合闸相角控制技术在交流永磁接触器复位弹跳中的应用翻译解读

1、合闸相角控制技术在交流永磁接触器复位弹跳中的应用一种新的低成本的电子控制电路执行器实现了减少交流永磁（PM）接触器双触点闭合 后的弹跳次数。新的执行器克服了无法控制弹跳的问题，以前传统的交流电磁（EM）接触 器都是通过尽量使接触器触点冲击之前的动能的最小化，选择合适线圈电压目标合闸相位 角，跳跃的移动问题，在关闭过程中接触，然后克服。在长时间接触使用中，英运行的可靠 性是非常好的。为了验证所提出的方法的可行性和有效性，在这里，在实验室中几个模拟实 验程序是对交流永磁接触器样机进行测试。测试结果显示，接触器触头闭合过程中是利用所 提出的控制技术能够解决弹跳问题。介绍接触器在电气领域是一个非常重要

2、的设备：它们应用于电源部分的绝缘控制。在触头弹 跳过程中在可动触点的第一接触固左触点后重复几次才达到永久接触状态。接触器的弹跳现 象是关闭过程中常见的不良事件特别指出，使用寿命和可靠性取决于接触器打开和关 闭操作过程中产生的I。3】散热能力。在传统接触器中经常发现儿个关键缺点，在较低的电压下，由于持续不断的消耗 更多的能屋来保持电枢，产生噪声，其线圈很容易烧坏，并去除在电源线的F扰中异常丢失 的结果，如电压暂降事件。在近年来，为了克服上述传统的交流电磁接触器缺点（4】，一个 新的交流接触器与永磁机构（简称ACPM接触器）已成功开发。它越来越受到许多研究者 【56】亲睐。根据基本的碰撞理论，当两

3、有限不同初速度下碰撞的物体，他们的界面保 持在关闭状态是不可能的。因为这种不良现象，已经做了很多努力去解决。然而， 儿乎所有的探索方法都是去凸显接触碰撞前最低的运动动能或最大耗散率碰撞 后的:电弧热。在接触冲击接触之前降低速度，智能交流接触器可切换最佳合 闸相位模型的提出，能有效提高其寿命:。对于不同的应用，采用基于智能算 法的儿种方法确定最佳的线圈电压合闸相位角-。尽管有很多对于常规的 交流接触反弹控制电磁接触器在闭合过程中的研究，然而，在已出版的出版物中， 受到的关注很少，控制闭合触点弹跳到永磁交流接触器4-相关6。图1 （a） 显示了标准的控制机制传统的交流电磁接触器。当开关关闭时，该交

4、流电磁接触 器适用于交流电压源和电流通过线圈。此外，图1 （b）是一个典型的系统配置 的交流永磁接触器。值得注意的是，电子控制单元包括与AC电压源和永磁交流 接触器线圈吊联。山于永磁强迫电枢，不仅快速转型结果是在关闭过程中实现的， 而且还小是保温过程中消耗的能量。此外，本文的U的是提出一种控制方法为最 大限度地减少动触头的动能为基础故选择线圈电压合闸相位角永磁交流接触器。 因此，使用寿命和操作可靠性是能够同时兼得的。操作原理2.1 数学模型。如图2所示，结构一种永磁交流接触器是山三个子系统组成 的:电力系统，磁场能量转换系统，和机械系统。磁能量转换系统包括常规的交流电 磁场的基本机制接触器；此

5、外，外部永磁体也安装在电枢。这是一般的永久磁铁 用钺铁硼材料；所以体积小。以减少能量损失，在磁路中的所有铁芯铁磁性材料 制成的。图2描述了，永磁交流接触器由一个电子控制命令单元（ECU）。一 个满意的ECU控制执行器，两励磁线圈的设置，如合闸线圈N1和开放线圈N2 一起配备固定E型铁心。合闸线圈的制造过程中驱动，而开断过程中驱动线圈。ACelectromagnetic(EM) contactorAC witage sourceElectronic control unit (ECU)AC permanent magnet (PM) contactor(b)Figure 1: Sketch th

6、e structure of an (a) AC EM contactor; (b) AC PM contactor.Electrical systemElectronic control unit (ECU)j Mechanical systemFigure 2: System configuration of AC PM contactor.Magnetic energyconversion systemZGeometriail central lineri 厂A/VXrW ,bWV t；Permanent magnet在关闭过程中，合闸线圈将山一个全波整流的AC电圧源激励，图3所示的等效

7、 电路（一）。山此产生的磁力施加在电枢在这个过程是电磁力与永磁力。因此， 过渡时间一般较传统的交流电磁接触器更短。通过采用基尔霍夫电压定律（KVL） 的等效电永磁交流接触器电路，电压方程可以表示如下,2Urmssin(o)f) ,(1)4： / .-dh 1u* （T）:全波整流交流正弦电压源和它的频率是两次原始应用交流正 弦源电压U （T）；Urms：交流电压源均方根值：r1：合闸线圈电阻；i1：流过合闸线圈的电流；A1：磁链产生的合闸线圈，它可表示为A1 =L1 (x) 11 因为在磁路不能流通量被改变的瞬间，它必须是一个恒定值 在关闭过程中。将表示利用通量A1 =L1 (x) 11为(1

8、)J 心)+R + 4(心,在广义的电阻被定义为R = R1 +(vdl1) /DXo可以看出，在(2),简化 接触器的电气系统的电压方程只是一个一阶微分方程。如果初始线圈电流设置为 零，即11 (0) =0,线圈完全响应电流(2)可以得到如下VVn(f)= -茴 sin(0-)% +茴 sin(M4+9-0), (3)在VM =2urms是交流正弦波振幅灭磁。第一项是一对过渡部分(3)在笫 二部分是一个长期的稳定状态。时间常数T是L1 /R,阻抗Z是一|W2I21 +(R) 的2和功率因数角p (WL1是tan-1 /R)的影响。线圈(T)的电流11时，包 括直流偏移该电路是在点被energ

9、ized正弦在6波=(p比其他组件的直流偏移， 和在decays指数率等于L1 / R时间常数电动交流永磁接触器的部分。此外，这 些图3 (b)中所示，将电磁力产生的反力来中和永磁线圈是山断开在电容器的 产生的电压能量。2.2。等效磁路分析。儿何的等效电路的开发和交流永磁接触器显示在图4。 显然，被视为交流接触器的永磁机构是对称的。因此，磁电路可以分析然后很容 易地简化。相比与传统的交流在一个额外的永磁接触器，应排列在固定的E型 的核心。该技术采用磁路方程分析，交流永磁接触器可以用下面的公式表示(沂1十凡1十沂3十傀3十池)03-(区3十3)02 =N山十几吨-(池+傀3 )03 +2 +浊2

10、 +池+傀3妙2 =厶在磁路磁电路的第一部分中的每个分别利用磁阻的讣算方法。他们的表 达如下厶+ /; +厶u（）urA2uourA2?2uourAs20人2 2#0人3，4 U()UrA在每一部分的磁阻磁电路通常是在平均长度单个磁电路的功能。在电气电路 模拟的总电阻，该总的R (x)的磁阻磁电路可以得到的通过使用类似的计算程 序。然后，等效电感值L (x)穿过线圈也可以用以下的公式衍生如=爲，(6)N是线圈绕组匝数。下面公式给出了磁通p、磁通密b铁和横截面积的关系（B -dS=B - S,图3：等效电路：交流接触器(PM) (a)关闭过程；(b)开启过程 2.3o电磁力的测定。在电磁力(铁芯

11、”)是一个函数电枢线圈电流和位移。 如果电枢是保持在恒定的位移变，然后在机械能到零是等价的。在磁存储电磁能 量能源转换系统中，可以用【论】的表达在电枢的初速度之间是零，我们自电枢是固定在开启位置,最后的动能电枢的能 量或可移动关系Ek =（mv2）/ 2完全山电枢的接触询最终速度v的影响。Figure 4: Developed AC PM contactor, (a) sketch of the geometry and (b) equivalent magnetic circuit.触点弹跳的理论分析由牛顿第三左律，改变的一个系统动疑变化比例与合力强加给系统的方向的力量。它遵 循的矢虽变化势

12、头系统，在任何时间间隔，在大小是相等的和相反方向的矢量变化势头。动力 系统的净变化为零。也就是说，(B)在PI和PF代表线性动量可动接触之前和之后的两个触点的影响。由于动触头的线性 动量是保守的，它是一个恒左值，经过两年的接触的影响。目前，接触系统接触器可以被看 作是由两部分组成，活动触头接触。这些接触是M1活动的和它的初始移动速度V1xo相反, 质量固左触点M2和初始速度的V2X是零，是固左的。如果动触点与固泄相撞随着直线接 触，这些就是最后的接触速度，可以写成如下：也皿 + m2 V2X = rnvx.(14)图5显示了可动触点的概况和固定接触之前和之后的两个触点的影响。接触系统的总动 能

13、应保持在恒左值，由于守恒的原则。换句话说，接触系统的初始总动能值相巴于最后的总 动能值。因此，它可以表示为|miJ2 + |m2(V2x)2 =(15)分别从(14),(15)线性动量和动能的表达式能显示，我们可以计算的最终速度和 动触头经过两触点接触可以固定接触如下：Vlxmy m2 加1十加2(16)(17)假设安排在固定的固定接触器的机械框架ml m2是总是合理的。因为确定在 两个接触的影响,固定触点最终的速度(17)中描述等于零。相比之下，最终可移动 的速度等于接触后相反方向的初始速度。这意味着线性动量活动产生的接触将会 是动线性动量接触弹簧系统1 X。因此,接触弹簧的拉伸和汗缩操作可

14、以重 复多次获得持久的状态之前，也就是说，接触弹跳。正如我们知道的,接触弹跳主要 取决于三个影响因素，这样的接触弹簧的特点是不允许的改变现有产品，电流流过 的接触也不可控的，只要它是低于评级价值，控制移动速度可改变接触前的影响。 显然，过去的方法比其他方法更加可行，它是很容易的通过现有方法进行控制。MovablecontactV1XFixed contact个(b)Figure 5: The sketch of movable contact and fixed contact (a) before collision (b) after collision.电子控制单元4.1 o控制策略。正

15、如我们所知，如果一个交流接触器操作在关闭过程中，电枢不 是产生一种无法控制的永磁的力量，而是可控电磁力。因此,理想的动态合成磁力 值强加于将派生控制电枢接触器的一个独立的变量,如线圈电流。然而，线圈电流 是一个交流正弦电爪源的相位角函数。在其他话说，如果我们仔细选择一个适X 的关闭相角交流正弦电汗源，线圈的预期值将获得预期的合磁力值。这个结果也 可以获得从这些陈述(3), (9)和(11)可以得出。4.2。控制电路的实现。图6显示了一个完整的电子控制电路的控制交流接触 器,它被称为一个电子控制单元(ECU)o ECU的操作山电压控制。ECU是山儿个 简单的数字和模拟组件组成。因此,ECU的制造

16、成本是便宜的。ECU也用于控制 关闭接触反弹，提高稳定性并监控交流接触器的动态行为。其余部分本节将用于 描述ECU的操作。每个功能块如图6所示，将他描述在一个单个的段落整流电路。输入部分的ECU操作从一个配备了全波桥式整流器交流正弦电 丿玉源(t)如图6所示。它负责交流正弦电爪源转换一个直流脉动电丿玉屮(t),用图3 表示。的整流的交流电压源u*(t)具有相同的振幅u(t)。然而，你的频率*(t)是两次 u(t)o金属氧化物爪敬电阻(MOV)(这是包含在ECU,在图6)连接的输入全波桥式 整流器并联阻止突然产生更高的交流1减少电汗瞬态过电爪源对ECU的危害。线圈电压和电流探测器。在图6 G描述

17、了设计的线圈电压检测器包括两个 电阻、R19R2K它是与全波整流的交流电压源并联。首先，采样线圈电丿玉山统 一放大器放大增加负载阻抗，然后是单片机采样和存储。此外，线圈电流检测器， 它包含一个电阻器R22,与线圈连接在系列。电阻R22应该尽可能小，以避免影响 线圈电流的值;因此，它的LI的是有20 mQo电Ik R22是成正比的线圈电流。因 此，电压R22和釆样的微控制器通过两个放大阶段，一部分F如图6所示，线圈电流的值容易用欧姆定律计算。使信号发生器运作。之后的电汗直流供电的值是稳定的，线圈电圧开始山单 片机读取和合理的。如果釆样线圈电爪达到所需的最低电爪值的交流接触器，单 片机开始生产使信

18、号的设置关闭相角交流电汗源部分J图6所示,这是一个逻辑 高信号在一段时间内关闭时间,关闭接触器。一般来说，逻辑信号应该笫一个山电 丿玉放大器,放大图6中的B部分所示，然后用来进行功率MOSFET a7。后关闭过 程已经完成，这使信号会立即消失.突发信号发生器运作。通常情况下,电解电容器应收取的振幅交流电爪源开 放过程开始询，七urm,这也被称为一个打破电丿玉。如果线圈电爪值低于最大的释 放交流接触器的电压，单片机开始生成一个逻辑断裂信号和放大驱动功率 MOSFET处置了开断的过程。$行端口的接口。提供现场和远程控制能力与ECU,宙行端口通信接口也包 含在ECU,如图所示在图6 D部分。集成电路

19、U5结合其接口电路，形成一个从rs -232信号转换器水平的逻辑类型仮之亦然。此外，光电耦合器安装系列单片机和 接口之间接口提高ECU的操作安全。CflQ$vssPM1NT 堵和 一-4 Rh3iK.MjmJ 0445ojocimvTiivcyi RCVS 邓 a 2C：43Xi5lM 心1SBC lCVTXJOC jirr/nfiTTixyp*- rxiwl “：!lbFigure 6: It $how$ the schematic digram of a microcontroller-based ECU.仿真与实验，结果和理论方便的进行相关的实验，我们实验室建立了一个实验接触器的原型。这

20、个接触 器原型是允许的提供的rms额定电压为220 v AC电圧源。接触器触点容量5.5 千瓦和它的额定线圈电流的值是24 a .绕组的数量3750转,跨两个线圈电阻的终 端是285Q,电枢的质量是0.115公斤。触头间距4毫米，而电枢和固定铁之间的 气隙核心是大约6毫米,永久磁铁上安排电枢的中央位置。5.1 o模型建立和验证的可行性。动态交流接触器的仿真模型，实现通过Matlab / Simulink软件，已经建立了通过使用管理等效电气和机械方程。图7显示了已完 成的仿真模型的交流模式。从理论上讲，所有交流接触器的动态行为可以直接山两个独立的特征变量，如电 枢的位移和线圈电流。图8 8(a)

21、和(b)显示所有的时变波形衔铁位移和线圈电流关 闭期间，持有开放过程获得的模拟模型，而与那些山接触器的匹配原型。在关闭过 程中观察模拟线圈电流曲线，如图8所示(b),从t = 0.04秒t = 0.055秒线圈电 流和模拟线圈电流产生一个更大的线圈电流测量之间的差异。这是主要原因一些 接触器微小机械摩擦被忽略。半交流接触器的操作状态进入过程中，我们可以看 到，线圈口询接近于零时交流电爪源移除。只输入电能将山ECU吸收。这就是为 什么交流接触器是一种杰出的节能性能电磁接触器。图8(e)和8(f)显示电枢的位 移和线圈电流的交流点接触器在打开过程中。线圈电流第一所产生的最大负峰值 被用来生成足够的

22、电磁力克服永久磁铁产生的夹持力。不久，电流通过线圈电流 将为零，因此脱离的触点运动已经完成。减少运动触头和固定触头的电弧活动，交 流接触器尽可能少的控制开启时间。5.2o实现移动速度控制电枢。正如上面提到的，除了基本的事实交流接触器机 制必须配备一个在电枢永磁，也需要一个ECU用于控制接触器在不同的操作操 作流程。图9(a)和9(b)显示典型的时间序列的交流接触器的操作分别在关闭过程 中开放进程。图9(c)展示了一个包含控制流图微控制器。注意，这些微控制器功 能已经建在ECU上。图9(a)描述单片机应该有零交义交流电汗源供电。一个关 闭的相位角交流接触器被选中。也就是说,交流接触器被认为是RB

23、1单片机在B 点的关闭过程。交流接触器是在t2时间关闭。Figure 7: It shows the complete simulation model.ulj 二 EHUUJadss8 6 4 a a a0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1Time (s)0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1Time (s)(b)(c.15Time ()Coil current (A)2 P 7 5 5 U 6 52x io-sTime (s(d)0.25Time (s)lixpcr

24、imcntSlinululiunTime$ Ex|6rinintSimulationc)(O图8:时变波形衔铁位移和线圈电流关闭过程中,(b)接触的过程,(c)开放的过程(3)lc)图9:交流接触器在关闭过程命令序列(b)命令序列在开放过程中(c)单片机软件 的流程图0.6 0.811.21.41.61.8Time(i) “ 90l20placcmeni, (c) armature vdochy, and (d) the angle-varylngvurw of moving vdodtv.Max.Q MinAC 5ource(b)Ficuut 11: Il shu%s (a) a testi

25、ng rig tor measuring the bouncing duiaiiun of co nix t after iwu cunixts impact (b) m 組 sored resAilu.在开放过程中，零交流电爪源确定，然后交流接触器实际生产1毫秒延时进行检 查设置判断打开的过程，单片机的逻辑高电平和延迟如果是的t3时间。同样，高 逻辑信号RB3单片机生成的协助ECU完成交流接触器的开放过程安全。在关闭过程中，图10显示相应的时变力量强加于电枢在不同的交流电圧源关 闭阶段角度。曲线表明，X最后阶段的角度应用交流电爪源被设置为30度，结果 磁力将比那些山其他关闭阶段角度大。交流接

26、触器电枢的时变速度如图10所示 (c)描述移动速度或电枢前两个的动能接触接近0.8来/秒。总关闭时间30度的接 触明显少于其他情况下。此外，正如那些位移曲线电枢如图10所示(b),下午交流 接触器的关闭过程将在时间间隔内完0.01-0.012秒。然而,有一个共同的和重要 特性的动接触后发生第一次接触固定触点、电枢加速了。这个结果代表经过两个 可动的线性动量接触接触会受到不同程度的的影响。这也是交流点的反弹持续时 间的原因通常少于传统的交流接触器电磁接触器的原因。电枢的移动速度曲线模 拟在一段时间内可能关闭相角如图10所示(d),他们往往高于交流电磁接触器。 山此产生的电磁力生成的结果。这是产生

27、的原来的电磁力和夹持力的永久磁铁。 此外，电枢的移动速度曲线还表明,他们定期关闭相位角的函数AC电爪源。交流 接触器显示，这段时间是180o在关闭阶段产生的移动速度曲线角等于55度会导 致交流接触器最小动能能(Ek =(mv2)/ 2)o相比之下,一个最优关闭相角常规交流 接触器也存在在接近0度。X然，在关闭过程中使用关闭交流电汗源的相位角的 方法也会导致减少电枢交流电磁接触动能。5.3。评估减少跳跃。设计测试平台已经建立，如图们所示(一个)。在减少交流 接触器弹跳问题上进行了测试平台的一系列的实验。接触连接电路包括一个直流 电爪源E和一个固定电阻器Rt,如果电爪测量Vt电阻将E联系紧密;否则

28、,Vt在测 量电阻的电压将被设置于零电压。有三种类型的电压源:85%、100%和110%的 额定电汗源。他们的行为典型的测试电圧的下午交流接触器分别测试平台。下午 针对交流接触器和交流电磁接触器，关闭序列进行了十倍并记录下每个三个测试 电圧。为每个测试条件，跳跃的算术取平均值如表1所示。基于上述测试结果作 了一些重要的结论。与交流接触器电磁接触器比较跳跃的接触交流的时间点，我们可以看到的 PM交流接触器更好。对于任何类型的接触器，一个更高价值的电圧源将不再比、耳一个较低价值的 电压电压源弹跳时间更久。减AC EMcontactor和AC PMcontactor之间反弹白分比接近38%。如果PM

29、交流接触器和交流接触器交流电丿玉被认为适用相同的值源,一般说 在减少弹跳性能方面前一种情况下得到的往往是优于后者案例。每个测试交流电压源值所测的变角最大、平均和最小弹跳减少曲线如图所 示11(b)o平均弹跳减少曲线清楚地表明,最小的移动速度电枢将发生在接近40 位处。因此，这些实验结果显示在图11中(b)与如图10所示(d)仿真结果一致。Table 1: Comparisons of average bouncing duration of a pair of contacts after collision for both AC PM contactor and AC EM contact

30、or.Applied AC voltage source (Nominal value equals 220 V)Average bouncing duration (ms)EM contactorPM contactor85%1.5560.832100%1.5681.012110%1.6201.088Percentage of bounce reduction38.19%Table 2: Compare the energy-saving performance of AC EM contactor with AC PM contactor*ItemEM typePM typeApplied

31、 voltage (V)220220Coil current (A)0.07910.0138Volt-Ampere (VA)17.4023.036Total energy (KWH)152.4415226.59536Fee (NT dollars)457.3245679.786085.4。比较节能。节能的特点是应用PM交流接触器的一个重要的的优势。，如 表2所示,PM交流接触器交流电磁接触器假定匸作过程过程为一年。PM交流接 触器的总损耗只有27%o此外,线圈的匝数为2000转大约是U前交流接触器需 要的线圈绕组的一半。6总结PM交流接触器与ECU控制执行机构具有节能和没有噪音污染,抗电汗骤降

32、能 力的良好性能。在电枢安装一个永久磁铁,PM交流接触器的所有操作会自动山 ECU控制。没有改变任何操作传统的交流接触器的人的习惯。但一些关键问题 通常在传统交流电磁接触器的基础上选择一个最佳方案，比如所用交流电丿I源结 束阶段角，可移动接触接触器与固定齿轮啮合接触的最低动能等等。在弹跳持续 时间和节能方面，PM交流接触器的性能通过仿真和实验测试验证其性能良好。 两接触碰撞后的弹跳持续时间在关闭过程中显著减少。能量耗散保存非常明显。 此外,接触器的长期使用寿命和他们的操作可幕性得到提高。引用X. A. Morera and A. G. Espinosa, Modeling of contact

33、 bounce of ac contactor/1 in Proceedings of the 5th International Conference on Electrical Machines and Systenisy vol. 1, pp. 174- 177, Shengyang, China, August 2001 T. S. Davies, H. Nouri, and F. W. Britton, Towards the control of contact bounce IEEE Transactions on Components Packaging and Manufac

34、turing Technology Part A, vol. 19? no. 3, pp. 353359, 1996.J. H. Kiely, H. Nouri, F. Kalvelage, and T. S. Davies, 4tDevelop- inent of an application specific integrated circuit for reducti on of contact bounce in three phase ontactors,n in Proceedings of the 46th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, pp. 120- 129, September 2000.Nl. RongJ. Lou, Y. Liu, and J. Li, Static and dynamic analysis for contactor with a new type of permanent magnet actuator,n IEICE Transactions on Electronic vol. E89-Q no. & pp. 1210- 1216, 2006,S. Fang and H. Lin, Magn