抗晃電智能交流接觸器設(shè)計(jì)

1、抗晃電智能交流接觸器設(shè)計(jì) 摘要: 設(shè)計(jì)并完成了以開關(guān)電源為基礎(chǔ)、單片機(jī)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(shí)現(xiàn)接觸器動(dòng)態(tài)過程控制，形成壽命高、可靠性強(qiáng)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(duì)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(duì)連續(xù)運(yùn)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(shí)繼電器、電動(dòng)機(jī)再起動(dòng)器。通過時(shí)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)再起動(dòng)。這種抗晃電方法的特點(diǎn)是在晃電發(fā)生期間主觸頭斷開，電壓恢復(fù)后電動(dòng)機(jī)重起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)重起動(dòng)

2、產(chǎn)生的沖擊電流大，控制回路原理復(fù)雜，而且電動(dòng)機(jī)再起動(dòng)器的成本很高。(2) 采用儲(chǔ)能延時(shí)元件對(duì)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(diǎn)。(3) 延時(shí)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(shí)，接觸器主觸頭不斷開，在進(jìn)行正常的停機(jī)操作后主觸頭才斷開。但這種鎖扣頭只能與專門設(shè)計(jì)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(dú)立的電源。對(duì)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(jià)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(jià)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(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn);同時(shí)，通過對(duì)接觸器的起動(dòng)、分?jǐn)噙^程進(jìn)行智能控制，大幅度提高了接觸器的機(jī)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(jià)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(yuǎn)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(duì)電源電壓進(jìn)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(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)給隔離回路1，強(qiáng)激磁起動(dòng)回路接通，接觸器高電壓起動(dòng)。單片機(jī)給隔離回路2 發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，低壓保持回路接通，接觸器低電壓保持，然后驅(qū)動(dòng)回路1 斷開，退出運(yùn)行。當(dāng)采樣電壓低于0. 6 Ue時(shí)，視為晃電故障發(fā)生，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)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?jǐn)嗟蛪罕３只芈罚扇詣?dòng)后備電源系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)和線圈供電，使接觸器保持吸合狀態(tài)，此時(shí)采樣回路繼續(xù)對(duì)電源電壓進(jìn)行采樣，若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，晃電結(jié)束，電壓恢復(fù)正常，則單片機(jī)發(fā)出信號(hào)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?jǐn)嗫够坞姳３只芈?，恢?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(jī)發(fā)出信號(hào)給隔離回路3，斷開抗晃電保持回路，接觸器分?jǐn)?。若電源正常時(shí)手動(dòng)分?jǐn)嘟佑|器，則正常分?jǐn)鄼z測(cè)電路會(huì)檢測(cè)到手動(dòng)分?jǐn)嘈盘?hào)，此時(shí)單片機(jī)屏蔽抗晃電程序，使接觸器立即分?jǐn)?。全自?dòng)后備電源系統(tǒng)由鎳氫充電電池和全自動(dòng)充電電路組成，當(dāng)抗晃電模塊工作時(shí)，充電回路檢測(cè)電池的電壓值，當(dāng)電壓值低于設(shè)定最小值時(shí)，充電回路開始對(duì)電池充電，當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定最大值時(shí)，停止對(duì)電池充電，并繼續(xù)循環(huán)檢測(cè)電池電壓值。電源正常時(shí)，可通過抗晃電時(shí)間調(diào)整電路對(duì)抗晃電時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，并顯示在兩位八段數(shù)碼管上，單片機(jī)自動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)定的時(shí)

6、間，下次啟動(dòng)時(shí)，默認(rèn)加載上次設(shè)定值，時(shí)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(shí)間調(diào)到0 時(shí)，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(dú)立和遠(yuǎn)程兩種模式。獨(dú)立工作模式時(shí)，不具備通信功能，遠(yuǎn)程工作模式時(shí)，可以與上位機(jī)雙向通信。上位機(jī)可對(duì)智能控制模塊的接通、分?jǐn)嗉翱够坞姇r(shí)間進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和調(diào)整，下位機(jī)可以將當(dāng)前接觸器的狀態(tài)、抗晃電時(shí)間、有無晃電發(fā)生等信號(hào)傳給上位機(jī)。2 軟件設(shè)計(jì)本文單片機(jī)軟件部分采用C 語(yǔ)言進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行程序的調(diào)試、燒錄、運(yùn)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(shí)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(dòng)、低壓保持過程后，開始執(zhí)行晃電檢測(cè)程序，循環(huán)檢測(cè)電源電壓，檢測(cè)到晃電，則打開定時(shí)器1 作為專用的抗晃電定時(shí)器并開中斷，利用定時(shí)器1 的周期性中斷，在定時(shí)中斷子程序中執(zhí)行抗晃電延時(shí)時(shí)間的計(jì)時(shí)，晃電時(shí)間超過設(shè)定值時(shí)斷開抗晃電回路，在設(shè)置的抗晃電時(shí)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(cè)晃電;時(shí)間調(diào)整子程序采用中斷的形式，可對(duì)抗晃電時(shí)間進(jìn)行上調(diào)或者下調(diào)，并把調(diào)整后的時(shí)

8、間存入E2PROM，以備下次啟動(dòng)時(shí)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(duì)下位機(jī)發(fā)送操作指令，進(jìn)行通斷控制及抗晃電時(shí)間的調(diào)整，并可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前接觸器的工作狀態(tài)，文本框用于顯示上位機(jī)的發(fā)送指令和從下位機(jī)接收的指令，還可顯示當(dāng)前設(shè)置的抗晃電時(shí)間和當(dāng)前接觸器的狀態(tài)值;正常分?jǐn)鄼z測(cè)模塊也采用中斷的形式，利用單片機(jī)內(nèi)置的* 模塊的捕捉功能，捕捉一個(gè)正常分?jǐn)嘈盘?hào)后，立即轉(zhuǎn)入中斷執(zhí)行正常分?jǐn)喑绦颉D3 串口調(diào)試助手。3 調(diào)試與試驗(yàn)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?jǐn)帱c(diǎn)和單步調(diào)試，能反應(yīng)出程序的運(yùn)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(gè)DC 分段型脈沖激勵(lì)源接入單片機(jī)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(lì)源，模擬采樣電壓;第二條表示強(qiáng)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(dá)到閾值，豎線表示發(fā)生晃電時(shí)刻，豎線、表示電壓恢復(fù)時(shí)刻，由圖4 可以看出，DC 脈沖激勵(lì)源達(dá)到閾值后，強(qiáng)激磁回路打開一極短時(shí)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(dòng)及保持過程;此后電壓雖然有波動(dòng)，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(diǎn)，因此，即使電壓輕微下跌，在實(shí)際中仍能輸出穩(wěn)定電壓，使實(shí)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(shí)，即認(rèn)為發(fā)生晃電，此時(shí)抗晃電回路打開( 第二條曲線在發(fā)生晃電時(shí)刻即時(shí)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(shí)刻即時(shí)刻置低電平);當(dāng)晃電在設(shè)定時(shí)間內(nèi)結(jié)束電壓恢復(fù)正常時(shí)，低壓保持回路打開( 第三條曲線在電壓恢復(fù)時(shí)刻即時(shí)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(shí)刻即時(shí)刻置低電平)。在時(shí)刻位

11、置之前的一次晃電，晃電發(fā)生時(shí)間超過預(yù)設(shè)的抗晃電延時(shí)時(shí)間，在整個(gè)延時(shí)時(shí)間范圍內(nèi)，抗晃電保持回路置高電平，延時(shí)時(shí)間超過預(yù)設(shè)值后立即跳變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)接觸器分?jǐn)唷Ｓ商摂M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(jī)硬件實(shí)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(jī)硬件實(shí)物圖。驅(qū)動(dòng)回路測(cè)試波形如圖6 所示。圖6( a) 和圖6(b) 為采樣電壓波形、強(qiáng)激磁驅(qū)動(dòng)信號(hào)、低壓保持驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過這三條的波形的對(duì)比可得出:系統(tǒng)上電瞬間，采樣電壓達(dá)到吸合閾值，強(qiáng)激磁回路控制端瞬間置高電平，

12、接通強(qiáng)激磁回路，接觸器線圈接220 V 高電壓，進(jìn)行吸合動(dòng)作;吸合過程結(jié)束后，低壓保持回路控制端置高電平，強(qiáng)激磁回路控制端跳變?yōu)榈碗娖?，接通低壓保持回路，同時(shí)斷開強(qiáng)激磁起動(dòng)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(dòng)、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(shí)間都在設(shè)定值內(nèi)時(shí)，抗晃電回路都能及時(shí)打開(第二條曲線在第一條曲線下跌時(shí)置高電平)，當(dāng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，抗晃電回路又能及時(shí)切斷(第二條曲線置在第一條曲線電壓恢復(fù)時(shí)置低電平)，圖6(d) 中，當(dāng)連續(xù)晃電時(shí)，低壓保持回路與抗晃電回路的信號(hào)波形是互補(bǔ)的;當(dāng)晃電發(fā)生且晃電時(shí)間在設(shè)定值之內(nèi)時(shí)，低壓保持回路切斷，抗晃電回路打開;當(dāng)電壓恢復(fù)時(shí)，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(shí)，晃電時(shí)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(shí)間后切斷，此時(shí)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，