后，計(jì)算得出采用動(dòng)態(tài)控制后觸頭的彈跳時(shí)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(shí)間和彈跳次數(shù)的對(duì)比圖。

圖8 控制前后彈跳時(shí)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(shí)刻檢測(cè)的依據(jù)，調(diào)節(jié)線圈供電，來減少運(yùn)動(dòng)過程的彈跳，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法可明顯減少彈跳的時(shí)間和次數(shù)。通過電流反饋控制保持時(shí)線圈的電流，使線圈功耗降低。