CN105914100A - 一种大容量接触器的动态可靠控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大容量接触器的动态可靠控制策略，以电流闭环为基础内环，在起动过程中采用斜率外环控制电流内环，降低动铁心的撞击速度，减少起动过程中的触头弹跳；在保持过程中，采用误分断监测外环，预测接触器的误分断故障，及时采取措施，防止误分断；在分断过程中，控制动铁心的分断速度，既保证接触器的快速分断，降低分断电弧对触头的烧蚀，同时减少分断过程对接触器框架造成的冲击。

Description

一种大容量接触器的动态可靠控制策略

技术领域

本发明涉及一种大容量接触器的动态可靠控制策略。

背景技术

随着国家推出振兴装备制造业政策以来，我国的矿山、冶金、起重等重型装备行业快速发展，装备制造能力得到了大幅提升，随着加工设备的大型化对配套电器产品的容量要求也越来越高，而接触器作为工业生产中常用的低压控制电器，对其大容量产品的需求更是紧迫。大容量接触器多用在煤炭、矿业、冶金、风电、变频、机车、船舶等重型装备领域中，控制着重要的大容量电路的通断，鉴于这些行业恶劣的工作环境及其对自身设备工作可靠性的高要求，需要配套的大容量接触器具有更高的性能及工作可靠性。

在大容量交流接触器的设计中，触头通断容量的增大决定了触头初压力、终压力、开距及超程的增大，进而决定了反力特性的增大，并最终导致配套电磁系统的增大，以便得到足够的激磁磁势。但同时也使运行中的一系列问题愈加凸显，如：笨重的触头系统及电磁系统导致其动作特性的分散性更为明显；起动过程冲击大，触头弹跳严重，影响大容量接触器的电寿命及接通能力的提高；分断过程动铁心反力强烈，对接触器框架存在较大的冲击，影响机械寿命；线圈保持电流大，交流噪声严重，90%以上的功耗损失在磁滞、涡流及短路环上，导致电磁系统发热严重，影响接触器的可靠保持；电磁系统更为敏感，更易受到电压波动及电压跌落的影响；起动及分断过程中产生的电弧会对周边电子线路的可靠工作产生强烈干扰，等等。这些问题仅通过合理设计接触器本体难以取得大的改善，制约着大容量接触器性能的提升。

采用电流闭环控制技术对大容量接触器线圈电流进行闭环控制，使其具有如下优点：“开关”式、无抖颤吸合特性；具备一定的抗电压波动及抗电压跌落能力；精确控制电磁系统激磁电流，可以交、直流通用，宽电压运行；保持过程节能、无声，分断过程无操作过电压。电流闭环控制技术克服了传统大容量接触器运行中存在的诸多缺陷，提升了产品的整体性能，但仍存在许多棘手的问题亟待解决，如：目前，大容量接触器的电寿命往往只有几万次，相较于小容量接触器百万次的电寿命，仍存在较大的提升空间；目前的电流闭环控制技术，当接触器的运行环境存在振动、冲击等恶劣情况时将会发生失控现象：因为受到外界冲击力作用时，动静铁心间气隙增大，线圈电流会被迫上升，大于保持参考电流，此时电流闭环陷入“恶性循环”，加剧分断过程，限制了其在机车、船舶、行车等振动剧烈场合中的应用；大容量接触器在分断时，较大的弹簧反作用力会造成动铁心对框架的严重冲击，降低接触器的机械寿命。

因此，想要进一步提高大容量接触器的性能及可靠性，在电流闭环的基础上仍存在一系列问题需要解决。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大容量接触器的动态可靠控制策略，减少起动过程中的触头弹跳，预测保持过程中接触器的误分断故障，减少分断过程中对接触器框架的冲击。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种大容量接触器的动态可靠控制策略，其特征在于：交直流输入经全桥整流模块、电容滤波模块后变成直流电压，直流电压经线圈驱动电路的斩波控制后施加在接触器线圈的两端；所述线圈驱动电路包括电力电子开关S₁、电力电子开关S₄、快速恢复二极管D₂及快速恢复二极管D₃；根据加在接触器线圈两端的电压极性定义三种电路状态：

1）+1态：电力电子开关S₁与电力电子开关S₄同时导通，正向电压施加在线圈两端，使接触器线圈的电流快速上升，电流流通路径为电力电子开关S₁、线圈、电力电子开关S₄；

2）-1态：当电力电子开关S₁与电力电子开关S₄同时关断且接触器线圈的电流不为零，接触器线圈的电流通过快速恢复二极管D₂及快速恢复二极管D₃向电容滤波模块回馈能量，负的电容电压施加在接触器线圈的两端，迫使接触器线圈的电流快速下降，电流流通路径为快速恢复二极管D₃、线圈、快速恢复二极管D₂；

3）0态：仅有电力电子开关S₄导通，接触器线圈的电流通过快速恢复二极管D₃、电力电子开关S₄续流，接触器线圈的电流两端承受负的快速恢复二极管D₃及电力电子开关S₄的压降，接近0V，接触器线圈电流缓慢下降，电流流通路径为快速恢复二极管D₃、线圈、电力电子开关S₄；

接触器的动态可靠控制策略在时序上可以分为起动过程、保持过程及分断过程；在启动过程中，使电力电子开关S₁与电力电子开关S₄的驱动信号相同，接触器快速建立起动电流，之后控制电路状态在+1态及-1态间快速切换，维持起动电流动态恒定；在保持过程中，当-1态施加在接触器线圈两端，线圈电流快速下降至接触器可靠保持的线圈电流值时，使电力电子开关S₄的驱动信号为高电平，电路状态在+1态及0态间快速切换；在分断过程中，使电力电子开关S₁与电力电子开关S₄的驱动信号相同，-1态施加在接触器线圈的两端，接触器线圈向电容滤波模块回馈能量，接触器退磁，触头分断。

进一步的，所述线圈驱动电路中，电力电子开关S₁的漏极与快速恢复二极管D₂的负极连接作为线圈驱动电路的正输入端，所述快速恢复二极管D₂的正极与电力电子开关S₄的漏极连接作为线圈驱动电路的负输出端，所述电力电子开关S₄的源极与快速恢复二极管D₃的正极连接作为线圈驱动电路的负输入端，所述快速恢复二极管D₃的负极与电力电子开关S₁的源极作为线圈驱动电路的正输出端；所述电力电子开关S₁的栅极作为线圈驱动电路的第一控制端，所述电力电子开关S₄的栅极作为线圈驱动电路的第二控制端。

进一步的，所述起动过程、保持过程及分断过程中，电力电子开关S₁与电力电子开关S₄的驱动信号的控制由电流内环完成，所述电流内环采用电流传感器对传感器线圈的电流进行隔离检测，之后进行周期性采样，得到采样线圈电流i _coil，再通过电流内环参考电流为i _ref与滞环宽度为i _Z生成滞环电流上限i _H与滞环电流下限i _L：

i _H=i _ref+i _Z/2

i _L=i _ref-i _Z/2

滞环比较模块的输出端与线圈驱动电路的第一控制端及开关控制1的第一动端连接，所述开关控制1的第二动端与高电平连接，所述开关控制1的不动端与线圈驱动电路的第二控制端连接，所述控制开关1的控制端与过程控制信号连接；所述采样线圈电流i _coil上升到滞环电流上限i _H时，滞环比较模块输出低电平，根据过程控制信号，来关闭相应的电子开关，i _coil下降；当i _coil下降到i _L时，滞环比较模块输出高电平，电子开关打开，i _coil上升；之后重复上一个周期的动作，控制i _coil的平均值为i _ref，这样就完成了对i _coil的滞环控制；所述过程控制信号用于控制开关控制1连接至第二不动端，使线圈驱动电路进入0态。

进一步的，所述起动过程中，设置i _ref为i _s，其中i _s为足够接触器可靠启动的线圈电流值；所述保持过程中，设置i _ref为i _m，其中i _m为足够接触器可靠保持的线圈电流值；所述分段过程中，电力电子开关S₁与电力电子开关S₄的驱动信号是相同的，同时使i _ref为0。

进一步的，所述启动过程中，在电流内环的基础上构建斜率外环；通过对线圈电流i _coil的比例、微分计算后，取反，得到线圈电流i _coil的下降沿斜率i _ds，设置参考斜率为i _dsref，i _dsref与i _ds比较，当i _dsref>=i _ds时，设置内环参考电流i _ref为i _s；当i _dsref<i _ds时，设置i _ref为0。

进一步的，所述保持过程中，在电流内环的基础上构建误分断监测外环，使电力电子开关S₄的驱动信号即线圈驱动电路的第二控制端的输入信号始终为高电平。

进一步的，所述分断过程中，快速控制开关控制1，插入0态，调节接触器铁心的分断速度。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明在起动过程中采用斜率外环控制电流内环，降低动铁心的撞击速度，减少起动过程中的触头弹跳；在保持过程中，采用误分断监测外环，预测接触器的误分断故障，及时采取措施，防止误分断；在分断过程中，控制动铁心的分断速度，既保证接触器的快速分断，降低分断电弧对触头的烧蚀，同时减少分断过程对接触器框架造成的冲击。

附图说明

图1是本发明的控制策略原理图。

图2是本发明一实施例的电流内环控制原理图。

图3是本发明一实施例的电流内环仿真波形图。

图4是本发明一实施例的起动过程控制原理图。

图5是本发明一实施例的保持过程控制原理图。

图6是本发明一实施例的分断过程控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供的大容量接触器的动态可靠控制策略的原理如图1所示，其依托的硬件电路原理为：交直流输入电源经全桥整流、滤波后变为脉动较小的直流电压，之后经线圈驱动电路的斩波控制，施加在接触器的线圈两端；斩波控制电路由电力电子开关S₁、S₄及快恢复二极管D₂、D₃构成，根据加在线圈两端的电压极性定义三种电路状态：当S₁、S₄同时导通，正向电压施加在线圈两端，可使线圈电流快速上升，定义此时电路状态为+1态，电流流通路径为S₁、线圈、S₄；当S₁、S₄同时关断且线圈电流不为零时，线圈电流通过D₂、D₃向滤波电容回馈能量，负的电容电压施加在线圈两端，迫使线圈电流快速下降，定义此时电路状态为-1态，电流流通路径为D₃、线圈、D₂；当仅有S₄导通，线圈电流通过D₃、S₄续流时，线圈两端承受负的D₃及S₄管压降，接近0V，线圈电流缓慢下降，定义此时电路状态为0态，电流流通路径为D3、线圈、S4。

接触器的动态可靠控制策略在时序上可以分为起动、保持及分断过程，由过程控制信号进行切换，电流闭环贯穿于接触器的整个起动、保持及分断过程中，作为基本内环，因此，图1的控制原理在结构上可以拆分为电流内环+起动外环/保持外环，软件控制原理配合硬件控制电路实现接触器的动态可靠控制。

电流内环的控制原理如图2所示：采用电流传感器对线圈电流进行隔离检测，之后进行周期性采样，得到采样线圈电流i _coil，电流内环参考电流为i _ref，滞环宽度为i _Z，生成滞环电流上限i _H=i _ref+i _Z/2和下限i _L=i _ref-i _Z/2，当线圈电流i _coil上升到i _H时，滞环比较模块输出低电平，关闭电子开关，i _coil下降；当i _coil下降到i _L时，滞环比较模块输出高电平，电子开关打开，i _coil上升；之后重复上一个周期的动作，控制i _coil的平均值为i _ref，这样就完成了对i _coil的滞环控制；通过控制周期性采样的时间间隔可以控制滞环的最高频率；开关控制1模块可以根据过程控制信号，迫使线圈驱动电路进入0态。

电流闭环控制过程如图3所示：在起动过程中，设置i _ref为i _s（足够接触器可靠起动的线圈电流值），同时设置开关控制1模块使S₁、S₄驱动信号相同，在滞环电流控制下，接触器快速建立起动电流，之后电路结构在+1态及-1态间快速切换，维持起动电流动态恒定，完成接触器的起动过程（t ₀~t ₃时段）；在保持过程中（t ₃时刻起），设置i _ref为i _m（足够接触器可靠保持的线圈电流值），在滞环控制下，-1态施加在线圈两端，i _coil快速下降，至t ₄时刻下降到i _m，此时开关控制1模块设置S₄驱动信号为高电平，使电路结构在+1态及0态间快速切换，维持保持电流的动态恒定；在稳定保持过程中，使驱动电路在+1态及0态间快速切换，而不是在+1态及-1态间快速切换，可以显著降低保持过程中的开关频率，降低开关损耗，具有更好的节能效果，另外一个更重要的原因是便于可靠保持的过程控制；在分断过程中（t ₅时刻起），设置开关控制1模块使S₁、S₄驱动信号相同，i _ref为0，使-1态施加在线圈两端，线圈向滤波电容回馈能量，接触器快速退磁，触头快速分断，-1态馈能结束后，续流二极管自动截止，既保证电磁系统快速退磁，又不会出现反向线圈电流，避免负压过度作用，造成重吸合。灵活的电流闭环控制，为接触器的起动、保持及分断的动态可靠控制打下基础。

图3的仿真波形中t ₁~t ₂时段，存在运动反电势引起的线圈电流被迫下跌，且动铁心闭合的越快，线圈电流下跌的也越快，因此可以检测起动过程中的线圈电流下降斜率，来间接反映动铁心的运动速度，因此，起动过程控制原理如图4所示。

在电流内环的基础上构建斜率外环，设置开关控制3及开关控制2模块用斜率外环控制内环电流参考，设置开关控制1模块，使S₁、S₄驱动信号相同；通过对线圈电流的比例、微分（PD）计算后，取反，得到线圈电流的下降沿斜率i _ds，设置参考斜率为i _dsref，i _dsref与i _ds比较，当i _dsref>=i _ds时，设置内环参考电流i _ref为i _s，继续向接触器电磁系统提供磁能，使动铁心加速闭合；当i _dsref<i _ds时，设置i _ref为0，电流内环使负压施加在线圈两端，电磁系统快速退磁，降低动铁心的运动速度，减少起动过程中的触头弹跳。

在电流闭环控制下，线圈稳态保持电流与接触器的磁路电感关系不大，更多的是靠闭环的动态调节，但线圈电流的暂态变化却与磁路电感关系密切。当受到外力冲击导致动静铁心间气隙增大时，磁路电感迅速减小，为了维持磁路电压平衡，线圈电流会被迫上升，导致实际线圈电流大于参考电流，而此时，在电流内环控制下，线圈电压被置为0，以便将线圈电流快速调节到设定值，该过程进一步加剧了动铁心的回弹，造成“恶性循环”，直至接触器完全分断，是电流闭环保持的一大缺陷，在振动较大的环境中会造成接触器的误分断。

因此，本发明提出了防止接触器误分断的可靠保持控制方案：在稳定保持过程中检测线圈电流，当检测到电流被迫上升到一定值时，迅速将线圈电流参考值设为起动电流值，向电磁系统补充能量，在动静触头分离前及时将动铁心压下，防止接触器误分断，之后再将线圈电流重新设为保持电流值，具体控制原理如图5所示。

接触器受到较大扰动力被迫分断时，会导致线圈电流跃升，使i _coil偏离i _ref，构建保持过程误分断监测闭环，设置开关控制3、开关控制2模块，用误分断监测闭环控制电流内环，设置开关控制1模块，使S₄驱动信号始终为高电平，电路结构只在+1态及0态间变化，不仅仅是为了节能，同时还可以防止电流跃升信号被电路-1态抑制，而难以检测；线圈电流i _coil与参考电流i _ref比较得到误差电流i _err，当i _err大于设置的跃升阈值i _ys时，认为接触器即将误分断，此时开关控制5模块将电流参考值i _ref设置为i _s，持续一较短时间后（几十毫秒），再将电流参考值设回i _m，接触器恢复正常保持过程，同时继续监测误分断。

接触器的分断过程控制原理如图6所示：设置开关控制2模块将电流参考值设为0，在电流滞环的控制下，电路-1态使接触器电磁系统快速退磁，触头快速分断；但触头分断速度过快，可能导致触头产生严重的过电压，另外还可能对接触器的框架造成较大的冲击力，影响机械寿命；因此，在分断过程中，可以快速控制开关控制1模块，插入电路0态，降低动铁心的分断速度，防止过大的分断过电压，同时降低动铁心对接触器框架的冲击。

至此，完成了接触器的起动、保持及分断的动态可靠控制。

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 (7)

1.一种大容量接触器的动态可靠控制策略，其特征在于：交直流输入经全桥整流模块、电容滤波模块后变成直流电压，直流电压经线圈驱动电路的斩波控制后施加在接触器线圈的两端；所述线圈驱动电路包括电力电子开关S₁、电力电子开关S₄、快速恢复二极管D₂及快速恢复二极管D₃；根据加在接触器线圈两端的电压极性定义三种电路状态：

+1态：电力电子开关S₁与电力电子开关S₄同时导通，正向电压施加在线圈两端，使接触器线圈的电流快速上升，电流流通路径为电力电子开关S₁、线圈、电力电子开关S₄；

-1态：当电力电子开关S₁与电力电子开关S₄同时关断且接触器线圈的电流不为零，接触器线圈的电流通过快速恢复二极管D₂及快速恢复二极管D₃向电容滤波模块回馈能量，负的电容电压施加在接触器线圈的两端，迫使接触器线圈的电流快速下降，电流流通路径为快速恢复二极管D₃、线圈、快速恢复二极管D₂；

0态：仅有电力电子开关S₄导通，接触器线圈的电流通过快速恢复二极管D₃、电力电子开关S₄续流，接触器线圈的电流两端承受负的快速恢复二极管D₃及电力电子开关S₄的压降，接近0V，接触器线圈电流缓慢下降，电流流通路径为快速恢复二极管D₃、线圈、电力电子开关S₄；

接触器的动态可靠控制策略在时序上可以分为起动过程、保持过程及分断过程；在启动过程中，使电力电子开关S₁与电力电子开关S₄的驱动信号相同，接触器快速建立起动电流，之后控制电路状态在+1态及-1态间快速切换，维持起动电流动态恒定；在保持过程中，当-1态施加在接触器线圈两端，线圈电流快速下降至接触器可靠保持的线圈电流值时，使电力电子开关S₄的驱动信号为高电平，电路状态在+1态及0态间快速切换；在分断过程中，使电力电子开关S₁与电力电子开关S₄的驱动信号相同，-1态施加在接触器线圈的两端，接触器线圈向电容滤波模块回馈能量，接触器退磁，触头分断。

2.根据权利要求1所述的大容量接触器的动态可靠控制策略，其特征在于：所述线圈驱动电路中，电力电子开关S₁的漏极与快速恢复二极管D₂的负极连接作为线圈驱动电路的正输入端，所述快速恢复二极管D₂的正极与电力电子开关S₄的漏极连接作为线圈驱动电路的负输出端，所述电力电子开关S₄的源极与快速恢复二极管D₃的正极连接作为线圈驱动电路的负输入端，所述快速恢复二极管D₃的负极与电力电子开关S₁的源极作为线圈驱动电路的正输出端；所述电力电子开关S₁的栅极作为线圈驱动电路的第一控制端，所述电力电子开关S₄的栅极作为线圈驱动电路的第二控制端。

3.根据权利要求2所述的大容量接触器的动态可靠控制策略，其特征在于：所述起动过程、保持过程及分断过程中，电力电子开关S₁与电力电子开关S₄的驱动信号的控制由电流内环完成，所述电流内环采用电流传感器对传感器线圈的电流进行隔离检测，之后进行周期性采样，得到采样线圈电流i _coil，再通过电流内环参考电流为i _ref与滞环宽度为i _Z生成滞环电流上限i _H与滞环电流下限i _L：

i _H=i _ref+i _Z/2

i _L=i _ref-i _Z/2

滞环比较模块的输出端与线圈驱动电路的第一控制端及开关控制1的第一动端连接，所述开关控制1的第二动端与高电平连接，所述开关控制1的不动端与线圈驱动电路的第二控制端连接，所述控制开关1的控制端与过程控制信号连接；所述采样线圈电流i _coil上升到滞环电流上限i _H时，滞环比较模块输出低电平，根据过程控制信号，来关闭相应的电子开关，i _coil下降；当i _coil下降到i _L时，滞环比较模块输出高电平，电子开关打开，i _coil上升；之后重复上一个周期的动作，控制i _coil的平均值为i _ref，这样就完成了对i _coil的滞环控制；所述过程控制信号用于控制开关控制1连接至第二不动端，使线圈驱动电路进入0态。

4.根据权利要求3所述的大容量接触器的动态可靠控制策略，其特征在于：所述起动过程中，设置i _ref为i _s，其中i _s为足够接触器可靠启动的线圈电流值；所述保持过程中，设置i _ref为i _m，其中i _m为足够接触器可靠保持的线圈电流值；所述分段过程中，电力电子开关S₁与电力电子开关S₄的驱动信号是相同的，同时使i _ref为0。

5.根据权利要求4所述的大容量接触器的动态可靠控制策略，其特征在于：所述启动过程中，在电流内环的基础上构建斜率外环；通过对线圈电流i _coil的比例、微分计算后，取反，得到线圈电流i _coil的下降沿斜率i _ds，设置参考斜率为i _dsref，i _dsref与i _ds比较，当i _dsref>=i _ds时，设置内环参考电流i _ref为i _s；当i _dsref<i _ds时，设置i _ref为0。

6.根据权利要求4所述的大容量接触器的动态可靠控制策略，其特征在于：所述保持过程中，在电流内环的基础上构建误分断监测外环，使电力电子开关S₄的驱动信号即线圈驱动电路的第二控制端的输入信号始终为高电平。

7.根据权利要求5所述的大容量接触器的动态可靠控制策略，其特征在于：所述分断过程中，快速控制开关控制1，插入0态，调节接触器铁心的分断速度。