交流接觸器是一種頻繁通斷的低壓電器，廣泛應用于電力系統主電路及電機等的控制[1-2]。隨著對接觸器需求的不斷增加，對其動態特性及其可靠性提出了越來越高的要求[3-4]。智能接觸器能夠對接觸器吸合與保持過程進行智能控制，能有效地提高接觸器工作性能和使用壽命，逐漸成為了接觸器研究的熱點[5-7]。參考文獻[8]研究了交流接觸器的智能化控制與設計技術,利用智能控制技術實現了接觸器的智能控制。參考文獻[9]中提出了一種帶反饋控制的智能交流接觸器，利用脈寬調整及反饋技術，自動調節線圈電壓，使吸合過程的動態吸力與反力合理配置。參考文獻[10]對交流接觸器溫度場進行仿真，并分析其影響因素。通過分析交流接觸器主回路和電磁系統發熱和散熱過程，建立了接觸器的穩態熱分析模型。提出了計算電磁系統線圈和分磁環的功率損耗的方法。但是，目前對智能交流接觸器的研究主要集中在控制系統的設計、動態特性的優化與仿真等，而關于環境溫度對接觸器動態特性的影響及溫度補償控制的研究較少。

    傳統的交流接觸器通常要求在-5℃~40℃環境溫度下工作，可靠吸合。但隨著接觸器使用范圍及工作頻率的增大，接觸器線圈工作溫度可能達到60℃~70℃甚至更高，這將影響接觸器正常工作。本課題通過研究分析環境溫度與接觸器吸合動態特性的關系，提出了一種基于帶反饋控制的PWM（脈寬調制）型智能交流接觸器的溫度補償技術的策略。通過實時檢測輸入電壓、線圈溫度及反饋查表控制輸出吸合脈寬調制占空比及強激磁時間，優化動態合閘過程，進一步提高接觸器工作適用環境溫度范圍、使用壽命和智能化程度。
1 智能交流接觸器工作原理
    本文研究的是一種帶反饋控制的PWM（脈寬調制）型智能交流接觸器，通過智能控制系統來控制接觸器。圖1為智能交流接觸器框圖。

    智能控制系統主要由檢測子系統和調壓控制子系統構成。檢測子系統包括電壓檢測和溫度檢測電路。電壓檢測通過變壓、極性轉換及放大等電路檢測輸入電壓，并調理輸出到單片機的A/D輸入端口。溫度檢測由溫度傳感器及放大調理電路構成，實時檢測接觸器線圈溫度。控制調壓子系統主要由單片機、絕緣柵功率三極管（IGBT）及其驅動電路組成。單片機根據電壓大小輸出相應大小占空比的脈寬調制（PWM）波，再由IGBT驅動電路放大后，控制IGBT的通斷時間，即通過改變脈寬調制占空比來調節線圈輸入電壓。輸入電壓不變，占空比越大，線圈輸入平均電壓越大。
    根據GB14048.4-93規定，接觸器應滿足在85%~110%額定電壓波動下可靠吸合。為了保證低電壓可靠吸合，在吸合過程中，當輸入電壓在75%~110%額定電壓范圍波動時，智能接觸器通過調壓系統，線圈輸入電壓Ux保持不變，接觸器可靠吸合，避免了電壓波動對接觸器的影響。當輸入電壓超出75%~110%額定電壓范圍，接觸器不吸合，防止欠壓、過壓導致接觸器非正常工作。在保持過程，線圈輸入電壓等于Uk保持不變；其中，Uk<<Ux。保持階段線圈電壓及電流波形圖，如圖2所示。

    由圖2可以看出，保持階段線圈電壓調整占空比很小，使得接觸器以小電流、低電壓保持吸合狀態，大大地減低了接觸器的保持功耗。研究表明，智能交流接觸器較同規格傳統交流接觸器，其節能效果在90%以上。
2 動態特性分析
2.1 吸合過程的分析
    由接觸器動態特性分析可知，在輸入電壓不變的情況下，環境溫度越高，線圈電阻增大，線圈電流減小，導致吸力減小。在吸合觸動階段，吸力小于反力，接觸器將無法吸合；在吸合運動階段，若吸力小于反力，鐵心運動減速，速度為負時，鐵心開始反向運動。對于智能交流接觸器，可調節吸合PWM調制占空比及其強激磁時間來方便地控制接觸器吸合過程電磁吸力。
2.2 實驗研究與分析
    本文通過實驗來驗證上述結論。以智能交流接觸器為實驗對象，實驗環境溫度為60℃，實驗對比合閘強激磁時間調整前后合閘過程的電流、位移及PWM調制波等變化情況。其中，位移由激光位移測試裝置測試得到。實驗結果如圖3所示。

    由實驗結果可看，強激磁時間偏小時，接觸器無法可靠吸合。增加強激磁時間，可保證接觸器可靠吸合，但時間過長，則導致了鐵心合閘末速度過大，劇烈碰撞影響機械壽命。閉合后PWM過大，導致電流上升，使線圈發熱影響線圈壽命。選擇合適的強激磁時間，使接觸器以較小的速度合閘，同時保證可靠吸合。由此可見，通過合理調整PWM占空比及強激磁時間是一種補償溫度變化的有效方法。
3 溫度補償控制策略的研究與優化
3.1 溫度補償控制流程
　　根據上述智能接觸器動態特性分析與實驗結果，提出一種動態反饋控制的溫度補償控制策略，以電壓與溫度作為反饋量，以PWM占空比和強激磁時間作為控制量，建立動態控制表對接觸器吸合過程進行控制。圖４給出了控制流程圖。

　智能控制系統首先判斷輸入電壓值是否在75%~ 110%額定電壓范圍。若不在此閾值范圍內，則微控制器不輸出PWM波，線圈處于截止狀態，控制電路繼續采樣輸入電壓值。當輸入電壓在此閾值電壓范圍內時，系統根據電壓和溫度，查表控制輸出合閘PWM調制波，接觸器開始吸合。其中，動態輸出控制表為各工作電壓和環境溫度下的最優吸合PWM調制占空比及其強激磁時間。
3.2 控制優化與結果分析
    以接觸器可靠合閘為約束條件，以合閘末速度最低為目標，通過動態特性計算與實驗，尋找各工作電壓和環境溫度下的最優占空比及強激磁時間，建立得到動態輸出控制表。表1 給出了部分工作電壓和溫度下的最佳占空比&alpha;p及其強激磁時間tp。
    從表1結果可知，輸入電壓與PWM占空比成反比，輸入電壓偏低時，增大占空比；偏高時，減小占空比，使線圈電壓保持相對平衡。根據環境溫度的變化情況，調整強激磁時間；溫度低時，縮短強激磁時間，溫度高時，增大強激磁時間，以保證接觸器可靠吸合。通過采用溫度補償及反饋控制的智能交流接觸器使溫度和電壓范圍有了明顯的提高。 

     通過反饋控制技術，接觸器在各電壓和各溫度下合閘過程得到了一定的優化。圖5給出了傳統交流接觸器與智能交流接觸器在不同電壓的合閘末速度對比結果；圖6給出了不同溫度下強激磁時間固定與動態控制補償方案下合閘末速度對比結果。

    通過對比不同工作電壓下傳統接觸器與帶反饋控制的智能接觸器的合閘末速度的實驗結果可以看到，隨電壓變化，傳統接觸器合閘末速度變化較大；智能交流接觸器通過電壓反饋控制，使合閘末速度基本不變，有效地抑制了電壓波動對合閘的影響。通過對比不同溫度下強激磁時間固定與動態控制補償方案下的合閘速度實驗結果可以看到，強激磁時間固定補償方案，采用較長的強激磁時間補償溫度導致接觸器在溫度較低時合閘速度過大。動態控制補償方案根據溫度變化調整強激磁時間，接觸器始終以較低的速度合閘，減輕了觸頭及鐵心的碰撞。
    智能交流接觸器溫度補償控制策略以脈寬調制控制技術控制接觸器合閘。研究各工作電壓和環境溫度下的最佳控制PWM占空比和強激磁時間，建立動態控制表，查表計算輸出PWM波控制接觸器合閘。溫度補償控制策略能有效地補償溫度變化對接觸器的影響，保證高溫環境可靠吸合；優化接觸器吸力與反力特性，以最優的方式合閘，減輕了觸頭及鐵心的碰撞，接觸器工作性能和壽命得到提高。
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