抗晃電智能交流接觸器設(shè)計

1、抗晃電智能交流接觸器設(shè)計 摘要: 設(shè)計并完成了以開關(guān)電源為基礎(chǔ)、單片機為核心，并且?guī)в泻髠潆娫聪到y(tǒng)的抗晃電智能交流接觸器控制模塊。通過智能控制模塊實現(xiàn)接觸器動態(tài)過程控制，形成壽命高、可靠性強的新型電磁式智能接觸器產(chǎn)品，可以廣泛應(yīng)用在石化、鋼鐵、礦山等對連續(xù)性生產(chǎn)要求比較高的企業(yè)中。0 引言晃電作為一種特殊的故障，危害很大，特別是對連續(xù)運行的企業(yè)。目前抗晃電的方法可歸結(jié)為如下4 類:(1) 應(yīng)用斷電延時繼電器、電動機再起動器。通過時序關(guān)系，使接觸器的主觸頭在晃電結(jié)束后重新吸合( 晃電期間斷開)，實現(xiàn)電動機再起動。這種抗晃電方法的特點是在晃電發(fā)生期間主觸頭斷開，電壓恢復(fù)后電動機重起動，電動機重起動

2、產(chǎn)生的沖擊電流大，控制回路原理復(fù)雜，而且電動機再起動器的成本很高。(2) 采用儲能延時元件對接觸器的線圈在晃電期間繼續(xù)提供能量，保證主觸頭的吸合。這種抗晃電方式有選型不靈活、選擇范圍小、增加了控制線路的復(fù)雜程度等缺點。(3) 延時鎖扣頭裝置，在接觸器吸合后線圈轉(zhuǎn)入省電模式，靠鎖扣頭鎖扣作用保持主觸頭的接通狀態(tài)?；坞姲l(fā)生時，接觸器主觸頭不斷開，在進行正常的停機操作后主觸頭才斷開。但這種鎖扣頭只能與專門設(shè)計的特殊接觸器配合使用，并且在斷電的情況下由鎖扣頭鎖定的主觸頭斷開需要獨立的電源。對于 170 A 的接觸器，并沒有與之配套的鎖扣裝置。(4) 采用雙電源供電方式，成本高、線路復(fù)雜。目前市面上出現(xiàn)

3、了少量的抗晃電交流接觸器產(chǎn)品，但是價格居高，同等容量的抗晃電交流接觸器是原交流接觸器產(chǎn)品價格的5 倍左右。因此，本文研發(fā)了新型抗晃電智能交流接觸器產(chǎn)品，該抗晃電智能交流接觸器采用接觸器本體和智能控制模塊的結(jié)構(gòu)。智能控制模塊具有體積緊湊小巧、控制精確、通用性強、成本低等優(yōu)點;同時，通過對接觸器的起動、分斷過程進行智能控制，大幅度提高了接觸器的機械壽命和電壽命，配合不同的接觸器本體，可形成系列抗晃電智能交流接觸器產(chǎn)品，具有較高的性價比。1 工作原理抗晃電智能交流接觸器除了具有智能交流接觸器的功能外，還具有抗晃電、遠程控制等功能，其控制原理如圖1 所示。圖1 抗晃電智能交流接觸器的硬件框圖。通過采樣

4、電路對電源電壓進行采樣，當(dāng)采樣電壓高于0. 7 Ue( Ue為額定電壓值) 且小于1. 15Ue時，單片機控制系統(tǒng)發(fā)出信號給隔離回路1，強激磁起動回路接通，接觸器高電壓起動。單片機給隔離回路2 發(fā)出驅(qū)動信號，低壓保持回路接通，接觸器低電壓保持，然后驅(qū)動回路1 斷開，退出運行。當(dāng)采樣電壓低于0. 6 Ue時，視為晃電故障發(fā)生，單片機發(fā)出信號給隔離回路3 和隔離回路2，先后打開抗晃電保持回路和分斷低壓保持回路，由全自動后備電源系統(tǒng)對單片機系統(tǒng)和線圈供電，使接觸器保持吸合狀態(tài)，此時采樣回路繼續(xù)對電源電壓進行采樣，若在規(guī)定的時間內(nèi)，晃電結(jié)束，電壓恢復(fù)正常，則單片機發(fā)出信號給隔離回路2 和隔離回路3，先

5、后打開低壓保持回路和分斷抗晃電保持回路，恢復(fù)接觸器的正常保持狀態(tài)，若經(jīng)N ms(N 可調(diào))電壓仍未恢復(fù)，則單片機發(fā)出信號給隔離回路3，斷開抗晃電保持回路，接觸器分斷。若電源正常時手動分斷接觸器，則正常分斷檢測電路會檢測到手動分斷信號，此時單片機屏蔽抗晃電程序，使接觸器立即分斷。全自動后備電源系統(tǒng)由鎳氫充電電池和全自動充電電路組成，當(dāng)抗晃電模塊工作時，充電回路檢測電池的電壓值，當(dāng)電壓值低于設(shè)定最小值時，充電回路開始對電池充電，當(dāng)電壓達到設(shè)定最大值時，停止對電池充電，并繼續(xù)循環(huán)檢測電池電壓值。電源正常時，可通過抗晃電時間調(diào)整電路對抗晃電時間進行調(diào)整，并顯示在兩位八段數(shù)碼管上，單片機自動存儲設(shè)定的時

6、間，下次啟動時，默認加載上次設(shè)定值，時間調(diào)整范圍和調(diào)整梯度可根據(jù)用戶要求設(shè)置，當(dāng)抗晃電時間調(diào)到0 時，系統(tǒng)關(guān)閉抗晃電功能，作為普通智能接觸器使用。該智能模塊可工作在獨立和遠程兩種模式。獨立工作模式時，不具備通信功能，遠程工作模式時，可以與上位機雙向通信。上位機可對智能控制模塊的接通、分斷及抗晃電時間進行遠程控制和調(diào)整，下位機可以將當(dāng)前接觸器的狀態(tài)、抗晃電時間、有無晃電發(fā)生等信號傳給上位機。2 軟件設(shè)計本文單片機軟件部分采用C 語言進行編程，編譯器選用CCS PICC 編譯器，該編譯器的內(nèi)部函數(shù)比較豐富，支持豐富的外圍設(shè)備，預(yù)備有標準輸入/輸出函數(shù)，編程比較方便，將CCS C 集成到mplab

7、中使用，進行程序的調(diào)試、燒錄、運行。圖2 抗晃電智能交流接觸器的主程序流程圖軟件流程如圖2 所示，經(jīng)過調(diào)試后，軟件實現(xiàn)了抗晃電智能交流接觸器的整體控制功能。完成了接觸器的抗晃電初值加載、工作模式判斷、閾值判斷、正常高壓起動、低壓保持過程后，開始執(zhí)行晃電檢測程序，循環(huán)檢測電源電壓，檢測到晃電，則打開定時器1 作為專用的抗晃電定時器并開中斷，利用定時器1 的周期性中斷，在定時中斷子程序中執(zhí)行抗晃電延時時間的計時，晃電時間超過設(shè)定值時斷開抗晃電回路，在設(shè)置的抗晃電時間內(nèi)電源恢復(fù)正常，則接觸器轉(zhuǎn)入正常保持狀態(tài)，并繼續(xù)檢測晃電;時間調(diào)整子程序采用中斷的形式，可對抗晃電時間進行上調(diào)或者下調(diào)，并把調(diào)整后的時

8、間存入E2PROM，以備下次啟動時調(diào)用。通信接收程序也采用中斷形式，串口調(diào)試助手的操作界面如圖3所示，可對下位機發(fā)送操作指令，進行通斷控制及抗晃電時間的調(diào)整，并可以實時監(jiān)測當(dāng)前接觸器的工作狀態(tài)，文本框用于顯示上位機的發(fā)送指令和從下位機接收的指令，還可顯示當(dāng)前設(shè)置的抗晃電時間和當(dāng)前接觸器的狀態(tài)值;正常分斷檢測模塊也采用中斷的形式，利用單片機內(nèi)置的* 模塊的捕捉功能，捕捉一個正常分斷信號后，立即轉(zhuǎn)入中斷執(zhí)行正常分斷程序。圖3 串口調(diào)試助手。3 調(diào)試與試驗數(shù)據(jù)本文選用proteus 軟件作為仿真調(diào)試工具，proteus 是一款兼容性很高的軟件，可以集成到mplab 環(huán)境中，由mplab 調(diào)用prot

9、eus，在mplab 環(huán)境中支持斷點和單步調(diào)試，能反應(yīng)出程序的運行過程。proteus 中虛擬示波器的仿真波形如圖4所示。圖4 proteus 仿真波形。 為了模擬晃電電壓，選用一個DC 分段型脈沖激勵源接入單片機的RA1 模擬通道，虛擬示波器中第一條曲線表示DC 分段型脈沖激勵源，模擬采樣電壓;第二條表示強激磁回路，第三條表示低壓保持回路;第四條表示抗晃電保持回路;豎線表示采樣電壓達到閾值，豎線表示發(fā)生晃電時刻，豎線、表示電壓恢復(fù)時刻，由圖4 可以看出，DC 脈沖激勵源達到閾值后，強激磁回路打開一極短時間(15 ms 左右) 后關(guān)閉，繼而低壓保持回路打開(第三條曲線置高電平)，接觸器完成正常

10、起動及保持過程;此后電壓雖然有波動，但位于晃電界限以上，接觸器仍然處于低壓保持狀態(tài)(第三條曲線保持為高電平)，本文電源模塊采用單片開關(guān)電源，具有寬電壓輸入的特點，因此，即使電壓輕微下跌，在實際中仍能輸出穩(wěn)定電壓，使實際中的接觸器處于穩(wěn)定的低壓保持狀態(tài)。如圖4 所示，當(dāng)電壓下降到額定值的60%時，即認為發(fā)生晃電，此時抗晃電回路打開( 第二條曲線在發(fā)生晃電時刻即時刻置高電平)，低壓保持回路關(guān)閉(第三條曲線發(fā)生晃電時刻即時刻置低電平);當(dāng)晃電在設(shè)定時間內(nèi)結(jié)束電壓恢復(fù)正常時，低壓保持回路打開( 第三條曲線在電壓恢復(fù)時刻即時刻置高電平)，抗晃電回路關(guān)閉(第二條曲線在電壓恢復(fù)時刻即時刻置低電平)。在時刻位

11、置之前的一次晃電，晃電發(fā)生時間超過預(yù)設(shè)的抗晃電延時時間，在整個延時時間范圍內(nèi)，抗晃電保持回路置高電平，延時時間超過預(yù)設(shè)值后立即跳變?yōu)榈碗娖剑藭r接觸器分斷。由虛擬示波器的波形圖可知該智能控制模塊程序具有抗晃電功能。在此基礎(chǔ)上，完成了整體硬件電路的安裝與調(diào)試。樣機硬件實物如圖5 所示，可以看出抗晃電智能控制模塊由三塊PCB 板構(gòu)成，配合160 A以下的交流接觸器可穩(wěn)定工作。圖5 樣機硬件實物圖。驅(qū)動回路測試波形如圖6 所示。圖6( a) 和圖6(b) 為采樣電壓波形、強激磁驅(qū)動信號、低壓保持驅(qū)動信號，通過這三條的波形的對比可得出:系統(tǒng)上電瞬間，采樣電壓達到吸合閾值，強激磁回路控制端瞬間置高電平，

12、接通強激磁回路，接觸器線圈接220 V 高電壓，進行吸合動作;吸合過程結(jié)束后，低壓保持回路控制端置高電平，強激磁回路控制端跳變?yōu)榈碗娖?，接通低壓保持回路，同時斷開強激磁起動回路，接觸器在低電壓下保持吸合狀態(tài)，完成接觸器的高壓起動、低壓保持過程控制。圖6( c) 中當(dāng)連續(xù)晃電( 第一條曲線電壓下跌)且每次晃電時間都在設(shè)定值內(nèi)時，抗晃電回路都能及時打開(第二條曲線在第一條曲線下跌時置高電平)，當(dāng)電壓恢復(fù)正常時，抗晃電回路又能及時切斷(第二條曲線置在第一條曲線電壓恢復(fù)時置低電平)，圖6(d) 中，當(dāng)連續(xù)晃電時，低壓保持回路與抗晃電回路的信號波形是互補的;當(dāng)晃電發(fā)生且晃電時間在設(shè)定值之內(nèi)時，低壓保持回路切斷，抗晃電回路打開;當(dāng)電壓恢復(fù)時，低壓保持回路打開，抗晃電回路切斷;圖6( d) 中最后一次晃電時，晃電時間超過預(yù)設(shè)值，低壓保持回路切斷，抗晃電保持回路打開并且保持到預(yù)設(shè)時間后切斷，此時低壓保持回路仍是切除狀態(tài)，接觸器線圈失電，接觸器斷開。至此，