一种具有过载保护功能接触器的研究设计
2020-02-28
(陕西群力电工有限责任公司,陕西宝鸡,721300)
1 引言
该型接触器的核心技术是采用单片机技术控制内置接触器线圈断电或通电，当输出端负载电流大于规定值时，单片机输出高电平，线圈断电，反之单片机输出低电平，线圈通电，可实现过流保护、复位功能，从而保护用户负载电路和接触器自身。该产品具有一组动合触点，额定负载为100A，27Vd.c.(阻性)，主要用于航空、兵器等领域控制设备中切换电路之用。
2 技术要求
主要技术指标如下:
温度范围：-55℃～85℃
正弦振动：10Hz～1000Hz，98m/s2
冲 击：98m/s2(脉冲持续时间：11ms)
稳态加速度：98m/s2
触点组数：1H
介质耐电压：1000Vr.m.s.
绝缘电阻：≥1000MΩ
接触电压降：≤125mV
触点额定负载：100A，27Vd.c.(阻性)
电 寿 命：1×104次
过流保护值：150A(可调)
重 量：≤700g
外形尺寸：91mm×91mm×67mm
经过分析以上主要技术指标,确定研制该产品主要技术难点：①控制电路部分保护功能设计难度大；②产品内部结构紧凑，抗电磁干扰能力差，易出现反应不灵敏。
解决措施：① 过流保护的电流采样使用霍尔电流传感器，并对传感器降额使用，通过软件仿真，以保证所有功能可靠实现。② 对控制电路板和接触器部分结构进行优化设计，将控制电路板置于接触器线圈转换部分一侧，同时在单片机控制程序中设置滤波程序，提高产品的抗干扰能力。
3 研究与设计
3.1 总体结构设计及功能说明
3.1.1 基本结构确定
该型接触器分为：接触器部分和控制电路部分。接触器部分和控制电路部分通过霍尔电流传感器连接，霍尔电流传感器采样接触器部分负载电流，并将电流值转化为电压值传输给控制电路部分，控制电路部分将该电压值与基准电压值进行比较来判断是否进行过流跳闸保护。接触器部分和控制电路经装配后用罩壳封装。产品外形见图1；接线图见图2；内部结构见图3。
图1 外形图
图2 接线图
图3 内部结构图
3.1.2 功能说明
a) 当线圈加电，负载端不加电时， LED1、LED2、RES均为高电平；
b) 当线圈加电，负载端有电流且电流小于等于120A时，接触器正常工作，LED1高电平，LED2低电平，RES高电平；
c) 当线圈加电，负载端电流大于120A，小于等于150A，接触器进入反时限过流保护，延时0.5s～15s后断电保护，LED1低电平，LED2高电平，RES高电平，直到有复位命令(即RES为低电平脉冲信号)才可恢复接通状态；
d) 当线圈加电，负载端电流大于150A，在30ms内执行断电保护，LED1低电平，LED2高电平，RES高电平，直到有复位命令(即RES为低电平脉冲信号)才可恢复接通状态。
e) 复位功能：当给RES一个低电平脉冲信号，可启动复位功能。
3.2 接触器部分设计方案
接触器部分采用某型直流接触器，该型接触器结构成熟可靠，能够满足振动、寿命等指标要求，通过螺钉、螺母固定在底板上，负载引出端通过连接片和输出端连接，线圈由控制电路供电。如图4所示。
图4 接触器部分示意图
3.3 控制电路部分设计方案
控制电路部分由输入部分、单片机部分、复位电路、电流采样部分、驱动部分、连接器部分组成，其原理框图如图5所示。
图5 电原理框图
输入部分：用来给接触器部分线圈提供电压，同时通过三端稳压器将输入电压降到5Vd.c.，给单片机和霍尔电流传感器供电；
单片机部分：判断采样到的负载电流信号进行A/D转换，并判断该值是否达到过流保护值，并作出相应的保护动作；
复位电路：当接触器进入保护状态后，可通过复位电路给一个低电平脉冲信号使单片机复位；
电流采样部分：通过霍尔电流传感器将负载电流值转化为电压值，并传输给单片机部分；
驱动部分：用来驱动光耦给接触器部分线圈供电或断电，从而控制接触器部分触点接通或关断；
连接器部分：用于用户检测接触器工作状态和实现复位功能用。
3.3.1 控制电路板设计
根据以上思路，设计制作并优化了控制电路板，如图6所示。
图6 控制电路板接线图
3.3.2 软件设计
该产品软件采用C语言编写，在MPLAB开发环境中完成程序的编译调试，该产品主流程图见图7。
图7 主流程图 图8 反时限流程图
主程序中A/D转换采样电流值通过单片机自带的10位分辨率的A/D转换模块将模拟信号转化为数字信号，其分辨率为：VCC/210=5V/1024=4.8828mV(VCC为单片机的供电电压为5V)。本产品电流采样选用灵敏度较高霍尔电流传感器，其灵敏度为10mV/A，则输出电压为：U=V/2*1000+I*10，因此，经A/D转换的离散电压值M为：
M=U/4.8828=(V/2*1000+I*10)/1024
为了减少单片机的空间占用率，程序中均采用离散电压值进行反时限计算，其反时限过载保护流程图见上图8。
3.4 控制电路部分仿真分析
采用PROTUES软件对控制电路部分进行功能仿真，可以减小产品开发过程中的风险，其仿真电路见图9，图中显示为额定电流下的仿真结果。
图中，通过滑动变阻器RV1来调节负载电流，通过开关K1来模拟负载被短路，通过开关K2复位单片机。单片机上电，驱动Q1导通，接触器RL1线圈加电，开关闭合，霍尔电流传感器U3采样负载电流，并将采样值传输给单片机，通过功能仿真，说明程序可行。
图9 功能仿真
4 测量与试验
按本研究结果和设计及仿真进行了产品装配和试验,过流跳闸保护时间测试见下表：
参数 项目产品编号I负载≤120A,正常工作,不跳闸120A
从以上数据可以看出,产品过流跳闸保护时间满足技术指标要求，按其详细规范进行鉴定试验结果合格，产品各项性能指标和参数符合规定。
5 结论
通过对具有过载保护功能的接触器研究和分析，并通过软件仿真，保证了过流保护功能的可靠实现；通过对控制电路板和接触器部分结构进行优化设计，将控制电路板置于接触器线圈转换部分一侧，同时在单片机控制程序中设置滤波程序，提高产品的抗干扰能力。另外该产品可衍生出具有其它保护功能的接触器，用途广泛，很有发展前景。
