交流接觸器是一種頻繁通斷的低壓電器，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)主電路及電機(jī)等的控制[1-2]。隨著對接觸器需求的不斷增加，對其動(dòng)態(tài)特性及其可靠性提出了越來越高的要求[3-4]。智能接觸器能夠?qū)佑|器吸合與保持過程進(jìn)行智能控制，能有效地提高接觸器工作性能和使用壽命，逐漸成為了接觸器研究的熱點(diǎn)[5-7]。參考文獻(xiàn)[8]研究了交流接觸器的智能化控制與設(shè)計(jì)技術(shù),利用智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了接觸器的智能控制。參考文獻(xiàn)[9]中提出了一種帶反饋控制的智能交流接觸器，利用脈寬調(diào)整及反饋技術(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)線圈電壓，使吸合過程的動(dòng)態(tài)吸力與反力合理配置。參考文獻(xiàn)[10]對交流接觸器溫度場進(jìn)行仿真，并分析其影響因素。通過分析交流接觸器主回路和電磁系統(tǒng)發(fā)熱和散熱過程，建立了接觸器的穩(wěn)態(tài)熱分析模型。提出了計(jì)算電磁系統(tǒng)線圈和分磁環(huán)的功率損耗的方法。但是，目前對智能交流接觸器的研究主要集中在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化與仿真等，而關(guān)于環(huán)境溫度對接觸器動(dòng)態(tài)特性的影響及溫度補(bǔ)償控制的研究較少。

    傳統(tǒng)的交流接觸器通常要求在-5℃~40℃環(huán)境溫度下工作，可靠吸合。但隨著接觸器使用范圍及工作頻率的增大，接觸器線圈工作溫度可能達(dá)到60℃~70℃甚至更高，這將影響接觸器正常工作。本課題通過研究分析環(huán)境溫度與接觸器吸合動(dòng)態(tài)特性的關(guān)系，提出了一種基于帶反饋控制的PWM（脈寬調(diào)制）型智能交流接觸器的溫度補(bǔ)償技術(shù)的策略。通過實(shí)時(shí)檢測輸入電壓、線圈溫度及反饋查表控制輸出吸合脈寬調(diào)制占空比及強(qiáng)激磁時(shí)間，優(yōu)化動(dòng)態(tài)合閘過程，進(jìn)一步提高接觸器工作適用環(huán)境溫度范圍、使用壽命和智能化程度。
1 智能交流接觸器工作原理
    本文研究的是一種帶反饋控制的PWM（脈寬調(diào)制）型智能交流接觸器，通過智能控制系統(tǒng)來控制接觸器。圖1為智能交流接觸器框圖。

    智能控制系統(tǒng)主要由檢測子系統(tǒng)和調(diào)壓控制子系統(tǒng)構(gòu)成。檢測子系統(tǒng)包括電壓檢測和溫度檢測電路。電壓檢測通過變壓、極性轉(zhuǎn)換及放大等電路檢測輸入電壓，并調(diào)理輸出到單片機(jī)的A/D輸入端口。溫度檢測由溫度傳感器及放大調(diào)理電路構(gòu)成，實(shí)時(shí)檢測接觸器線圈溫度?？刂普{(diào)壓子系統(tǒng)主要由單片機(jī)、絕緣柵功率三極管（IGBT）及其驅(qū)動(dòng)電路組成。單片機(jī)根據(jù)電壓大小輸出相應(yīng)大小占空比的脈寬調(diào)制（PWM）波，再由IGBT驅(qū)動(dòng)電路放大后，控制IGBT的通斷時(shí)間，即通過改變脈寬調(diào)制占空比來調(diào)節(jié)線圈輸入電壓。輸入電壓不變，占空比越大，線圈輸入平均電壓越大。
    根據(jù)GB14048.4-93規(guī)定，接觸器應(yīng)滿足在85%~110%額定電壓波動(dòng)下可靠吸合。為了保證低電壓可靠吸合，在吸合過程中，當(dāng)輸入電壓在75%~110%額定電壓范圍波動(dòng)時(shí)，智能接觸器通過調(diào)壓系統(tǒng)，線圈輸入電壓Ux保持不變，接觸器可靠吸合，避免了電壓波動(dòng)對接觸器的影響。當(dāng)輸入電壓超出75%~110%額定電壓范圍，接觸器不吸合，防止欠壓、過壓導(dǎo)致接觸器非正常工作。在保持過程，線圈輸入電壓等于Uk保持不變；其中，Uk<<Ux。保持階段線圈電壓及電流波形圖，如圖2所示。

    由圖2可以看出，保持階段線圈電壓調(diào)整占空比很小，使得接觸器以小電流、低電壓保持吸合狀態(tài)，大大地減低了接觸器的保持功耗。研究表明，智能交流接觸器較同規(guī)格傳統(tǒng)交流接觸器，其節(jié)能效果在90%以上。
2 動(dòng)態(tài)特性分析
2.1 吸合過程的分析
    由接觸器動(dòng)態(tài)特性分析可知，在輸入電壓不變的情況下，環(huán)境溫度越高，線圈電阻增大，線圈電流減小，導(dǎo)致吸力減小。在吸合觸動(dòng)階段，吸力小于反力，接觸器將無法吸合；在吸合運(yùn)動(dòng)階段，若吸力小于反力，鐵心運(yùn)動(dòng)減速，速度為負(fù)時(shí)，鐵心開始反向運(yùn)動(dòng)。對于智能交流接觸器，可調(diào)節(jié)吸合PWM調(diào)制占空比及其強(qiáng)激磁時(shí)間來方便地控制接觸器吸合過程電磁吸力。
2.2 實(shí)驗(yàn)研究與分析
    本文通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證上述結(jié)論。以智能交流接觸器為實(shí)驗(yàn)對象，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為60℃，實(shí)驗(yàn)對比合閘強(qiáng)激磁時(shí)間調(diào)整前后合閘過程的電流、位移及PWM調(diào)制波等變化情況。其中，位移由激光位移測試裝置測試得到。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

    由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看，強(qiáng)激磁時(shí)間偏小時(shí)，接觸器無法可靠吸合。增加強(qiáng)激磁時(shí)間，可保證接觸器可靠吸合，但時(shí)間過長，則導(dǎo)致了鐵心合閘末速度過大，劇烈碰撞影響機(jī)械壽命。閉合后PWM過大，導(dǎo)致電流上升，使線圈發(fā)熱影響線圈壽命。選擇合適的強(qiáng)激磁時(shí)間，使接觸器以較小的速度合閘，同時(shí)保證可靠吸合。由此可見，通過合理調(diào)整PWM占空比及強(qiáng)激磁時(shí)間是一種補(bǔ)償溫度變化的有效方法。
3 溫度補(bǔ)償控制策略的研究與優(yōu)化
3.1 溫度補(bǔ)償控制流程
　　根據(jù)上述智能接觸器動(dòng)態(tài)特性分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出一種動(dòng)態(tài)反饋控制的溫度補(bǔ)償控制策略，以電壓與溫度作為反饋量，以PWM占空比和強(qiáng)激磁時(shí)間作為控制量，建立動(dòng)態(tài)控制表對接觸器吸合過程進(jìn)行控制。圖４給出了控制流程圖。

　智能控制系統(tǒng)首先判斷輸入電壓值是否在75%~ 110%額定電壓范圍。若不在此閾值范圍內(nèi)，則微控制器不輸出PWM波，線圈處于截止?fàn)顟B(tài)，控制電路繼續(xù)采樣輸入電壓值。當(dāng)輸入電壓在此閾值電壓范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)電壓和溫度，查表控制輸出合閘PWM調(diào)制波，接觸器開始吸合。其中，動(dòng)態(tài)輸出控制表為各工作電壓和環(huán)境溫度下的最優(yōu)吸合PWM調(diào)制占空比及其強(qiáng)激磁時(shí)間。
3.2 控制優(yōu)化與結(jié)果分析
    以接觸器可靠合閘為約束條件，以合閘末速度最低為目標(biāo)，通過動(dòng)態(tài)特性計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，尋找各工作電壓和環(huán)境溫度下的最優(yōu)占空比及強(qiáng)激磁時(shí)間，建立得到動(dòng)態(tài)輸出控制表。表1 給出了部分工作電壓和溫度下的最佳占空比&alpha;p及其強(qiáng)激磁時(shí)間tp。
    從表1結(jié)果可知，輸入電壓與PWM占空比成反比，輸入電壓偏低時(shí)，增大占空比；偏高時(shí)，減小占空比，使線圈電壓保持相對平衡。根據(jù)環(huán)境溫度的變化情況，調(diào)整強(qiáng)激磁時(shí)間；溫度低時(shí)，縮短強(qiáng)激磁時(shí)間，溫度高時(shí)，增大強(qiáng)激磁時(shí)間，以保證接觸器可靠吸合。通過采用溫度補(bǔ)償及反饋控制的智能交流接觸器使溫度和電壓范圍有了明顯的提高。 

     通過反饋控制技術(shù)，接觸器在各電壓和各溫度下合閘過程得到了一定的優(yōu)化。圖5給出了傳統(tǒng)交流接觸器與智能交流接觸器在不同電壓的合閘末速度對比結(jié)果；圖6給出了不同溫度下強(qiáng)激磁時(shí)間固定與動(dòng)態(tài)控制補(bǔ)償方案下合閘末速度對比結(jié)果。

    通過對比不同工作電壓下傳統(tǒng)接觸器與帶反饋控制的智能接觸器的合閘末速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，隨電壓變化，傳統(tǒng)接觸器合閘末速度變化較大；智能交流接觸器通過電壓反饋控制，使合閘末速度基本不變，有效地抑制了電壓波動(dòng)對合閘的影響。通過對比不同溫度下強(qiáng)激磁時(shí)間固定與動(dòng)態(tài)控制補(bǔ)償方案下的合閘速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，強(qiáng)激磁時(shí)間固定補(bǔ)償方案，采用較長的強(qiáng)激磁時(shí)間補(bǔ)償溫度導(dǎo)致接觸器在溫度較低時(shí)合閘速度過大。動(dòng)態(tài)控制補(bǔ)償方案根據(jù)溫度變化調(diào)整強(qiáng)激磁時(shí)間，接觸器始終以較低的速度合閘，減輕了觸頭及鐵心的碰撞。
    智能交流接觸器溫度補(bǔ)償控制策略以脈寬調(diào)制控制技術(shù)控制接觸器合閘。研究各工作電壓和環(huán)境溫度下的最佳控制PWM占空比和強(qiáng)激磁時(shí)間，建立動(dòng)態(tài)控制表，查表計(jì)算輸出PWM波控制接觸器合閘。溫度補(bǔ)償控制策略能有效地補(bǔ)償溫度變化對接觸器的影響，保證高溫環(huán)境可靠吸合；優(yōu)化接觸器吸力與反力特性，以最優(yōu)的方式合閘，減輕了觸頭及鐵心的碰撞，接觸器工作性能和壽命得到提高。
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