計(jì)算機(jī)和微處理器技術(shù)在低壓電器市場(chǎng)應(yīng)用分析

0 引 言　

　　隨著單片機(jī)性能價(jià)格比的大幅度提高，把計(jì)算機(jī)和微處理器技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制特別是增加低壓電器智能化功能，具有較大的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)潛力。我們?cè)诮涣?接觸器智能控制方案和具體實(shí)施中做了大量的研究和可行性分析，開(kāi)發(fā)了一種具有智能化功能的裝置。把該裝置和交流接觸器相組合，就可以增加交流接觸器的智能 化功能。它具有設(shè)置簡(jiǎn)單、使用可靠、節(jié)能控制、在線更改設(shè)置和顯示等功能。單片機(jī)在接到閉合或分?jǐn)嘀噶顣r(shí)，可以根據(jù)最佳分?jǐn)?、閉合相角輪流控制三個(gè)觸點(diǎn)進(jìn) 行過(guò)零分?jǐn)嗯c閉合，減小了火花能量。利用它與中央控制計(jì)算機(jī)的雙向通訊，可以形成局域控制網(wǎng)絡(luò)和簡(jiǎn)單DCS系統(tǒng)。它在工業(yè)、油田、煤礦、農(nóng)村（灌溉系統(tǒng)） 和城市等領(lǐng)域和地區(qū)有廣泛的應(yīng)用前景。

1 接觸器智能化內(nèi)容和工作原理　

　　我國(guó)目前使用的接觸器、斷路器和保護(hù)器（例如熱繼電器）均為機(jī)械非智能型的。一般為交流吸合、交流吸持和隨機(jī)分?jǐn)啵揖€包電壓有220V和 380V之分。實(shí)驗(yàn)告訴我們，不論是220V還是380V的線包，只要加上不低于160V的直流電壓，接觸器均能可靠吸合，并且不會(huì)產(chǎn)生一、二次彈跳。此 時(shí)，只要維持吸持電壓不低于直流15V，就可以穩(wěn)定地保持吸合狀態(tài)。分?jǐn)噙^(guò)程一旦發(fā)生，必然伴隨有電弧產(chǎn)生。確定分?jǐn)噙^(guò)程何時(shí)發(fā)生的唯一原則就是在時(shí)間允 許的前提下使電弧總能量最小。對(duì)于單相電磁電路，觸點(diǎn)合斷的最佳時(shí)刻應(yīng)該是主電路電流過(guò)零之時(shí)，而對(duì)于三相電磁電路來(lái)說(shuō)，如果分?jǐn)噙^(guò)程發(fā)生在某一相電流過(guò) 零時(shí)刻，此時(shí)三相電弧的總能量應(yīng)該為最小。輪流控制三個(gè)觸點(diǎn)的過(guò)零分?jǐn)?，可以使它們有相同的使用壽命。　視控制?duì)象和要求，本方案采用繼電器或可控硅作為 控制接觸器線包通斷的元件。在單片機(jī)的控制下，系統(tǒng)按設(shè)置要求運(yùn)行并顯示。整個(gè)電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)。當(dāng)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，高壓自行撤除，續(xù)流電路維持吸合 狀態(tài)。

　　接通電源以后，整流回路、穩(wěn)壓電源回路及單片機(jī)系統(tǒng)得電。相電流設(shè)置完成后，單片機(jī)就開(kāi)始采樣并與設(shè)定值進(jìn)行比較，啟動(dòng)回路和續(xù)流回路系統(tǒng)處于 待機(jī)狀態(tài)。單片機(jī)在對(duì)電源電壓和相位的不斷采樣、比較、記錄的同時(shí)，等待啟動(dòng)信號(hào)。如果得到信號(hào)，就會(huì)在不大于20ms的時(shí)間內(nèi)適時(shí)通過(guò)啟動(dòng)回路給線包加 上一個(gè)相應(yīng)的高電壓，動(dòng)觸點(diǎn)在強(qiáng)激磁產(chǎn)生的吸力作用下，克服彈簧推力和慣性，迅速向靜觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。單片機(jī)可以通過(guò)傳感器判斷觸點(diǎn)的吸合情況并控制續(xù)流回路， 及時(shí)提供合適的吸持電壓。一旦發(fā)現(xiàn)電源電壓小于釋放電壓，單片機(jī)立刻選擇合適的相位，停止向線包供電，觸點(diǎn)在彈簧的作用下復(fù)位。顯然在啟動(dòng)過(guò)程中，相電流 會(huì)激增甚至超過(guò)設(shè)定值，電流激增的程度和激增持續(xù)的時(shí)間與電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)荷有關(guān)。這可以根據(jù)部頒標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)要求，增加相關(guān)程序，就可以很好地區(qū)分不同的負(fù)荷 情況甚至短路而自動(dòng)選擇相應(yīng)的啟動(dòng)保護(hù)時(shí)間，使電動(dòng)機(jī)可以帶載啟動(dòng)。

　2 單片機(jī)的選用和基本硬件的設(shè)計(jì)　

　　為了安裝與使用的方便，輸入電壓可以設(shè)計(jì)成自適應(yīng)型的。傳感器是在磁環(huán)或矽鋼片上繞一個(gè)繞組并通過(guò)整流裝置送入單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)傳感器取樣比 較后，最終輸出的是一個(gè)電平信號(hào)或某一頻率的脈寬信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而強(qiáng)電強(qiáng)磁的干擾往往使之產(chǎn)生誤動(dòng)作。為此，需要采取多項(xiàng)措施抗干擾，除了屏 蔽、光電隔離等傳統(tǒng)措施以外，還可以通過(guò)帶通濾波和采樣算法來(lái)抑制干擾。單片機(jī)分別選用美國(guó)Motorola公司的M68HC系列和Microchip公 司的PIC 系列單片機(jī)。Motorola公司的單片機(jī)在汽車上的應(yīng)用非常普遍，有很強(qiáng)的抗干擾性能，而Microchip公司的PIC系列單片機(jī)由于內(nèi)部有A/D， 其外圍電路就相對(duì)簡(jiǎn)單了。由于這些單片機(jī)的內(nèi)部資源比較豐富，采用分時(shí)動(dòng)態(tài)掃描模式進(jìn)行顯示，其外部元件非常少，不但降低了成本，而且使可靠性大大提高。

      3 單片機(jī)主程序框圖

交流接觸器智能化程度的高低，主要取決于控制方案的選取和軟件的編制。

　　程序在執(zhí)行時(shí)，首先要對(duì)電網(wǎng)電壓取樣，若電網(wǎng)電壓的不平衡度大于30%，程序拒絕繼續(xù)執(zhí)行，并用發(fā)光二極管對(duì)此項(xiàng)進(jìn)行顯示。此項(xiàng)檢測(cè)通過(guò)以后， 單片機(jī)根據(jù)相位同步信號(hào)和上次吸合、分?jǐn)噙^(guò)零觸點(diǎn)的記錄，選擇下一個(gè)觸點(diǎn)作為目標(biāo)觸點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)采樣電壓的數(shù)值，選擇合適的吸合相角，進(jìn)入控制待機(jī)狀態(tài)。 吸合命令一到，單片機(jī)立刻執(zhí)行吸合子程序。吸合結(jié)束，單片機(jī)便使主控器件截止，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入吸持階段，線包以低電壓、小電流維持勵(lì)磁吸合狀態(tài)。

　　4 實(shí)驗(yàn)研究　

　　可行性實(shí)驗(yàn)是在開(kāi)發(fā)裝置上進(jìn)行的。考慮到系統(tǒng)的抗干擾能力和操作方便，選擇擦寫(xiě)方便的89C52單片機(jī)，和蘇州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的JZ7型號(hào)中間繼電器（380V，5A）組合，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，基本情況如下。

（1）吸合及分?jǐn)噙^(guò)程　

　　接觸器繞組的工作電壓為380V，在交流220V的條件下無(wú)法完成吸合。和智能裝置進(jìn)行組合，同樣在220V的情況下，吸合一次完成。用示波器 觀察，吸合指令和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的時(shí)間誤差最大不超過(guò)40ms，76%以上在20ms以內(nèi)。在不產(chǎn)生一、二次彈跳的前提下，吸合電流為0.12A，而吸持電流僅 為 6mA，效果相當(dāng)理想。當(dāng)外電壓降到160V，觸點(diǎn)自動(dòng)斷開(kāi)，單片機(jī)處于采樣、待機(jī)狀態(tài)?！〈罅康膶?shí)驗(yàn)告訴我們，對(duì)于同一類型的接觸器和斷路器，它們彈簧 彈力和動(dòng)點(diǎn)質(zhì)量基本相同，因而具有相同的慣性。電網(wǎng)電壓的波動(dòng)使磁力克服慣性移動(dòng)相同距離的時(shí)間是不同的，因而導(dǎo)通相角和導(dǎo)通時(shí)間也應(yīng)該不同。把不同型號(hào) 的接觸器和斷路器在不同電壓下的最佳吸合相角和吸合時(shí)間制成表格，單片機(jī)以查表的方式進(jìn)行控制，可以使接觸器工作在最佳狀態(tài)下。分?jǐn)噙^(guò)程有相似的結(jié)論。這 里單片機(jī)要做兩項(xiàng)工作：更換取樣觸點(diǎn)和確定分?jǐn)鄷r(shí)刻。后一項(xiàng)工作也是在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上查表完成的。目前正在利用新的傳感技術(shù)和過(guò)程取樣技術(shù)，完善過(guò)零分 斷的閉環(huán)控制，通過(guò)自學(xué)習(xí)功能自動(dòng)更新表格中的相關(guān)數(shù)據(jù)，提高模塊的智能化程度。

　　（2）吸持過(guò)程　

　　啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束以后，線包就在低電壓、小電流狀態(tài)下工作。單片機(jī)在維持這種狀態(tài)的同時(shí)，對(duì)吸合電壓及電網(wǎng)不平衡度進(jìn)行監(jiān)視，一旦有短路、斷相、電 網(wǎng)電壓不平衡度超過(guò)30%或者電網(wǎng)電壓低于160V及啟動(dòng)運(yùn)行電流超過(guò)設(shè)定值，控制回路立刻按過(guò)零要求進(jìn)入分?jǐn)嘧映绦蜻M(jìn)行失電分?jǐn)?，從而保護(hù)設(shè)備的安 全。（3）通信聯(lián)網(wǎng)　通過(guò)單片機(jī)的串行口與微機(jī)RS232相聯(lián)，從微機(jī)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)修改單片機(jī)的控制參數(shù)，同時(shí)將單片機(jī)的各路電流采集值讀回微機(jī)顯示。這樣 聯(lián)網(wǎng)后可對(duì)各被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，易于操作。

　　5 結(jié) 論　

　　選擇不同的單片機(jī)，可以組成具有較強(qiáng)抗干擾能力和運(yùn)行可靠性的產(chǎn)品，其抗干擾能力雖然不如PLC，但其較高的性能價(jià)格比，運(yùn)行效果仍然令人滿 意。和新的傳感技術(shù)相結(jié)合，可以增加包括監(jiān)測(cè)觸點(diǎn)溫度在內(nèi)的具有學(xué)習(xí)功能的智能化產(chǎn)品，和我國(guó)大量的接觸器、斷路器相組合，將是我國(guó)低壓電器擺脫落后局 面、走出低谷的有利契機(jī)，必將為提高我國(guó)低壓電器的檔次作出貢獻(xiàn)。