CN102543578B - 全闭环实时控制智能交流接触器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全闭环实时控制智能交流接触器，其通过高频高效的调节三个闭环：起动电流闭环、保持电流闭环、触头系统反馈闭环，实现智能交流接触器全过程实时动态在线控制，系统拟将开关电源技术、高频控制技术、闭环控制技术、自适应控制技术、小波分析方法等引入交流接触器的智能控制中，尤其是将触头系统的信号引入智能交流接触器的控制闭环中，实现交流接触器运行过程中的全闭环智能控制。

Description

全闭环实时控制智能交流接触器

技术领域

    本发明涉及器械智能控制领域，特别是一种全闭环实时控制智能交流接触器。

背景技术

 20世纪80年代，为了进行节能和无声运行控制，交流接触器操作电磁机构的线圈在电磁机构吸合过程加以起动强直流励磁电流，使电磁机构有足够的吸力克服反力而使可动部分运动。当铁心闭合以后，施加较小的吸持直流励磁电流，并消除了短路环，达到了节能和无噪声的目的。到了20世纪90年代，日本富士公司提出了SC系列接触器的超级电磁机构线路，它不但具有吸持节能和无噪声的特点，更加入了门槛电压环节，消除了当电源电压发生骤降现象时，接触器铁心发生剧烈振动，而导致触头熔焊的现象。进入新世纪，富士公司对超级电磁机构又添加了新功能，它能够改善电磁机构的吸力与负载特性配合，减小触头闭合时的振动，提高在AC3使用类别下的电寿命。

在接触器操作电磁机构的控制电路中，引入微处理器，并带有闭环控制，可以实现接触器合闸的智能操作。这种带智能操作的接触器能够提高接触器的各项性能指标，特别是由于电磁机构吸合过程动态特性的改善，大幅度提高了AC3使用条件下的电寿命。实现接触器的智能合闸的目的是减小合闸过程可动部分的速度和动能。德国金钟-默勒公司开发的DILM系列185~820A的接触器采用电压反馈的方案，所以当线路电压变动时，它能保持恒流控制，保证动态吸力特性与反力特性良好配合。将金钟-默勒公司的DILM250智能操作接触器与同一额定电流的传统接触器相比，得出传统接触器在闭合过程中的触头振动比智能操作的差不多大6倍。1996年西英格兰大学的H.Nouri提出了一种电子操作的方案，其原理是对接触器的线圈施加直流励磁，并在电磁机构动作过程中，把励磁周期分成两段，其中增加停歇时间。通过改变停歇时间可以改变电磁机构动铁心的闭合速度，并达到减小触头振动的目的。2000年，H.Nouri又在线路中引入反馈形成闭环控制，自动调节停歇时间，以获得最佳的电磁机构动态特性。

在2002年前后，研究者在100A以上新系列交流接触器中，使用了智能控制技术，通过调节吸反力配合特性，使电磁机构吸合的冲击力降至最小，减少了触头的弹跳，提高了AC3使用条件下的电气寿命。对于工作于AC3使用类别的交流接触器而言，吸合过程的触头弹跳所造成的断续电弧是影响触头磨损和减少电寿命的重要因素，这是一个严重困扰电器研究者的大问题。

但是，对于任何AC4使用类别的交流接触器，需要承担6倍额定电流的开断，触头电弧侵蚀和电寿命主要决定于接触器的开断过程。由于交流电弧常常在过零时熄灭，因而传统的看法，让电弧在电流零区开断是一个最佳的开断瞬间，即零电流分断。基于该思路，福州大学将高电压起动、低电压保持的动态控制技术引入交流接触器的控制中，形成了具有微电弧能量分断特性的智能交流接触器，全面提高了接触器的各项性能指标。这种控制方法所需的元器件数量较少，简单可靠，用于控制线圈电阻较大的小容量接触器比较适合，但对于大容量的接触器，其线圈电阻较小，施加直流强激磁时会产生很大的起动电流（630A的交流接触器，其线圈的起动电流峰值高达150A左右），这一起动电流会使电磁系统处于过激励状态，甚至造成电磁系统的磁场饱和，使起动过程的吸力迅速增加到一个很大的值，大大缩短了接触器的吸合动态过程时间，增加了起动过程分段优化控制的难度和起动电子开关的电流应力与成本，交流接触器线圈属于感性负载，线圈电流不能产生突变，此种控制方式的高压起动电流和低压保持电流相差数十倍，在由高压起动转向低压保持的过程中，线圈电流要由起动电流连续衰减到保持电流，而此时线圈两端的供电电压为一低压保持电压，多由开关电源提供，切换瞬间的大电流从开关电源副边拉出，可能触发开关电源的过流保护或者拉低开关电源的输出电压，造成整个系统的不稳定，甚至复位整个系统，需要增加额外的电路避免这种现象的发生，控制电路的抗干扰问题也存在一定的难度，加上接触器动作时间的分散性，无法实现实时在线自适应控制。

交流接触器电磁系统采用PWM大占空比起动，小占空比保持的控制方案由西安交通大学提出并进行研究。交流工频220V电源经输入滤波和整流后成为直流脉动电压，该电压通过PWM调制器加于接触器操作线圈上。单片机控制模块负责接收电压检测模块传送来的电压信号，以此电压信号为依据来确定输出控制脉冲的占空比，电压和控制脉冲占空比的对应关系由仿真或实验获得，控制脉冲通过PWM调制器中电力电子开关驱动电路来控制线圈供电回路中电力电子开关器件的通断，从而可以实时调节线圈两端的直流电压。在吸合过程完成后，改变控制脉冲的占空比以调节线圈两端的电压，使得线圈在一个很小的直流电压下保持接触器触头闭合，起动过程中的优化通过合理设置起动过程中PWM占空比来实现，此控制方式在起动过程中采用恒定大占空比恒定频率的驱动信号对整流后的脉动直流进行斩波后加到接触器线圈两端，在保持过程中减小PWM调节器的占空比，不同的占空比对应不同的等效直流电压，电压反馈电路通过将这个等效直流电压反馈到单片机控制模块中，实现接触器电磁系统的电压闭环控制。从本质上讲，此种控制方式依然是高压起动，低压保持的工作模式，起动过程的高压等效电压用大的占空比斩波得到，保持过程中的低压直流等效电压用小占空比斩波得到，取得较好的控制效果。

    从控制角度来说，属于起动开环控制，保持闭环控制的工作方式，没有实现电磁系统的闭环控制，同时也没有考虑触头系统的反馈参量。

东南大学对永磁接触器的控制与仿真进行了相关研究，也取得了一定的成果。永磁接触器作为一种新型电器，虽然有许多优点，但是，其也存在成本、性能、应用领域等多方制约，其大量采用还需要深入研究。

台湾省同仁也进行了相关方面的研究工作，但同样没有考虑触头的参量反馈和实时在线控制。

因此，对交流接触器实现全过程实时在线控制，是目前交流接触器运行中的一个瓶颈问题，其研究有理论和实际意义。

要想实现实时在线控制，就必须引入触头系统的运行参量进入控制系统，并且，能够实时监测控制电压和激磁电流的变化情况，形成全闭环控制系统。

由于全闭环控制系统，不仅仅是对电磁系统的参量进行控制，而且，还必须对触头系统的参量进行实时监测与反馈，难度很大。交流系统相位角、幅值等参数均随时间变化，交流开关器件在不同的时刻合闸或分闸时，由于电压和电流的差别很大而产生的电弧有本质的不同（可以由无电弧到很强的电弧），因此,给交流开关电器的智能控制带来很大的困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种全闭环实时控制智能交流接触器，通过高频高效的调节三个闭环：起动电流闭环、保持电流闭环、触头系统反馈闭环，实现智能交流接触器全过程实时动态在线控制。

本发明采用以下方案实现：一种全闭环实时控制智能交流接触器，包括整流后的供电电源，其特征在于：所述的电源经电力电子开关为接触器线圈供电，所述接触器线圈设置有采样电阻和电流采样传感器，所述采样电阻依次经一隔离电路、第一滤波电路、第一程控运放、第一PID或滞环控制电路、第一补偿网络、第一PWM控制电路、多路复用器、隔离驱动电路与所述的电力电子开关连接，构成启动闭环，对交流接触器启动电流进行精确闭环控制；所述电流采样传感器依次经第二滤波电路、第二程控运放、第二PID或滞环控制电路、第二补偿网络、第二PWM控制电路、所述的多路复用器、所述的隔离驱动电路与所述的电力电子开关连接，构成保持闭环，对交流接触器吸持阶段进行精确控制，所述多路复用器、两PWM控制电路、两程控运放均由一微处理器控制，所述的微处理器还连接有触头系统吸合状态检测模块、设置显示模块、通信模块、触头系统分断状态检测模块和触头系统吸持状态检测模块；所述的交流接触器的触头信号反馈环是由所述触头系统吸合状态检测模块、触头系统分断状态检测模块、触头系统吸持状态检测模块，通过小波分析的特征参数融进吸合闭环和分断闭环中，实现整体最优控制功能。

进一步地，还包括一用于检测线圈回路的过压、过流、短路的线圈故障检测电路。

进一步地，所述的接触器线圈设置有续流保护电路。

进一步地，所述的电力电子开关设置有保护缓冲电路。

本发明拟将开关电源技术、高频控制技术、闭环控制技术、自适应控制技术、小波分析方法等引入交流接触器的智能控制中，尤其是将触头系统的信号引入智能交流接触器的控制闭环中，实现交流接触器运行过程中的全闭环智能控制。

    与目前交流接触器的智能控制方案相比，本发明具有如下突出优点：

（1）设计了能够反映触头系统工作状态的触头系统吸合状态检测模块、触头系统吸持状态检测模块、触头系统分断状态检测模块，采用小波特征参量对触头系统的工作状况进行反馈，可实现智能交流接触器的全闭环实时在线控制，从而实现真正意义上的智能控制。

    （2）在控制系统中加入了触头信号检测模块、故障检测模块和PWM隔离驱动模块，当检测到触头系统故障、过压、过流或者短路信号时，会触发相应的硬件电路封锁PWM输出，关断电力电子开关，保护功能进一步加强。

（3）采用了高频电流全闭环的控制模式，解决了线圈中的电流将大幅度增加的问题，减少了起动回路中开关管承受的大冲击电流问题，对大容量的接触器控制非常有利。

  加入触头系统反馈闭环是本发明的一个突出优点。 

附图说明

图1是本发明全闭环实时在线控制的原理框图。 

具体实施方式

本发明提供一种全闭环实时控制智能交流接触器，包括整流后的供电电源，其特征在于：所述的电源经电力电子开关为接触器线圈供电，所述接触器线圈设置有采样电阻和电流采样传感器，所述采样电阻依次经一隔离电路、第一滤波电路、第一程控运放、第一PID或滞环控制电路、第一补偿网络、第一PWM控制电路、多路复用器、隔离驱动电路与所述的电力电子开关连接，构成启动闭环，对交流接触器启动电流进行精确闭环控制；所述电流采样传感器依次经第二滤波电路、第二程控运放、第二PID或滞环控制电路、第二补偿网络、第二PWM控制电路、所述的多路复用器、所述的隔离驱动电路与所述的电力电子开关连接，构成保持闭环，对交流接触器吸持阶段进行精确控制，所述多路复用器、两PWM控制电路、两程控运放均由一微处理器控制，所述的微处理器还连接有触头系统吸合状态检测模块、设置显示模块、通信模块、触头系统分断状态检测模块和触头系统吸持状态检测模块；所述的交流接触器的触头信号反馈环是由所述触头系统吸合状态检测模块、触头系统分断状态检测模块、触头系统吸持状态检测模块，通过小波分析的特征参数融进吸合闭环和分断闭环中，实现整体最优控制功能。

上述的系统还包括一用于检测线圈回路的过压、过流、短路的线圈故障检测电路。

上述的接触器线圈设置有续流保护电路，上述的电力电子开关设置有保护缓冲电路。

本发明的全闭环实时在线智能控制技术路线：采用PWM高频控制，实现直流起动、直流保持的工作模式。交流接触器的电磁系统中通入高频的PWM方波电压作为激励源，在线圈中产生具有很小纹波系数的直流电流，线圈电流具有实时快速的调节能力，便于对接触器的激磁状态有效控制。全闭环是指起动闭环、保持闭环和触头系统反馈闭环，起动闭环负责调节接触器起动过程中的动态电流，使起动过程达到最佳控制；保持闭环负责接触器吸持状态下的保持电流的动态调节，使该保持电流保持动态恒定且受电网电压的波动影响较小，触头系统反馈闭环负责实时将触头系统的特征参量（反映触头工作状态）反馈到控制系统中。线圈工作在高频状态且对线圈电流可以进行逐周期控制，极大加快了交流接触器的频率响应和可控性。

请参见图1，图1为全闭环实时在线控制的原理框图。电源经整流滤波后变成直流，电力电子开关对直流电压进行高频斩波，将高频方波电压加到交流接触器线圈两端，接触器线圈电流开始上升产生励磁安匝。

图中P 为直流或交流电源，D1为续流保护电路，D2 为保护及缓冲电路，采样电阻R、隔离电路G1、第一滤波电路L1、第一程控运放Y1、第一PID或滞环控制H1、第一补偿网络B1、第一PWM控制电路P1、多路复用器D、PWM隔离驱动G、电力电子开关M1、接触器线圈C构成起动闭环，对交流接触器起动电流进行精确的闭环控制。电流采样传感器C1、第二滤波电路L2、第二程控运放Y2、第二PID或滞环控制H2、第二补偿网络B2、第二PWM控制电路P2、多路复用器D、PWM隔离驱动G、电力电子开关M1、接触器线圈C构成保持闭环，对接触器的吸持阶段进行精确控制，X为触头系统吸合状态检测模块，S1为设置、显示模块，V为通信模块，F为触头系统分断状态检测模块，E为触头系统吸持状态检测模块，W为微处理器控制系统。触头信号反馈环是通过触头系统吸合状态检测模块X、触头系统分断状态检测模块F、触头系统吸持状态检测模块E，通过小波分析的特征参数融进吸合闭环和分断闭环中，实现整体最优控制功能。

接触器的起动过程控制原理：采样电阻R循环采样电源电压，当电压位于设置的吸合阈值之内时，通过触头系统吸合状态检测模块X，通过微处理器W判断后，在最佳的主触头吸合状态下启动PWM控制电路P1，多路复用器D选择PWM控制电路P1的输出信号，驱动电力电子开关M1对线圈电路进行斩波控制，交流接触器开始起动，采样电阻R检测主回路的峰值电流并转换成电压信号，经隔离电路G1、第一滤波电路L1后送入第一程控运放Y1，第一程控运放Y1根据微处理器系统W发送的增益控制指令，对输入信号放大处理，将增益后的电压信号送入第一PID或滞环控制H1、第一补偿网络B1处理后输入给第一PWM控制电路P1内的电流检测比较器进行对比，为PWM输出提供判据，通过调节输出PWM的占空比和导通周期数，将电流迅速调节至设定值后以一定的时钟频率对电流进行动态补偿使电流保持动态恒定，启动触头系统吸合状态检测模块X，根据反映触头系统状态的小波特征参量，控制不同的脉冲宽度与脉冲时间，实现最佳吸合过程控制。

接触器的吸持过程控制原理：电流传感器系统C1测量接触器线圈电流并转换成电压信号，经第二滤波电路L2后送入第二程控运放Y2，第二程控运放Y2根据微处理器W发送的增益控制指令，对输入信号放大处理，将增益后的电压信号送入PID或滞环控制H2、补偿网络B2处理后输入给PWM控制电路P2内的电流检测比较器进行对比，为PWM输出提供判据，通过调节输出PWM的占空比和导通周期数，将电流迅速调节至设定值后以一定的时钟频率对电流进行动态补偿使电流保持动态恒定；根据触头系统吸持状态检测模块E的反馈信号，对不同容量的交流接触器、不同的触头运行情况、不同的电源电压情况，以形态小波特征参量为依据，及时改变导通占空比和导通周期数，维持保持电流的动态恒定，实现实时在线控制模式。

接触器的分断过程控制原理：系统运行过程中，当电压采样子电路R检测到电源电压位于设置的分断阈值内时，启动触头系统分断状态检测模块F，根据反映触头系统状态的小波特征参量选择最佳分断控制区域，并选择最佳分断控制程序，实现交流接触器的最佳分断控制。 

PWM控制系统中的过温、过流、短路、过压、欠压锁定电路用于检测PWM控制系统的故障信息，在发生故障时关闭PWM输出；线圈回路故障检测电路J用于检测线圈回路的过压、过流、短路等故障信息；触头回路情况，根据反馈的小波特征参数值判断，一旦检测到故障发生迅速封锁PWM隔离驱动的输出，并将故障信息传入微处理器系统W中，微处理器系统W直接关断PWM控制系统并发出声光报警信息。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种全闭环实时控制智能交流接触器，包括整流后的供电电源，其特征在于：所述的电源经电力电子开关为接触器线圈供电，所述接触器线圈设置有采样电阻和电流采样传感器，所述采样电阻依次经一隔离电路、第一滤波电路、第一程控运放、第一PID或滞环控制电路、第一补偿网络、第一PWM控制电路、多路复用器、隔离驱动电路与所述的电力电子开关连接，构成启动闭环，对交流接触器启动电流进行精确闭环控制；所述电流采样传感器依次经第二滤波电路、第二程控运放、第二PID或滞环控制电路、第二补偿网络、第二PWM控制电路、所述的多路复用器、所述的隔离驱动电路与所述的电力电子开关连接，构成保持闭环，对交流接触器吸持阶段进行精确控制，所述多路复用器、两PWM控制电路、两程控运放均由一微处理器控制，所述的微处理器还连接有触头系统吸合状态检测模块、设置显示模块、通信模块、触头系统分断状态检测模块和触头系统吸持状态检测模块；所述交流接触器的触头信号反馈环是由所述触头系统吸合状态检测模块、触头系统分断状态检测模块、触头系统吸持状态检测模块，通过小波分析的特征参数融进吸合闭环和分断闭环中，实现整体最优控制功能。

2.根据权利要求1所述的全闭环实时控制智能交流接触器，其特征在于：还包括一用于检测线圈回路的过压、过流、短路的线圈回路故障检测电路。

3.根据权利要求1所述的全闭环实时控制智能交流接触器，其特征在于：所述的接触器线圈设置有续流保护电路。

4.根据权利要求1所述的全闭环实时控制智能交流接触器，其特征在于：所述的电力电子开关设置有保护缓冲电路。

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