电磁式接触器智能控制模块设计及试验

张雄清 林 毅 戴 涛

（舟山电力局，浙江 舟山 316000）

1 引言

接触器是一种用于远距离频繁地接通和断开交直流主电路及大容量控制电路的电器，应用非常广泛。据统计，电力系统的能量有一半以上是通过接触器分配到各种电器——电动机、电热设备、电焊机、电容器组等。电磁接触器是我们常见的一种。随着科技的发展和用电水平的大幅度提高，不仅对其数量有日益增长的要求，对产品的性能、质量的要求也越来越高。由于电磁机构是电磁接触器的核心部件，静态特性与动态特性是电磁机构主要的电气特性，它们决定了接触器的性能和质量。接触器的动态特性与接触器的电寿命密切相关，其吸合过程是一个动态过程，包含着力、位移、速度、碰撞和弹跳过程，变化规律复杂。传统的接触器的工作电压比较窄，不能实现交直流通用，而且吸合过程都是随机的。交流电磁式接触器还存在分磁环，长期工作后，分磁环会断裂，交流电压过零点时，电磁力为零，在反力弹簧的作用下，接触器会产生振动，可能会拉弧，会产生噪音。近年来， 随着微处理技术、通信技术、传感器技术和电力电子技术广泛应用于智能接触器中，可以对接触器吸合、吸持、分断全过程进行动态控制，使得智能接触器正朝着节小型化、智能化、网络化和节能等方向发展。

2 电磁式接触器智能控制电路原理

电磁式接触器智能控制电路原理如图1所示。由图1可知，不管电源是直流还是交流，经过整流最终都是直流，线圈的激磁电压最终都是直流电压，因此外部电源可以是交流也可以是直流，即实现了接触器交直流通用。整流得到的直流一路给接触器的线圈供电，另一路经高频变压器给单片机和线圈供电。高频变压器可以把整流后的直流，转换成7～12V的电压，在通过稳压回路把电压稳定在5V，给线圈和单片机供电。强激磁回路是由整流后电源、主控元件、线圈组成。保持回路是由保持电源、保持元件、线圈组成。电源上电以后，接触器不会马上动作，单片机正处于等待状态。当单片机接到合闸信号时，才开始A/D采样，判断电源电压是正常。如果电压不正常，单片机通过控制回路1，让主控制元件不导通。如果电压正常，单片机通过控制回路1，让主控元件导通一定时间，等触头闭合时，主控元件分断。通过控制回路2让保持元件导通，接触器工作在低电压吸持状态下，实现节能无声运行。当单片机检测到电压异常时，分断保持元件，就可以使接触器分断。如果正常情况下要分断接触器，只要给单片机相应的信号，就可以断开保持回路。

图1 控制原理图

3 软件控制主程序

软件是控制模块的灵魂，是智能控制模块的核心。通过软件与硬件的配合，可以实现吸合过程和保持过程的控制，下位机可以和上位机进行双向通信，主程序框图如图2。当外加电源给控制板加压时，接触器不会马上吸合，只有当就地合闸按钮按下或远程遥控合闸时，接触器才会吸合，通过控制强激磁的时间，来控制接触器的弹跳，分闸原理也是类似。

图2

4 电磁式接触器试验

电磁式接触器的线圈是按照最小动作电压下设计的，在控制板的配合下，通过控制强激磁时间，线圈具有很强的过载能力，可以工作在很宽的工作电压下。通过对吸合过程进行动态控制，使触头弹跳达到最小，从而达到减少触头磨损、提高电器寿命的目的。接触器弹跳除了与强激磁电压大小有关外，还与强激磁时间有关，因此对不同的电压就有不同的最佳吸合方案。

电磁式接触器吸合过程采用直流起动，起动过程又可分为两个阶段，一是触动阶段，二是吸合运动阶段。其电流和时间的关系如图3。对强激磁电压的控制有两种方法，一种是在Td之前关闭强激磁电压，触头靠惯性闭合；另一种是在Td之后关闭强激磁电压，这样会造成触头弹跳比较厉害。为了提高接触器的寿命，在保证接触器可靠动作的前提下，强激磁电压通电时间应小于Td。下面介绍接触器在不同强激磁电压和不同强激磁时间，对合闸的影响。

图3 吸合过程电流与时间关系

本次试验用的接触器型号为CJ20-40，已经割了分磁环，其匝数为2100，线径为0.30mm，电阻为100.5Ω。

4.1 不同强激磁电压对吸合的影响

试验以CJ20-40为试品，在不同电压下，测量线圈电流与触头信号。强激磁时间都为25ms,分别测出DC220V和DC110V情况下的波形图，其中图4是在DC220V下测量，图5是在DC110V下测量。由图4可知在DC220V情况下，接触器的动作时间为4.2ms,25ms的强激磁时间太长，触头在闭合时速度很大，触头弹跳的比较厉害。由图5可知在DC110V情况下，接触器的动作时间为22ms，触头的弹跳减少了。比较图4和图5不难发现，在相同的激磁时间下，不同的激磁电压具有不同的弹跳。

4.2 不同强激磁时间对吸合控制的影响

图4 强激磁电压为DC220V

图5 强激磁电压为DC110V

在不改变电源电压的情况下，调节强激磁时间，得出的波形，如图6、图7、图8。由图6可知，接触器的动作时间小于强激磁时间，触头弹跳比较厉 害。由图7可知接触器的动作时间大于强激磁时间，触头靠惯性闭合，弹跳少，动作时间短。由图8可知接触器不能可靠吸合。比较图6、图7、图8可知，在相同的电压下不同的强激磁时间，触头弹跳也是不一样的，因此在交流220V的强激磁时间可以设定为5ms。

图6 强激磁时间25ms

图7 强激磁时间5ms

图8 强激磁时间4ms

4.3 电磁式接触器吸持过程的控制

吸持过程的控制是软件控制的重要内容，是实现节能无声运行的关键。在吸合过程中，接触器在打开位置气隙大，需要的磁势比较大，激磁电压大，而闭合位置气隙小，需要的磁势小，激磁电压只需5～10V就可以保持。因此闭合后，只须要高频变压器给线圈一个保持电压就行了。接触器线圈加的始终是直流电，可以不考虑电感的影响。接触器一般是用在DC110V、AC220V或AC380V，以DC110V接触器为例计算线圈功率。已知线圈电阻为100.5Ω，如果保持电压为DC110V，根据式（1）可知

线圈的功率为120W，如果线圈保持电压为10V的话，根据式（1）可知，线圈的功率为1W。比较两者的功率，不难发现后者更节能、环保。

5 结论

CJ20-40接触器在智能控制板的配合下，实现了交直流通用、工作电压宽、减少了触头的弹跳，提高合闸可靠性，达到节能环保的目的。通过下位机与主控计算机的通信功能，实现远程监控和操作，保证操作人员的安全，为电器网络化打下了良好的基础。

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