摘要：接觸器是目前使用量最大的低壓電器產(chǎn)品，閉合時觸頭的彈跳和分斷時產(chǎn)生的電弧是影響其使用壽命的主要因素。本文提出一種新的接觸器觸頭控制方法，實現(xiàn)觸頭單獨進行閉環(huán)控制。這在智能電器和控制領(lǐng)域是一個全新的思想。本論文對交流接觸器的結(jié)構(gòu)進行了研究，建立了數(shù)學模型，結(jié)合Ansoft電磁分析軟件修正了氣隙磁導，并且利用Simulink仿真，對該接觸器的動態(tài)特性進行了研究，得出了一種全新的閉環(huán)控制方法，可有效的消除接觸器閉合時的觸頭彈跳和分斷時產(chǎn)生的電弧，提高了接觸器的使用壽命。

關(guān)鍵詞：接觸器，閉環(huán)控制，Ansoft，Simulink

1.引言

接觸器是一種應用廣泛的自動控制電器元件，主要用于頻繁接通和開斷交流負載電路，具有控制容量大，可遠距離操作等優(yōu)點[1]。由于頻繁的操作，接觸器必須具有足夠長的使用壽命才能保證一定的使用期限。正常情況下，接觸器電壽命一般為其機械壽命的1/5至1/20[2]。因而提高電壽命才是提高接觸器使用壽命的關(guān)鍵[3]。

本文將閉環(huán)控制系統(tǒng)與接觸器相結(jié)合，通過速度反饋實現(xiàn)接觸器的運動過程閉環(huán)控制。實現(xiàn)觸頭無彈跳閉合和無弧分斷，提高接觸器的使用壽命，閉環(huán)控制雖然有些復雜，但適應性強，可靠性高。

2.接觸器結(jié)構(gòu)分析

本文以E型鐵芯結(jié)構(gòu)為例進行分析。鐵心的尺寸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1電磁鐵的結(jié)構(gòu)示意圖

其中工作氣隙δ最大距離是6mm，最小為0.01mm。線圈匝數(shù)為。根據(jù)接觸器的尺寸結(jié)構(gòu)分別列出了接觸器的電路方程，吸力方程和運動方程，建立數(shù)學模型[4]。

3.氣隙磁導優(yōu)化

氣隙磁導是電磁力計算的一個非常重要的參數(shù)，傳統(tǒng)方式是應用簡化磁路的方法計算得出氣隙磁導公式。本文應用場路結(jié)合的方法，來減小模型的誤差。首先通過有限元分析軟件AnsoftMaxwell仿真得出不同氣隙下的氣隙磁導的值，然后應用MATLAB擬合出這些值所對應的曲線與方程，然后將方程帶入Simulink中，進行動態(tài)特性仿真。這樣應用AnsoftMaxwell場的方法的準確性與Simulink路的方法研究運動過程的方便性相結(jié)合，大幅提高了模型和運動控制的準確性。

接觸器電磁機構(gòu)的Ansoft二維模型如圖2所示。

圖2接觸器電磁機構(gòu)二維模型

上圖中粉紅色的部分為接觸器的鐵芯和銜鐵，兩個藍色的矩形部分為方向相反的激磁線圈。移動上方銜鐵的位置，根據(jù)Ansoft仿真計算得出不同氣隙長度下的氣隙磁導，觀察數(shù)據(jù)分布發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)非常符合指數(shù)分布規(guī)律，應用MATLAB進行指數(shù)函數(shù)擬合。

最終得出擬合函數(shù)為：

4.閉環(huán)控制系統(tǒng)

4.1控制系統(tǒng)原理

本論文提出了一種基于運動過程隨動控制的智能接觸器控制方法，對接觸器的進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)觸頭無彈跳合閘?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖3所示。它包括驅(qū)動電路(4)、接觸器(7)、速度檢測(6)、單片機，其中單片機包括速度給定(1)、加減運算(2)、PID(3)、A/D轉(zhuǎn)換(5)。

圖3控制系統(tǒng)原理圖

根據(jù)控制系統(tǒng)硬件電路框圖，該控制系統(tǒng)是通過單片機給驅(qū)動電路電壓，經(jīng)過驅(qū)動電路的放大和調(diào)理后，給接觸器的線圈供電，使鐵芯動作，分合閘動作開始。通過速度檢測，一般都采用精度高響應速度快的速度傳感器來檢測鐵芯的運動速度，得到實時的鐵芯的運動狀態(tài)。傳感器將鐵芯的實時運動狀態(tài)通過模擬信號傳給單片機。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號。

速度給定存儲于單片機中，這里的速度給定是根據(jù)接觸器的工作氣隙長度、觸頭系統(tǒng)的質(zhì)量等，得出的最優(yōu)的鐵芯運動的速度曲線，曲線大致為：在吸合時，使觸頭先加速運動，到達某一位置后，開始做減速運動。使鐵芯在將要閉合時，觸頭的速度為0，加速度還很大。在開閘時，同理。將速度給定與得到的數(shù)字信號比較，經(jīng)過加減預算得出差值，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后得出最優(yōu)的輸出電壓。然后再經(jīng)過驅(qū)動電路的放大和調(diào)理后，給線圈供電。形成閉環(huán)控制系統(tǒng)

在實際速度小于給定速度曲線時，給線圈通電，使銜鐵加速運動，當實際速度大于給定曲線時，在反力的作用下比如彈簧反力，使鐵芯做減速運動。使鐵芯的實際速度與給定的最優(yōu)速度曲線相吻合。實現(xiàn)接觸器無彈跳分合閘，消除了觸頭的二次彈跳，消除了斷續(xù)電弧，在電流過零時刻開斷，實現(xiàn)了無弧分斷，大幅提高了接觸器的使用壽命。

4.2控制系統(tǒng)數(shù)學模型

本文通過Simulink軟件對異步組合式接觸器的控制系統(tǒng)進行仿真，研究其動態(tài)特性。根據(jù)式（3）（4）（5），對接觸器閉環(huán)控制系統(tǒng)建模，圖4為閉環(huán)控制系統(tǒng)的Simulink模型。其中Subsystem1模塊為電路模型，Subsystem2為磁路模型，Subsystem3模塊為限位控制模塊。FF模塊為施加的反力。

圖4閉環(huán)控制系統(tǒng)的Simulink模型

Simulink的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5分合閘過程閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果圖

從圖中可以看出在釋放過程中銜鐵先做恒加速運動，當在0.3s時銜鐵開始做減速運動，當?shù)竭_閉合位置（4mm）時，銜鐵速度剛好為0,也就是合閘時銜鐵的動量為0，實現(xiàn)了無彈跳閉合，整閉合時間大約為0.48s。釋放時銜鐵做勻變速運動，在速度-24mm/s處轉(zhuǎn)折。整個釋放時間約為0.42s。從而實現(xiàn)了無彈跳閉合，消除了分斷時產(chǎn)生的電弧，提高了接觸器的電壽命。單相閉合時間為0.5s，釋放時間為0.42s，和常規(guī)接觸器相比差別不大[5]，不影響使用時的開合閘速度。

5.總結(jié)

本文提出了一種異步組合式接觸器控制方法，將閉環(huán)控制應用在了智能接觸器中，探索出了實現(xiàn)無彈跳分合閘的新途徑。應用Ansoft有限元分析軟件，對異步組合式接觸器的電磁系統(tǒng)進行分析計算，根據(jù)Ansoft的仿真計算結(jié)果，應用MATLAB數(shù)據(jù)擬合的方法，優(yōu)化了氣隙磁導，重新給出了氣隙磁導公式，并帶入仿真模型中。將運動過程的動態(tài)控制應用于接觸器中，可以將影響接觸器運動時間的諸多不確定因素通過速度的閉環(huán)隨動控制消除。實現(xiàn)接觸器觸頭運動過程的分階段控制，消除了接觸器閉合時的觸頭彈跳和分斷時產(chǎn)生的電弧，進而提高接觸器的電氣壽命。

參考文獻

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[3]劉穎異，陳德桂，紐春萍，季良.帶電壓反饋的智能接觸器動態(tài)特性及觸頭彈跳的仿真與研究[J].中國電機工程學報.Vol.27No.30,2007:20-25.

[4]張冠生，陸儉國.電磁鐵與自動電磁元件[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982：55-227.

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