摘要：接觸器是目前使用量最大的低壓電器產品，閉合時觸頭的彈跳和分斷時產生的電弧是影響其使用壽命的主要因素。本文提出一種新的接觸器觸頭控制方法，實現觸頭單獨進行閉環控制。這在智能電器和控制領域是一個全新的思想。本論文對交流接觸器的結構進行了研究，建立了數學模型，結合Ansoft電磁分析軟件修正了氣隙磁導，并且利用Simulink仿真，對該接觸器的動態特性進行了研究，得出了一種全新的閉環控制方法，可有效的消除接觸器閉合時的觸頭彈跳和分斷時產生的電弧，提高了接觸器的使用壽命。

關鍵詞：接觸器，閉環控制，Ansoft，Simulink

1.引言

接觸器是一種應用廣泛的自動控制電器元件，主要用于頻繁接通和開斷交流負載電路，具有控制容量大，可遠距離操作等優點[1]。由于頻繁的操作，接觸器必須具有足夠長的使用壽命才能保證一定的使用期限。正常情況下，接觸器電壽命一般為其機械壽命的1/5至1/20[2]。因而提高電壽命才是提高接觸器使用壽命的關鍵[3]。

本文將閉環控制系統與接觸器相結合，通過速度反饋實現接觸器的運動過程閉環控制。實現觸頭無彈跳閉合和無弧分斷，提高接觸器的使用壽命，閉環控制雖然有些復雜，但適應性強，可靠性高。

2.接觸器結構分析

本文以E型鐵芯結構為例進行分析。鐵心的尺寸結構如圖1所示。

圖1電磁鐵的結構示意圖

其中工作氣隙δ最大距離是6mm，最小為0.01mm。線圈匝數為。根據接觸器的尺寸結構分別列出了接觸器的電路方程，吸力方程和運動方程，建立數學模型[4]。

3.氣隙磁導優化

氣隙磁導是電磁力計算的一個非常重要的參數，傳統方式是應用簡化磁路的方法計算得出氣隙磁導公式。本文應用場路結合的方法，來減小模型的誤差。首先通過有限元分析軟件AnsoftMaxwell仿真得出不同氣隙下的氣隙磁導的值，然后應用MATLAB擬合出這些值所對應的曲線與方程，然后將方程帶入Simulink中，進行動態特性仿真。這樣應用AnsoftMaxwell場的方法的準確性與Simulink路的方法研究運動過程的方便性相結合，大幅提高了模型和運動控制的準確性。

接觸器電磁機構的Ansoft二維模型如圖2所示。

圖2接觸器電磁機構二維模型

上圖中粉紅色的部分為接觸器的鐵芯和銜鐵，兩個藍色的矩形部分為方向相反的激磁線圈。移動上方銜鐵的位置，根據Ansoft仿真計算得出不同氣隙長度下的氣隙磁導，觀察數據分布發現，數據非常符合指數分布規律，應用MATLAB進行指數函數擬合。

最終得出擬合函數為：

4.閉環控制系統

4.1控制系統原理

本論文提出了一種基于運動過程隨動控制的智能接觸器控制方法，對接觸器的進行閉環控制，實現觸頭無彈跳合閘?？刂葡到y原理圖如圖3所示。它包括驅動電路(4)、接觸器(7)、速度檢測(6)、單片機，其中單片機包括速度給定(1)、加減運算(2)、PID(3)、A/D轉換(5)。

圖3控制系統原理圖

根據控制系統硬件電路框圖，該控制系統是通過單片機給驅動電路電壓，經過驅動電路的放大和調理后，給接觸器的線圈供電，使鐵芯動作，分合閘動作開始。通過速度檢測，一般都采用精度高響應速度快的速度傳感器來檢測鐵芯的運動速度，得到實時的鐵芯的運動狀態。傳感器將鐵芯的實時運動狀態通過模擬信號傳給單片機。經過A/D轉換，將模擬信號轉換成單片機可識別的數字信號。

速度給定存儲于單片機中，這里的速度給定是根據接觸器的工作氣隙長度、觸頭系統的質量等，得出的最優的鐵芯運動的速度曲線，曲線大致為：在吸合時，使觸頭先加速運動，到達某一位置后，開始做減速運動。使鐵芯在將要閉合時，觸頭的速度為0，加速度還很大。在開閘時，同理。將速度給定與得到的數字信號比較，經過加減預算得出差值，經過PID調節后得出最優的輸出電壓。然后再經過驅動電路的放大和調理后，給線圈供電。形成閉環控制系統

在實際速度小于給定速度曲線時，給線圈通電，使銜鐵加速運動，當實際速度大于給定曲線時，在反力的作用下比如彈簧反力，使鐵芯做減速運動。使鐵芯的實際速度與給定的最優速度曲線相吻合。實現接觸器無彈跳分合閘，消除了觸頭的二次彈跳，消除了斷續電弧，在電流過零時刻開斷，實現了無弧分斷，大幅提高了接觸器的使用壽命。

4.2控制系統數學模型

本文通過Simulink軟件對異步組合式接觸器的控制系統進行仿真，研究其動態特性。根據式（3）（4）（5），對接觸器閉環控制系統建模，圖4為閉環控制系統的Simulink模型。其中Subsystem1模塊為電路模型，Subsystem2為磁路模型，Subsystem3模塊為限位控制模塊。FF模塊為施加的反力。

圖4閉環控制系統的Simulink模型

Simulink的仿真結果如圖5所示。

圖5分合閘過程閉環控制系統仿真結果圖

從圖中可以看出在釋放過程中銜鐵先做恒加速運動，當在0.3s時銜鐵開始做減速運動，當到達閉合位置（4mm）時，銜鐵速度剛好為0,也就是合閘時銜鐵的動量為0，實現了無彈跳閉合，整閉合時間大約為0.48s。釋放時銜鐵做勻變速運動，在速度-24mm/s處轉折。整個釋放時間約為0.42s。從而實現了無彈跳閉合，消除了分斷時產生的電弧，提高了接觸器的電壽命。單相閉合時間為0.5s，釋放時間為0.42s，和常規接觸器相比差別不大[5]，不影響使用時的開合閘速度。

5.總結

本文提出了一種異步組合式接觸器控制方法，將閉環控制應用在了智能接觸器中，探索出了實現無彈跳分合閘的新途徑。應用Ansoft有限元分析軟件，對異步組合式接觸器的電磁系統進行分析計算，根據Ansoft的仿真計算結果，應用MATLAB數據擬合的方法，優化了氣隙磁導，重新給出了氣隙磁導公式，并帶入仿真模型中。將運動過程的動態控制應用于接觸器中，可以將影響接觸器運動時間的諸多不確定因素通過速度的閉環隨動控制消除。實現接觸器觸頭運動過程的分階段控制，消除了接觸器閉合時的觸頭彈跳和分斷時產生的電弧，進而提高接觸器的電氣壽命。

參考文獻

[1]申潭，陳德桂，馮濤.帶反饋控制的智能交流接觸器.低壓電器.No.2,2005:3-5,10.

[2]張連毅.交流接觸器的智能化研究進展[N].上海電機學院學報,2009-3(1).

[3]劉穎異，陳德桂，紐春萍，季良.帶電壓反饋的智能接觸器動態特性及觸頭彈跳的仿真與研究[J].中國電機工程學報.Vol.27No.30,2007:20-25.

[4]張冠生，陸儉國.電磁鐵與自動電磁元件[M].北京：機械工業出版社，1982：55-227.

[5]卜浩民.交流接觸器的現狀與發展趨勢[J].低壓電器，2010,(6)：0001-05