抗晃电智能交流接触器设计

0 引言

晃电作为一种特殊的故障，危害很大，特别是对连续运行的企业。目前抗晃电的方法可归结为如下4 类:

(1) 应用断电延时继电器、电动机再起动器。

通过时序关系，使接触器的主触头在晃电结束后重新吸合( 晃电期间断开)，实现电动机再起动。

这种抗晃电方法的特点是在晃电发生期间主触头断开，电压恢复后电动机重起动，电动机重起动产生的冲击电流大，控制回路原理复杂，而且电动机再起动器的成本很高。

(2) 采用储能延时元件对接触器的线圈在晃电期间继续提供能量，保证主触头的吸合。这种抗晃电方式有选型不灵活、选择范围小、增加了控制线路的复杂程度等缺点。

(3) 延时锁扣头装置，在接触器吸合后线圈转入省电模式，靠锁扣头锁扣作用保持主触头的接通状态。晃电发生时，接触器主触头不断开，在进行正常的停机操作后主触头才断开。但这种锁扣头只能与专门设计的特殊接触器配合使用，并且在断电的情况下由锁扣头锁定的主触头断开需要独立的电源。对于> 170 A 的接触器，并没有与之配套的锁扣装置。

(4) 采用双电源供电方式，成本高、线路复杂。目前市面上出现了少量的抗晃电交流接触器产品，但是价格居高，同等容量的抗晃电交流接触器是原交流接触器产品价格的5 倍左右。

因此，本文研发了新型抗晃电智能交流接触器产品，该抗晃电智能交流接触器采用接触器本体和智能控制模块的结构。智能控制模块具有体积紧凑小巧、控制精确、通用性强、成本低等优点;同时，通过对接触器的起动、分断过程进行智能控制，大幅度提高了接触器的机械寿命和电寿命，配合不同的接触器本体，可形成系列抗晃电智能交流接触器产品，具有较高的性价比。

1 工作原理

抗晃电智能交流接触器除了具有智能交流接触器的功能外，还具有抗晃电、远程控制等功能，其控制原理如图1 所示。

图1 抗晃电智能交流接触器的硬件框图

通过采样电路对电源电压进行采样，当采样电压高于0. 7 Ue( Ue为额定电压值) 且小于1. 15Ue时，单片机控制系统发出信号给隔离回路1，强激磁起动回路接通，接触器高电压起动。单片机给隔离回路2 发出驱动信号，低压保持回路接通，接触器低电压保持，然后驱动回路1 断开，退出运行。

当采样电压低于0. 6 Ue时，视为晃电故障发生，单片机发出信号给隔离回路3 和隔离回路2，先后打开抗晃电保持回路和分断低压保持回路，由全自动后备电源系统对单片机系统和线圈供电，使接触器保持吸合状态，此时采样回路继续对电源电压进行采样，若在规定的时间内，晃电结束，电压恢复正常，则单片机发出信号给隔离回路2 和隔离回路3，先后打开低压保持回路和分断抗晃电保持回路，恢复接触器的正常保持状态，若经N ms(N 可调)电压仍未恢复，则单片机发出信号给隔离回路3，断开抗晃电保持回路，接触器分断。

若电源正常时手动分断接触器，则正常分断检测电路会检测到手动分断信号，此时单片机屏蔽抗晃电程序，使接触器立即分断。

全自动后备电源系统由镍氢充电电池和全自动充电电路组成，当抗晃电模块工作时，充电回路检测电池的电压值，当电压值低于设定最小值时，充电回路开始对电池充电，当电压达到设定最大值时，停止对电池充电，并继续循环检测电池电压值。电源正常时，可通过抗晃电时间调整电路对抗晃电时间进行调整，并显示在两位八段数码管上，单片机自动存储设定的时间，下次启动时，默认加载上次设定值，时间调整范围和调整梯度可根据用户要求设置，当抗晃电时间调到0 时，系统关闭抗晃电功能，作为普通智能接触器使用。

该智能模块可工作在独立和远程两种模式。

独立工作模式时，不具备通信功能，远程工作模式时，可以与上位机双向通信。上位机可对智能控制模块的接通、分断及抗晃电时间进行远程控制和调整，下位机可以将当前接触器的状态、抗晃电时间、有无晃电发生等信号传给上位机。

2 软件设计

本文单片机软件部分采用C 语言进行编程，编译器选用CCS PICC 编译器，该编译器的内部函数比较丰富，支持丰富的外围设备，预备有标准输入/输出函数，编程比较方便，将CCS C 集成到mplab 中使用，进行程序的调试、烧录、运行。

图2 抗晃电智能交流接触器的主程序流程图

软件流程如图2 所示，经过调试后，软件实现了抗晃电智能交流接触器的整体控制功能。完成了接触器的抗晃电初值加载、工作模式判断、阈值判断、正常高压起动、低压保持过程后，开始执行晃电检测程序，循环检测电源电压，检测到晃电，则打开定时器1 作为专用的抗晃电定时器并开中断，利用定时器1 的周期性中断，在定时中断子程序中执行抗晃电延时时间的计时，晃电时间超过设定值时断开抗晃电回路，在设置的抗晃电时间内电源恢复正常，则接触器转入正常保持状态，并继续检测晃电;时间调整子程序采用中断的形式，可对抗晃电时间进行上调或者下调，并把调整后的时间存入E2PROM，以备下次启动时调用。

通信接收程序也采用中断形式，串口调试助手的操作界面如图3所示，可对下位机发送操作指令，进行通断控制及抗晃电时间的调整，并可以实时监测当前接触器的工作状态，文本框用于显示上位机的发送指令和从下位机接收的指令，还可显示当前设置的抗晃电时间和当前接触器的状态值;正常分断检测模块也采用中断的形式，利用单片机内置的* 模块的捕捉功能，捕捉一个正常分断信号后，立即转入中断执行正常分断程序。

图3 串口调试助手。

3 调试与试验数据

本文选用proteus 软件作为仿真调试工具，proteus 是一款兼容性很高的软件，可以集成到mplab 环境中，由mplab 调用proteus，在mplab 环境中支持断点和单步调试，能反应出程序的运行过程。proteus 中虚拟示波器的仿真波形如图4所示。

图4 proteus 仿真波形。

为了模拟晃电电压，选用一个DC 分段型脉冲激励源接入单片机的RA1 模拟通道，虚拟示波器中第一条曲线表示DC 分段型脉冲激励源，模拟采样电压;第二条表示强激磁回路，第三条表示低压保持回路;第四条表示抗晃电保持回路;竖线①表示采样电压达到阈值，竖线②表示发生晃电时刻，竖线③、④表示电压恢复时刻，由图4 可以看出，DC 脉冲激励源达到阈值后，强激磁回路打开一极短时间(15 ms 左右) 后关闭，继而低压保持回路打开(第三条曲线置高电平)，接触器完成正常起动及保持过程;此后电压虽然有波动，但位于晃电界限以上，接触器仍然处于低压保持状态(第三条曲线保持为高电平)，本文电源模块采用单片开关电源，具有宽电压输入的特点，因此，即使电压轻微下跌，在实际中仍能输出稳定电压，使实际中的接触器处于稳定的低压保持状态。

如图4 所示，当电压下降到额定值的60%时，即认为发生晃电，此时抗晃电回路打开( 第二条曲线在发生晃电时刻即时刻②置高电平)，低压保持回路关闭(第三条曲线发生晃电时刻即时刻②置低电平);当晃电在设定时间内结束电压恢复正常时，低压保持回路打开( 第三条曲线在电压恢复时刻即时刻③置高电平)，抗晃电回路关闭(第二条曲线在电压恢复时刻即时刻③置低电平)。在时刻④位置之前的一次晃电，晃电发生时间超过预设的抗晃电延时时间，在整个延时时间范围内，抗晃电保持回路置高电平，延时时间超过预设值后立即跳变为低电平，此时接触器分断。由虚拟示波器的波形图可知该智能控制模块程序具有抗晃电功能。

在此基础上，完成了整体硬件电路的安装与调试。样机硬件实物如图5 所示，可以看出抗晃电智能控制模块由三块PCB 板构成，配合160 A以下的交流接触器可稳定工作。

图5 样机硬件实物图。

驱动回路测试波形如图6 所示。图6( a) 和图6(b) 为采样电压波形、强激磁驱动信号、低压保持驱动信号，通过这三条的波形的对比可得出:

系统上电瞬间，采样电压达到吸合阈值，强激磁回路控制端瞬间置高电平，接通强激磁回路，接触器线圈接220 V 高电压，进行吸合动作;吸合过程结束后，低压保持回路控制端置高电平，强激磁回路控制端跳变为低电平，接通低压保持回路，同时断开强激磁起动回路，接触器在低电压下保持吸合状态，完成接触器的高压起动、低压保持过程控制。

图6( c) 中当连续晃电( 第一条曲线电压下跌)且每次晃电时间都在设定值内时，抗晃电回路都能及时打开(第二条曲线在第一条曲线下跌时置高电平)，当电压恢复正常时，抗晃电回路又能及时切断(第二条曲线置在第一条曲线电压恢复时置低电平)，图6(d) 中，当连续晃电时，低压保持回路与抗晃电回路的信号波形是互补的;当晃电发生且晃电时间在设定值之内时，低压保持回路切断，抗晃电回路打开;当电压恢复时，低压保持回路打开，抗晃电回路切断;图6( d) 中最后一次晃电时，晃电时间超过预设值，低压保持回路切断，抗晃电保持回路打开并且保持到预设时间后切断，此时低压保持回路仍是切除状态，接触器线圈失电，接触器断开。至此，完成了抗晃电智能交流接触器的整体调试，形成了高电压直流起动、低电压直流保持、抗晃电、具有故障延时时间设定、节能无声运行等特点的新型智能电器，具有工作稳定、性价比高等特点。