新型抗晃电的接触器智能控制器
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Key words： anti-voltage sag； AC contactor； intelligent control
0引言
随着连续生产的工矿企业规模的不断扩大， 对电网的质量要求越来越高。电网因雷击、短路、 重合闸、同一段设备起动或故障以及其他原因造 成电网电压短时失压、电网电压短时大幅度波动、 短时断电 数 秒 的 现 象 俗 称“晃 电 ”［1］。 晃 电 发 生 时，电网电压在某一瞬间降低甚至低于接触器线 圈的 释 放 电 压，接 触 器 主 触 头 释 放，电 机 停 止 运 转，给企业的安全生产和经济效益带来了严重的 损失。
图 4 所示的是后备电源原理框图，后备电源 控制系统主要是实现对电池充电电路和电池电量 监 控电路的控制。根据电池电量情况控制充电 回
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图 3 控制开关电路框图
图 4 后备电源原理框图
路的通断，从而保证电池在电量饱和时停止充电，
·智能电器·
低压电器（ 2011No． 23）
延长电池的寿命。 新型抗晃电控制器整体硬件电路主要以电子
后备电源主要承担晃电故障中对单片机和接 触器线圈供电。晃电故障未发生时，后备电源控 制系统可以根据后备电源的状况，给出不同的控 制命令，控制充电回路的接通和关断，保证后备电 源始终保持电量充足的状态，延长电池使用的寿 命。
该控制方案在主回路和单片机控制回路中采 取了隔离的措施，以实现强电、弱电以及地线间的 隔离，避免起动阶段和突发故障时冲击电压对单 片机的干扰，保证系统安全稳定运行。
目前市场采用的方案可分为： ①采用带复位 端子的时间继电器； ②采用普通的时间继电器，这 两种方案不适合用于抗晃电要求较高的场合； ③ 采用储能延时元件，此种方法主要缺陷在于元件 选型不够灵活、选择范围小、控制线路复杂； ④采 用具有延时功能的控制模块，利用电容作用延缓 电压的下降和上升速率，将该延时模块安装在接 触器侧面，与接触器构成双线圈结构； ⑤采用 UPS 进行系统保护，这种方法改造的费用较高［2-3］。本 文介绍的新型抗晃电控制器综合了抗晃电技术、 电力电子技术和单片机技术，配合交流接触器的
程序运行过程中，可通过按键修改延时时间， 并且能够自动存储此次设置值，以便下次通电时 自动读取。接触器吸合的任一时刻，只需要按下 强制关断开关即可分断接触器，此过程无需进入 抗晃电延时阶段。
图6 所 示 的 是 后 备 电 源 控 制 系 统 程 序 流 程 图。后备电源控制系统的单片机能够周期采样后
直流电压，以满足后端电路对地隔离的要求。 单片机是控制器的核心部分，主要负责整个
控制器的工作流程和控制开关电路。本设计采用 PIC16F 系列芯片作为核心控制器，单片机外围电 路包括电压采样、控制环节、延时时间显示部分、 故障 LED 显示、按键调节，如图 2 所示。
图 2 单片机外围电路
控制开关电路是控制器的关键部分，主要以 电力电子开关为核心［5-6］，通过设计不同的驱动电 路，控制交流接触器强激磁起动和低电压保持，如 图 3 所示。U1 是直流高电压，即强激磁电压； U2 为直流 低 电 压，即 保 持 电 压。驱 动 保 护 电 路 对 MOS 管的通断进行控制，在起动（ 强激磁） 阶段， 触发驱动保护电路Ⅰ，接通左边回路； 保持阶段， 触发驱动保护电路Ⅱ，关断驱动保护电路Ⅰ，接通 右边回路，断开左边回路。强激磁时间主要是根 据 接 触 器 线 圈 的 容 量、型 号 和 电 源 电 压 来 决 定。 晃电故障发生时，后备电源接入接触器线圈回路， 提供接触器保持吸合所需的能量。
低压电器（ 2011No． 23）
·智能电器·
新型抗晃电的接触器智能控制器
苏晶晶， 许志红 （ 福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350108）
摘 要： 设计了以 TOP254YN 单片开关电源为基础、单片机为核心的新型抗晃电 智能控制器，包括硬件电路和软件程序，并进行了试验验证。该控制器采用电力电子开 关，实现强弱电以及不同控制电路之间的电气隔离，提高了抗干扰能力，保证系统工作 的可靠性和稳定性。可具有抗晃电延时、可调延时时间、宽范围电压输入、交流接触器 直流高电压起动低电压保持、“晃电”时线圈不失电等功能，提高了工作的可靠性。该 控制器与交流接触器配合使用。
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低压电器（ 2011No． 23）
·智能电器·
缓冲钳位电路，能够限制 TOP 管漏极电压，有效 地防止高频冲击电压对 TOP254YN 的 损 坏。同 时，利用压敏电阻吸收从电网窜入的浪涌电压。
绕制专门的高频变压器，二次绕组采用分离 式绕法，单独设计每个二次绕组，并且各二次绕组 之间在电气上相互隔离，实现输出三路不共地的
许志红（ 1963—） ，女，教授，博士生导师，研究方向为智能电器及其在线监测。
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·智能电器·
Байду номын сангаас
低压电器（ 2011No． 23）
本体使用，不仅能够对交流接触器进行智能化控 制，还能够实现抗晃电功能，有效地避免晃电对连 续生产的影响。
1 基本工作原理
新型抗晃电控制器控制原理框图如图 1 所 示。该控制器由高频变压器和单片开关电源芯片 构成高频开关电源，其副边输出三路不共地的直 流低电压，分别用作单片机电源电压、控制电路电
压、后备电源充电电压和低压保持电压。本控制 方案主要的控制回路包括强激磁起动回路、低压 保持回路、抗晃电回路。交流电源经整流滤波环 节和分压环节给单片机提供采样电压信号，单片 机根据此信号判断交流电源的状况。当电源电压 超过接触器吸合的阈值电压，强激磁回路接通，接 触器直流高电压吸合； 在吸持阶段，断开强激磁回 路，接通低压保持回路，由直流低电压提供接触器 的吸持能量，实现节能无声运行。
图 5 主程序流程图
3 控制软件分析
主电路程序流程图，如图 5 所示。本软件程 序采用 CCS C 编译器进行编程，程序简洁易读。 主程序主要实现的功能包括： 默认抗晃电延时时 间、存 储 并 读 取 前 一 次 设 置 的 抗 晃 电 延 时 时 间、 按键修改并显示抗晃电延时时间、监测电源电压、 触发控制开关电路、故障报警等。
SU Jingjing， XU Zhihong （ College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China）
Abstract： A new intelligent controller for anti-voltage sag was proposed which was based on a single-chip switching power supply． Taking microcomputer chip as the circuit’s control center，the total design was expounded including the structure of the circuit and the software program of system． Power electronic switch devices were used． Different circuits were electrically separated from earth and from other systems． Anti-interference ability was improved，the intelligent controller can run reliably and steadily． The controller has many functions，such as setting the delay time for anti-voltage sag，wide input voltage range，starting AC contactor in DC high voltage and maintaining in the low voltage． The experimental results show that the new intelligent controller for anti-voltage sag can match with AC contactor and has advantages of stable operation，anti-voltage sag，strong anti-interference ability， energy-saving and noiseless operation and so on．
关键词： 抗晃电； 交流接触器； 智能控制 中图分类号： TM 571． 2∶ TM 572 文献标志码： B 文章编号： 1001-5531（ 2011） 23-0012-06
苏 晶 晶 （ 1986—） ， 女，硕士研究生，研 究方向为智能电器 及其在线监测。
New Intelligent Controller for Anti-Voltage Sag
开关为核心，开关电源作为整个控制器的电源，配 以单片机控制器对各个环节进行控制，同时注意 各 个 环 节 的 保 护 措 施，保 证 硬 件 电 路 安 全 可 靠。 电池作为后备电源，提供晃电阶段接触器的电能， 配合单片机准确延时，保证抗晃电的稳定性和可 靠性； 可控的后备电源充电回路，克服了电池长期 充电导致电池寿命缩短的不足。
图 1 控制原理框图
抗晃电回路只在晃电故障发生时才发挥功 能，一旦单片机检测到电源电压跌落至限值时，立 即触发抗晃电控制电路，由后备电源提供接触器 吸合所需的能量； 在抗晃电延时时间内，电源电压 恢复正常时，切断抗晃电回路，接通直流低压保持 回路，实现整个晃电过程中，接触器保持吸合。抗 晃电延时时间可根据实际需要进行调整。电路出 现故障，控制器自动报警。
态，读取前一次停机前设定的抗晃电延时时间； 检 测电源电压是否满足要求，只要电压大于要求的 最低吸合电压，立即发出控制信号，接通强激磁回 路； 延时一段时间，程序自动跳转入吸持阶段，触 发低压保持回路，同时断开强激磁回路，由低电压 直流提供接触器吸合所需要的能量以实现节能无 声运行。在吸持阶段，单片机对电源电压进行实 时监测，当电源发生电压跌落现象时，接通抗晃电 保持回路。在晃电期间，接触器由后备电源提供 其吸持所需的能量，直至电压恢复正常或抗晃电 延时时间结束切断抗晃电回路。如果晃电的持续 时间大于预设的抗晃电延时时间，抗晃电控制回 路停止工作，接触器线圈失电。
2 硬件电路
新型抗晃电控制器的硬件电路包括高频电源 部分、单片机控制部分和控制开关部分。
本文设计了一款多路输出的 DC / DC 单片开 关电源，采用脉宽调制（ PWM） 方式，通过将交流 电整流滤波后变成直流电，再由功率开关管斩波、 高频变压器降压，得到高频矩形波电压，最后通过 整流滤波环节获得所需要的直流低电压。脉宽调 制器能产生频率固定而脉宽可调的驱动信号，控 制功率开关管的通断状态，进而调节输出电压的 高低，达 到 稳 压 的 目 的［4］。 以 TOP254YN 为 基 础，设计多路输出的反激式开关电源，在主输出端 设计 了 带 光 耦 反 馈 电 路，具 有 宽 电 压 输 入、体 积 小、效率高、重量轻等优点。TOP254YN 单片开关 电源本身具有欠压保护、过压保护、过热保护、过 流和过载保护、自动重起动、热关断、环路补偿电 路、高压起动等特性。在电路出现短路、过流、过 压等故障时，芯片自动停止工作，并且具备自起动 功能，能够较好地保护整个硬件电路。开关电源 主输出端配以稳压管的光耦反馈电路，由稳压管 提供参考电压； 当输出电压发生波动时，在光耦内 部 的 LED 上 可 获 得 误 差 电 压，相 当 于 给 TOP254YN 增加一个外部误差放大器，再与内部 误差放大器配合使用，即可对输出电压进行调整， 从而能使电压调整率达到 ± 1% 以下。增加 RCD
0引言
随着连续生产的工矿企业规模的不断扩大， 对电网的质量要求越来越高。电网因雷击、短路、 重合闸、同一段设备起动或故障以及其他原因造 成电网电压短时失压、电网电压短时大幅度波动、 短时断电 数 秒 的 现 象 俗 称“晃 电 ”［1］。 晃 电 发 生 时，电网电压在某一瞬间降低甚至低于接触器线 圈的 释 放 电 压，接 触 器 主 触 头 释 放，电 机 停 止 运 转，给企业的安全生产和经济效益带来了严重的 损失。
图 4 所示的是后备电源原理框图，后备电源 控制系统主要是实现对电池充电电路和电池电量 监 控电路的控制。根据电池电量情况控制充电 回
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图 3 控制开关电路框图
图 4 后备电源原理框图
路的通断，从而保证电池在电量饱和时停止充电，
·智能电器·
低压电器（ 2011No． 23）
延长电池的寿命。 新型抗晃电控制器整体硬件电路主要以电子
后备电源主要承担晃电故障中对单片机和接 触器线圈供电。晃电故障未发生时，后备电源控 制系统可以根据后备电源的状况，给出不同的控 制命令，控制充电回路的接通和关断，保证后备电 源始终保持电量充足的状态，延长电池使用的寿 命。
该控制方案在主回路和单片机控制回路中采 取了隔离的措施，以实现强电、弱电以及地线间的 隔离，避免起动阶段和突发故障时冲击电压对单 片机的干扰，保证系统安全稳定运行。
目前市场采用的方案可分为： ①采用带复位 端子的时间继电器； ②采用普通的时间继电器，这 两种方案不适合用于抗晃电要求较高的场合； ③ 采用储能延时元件，此种方法主要缺陷在于元件 选型不够灵活、选择范围小、控制线路复杂； ④采 用具有延时功能的控制模块，利用电容作用延缓 电压的下降和上升速率，将该延时模块安装在接 触器侧面，与接触器构成双线圈结构； ⑤采用 UPS 进行系统保护，这种方法改造的费用较高［2-3］。本 文介绍的新型抗晃电控制器综合了抗晃电技术、 电力电子技术和单片机技术，配合交流接触器的
程序运行过程中，可通过按键修改延时时间， 并且能够自动存储此次设置值，以便下次通电时 自动读取。接触器吸合的任一时刻，只需要按下 强制关断开关即可分断接触器，此过程无需进入 抗晃电延时阶段。
图6 所 示 的 是 后 备 电 源 控 制 系 统 程 序 流 程 图。后备电源控制系统的单片机能够周期采样后
直流电压，以满足后端电路对地隔离的要求。 单片机是控制器的核心部分，主要负责整个
控制器的工作流程和控制开关电路。本设计采用 PIC16F 系列芯片作为核心控制器，单片机外围电 路包括电压采样、控制环节、延时时间显示部分、 故障 LED 显示、按键调节，如图 2 所示。
图 2 单片机外围电路
控制开关电路是控制器的关键部分，主要以 电力电子开关为核心［5-6］，通过设计不同的驱动电 路，控制交流接触器强激磁起动和低电压保持，如 图 3 所示。U1 是直流高电压，即强激磁电压； U2 为直流 低 电 压，即 保 持 电 压。驱 动 保 护 电 路 对 MOS 管的通断进行控制，在起动（ 强激磁） 阶段， 触发驱动保护电路Ⅰ，接通左边回路； 保持阶段， 触发驱动保护电路Ⅱ，关断驱动保护电路Ⅰ，接通 右边回路，断开左边回路。强激磁时间主要是根 据 接 触 器 线 圈 的 容 量、型 号 和 电 源 电 压 来 决 定。 晃电故障发生时，后备电源接入接触器线圈回路， 提供接触器保持吸合所需的能量。
低压电器（ 2011No． 23）
·智能电器·
新型抗晃电的接触器智能控制器
苏晶晶， 许志红 （ 福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350108）
摘 要： 设计了以 TOP254YN 单片开关电源为基础、单片机为核心的新型抗晃电 智能控制器，包括硬件电路和软件程序，并进行了试验验证。该控制器采用电力电子开 关，实现强弱电以及不同控制电路之间的电气隔离，提高了抗干扰能力，保证系统工作 的可靠性和稳定性。可具有抗晃电延时、可调延时时间、宽范围电压输入、交流接触器 直流高电压起动低电压保持、“晃电”时线圈不失电等功能，提高了工作的可靠性。该 控制器与交流接触器配合使用。
— 13 —
低压电器（ 2011No． 23）
·智能电器·
缓冲钳位电路，能够限制 TOP 管漏极电压，有效 地防止高频冲击电压对 TOP254YN 的 损 坏。同 时，利用压敏电阻吸收从电网窜入的浪涌电压。
绕制专门的高频变压器，二次绕组采用分离 式绕法，单独设计每个二次绕组，并且各二次绕组 之间在电气上相互隔离，实现输出三路不共地的
许志红（ 1963—） ，女，教授，博士生导师，研究方向为智能电器及其在线监测。
— 12 —
·智能电器·
Байду номын сангаас
低压电器（ 2011No． 23）
本体使用，不仅能够对交流接触器进行智能化控 制，还能够实现抗晃电功能，有效地避免晃电对连 续生产的影响。
1 基本工作原理
新型抗晃电控制器控制原理框图如图 1 所 示。该控制器由高频变压器和单片开关电源芯片 构成高频开关电源，其副边输出三路不共地的直 流低电压，分别用作单片机电源电压、控制电路电
压、后备电源充电电压和低压保持电压。本控制 方案主要的控制回路包括强激磁起动回路、低压 保持回路、抗晃电回路。交流电源经整流滤波环 节和分压环节给单片机提供采样电压信号，单片 机根据此信号判断交流电源的状况。当电源电压 超过接触器吸合的阈值电压，强激磁回路接通，接 触器直流高电压吸合； 在吸持阶段，断开强激磁回 路，接通低压保持回路，由直流低电压提供接触器 的吸持能量，实现节能无声运行。
图 5 主程序流程图
3 控制软件分析
主电路程序流程图，如图 5 所示。本软件程 序采用 CCS C 编译器进行编程，程序简洁易读。 主程序主要实现的功能包括： 默认抗晃电延时时 间、存 储 并 读 取 前 一 次 设 置 的 抗 晃 电 延 时 时 间、 按键修改并显示抗晃电延时时间、监测电源电压、 触发控制开关电路、故障报警等。
SU Jingjing， XU Zhihong （ College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China）
Abstract： A new intelligent controller for anti-voltage sag was proposed which was based on a single-chip switching power supply． Taking microcomputer chip as the circuit’s control center，the total design was expounded including the structure of the circuit and the software program of system． Power electronic switch devices were used． Different circuits were electrically separated from earth and from other systems． Anti-interference ability was improved，the intelligent controller can run reliably and steadily． The controller has many functions，such as setting the delay time for anti-voltage sag，wide input voltage range，starting AC contactor in DC high voltage and maintaining in the low voltage． The experimental results show that the new intelligent controller for anti-voltage sag can match with AC contactor and has advantages of stable operation，anti-voltage sag，strong anti-interference ability， energy-saving and noiseless operation and so on．
关键词： 抗晃电； 交流接触器； 智能控制 中图分类号： TM 571． 2∶ TM 572 文献标志码： B 文章编号： 1001-5531（ 2011） 23-0012-06
苏 晶 晶 （ 1986—） ， 女，硕士研究生，研 究方向为智能电器 及其在线监测。
New Intelligent Controller for Anti-Voltage Sag
开关为核心，开关电源作为整个控制器的电源，配 以单片机控制器对各个环节进行控制，同时注意 各 个 环 节 的 保 护 措 施，保 证 硬 件 电 路 安 全 可 靠。 电池作为后备电源，提供晃电阶段接触器的电能， 配合单片机准确延时，保证抗晃电的稳定性和可 靠性； 可控的后备电源充电回路，克服了电池长期 充电导致电池寿命缩短的不足。
图 1 控制原理框图
抗晃电回路只在晃电故障发生时才发挥功 能，一旦单片机检测到电源电压跌落至限值时，立 即触发抗晃电控制电路，由后备电源提供接触器 吸合所需的能量； 在抗晃电延时时间内，电源电压 恢复正常时，切断抗晃电回路，接通直流低压保持 回路，实现整个晃电过程中，接触器保持吸合。抗 晃电延时时间可根据实际需要进行调整。电路出 现故障，控制器自动报警。
态，读取前一次停机前设定的抗晃电延时时间； 检 测电源电压是否满足要求，只要电压大于要求的 最低吸合电压，立即发出控制信号，接通强激磁回 路； 延时一段时间，程序自动跳转入吸持阶段，触 发低压保持回路，同时断开强激磁回路，由低电压 直流提供接触器吸合所需要的能量以实现节能无 声运行。在吸持阶段，单片机对电源电压进行实 时监测，当电源发生电压跌落现象时，接通抗晃电 保持回路。在晃电期间，接触器由后备电源提供 其吸持所需的能量，直至电压恢复正常或抗晃电 延时时间结束切断抗晃电回路。如果晃电的持续 时间大于预设的抗晃电延时时间，抗晃电控制回 路停止工作，接触器线圈失电。
2 硬件电路
新型抗晃电控制器的硬件电路包括高频电源 部分、单片机控制部分和控制开关部分。
本文设计了一款多路输出的 DC / DC 单片开 关电源，采用脉宽调制（ PWM） 方式，通过将交流 电整流滤波后变成直流电，再由功率开关管斩波、 高频变压器降压，得到高频矩形波电压，最后通过 整流滤波环节获得所需要的直流低电压。脉宽调 制器能产生频率固定而脉宽可调的驱动信号，控 制功率开关管的通断状态，进而调节输出电压的 高低，达 到 稳 压 的 目 的［4］。 以 TOP254YN 为 基 础，设计多路输出的反激式开关电源，在主输出端 设计 了 带 光 耦 反 馈 电 路，具 有 宽 电 压 输 入、体 积 小、效率高、重量轻等优点。TOP254YN 单片开关 电源本身具有欠压保护、过压保护、过热保护、过 流和过载保护、自动重起动、热关断、环路补偿电 路、高压起动等特性。在电路出现短路、过流、过 压等故障时，芯片自动停止工作，并且具备自起动 功能，能够较好地保护整个硬件电路。开关电源 主输出端配以稳压管的光耦反馈电路，由稳压管 提供参考电压； 当输出电压发生波动时，在光耦内 部 的 LED 上 可 获 得 误 差 电 压，相 当 于 给 TOP254YN 增加一个外部误差放大器，再与内部 误差放大器配合使用，即可对输出电压进行调整， 从而能使电压调整率达到 ± 1% 以下。增加 RCD