基于多反饋參量的交流接觸器自適應(yīng)吸持控制策略

劉向軍 楊 程 周煜源

基于多反饋參量的交流接觸器自適應(yīng)吸持控制策略

劉向軍 楊 程 周煜源

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 福州 350108）

交流接觸器的吸持大多通過(guò)單一控制線圈電流或電壓實(shí)現(xiàn)，因此無(wú)法兼顧可靠吸持和節(jié)能運(yùn)行的要求，該文對(duì)交流接觸器不可靠吸持特性進(jìn)行理論分析、建模仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到動(dòng)、靜鐵心分離過(guò)程中線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)，提出一種基于多反饋參量的交流接觸器自適應(yīng)吸持控制策略。以交流接觸器正常運(yùn)行中的觸頭電流、線圈電流以及不可靠吸持發(fā)生時(shí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為反饋參量，通過(guò)對(duì)參量的監(jiān)測(cè)并根據(jù)不同的工作狀態(tài)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，使接觸器即使處于較低的吸持電壓下，依然具備較高的吸持穩(wěn)定性?；谠摬呗?，設(shè)計(jì)了控制模塊并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，利用該控制策略可以有效實(shí)現(xiàn)接觸器的節(jié)能運(yùn)行與可靠吸持，減小吸持能耗并提高交流接觸器的工作穩(wěn)定性。

交流接觸器 多反饋參量 自適應(yīng)吸持控制 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

0 引言

交流接觸器是一種用于頻繁接通和斷開交流主電路和大容量控制電路的電器，直接影響低壓配電系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性[1-2]。隨著交流接觸器的大量使用，能耗成了不容忽視的問(wèn)題[3-4]。相較于吸合時(shí)動(dòng)、靜觸頭間的接觸電阻引起的能耗和毫秒級(jí)起動(dòng)階段的線圈能耗，線圈的吸持能耗成了最主要的來(lái)源，如何兼顧可靠吸持與節(jié)能保持成了吸持過(guò)程控制的研究重點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)交流接觸器的節(jié)能運(yùn)行，目前較為常見的有以線圈電壓為控制量的直流低電壓保持方式和以線圈電流為控制量的直流低電流保持方式。低電壓保持控制策略通過(guò)線圈雙電源切換供電，在起動(dòng)時(shí)線圈采用高電壓勵(lì)磁，保持過(guò)程則切換為低電壓電源供電，可有效地減小吸持能耗[5-7]。然而溫升問(wèn)題普遍存在于長(zhǎng)時(shí)間通電以及工作在各種復(fù)雜環(huán)境的接觸器中，線圈電阻不可避免地增大，倘若采用恒定的線圈電壓控制方式，將不能保證接觸器工作的可靠性。低電流保持控制方式采用單一電源進(jìn)行供電，以線圈電流作為控制參量，可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，具體表現(xiàn)為占空比是否恒定。開環(huán)控制采用恒定高占空比勵(lì)磁起動(dòng)，恒定低占空比進(jìn)行保持，忽略線圈電阻的影響，因此控制的有效性同樣受到溫升的制約。而帶線圈電流反饋的閉環(huán)控制方式通過(guò)實(shí)時(shí)控制線圈電壓的占空比，使線圈電流保持在恒定值，可以有效避免溫升引發(fā)的不可靠吸持問(wèn)題[8-10]。為了保證可靠吸持，閉環(huán)控制方式通常采用臨界吸持電流的數(shù)倍作為吸持電流參考值[11]。這將造成額外的能耗，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義的節(jié)能運(yùn)行。而在過(guò)低的保持電流控制方式下動(dòng)、靜觸頭間的電動(dòng)斥力可能導(dǎo)致接觸器不可靠吸持[12-14]，此外，為了維持恒定的吸持電流，線圈勵(lì)磁回路的開關(guān)電子器件需要不停地通斷，將帶來(lái)附加的開關(guān)損耗。由于上述兩種方式均采用固定的保持電壓或電流參考值，導(dǎo)致其適應(yīng)性不強(qiáng)。因此，本文以減少能耗為出發(fā)點(diǎn)，提出一種基于多反饋參量的自適應(yīng)吸持控制策略。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)觸頭電流、線圈電流、線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，自適應(yīng)地調(diào)整吸持電壓，保證了接觸器即使處于較低的吸持電壓下，依然具備較高的吸持穩(wěn)定性。

1 接觸器不可靠吸持過(guò)程特性分析

為減小吸持能耗，吸持電壓或吸持電流參考值須盡可能低，且應(yīng)具備自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，以確保控制的有效性不受交流接觸器老化、機(jī)構(gòu)特性改變的影響，因此，反饋參量的選定、檢測(cè)及判斷顯得尤為重要。文獻(xiàn)[15]在交流接觸器勵(lì)磁線圈上外繞一個(gè)輔助線圈，分析了分?jǐn)噙^(guò)程中動(dòng)、靜鐵心分離與輔助線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間存在一定的關(guān)系。因此，本文通過(guò)理論推導(dǎo)、仿真以及實(shí)驗(yàn)，對(duì)不可靠吸持發(fā)生時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律進(jìn)行分析，為將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作為不可靠吸持事件的反饋信號(hào)提供基礎(chǔ)。

1.1 電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)微分方程組

本文以某型號(hào)的交流接觸器為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該交流接觸器主要由電磁機(jī)構(gòu)（包括反力彈簧、勵(lì)磁線圈、靜鐵心、分磁環(huán)、動(dòng)鐵心），觸頭系統(tǒng)（包括觸頭彈簧、靜觸頭、動(dòng)觸頭和輔助觸頭）、絕緣外殼以及其他附件組成。

圖1 交流接觸器結(jié)構(gòu)

電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)過(guò)程包含電、磁、機(jī)械參量的變化，其動(dòng)態(tài)特性可用動(dòng)態(tài)方程組描述為

吸合過(guò)程中，隨著鐵心的運(yùn)動(dòng)，將產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)反電動(dòng)勢(shì)coild/d，此時(shí)電磁機(jī)構(gòu)磁路電壓平衡方程式為

1.2 不可靠吸持過(guò)程理論分析

為了產(chǎn)生不可靠吸持事件，將線圈勵(lì)磁電壓設(shè)為0V，則不可靠吸持發(fā)生過(guò)程中的電壓平衡方程可表示為

式中，為動(dòng)、靜鐵心之間的氣隙。在動(dòng)、靜鐵心分離初期，氣隙非常小，忽略漏磁，則磁路電感可表示為

求解上述方程得到coil的通解為

由于接觸器勵(lì)磁線圈與輔助線圈套在同一鐵心極柱上，近似于同心變壓器，可得

式中，1為勵(lì)磁線圈繞組漏阻；1為勵(lì)磁線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；2為輔助線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（下稱感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）；為輔助線圈與勵(lì)磁線圈的匝數(shù)比。聯(lián)立式（5）～式（7）可得

由于coil為e的指數(shù)函數(shù)，恒大于零，即coil＞0，因此，2＜0，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在動(dòng)、靜鐵心分離期間應(yīng)為負(fù)電動(dòng)勢(shì)。

1.3 仿真分析

為了驗(yàn)證理論推導(dǎo)的準(zhǔn)確性，建立Simulink與Flux的聯(lián)合仿真模型，對(duì)接觸器的吸持過(guò)程進(jìn)行仿真分析。圖2為具有雙層線圈的接觸器電磁機(jī)構(gòu)模型，其中輔助線圈套在勵(lì)磁線圈外，用于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)。聯(lián)合仿真過(guò)程另文敘述。

圖2 聯(lián)合仿真原理

為了研究不可靠吸持發(fā)生時(shí)接觸器各參量變化情況，在鐵心吸持階段，使接觸器線圈斷電，觸發(fā)不可靠吸持事件。由于仿真過(guò)程計(jì)算量大，迭代時(shí)間冗長(zhǎng)，因此，本文對(duì)仿真模型和控制方式進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，對(duì)接觸器采用帶線圈電流反饋的閉環(huán)控制方式起動(dòng)并穩(wěn)定吸持一段時(shí)間后，在50ms時(shí)刻使線圈斷電。仿真結(jié)果如圖3所示，圖3中包含了接觸器起動(dòng)和吸持過(guò)程的接觸器的動(dòng)態(tài)特性。圖中從上到下依次為線圈電壓、線圈電流、線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以及鐵心位移曲線。

如圖3所示，動(dòng)、靜鐵心在1時(shí)刻分離，在反力彈簧的作用下，在2時(shí)刻動(dòng)鐵心返回最大工作氣隙處。在這個(gè)過(guò)程中，線圈電流先增大后減小，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)存在反向增大而后減小的趨勢(shì)。

圖3 仿真結(jié)果

從線圈開始斷電到鐵心分離前，由于鐵心速度為零，此時(shí)電磁機(jī)構(gòu)的磁路電壓平衡方程為

線圈斷電后，電流呈下降趨勢(shì)，當(dāng)線圈電流自由衰減到不足以維持接觸器吸持時(shí)，鐵心開始分離，線圈中產(chǎn)生阻礙電流減小的運(yùn)動(dòng)反電動(dòng)勢(shì)coild/d，此時(shí)電磁機(jī)構(gòu)的磁路電壓平衡方程如式（3）所示。由于鐵心分離過(guò)程電感變化率d/d為負(fù)，其運(yùn)動(dòng)反電動(dòng)勢(shì)也為負(fù)，鐵心剛開始分離時(shí)由于線圈電流較小，coilcoil不足以平衡運(yùn)動(dòng)反電動(dòng)勢(shì)，故運(yùn)動(dòng)反電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)后便占據(jù)主要地位，迫使線圈電流上升，因此1時(shí)刻線圈電流出現(xiàn)拐點(diǎn)，電流變化率dcoil/d＞ 0。隨著電流上升，coilcoil與dcoil/d不斷增大，直到運(yùn)動(dòng)反電動(dòng)勢(shì)不足以維持電流的上升，電流達(dá)到最大值，隨后開始下降。根據(jù)式（8），電流的變化過(guò)程將會(huì)導(dǎo)致輔助線圈產(chǎn)生一個(gè)先反向增大而后減小的負(fù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

1.4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律，在某型號(hào)的交流接觸器線圈外加繞一個(gè)輔助線圈，以測(cè)試感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；采用位移傳感器測(cè)得動(dòng)鐵心的位移曲線；在觸頭上串聯(lián)一個(gè)電阻并為觸頭回路施加一個(gè)5V的直流電壓，測(cè)得觸頭動(dòng)作信號(hào)。圖4為線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化規(guī)律。

圖4 線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化規(guī)律

圖4中四條曲線從上到下依次為線圈電壓、線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、動(dòng)鐵心位移曲線、觸頭信號(hào)(高電平為觸頭閉合，低電平為斷開)。0時(shí)刻動(dòng)、靜鐵心分離，此時(shí)輔助線圈兩端出現(xiàn)負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，隨后感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)逐漸增大；1時(shí)刻鐵心走完接觸器超程，觸頭隨之分?jǐn)?，?dòng)鐵心繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直到最大行程處。從圖4中可見，從感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)到觸頭分?jǐn)嗟臅r(shí)間間隔達(dá)10ms以上，在這段時(shí)間內(nèi)足以對(duì)接觸器進(jìn)行二次控制。

2 線圈控制電路設(shè)計(jì)原理

為滿足交流接觸器以閉環(huán)控制方式起動(dòng)和自適應(yīng)吸持的需要，本文設(shè)計(jì)了接觸器線圈控制拓?fù)潆娐罚鐖D5所示。圖中S為交流電源；2為保持階段的數(shù)控直流電壓源，可以為線圈提供可調(diào)節(jié)的保持電壓；VD3、VD4、VD6、VD7組成整流電路；1為濾波電容；Q1、Q2、Q3為場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管，可快速通斷回路。由于續(xù)流回路的存在，導(dǎo)致分?jǐn)噙^(guò)程中線圈電流變化緩慢，機(jī)構(gòu)釋放時(shí)間長(zhǎng)，因此選擇續(xù)流回路可控的設(shè)計(jì)方案，在釋放過(guò)程中關(guān)斷Q2，以加快機(jī)構(gòu)的釋放；VD1、VD2、VD5為快恢復(fù)二極管，可以防止S和2所在的支路同時(shí)導(dǎo)通，避免短路。

圖5 線圈控制拓?fù)潆娐?/p>

該電路具有三種工作模態(tài)：①當(dāng)Q1導(dǎo)通、Q3截止時(shí)，線圈由S供電，實(shí)現(xiàn)高電壓勵(lì)磁；②當(dāng)Q1、Q3截止時(shí)，由于線圈近似于一個(gè)電感，線圈電流不能突變，此時(shí)Q2、VD5將作為線圈的續(xù)流回路；③當(dāng)Q1截止、Q3導(dǎo)通時(shí)，線圈由2供電，處于低電壓保持狀態(tài)。這三種工作模態(tài)對(duì)應(yīng)的電流流向軌跡如圖5中虛線所示。

為了滿足吸持電壓值可調(diào)的要求，本文設(shè)計(jì)了如圖6所示的數(shù)控開關(guān)電源降壓斬波電路。該電路以TI公司的同步降壓控制器LM5117為核心，通過(guò)單片機(jī)改變數(shù)字電位器MCP41010的電阻值，實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓可調(diào)。

3 基于多反饋參量的交流接觸器自適應(yīng)吸持控制策略

在接觸器吸持過(guò)程中，影響吸持穩(wěn)定性的因素分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素包括線圈長(zhǎng)期通電以及環(huán)境溫度升高引發(fā)的線圈電阻增大，導(dǎo)致線圈吸持電流減小，無(wú)法維持正常的吸持過(guò)程；還包括由于觸頭系統(tǒng)通過(guò)的電流過(guò)大導(dǎo)致觸頭間電動(dòng)斥力而引發(fā)的不可靠吸持。外部因素為接觸器運(yùn)行于惡劣環(huán)境下，如：使接觸器振動(dòng)引發(fā)的不可靠吸持。通過(guò)電流傳感器檢測(cè)線圈電流和觸頭電流可判定當(dāng)前是否可能發(fā)生不可靠吸持現(xiàn)象。而從本文第1節(jié)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的仿真與實(shí)驗(yàn)可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的出現(xiàn)幾乎與不可靠吸持事件的發(fā)生同步，且感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)到觸頭分?jǐn)嗟臅r(shí)間間隔較長(zhǎng)，可以對(duì)接觸器進(jìn)行二次控制。因此，本文將線圈電流、觸頭電流以及線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作為反饋參量，利用數(shù)控開關(guān)電源輸出可調(diào)的特點(diǎn)，自適應(yīng)調(diào)整吸持電壓，保證了接觸器即使處于較低的吸持電壓下，依然具備較高的吸持穩(wěn)定性，其控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖6 數(shù)控開關(guān)電源降壓斬波電路

吸持電壓設(shè)定值r由吸持電壓設(shè)定值基礎(chǔ)分量r1與吸持電壓設(shè)定值疊加分量r2、r3共同 決定。

在吸合過(guò)程完成后，線圈并不會(huì)馬上切換為低電壓保持，而是再持續(xù)一小段時(shí)間的強(qiáng)勵(lì)磁，在這段時(shí)間內(nèi)，單片機(jī)將完成對(duì)觸頭電流contact的檢測(cè)，并根據(jù)一定的觸頭電流梯度設(shè)定對(duì)應(yīng)的初始吸持電壓參考值r1，即

圖7 多反饋參量自適應(yīng)吸持控制系統(tǒng)框圖

此時(shí)有

即初始吸持電壓完全由r1決定。強(qiáng)勵(lì)磁過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)將開啟對(duì)線圈電流以及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)，此后保持對(duì)這三個(gè)反饋量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，直至吸持過(guò)程結(jié)束。

基于線圈電流反饋的控制策略實(shí)質(zhì)是對(duì)線圈電阻的實(shí)時(shí)計(jì)算，通過(guò)單片機(jī)將采集得到的線圈電壓coil與線圈電流coil計(jì)算實(shí)際線圈電阻coil，并與常溫下線圈電阻coil_ref進(jìn)行比較，即

當(dāng)接觸器由于長(zhǎng)期工作或外部溫升等原因?qū)е戮€圈電阻變大時(shí)，若值超過(guò)了線圈電阻變化閾值，此時(shí)系統(tǒng)將在原有的吸持電壓設(shè)定值上疊加分量r2，r2的設(shè)定方法與r1相似，此時(shí)有

即此時(shí)的吸持電壓將由r1與r2共同決定。

以上兩種參量的設(shè)定值皆是出于接觸器本體在正常情況下的考慮。當(dāng)接觸器發(fā)生老化、機(jī)構(gòu)特性改變，或是接觸器在某一時(shí)刻由于外部振動(dòng)或觸頭電流瞬時(shí)急劇增大導(dǎo)致基于觸頭電流反饋控制來(lái)不及反應(yīng)時(shí)，可能引發(fā)不可靠吸持問(wèn)題。若此時(shí)鐵心被斥開，線圈將有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)。在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到一定閾值后被單片機(jī)所識(shí)別，此時(shí)系統(tǒng)將對(duì)接觸器進(jìn)行二次控制，對(duì)線圈采取強(qiáng)勵(lì)磁措施，使動(dòng)鐵心在走完超程前重新被吸上（可以保證在這個(gè)過(guò)程中觸頭依然處于閉合狀態(tài)），隨后系統(tǒng)將在原有的吸持電壓設(shè)定值上增加疊加分量r3，則此時(shí)的吸持電壓將由r1、r2與r3共同決定，即有

雖然基于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的自適應(yīng)吸持控制可以有效避免所有可能導(dǎo)致接觸器誤動(dòng)作的因素，但在控制中為了使鐵心分離后再次吸合需要較大的勵(lì)磁電流，將造成額外的能耗。而在大部分情況下，觸頭電流以及線圈溫升為緩慢變化過(guò)程，將觸頭電流以及線圈電流作為基本反饋參量，自適應(yīng)調(diào)節(jié)吸持電壓，可避免基于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的自適應(yīng)控制的觸發(fā)次數(shù)，減少?gòu)?qiáng)勵(lì)磁的能耗，通過(guò)將初始保持電壓設(shè)定在一個(gè)較低的值，降低接觸器運(yùn)行過(guò)程中的能耗，兼顧了接觸器節(jié)能運(yùn)行與可靠吸持，并大幅度提升接觸器在不同工作環(huán)境下的適應(yīng)能力。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該自適應(yīng)吸持控制策略的可行性，本文設(shè)計(jì)了控制模塊，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 基于觸頭電流的自適應(yīng)吸持控制實(shí)驗(yàn)

如上文所述，由于初始保持電壓設(shè)定值較低，交流接觸器過(guò)載時(shí)觸頭間所產(chǎn)生電動(dòng)斥力可能引發(fā)接觸器誤動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)?zāi)M觸頭電流突然變大和恢復(fù)常態(tài)，驗(yàn)證基于觸頭電流反饋的自適應(yīng)吸持控制策略有效性。基于觸頭電流的自適應(yīng)吸持實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

由圖8a可見，常態(tài)下觸頭電流為5A，在0時(shí)刻主回路并入同樣大小的負(fù)載，主回路電流增大至10A，單片機(jī)檢測(cè)到觸頭電流增大后，在1時(shí)刻輸出信號(hào)，隨后線圈電壓逐漸上升。圖8b為觸頭電流在2時(shí)刻從非常態(tài)（10A）恢復(fù)為常態(tài)（5A），經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，在3時(shí)刻線圈吸持電壓將緩慢恢復(fù)原來(lái)的吸持電壓值，可避免誤檢測(cè)以及觸頭電流短暫性恢復(fù)常態(tài)又轉(zhuǎn)為非常態(tài)。

圖8 基于觸頭電流的自適應(yīng)吸持實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2 基于線圈電流的自適應(yīng)吸持控制實(shí)驗(yàn)

線圈電流作為影響電磁吸力的重要物理量，其波動(dòng)將影響接觸器吸持過(guò)程的穩(wěn)定性。線圈長(zhǎng)時(shí)間通電或者周圍環(huán)境溫度升高將不可避免地導(dǎo)致線圈電阻增大，線圈電流隨之減小，此時(shí)基于觸頭電流的吸持電壓設(shè)定值將無(wú)法保證接觸器吸持的可靠性。將線圈電流作為反饋參量，由單片機(jī)進(jìn)行采集并調(diào)整輸出電壓，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整。

為模擬線圈電阻增大引發(fā)的不可靠吸持問(wèn)題，對(duì)交流接觸器進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，在某時(shí)刻為線圈回路串入一個(gè)阻值為10%左右線圈電阻的電阻，驗(yàn)證自適應(yīng)吸持控制的有效性。基于線圈電流的自適應(yīng)吸持實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 基于線圈電流的自適應(yīng)吸持實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖9中可見，在0時(shí)刻線圈回路串入電阻，由于線圈近似于一個(gè)儲(chǔ)能電感，因此線圈電流并不會(huì)馬上跌落，而是緩慢下降，在1時(shí)刻線圈電流達(dá)到觸發(fā)閾值，隨后單片機(jī)輸出信號(hào)，使保持電源輸出電壓上升，線圈電流隨之上升，完成自適應(yīng)調(diào)整過(guò)程。

4.3 基于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的自適應(yīng)吸持控制實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證該控制策略的有效性，在強(qiáng)勵(lì)磁后為接觸器設(shè)置一個(gè)較低的保持電壓，使其無(wú)法可靠吸持，通過(guò)自適應(yīng)吸持控制后，接觸器可靠保持，實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示。

圖10 基于線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的自適應(yīng)吸持實(shí)驗(yàn)結(jié)果

0時(shí)刻，線圈電流不足以維持保持狀態(tài)，動(dòng)、靜鐵心分離，線圈出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；單片機(jī)檢測(cè)到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)后，在1時(shí)刻對(duì)線圈進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)磁，鐵心重新吸合，強(qiáng)勵(lì)磁結(jié)束后，在2時(shí)刻提高保持電壓，防止鐵心再次斥開。從圖10中鐵心位移曲線和觸頭信號(hào)波形可以看到，鐵心在分離一段距離后被再次吸上，在這個(gè)過(guò)程中觸頭始終保持閉合狀態(tài)，說(shuō)明了控制的有效性。在1～2之間由于線圈強(qiáng)勵(lì)磁導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)高頻信號(hào)，為了避免感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反饋控制的誤觸發(fā)，將在強(qiáng)勵(lì)磁過(guò)程中關(guān)閉對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)。

5 結(jié)論

本文以減小交流接觸器吸持能耗為出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)考慮了交流接觸器的可靠運(yùn)行，提出了一種多反饋參量自適應(yīng)吸持控制策略，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)觸頭電流、線圈電流以及線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使接觸器處于一個(gè)較低的吸持電壓下，可以最大程度地減小接觸器的能耗，并同時(shí)具備較高的吸持穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)了控制模塊并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制策略的可行性。結(jié)果表明，該控制模塊可以有效實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）當(dāng)觸頭電流發(fā)生變化時(shí)，吸持電壓可以根據(jù)觸頭電流變化幅值做出反應(yīng)，說(shuō)明該控制策略可以有效防止過(guò)載可能引發(fā)的接觸器不可靠吸持。

2）當(dāng)線圈電流下降到一定閾值時(shí)，使保持電源的輸出電壓上升，保證了交流接觸器在線圈長(zhǎng)期通電以及環(huán)境溫度升高導(dǎo)致線圈發(fā)熱時(shí)，仍可以可靠運(yùn)行。

3）當(dāng)接觸器發(fā)生老化、機(jī)構(gòu)特性改變，或是由于外部振動(dòng)及其他突發(fā)情況導(dǎo)致的接觸器不可靠吸持事件發(fā)生時(shí)，該多反饋參量自適應(yīng)吸持控制策略將基于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)接觸器進(jìn)行二次控制，有效防止動(dòng)、靜觸頭分離，保證主回路的正常工作。

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Adaptive Holding Control Strategy of AC Contactor Based on Multiple Feedback Parameters

（College of Electrical Engineering and Automation Fuzhou University Fuzhou 350108 China）

With the extensive use of AC contactors, energy consumption has become a problem that cannot be ignored, in which the coil holding energy consumption is the main source. In order to reduce the energy consumption, the reference value of the holding voltage or current must be as low as possible, and the control system should have the adaptive adjustment function to ensure that the effectiveness of the control is not affected by the aging of the AC contactor or the change of the mechanism characteristics. The closed-loop control mode with coil current feedback can effectively avoid the unreliable holding problem caused by temperature rise by controlling the duty cycle of the coil voltage in real time to keep the coil current at a constant value. However, the closed loop control mode usually uses several times of the critical holding current as the reference value, which will cause additional energy consumption and cannot achieve energy-saving operation in real sense. At the same time, the switching electronic devices in the coil excitation circuit need to be on and off constantly, that will bring additional switching losses. Consequently, giving consideration to both reliable holding and energy saving has become the research focus of holding process control. This paper proposes an adaptive holding control strategy based on multiple feedback parameters, which make the contactor have high holding stability even under low holding current.

Through theoretical derivation, simulation and experiment, this paper analyzes the change rule of induced electromotive force when unreliable holding event occurs, and draws the conclusion that the generation of induced electromotive force is almost synchronous with the occurrence of unreliable holding events, and the time interval from the occurrence of induced electromotive force to the contacts breaking is more than 10ms. During this period of time, it is sufficient for secondary control of the contactor. The topology control circuit of the contactor coil is designed, which can adaptively adjust the holding voltage by using the numerical control switching power supply to meet the needs of AC contactor starting and adaptive holding in the closed-loop control mode.

Taking coil current, contact current and coil induced electromotive force as feedback parameters, an adaptive holding control strategy for AC contactors based on multiple feedback parameters is proposed. Under normal conditions, the contact current and coil current are used as basic feedback parameters to adaptively adjust the holding voltage. If the moving iron core and the static one are separated abnormally, an induced electromotive force of the coil will be generated. When the induced electromotive force reaches a certain threshold, it will be detected by the single chip microcomputer in the control circuit. At this time, the coil is excited strongly by the circuit to make the moving iron core close again to ensure the reliability of the holding.

Based on the control strategy, the control module is designed and tested. The results show that the control module can achieve the following functions. ① When the contact current increases, the holding voltage of the coil can change according to the change amplitude of the contact current, indicating that the control strategy can effectively prevent the unreliable holding of the contactor caused by overload. ② When the coil current drops to a certain threshold, the output voltage of the holding power supply rises, ensuring that the AC contactor can still operate reliably when the coil is powered on for a long time or the coil is heated due to the rise of the ambient temperature. ③ In case of aging of the contactor, change of mechanism characteristics, or unreliable holding of the contactor due to external vibration and other emergencies, the multiple feedback parameter adaptive holding control module will conduct secondary control on the coil based on the induced electromotive force, effectively prevent the separation of moving and static contacts, and ensure the normal operation of the main circuit.

AC contactor, multiple feedback parameters, adaptive holding control, induced electromotive force

TM572.2

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211586

福建省高校產(chǎn)學(xué)合作資助項(xiàng)目（2019H6009）。

2021-10-05

2022-01-24

劉向軍 女，1970年生，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娖髦悄軠y(cè)試技術(shù)、電接觸理論及材料應(yīng)用。

E-mail: liuxj@fzu.edu.cn（通信作者）

楊 程 男，1996年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器。

E-mail: 549046091@qq.com

（編輯 郭麗軍）