带反馈控制的智能交流接触器_申潭
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关键词: 交流接触器; 智能操作; 反馈控制 中图分类号: TM 572 文献标识码: A 文章编号: 1001-5531( 2005) 02-0003-03
Intelligent AC Contactor w ith Feedback Control
第一 作 者: 申 潭 ( 1980-) , 男, 硕 士 研究 生, 研 究 方 向 为开关电 器操 作机
( a) 无智能控制
( b) 有智能控制
图 5 180 V 输入电 压下有、无智能控制振动情况
( a) 无智能控制
( b) 有智能控制
图 6 220 V 输入电 压下有、无智能控制振动情况
( a) 无智能控制
( b) 有智能控制
图 7 240 V 输入电 压下有、无智能控制振动情况
( 下转第 10页 )
பைடு நூலகம்
图 2 智能控制的线圈供电电压
图 3 智能接触器框图
图 1 吸力与反力特性配合曲线
若能通过一个带反馈的调压系统, 在国标规 定的 85% ~ 110% 额定电压波动下, 保持接触器 线圈电压不变, 并使对应的吸力特性 F智能 仅稍高 于反力特性 (见图 1), 则可大大减少正常工作电 压下电磁铁可动部分的动能, 减小或消除触头振 动, 并大幅度提高电寿命。从电磁铁的吸力特性 可知, 吸力随着工作气隙减小而增大得很快。利 用电磁铁在吸上位置电磁吸力裕度很大的特点, 可通过调压器让吸上位置的线圈电压减小并保持 低电压, 达到节能的目的。智能接触器电磁铁一 般用直流控制, 可去掉分磁环而不存在电磁铁脉 动现象。本文提出的智能接触器在吸合过程中线 圈电压的变化如图 2所示。在吸合过程中, 当外 界条件变化 时通过反 馈调压 系统, 保持 U智能 不 变; 当动铁芯吸合后, 线圈供电电压降低, 并保持 在 U保持 以节能。
) 3)
低压电器 ( 2005l 2)
带反馈控制的智能交流接触器
是 2次振动时间的总和。
1 带反馈控制的智能系统
按 GB 14048. 4-93规定, 交流接触器操作电 磁铁应在 85% 额定电压下可靠吸合。一般工厂 为保证接触器在低电压下能可靠工作, 把电磁铁 的吸合电压都设计在 65% ~ 75% 额定电压。若 对应吸上电压的电磁铁吸力特性 F吸上 = f ( D)与反 力特性 F f = f ( D)配合如图 1所示, 则当操作电磁 铁在额定电压下正常工作时, 其 F额定 远高于 F f。 由式 ( 1)和 ( 2)可知, 额定电压下吸合过程中可动 部分的动能太大, 从而而造成触头振动。
带反馈控制的智能交流接触器
低压电器 ( 2005l 2)
电阻的电压从而了解吸合 过程中触头的 振动情 况, 实验原理图如图 4所示。
表 2 有、无智能控制振动时间比较 振动时间 /m s
有智能控制 无智能控制
180 V 输入下触头
0. 88
3. 97
220 V 输入下触头
1. 05
5. 94
240 V 输入下触头
带反馈控制的智能交流接触器
低压电器 ( 2005l 2)
研究与分析 带反馈控制的智能交流接触器
申 潭, 陈德桂, 冯 涛 (西安交通大学, 陕西 西安 710049 )
摘 要: 提出一种带反馈控制的智能 交流接触器, 利用反馈系统的 自动调压, 使吸 合过程的动态吸力与反力合理 配合, 大幅度 提高 A C3 工作条 件下的 电寿命, 电磁 铁闭 合后, 使线圈激磁保持低电压, 以节约能量。文中提 供了实 验数据, 证实 了智能 接触器 的上述性质。
[ 4] 翟国富, 梁慧敏, 许 峰, 等. 电磁继电器可靠性容 差设计方法 的 综 合 分 析 与 讨 论 [ J]. 低 压 电 器, 2002, ( 6): 12~ 16.
[ 5] L uo Y anyan, Lu Jianguo, L iZh igang. Study of R elia-
bility T est and A na ly sis for M iniature C ircu it B reakers [ A ] . P roceed ing o f 48th H o lm Conference on E lectrica l Contacts[ C ]. 2002. 80~ 85. [ 6] 翟国富, 梁慧敏, 刘茂恺, 等. 电器可靠性容差设计 新方法探讨 [ J]. 低压电器, 1999, ( 4): 9~ 11. [ 7] 陆俭国. 电工产品可靠性 [M ]. 北京: 机 械工业出 版社, 1991. 149~ 151. [ 8] 刘惟信. 机械可靠性设计 [M ]. 北京: 清 华大学出 版社, 1996. 8. [ 9] 许承德, 王 勇, 孙 淑 珍, 等. 概率 论 与数 理 统计 [ M ]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2000. 6. [ 10] 翟国富, 梁慧敏, 王 嗥, 等. 基 于 正 交试 验 设计 的极化磁系 统参 数优 化设 计方 法的 研究 [ J]. 中 国电机工程学报, 2003, ( 10): 158~ 163.
K ey words: AC con tactor; intelligen t op eration; feedback con trol
0引 言
利用微电子和计算机技术, 对交流接触器的 磁系统进行智能操作, 可提高接触器的通断性能,
特别是在 AC3使用类别下的电寿 命。 AC3 使用
类别下, 接触器闭合条件比较苛刻, 要求在额定电
构的智能控制。
SHEN T an, CHEN De-gu i, FENG T ao ( X i. an Jiaotong U niversity, X i. an 710049, China)
Abstract: A n inte llig ent AC con tactor w ith feedback contro l w as presented. By m eans o f au tom atic vo ltag e regu la tion o f the feedback sy stem, the dynam ic a ttraction and load force fit w ell du ring the m aking process, wh ich improved the e lec trical durab ility g rea tly in the AC 3 catego ry. A fte r the e lectrom agnet c losed, the co il vo ltage was kept in a low range to save energy. Experim ent results w ere proposed to ver ify these cha racte ristics of the intelligent contac to r.
【参 考 文 献】
[ 1] 郭永基. 可靠性 工 程 [ M ] . 北 京: 清 华 大 学 出版 社, 2002.
[ 2] 谢国强, 刘茂 恺, 李 远光, 等. 航天 继 电器 设 计规 范. 桂林 航天电器公司企业标准 [ Z ]. 2000. 24 ~ 30.
[ 3] A dam antios M ettas. R eliab ility A llocation and O pt-i m iza tion for Comp lex Sy stem s[ A ] . 2000 P roceedings A nnua l R e liab ility and M a im ta inability Symposium [ C]. 2000. 216~ 221.
由实验结果可见, 接触器采用智能控制后, 电 磁系统与触头的闭合速度降低, 触头振动次数大 为减少。图 5~ 7 为有、无智能控制时, 接触器触 头两端电压波形, 实验所用的示波器探头有 10倍 衰减, 即波形图上的电压为 5 V / div。从波形图上 可明显看出, 触头的两次振动, 第二次振动与第一 次振动有一个时间间隔, 它由触头超程决定。
1. 09
6. 26
图 4 振动时间测量电路原理图
国标规定接触器应在 85% ~ 110% 额定电压 下完成吸合。因此, 本文选取了覆盖这一范围的 3 组 电压 来比 较 有 、无 智 能 控 制 下 触 头 的 振 动 时 间, 每组电压下振动时间测量 50次, 取其平均值。 振动时间比较如表 2所示。
其电弧能量为
Q E a = ua idt
( 4)
式中, ua 为电弧近极压降, 当触头材料为 A gSnO2
时, 其值为 9~ 12 V。一般触头振动时间为 2~ 5
m s, 减少振动时间, 可以降低电弧能量, 并且减少
触头受电弧的侵蚀量。
由式 ( 3) 可见, 操作电磁铁 的动态吸力与反 力良好的配合能降低触头接触瞬间的速度, 从而 减少振动时间和触头侵蚀, 提高接触器在 AC3条 件下的寿命。必须指出, 在操作电磁铁闭合过程 中, 动、静触头接触造成的碰撞是造成触头的第一 次振动, 随后, 动铁芯经过超程后, 与静铁芯相碰 撞, 会引起触头的第二次振动; 总的触头振动时间
上述带反馈的调压系统利用单片机电路来实 现, 其框图如图 3所示。交流输入经整流后, 通过 调压器给接触器线圈供电, 由微处理器组成的控 制模块接收线圈电路的电压和电流反馈信号, 实 现对调压器的控制, 以使线圈的供电电压保持不 变。
) 4)
2 实验结果
本文以 人民电器 厂的交流 接触 器 C J20-160 为控制对象进行了实验, 该接触器额定电压为交 流 220 V。分别在有、无智能控 制的情况下对该 交流接触器的吸合和吸持过程进行了实验, 并对 结果加以比较。 2. 1 吸上电压、释放电压和线圈功耗的测量
使用交流调压器测量了该接触器的吸合电压 和释放电压, 调节智能控制的参数, 使该接触器吸 合电压和释放电压与无智能控制时相同。给接触 器线圈串接 阻值为 0. 019 8 的功率无感 取样电 阻, 可以得到流过接触器线圈的电流, 分别测量了 有、无智能控制的情况下吸持过程中的线圈功率 损耗, 可以看出, 采用电子控制后功耗大大降低。 有、无智能控制的情况下接触器性能比较如表 1 所示。
表 1 有、无智能控制接触器性能比 较
有智能控制
无智能控制
吸上电压 / V
1 51
151
释放电压 / V
66
66
功耗 / W
7
82
2. 2 有、无智能控制情况下触头振动时间的比较 测量方法是将一直流电源通过电阻加于接触
器触头两端, 在接触器触头闭合的过程中发生的 振动情况通过电阻两端的电压来反映, 可以捕捉
收稿日期: 2004-10-14
( 上接第 5页 )
3 结束语
本文所介绍的智能交流接触器能实时检测接 触器操作线圈两端的电压, 故在不同的电网电 压下吸合过程的动态吸力特性都可以和接触器的 反力特性很好地配合, 能明显减少触头振动, 提高 接触器的机械寿命和电寿命。在运行过程中采用 智能控制可以减少接触器所消耗的功率, 大幅度 节能。由于单片机集成度非常高, 片内资源很丰 富, 其外围电路很少, 因此采用智能控制所带来的 额外支出并不大。
压下闭合相当 于电动机起动电 流的 6倍 额定电
流, 因而接触器的触头侵蚀主要在闭合操作过程
中产生。在触头闭合过程中, 由于动、静触头碰撞
而造成振动, 引起了断续电弧, 这是造成触头侵蚀
的主要原因。可动部分碰撞瞬间的动能为
E d = m # v2 / 2
( 1)
式中 m ) ) ) 可动部分的质量
v) ) ) 动、静触头接触瞬间可动部分的速度
) 5)
低压电器 ( 2005l 2)
军用电磁继电器容差设计可靠度计算方法
( 2) 通过计算关键位置处的累积失效概率并 对其分析, 可用于指导重新进行公差分配, 以减少 各折点位置处的累积失效概率, 从而提高整个产 品的可靠度, 满足可靠性指标要求。
( 3) 本文提出的容差设计阶段可靠度计算方 法亦可推广应用于其他产品的容差设计阶段。
由式 ( 1) 可见, 触头碰撞时 的速度是决定可
动部分的动能和由此带来 的触头振动的 主要因
素, 可动部分的速度可用下式近似表示:
dv dt
=
F
- Ff m
( 2)
因而
Q v = F - F f dt m
( 3)
式中 F ) ) ) 操作电磁铁的动态电磁力
F f) ) ) 反作用力
振动造成触头斥开电弧, 当分断电流为 i 时,
Intelligent AC Contactor w ith Feedback Control
第一 作 者: 申 潭 ( 1980-) , 男, 硕 士 研究 生, 研 究 方 向 为开关电 器操 作机
( a) 无智能控制
( b) 有智能控制
图 5 180 V 输入电 压下有、无智能控制振动情况
( a) 无智能控制
( b) 有智能控制
图 6 220 V 输入电 压下有、无智能控制振动情况
( a) 无智能控制
( b) 有智能控制
图 7 240 V 输入电 压下有、无智能控制振动情况
( 下转第 10页 )
பைடு நூலகம்
图 2 智能控制的线圈供电电压
图 3 智能接触器框图
图 1 吸力与反力特性配合曲线
若能通过一个带反馈的调压系统, 在国标规 定的 85% ~ 110% 额定电压波动下, 保持接触器 线圈电压不变, 并使对应的吸力特性 F智能 仅稍高 于反力特性 (见图 1), 则可大大减少正常工作电 压下电磁铁可动部分的动能, 减小或消除触头振 动, 并大幅度提高电寿命。从电磁铁的吸力特性 可知, 吸力随着工作气隙减小而增大得很快。利 用电磁铁在吸上位置电磁吸力裕度很大的特点, 可通过调压器让吸上位置的线圈电压减小并保持 低电压, 达到节能的目的。智能接触器电磁铁一 般用直流控制, 可去掉分磁环而不存在电磁铁脉 动现象。本文提出的智能接触器在吸合过程中线 圈电压的变化如图 2所示。在吸合过程中, 当外 界条件变化 时通过反 馈调压 系统, 保持 U智能 不 变; 当动铁芯吸合后, 线圈供电电压降低, 并保持 在 U保持 以节能。
) 3)
低压电器 ( 2005l 2)
带反馈控制的智能交流接触器
是 2次振动时间的总和。
1 带反馈控制的智能系统
按 GB 14048. 4-93规定, 交流接触器操作电 磁铁应在 85% 额定电压下可靠吸合。一般工厂 为保证接触器在低电压下能可靠工作, 把电磁铁 的吸合电压都设计在 65% ~ 75% 额定电压。若 对应吸上电压的电磁铁吸力特性 F吸上 = f ( D)与反 力特性 F f = f ( D)配合如图 1所示, 则当操作电磁 铁在额定电压下正常工作时, 其 F额定 远高于 F f。 由式 ( 1)和 ( 2)可知, 额定电压下吸合过程中可动 部分的动能太大, 从而而造成触头振动。
带反馈控制的智能交流接触器
低压电器 ( 2005l 2)
电阻的电压从而了解吸合 过程中触头的 振动情 况, 实验原理图如图 4所示。
表 2 有、无智能控制振动时间比较 振动时间 /m s
有智能控制 无智能控制
180 V 输入下触头
0. 88
3. 97
220 V 输入下触头
1. 05
5. 94
240 V 输入下触头
带反馈控制的智能交流接触器
低压电器 ( 2005l 2)
研究与分析 带反馈控制的智能交流接触器
申 潭, 陈德桂, 冯 涛 (西安交通大学, 陕西 西安 710049 )
摘 要: 提出一种带反馈控制的智能 交流接触器, 利用反馈系统的 自动调压, 使吸 合过程的动态吸力与反力合理 配合, 大幅度 提高 A C3 工作条 件下的 电寿命, 电磁 铁闭 合后, 使线圈激磁保持低电压, 以节约能量。文中提 供了实 验数据, 证实 了智能 接触器 的上述性质。
[ 4] 翟国富, 梁慧敏, 许 峰, 等. 电磁继电器可靠性容 差设计方法 的 综 合 分 析 与 讨 论 [ J]. 低 压 电 器, 2002, ( 6): 12~ 16.
[ 5] L uo Y anyan, Lu Jianguo, L iZh igang. Study of R elia-
bility T est and A na ly sis for M iniature C ircu it B reakers [ A ] . P roceed ing o f 48th H o lm Conference on E lectrica l Contacts[ C ]. 2002. 80~ 85. [ 6] 翟国富, 梁慧敏, 刘茂恺, 等. 电器可靠性容差设计 新方法探讨 [ J]. 低压电器, 1999, ( 4): 9~ 11. [ 7] 陆俭国. 电工产品可靠性 [M ]. 北京: 机 械工业出 版社, 1991. 149~ 151. [ 8] 刘惟信. 机械可靠性设计 [M ]. 北京: 清 华大学出 版社, 1996. 8. [ 9] 许承德, 王 勇, 孙 淑 珍, 等. 概率 论 与数 理 统计 [ M ]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2000. 6. [ 10] 翟国富, 梁慧敏, 王 嗥, 等. 基 于 正 交试 验 设计 的极化磁系 统参 数优 化设 计方 法的 研究 [ J]. 中 国电机工程学报, 2003, ( 10): 158~ 163.
K ey words: AC con tactor; intelligen t op eration; feedback con trol
0引 言
利用微电子和计算机技术, 对交流接触器的 磁系统进行智能操作, 可提高接触器的通断性能,
特别是在 AC3使用类别下的电寿 命。 AC3 使用
类别下, 接触器闭合条件比较苛刻, 要求在额定电
构的智能控制。
SHEN T an, CHEN De-gu i, FENG T ao ( X i. an Jiaotong U niversity, X i. an 710049, China)
Abstract: A n inte llig ent AC con tactor w ith feedback contro l w as presented. By m eans o f au tom atic vo ltag e regu la tion o f the feedback sy stem, the dynam ic a ttraction and load force fit w ell du ring the m aking process, wh ich improved the e lec trical durab ility g rea tly in the AC 3 catego ry. A fte r the e lectrom agnet c losed, the co il vo ltage was kept in a low range to save energy. Experim ent results w ere proposed to ver ify these cha racte ristics of the intelligent contac to r.
【参 考 文 献】
[ 1] 郭永基. 可靠性 工 程 [ M ] . 北 京: 清 华 大 学 出版 社, 2002.
[ 2] 谢国强, 刘茂 恺, 李 远光, 等. 航天 继 电器 设 计规 范. 桂林 航天电器公司企业标准 [ Z ]. 2000. 24 ~ 30.
[ 3] A dam antios M ettas. R eliab ility A llocation and O pt-i m iza tion for Comp lex Sy stem s[ A ] . 2000 P roceedings A nnua l R e liab ility and M a im ta inability Symposium [ C]. 2000. 216~ 221.
由实验结果可见, 接触器采用智能控制后, 电 磁系统与触头的闭合速度降低, 触头振动次数大 为减少。图 5~ 7 为有、无智能控制时, 接触器触 头两端电压波形, 实验所用的示波器探头有 10倍 衰减, 即波形图上的电压为 5 V / div。从波形图上 可明显看出, 触头的两次振动, 第二次振动与第一 次振动有一个时间间隔, 它由触头超程决定。
1. 09
6. 26
图 4 振动时间测量电路原理图
国标规定接触器应在 85% ~ 110% 额定电压 下完成吸合。因此, 本文选取了覆盖这一范围的 3 组 电压 来比 较 有 、无 智 能 控 制 下 触 头 的 振 动 时 间, 每组电压下振动时间测量 50次, 取其平均值。 振动时间比较如表 2所示。
其电弧能量为
Q E a = ua idt
( 4)
式中, ua 为电弧近极压降, 当触头材料为 A gSnO2
时, 其值为 9~ 12 V。一般触头振动时间为 2~ 5
m s, 减少振动时间, 可以降低电弧能量, 并且减少
触头受电弧的侵蚀量。
由式 ( 3) 可见, 操作电磁铁 的动态吸力与反 力良好的配合能降低触头接触瞬间的速度, 从而 减少振动时间和触头侵蚀, 提高接触器在 AC3条 件下的寿命。必须指出, 在操作电磁铁闭合过程 中, 动、静触头接触造成的碰撞是造成触头的第一 次振动, 随后, 动铁芯经过超程后, 与静铁芯相碰 撞, 会引起触头的第二次振动; 总的触头振动时间
上述带反馈的调压系统利用单片机电路来实 现, 其框图如图 3所示。交流输入经整流后, 通过 调压器给接触器线圈供电, 由微处理器组成的控 制模块接收线圈电路的电压和电流反馈信号, 实 现对调压器的控制, 以使线圈的供电电压保持不 变。
) 4)
2 实验结果
本文以 人民电器 厂的交流 接触 器 C J20-160 为控制对象进行了实验, 该接触器额定电压为交 流 220 V。分别在有、无智能控 制的情况下对该 交流接触器的吸合和吸持过程进行了实验, 并对 结果加以比较。 2. 1 吸上电压、释放电压和线圈功耗的测量
使用交流调压器测量了该接触器的吸合电压 和释放电压, 调节智能控制的参数, 使该接触器吸 合电压和释放电压与无智能控制时相同。给接触 器线圈串接 阻值为 0. 019 8 的功率无感 取样电 阻, 可以得到流过接触器线圈的电流, 分别测量了 有、无智能控制的情况下吸持过程中的线圈功率 损耗, 可以看出, 采用电子控制后功耗大大降低。 有、无智能控制的情况下接触器性能比较如表 1 所示。
表 1 有、无智能控制接触器性能比 较
有智能控制
无智能控制
吸上电压 / V
1 51
151
释放电压 / V
66
66
功耗 / W
7
82
2. 2 有、无智能控制情况下触头振动时间的比较 测量方法是将一直流电源通过电阻加于接触
器触头两端, 在接触器触头闭合的过程中发生的 振动情况通过电阻两端的电压来反映, 可以捕捉
收稿日期: 2004-10-14
( 上接第 5页 )
3 结束语
本文所介绍的智能交流接触器能实时检测接 触器操作线圈两端的电压, 故在不同的电网电 压下吸合过程的动态吸力特性都可以和接触器的 反力特性很好地配合, 能明显减少触头振动, 提高 接触器的机械寿命和电寿命。在运行过程中采用 智能控制可以减少接触器所消耗的功率, 大幅度 节能。由于单片机集成度非常高, 片内资源很丰 富, 其外围电路很少, 因此采用智能控制所带来的 额外支出并不大。
压下闭合相当 于电动机起动电 流的 6倍 额定电
流, 因而接触器的触头侵蚀主要在闭合操作过程
中产生。在触头闭合过程中, 由于动、静触头碰撞
而造成振动, 引起了断续电弧, 这是造成触头侵蚀
的主要原因。可动部分碰撞瞬间的动能为
E d = m # v2 / 2
( 1)
式中 m ) ) ) 可动部分的质量
v) ) ) 动、静触头接触瞬间可动部分的速度
) 5)
低压电器 ( 2005l 2)
军用电磁继电器容差设计可靠度计算方法
( 2) 通过计算关键位置处的累积失效概率并 对其分析, 可用于指导重新进行公差分配, 以减少 各折点位置处的累积失效概率, 从而提高整个产 品的可靠度, 满足可靠性指标要求。
( 3) 本文提出的容差设计阶段可靠度计算方 法亦可推广应用于其他产品的容差设计阶段。
由式 ( 1) 可见, 触头碰撞时 的速度是决定可
动部分的动能和由此带来 的触头振动的 主要因
素, 可动部分的速度可用下式近似表示:
dv dt
=
F
- Ff m
( 2)
因而
Q v = F - F f dt m
( 3)
式中 F ) ) ) 操作电磁铁的动态电磁力
F f) ) ) 反作用力
振动造成触头斥开电弧, 当分断电流为 i 时,