摘要: 針對傳統(tǒng)交流接觸器能耗大、故障率高的問題，給出了一種智能交流接觸器的實現(xiàn)方法。將智能結(jié)構(gòu)的思想引入到了傳統(tǒng)交流接觸器系統(tǒng)中，采用C8051F040型單片機為控制，集數(shù)據(jù)采集、控制、故障保護、自診斷等功能于一體。實現(xiàn)了交流接觸器運行狀態(tài)的在線監(jiān)測和直流運行。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)成本低廉，運行狀態(tài)及故障位置指示準確，保護動作可靠，完全消除了運行噪聲和震動，節(jié)能達60%以上。

　　0 引言

　　交流接觸器大量地應用在低壓配電和自動控制領(lǐng)域中，是一種基本的控制電器。它使用方便、維護簡單、價格低廉，然而其電磁動作機構(gòu)帶來到了一系列難以避免的問題，長期以來困擾著廣大用戶。尤其是較高的故障率和較低的使用壽命，往往造成生產(chǎn)中斷，甚至產(chǎn)品報廢，嚴重影響著工業(yè)生產(chǎn)的順利進行。如何降低交流接觸器的故障率和提高其使用壽命已成為當務之急。

　　計算機、微處理器、通信等技術(shù)的發(fā)展，為控制系統(tǒng)的智能化提供了有力支持，使得對控制系統(tǒng)進行在線監(jiān)測和監(jiān)控成為可能。本文引入智能結(jié)構(gòu)的思想，將傳感器、驅(qū)動器、控制器集于一體，設(shè)計出新的智能交流接觸器，通過實時數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理，對交流接觸器的運行狀態(tài)進行及時判斷，從而及時進行檢修和維護，將故障消滅在萌芽狀態(tài)，可以間接減小故障率，提高系統(tǒng)使用壽命。作為執(zhí)行機構(gòu)的觸頭是影響接觸器質(zhì)量和特性指標的關(guān)鍵部件，觸頭電參數(shù)中的接觸電阻和溫升是影響接觸器電壽命和可靠性的直接因素。對接觸器的觸頭溫度、各相負載電流、電壓及線包電壓、電流等參數(shù)進行實時判斷，就能準確地對系統(tǒng)運行狀態(tài)及故障范圍作出判斷。

　　Kiely 等提出了一種交流接觸器的電子操作方案，其原理是對接觸器線圈用直流勵磁，并在電磁鐵動作過程中，把勵磁周期分成2 段，其中T1為通電階段，T2為停歇階段。通過改變T2，可以改變電磁鐵動鐵芯的閉合速度，并達到減小觸頭振動的目的。采用脈沖寬度調(diào)制( Pulse WidthModulation，PWM) 控制技術(shù)，可以大大減小交流接觸器的能耗，提高其使用壽命。

　　1 系統(tǒng)總體方案及工作原理

　　智能交流接觸器將傳統(tǒng)的交流接觸器與智能儀器相結(jié)合，實現(xiàn)線包電壓自動控制、運行狀態(tài)在線自動監(jiān)測、實時故障自診斷及故障準確定位。

　　其控制采用C8051F040 型單片機，通過傳感器對關(guān)鍵參數(shù)進行實時采集，經(jīng)過處理分析后再與標準數(shù)據(jù)進行對比，即可作出運行狀態(tài)的判斷。

　　系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

圖1 智能交流接觸器原理框圖。

　　圖1 中:QF 為低壓斷路器，用于分斷交流電源;KM 為普通交流接觸器;FL 為分流器。工頻電正常時，相電壓為220 V，線電壓為380 V。通過對負載各相電壓的監(jiān)測判斷，即可知道系統(tǒng)是否處于過壓、欠壓及缺相運行( 如某相電壓為零)，并作相應處理。共缺相，可立即封鎖PWM信號，使系統(tǒng)停止運行并給出故障信息。共系統(tǒng)處于欠壓狀態(tài)，可以給出故障報警及顯示實際電壓，并不立即停止系統(tǒng)運行，當欠電壓超過允許的范圍或欠壓時間超過允許的范圍時再停止系統(tǒng)運行;通過對負載電流的監(jiān)測判斷，就可以知道系統(tǒng)是否處于過載運行，如果過載，給出報警，當過載時間超過允許的時間，即可停止系統(tǒng)，并給出過載故障信息;通過對觸頭溫度及負載端電壓監(jiān)測即可以知道觸頭接觸是否良好，接觸電阻是否過大。

　　若檢測到負載端電壓低于正常值并且觸頭溫度過高，就給出觸頭接觸故障報警，以使工作人員在生產(chǎn)終止時能夠進行及時檢修;若系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)出線圈斷開信號( 即封鎖PWM 信號)，而依然能夠檢測到負載電流，說明主觸頭熔焊或者機械故障，應立即發(fā)出跳閘信號，切斷前級低壓斷路器，防止產(chǎn)品報廢，同時給出故障報警。

　　接觸器線包采用直流供電，交流電經(jīng)過整流后，通過降壓斬波電路加到線包上，改變IGBT 驅(qū)動信號Ug的脈沖寬度，即可改變線包上的直流電壓。線包電壓控制電路及其波形如圖2 所示。

(a) IGBT 驅(qū)動電路。

(b) 降壓斬波電路原理圖。

(c) 降壓斬波電壓波形圖。

圖2 線包電壓控制電路及其波形。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括線包電壓控制電路、觸頭溫度檢測電路，交、直流電流測量電路，交、直流電壓測量電路等。

　　2. 1 C8051F040 單片機

　　C8051F040 是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU。內(nèi)核采用高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051 兼容的CIP － 51 內(nèi)核(可達25 MIPS);64 KB 在系統(tǒng)編程的Flash 存儲器;具有SPI、SMBus、I2C 和2 個UART 串行接口;真正12 bit、100 kS /s 的ADC 和DAC;全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口( JTAG口)，支持觀察和修改寄存器、存儲器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。其工作電壓為2. 7 ～ 3. 6 V，工作溫度為－ 45 ～ + 85 ℃，片內(nèi)資源豐富，編程簡單，完全適用于工業(yè)現(xiàn)場。

　　2. 2 線包電壓控制電路設(shè)計

　　目前，我國使用的交流接觸器一般為交流吸合、交流吸持和隨機分斷，且線包電壓有220 V 和380 V 之分。試驗可知，無論是380 V 還是220 V線包，只要加上不低于160 V 的直流電壓，接觸器均能可靠吸合，并且不會產(chǎn)生1、2 次彈跳，此時只要維持吸持電壓不低于直流15 V，就可以穩(wěn)定地保持吸合狀態(tài)。采用直流運行方式可以從根本上消除交流接觸器的噪聲和振動，大大降低能耗、提高使用壽命。

　　采用直流PWM 降壓斬波電路可以很容易地控制加在線圈上的直流電壓，其電路原理如圖2(b)所示。L、R 為線包等效電路，改變功率開關(guān)管IGBT 的柵極一個周期的導通時間ton(PWM 波脈沖寬度)，即可改變加在線包上的直流平均電壓U0:

　　式中E———整流裝置輸出直流電壓

　　T———脈沖周期

　　ton———功率管一個周期的導通時間

　　PWM 信號由單片機產(chǎn)生，經(jīng)過高速光耦隔離后驅(qū)動IGBT 工作，電路原理如圖2( a) 所示。當單片機輸出低電平時，光耦發(fā)光二極管導通，R2上有電流流過，場效應管VT1 關(guān)斷，VT2 管導通，IGBT正偏而導通;當單片機輸出高電平時，光耦發(fā)光二極管沒有電流流過，R2上也沒有電流流過，場效應管VT1 開通，VT3 管導通，－ 6 V 經(jīng)R4加在IGBT 柵射極之間，使IGBT 迅速關(guān)斷。

　　2. 3 觸頭溫度檢測電路設(shè)計

　　觸頭溫度檢測傳感器采用DS18B20，它是單總線數(shù)字化智能集成溫度傳感器，使用中不需要任何外圍元件，測溫范圍－ 55 ～ + 125 ℃，測量結(jié)果以9 ～ 12 bit 數(shù)字量方式串行傳送。其與單片機接口電路如圖3 所示，以三相接觸器為例，3個DS18B20 分別測3 個觸頭溫度。

　　當檢測到的任意觸頭溫度大于設(shè)定溫度值時，即認為觸點接觸電阻過大，需要維護，給出故障報警。

圖3 DS18B20 與微處理器接口電路。

　　2. 4 交/直流電流測量電路設(shè)計

　　主回路交流大電流測量單元用分流器、變壓器和線性集成運算放大器的組合實現(xiàn)，其原理如圖4 所示。圖中:FL 為分流器，其內(nèi)阻R0;T 為采樣變壓器，變比為K。分流器的靈敏度只有幾十mV，變壓器在很低的電壓下運行，不可能飽和，變壓器激磁電流很小。變壓器負載電流i1 =Ui /R1，R1一般為幾十kΩ，i1極小，變比K 很小，變壓器基本處于空載運行狀態(tài)，即可認為分流器FL 上的壓降為變壓器輸入電壓:

　　則變壓器輸出電壓:

　　因此，由式(2)、(3) 得運算放大器輸出電壓為：

圖4 交流電流測量電路。

　　運算放大器采用單電源供電，Ui正半周時運放輸出為0，也就相當于實現(xiàn)了UAD的線性整流，使得輸出可以直接進入單片機AD 口。

　　控制回路采用直流操作時，線包電流比較小，可以在回路中直接串接采樣電阻Rs進行檢測，直接送入AD。

　　2. 5 交/直流電壓測量電路設(shè)計

　　交流電壓測量時，先利用線性AC /DC 變換器，將交流電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷盒盘?，再?jīng)AD 端口輸入單片機。其中一相調(diào)理電路如圖5所示。

　圖5 交流電壓測量電路。

　　交流相電壓經(jīng)過電壓互感器隔離變換，經(jīng)電位器RP1后采樣信號變成幅值為1. 5 V 的交流正弦信號，再與1. 5 V 的直流偏置分量疊加，取R0 = R1時，則輸出信號值為3 V，值為0 V的單級性脈動直流信號，滿足單片機輸入要求，直接由AD 端口輸入單片機。

　　考慮交流電壓有效值計算公式:

　　式中T———信號周期。

　　單片機采樣后，系統(tǒng)中的信號U( n) 為離散值，計算公式如下：

　　式中u(i)———各次瞬時采樣值，i = 1，2，…，nN———采樣次數(shù)。

　　工頻電周期為50 Hz，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，選取采樣頻率為200 Hz，即一個工頻周期采樣40 個點，采用牛頓迭代法即可解出電壓有效值。

　　直流電壓檢測比較簡單，采用電阻分壓即可實現(xiàn)。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　考慮到移植性，軟件采用模塊化設(shè)計方法。

　　系統(tǒng)軟件主要有以下模塊構(gòu)成:主程序、初始化子程序、PWM 產(chǎn)生子程序、鍵盤中斷服務程序、故障保護中斷子程序、溫度采集程序、AD 采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序及顯示程序等，其中故障保護中斷優(yōu)先級。主程序流程如圖6 所示。

圖6 主程序流程圖。

　　4 運行測試

　　系統(tǒng)在實驗室對一臺CJ12-250 型交流接觸器進行改造試驗，采用試驗模擬的手段測試，相電壓正常值設(shè)定為220 V，當實際電壓為200 V 時(DT9205 型數(shù)字萬用表測)，系統(tǒng)切斷接觸器，并給出欠壓故障指示，顯示電壓199 V;利用水溫模擬觸頭溫度，設(shè)定值為60 ℃，當水溫達到60. 5 ℃(水銀溫度計測) 時，系統(tǒng)給出聲光報警，顯示溫度為60. 0 ℃，故障顯示為“觸頭接觸不良”;利用小電流模擬分流器電流值，額定值設(shè)為100 A，當電流達到0. 11 A時，系統(tǒng)給出過載報警，顯示負載電流為105 A，當繼續(xù)運行時間達到10 min 時，系統(tǒng)封鎖PWM 信號，接觸器斷開，系統(tǒng)停止工作。經(jīng)過多次測試，試驗結(jié)果均與預期一致，試驗數(shù)據(jù)與采用其他儀表測量結(jié)果一致。

　　5 結(jié)語

　　試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)動作可靠，能夠完成對主要參數(shù)的準確采集和顯示，故障定位準確，保護動作及時，實現(xiàn)了無聲運行以及降低了能耗，可節(jié)約能耗60%以上。

　　用C8051F040 型單片機設(shè)計的新型智能交流接觸器，實現(xiàn)了交流接觸器的運行狀態(tài)在線監(jiān)測，為系統(tǒng)的檢修和維護提供依據(jù)，可以使故障消滅在初級狀態(tài)，減小經(jīng)濟損失，間接提高系統(tǒng)的可靠性;采用PWM 控制技術(shù)，實現(xiàn)了交流接觸器的直流運行，從根本上消除了交流接觸器運行中噪音大，能耗高的問題，增加了系統(tǒng)的使用壽命。

　　定位采用C8051F040 簡化了外圍電路，成本低廉、可靠性高，并且可用于現(xiàn)有在線系統(tǒng)的改造。稍加改動，即可具備遠程監(jiān)控功能，同時應用于常見控制系統(tǒng)時，可以省掉各類保護裝置以及儀器儀表，系統(tǒng)具有廣闊的應用范圍。

參考文獻:

[1]. C8051F040 datasheet http://udpf.com.cn/datasheet/C8051F040_209840.html.
[2]. DS18B20 datasheet http://udpf.com.cn/datasheet/DS18B20_819975.html.