摘要：接觸器是目前使用量最大的低壓電器產(chǎn)品，閉合時(shí)觸頭的彈跳和分?jǐn)鄷r(shí)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(shí)現(xiàn)觸頭單獨(dú)進(jìn)行閉環(huán)控制。這在智能電器和控制領(lǐng)域是一個(gè)全新的思想。本論文對(duì)交流接觸器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，建立了數(shù)學(xué)模型，結(jié)合Ansoft電磁分析軟件修正了氣隙磁導(dǎo)，并且利用Simulink仿真，對(duì)該接觸器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)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(shí)的觸頭彈跳和分?jǐn)鄷r(shí)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(yīng)用廣泛的自動(dòng)控制電器元件，主要用于頻繁接通和開(kāi)斷交流負(fù)載電路，具有控制容量大，可遠(yuǎn)距離操作等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于頻繁的操作，接觸器必須具有足夠長(zhǎng)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(jī)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(guò)速度反饋實(shí)現(xiàn)接觸器的運(yùn)動(dòng)過(guò)程閉環(huán)控制。實(shí)現(xiàn)觸頭無(wú)彈跳閉合和無(wú)弧分?jǐn)啵岣呓佑|器的使用壽命，閉環(huán)控制雖然有些復(fù)雜，但適應(yīng)性強(qiáng)，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(jìn)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(yùn)動(dòng)方程，建立數(shù)學(xué)模型[4]。

3.氣隙磁導(dǎo)優(yōu)化

氣隙磁導(dǎo)是電磁力計(jì)算的一個(gè)非常重要的參數(shù)，傳統(tǒng)方式是應(yīng)用簡(jiǎn)化磁路的方法計(jì)算得出氣隙磁導(dǎo)公式。本文應(yīng)用場(chǎng)路結(jié)合的方法，來(lái)減小模型的誤差。首先通過(guò)有限元分析軟件AnsoftMaxwell仿真得出不同氣隙下的氣隙磁導(dǎo)的值，然后應(yīng)用MATLAB擬合出這些值所對(duì)應(yīng)的曲線與方程，然后將方程帶入Simulink中，進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真。這樣應(yīng)用AnsoftMaxwell場(chǎng)的方法的準(zhǔn)確性與Simulink路的方法研究運(yùn)動(dòng)過(guò)程的方便性相結(jié)合，大幅提高了模型和運(yùn)動(dòng)控制的準(zhǔn)確性。

接觸器電磁機(jī)構(gòu)的Ansoft二維模型如圖2所示。

圖2接觸器電磁機(jī)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(gè)藍(lán)色的矩形部分為方向相反的激磁線圈。移動(dòng)上方銜鐵的位置，根據(jù)Ansoft仿真計(jì)算得出不同氣隙長(zhǎng)度下的氣隙磁導(dǎo)，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(yīng)用MATLAB進(jìn)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(yùn)動(dòng)過(guò)程隨動(dòng)控制的智能接觸器控制方法，對(duì)接觸器的進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)觸頭無(wú)彈跳合閘?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖3所示。它包括驅(qū)動(dòng)電路(4)、接觸器(7)、速度檢測(cè)(6)、單片機(jī)，其中單片機(jī)包括速度給定(1)、加減運(yùn)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(guò)單片機(jī)給驅(qū)動(dòng)電路電壓，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的放大和調(diào)理后，給接觸器的線圈供電，使鐵芯動(dòng)作，分合閘動(dòng)作開(kāi)始。通過(guò)速度檢測(cè)，一般都采用精度高響應(yīng)速度快的速度傳感器來(lái)檢測(cè)鐵芯的運(yùn)動(dòng)速度，得到實(shí)時(shí)的鐵芯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。傳感器將鐵芯的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過(guò)模擬信號(hào)傳給單片機(jī)。經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

速度給定存儲(chǔ)于單片機(jī)中，這里的速度給定是根據(jù)接觸器的工作氣隙長(zhǎng)度、觸頭系統(tǒng)的質(zhì)量等，得出的最優(yōu)的鐵芯運(yùn)動(dòng)的速度曲線，曲線大致為：在吸合時(shí)，使觸頭先加速運(yùn)動(dòng)，到達(dá)某一位置后，開(kāi)始做減速運(yùn)動(dòng)。使鐵芯在將要閉合時(shí)，觸頭的速度為0，加速度還很大。在開(kāi)閘時(shí)，同理。將速度給定與得到的數(shù)字信號(hào)比較，經(jīng)過(guò)加減預(yù)算得出差值，經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)后得出最優(yōu)的輸出電壓。然后再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)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(shí)際速度小于給定速度曲線時(shí)，給線圈通電，使銜鐵加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)實(shí)際速度大于給定曲線時(shí)，在反力的作用下比如彈簧反力，使鐵芯做減速運(yùn)動(dòng)。使鐵芯的實(shí)際速度與給定的最優(yōu)速度曲線相吻合。實(shí)現(xiàn)接觸器無(wú)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(guò)零時(shí)刻開(kāi)斷，實(shí)現(xiàn)了無(wú)弧分?jǐn)?，大幅提高了接觸器的使用壽命。

4.2控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

本文通過(guò)Simulink軟件對(duì)異步組合式接觸器的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，研究其動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)式（3）（4）（5），對(duì)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(guò)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(guò)程中銜鐵先做恒加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)在0.3s時(shí)銜鐵開(kāi)始做減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)閉合位置（4mm）時(shí)，銜鐵速度剛好為0,也就是合閘時(shí)銜鐵的動(dòng)量為0，實(shí)現(xiàn)了無(wú)彈跳閉合，整閉合時(shí)間大約為0.48s。釋放時(shí)銜鐵做勻變速運(yùn)動(dòng)，在速度-24mm/s處轉(zhuǎn)折。整個(gè)釋放時(shí)間約為0.42s。從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)彈跳閉合，消除了分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生的電弧，提高了接觸器的電壽命。單相閉合時(shí)間為0.5s，釋放時(shí)間為0.42s，和常規(guī)接觸器相比差別不大[5]，不影響使用時(shí)的開(kāi)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(yīng)用在了智能接觸器中，探索出了實(shí)現(xiàn)無(wú)彈跳分合閘的新途徑。應(yīng)用Ansoft有限元分析軟件，對(duì)異步組合式接觸器的電磁系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)Ansoft的仿真計(jì)算結(jié)果，應(yīng)用MATLAB數(shù)據(jù)擬合的方法，優(yōu)化了氣隙磁導(dǎo)，重新給出了氣隙磁導(dǎo)公式，并帶入仿真模型中。將運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)控制應(yīng)用于接觸器中，可以將影響接觸器運(yùn)動(dòng)時(shí)間的諸多不確定因素通過(guò)速度的閉環(huán)隨動(dòng)控制消除。實(shí)現(xiàn)接觸器觸頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分階段控制，消除了接觸器閉合時(shí)的觸頭彈跳和分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生的電弧，進(jìn)而提高接觸器的電氣壽命。

參考文獻(xiàn)

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