1、1智能型宽电压交流接触器控制器的研制陈志英，陈丽安，于季刚（厦门理工学院电子与电气工程系，福建省，厦门市，361024）摘要 文章提出一种智能型宽电压交流接触器控制器的研制方案，该控制器对施加在接触器线圈两端电压采用 PWM 控制及自适应调节，使普通交流接触器实现在宽范围交直流输入电压（AC24380V 或DC24220V）内稳定可靠工作，具有很好的通用性，大幅度减少了产品种类，同时使接触器还可实现节能、无声运行、无弧或少弧分断、在线设置、显示、远程通信、远程操作等功能，大幅度提高交流接触器的性能指标。关键词 交流接触器控制器；智能型；宽电压；PWM 控制；自适应调节中图分类号 TM572Th
2、e Controller Development of intelligent AC Contactor with Wide-range Input VoltageChen Zhiying，Chen Lian ，Yu Jigang（Department of Electronic s & Electrical Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China）Abstract：This paper presents a controllers design proposal of intelligently c
3、ontrolled AC contactor with wide-range input voltage. The controller can make general AC contactor be operated reliably with a wide range AC or DC input voltage (AC24380V or DC24220V) by using PWM control and self-adaptive adjustment in the coils voltage, and realize the functions of energy saving,
4、silent operation, less arc or no arc break, setting, display, communication, remote operation etc. Accordingly, the performance and characteristic of the contactor will be enhanced greatly and the types of product will be reduced considerably as well.Keywords：AC contactor controller；intelligent；wide
5、-range input voltage；PWM control；self-adaptive adjustment1 引言交流接触器是量大面广的重要电器产品 1，随着计算机、通信、控制技术的迅速发展以及智能电网概念的提出，通用型、智能化、可通信、高性能已成为国内外低压交流接触器的主要发展方向 2。目前，传统交流接触器不具有通用性，它只能在一个电压等级下工作，无法交直流通用，不适应某些特殊场合的特殊要求，且电网电压时常存在波动，在一些电网电压波动较大的场合，传统交流接触器可能无法正常工作。另外，传统交流接触器不能实现全过程优化控制、在线更改设置、过程参数显示、无法与计算机通信等智能化功能，其性能
6、指标已无法满足现代工业系统信息化、智能化和网络化，特别是无法满足智能电网发展的要求 3-5。本文在普通交流接触器的基础上，对其控制回路采用智能化控制，通过对施加在接触器线圈两端的电压进行 PWM 控制及自适应调节，实现交流接触器在宽范围交直流输入电压（AC 24380 V 或 DC 24220 V）内均能高品质可靠稳定工作，使其在不同电压等级下均可使用，无须根据电压等级一一设计，且交直流通用，大幅度减少了产品种类，同时也解决了传统接触器因电网电压波动过大引起无法正常工作的问题。此外，对普通交流接触器智能化控制后，还可实现节能、无声运行、无弧或少弧分断、*基金项目：该项目受福建省自然科学基金计划
7、项目（2010J01311）资助。2在线设置、显示、远程通信和远程操作等功能，大幅度提高了交流接触器的性能指标，满足工业现代化信息化和智能电网发展的要求，适应市场的迫切需要，具有广泛的通用性与广阔的应用前景。2 系统工作原理普通交流接触器线圈额定工作电压是单一的，为实现接触器在宽范围输入电压（AC24380V 或DC24 220V）内均能正常可靠工作，需对输入电压进行调节，将输入电压变换为线圈额定工作电压后对线圈激磁。系统选用线圈额定电压为 DC24V 的普通交流接触器，基本控制原理如图 1 所示。交流或直流输入电压经整流桥整流后通过电力电子开关器件 MOSFET 施加到激磁线圈上，微控制器根
8、据测量电路检测输入电压类型、大小，由 PWM 模块产生适当频率及占空比的脉冲触发 MOSFET 栅极，控制MOSFET 的导通与截止，得到 DC24V 电压最后加在接触器线圈两端进行激磁。通过实验得知，宽范围输入电压变换为 DC24V 电压输出时，PWM 脉冲占空比与输入电压大小近似为分段线性关系，确定PWM 脉宽时存在一定误差，使输出直流电压可能存在较大误差，因此系统同时通过线圈电压测量电路监测接触器线圈电压，若线圈电压高于 24V，则按步进减小 PWM 的占空比，若线圈电压低于 24V，则按步进增大 PWM 的占空比，实现闭环控制，自适应调节接触器线圈两端电压，确保接触器线圈电压稳定在直流
9、 24V 或在 24V 左右很小的一个范围内波动，使接触器线圈能正常激磁，触头稳定可靠吸合。由于输入电压经 PWM 变换后输出电压是脉动的，若 PWM 脉冲频率过低（实验测量小于 10KHz） ，对接触器直流线圈激磁时会使衔铁产生振动与噪声，为消除振动与噪声，系统将 PWM 脉冲频率固定为15KHz 。此外，接触器成功激磁后，微控制器可继续调节电路 PWM 占空比，用更低的直流电压对接触器触头进行吸合保持，实现接触器的节电节能。单片机控制系统整流桥输入电压测量线圈电压测量接触器线圈输入电压P W M 控制M O S F E T图 1 系统控制原理图Fig.1 Schematic diagram
10、 of system3 系统硬件设计自适应控制宽电压交流接触器控制器系统硬件主要包括以下几部分：主控制器 PIC16F873、PWM脉宽调制驱动电路、输入电压交直流类型检测电路、输入电压幅值检测电路、线圈电压幅值检测电路、触头回路电流过零检测电路、触头闭合检测电路、RS485 通信接口电路、LCD 显示与键盘设置电路以及电源模块等。其硬件原理框图如图 2 所示。主控制器 PIC16F873 利用输入电压类型检测与幅值检测电路测量电压类型与大小，计算出相应 PWM 脉冲占空比，然后控制 PWM 脉冲调制驱动电路输出 PWM 脉冲控制高速开关管 MOSFET 导通与截止，最后得到 DC24V 电压
11、对接触器线圈激磁，使接触器稳定可靠吸合。在控制过程中，系统还可利用线圈电压幅值检测电路测量线圈两端电压实时自适应调整 PWM 脉冲占空比，确保线圈激磁电压稳定在 DC24V 左右。另外，系统利用触头闭合检测电路实时了解触头状态，利用触头回路电流过零检测电路控制触头在电流过零时分断，实现无弧或少弧分断 6-7，通过 RS4853通信接口电路实现与远程监控主机或计算机通信，利用 LCD 实时显示接触器工作参数及状态。主控制器P I C 1 6 F 8 7 3输入电压信号调理电路P W M 脉冲调制电路接触器线圈R S 4 8 5 通信接口输入电压交直流检测电路电源模块接触器触头闭合检测接触器触头回
12、路电路过零检测电路L C D 显示及键盘设置模块输入电压幅值检测电路接触器线圈电压幅值检测电路输入电压图 2 系统硬件原理框图Fig.2 Block diagram of hardware system其中，输入电压与线圈电压幅值测量电路采用高精度线性光耦实现。输入电压幅值检测电路原理如图 3 所示。输入电压经整流桥、电阻分压限流及电容滤波后稳定加在线性光耦 U8 的 LED 输入端“1” 、“2”引脚，在输出端“5”引脚可输出与输入电压成比例的模拟电压，并将该模拟电压输入到主控制器PIC16F873 的 A/D 转换模块引脚 RA0 进行测量。图中 AA 端与地端分别连接到输入电压经整流桥整
13、流后的输出端。不论输入电压是交流还是直流，经线性光耦 U8 转换后电压都是小于等于 5V 的直流电压。线圈电压幅值检测与输入电压幅值检测电路原理类似，这里不再赘述。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 3-Jul-2004 Sheet of File: F:作作作作作作作作作作作作作作作作作作作20110113contactor0113.ddbDrawn By:VCR39 C27112233448 87 76 65 5K2K1U8R36 R37C25RA0AA图 3 输入电压幅值测量电路Fig.3 Input volta
14、ge measuring circuit图 4 给出了 PWM 脉宽调制驱动电路原理。输入电压经整流桥后通过高速 N 型 MOSFET 开关管 Q1加在接触器线圈两端，由 PIC16F873 的 PWM 脉宽调制输出引脚 RC2（图中 PWM 端）连接到高速光耦U1 触发引脚“2”后经 U1 输出引脚“6”连接到 MOSFET 管 Q1 栅极控制 Q1 的导通与截止，从而控制接触器线圈两端电压大小。图中二极管 D6 为接触器线圈提供续流保护，电容 C10 可对 MOSFET 管 Q1起到保护作用，C11 是电源去耦电容。41 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber
15、 RevisionSizeBDate: 3-Jul-2004 Sheet of File: F:作作作作作作作作作作作作作作作作作作作20110113contactor0113.ddbDrawn By:1234 C10D7Q1D6PWMCC R16CONTACTL1BB DDEEAC1AC212345678U1R15R13R14VCVCC11Vin图 4 PWM 脉冲调制驱动电路Fig.4 Driving circuit of PWM4 系统软件设计系统控制软件主要由以下几部分组成：主程序，输入电压、线圈电压采样（A/D 采样）子程序，脉宽调制（PWM ）子程序，RS485 通信子程序，LCD
16、 显示模块子程序，按键设置模块子程序等。系统主程序主要完成下列工作：对 PIC16F873 的 I/O 端口、寄存器、各功能模块初始化；对输入电压进行 A/D采样；显示输入电压类型、大小等参数值；判断是否接收到远程监控 PC 发来的命令，若接收到，则执行相应命令动作程序；查询是否有按键被按下，若“闭合”键被按下，则对输入电压进行 PWM 调制，对接触器线圈激磁，使其进行闭合操作，同时对接触器线圈两端电压进行检测，根据激磁电压大小自适应调整 PWM 占空比，使触头稳定可靠闭合；若“分断”键被按下，则对触头回路电流进行检测，在触头回路电流过零点时将 PWM 占空比设置为 0，使接触器线圈失电，实现
17、接触器少弧或无弧分断。具体的程序流程见图 5。另外，该接触器控制器支持远程控制与本地控制，远程控制命令由远程监控 PC 发出，当控制器接收到 PC 发出的“闭合”命令，接触器进行与本地“闭合”键相同操作，当控制器接收到 PC 发出的“ 分断”命令，接触器进行与本地“开断” 键相同操作。5开始系统初始化调用 L C D 显示子程序调用输入电压类型检测及 A D 转换测量子程序查询是否接收到远程 P C 的命令 ？查询 “ 闭合 ” 键是否按下 ？根据输入电压类型大小调整 P W M 占空比控制接触器闭合测量接触器线圈两端电压调整 P W M 占空比使接触器进行吸合保持查询 “ 分断 ” 键是否按
18、下 ？调整 P W M 占空比为 0 ， 使接触器分断触头回路电流过零否 ？调用执行相应命令动作子程序YNYYYNN图 5 系统主程序流程图Fig.5 Flowchart of main program5 上位机软件设计该接触器控制器具有通信功能，并支持远程控制与本地控制，远程控制命令由远程监控 PC 发出，因此系统也设计了上位机软件。上位机软件采用 VB 编写，用于查看和控制接触器的工作，主要设置有“查询模块”、 “控制命令模块 ”、 “串口设置模块”、 “操作提示”和“显示状态”等五个部分。其中， “查询模块”中可以查询输入电压值、线圈电压值、PWM 脉冲的占空比、触头通断状态等信息。 “
19、控制命令模块”的功能是控制接触器接通或分断，实现远程控制 2。经测试验证， PC 机通过 RS232 转 RS485 接口转换器可与接触器控制器正确无误通信并控制接触器操作。6 实验结果（1）PWM 脉宽调制占空比实验结果为实现接触器在宽范围交直流输入电压内均能正常可靠工作，需对输入电压与 PWM 脉冲占空比关系进行实验测试。实验所使用的接触器是上海华泰希盟电气有限公司生产的型号为 CJX2-12/10Z 交流接触器，额定电压为直流 24V。系统根据输入电压类型、大小，利用主控制器 PIC16F873 的 PWM 脉宽调制模块产生不同占空比脉冲，分别测量得出保证接触器可靠吸合（即经 PWM 调
20、节后线圈电压为DC24V）时的 PWM 占空比及保证接触器吸合保持时的 PWM 占空比，称为吸合 PWM 占空比和保持PWM 占空比。图 6、7 分别是交流输入电压、直流输入电压与吸合、保持 PWM 占空比关系图。从图中6清楚的发现，输入电压与吸合 PWM 占空比、保持 PWM 占空比之间的关系都是近似成分段线性关系。经测试，系统只要满足这种分段式线性关系，并采用闭环自适应调节，就能确保接触器在不同的电压下可靠稳定工作。 2 0 2 4 3 0 4 0 4 8 5 6 6 4 7 0 1 1 0 1 5 5 2 3 0 3 6 002 04 06 08 01 0 0输入电压 / V占空比/%吸
21、合 P W M 占空比保持 P W M 占空比图 6 交流输入电压与吸合、保持 PWM 占空比关系 图 2 0 2 4 2 8 3 2 3 6 4 0 4 4 4 8 5 2 5 6 7 0 8 5 1 1 5 2 0 002 04 06 08 01 0 0输入电压 / V占空比/%吸合 P W M 占空比保持 P W M 占空比7 直流输入电压与吸合、保持 PWM 占空比关系Fig.6 Relations of AC input voltage and PWM duty cycle Fig.7 Relations of DC input voltage and PWM duty cycle（
22、2）节能实验结果系统对 CJX2-12/10Z 交流接触器直接采用 DC24V 供电，测得其额定功率。再对接触器采用低电压保持吸合后，分别根据不同的交流、直流输入电压测得整个系统消耗的功率值，最后计算出采用低电压保持吸合后，系统节能的百分比。结果显示，在交流、直流电压输入下，节能百分比最大值分别为85.95%、85.95%，最小值分别为 85.5%、84.73%，节能效果非常显著。7 结论本文提出一种智能型控制宽电压交流接触器控制器的设计方案，该控制器利用 PWM 脉宽调制技术自适应调节线圈激磁电压，使接触器在很宽的交直流电压范围内（AC24380V 或 DC24220V）均能高品质可靠稳定工
23、作，同时实现节能、无声运行、提高电寿命、无弧或少弧分断、在线设置、显示、远程通信、远程操作等功能，具有通用性、智能化、可控制、可通信、高性能等优点，适应市场的迫切需要。因此，这种智能型控制宽电压交流接触器控制器具有较大的应用价值及广阔的市场前景。参考文献1 许志红，张培铭. 智能交流接触器产品化技术探讨J. 电气时代，2003(11):116118.2 陈英塘，陈丽安，陈志英. 智能型宽电压接触器通信接口设计 J. 低压电器，2011(02):2427.3 Chen Lian, Chen Zhiying, Yu Jigang, et al. Research on Intelligent AC
24、 Contactor with Wide-range Input Voltage J. Proceedings of the Third International Symposium on Test Automation and Instrumentation, Xiamen,China, 2010,2(5):474477.4 刘颖异，陈德桂，纽春平，季良. 带电压反馈的智能交流接触器动态特性及触头弹跳的仿真与研究 J.7中国电机工程学报，2007,27(30):2025.5 朱维新，付小美，马景兰. 交流接触器智能控制的设计与应用J. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2002,21(3
25、):316318.6 许志红，张培铭，郑昕. 智能交流接触器零电流分断控制技术的实现 J. 低压电器，2006(07): 611.7 陈德桂. 交流接触器通断过程的智能操作J. 低压电器， 2000(04):35.作者简介：陈志英（1978） ，女，福建仙游人，讲师，硕士，主要从事智能电器及其在线监测技术、微机接口技术的研究。陈丽安：（1966） ，女，博士，教授，主要从事电器在线监测技术，智能电器方面的研究。于季刚：（1963） ，男，本科，高级实验师，主要从事电子技术方面的实验与教学工作。联系方式：厦门理工学院电子与电气工程系（361024） ，陈志英联系电话：13720889635email： ，智能型宽电压交流接触器控制器的研制（陈志英）该论文已在厦门理工学院学报2011 年第三期发表了。
