摘要：设计了一种由整流滤波模块、单片机控制模块、低压电源模块、采样模块、抗电压跌落模块等部分组成的交流接触器控制模块，具有闭环直流高电压起动、直流低电压保持、抗电压跌落等功能。起动时，根据输入电压的大小，单片机输出相应占空比的 PWM 波控制 MOS 管通断，从而控制交流接触器线圈电压，以实现交流接触器的闭环直流高电压起动；保持时，关断 MOS 管，由低压直流电源模块给交流接触器线圈供电，实现交流接触器直流低电压保持。
关键词：交流接触器；节能运行；超级电容；抗电压跌落
抗电压跌落交流接触器多使用在连续生产的企业中，不允许意外断电，针对这一特点，设计一款新型智能抗电压跌落控制模块，具有交流供电模式和控制模块直流可控供电模式。当控制模块正常时，通过控制模块给交流接触器线圈供电，具有直流无声运行、抗电压跌落等功能；一旦控制模块自身发生严重故障，起动转换电路，切断控制模块，通过有触点开关直接提供交流电给交流接触器线圈，维持生产系统正常工作，同时发出报警信号，在系统正常停机的情况下更换控制模块。
1.抗电压跌落控制模块工作原理
有触点开关能够实现电路的全开断和隔离，有常开常闭触点能够通断大功率电路，但存在电弧和磨损的问题；电力电子开关操作频率高，可实现无弧通断，但过载能力和通断能力较低。通过将有触点开关和电子电子开关配合使用，充分发挥各自优势，实现新型智能抗电压跌落控制模块的故障转换功能。
空心箭头表示需要开关电源供电的子电路，控制模块上电后，交流电源通过有触点开关常闭触点加到交流接触器线圈上，使接触器交流运行。故障保护电路对控制模块进行检测，若模块有故障则保持交流运行，若无故障，交直流隔离转换电路切断交流电源，将接触器转为直流低压保持状态。单片机通过隔离采样电路，循环检测电源电压，当采样电压低于额定值的60%时，视作电压跌落发生，单片机启动抗电压跌落功能，使交流接触器保持吸持状态。若在规定时间内一旦电压跌落结束，则单片机关闭抗电压跌落功能，恢复接触器正常保持状态，若经nms(n可调)电压仍未恢复，则关闭抗电压跌落，接触器分断。
2.总体设计方案
交流接触器的损耗主要有铁损、铜损和分磁环损耗；交流接触器采用直流运行方案则可以消除铁损和分磁环损耗，仅剩下占比很小的铜损，损耗大大减小。
控制模块由整流滤波、单片机、低压电源、采样、抗电压跌落(即超级电容模块)等组成。起动时，按下常开开关SB1，低压电源模块得电，单片机根据采样模块采得的电源电压信号输出相应占空比的PWM信号控制MOS管通断，接触器线圈得电，接触器触头闭合；同时，低压电源2为超级电容充电，由于超级电容充电需要一段时间，故高占空比起动后，由单片机输出相应低占空比的PWM控制信号，使得接触器保持运行，待超级电容充电完成，单片机输出低电平信号，MOS管断开，由低压电源2提供接触器保持所需要的能量，从而实现接触器的节能运行。当发生电压跌落，使得低压电源2不足以提供接触器触头保持闭合所需的能量时，超级电容放电为接触器线圈提供能量，使接触器触头保持闭合。断开时，按下常闭开关SB2，接触器线圈失电，接触器触头分断。
3.控制模块工作过程分析
3.1故障转换功能实现原理
在控制模块中，通过有触点开关的转换实现故障转换功能，上电时交流电通过有触点开关的常闭触点加到交流接触器线圈上，接触器交流起动，故障保护电路检测到其他电子电路关键节点逻辑电平正常时，驱动有触点开关动作，使接触器转为直流低压保持状态。若在运行过程中检测到其他电子电路有故障或线圈直流保持电压欠压，则故障转换电路停止驱动有触点开关，使其失电复位，交流电直接施加到接触器线圈上，以保证接触器开关状态不变。接触器线圈属于阻感负载，有触点开关在分断阻感负载时会产生电弧和过电压，严重影响其电寿命，同时会产生强烈的干扰，影响系统稳定性，需要在接触器线圈两端并联吸收抑制回路。
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3.2有触点开关的触点保护方案
现有的几种吸收抑制电路主要有并联灭弧型压敏电阻电路、并联阻容电路、并联二极管阻容电路，其中并联二极管阻容电路效果最好，但其只适用于直流电路。
交流接触器线圈的工作电源要在交流和直流之间切换，要求吸收抑制电路既可以抑制交流过电压也可以抑制直流过电压。采用吸收抑制电路，在L1，R1两端反并联两路二极管阻容加并联双向瞬态抑制二极管，过电压可以通过双向瞬态抑制二极管D3被钳位在一定值，避免对控制模块造成损坏，触头分断时储存在电感L1中的磁场能量经过保护电路中的二极管迅速转换成电容中的电场能量，降低触头两端产生电弧的可能性，电容中的电场能量经过电阻的作用后又转换成电感中的磁场能量，能量在连续的转换中振荡衰减，缩短燃弧时间。
3.3节电型交流接触器实现原理
交流接触器耗电及噪声的产生均源自与电磁机构，因此考虑接触器的节电必然从电磁线圈开始下手。由于交流电存在过零点，由于存在弹簧的反力，因此总在过零点产生一个释放的趋势，但很快随着电压的升高又消失了，在保证接触器闭合的前提下还是产生了噪音，我们称之谓交流噪音，主要是由交流电的过零点造成的。
4.软件设计
单片机根据采样电路采得的频率、电压值输出控制信号。若电压达到吸合电压最低值，则根据输入电压大小发出相应高占空比的PWM控制信号。为保证接触器可靠吸合，高占空比PWM控制信号维持50ms。50ms后，单片机根据输入的电压信号输出相应低占空比的PWM控制信号，因超级电容充电时间约为4s，故设置低占空比的PWM控制信号持续时间为4s。随后，单片机输出低电平信号，MOS管关断，由低压电源2为线圈供电。
5.试验与分析
5.1交流接触器运行过程分析
在输入电压AC220V时，交流接触器运行过程波形。高占空比PWM波持续时间约为50ms，符合设计要求。输入电压为AC220V时，交流接触器吸合时间为15.2ms。测试不同输入电压下的接触器吸合时间并记录，吸合时间范围在15～30ms。
5.2直交转换过渡过程
控制模块发生故障时，有触点开关复位，切断直流12V电源，将常闭触点的交流电引入接触器线圈。t0至t1时段接触器直流无声运行，在t1时刻发生故障进行直交转换；在t1至t2时段，有触点开关的转换触头离常开触头距离极近时，产生电弧，经过控制模块直流通路中的反向二极管续流，此时线圈两端的压降为续流二极管管压降；在t2至t3时段，当弧隙慢慢变大，电弧熄灭时，转换过程中的振荡衰减电压加到接触器线圈两端，在t3时刻，有触点开关转换触头与常闭触头闭合，交流引入接触器线圈；t3至t4时段为接触器交流运行状态。
6.结束语
设计了一种具有节能、抗电压跌落功能的交流接触器控制模块，利用脉宽调制方式控制线圈直流高电压起动、低电压保持，实现交流接触器的节能运行，节能效果显著。利用超级电容在电压跌落期间为接触器线圈提供能量，实现抗电压跌落的功能，充电快、可靠性好、实用性强，符合现代工业发展的要求，拥有广阔的发展前景。
参考文献
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[4]庄杰榕等带通信功能的抗电压跌落智能控制模块[J].电测与仪表，2014.
论文作者:王纪武
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/7
标签：接触器论文; 电压论文; 线圈论文; 触点论文; 模块论文; 电路论文; 单片机论文; 《电力设备》2017年第18期论文;