CJ系列交流接觸器以價格便宜及使用壽命長的優(yōu)勢，廣泛應用于低壓配電，但在運行當中電能損耗大，噪音大，并且經(jīng)常燒毀線圈。本文針對交流接觸器運行噪聲大，耗電高，線圈鐵心運行溫度高，易燒毀的難題，設計了一款適合CJ系列交流接觸器的節(jié)電器，主要是采用單片機PICl2F508控制可控硅的導通角，也就是控制加在負載(交流接觸器線圈)上的電壓波形，從而實現(xiàn)交流接觸器的大電流直流吸合，低壓小電流維持運行，達到無聲節(jié)能的目的。
1 電路工作原理
圖1是交流接觸器的原理框圖，主要由220 V交流電輸入、可控硅、單片機控制電路和負載等組成。單片機控制電路主要是控制可控硅的導通時間。最終加在負載(交流接觸器線圈)上的電壓波形如圖2所示。
在t=0～T1期間，可控硅的導通角是180°，加在交流接觸器線圈上的電壓波形是脈動的直流正弦半波，線圈獲得大電流，接觸器吸合。當t>T1后，通過單片機控制可控硅的導通時間為時間很短的T，加在交流接觸器線圈上的電壓波形是直流窄脈沖波，剛好能使接觸器維持在吸合狀態(tài)。實踐證明，T1取60 ms就能使接觸器可靠地吸合；T取2 ms，就能使接觸器可靠地維持在吸合狀態(tài)。通過單片機，能夠精確地控制時間T1和T。
2 系統(tǒng)設計
2．1 硬件電路設計
2．1．1 單片機PIC12F508介紹
PICl2F508是Microchip Technology生產(chǎn)的低成本高性能8位全靜態(tài)的基于閃存的CMOS單片機，總共只有8個管腳。它們采用RISC架構，僅有33條單字／單周期指令。除程序跳轉指令(為兩個周期)外的所有其他指令都是單周期(200 ns)的。PIC12F508本身自帶上電復位(POR)和內(nèi)部振蕩模式(INTRC)，使器件不再需要外部復位電路和晶振，降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本。
2．1．2 過零檢測電路
為了確保利用單片機對可控硅的可靠控制，必須準確地判斷220 V交流電壓的過零點。綜合各個方面的考慮，本文采用光耦P521完成過零點的檢測，如圖3所示。220 V經(jīng)過120 kHz的電阻降壓后，加載到光耦的輸入端，光耦的輸出端接到PICl2F508的端口GPl。當交流220 V的零點來到時，光耦第四管腳沒有信號輸出。
2．1．3 可控硅驅動電路
可控硅選用BTl51，根據(jù)BT151的參數(shù)，單片機的高電平輸出就可以直接驅動BTl51，為了保護單片機，防止220 V電壓串入單片機，在控制端連接了一個二極管。如圖4所示。
2．2 軟件設計
在MPLAB-IDE中使用Hitech C編譯器，最終用C語言完成節(jié)電器的軟件設計。
過零點判斷子程序如下：
2．3 交流接觸器電磁線圈改造
2．3．1 交流接觸器電磁線圈磁路分析
電磁線圈磁鐵的磁路如圖5所示。
根據(jù)磁路學知識，有：
式中：φ為磁通量；μ0為真空磁導率；A為鐵芯橫截面積；N為線圈匝數(shù)；I為線圈導線電流；L1為鐵芯磁路長度；μ為鐵芯相對磁導率；L0為磁隙長度。
電磁鐵的吸引力和φ成正比，所以當交流線圈加直流脈沖電壓啟動吸合時，吸引力增大數(shù)倍，實際觀察到的現(xiàn)象是交流接觸器吸合聲音清脆、有力，大大減少了接觸器的啟動吸合時間，降低了線圈的發(fā)熱，延長了線圈的使用時間。
2．3．2 線圈通過的電流
交流接觸器電磁線圈通過的電流為：
交流線圈加直流脈沖電壓時，式(1)中jωL=O，于是式(1)簡化為：
顯然，電路中的電流增加了，為了保護交流線圈不被燒毀，必須增大線圈的電阻，根據(jù)公式：
可以增加線圈的匝數(shù)或減小線徑。實際上增加線圈的匝數(shù)是不可能的(線圈的空間尺寸受接觸器結構的限制)，所以只能采取減小線徑的方法。實踐證明：線徑變細后，可以節(jié)省50％以上的銅線。
3 結語
將該節(jié)電器應用于CJ20-250交流接觸器，最終的實驗數(shù)據(jù)表明線圈有功節(jié)電率達到90％以上。長時間吸合運行，接觸器無聲，接觸器線圈、鐵心基本無溫升，大大延長了線圈壽命。