摘要：文章針對傳統(tǒng)變流接觸器分合闡過程中產(chǎn)生的電弧對觸頭侵蝕的問題，提出了智能無弧交流接觸器全新的控制方法。該接觸器以傳統(tǒng)交流接觸器為主體，實現(xiàn)三相電路的靈活控制，在主電路中每相觸頭并聯(lián)一個單向晶閘管，以此來實現(xiàn)接觸器在吸合和分斷過程中的無弧控制，大大提高了接觸器電壽命。并且將智能結(jié)構(gòu)的理念帶入了傳統(tǒng)交流接觸器中，采用ATMEGA16單片機作為控制核心，使智能無弧交流接觸器集數(shù)據(jù)采集，故障診斷與一體，實現(xiàn)了交流接觸器狀態(tài)的實時監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：交流接觸器；無?。?strong>智能控制系統(tǒng)；脈沖寬度調(diào)制

0 引言
    傳統(tǒng)交流接觸器在分斷電路的過程中產(chǎn)生的強烈電弧不僅造成觸頭磨損，降低了接觸器的電壽命；同時交流接觸器激磁系統(tǒng)多由交流電控制，不僅產(chǎn)生很大的交流噪聲，而且線圈功耗特別大。本文針對傳統(tǒng)交流接觸器激磁系統(tǒng)及滅弧系統(tǒng)提出了一種簡易、可靠的解決方案。根據(jù)國內(nèi)外對智能交流接觸器的研究總結(jié)，本文采用了無觸點分斷方案，簡單來講就是在接觸器觸頭兩端分別并聯(lián)一個單相晶閘管，使其在接觸器分合閘過程中起到分流作用進而達到無弧分合閘的目的。同時針對傳統(tǒng)交流接觸器勵磁線圈采用交流勵磁功耗大的缺陷提出了直流穩(wěn)壓激磁、直流小電壓保持方案，不僅可以保證觸頭穩(wěn)定閉合，而且還可以減小接觸器二次彈跳幾率及線圈功耗，提高其使用壽命。
    同時，隨著計算機、單片機及通信技術(shù)的發(fā)展，為智能無弧交流接觸器的控制系統(tǒng)提供了強大的技術(shù)支持。本文除了對傳統(tǒng)交流接觸器激磁系統(tǒng)及觸頭滅弧系統(tǒng)加以改進外，還引入了智能結(jié)構(gòu)的思想，將傳感器、驅(qū)動器、控制器集于一體，通過實時數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)處理，對接觸器的運行狀態(tài)進行及時判斷，提高了接觸器的實時性。同時還會對接觸器各相電壓、電流等參數(shù)進行實時檢測與判斷，從而能準確地對接觸器的運行狀態(tài)及故障實現(xiàn)實時檢測。

1 系統(tǒng)總體方案及其工作原理
    智能無弧交流接觸器將傳統(tǒng)的交流接觸器與電力電子器件相結(jié)合，對接觸器觸頭系統(tǒng)進行改進，具體改進方法如圖1所示。同時實現(xiàn)勵磁線圈電壓自動控制、運行狀態(tài)在線自動監(jiān)測、實時故障自診斷及故障定位。采用以ATMEGA16單片機為控制核心，通過相應(yīng)傳感器對關(guān)鍵參數(shù)進行實時采集與分析，進而對接觸器運行狀況進行實時準確的判斷。系統(tǒng)縣體實現(xiàn)原理如圖2所示。

    圖2中KM為普通交流接觸器，選擇工作場合為工頻50Hz，相電壓220V，線電壓380V。通過對負載各相電壓的監(jiān)測判斷，即可知道系統(tǒng)是否處于過壓、欠壓及缺相(由缺相保護電路檢測)運行。若發(fā)現(xiàn)負載正在缺相運行，可立即封鎖PWM號，使系統(tǒng)停止運行并給出故障信息。若系統(tǒng)處于欠壓狀態(tài)可以給出故障報警和實際電壓值，根據(jù)檢測的三相電壓值計算三相負荷不平衡度，若在運行范圍內(nèi)即不影響正常工作時，負載保持運行狀態(tài)；當(dāng)三相不平衡度超過限定值則停止系統(tǒng)運行進行故障檢修，并給出報警信號。
1．1 無弧通斷工作原理
1．1. 1 接觸器吸合過程導(dǎo)通區(qū)域分析
    根據(jù)圖1所示主電路接線方式的分析，只有SCR1承受正向電壓，SCR2承受正向電壓，SCR3承受負向電壓時才能保證三個晶閘管同時滿足閉合基礎(chǔ)條件(即Uscr1>0，User2>0，Usor3<0)，使其在共同導(dǎo)通區(qū)域內(nèi)完成觸發(fā)操作，從而保證三相觸點在共同導(dǎo)通區(qū)域內(nèi)無弧吸合。

    針對圖3所示，當(dāng)系統(tǒng)接到吸合信號時，開始對接觸器線圈進行激磁操作，而后通過過零檢測電路檢測到A相電壓的左側(cè)過零點，這之后SCR1便進入了導(dǎo)通區(qū)域，延時3．33ms后SCR3進入導(dǎo)通區(qū)域，再延時3．33ms后SCR2進入導(dǎo)通區(qū)域，從而可以在圖中找到三個晶閘管同時滿足導(dǎo)通條件的區(qū)域如(圖中陰影部分)，所以在陰影區(qū)域同時觸發(fā)三個晶閘管，從而接觸器可以實現(xiàn)無弧吸合。
1．1．2 接觸器分斷過程導(dǎo)通區(qū)域分析
    接觸器吸持過程中觸頭接觸電阻很小，故觸頭兩端電壓很低，從而晶阿管兩端電壓很低。由此接觸器分斷過程以主回路電流為判斷依據(jù)，如圖4所示，分析如下。

    針對圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)接到分斷信號時，首先切斷保持電源，而后通過過零檢測電路檢測到A相電流的左零點，這之后SCR1便進入導(dǎo)通區(qū)域，延時3．33ms后SCR3進入導(dǎo)通區(qū)域，再延時3．33ms后SCR2進入導(dǎo)通區(qū)域，根據(jù)這個條件可以在圖中找到三個晶閘管同時滿足導(dǎo)通條件的區(qū)域(如圖中陰影部分)，由此可以在該區(qū)域給晶閘管觸發(fā)信號使接觸器完成分斷過程，實現(xiàn)無弧分斷控制。
1．2 接觸器線圈激磁系統(tǒng)工作原理
    目前，傳統(tǒng)交流接觸器一般采用交流吸合、交流吸持和隨機分斷的方式。實驗得知，無論是380V線圈還是220V線圈，只要加上不低于160V的直流電壓，接觸器均能可靠吸合，并且減少二次彈跳幾率，穩(wěn)定吸合時只要維持電壓不低于15V，就可以穩(wěn)定保持吸合狀態(tài)。而且采用直流運行方式可以從根本上消除交流接觸器的噪聲和振動，大大降低能耗，提高使用壽命。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對接觸器線圈采用240V激磁電壓、24V保持電壓策略時，接觸器不僅可以可靠閉合，觸頭碰撞回跳時間也很短。所以智能交流接觸器采用了穩(wěn)壓直流可控激磁、低壓直流保持的電磁系統(tǒng)智能化操作方案。
    本實驗在傳統(tǒng)交流接觸器的基礎(chǔ)上，對其控制回路采用智能化控制，通過對施加在接觸器線圈兩端的電壓進行PWM控制及自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了智能無弧交流接觸器在寬電壓范圍(AC240V～380V)內(nèi)均能高品質(zhì)可靠穩(wěn)定工作，同時還解決了由于電網(wǎng)電壓波動過大引起接觸器工作不穩(wěn)定的問題。激磁系統(tǒng)控制原理圖如圖5所示。

    由圖5所示電路產(chǎn)生接觸器激磁電壓240V和保持電壓24V。在此我們先討論輸出240V的情況。交流輸入電壓經(jīng)整流電路整流后通過電力電子器件IGBT施加到接觸器激磁線圈上，微控制器根據(jù)測量電路檢測輸入電壓大小，由PWM模塊產(chǎn)生適當(dāng)頻率及占空比的脈沖觸發(fā)IGBT，控制IGBT的導(dǎo)通與截止，最后得到直流激磁電壓240V加到接觸器線圈兩端。系統(tǒng)還具有線圈電壓檢測電路，若線圈電壓高于240V，則按一定比例減小PWM占空比，同樣，若線圈電壓低于240V，則按一定比例增大PWM占空比，保證了接觸器的穩(wěn)定吸合。最后，在接觸器激磁結(jié)束后，通過單片機控制系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)占空比以產(chǎn)生保持所需要的24V直流小電壓，從而接觸器實現(xiàn)節(jié)能、無噪聲吸合。

    圖6給出了PWM脈沖調(diào)制電路原理圖，輸入電壓經(jīng)整流電路后，通過IGBT開關(guān)管加在接觸器線圈兩端，由ATMEGA16單片機內(nèi)都調(diào)制產(chǎn)生的PWM脈沖通過右端PWM輸入，當(dāng)單片機輸出低電平時，光耦導(dǎo)通，R2上有電流流過，場效應(yīng)管VT1截止，VT2導(dǎo)通，IGBT正偏而導(dǎo)通；當(dāng)單片機輸出高電平時，光耦截止，R2上無電流流過，場效應(yīng)管VT1導(dǎo)通，VT3管導(dǎo)通，-5V電壓經(jīng)R4加在IGBT柵射極之間，使IGBT迅速關(guān)斷。從而控制了接觸器線圈兩端電壓大小。圖中二極管VD為接觸器線圈提供續(xù)流通道。

2 軟件控制流程
    智能無弧交流接觸器的軟件控剃流程圖如圖7所示，系統(tǒng)上電后，單片機先對系統(tǒng)進行初始化。此時單片機若接到吸合按鍵中斷信息便進入吸合程序。根據(jù)1．2小節(jié)介紹的直流激磁方案對線圈進行激磁，交流接觸器進入吸合階段。根據(jù)1．1小節(jié)介紹，判斷A相主電路電壓過零點，找到晶閘管共同的導(dǎo)通區(qū)域，觸發(fā)觸頭兩端的單向晶閘管，使觸頭在晶閘管共同導(dǎo)通區(qū)域內(nèi)無弧吸合。此時24V直流保持電壓已經(jīng)加在線圈兩端，以保證接觸器低能耗運行。

    若單片機接到分斷按鍵中斷信息，通過PWM調(diào)制電路調(diào)節(jié)占空比為零即中斷對線圈供電，接觸器進入分斷流程。隨后單片機通過電流采樣電路，對A相主電路電流過零點進行檢測，找到三個晶閘管共同導(dǎo)通區(qū)域后，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。從而使接觸器無弧分斷。

3 上位機軟件設(shè)計
    智能無弧交流接觸器具有通信功能，并支持PC機遠程控制，為了實現(xiàn)接觸器狀態(tài)顯示即數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)設(shè)計了上位機部分，用戶可以方便地監(jiān)控接觸器實時運行狀態(tài)。本系統(tǒng)上位機部分采用Labview2011軟件設(shè)計，主界面包括顯示部分和控制部分。其中主界面如圖8所示。

    主界面主要包含信息查詢部分、接觸器控制部分、操作提示和通信狀態(tài)顯示。其中查詢部分可以查詢主電路電壓、電流；同時還可以圖形顯示電弧電流波形和電壓波形。接觸器控制部分可以控制交流接觸器分合閘；狀態(tài)顯示主要包含通信狀態(tài)正常與否以及觸頭狀態(tài)是否正常。經(jīng)過實驗室實驗測試，本系統(tǒng)所設(shè)計的上位機通過串行通信接口可以與接觸器正確無誤通信并完成相應(yīng)操作。

4 結(jié)語
    以ATMEGA16型單片機為控制核心設(shè)計的智能無弧交流接觸器控制系統(tǒng)是對傳統(tǒng)交流接觸器的改造，僅在觸頭兩端并聯(lián)一個單向晶閘管，便可實現(xiàn)無弧控制。同時此系統(tǒng)還采用PWM技術(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)激磁線圈電壓，使接觸器在很寬的交流輸入電壓范圍(AC 240V～380V)內(nèi)均能高品質(zhì)可靠穩(wěn)定工作，同時實現(xiàn)節(jié)能、無噪聲運行。使其具有通用性、智能性、可控制，可通信等優(yōu)點。故此系統(tǒng)具有很廣闊的應(yīng)用前景。