基于ATMEGA16型單片機(jī)的智能無(wú)弧交流接觸器控制方法

本文針對(duì)傳統(tǒng)變流接觸器分合闡過程中產(chǎn)生的電弧對(duì)觸頭侵蝕的問題，提出了智能無(wú)弧交流接觸器全新的控制方法。該接觸器以傳統(tǒng)交流接觸器為主體，實(shí)現(xiàn)三相電路的靈活控制，在主電路中每相觸頭并聯(lián)一個(gè)單向晶閘管，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸器在吸合和分?jǐn)噙^程中的無(wú)弧控制，大大提高了接觸器電壽命。并且將智能結(jié)構(gòu)的理念帶入了傳統(tǒng)交流接觸器中，采用ATMEGA16單片機(jī)作為控制核心，使智能無(wú)弧交流接觸器集數(shù)據(jù)采集，故障診斷與一體，實(shí)現(xiàn)了交流接觸器狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
傳統(tǒng)交流接觸器在分?jǐn)嚯娐返倪^程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈電弧不僅造成觸頭磨損，降低了接觸器的電壽命；同時(shí)交流接觸器激磁系統(tǒng)多由交流電控制，不僅產(chǎn)生很大的交流噪聲，而且線圈功耗特別大。本文針對(duì)傳統(tǒng)交流接觸器激磁系統(tǒng)及滅弧系統(tǒng)提出了一種簡(jiǎn)易、可靠的解決方案。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)智能交流接觸器的研究總結(jié)，本文采用了無(wú)觸點(diǎn)分?jǐn)喾桨福?jiǎn)單來(lái)講就是在接觸器觸頭兩端分別并聯(lián)一個(gè)單相晶閘管，使其在接觸器分合閘過程中起到分流作用進(jìn)而達(dá)到無(wú)弧分合閘的目的。同時(shí)針對(duì)傳統(tǒng)交流接觸器勵(lì)磁線圈采用交流勵(lì)磁功耗大的缺陷提出了直流穩(wěn)壓激磁、直流小電壓保持方案，不僅可以保證觸頭穩(wěn)定閉合，而且還可以減小接觸器二次彈跳幾率及線圈功耗，提高其使用壽命。
同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)、單片機(jī)及通信技術(shù)的發(fā)展，為智能無(wú)弧交流接觸器的控制系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。本文除了對(duì)傳統(tǒng)交流接觸器激磁系統(tǒng)及觸頭滅弧系統(tǒng)加以改進(jìn)外，還引入了智能結(jié)構(gòu)的思想，將傳感器、驅(qū)動(dòng)器、控制器集于一體，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)處理，對(duì)接觸器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)判斷，提高了接觸器的實(shí)時(shí)性。同時(shí)還會(huì)對(duì)接觸器各相電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與判斷，從而能準(zhǔn)確地對(duì)接觸器的運(yùn)行狀態(tài)及故障實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1 系統(tǒng)總體方案及其工作原理
智能無(wú)弧交流接觸器將傳統(tǒng)的交流接觸器與電力電子器件相結(jié)合，對(duì)接觸器觸頭系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，具體改進(jìn)方法如圖1所示。同時(shí)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁線圈電壓自動(dòng)控制、運(yùn)行狀態(tài)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)故障自診斷及故障定位。采用以ATMEGA16單片機(jī)為控制核心，通過相應(yīng)傳感器對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與分析，進(jìn)而對(duì)接觸器運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的判斷。系統(tǒng)縣體實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2中KM為普通交流接觸器，選擇工作場(chǎng)合為工頻50Hz，相電壓220V，線電壓380V。通過對(duì)負(fù)載各相電壓的監(jiān)測(cè)判斷，即可知道系統(tǒng)是否處于過壓、欠壓及缺相(由缺相保護(hù)電路檢測(cè))運(yùn)行。若發(fā)現(xiàn)負(fù)載正在缺相運(yùn)行，可立即封鎖PWM號(hào)，使系統(tǒng)停止運(yùn)行并給出故障信息。若系統(tǒng)處于欠壓狀態(tài)可以給出故障報(bào)警和實(shí)際電壓值，根據(jù)檢測(cè)的三相電壓值計(jì)算三相負(fù)荷不平衡度，若在運(yùn)行范圍內(nèi)即不影響正常工作時(shí)，負(fù)載保持運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)三相不平衡度超過限定值則停止系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行故障檢修，并給出報(bào)警信號(hào)。

1．1 無(wú)弧通斷工作原理
1．1. 1 接觸器吸合過程導(dǎo)通區(qū)域分析
根據(jù)圖1所示主電路接線方式的分析，只有SCR1承受正向電壓，SCR2承受正向電壓，SCR3承受負(fù)向電壓時(shí)才能保證三個(gè)晶閘管同時(shí)滿足閉合基礎(chǔ)條件(即Uscr1>0，User2>0，Usor3<0)，使其在共同導(dǎo)通區(qū)域內(nèi)完成觸發(fā)操作，從而保證三相觸點(diǎn)在共同導(dǎo)通區(qū)域內(nèi)無(wú)弧吸合。

針對(duì)圖3所示，當(dāng)系統(tǒng)接到吸合信號(hào)時(shí)，開始對(duì)接觸器線圈進(jìn)行激磁操作，而后通過過零檢測(cè)電路檢測(cè)到A相電壓的左側(cè)過零點(diǎn)，這之后SCR1便進(jìn)入了導(dǎo)通區(qū)域，延時(shí)3．33ms后SCR3進(jìn)入導(dǎo)通區(qū)域，再延時(shí)3．33ms后SCR2進(jìn)入導(dǎo)通區(qū)域，從而可以在圖中找到三個(gè)晶閘管同時(shí)滿足導(dǎo)通條件的區(qū)域如(圖中陰影部分)，所以在陰影區(qū)域同時(shí)觸發(fā)三個(gè)晶閘管，從而接觸器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)弧吸合。
1．1．2 接觸器分?jǐn)噙^程導(dǎo)通區(qū)域分析
接觸器吸持過程中觸頭接觸電阻很小，故觸頭兩端電壓很低，從而晶阿管兩端電壓很低。由此接觸器分?jǐn)噙^程以主回路電流為判斷依據(jù)，如圖4所示，分析如下。

針對(duì)圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)接到分?jǐn)嘈盘?hào)時(shí)，首先切斷保持電源，而后通過過零檢測(cè)電路檢測(cè)到A相電流的左零點(diǎn)，這之后SCR1便進(jìn)入導(dǎo)通區(qū)域，延時(shí)3．33ms后SCR3進(jìn)入導(dǎo)通區(qū)域，再延時(shí)3．33ms后SCR2進(jìn)入導(dǎo)通區(qū)域，根據(jù)這個(gè)條件可以在圖中找到三個(gè)晶閘管同時(shí)滿足導(dǎo)通條件的區(qū)域(如圖中陰影部分)，由此可以在該區(qū)域給晶閘管觸發(fā)信號(hào)使接觸器完成分?jǐn)噙^程，實(shí)現(xiàn)無(wú)弧分?jǐn)嗫刂啤?/p>

1．2 接觸器線圈激磁系統(tǒng)工作原理
目前，傳統(tǒng)交流接觸器一般采用交流吸合、交流吸持和隨機(jī)分?jǐn)嗟姆绞?。?shí)驗(yàn)得知，無(wú)論是380V線圈還是220V線圈，只要加上不低于160V的直流電壓，接觸器均能可靠吸合，并且減少二次彈跳幾率，穩(wěn)定吸合時(shí)只要維持電壓不低于15V，就可以穩(wěn)定保持吸合狀態(tài)。而且采用直流運(yùn)行方式可以從根本上消除交流接觸器的噪聲和振動(dòng)，大大降低能耗，提高使用壽命。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)接觸器線圈采用240V激磁電壓、24V保持電壓策略時(shí)，接觸器不僅可以可靠閉合，觸頭碰撞回跳時(shí)間也很短。所以智能交流接觸器采用了穩(wěn)壓直流可控激磁、低壓直流保持的電磁系統(tǒng)智能化操作方案。
本實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)交流接觸器的基礎(chǔ)上，對(duì)其控制回路采用智能化控制，通過對(duì)施加在接觸器線圈兩端的電壓進(jìn)行PWM控制及自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了智能無(wú)弧交流接觸器在寬電壓范圍(AC240V～380V)內(nèi)均能高品質(zhì)可靠穩(wěn)定工作，同時(shí)還解決了由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)過大引起接觸器工作不穩(wěn)定的問題。激磁系統(tǒng)控制原理圖如圖5所示。

由圖5所示電路產(chǎn)生接觸器激磁電壓240V和保持電壓24V。在此我們先討論輸出240V的情況。交流輸入電壓經(jīng)整流電路整流后通過電力電子器件IGBT施加到接觸器激磁線圈上，微控制器根據(jù)測(cè)量電路檢測(cè)輸入電壓大小，由PWM模塊產(chǎn)生適當(dāng)頻率及占空比的脈沖觸發(fā)IGBT，控制IGBT的導(dǎo)通與截止，最后得到直流激磁電壓240V加到接觸器線圈兩端。系統(tǒng)還具有線圈電壓檢測(cè)電路，若線圈電壓高于240V，則按一定比例減小PWM占空比，同樣，若線圈電壓低于240V，則按一定比例增大PWM占空比，保證了接觸器的穩(wěn)定吸合。最后，在接觸器激磁結(jié)束后，通過單片機(jī)控制系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)占空比以產(chǎn)生保持所需要的24V直流小電壓，從而接觸器實(shí)現(xiàn)節(jié)能、無(wú)噪聲吸合。

圖6給出了PWM脈沖調(diào)制電路原理圖，輸入電壓經(jīng)整流電路后，通過IGBT開關(guān)管加在接觸器線圈兩端，由ATMEGA16單片機(jī)內(nèi)都調(diào)制產(chǎn)生的PWM脈沖通過右端PWM輸入，當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，R2上有電流流過，場(chǎng)效應(yīng)管VT1截止，VT2導(dǎo)通，IGBT正偏而導(dǎo)通；當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí)，光耦截止，R2上無(wú)電流流過，場(chǎng)效應(yīng)管VT1導(dǎo)通，VT3管導(dǎo)通，-5V電壓經(jīng)R4加在IGBT柵射極之間，使IGBT迅速關(guān)斷。從而控制了接觸器線圈兩端電壓大小。圖中二極管VD為接觸器線圈提供續(xù)流通道。

2 軟件控制流程
智能無(wú)弧交流接觸器的軟件控剃流程圖如圖7所示，系統(tǒng)上電后，單片機(jī)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。此時(shí)單片機(jī)若接到吸合按鍵中斷信息便進(jìn)入吸合程序。根據(jù)1．2小節(jié)介紹的直流激磁方案對(duì)線圈進(jìn)行激磁，交流接觸器進(jìn)入吸合階段。根據(jù)1．1小節(jié)介紹，判斷A相主電路電壓過零點(diǎn)，找到晶閘管共同的導(dǎo)通區(qū)域，觸發(fā)觸頭兩端的單向晶閘管，使觸頭在晶閘管共同導(dǎo)通區(qū)域內(nèi)無(wú)弧吸合。此時(shí)24V直流保持電壓已經(jīng)加在線圈兩端，以保證接觸器低能耗運(yùn)行。

若單片機(jī)接到分?jǐn)喟存I中斷信息，通過PWM調(diào)制電路調(diào)節(jié)占空比為零即中斷對(duì)線圈供電，接觸器進(jìn)入分?jǐn)嗔鞒?。隨后單片機(jī)通過電流采樣電路，對(duì)A相主電路電流過零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，找到三個(gè)晶閘管共同導(dǎo)通區(qū)域后，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。從而使接觸器無(wú)弧分?jǐn)唷?br/>
3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
智能無(wú)弧交流接觸器具有通信功能，并支持PC機(jī)遠(yuǎn)程控制，為了實(shí)現(xiàn)接觸器狀態(tài)顯示即數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了上位機(jī)部分，用戶可以方便地監(jiān)控接觸器實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。本系統(tǒng)上位機(jī)部分采用Labview2011軟件設(shè)計(jì)，主界面包括顯示部分和控制部分。其中主界面如圖8所示。

主界面主要包含信息查詢部分、接觸器控制部分、操作提示和通信狀態(tài)顯示。其中查詢部分可以查詢主電路電壓、電流；同時(shí)還可以圖形顯示電弧電流波形和電壓波形。接觸器控制部分可以控制交流接觸器分合閘；狀態(tài)顯示主要包含通信狀態(tài)正常與否以及觸頭狀態(tài)是否正常。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的上位機(jī)通過串行通信接口可以與接觸器正確無(wú)誤通信并完成相應(yīng)操作。

4 結(jié)語(yǔ)
以ATMEGA16型單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)的智能無(wú)弧交流接觸器控制系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)交流接