直流接触器的节能控制
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系统原理框图如下所示：
图1-1系统原理框图
输入部分：键盘、电压电流检测构成系统的输入。在起动过程中，单片机对电源电压进行采样，倘若电源电压超过最低吸合电压，单片机系统根据电压值按照相应的程序控制可控元件定相、定时工作，保证接触器处于最佳起动状态。键盘用于对系统的启停控制等。
输出部分：PWM控制模块和报警电路构成系统的输出。吸合时，由单片机控制输出全脉冲，达到吸合电流，保证系统的可靠吸合；维持时，通过单片机输出一定占空比的脉冲，减小输出电流值，达到系统节能的目的。报警电路接受电压过大、欠电压、过电流等信号，发出报警信号以作进一步处理。
1.2.2
本设计针对CZ0系列直流接触器的节能控制。首先，分析其能量损耗的原因，其次找出解决办法。经分析可知，直流接触器的损耗来源与电磁机构有关。
电磁机构的工作情况常用吸力特性与反力特性来表征。电磁机构的吸力与气隙的关系曲线称为吸力特征。电磁机构的转动部分的静阻力与气隙的关系曲线称为反力特征。阻力的大小与作用弹簧、摩擦阻力以及衔铁重量有关。
电磁机构的吸力F可近似地按下式求得
(1-1)
式中， ，当S为常数时，F与 成正比。
对于具有电压线圈的直流电磁机构，因外加电压和线圈电阻不变，则流过线圈的电流为常数。与磁路的气隙大小无关。根据磁路定律
(1-2)则 (1-3)
吸力F与磁阻 成反比，亦即与气隙 成反比。因此电磁机构吸合后只需很小的电流就可维持其吸合状态，从而减小电磁机构的消耗，达到节能的目的。
2.2
交流电源经整流电路整流后输出为稳定的220V直流电压，此电压只能用于接触器吸合阶段，在保持阶段，需要用直流斩波电路调整电压大小使线圈工作于低功率保持状态。直流斩波电路就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。它主要用于直流调压电源以及直流电机调速控制中。图2-4给出了其原理图。
对此，提出一种节能措施，即根据电磁机构的不同状态，调整其电流值，即吸合阶段，采用大电流，保持阶段采用PWM技术调整脉冲宽度来获得较小的维持电流。从而，既可以节能还可以降低线圈的温升。
1.2.3
经过几种可行方案的比较分析，最终确定以下方案。将设计电路分成以下几大部分来设计：主电路、电压电流采样电路、控制电路、输出电路。主电路的作用是将三相工频交流电经过整流、滤波、稳压过程后变换为直流电，为控制电路提供工作电压，同时也供给直流接触器的线圈。这样就将直流接触器的交流运行方式改为直流运行方式，使其输入的工作电压改为直流电，这样就可以起到节能的作用。主电路中还包括其他的环节，如：阻容保护，主回路的过电流、过电压、过电流保护环节等。
2.1.1
三相桥式全控整流电路是由两组三相半波整流电路串联而成的，一组为共阳极接线，一组为共阴极接线，如图2-1所示。
VT1、VT3、VT5三个晶闸管由于阴极接在一块，所以称为共阴极组，VT4、VT6、VT2三个晶闸管由于阳极接在一块，所以称为共阳极组。三相桥式整流电路输出电压平均值高，脉动小，脉动频率为6fs因而易于滤波，且交流电源中不含直流分量，因而实际工程中在交大功率的可控整流领域得到广泛应用，能满足本设计中电压可调的要求，但是其需要六个脉冲触发电路，还要一个同步变压器，因而其经济成本高，且本次设计中的直流电源不仅给线圈供电而且还给接触器正常工作时的触电供电，因此次端电压因保持在220V左右，所以不用此方案，选用三相桥式不可控整流电路来实现。
第二章系统总体方案设计4
2.1整流电路方案设计4
2.1.1三相桥式可控整流电路方案4
2.1.2三相桥式不可控整流电路方案5
2.2直流斩波电路方案设计6
2.3电压电流检测电路方案设计8
2.3.1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ样电阻直接检测法8
2.3.2交流互感器检测法9
2.3.2霍尔传感器检测法10
第三章系统硬件设计及参数计算11
图2-3三相桥式不可控整流电路输出电压波形
在一个电源周期中， 为正负个120°脉宽对称的交流，不含直流分量。整流输出电压Ud由六个相同的脉波组成，脉波数m=6，其输出电压平均值为：
(2-1)
式中 为线电压有效值。
三相桥式不可控整流电路输出电压平均值高，脉动小，易于滤波，且交流电源电流中不含直流分量，输出端电压一定，因而选用此种方案作为主电路中的整流电路使用。
直流接触器是用来频繁地进行远距离通、断主回路的主要控制电器，由于它易于实现自动控制和具有一定的灭弧能力，因而被广泛应矿山、冶金、地铁、电力牵引、化工等部门的手动或自动化系统中，用来控制电动机、电热设备及电力电容器等大型电气设备的运行。
目前在我国应用较多的直流接触器有CZ0系列等。但这类直流接触器在系统消耗的有功功率中，功率因数很低，而且电磁噪声大，由于接触器本身呈感性负载，铁心损耗和铜耗占总能耗的90%以上，电网的网损难以估计。从长远的角度看,为了节能和无声控制的需要，研究接触器的节能运行方案，对于充分利用能源，延长电器使用寿命具有重要的经济和社会意义。本设计根据接触器工作原理利用数字电路实现节能控制要求。
图2-1三相桥式可控整流电路图
2.1.2
三相桥式不可控整流电路如下图所示：
图2-2三相桥式不可控整流电路图
三相交流电压依次相差120°；六个线电压依次相差60°。在第一个自然换向点处，Ua最正而Ub最负，所以在共阴极组中VD1导通，而在共阳极组中VD6导通，此时电流从a相触发流经VD1、负载、VD6到b相，同理，在随后的五个区间中，负载上得到的依次线电压Uac（VD1和VD2导通）、Uab（VD2和VD3导通）、Uba（VD3和VD4导通）、Uca（VD4和VD5导通）、Ucb（VD5和VD6导通）。其电压波形如图2-3所示。
关键词：AT89C51单片机；直流接触器；节能控制；脉冲宽度调制
Abstract
Thearticle introduces the DC contactor energy-saving control scheme and principles which based on Single ChipMicro Computer,studying the reasonof contactor power comsumption,and giving the energy-saving scheme, mainly includes the design proposal choice, the system hardware design, as well as system software design and so on.In the system,the controller isconbined logic function of SCM withcontactorwhich can be realized digital control.The functions of the system is ensured,automatically execute the subroutine of holding low power,and detect the situation of system over-voltage,owe voltage, according voltage value to adjust voil voltage real-time,reached the best energy-saving effection.
Key Words: SCM of AT89C51; DC Contactor; Energy Saver Control; Pulse -Width Modulation
目录
摘要I
AbstractII
第一章概述1
1.1技术背景1
1.2设计简介1
1.2.1主要设计内容1
1.2.2设计思想2
1.2.3拟采用的技术方案2
第二章
系统方案的选择及优化是设计的重要内容，合理简单的方案会使系统大大简化，达到性能上稳定，经济上节约的目的。本章介绍了系统各个部分模块电路的实现方法，工作原理等内容，并对各个模块的方案做出对比得到比较优化的方案。
2.1
利用半导体开关器件的通断控制，将交流电能变为直流电能称为整流，实现上述功能的电路称为整流电路，实现整流的电力半导体开关电路连同其辅助元器件和系统称为整流器。整流电路按电路中所使用的器件及控制能力的不同分为两类：不可控整流和可控整流。不可控整流电路由不可控器件（如电力二极管）组成，其输出直流电压的平均值和交流电源电压的有效值之比是恒定不变的；可控整流电路由可控整流器件（如晶闸管及其派生器件，全控型器件GTO、IGBT等组成）组成，其输出的电压、电流等参数的值是可控的。整流电路还可按交流电源相数分为单相整流、三相整流和多相整流电路，按交流电源电流的波形分为半波整流和全波整流电路。由于单相整流电路输出电压小于220V因此不能使用，此外，三相半波整流电路虽然输出电压平均值较高，且脉动较小，但由于电源电流中含有很大的直流分量，因此，在本设计中不予使用。现在有两种方案可供选择，一、三相桥式可控整流电路方案；二、三相桥式不可控整流电路方案。
3.3.3时钟电路31
3.3.4键盘电路31
3.3.5直流稳压电源电路32
3.3.6 IGBT驱动电路35
3.3.7电压电流检测电路36
3.3.8声光报警电路38
3.3.9 A/D转换电路38
第四章系统软件设计43
4.1模块化程序设计43
4.2主程序设计43
4.3吸合时间设定子程序设计45
4.4定时中断0服务程序设计47
摘
本文介绍了以AT89C51单片机为基础的CZ0—40C直流接触器节能的控制方案和原理，分析了接触器消耗电能的原因，给出了节能方案，主要包括设计方案选择、系统硬件设计、系统软件设计等内容。该设计把单片机的逻辑判断功能与接触器结合，可实现数字化控制。其功能主要表现在确保接触器吸合后，自动执行低功率吸持子程序，检测系统的过压、欠压情况，实时根据电压大小调整线圈端电压恒定，达到了最佳节能效果。
图1-1系统原理框图
输入部分：键盘、电压电流检测构成系统的输入。在起动过程中，单片机对电源电压进行采样，倘若电源电压超过最低吸合电压，单片机系统根据电压值按照相应的程序控制可控元件定相、定时工作，保证接触器处于最佳起动状态。键盘用于对系统的启停控制等。
输出部分：PWM控制模块和报警电路构成系统的输出。吸合时，由单片机控制输出全脉冲，达到吸合电流，保证系统的可靠吸合；维持时，通过单片机输出一定占空比的脉冲，减小输出电流值，达到系统节能的目的。报警电路接受电压过大、欠电压、过电流等信号，发出报警信号以作进一步处理。
1.2.2
本设计针对CZ0系列直流接触器的节能控制。首先，分析其能量损耗的原因，其次找出解决办法。经分析可知，直流接触器的损耗来源与电磁机构有关。
电磁机构的工作情况常用吸力特性与反力特性来表征。电磁机构的吸力与气隙的关系曲线称为吸力特征。电磁机构的转动部分的静阻力与气隙的关系曲线称为反力特征。阻力的大小与作用弹簧、摩擦阻力以及衔铁重量有关。
电磁机构的吸力F可近似地按下式求得
(1-1)
式中， ，当S为常数时，F与 成正比。
对于具有电压线圈的直流电磁机构，因外加电压和线圈电阻不变，则流过线圈的电流为常数。与磁路的气隙大小无关。根据磁路定律
(1-2)则 (1-3)
吸力F与磁阻 成反比，亦即与气隙 成反比。因此电磁机构吸合后只需很小的电流就可维持其吸合状态，从而减小电磁机构的消耗，达到节能的目的。
2.2
交流电源经整流电路整流后输出为稳定的220V直流电压，此电压只能用于接触器吸合阶段，在保持阶段，需要用直流斩波电路调整电压大小使线圈工作于低功率保持状态。直流斩波电路就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。它主要用于直流调压电源以及直流电机调速控制中。图2-4给出了其原理图。
对此，提出一种节能措施，即根据电磁机构的不同状态，调整其电流值，即吸合阶段，采用大电流，保持阶段采用PWM技术调整脉冲宽度来获得较小的维持电流。从而，既可以节能还可以降低线圈的温升。
1.2.3
经过几种可行方案的比较分析，最终确定以下方案。将设计电路分成以下几大部分来设计：主电路、电压电流采样电路、控制电路、输出电路。主电路的作用是将三相工频交流电经过整流、滤波、稳压过程后变换为直流电，为控制电路提供工作电压，同时也供给直流接触器的线圈。这样就将直流接触器的交流运行方式改为直流运行方式，使其输入的工作电压改为直流电，这样就可以起到节能的作用。主电路中还包括其他的环节，如：阻容保护，主回路的过电流、过电压、过电流保护环节等。
2.1.1
三相桥式全控整流电路是由两组三相半波整流电路串联而成的，一组为共阳极接线，一组为共阴极接线，如图2-1所示。
VT1、VT3、VT5三个晶闸管由于阴极接在一块，所以称为共阴极组，VT4、VT6、VT2三个晶闸管由于阳极接在一块，所以称为共阳极组。三相桥式整流电路输出电压平均值高，脉动小，脉动频率为6fs因而易于滤波，且交流电源中不含直流分量，因而实际工程中在交大功率的可控整流领域得到广泛应用，能满足本设计中电压可调的要求，但是其需要六个脉冲触发电路，还要一个同步变压器，因而其经济成本高，且本次设计中的直流电源不仅给线圈供电而且还给接触器正常工作时的触电供电，因此次端电压因保持在220V左右，所以不用此方案，选用三相桥式不可控整流电路来实现。
第二章系统总体方案设计4
2.1整流电路方案设计4
2.1.1三相桥式可控整流电路方案4
2.1.2三相桥式不可控整流电路方案5
2.2直流斩波电路方案设计6
2.3电压电流检测电路方案设计8
2.3.1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ样电阻直接检测法8
2.3.2交流互感器检测法9
2.3.2霍尔传感器检测法10
第三章系统硬件设计及参数计算11
图2-3三相桥式不可控整流电路输出电压波形
在一个电源周期中， 为正负个120°脉宽对称的交流，不含直流分量。整流输出电压Ud由六个相同的脉波组成，脉波数m=6，其输出电压平均值为：
(2-1)
式中 为线电压有效值。
三相桥式不可控整流电路输出电压平均值高，脉动小，易于滤波，且交流电源电流中不含直流分量，输出端电压一定，因而选用此种方案作为主电路中的整流电路使用。
直流接触器是用来频繁地进行远距离通、断主回路的主要控制电器，由于它易于实现自动控制和具有一定的灭弧能力，因而被广泛应矿山、冶金、地铁、电力牵引、化工等部门的手动或自动化系统中，用来控制电动机、电热设备及电力电容器等大型电气设备的运行。
目前在我国应用较多的直流接触器有CZ0系列等。但这类直流接触器在系统消耗的有功功率中，功率因数很低，而且电磁噪声大，由于接触器本身呈感性负载，铁心损耗和铜耗占总能耗的90%以上，电网的网损难以估计。从长远的角度看,为了节能和无声控制的需要，研究接触器的节能运行方案，对于充分利用能源，延长电器使用寿命具有重要的经济和社会意义。本设计根据接触器工作原理利用数字电路实现节能控制要求。
图2-1三相桥式可控整流电路图
2.1.2
三相桥式不可控整流电路如下图所示：
图2-2三相桥式不可控整流电路图
三相交流电压依次相差120°；六个线电压依次相差60°。在第一个自然换向点处，Ua最正而Ub最负，所以在共阴极组中VD1导通，而在共阳极组中VD6导通，此时电流从a相触发流经VD1、负载、VD6到b相，同理，在随后的五个区间中，负载上得到的依次线电压Uac（VD1和VD2导通）、Uab（VD2和VD3导通）、Uba（VD3和VD4导通）、Uca（VD4和VD5导通）、Ucb（VD5和VD6导通）。其电压波形如图2-3所示。
关键词：AT89C51单片机；直流接触器；节能控制；脉冲宽度调制
Abstract
Thearticle introduces the DC contactor energy-saving control scheme and principles which based on Single ChipMicro Computer,studying the reasonof contactor power comsumption,and giving the energy-saving scheme, mainly includes the design proposal choice, the system hardware design, as well as system software design and so on.In the system,the controller isconbined logic function of SCM withcontactorwhich can be realized digital control.The functions of the system is ensured,automatically execute the subroutine of holding low power,and detect the situation of system over-voltage,owe voltage, according voltage value to adjust voil voltage real-time,reached the best energy-saving effection.
Key Words: SCM of AT89C51; DC Contactor; Energy Saver Control; Pulse -Width Modulation
目录
摘要I
AbstractII
第一章概述1
1.1技术背景1
1.2设计简介1
1.2.1主要设计内容1
1.2.2设计思想2
1.2.3拟采用的技术方案2
第二章
系统方案的选择及优化是设计的重要内容，合理简单的方案会使系统大大简化，达到性能上稳定，经济上节约的目的。本章介绍了系统各个部分模块电路的实现方法，工作原理等内容，并对各个模块的方案做出对比得到比较优化的方案。
2.1
利用半导体开关器件的通断控制，将交流电能变为直流电能称为整流，实现上述功能的电路称为整流电路，实现整流的电力半导体开关电路连同其辅助元器件和系统称为整流器。整流电路按电路中所使用的器件及控制能力的不同分为两类：不可控整流和可控整流。不可控整流电路由不可控器件（如电力二极管）组成，其输出直流电压的平均值和交流电源电压的有效值之比是恒定不变的；可控整流电路由可控整流器件（如晶闸管及其派生器件，全控型器件GTO、IGBT等组成）组成，其输出的电压、电流等参数的值是可控的。整流电路还可按交流电源相数分为单相整流、三相整流和多相整流电路，按交流电源电流的波形分为半波整流和全波整流电路。由于单相整流电路输出电压小于220V因此不能使用，此外，三相半波整流电路虽然输出电压平均值较高，且脉动较小，但由于电源电流中含有很大的直流分量，因此，在本设计中不予使用。现在有两种方案可供选择，一、三相桥式可控整流电路方案；二、三相桥式不可控整流电路方案。
3.3.3时钟电路31
3.3.4键盘电路31
3.3.5直流稳压电源电路32
3.3.6 IGBT驱动电路35
3.3.7电压电流检测电路36
3.3.8声光报警电路38
3.3.9 A/D转换电路38
第四章系统软件设计43
4.1模块化程序设计43
4.2主程序设计43
4.3吸合时间设定子程序设计45
4.4定时中断0服务程序设计47
摘
本文介绍了以AT89C51单片机为基础的CZ0—40C直流接触器节能的控制方案和原理，分析了接触器消耗电能的原因，给出了节能方案，主要包括设计方案选择、系统硬件设计、系统软件设计等内容。该设计把单片机的逻辑判断功能与接触器结合，可实现数字化控制。其功能主要表现在确保接触器吸合后，自动执行低功率吸持子程序，检测系统的过压、欠压情况，实时根据电压大小调整线圈端电压恒定，达到了最佳节能效果。
