具有軟啟動與無弧通斷功能交流接觸器設(shè)計

1、密級：具有軟啟動和無弧通斷功能交流接觸器設(shè)計Design of AC Contactor with Soft-start and Non-Arc On/Off Function學(xué) 院：電氣工程學(xué)院專 業(yè) 班 級：電氣工程及其自動化學(xué) 號：學(xué) 生 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： （副教授）2011 年 06 月摘 要接觸器是屬于長期工作制的、用途最為廣泛的低壓電器之一。但一般的交流接觸器無論是就其自身的觸頭滅弧系統(tǒng)（動、靜觸頭及滅弧罩等），還是其在降低大電動機(jī)啟動電流方面都存在常規(guī)設(shè)計所不能克服的缺點(diǎn)。如：交流接觸器的電壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其機(jī)械壽命，無法降低電動機(jī)大電流啟動對電網(wǎng)電壓和自身使用壽命的影響等

2、等。這些缺點(diǎn)不僅會浪費(fèi)能源，增加不必要的自身損耗，甚至還會影響到電網(wǎng)中其它設(shè)備的正常使用。基于此，本文將展開了對交流接觸器無弧化通斷與對電動機(jī)軟啟動的研究。本文對目前已有的交流接觸器結(jié)構(gòu)及工作原理，進(jìn)行了詳細(xì)分析。同時就合閘、保持與分閘三個方面對交流接觸器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，進(jìn)行深入研究。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了交流接觸器的動態(tài)參數(shù)的測量，提出軟啟動與無弧通斷接觸器的整體方案。 該方案將利用雙向可控硅與原交流接觸器的主觸點(diǎn)相并聯(lián)，通過可控硅輔助回路在主回路通斷時進(jìn)行分流，來實(shí)現(xiàn)無弧通斷，提高接觸器的電壽命；利用單片機(jī)信號控制輔助回路上可控硅的導(dǎo)通角，對電動機(jī)啟動進(jìn)行調(diào)壓，來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)軟啟動，降低電

3、動機(jī)啟動時對電網(wǎng)與自身的影響；利用永磁體來保持交流接觸器的分合閘狀態(tài)，減少能量的損耗，與觸頭振動。設(shè)計多種電源電路，對交流接觸器的各個部分進(jìn)行供電。設(shè)計主電路電壓電流檢測電路，通過對測得的電壓電流值進(jìn)行分析，證明接觸器初步具有了無弧通斷與電機(jī)軟啟動的功能。關(guān)鍵詞：接觸器；無弧通斷；軟啟動；永磁保持；單片機(jī)AbstractContacts are part of long-term work system, one of the most widely used low-voltage electrical appliances. But in general AC contacts, whet

4、her on its own contact arc-system (dynamic, static contact and the arc chute, etc.) or in terms of reducing the large motor starting current aspects of conventional design can not overcome the existing shortcomings. For example, AC contactor life is in far less than its mechanical life cannot reduce

5、 the motor starting current influence on power system voltage and their own life, and so on. These shortcomings will not only waste energy, adding unnecessary equipment loss, or even affect the normal use of devices. Based on these, the article will expand to the study of non-ARC AC contactor and mo

6、tor soft-start. In the article currently carry out a detailed analysis of the structure and working principle of AC contactor. At the same time in-depth study the status and development trend of domestic and foreign on the closing, maintaining, and sub-gate-three aspects of the AC contactors. On thi

7、s basis, measure dynamic parameters of AC contactors, make of soft starter and no-arc contactors as a whole program. The program will use TRIAC with the original contactors main contacts in parallel, by SCR secondary circuit in the primary circuit-break, and to achieve non-ARC-break, improving the e

8、lectrical life of contactors; Using single-chip signal control on the SCR conduction angle of the secondary circuit, the motor starting voltage to achieve motor soft-start, reduce motor starting on power system and its effects; Keep AC contactor with permanent magnet to closed, reducing energy loss,

9、 and contact vibration.Design a variety of power supply circuits used to supply power to parts of the AC contactor. Design of main circuit of voltage and current detection circuit, through the analysis of measured voltage and current values, prove that contactors Preliminarily has the non-arc on/off

10、 and motor soft-start function.Keywords: contacts; non-arc on/off; soft-start; permanent magnet to maintain; SCM 目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題研究背景、目的及意義11.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢11.2.1 合閘控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀21.2.2 節(jié)能保持技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀61.2.3 分閘控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀71.2.4 其他理論技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀101.3 課題主要研究內(nèi)容10第2章 CJ20-100接觸器動作參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)112.1 引言112.2 測量實(shí)驗(yàn)設(shè)計112

11、.2.1 設(shè)計思想與待解決問題112.2.2 實(shí)驗(yàn)中問題的解決辦法132.2.3 動作參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)電路182.3 動作參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)過程182.3.1 吸合時間測量實(shí)驗(yàn)過程192.3.2 釋放時間測量實(shí)驗(yàn)過程192.4 動態(tài)參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)20第3章 軟啟動無弧通斷交流接觸器總體設(shè)計213.1 引言213.2 研究對象簡介213.2.1 接觸器技術(shù)性能分析213.2.2 接觸器工作原理簡述223.3硬件總體設(shè)計233.4軟件總體設(shè)計25第4章 軟啟動無弧通斷交流接觸器硬件設(shè)計264.1 引言264.2 系統(tǒng)直流供電電源設(shè)計264.2.1 芯片5V直流電源設(shè)計264.2.2 調(diào)壓驅(qū)動直流電源設(shè)計2

12、74.3 分合閘執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計274.3.1 分合閘執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計274.3.2 分合閘保持系統(tǒng)設(shè)計284.4 可控硅分流調(diào)壓主回路設(shè)計304.5 可控硅調(diào)壓信號驅(qū)動電路設(shè)計324.6 中央控制與測量顯示系統(tǒng)設(shè)計354.6.1 基本芯片介紹354.6.2 中央控制系統(tǒng)設(shè)計374.6.3 測量顯示系統(tǒng)設(shè)計424.6.4 控制系統(tǒng)I/O口設(shè)計444.7 電壓電流檢測系統(tǒng)設(shè)計44第5章 結(jié)論48參 考 文 獻(xiàn)49致謝52第1章 緒論1.1 課題研究背景、目的及意義接觸器是屬于長期工作制的、用途最為廣泛的低壓電器之一，但一般的交流接觸器無論是就其自身的觸頭滅弧系統(tǒng)（動、靜觸頭及滅弧罩等）還是其在降低大電機(jī)

13、啟動電流方面都存在常規(guī)設(shè)計所不能克服的缺點(diǎn)1。首先，其觸頭在分?jǐn)嚯娐冯娏鲿r，不可避免地會產(chǎn)生電弧。而交流接觸器的電壽命之所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其機(jī)械壽命，主要就是因?yàn)榉謹(jǐn)噙^程中電弧的存在。在強(qiáng)力熄弧、無弧分?jǐn)喾矫嬉酝泻芏嘌芯砍晒?，但由于可靠性、工藝等諸多原因，一直未能得以推廣應(yīng)用；其次，電動機(jī)的啟動電流達(dá)到額定電流的57倍，將引起電網(wǎng)電壓急劇下降，使啟動轉(zhuǎn)矩減小，造成啟動失敗，且影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。同時，直接啟動勢必對電動機(jī)本身帶來很大的沖擊力，產(chǎn)生過熱，影響使用壽命。電動機(jī)容量越大，受影響的程度越深。雖然以往在這方面也有許多探索性研究結(jié)果，同樣由于可靠性、成本、方案復(fù)雜等原因，市場上成型產(chǎn)品

14、也不多見1?；谝陨蟽煞矫娴膯栴}，畢業(yè)設(shè)計將針對觸頭滅弧系統(tǒng)和電動機(jī)的軟啟動控制分別提出一種簡單易行、可靠性高、成本低、性能優(yōu)的解決方案。以增加交流接觸器的電壽命，并可以使電動機(jī)軟啟動，降低對電動機(jī)自身與電網(wǎng)中其他用電設(shè)備的影響。1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢具有多種附加功能（如：軟啟動、無弧通斷等）的永磁交流接觸器的主要理論包括：電器理論（接觸器線圈的勵磁方式、永磁鐵在接觸器中的使用）、電力電子理論（對接觸器進(jìn)行軟啟動功能方面的改進(jìn)、對接觸器進(jìn)行無弧通斷功能方面的改進(jìn)、進(jìn)行軟啟動無弧通斷接觸器控制回路的設(shè)計）、單片機(jī)技術(shù)理論（接觸器軟啟動無弧通斷觸發(fā)信號的生成、檢測信號的顯示、接觸器軟啟動

15、無弧通斷方面的編程）。其中具有軟啟動和無弧通斷功能的智能化交流接觸器是目前復(fù)合型交流接觸器的主要研究趨勢，其包括合閘、保持和分閘三個部分。合閘關(guān)鍵技術(shù)分為交流激磁合閘，直流激磁合閘與無觸點(diǎn)器件對電動機(jī)進(jìn)行降壓啟動。保持關(guān)鍵技術(shù)分為低壓直流保持和永磁保持等。分閘的關(guān)鍵技術(shù)有過零分?jǐn)嗉夹g(shù)、無觸點(diǎn)器件分流調(diào)壓技術(shù)及主觸頭系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)等2。1.2.1 合閘控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀(1) 交流勵磁技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀交流激磁指勵磁線圈加交流電壓3。交流激磁智能合閘操作原理是通過控制功率晶體管定時、定相導(dǎo)通線圈激磁電壓，其原理圖如圖1-1所示。圖1-1 交流智能合閘原理圖福州大學(xué)最早通過試驗(yàn)，得出合閘相角不同，鐵芯閉合

16、末速度不同，觸點(diǎn)振動情況不同的結(jié)論。觸頭回跳產(chǎn)生的斷續(xù)電弧造成觸頭侵蝕，因而必須尋找合適的合閘相角以減小觸頭的回跳，從而延長接觸器電壽命4,5。傳統(tǒng)的方法是通過實(shí)驗(yàn)得到不同電壓、不同合閘相角下的觸頭振動波形，通過觀察法檢測回跳情況從而尋找出最佳合閘相角。并通過分析與電壽命、機(jī)械壽命和接通能力最密切相關(guān)的各參量，并組成模糊綜合評判的評判因素集合，利用模糊綜合評判的方法，設(shè)計出最佳合閘相角6。CAD技術(shù)的發(fā)展為觸頭閉合動態(tài)全過程的分析提供了虛擬分析途徑。西安交通大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)都采用了基于ANSYS軟件的虛擬樣機(jī)技術(shù)仿真接觸器動態(tài)閉合全過程，并通過分析計算得到鐵心速度、觸頭速度等影響觸頭振動的參

17、量。前者以鐵心速度為判據(jù)，后者以基于Game的多目標(biāo)優(yōu)化算法得到最佳合閘相角7,8。最佳合閘相角確定后，在控制的實(shí)現(xiàn)方面，引入了反饋技術(shù)。智能化的接觸器能實(shí)時檢測接觸器操作線圈兩端的電壓，故在不同的電網(wǎng)電壓下，吸合過程的動態(tài)吸力特性都可以和接觸器的反力特性很好地配合，能明顯減少觸頭振動，提高接觸器的機(jī)械壽命和電壽命9。日本富士電機(jī)公司設(shè)計的NewSC系列接觸器，采用專用集成電路構(gòu)成超級電磁系統(tǒng)，控制接觸器智能通斷。法國TE公司生產(chǎn)的LC-1F系列交流接觸器，采用交-直雙線圈驅(qū)動10,11。(2) 直流激磁技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀直流激磁啟動指激磁電壓由交流電壓改為直流電壓。通過實(shí)驗(yàn)分析，針對某一型號交流接

18、觸器，只要加上不低于某一預(yù)定值的直流電壓，接觸器就能可靠吸合，并且一、二次彈跳明顯減弱12。同時直流激磁不產(chǎn)生交流激磁的合閘相角問題，并且易于控制激磁能量。合閘時可以控制供電電壓的導(dǎo)通時間或大小，以改變激磁能量，從而改變合閘瞬間的觸頭速度，減少觸頭振動時間，達(dá)到吸反力特性最佳配合。在直流激磁方面，國外研究者做了大量工作。西英格蘭大學(xué)T.S.Davies與H.Nouri將電磁系統(tǒng)改用直流激磁，對線圈的激磁采用如圖1-2的控制時序。智能系統(tǒng)根據(jù)線圈電流反饋，自動調(diào)節(jié)激磁時間、，從而改變線圈激磁能量，致使接觸器主觸頭閉合瞬間速度最小，觸頭振動時間最短13。 圖1-2 合閘電壓控制在產(chǎn)品方面，德國 K

19、lockner-Moeller（金鐘-穆勒）公司設(shè)計的DILM185-820 系列交流接觸器是這方面的代表。圖1-3為DIL M185-820系列接觸器結(jié)構(gòu)分解圖。 圖1-3 DIL M185-820系列交流接觸器結(jié)構(gòu)圖該系列交流接觸器的電磁線圈由一脈沖整流電壓供電，按照存儲在微處理器中的吸反力特性最佳配合曲線來調(diào)節(jié)線圈電流。在吸合階段輸入寬脈沖電壓，使主觸頭安全可靠地吸合，且回跳時間只有 1.5ms左右，降低了觸頭電磨損，節(jié)省了大量的觸頭材料，提高了接觸器電壽命。在保持階段輸入窄脈沖電壓，在保持觸頭閉合條件下節(jié)能運(yùn)行14,15。圖1-4 合閘電壓控制美國Westinghouse（西屋）公司的

20、Advantage系列接觸器，裝有帶單片機(jī)的電子線路板(SURE)。利用能量平衡原理，通過監(jiān)測線圈電流的變化選取最佳動態(tài)特性曲線，使閉合過程中線圈消耗功率最小，閉合后使線圈功率迅速下降，使閉合速度幾乎為零，減少了觸頭的二次彈跳16。圖1-5 最小電壓激磁方式近年來國內(nèi)研究者也開展了大量的研究工作。福州大學(xué)提出如圖 1-4 的直流脈動電壓激磁的控制理論。通過實(shí)驗(yàn)得出不同電壓下的最佳延時時間參數(shù)、，存儲在微處理器系統(tǒng)里，接觸器可根據(jù)不同的電網(wǎng)電壓自行確定最佳運(yùn)行參數(shù)17。西安交通大學(xué)則提出最小吸合電壓理論。電網(wǎng)電壓在 85%110% 額定線圈電壓值波動時，保持線圈電壓不變，且吸力特性僅稍高于反力特

21、性9。其線圈供電電壓如圖 1-5 所示。(3) 軟啟動技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀按照工作原理的學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行劃分，目前國內(nèi)外常用的軟啟動技術(shù)主要可分為18：機(jī)械類軟啟動技術(shù)：主要通過改變機(jī)械系統(tǒng)的工作原理來實(shí)現(xiàn)軟啟動功能，而不依賴于電動機(jī)本身的特性。例如：液力偶合器軟啟動、液體黏性軟啟動、磁粉制動軟啟動、低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)軟啟動等。電機(jī)類軟啟動技術(shù)：通過改變電動機(jī)的結(jié)構(gòu)或改變電源特性。使得電動機(jī)獲得良好的軟啟動特性，而不依賴于機(jī)械系統(tǒng)的工作原理。例如：軟啟動器軟啟動、大功率變頻調(diào)速軟啟動、直流電動機(jī)軟啟動以及開關(guān)磁阻電動機(jī)軟啟動等。機(jī)電結(jié)合類軟啟動技術(shù)：軟啟動功能的實(shí)現(xiàn)同時依賴于機(jī)械系統(tǒng)的工作原理和電動機(jī)的

22、工作特性。例如雙電動機(jī)差動軟啟動等。電動機(jī)軟起動技術(shù)也在與時俱進(jìn)地不斷發(fā)展，隨著電力電子器件技術(shù)的發(fā)展 ,電動機(jī)的軟起動有幾個值得重視的分支：磁控軟起動、SCR軟起動、液阻軟起動，其中以 SCR軟起動應(yīng)用最為廣泛。為便于控制，軟啟動器、開關(guān)及控制電路可以設(shè)計成一個完整的電機(jī)控制中心，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的綜合控制及對故障的記錄與報警，可實(shí)現(xiàn)控制集成化；軟啟動器與可編程序控制器(PLC)組合后，使控制系統(tǒng)的更為方便靈活及可靠，可實(shí)現(xiàn)控制的數(shù)字化；與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)控制的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。將軟啟動技術(shù)引入到接觸器中來，將會是電氣設(shè)備多功能方面的進(jìn)一步嘗試。1.2.2 節(jié)能保持技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀線圈通交流

23、電時，鐵芯產(chǎn)生渦流和磁滯損耗。交流電產(chǎn)生的電磁吸力以兩倍工頻脈動，出現(xiàn)反力大于吸力的情況，鐵芯振動產(chǎn)生噪音并加快觸頭磨損16。試驗(yàn)研究表明，在接觸器可靠吸合后，只要維持保持電壓不低于某直流值，就可以穩(wěn)定地保持吸合狀態(tài)。在運(yùn)行過程中采用降壓直流智能控制，可以減少接觸器所消耗的功率，大幅度節(jié)能降噪。在直流吸持下斷開接觸器，釋放時間基本穩(wěn)定，有利于提高智能分?jǐn)嗟目刂凭取D 1-6 為降壓直流保持操作原理圖。圖1-6 降壓直流保持操作原理圖近年來剩磁原理亦應(yīng)用于接觸器的分合閘保持。永磁結(jié)構(gòu)具有斷電自保持功能，為接觸器的分合閘保持提供了更為環(huán)保、節(jié)能的途徑。1.2.3 分閘控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀(1) 滅弧

24、理論技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)階段，電弧電接觸是國內(nèi)外研究的一個熱點(diǎn)問題，就如何提高接觸器的滅弧能力，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度進(jìn)行了研究：是研究不同材料的特性, 尋找更好的觸頭材料，提高觸頭的耐磨耐燒蝕能力。是研究新型的滅弧結(jié)構(gòu)，如采用永磁滅弧罩等，提高滅弧效率。是研究交流接觸器通斷時選相合閘的問題，選擇更合適的閉合和斷開相角，降低電弧的影響。是研究混合式接觸器，最大限度地減少電弧的危害。是研究限流方法減小電弧的影響。(2) 過零分?jǐn)嗉夹g(shù)確定分?jǐn)噙^程何時發(fā)生的唯一原則就是在時間允許的前提下使電弧總能量最小。對于三相電磁電路來說，如果分?jǐn)噙^程發(fā)生在某一相電流過零時刻，此時三相電弧的總能量應(yīng)該為最小，即過零分

25、斷技術(shù)。但是由于過零檢測實(shí)現(xiàn)難度大，該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用難度較大19。(3) 無觸點(diǎn)分流調(diào)壓技術(shù)在無弧通斷方面，研究新型混合式接觸器。將電力電子器件應(yīng)用于接觸器領(lǐng)域，在觸頭滅弧系統(tǒng)采用電力電子器件雙向可控硅與接觸器觸頭并聯(lián)，通過一定的控制電路使電路的接通與分?jǐn)嗑鶎?shí)現(xiàn)無弧通斷，其原理圖如圖 1-7 所圖1-7 無弧分?jǐn)嘣韴D示。運(yùn)行期間由機(jī)械觸頭承擔(dān)電流，在分?jǐn)噙^程中，由電力電子器件承擔(dān)分?jǐn)嚯娏鳌＿@種新方法不僅提高了分?jǐn)嗄芰?，而且減少了接觸器開斷電路時觸頭的電磨損，大大提高了交流接觸器的電壽命。同時，因其實(shí)現(xiàn)了無弧分?jǐn)喙δ?，在石化、礦井等易燃易爆場合也可獲得廣泛應(yīng)用。根據(jù)該原理，德國Klockner

26、-Moeller設(shè)計的DIL系列混合交流接觸器，采用主觸頭并聯(lián)雙向晶閘管。其電壽命已達(dá)到了300萬次，比一般的接觸器提高了2-3倍14,20。晶閘管的控制電路可以是獨(dú)立電子元器件組成的電子延時電路，也可以是由槽隙式光耦和與觸頭聯(lián)動的擋光槽片組成的過零觸發(fā)電路21，也可以是單片機(jī)系統(tǒng)，這是目前普遍采用的技術(shù)。但是由于電力電子器件抗浪涌能力差，導(dǎo)通時本身存在壓降，功率大，而且電源與負(fù)載沒有明顯的斷點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)完全隔離。因而新思路是采用新材料以承擔(dān)分?jǐn)嚯娏鳎颖惫I(yè)大學(xué)嘗試采用PTC新材料22。(4) 觸頭系統(tǒng)改造技術(shù)對主觸頭系統(tǒng)的改造可以提高主觸頭電壽命。加裝速斷勵磁機(jī)構(gòu)，提高分?jǐn)嗨俣龋换蛘吒淖冇|

27、頭結(jié)構(gòu)，使之具有不同的開距，配合過零分?jǐn)嗉夹g(shù)，通過實(shí)驗(yàn)找出首開相的最佳分?jǐn)嗫刂茀^(qū)域。圖1-8是混合交流接觸器的原理圖。 隨著微處理器集成度及其性價比的提高，單片機(jī)被廣泛應(yīng)用于接觸器的智能控制。單片機(jī)通過檢測執(zhí)行信號，自動適時導(dǎo)通晶閘管分流，一定延時后自動關(guān)斷電力電子器件，實(shí)現(xiàn)無弧分?jǐn)唷榱私档统杀炯鞍l(fā)揮單片機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢，可以通過檢測三相電流，實(shí)現(xiàn)首開相過零分?jǐn)?。首開相分?jǐn)嗪螅溆鄡上嚯娏鞣较蛳喾?，可以只用兩個單向晶閘管實(shí)現(xiàn)無弧分?jǐn)?7,23。同時改造觸頭開距，使首開相分?jǐn)鄷r，其余兩相電流很小?；谶@個原理還設(shè)計了組合式交流接觸器，即首開相B相與A、C相分開，分別用單極和兩極接觸器代替，實(shí)現(xiàn)三相

28、電流同時過零分?jǐn)?4-26。圖1-8 混合交流接觸器原理圖1.2.4 其他理論技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀由于過零分?jǐn)嚯y于控制，混合設(shè)計成本較高，國外開展了機(jī)遇分?jǐn)噙^程電弧理論的研究，以提高觸頭電壽命。B.Capp提出了電弧電子電位模型理論，該理論指出如能保持觸頭間開距為 0.1mm，則兩電極從電弧中接受相等的能量，因而獲得觸頭最小侵蝕。H.Nouri設(shè)計的電磁系統(tǒng)由一電子線路供電，在電源第一半波中以小電流激磁，讓可動部件有一近乎常值的速度10mm/s，則第一半波結(jié)束時，觸頭開距僅為0.1mm。第一半波后，改為大電流激磁，觸頭快速分?jǐn)唷Ｄ壳霸摷夹g(shù)的應(yīng)用僅限于小容量交流接觸器27,28。利用在分?jǐn)噙^程的金屬相和

29、氣相電弧兩種過程中，觸頭材料在陽極陰極轉(zhuǎn)移方向相反的現(xiàn)象，J.Swingler和J.C.McBride通過控制分閘相角和燃弧延續(xù)時間，可實(shí)現(xiàn)觸頭材料的零磨損。H.Nouri研究了不同材料在不同分?jǐn)嘞嘟窍碌糜|頭侵蝕情況29。1.3 課題主要研究內(nèi)容(1) 采用電力電子器件與原交流接觸器的機(jī)械觸點(diǎn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對主回路的分壓分流功能;(2) 通過單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)對交流接觸器吸合閘執(zhí)行系統(tǒng)與分流分壓電力電子器件的導(dǎo)通時間的智能控制；(3) 通過測量主回路電流與電動機(jī)電壓，驗(yàn)證是否實(shí)現(xiàn)對交流CJ20-100接觸器的無弧通斷功能與對電動機(jī)的軟啟動功能。第2章 CJ20-100接觸器動作參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)2.1

30、引言本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟跍y量CJ20-100接觸器的吸合時間與釋放時間。它們的物理含義是：接觸器的吸合時間：從接觸器線圈通電到接觸器主觸點(diǎn)閉合的時間。接觸器的釋放時間：從接觸器線圈斷電到接觸器主觸點(diǎn)分開的時間。本章將通過應(yīng)用電子電器方面的相關(guān)知識，設(shè)計簡易測量電路，對接觸器的吸合時間與分?jǐn)鄷r間進(jìn)行分別測量。2.2 測量實(shí)驗(yàn)設(shè)計2.2.1 設(shè)計思想與待解決問題(1) 吸合時間測量的設(shè)計思想與待解決的問題接觸器的主觸點(diǎn)閉合時，相當(dāng)于一根短路的導(dǎo)線，并且接觸器的主觸點(diǎn)閉合的時刻即是接觸器吸合時間結(jié)束的時刻。所以，我們要想辦法讓計時設(shè)備在短路的情況下停止計時。由于計時設(shè)備是在短路的情況下進(jìn)行計時的，并且接

31、觸器線圈得電的時刻，即是接觸器吸合時間的開始時刻。所以，我們要讓接觸器線圈得電的同時，計時設(shè)備也處于短路狀態(tài)。(2) 釋放時間測量的設(shè)計思想與待解決的問題接觸器的主觸點(diǎn)斷開時，相當(dāng)于斷路的情況，并且接觸器的主觸點(diǎn)斷開的時刻即是接觸器釋放時間結(jié)束的時刻。所以，我們要想辦法讓計時設(shè)備在斷路的情況下停止計時。由于計時設(shè)備是在斷路的情況下進(jìn)行計時的，并且接觸器線圈失電的時刻，即是接觸器釋放時間的開始時刻。所以，我們要讓接觸器線圈失電的同時，計時設(shè)備也處于斷路狀態(tài)。(3) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)的記錄：無論是日常生活，還是生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)常要面對一些數(shù)據(jù)。當(dāng)把這些數(shù)據(jù)記錄下來，或進(jìn)行整理時，首先遇到的問題就

32、是該用幾位數(shù)字來表示這些數(shù)據(jù)。有些人認(rèn)為小數(shù)點(diǎn)后面的位數(shù)越多，數(shù)據(jù)越精確，因此不厭其煩地把所有的數(shù)字都記錄下來?？墒牵?dāng)進(jìn)一步整理這些數(shù)據(jù)的時候，會發(fā)現(xiàn)記錄小數(shù)點(diǎn)后面一些毫無價值的數(shù)字不僅浪費(fèi)了寶貴的時間，也給后面的數(shù)據(jù)處理帶來了麻煩。在這里提出了一個問題，實(shí)驗(yàn)中該記錄多少位數(shù)字，或者說數(shù)據(jù)的有效位數(shù)該如何確定。對實(shí)驗(yàn)已記錄數(shù)據(jù)的處理：在傳統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，會遇到舍入處理，進(jìn)而引入“四舍五入”法。引入“四舍五入”法，是期望在大量的數(shù)據(jù)舍入處理中，由舍和入產(chǎn)生的誤差可以相互抵消。如：舍棄位第一位為1舍去1，不進(jìn)位，把它看作-1；而把舍棄位第一位為9的進(jìn)位，把它看作1，這樣，9與1，8與2，

33、7與3，6與4經(jīng)過四舍五入之后，分別看作1與-1，2與-2，3與-3，4與-4。在大量數(shù)據(jù)中，可以認(rèn)為這些數(shù)據(jù)舍入誤差出現(xiàn)的幾率相等，因而在大量數(shù)據(jù)處理中是可以相互抵消的。但是可以看出，“四舍五入”法中，當(dāng)舍棄位第一位是5時，其舍入誤差是5,此誤差無法抵消。這就是古典的“四舍五入”法的弊端。誤差分析： 一般實(shí)驗(yàn)中的誤差可以分為以下三類： 系統(tǒng)誤差：指測定中某種未發(fā)現(xiàn)或未確認(rèn)的因素引起的誤差。這種誤差的特點(diǎn)是具有方向性和重現(xiàn)性，即測定結(jié)果中偏大或偏小，其大小和符號在同一實(shí)驗(yàn)中完全相同。這種誤差一般由于所用儀器沒有經(jīng)過校準(zhǔn)，或觀測環(huán)境（如溫度、壓力和濕度等）的變化，觀測者的某種習(xí)慣等造成。過失誤差

34、：由于觀測者粗心大意、操作失誤造成的明顯與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符的誤差。這種誤差又稱為粗差。比如，觀測者讀錯儀器表示的數(shù)字，對于要求清零的儀器測試前忘記清零，以及記錄和計算錯誤造成的誤差。這種誤差的特點(diǎn)是誤差沒有規(guī)律，沒有系統(tǒng)誤差所表現(xiàn)出的方向性和重現(xiàn)性。偶然誤差：在測量中消除了系統(tǒng)誤差的一切因素，同時消除了測量人員粗心大意造成過失誤差的可能性，在所測得的數(shù)據(jù)最后一位或兩位數(shù)字仍然有差別。對于具體的一次測量，其誤差可大可小、可正可負(fù)，但是如果進(jìn)行大量測試，就會發(fā)現(xiàn)其平均值趨于零。這種誤差稱為偶然誤差。偶然誤差完全由概率決定，服從統(tǒng)計定律，符合正態(tài)分布，可以運(yùn)用概率理論進(jìn)行處理。由于實(shí)驗(yàn)較為簡易，實(shí)驗(yàn)中測

35、得的接觸器器吸合與釋放時間的準(zhǔn)確性會較低。所以，我們要試圖降低這個不確定性。2.2.2 實(shí)驗(yàn)中問題的解決辦法(1) 吸合時間測量實(shí)驗(yàn)中問題的解決由于我們需要在接觸器線圈的得電的同時，開始計時。在接觸器的主觸點(diǎn)閉合的同時，停止計時。并且接觸器吸合與釋放時間都是毫秒級的，所以需要用到數(shù)字毫秒計。一般的數(shù)字毫秒計如圖2-1所示。其中，圖2-1 數(shù)字式毫秒計為數(shù)碼管顯示屏：用來顯示測得的時間。為手動復(fù)位按鈕：用來在手動的狀態(tài)下對數(shù)字毫秒計清零。為手動狀態(tài)與自動狀態(tài)轉(zhuǎn)換按鈕：用來進(jìn)行對數(shù)字毫秒計手動清零方式與自動清零方的轉(zhuǎn)換。為延時復(fù)位旋鈕：用來調(diào)節(jié)數(shù)字毫秒計在自動清零狀態(tài)下保持記錄數(shù)值的時間長短。為指

36、示燈：用來顯示數(shù)字毫秒計的工作狀態(tài)。為機(jī)控與光控轉(zhuǎn)換按鈕：用來對數(shù)字毫秒計計時條件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（機(jī)控指用機(jī)械接觸開關(guān)的通斷來控制計時的“計”和“?！?光控指利用光的被遮與否來控制毫秒計的計時動作）。為AB轉(zhuǎn)換按鈕：在光控狀態(tài)下，用來對連續(xù)遮光計時狀態(tài)，與兩次遮光間隔計時狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在機(jī)控狀態(tài)下，用來對短路計時狀態(tài)與斷路計時狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。開關(guān)按鈕：控制數(shù)字毫秒計的開和關(guān)。量程選擇按鈕：用來調(diào)整數(shù)字毫秒計的測量范圍與精度。數(shù)字毫秒計是用數(shù)碼管顯示時間數(shù)字的一種精確計時儀器（數(shù)字毫秒計的面板示意圖如圖2-2所示），這種儀器的顯著特點(diǎn)是能夠測量很短的時間。一般的數(shù)字毫秒計可以測量的最小時間間隔

37、為0.1ms，最大量程為99999s。圖2-2 數(shù)字毫秒計的面板示意圖雖然數(shù)字毫秒計的種類很多，但工作原理基本相同。它是利用石英晶體振蕩器所產(chǎn)生的10kHz的電脈沖（即每秒內(nèi)準(zhǔn)確產(chǎn)生一萬個脈沖，每個脈沖相隔的時間為0.1ms）在開始計數(shù)和停止計數(shù)的時間間隔內(nèi)推動計數(shù)器計數(shù)，1個脈沖計一個數(shù)字。通過計數(shù)器所計的數(shù)字可以知道從“計”到“停”這段時間的長短，并用數(shù)碼管直接顯示出來。因此，在吸合時間測量實(shí)驗(yàn)中要將數(shù)字毫秒計轉(zhuǎn)為機(jī)控短路計時狀態(tài)。并圖2-3 雙刀開關(guān)使接觸器線圈得電的同時，讓數(shù)字毫秒計的輸入1端口短路即可（可以使用如圖2-3所示的雙刀開關(guān)對兩個回路進(jìn)行同步控制來實(shí)現(xiàn)）。(2) 釋放時間測

38、量實(shí)驗(yàn)中問題的解決由于需要在接觸器線圈的失電的同時，開始計時。在接觸器的主觸點(diǎn)打開的同時，停止計時。所以，只需要將數(shù)字毫秒計設(shè)置在機(jī)械控制狀態(tài)，斷路開始計時與停止計時的檔位上即可。(3) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理數(shù)據(jù)的記錄：其實(shí)，數(shù)字的有效位數(shù)受測量儀表和測量者的感官功能限制。如果記錄數(shù)字的位數(shù)低于這種限制，可能會失去一些有價值的信息。反之，如果高于這種限制，數(shù)字所表現(xiàn)出來的精度則是虛假精度。確定有效位數(shù)的正確做法是所取位數(shù)除末一位數(shù)字為測量時的可疑數(shù)或估計數(shù)外，其余各位數(shù)字都是準(zhǔn)確可靠的。通常末一位可疑數(shù)字上下可以有一個單位的誤差。這樣的數(shù)字稱為有效數(shù)字。對實(shí)驗(yàn)已記錄數(shù)據(jù)的處理：其實(shí)，只要讓5自己相互

39、抵消，這個問題就可以解決。如果我們在使用“四舍五入”法時，人為地將舍棄位第一位是5的舍入誤差分為兩半，一半舍去，而另一半進(jìn)入，就可以在大量數(shù)據(jù)處理中使當(dāng)舍棄位第一位是5時的舍入誤差相抵消。我國科學(xué)技術(shù)委員會正式頒布了數(shù)學(xué)修約規(guī)則，通稱為“四舍六入五單雙”法則30。概括說明如下：四舍六入五考慮，五后非零必進(jìn)一。五后皆零視奇偶，五前為偶應(yīng)舍去，五前為奇則進(jìn)一。 這一法則的具體運(yùn)用分述如下：若被舍棄的第一位數(shù)字小于5，則其前一位保持不變。如，28.2345只取三位有效數(shù)字時，其被舍棄的第一位數(shù)字為3，小于5，則有效數(shù)字應(yīng)為28.2。若被舍棄的第一位數(shù)字大于5，則其前一位數(shù)字加1。如，28.2645只

40、取三位有效數(shù)字時，其被舍棄的第一位數(shù)字是6，大于5, 則有效數(shù)字應(yīng)為28.3。若被舍棄的第一位數(shù)字等于5，而其后數(shù)字全部為零，則視被保留的末位數(shù)字為奇數(shù)還是偶數(shù)而定進(jìn)或舍。奇數(shù)時進(jìn)一，偶數(shù)時舍。如，28.350及28.250，只取三位有效數(shù)字時，則分別為28.4及28.2。若被舍棄的第一位數(shù)字等于5，而其后面的數(shù)字并非全部為零，則進(jìn)一。如，28.2501,只取三位有效數(shù)字時，則進(jìn)一，成為28.3。若被舍棄的數(shù)字包括幾位數(shù)字時，不得對該數(shù)字進(jìn)行連續(xù)的進(jìn)位或舍棄，而應(yīng)根據(jù)以上各條作一次處理。如，2.，只取三位有效數(shù)字時，應(yīng)為2.15。如果從最后一位對該數(shù)字進(jìn)行連續(xù)的處理，則可得到2.16，后者是不

41、容許的。整數(shù)的修約也應(yīng)遵照上述法則。如，23438,只取三位有效數(shù)字時，則應(yīng)為23400或2.34104。誤差分析：系統(tǒng)誤差：我們可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備給出的修正值修正。過失誤差：在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時候，我們常常會遇到個別數(shù)據(jù)偏離預(yù)期或大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果的情況，如果我們把這些數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)放在一起進(jìn)行統(tǒng)計，可能會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，如果把這些數(shù)據(jù)簡單地剔除，又可能忽略了重要的實(shí)驗(yàn)信息。這里重要的問題是如何判斷異常數(shù)據(jù)，然后將其剔除。判斷和剔除異常數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)處理中的一項(xiàng)重要任務(wù)，目前的一些方法還不是十分完善，有待進(jìn)一步研究和探索。目前人們對異常數(shù)據(jù)的判別與剔除主要采用物理判別法和統(tǒng)計判別法兩種方法。所謂

42、物理判別法就是根據(jù)人們對客觀事物已有的認(rèn)識，判別由于外界干擾、人為誤差等原因造成實(shí)測數(shù)據(jù)偏離正常結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)過程中隨時判斷，隨時剔除。統(tǒng)計判別法是給定一個置信概率，并確定一個置信限，凡超過此限的誤差，就認(rèn)為它不屬于隨機(jī)誤差范圍，將其視為異常數(shù)據(jù)剔除。我們用拉依達(dá)準(zhǔn)則對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，其準(zhǔn)則如下：如果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總體x是服從正態(tài)分布的，則 (2-1)式中，與分別表示正態(tài)分布的數(shù)學(xué)期望和標(biāo)準(zhǔn)差。此時，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)大于3或小于-3數(shù)據(jù)的概率是很小的。因此，根據(jù)上式對于大于3或小于-3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為異常數(shù)據(jù)，予以剔除。 具體計算方法如下： 對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)x1, x2, x3,，xn，先計算其均值 (

43、2-2)再計算殘差 (2-3)其中i=1,2,3,n則標(biāo)準(zhǔn)差 (2-4)如果某個測量值 的殘差滿足 (2-5)則認(rèn)為為異常數(shù)據(jù)，予以剔除。拉依達(dá)準(zhǔn)則是最常用的異常數(shù)據(jù)判定與剔除準(zhǔn)則。偶然誤差：由于單一實(shí)驗(yàn)會產(chǎn)生較大的誤差，我們可以做多次實(shí)驗(yàn)，多次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果會呈現(xiàn)正態(tài)分布的情況。所以，可以對實(shí)驗(yàn)得到的多次結(jié)果取均值來降低誤差。在求均值時，用到以下兩種方法：算術(shù)平均值：算術(shù)平均值是全部數(shù)據(jù)的代數(shù)和除以樣本量N，一般用表示。這種方法最簡單，也是實(shí)際計算中最常用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特征參數(shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (2-6)均方根均值：均方根均值簡稱均方根值，在統(tǒng)計學(xué)中廣泛使用。其定義式如下： (2-7)2.2

44、.3 動作參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)電路經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆治?，設(shè)計出如圖2-4所示的接觸器動態(tài)參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)電路的示意圖。2.3 動作參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)過程首先，將CJ20-100交流接觸器的線圈與主觸點(diǎn)如圖2-4所示接入實(shí)驗(yàn)測量電路中。接好電源，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。2.3.1 吸合時間測量實(shí)驗(yàn)過程接觸器吸合時間測量實(shí)驗(yàn)：（吸合時間：從接觸器線圈通電到接觸器主觸點(diǎn)圖2-4 CJ20-100動作參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)電路閉合的時間）調(diào)整數(shù)字式毫秒計為輸入端點(diǎn)為短路時記錄時間，SB雙刀開關(guān)和KM開關(guān)為打開狀態(tài)。閉合雙刀開關(guān)SB，使接觸器線圈通電并使圖中數(shù)字式毫秒計輸入1端點(diǎn)短路，毫秒計開始計時。當(dāng)經(jīng)過一段時間接觸器KM觸點(diǎn)閉合時，使數(shù)字式毫

45、秒計右側(cè)輸入2端點(diǎn)短路，毫秒計停止計時。這時，毫秒計所顯示的時間就是接觸器的吸合時間。為了減少實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差，重復(fù)做上述實(shí)驗(yàn)，得到10組吸合時間的數(shù)據(jù)，并記錄下來。2.3.2 釋放時間測量實(shí)驗(yàn)過程釋放時間測量實(shí)驗(yàn)：（釋放時間：從接觸器線圈斷電到接觸器主觸點(diǎn)分開的時間）調(diào)整數(shù)字式毫秒計為輸入端點(diǎn)為斷路時記錄時間，SB雙刀開關(guān)和KM開關(guān)為閉合狀態(tài)。打開雙刀開關(guān)SB，使接觸器線圈斷電并使圖中數(shù)字式毫秒計輸入1端點(diǎn)斷路，毫秒計開始計時。當(dāng)經(jīng)過一段時間接觸器KM觸點(diǎn)斷開時，使數(shù)字式毫秒計輸入2端點(diǎn)斷路，毫秒計停止計時。這時，毫秒計所顯示的時間就是接觸器的釋放時間。同樣的為了減少實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差，重復(fù)做

46、上述實(shí)驗(yàn)，得到10組釋放時間的數(shù)據(jù)，并記錄下來。2.4 動態(tài)參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正和整理，得到如表2-1所示的數(shù)據(jù)。表2-1 動作時間和釋放時間測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)12345678910平均吸合時間(ms)14.615.214.714.815.314.715.315釋放時間(ms)9.79.99.89.810.39.510.39第3章 軟啟動無弧通斷交流接觸器總體設(shè)計3.1 引言交流接觸器的電磁系統(tǒng)在吸合過程中，線圈通過交流電時，其吸合特性具有很大的分散性，即吸合時間和觸頭振動時間波動很大。而觸頭的回跳引起的斷續(xù)電弧是影響交流接觸器電壽命的

47、主要因素，特別是在AC-4 使用類別下，觸頭在額定電壓下要接通6倍電機(jī)額定電流的電流。研究表明，以一定的合閘相角激磁電磁線圈，觸頭的振動可以較好地得到控制，存在的問題是：一是過零檢測及合閘相角確定的高精度要求加大了合閘執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計難度；二是電網(wǎng)的波動要求高精度、低相移的傳感器實(shí)時跟蹤電壓信號，增加了設(shè)計成本。交流接觸器在交流保持運(yùn)行階段，由于交流電工頻變化，導(dǎo)致吸力出現(xiàn) 50Hz脈動，不僅產(chǎn)生噪聲還浪費(fèi)大量的電能。3.2 研究對象簡介接觸器主要用作頻繁地接通或分?jǐn)嘟?、直流主電路，其主要控制對象是電動機(jī)，也可以用于控制其他電力負(fù)載，如：電熱器、電焊機(jī)、電容器和照明等。接觸器的觸頭系統(tǒng)可以用電磁

48、鐵、永磁體、壓縮空氣或液壓等來驅(qū)動，相應(yīng)地接觸器分為電磁接觸器、永磁接觸器、氣動接觸器與液壓接觸器等。CJ20系列交流接觸器，主要用于交流50Hz額定工作電壓至 660V，額定工作電流至630A的電路中，供遠(yuǎn)距離接通和分?jǐn)嚯娐分茫⒖膳c適當(dāng)?shù)臒徇^載繼電器組合，以保護(hù)可能發(fā)生操作過負(fù)載的電路。本接觸器符合IEC60947-4-1、GB14048.4標(biāo)準(zhǔn)。3.2.1 接觸器技術(shù)性能分析本文研究的 CJ20-100為交流接觸器，接觸器的主要參數(shù)如表3-1所示。CJ20-100交流接觸器的額定電流為100A，線圈額定控制電源電壓Us為交流(50Hz)380V。其動作特性是吸合電壓85%-110%，釋

49、放電壓為20%-75%。接觸器對其可靠工作的環(huán)境范圍做了如下規(guī)定：(1) 周圍空氣溫度：為-5到+40，24小時內(nèi)其平均值不超過+35。(2) 海拔高度：不超過2000m。(3) 大氣條件：最高溫度+40時，空氣的相對濕度不超過50%。在較低溫 度下可以允許有較高的相對濕度。例如：20時達(dá)90%。對由于溫度變化偶爾產(chǎn)生的凝露應(yīng)采取特殊的措施。(4) 污染等級：3級。(5) 安裝類別：類。(6) 安裝條件：安裝面與垂直面傾斜度不大于5度。(7) 沖擊振動：安裝和使用在無顯著搖動、沖擊和振動的地方。表3-1 CJ20-100接觸器主要參數(shù)和性能指標(biāo)CJ20-100接觸器主要參數(shù)和性能指標(biāo)接觸器型號

50、CJ20-100額定絕緣電壓Ui（V）690約定自由空氣發(fā)熱電流Ith(A)125AC-4 使用類別下可控制的三相鼠籠型電動機(jī)的最大功率（kW）220V380V660V285050每小時操作循環(huán)次數(shù)（次/h）1200機(jī)械壽命（萬次）1000電壽命（萬次）120線圈功率起動/保持（VA/VA）570/613.2.2 接觸器工作原理簡述交流接觸器的動作原理是通過套在磁軛（或鐵芯）上的電磁線圈通過電流產(chǎn)生磁勢吸引活動的銜鐵，直接或通過杠桿傳動使動觸頭與靜觸頭接觸，接通電路。線圈失電后，靠彈簧的反力使動觸頭恢復(fù)原位，從而分?jǐn)嚯娐?。如圖3-1所示，接觸器一般都具有下列組成部分：1電磁系統(tǒng)，2動靜觸頭及滅

51、弧系統(tǒng)，3釋放彈簧，4聯(lián)鎖觸頭，5支座與底座等。圖3-1 交流接觸器結(jié)構(gòu)簡圖接觸器必須根據(jù)外界輸入信號（通過線圈）動作電磁鐵，與銜鐵連在一起的觸頭支架帶動動觸頭向靜觸頭處移動，于是動靜觸頭接觸，主電路接通。在這過程的同時，一方面釋放彈簧受壓縮，另一方面聯(lián)鎖觸頭被分開，控制回路斷開。這就是具有常開觸頭和常閉聯(lián)鎖觸頭的接觸器動作原理。合閘過程（即接觸過程）是電磁鐵被激磁產(chǎn)生的電磁力大于釋放彈簧的機(jī)械反向力而完成接通任務(wù)，分閘過程（即斷開過程）是電磁鐵失掉激磁后只有剩磁力并且小于釋放彈簧的機(jī)械反向力，所以銜鐵恢復(fù)原位，完成觸頭斷開任務(wù)。3.3硬件總體設(shè)計具有軟啟動與無弧通斷功能交流接觸器由中央控制系

52、統(tǒng)、電源系統(tǒng)、測量顯示系統(tǒng)、分合閘執(zhí)行系統(tǒng)、電壓電流檢測系統(tǒng)、可控硅分流調(diào)壓主回路和可控硅調(diào)壓信號驅(qū)動電路組成。如圖3-2所示，為具有軟啟動與無弧通斷功能交流接觸器硬件原理圖。中央控制系統(tǒng)發(fā)出分合閘指令，控制可控硅及分合閘執(zhí)行系統(tǒng)的通斷，實(shí)現(xiàn)交流接觸器智能軟啟動與無弧通斷。電壓電流檢測系統(tǒng)將檢測來的電壓電流信號輸送給中央控制系統(tǒng)處理，再通過測量顯示系統(tǒng)顯示。直流電源取的220V電源，經(jīng) AC-DC 變換得到系統(tǒng)所需的電源。為了讓接觸器穩(wěn)定保持在吸合狀態(tài)，并且減少功率損耗，引入永磁體代替通電線圈進(jìn)行吸合后的保持工作。試驗(yàn)研究表明，在接觸器可靠吸合后，只要選擇合適的永磁體替代電磁鐵，接觸器就可以穩(wěn)

53、定地保持吸合狀態(tài)。在運(yùn)行過程中采用采用永磁保持技術(shù)可以減少接觸器所消耗的功率，大幅度節(jié)能降噪。圖3-2 具有軟啟動與無弧通斷功能交流接觸器硬件原理圖3.4軟件總體設(shè)計控制系統(tǒng)的軟件是控制的精髓，在判斷正確的情況下按照要求給出控制信號，完成交流接觸器的智能無弧操作。其控制流程圖如圖3-3所示，分合閘啟動/停止信號實(shí)現(xiàn)了互鎖，防止了誤操作。圖3-3 中央控制系統(tǒng)軟件流程圖第4章 軟啟動無弧通斷交流接觸器硬件設(shè)計4.1 引言具有軟啟動與無弧通斷功能交流接觸器包含了電源系統(tǒng)、分合閘執(zhí)行系統(tǒng)、可控硅分流調(diào)壓主回路、可控硅調(diào)壓信號驅(qū)動電路、中央控制系統(tǒng)、測量顯示系統(tǒng)和電壓電流檢測系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)中的軟件

54、實(shí)現(xiàn)了對分合閘執(zhí)行系統(tǒng)、可控硅分流調(diào)壓主回路的控制信號。交流接觸器實(shí)際運(yùn)行過程中，其系統(tǒng)電源取自線圈激磁電源，所以需要對交流電源實(shí)現(xiàn) AC-DC 變換，提供穩(wěn)定的激磁回路電源和系統(tǒng)供電電源。采用模擬電路的分合閘執(zhí)行系統(tǒng)，提高激磁能量控制精度。可控硅分流調(diào)壓主回路采用晶閘管及其驅(qū)動電路，要求通斷速度高、電壓電流承受能力強(qiáng)。中央控制系統(tǒng)采用單片機(jī)，簡化系統(tǒng)控制時序信號發(fā)生，提高控制穩(wěn)定性。 4.2 系統(tǒng)直流供電電源設(shè)計4.2.1 芯片5V直流電源設(shè)計 5V直流電源原理圖如圖4-1所示。POWER端接外接電源，VCC為5V直流輸出端。芯片兩側(cè)各并聯(lián)一個濾波用的電容，來降低外接高頻信號對LM-2596

55、的影響。在電壓輸出端用穩(wěn)壓管和反饋電路來確保輸出電壓的穩(wěn)定。圖4-1 5V直流電源原理圖4.2.2 調(diào)壓驅(qū)動直流電源設(shè)計如圖4-2所示為24V調(diào)壓驅(qū)動直流電源的原理圖。阻容電路接于火線側(cè)用于限流。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，1F電容輸出電流為 50mA。穩(wěn)壓管用于穩(wěn)定輸出電壓。圖4-2 24V調(diào)壓驅(qū)動直流電源原理圖 4.3 分合閘執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計交流接觸器電磁系統(tǒng)的操作，指控制接觸器分合閘。本文提出最佳交流激磁永磁保持的方法，分合閘執(zhí)行系統(tǒng)用于控制接觸器分合閘，。4.3.1 分合閘執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計對于接觸器來說，最終的目的是為了保證在任何情況下，準(zhǔn)確的發(fā)出有效的分閘信號控制接觸器的分?jǐn)唷J20-100接觸器采用380V/50Hz的電磁-永磁操動機(jī)構(gòu)，因此必須采用大電流的電力電子器件?？紤]到產(chǎn)品的成本，本設(shè)計采用了雙向晶閘管。雙向晶閘管具有體積小，開關(guān)速度快、操作方便、功耗低、壽命長等顯著特點(diǎn)，在線性放大技術(shù)領(lǐng)域及各類中小功率開關(guān)電路中得到極為廣泛的應(yīng)用。執(zhí)行單元的硬件設(shè)計原理圖如圖4-3所示，Ul為光偶，起到隔離作用。J5接接觸器的操動機(jī)構(gòu)的線圈，J6接380V電源，與雙向可控硅連接成回路。R8為壓敏電阻，起到保護(hù)晶閘管的作