智能大功率过零接触器关键技术研究与开发

徐帅 曹睿杭 祝志强 刘燕红 黄菲

摘要：该文详细阐述了研发不产生电弧和冲击的智能大功率接触器的过程。项目以STM32F103RCT6单片机为核心，通过光耦隔离的数据采集系统，使接触器在电压过零时触头闭合，电流过零时触头分开，从而达到保护用电设备和延长接触器使用寿命的目的。通过借助ESP8266WIFI模块，使用MQTT协议与服务器进行通讯，从而实现数据的上传和接收。最后基于Vue开发微信小程序，对接触器进行实时监测和控制，使接触器走向智能化。

关键词：过零投切;接触器;单片机;智能测控;互联网

中图分类号：TP3        文献标识码：A        文章编号：1009-3044（2019）01-0225-02

1 概述

交流接触器是一种常用于接通和切断电路的自动化切换电器，它不但有益于实现远距离控制和高频率操作，而且市场需求量大、使用范围广。电动机、变压器、电阻炉等用电设备是接触器的主要控制对象，它在工业、农业、交通运输、商业和国民经济等社会的方方面面都有广泛的应用。因此，交流接触器的稳定性和寿命直接影响到整个工业系统的稳定性和寿命，影响其他电机电器的正常工作，甚至带来巨大的生命财产损失。

在国民经济的大量需求及电力工业增长的趋势下，交流接触器的需求量持续增长，并朝着节能、智能、高寿命和高可靠性发展。但传统接触器有以下缺点：①在触头闭合和分开时会产生冲击和电弧，造成接触器寿命降低并对电网和用电设备带来冲击。②由于工艺和动作机构等原因，开关电器的合闸和分断时间不能确定，即时间的分散性很大。③要提高开关电器的分断速度，会给电器的动作机构带来一定的困难，增加电器的负担。为了提高交流接触器运行的可靠性，必须进一步改善交流接触器在进行分断时触头间电弧过大的问题。目前，国内外的许多专家学者以及各高校都在这方面进行了深入的研究，以改善接触器的性能。

针对上述问题，我们通过STM32F103RCT6单片机及测量电路检测电流和电压，以及运动机构时间，使触头在电流过零前某一极短时刻断开，在电压过零前某一极短时刻闭合，并提升触头运动速度使得触头在过零时有足够的分离速度，使得触头无弧光分断，减少对触头固有动作时间的稳定性要求，达到延长接触器使用寿命以及保护电路的目的。

由此可见，对于智能大功率过零接触器的研究具有重要意义。

2 项目总体设计

我们通过STM32F103RCT6单片机及测量电路检测电流和电压，以及运动机构时间，使触头在电流过零前某一极短时刻断开，在电压过零前某一极短时刻闭合。创新地运用互联网+的思维，使用MQTT协议与服务器进行通讯，将硬件设备联网，将数据上传至云平台，实现数据的存储;通过微信小程序的开发，使我们能通过手机等终端实现对智能大功率接触器实时状态的监测和控制，从而让接触器走向智能化。智能大功率接触器总体设计框图如图1所示。

3 硬件设计

智能大功率过零接触器的硬件部分主要由CPU单元、电源电路模块、光耦检测电路模块、ESP8266WIFI通信模块构成。硬件部分设计框图如图2所示。

3.1 CPU单元

CPU是整个控制系统的核心，为了保证系统的稳定性和易扩展性，我们采用意法半导体推出的“增强型”系列STM32F103RCT6，它使用基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARMCorrex-M3内核，内置高速存储器，工作频率为72MHz，增强了I/O端口和联接到两条APB总线的外设。

3.2 电源电路模块

将220V电压经过变压器降为12V的交流电，经过整流电路将12V交流电转化成单向脉动性直流电，然后进行滤波，滤除交流分量，保留直流分量，使电压平滑。最后经过稳压电路，使输出电压稳定，不随负载变化。电源电路示意图如图3所示。

3.3 光耦检测电路模块

光耦合器以光为媒介传输电信号，它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。当接触器触头过零点时，图中1和2之间没有电流通过，光电二极管不会发光，三极管将不导通，输出端通过单片机检测不到电流;当触头未过零点时，1和2之间有电流通过，二极管发光，三极管导通，则可以检测出电流。因此，通过单片机检测出电流的两种状态，则可以判断接触器是否过零点。光耦检测电路如图4所示。

3.4 ESP8266WIFI通信模块

我们之所以选用ESP8266WIFI模块，是因为它带有完整的WIFI功能，内置高速的缓冲存储器，有利于提高系统性能，并减少内存需求。之所以使用MQTT协议与服务器进行通讯，是因为它小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），能降低网络流量。

通过借助ESP8266WIFI模块，使用MQTT协议与服务器进行通讯，从而实现数据的上传和接收。通过云平台上显示的数据，我们能够分析出它是否能完成过零投切，并且将数据及时的储存下来。

4 软件设计

在本文软件的设计中，主要通过开发微信小程序来实现对接触器实时状态的监测和控制。

首先基于vue.js的web渐进式框架，编写前端界面;然后通过简单的API实现数据绑定，通过嵌入式实时操作系统将采集的数据进行上传，通过TCP传输控制协议与小程序端进行实时交互;最后，通过mpvue框架将前端代码转化为微信小程序代码，在微信开发者工具中进行软件调试。其设计流程图如图5所示。

用微信小程序连接智能接触器，控制它的状态为开，实时测出它的电压和电流，并分析它是否在电压过零时触头闭合，电流过零时触头分开。微信小程序测试界面如图6所示。

5 结语

本项目主要对大功率接触器的过零投切和智能测控进行设计和研究。在阅读了大量国内外文献的基础上，了解了智能交流接触器国内外研究现状和发展趋势，给出了具体的硬件设计方案和软件设计方案。并且对本项目每个模块都进行了详细的阐述。

随着工业革命的快速发展，智能交流接触器的设计是一个重要的发展方向，其性能大大优于传统交流接觸器，它还有很多方面值得去进一步研究和创新。

参考文献：

[1] 陈文桂. 一种新型智能交流接触器的设计与研究[D].福州大学，2016.

[2] 刘天宇，张晓斌，董延军.基于单片机的航空直流接触器智能控制单元设计[J].测控技术，2014，33（07）：81-84.