毕业设计论文具有软启动与无弧通断功能交流接触器设计

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1、密级：具有软启动和无弧通断功能交流接触器设计Design of AC Contactor with Soft-start and Non-Arc On/Off Function学 院：电气工程学院专 业 班 级：电气工程及其自动化学 号：学 生 姓 名： 指 导 教 师： （副教授）2011 年 06 月摘 要接触器是属于长期工作制的、用途最为广泛的低压电器之一。但一般的交流接触器无论是就其自身的触头灭弧系统（动、静触头及灭弧罩等），还是其在降低大电动机启动电流方面都存在常规设计所不能克服的缺点。如：交流接触器的电寿命远远低于其机械寿命，无法降低电动机大电流启动对电网电压和自身使用寿命的影响等

2、等。这些缺点不仅会浪费能源，增加不必要的自身损耗，甚至还会影响到电网中其它设备的正常使用。基于此，本文将展开了对交流接触器无弧化通断与对电动机软启动的研究。本文对目前已有的交流接触器结构及工作原理，进行了详细分析。同时就合闸、保持与分闸三个方面对交流接触器国内外发展现状及趋势，进行深入研究。在此基础上，进行了交流接触器的动态参数的测量，提出软启动与无弧通断接触器的整体方案。 该方案将利用双向可控硅与原交流接触器的主触点相并联，通过可控硅辅助回路在主回路通断时进行分流，来实现无弧通断，提高接触器的电寿命；利用单片机信号控制辅助回路上可控硅的导通角，对电动机启动进行调压，来实现电动机软启动，降低电

3、动机启动时对电网与自身的影响；利用永磁体来保持交流接触器的分合闸状态，减少能量的损耗，与触头振动。设计多种电源电路，对交流接触器的各个部分进行供电。设计主电路电压电流检测电路，通过对测得的电压电流值进行分析，证明接触器初步具有了无弧通断与电机软启动的功能。关键词：接触器；无弧通断；软启动；永磁保持；单片机AbstractContacts are part of long-term work system, one of the most widely used low-voltage electrical appliances. But in general AC contacts, whet

4、her on its own contact arc-system (dynamic, static contact and the arc chute, etc.) or in terms of reducing the large motor starting current aspects of conventional design can not overcome the existing shortcomings. For example, AC contactor life is in far less than its mechanical life cannot reduce

5、 the motor starting current influence on power system voltage and their own life, and so on. These shortcomings will not only waste energy, adding unnecessary equipment loss, or even affect the normal use of devices. Based on these, the article will expand to the study of non-ARC AC contactor and mo

6、tor soft-start. In the article currently carry out a detailed analysis of the structure and working principle of AC contactor. At the same time in-depth study the status and development trend of domestic and foreign on the closing, maintaining, and sub-gate-three aspects of the AC contactors. On thi

7、s basis, measure dynamic parameters of AC contactors, make of soft starter and no-arc contactors as a whole program. The program will use TRIAC with the original contactors main contacts in parallel, by SCR secondary circuit in the primary circuit-break, and to achieve non-ARC-break, improving the e

8、lectrical life of contactors; Using single-chip signal control on the SCR conduction angle of the secondary circuit, the motor starting voltage to achieve motor soft-start, reduce motor starting on power system and its effects; Keep AC contactor with permanent magnet to closed, reducing energy loss,

9、 and contact vibration.Design a variety of power supply circuits used to supply power to parts of the AC contactor. Design of main circuit of voltage and current detection circuit, through the analysis of measured voltage and current values, prove that contactors Preliminarily has the non-arc on/off

10、 and motor soft-start function.Keywords: contacts; non-arc on/off; soft-start; permanent magnet to maintain; SCM 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究背景、目的及意义11.2 课题国内外研究现状及趋势11.2.1 合闸控制技术发展现状21.2.2 节能保持技术发展现状61.2.3 分闸控制技术发展现状71.2.4 其他理论技术发展现状101.3 课题主要研究内容10第2章 CJ20-100接触器动作参数测量实验112.1 引言112.2 测量实验设计112

11、.2.1 设计思想与待解决问题112.2.2 实验中问题的解决办法132.2.3 动作参数测量实验电路182.3 动作参数测量实验过程182.3.1 吸合时间测量实验过程192.3.2 释放时间测量实验过程192.4 动态参数测量实验数据20第3章 软启动无弧通断交流接触器总体设计213.1 引言213.2 研究对象简介213.2.1 接触器技术性能分析213.2.2 接触器工作原理简述223.3硬件总体设计233.4软件总体设计25第4章 软启动无弧通断交流接触器硬件设计264.1 引言264.2 系统直流供电电源设计264.2.1 芯片5V直流电源设计264.2.2 调压驱动直流电源设计2

12、74.3 分合闸执行系统设计274.3.1 分合闸执行系统设计274.3.2 分合闸保持系统设计284.4 可控硅分流调压主回路设计304.5 可控硅调压信号驱动电路设计324.6 中央控制与测量显示系统设计354.6.1 基本芯片介绍354.6.2 中央控制系统设计374.6.3 测量显示系统设计424.6.4 控制系统I/O口设计444.7 电压电流检测系统设计44第5章 结论48参 考 文 献49致谢52第1章 绪论1.1 课题研究背景、目的及意义接触器是属于长期工作制的、用途最为广泛的低压电器之一，但一般的交流接触器无论是就其自身的触头灭弧系统（动、静触头及灭弧罩等）还是其在降低大电机

13、启动电流方面都存在常规设计所不能克服的缺点1。首先，其触头在分断电路电流时，不可避免地会产生电弧。而交流接触器的电寿命之所以远远低于其机械寿命，主要就是因为分断过程中电弧的存在。在强力熄弧、无弧分断方面以往有很多研究成果，但由于可靠性、工艺等诸多原因，一直未能得以推广应用；其次，电动机的启动电流达到额定电流的57倍，将引起电网电压急剧下降，使启动转矩减小，造成启动失败，且影响其他用电设备的正常运行。同时，直接启动势必对电动机本身带来很大的冲击力，产生过热，影响使用寿命。电动机容量越大，受影响的程度越深。虽然以往在这方面也有许多探索性研究结果，同样由于可靠性、成本、方案复杂等原因，市场上成型产品

14、也不多见1。基于以上两方面的问题，毕业设计将针对触头灭弧系统和电动机的软启动控制分别提出一种简单易行、可靠性高、成本低、性能优的解决方案。以增加交流接触器的电寿命，并可以使电动机软启动，降低对电动机自身与电网中其他用电设备的影响。1.2 课题国内外研究现状及趋势具有多种附加功能（如：软启动、无弧通断等）的永磁交流接触器的主要理论包括：电器理论（接触器线圈的励磁方式、永磁铁在接触器中的使用）、电力电子理论（对接触器进行软启动功能方面的改进、对接触器进行无弧通断功能方面的改进、进行软启动无弧通断接触器控制回路的设计）、单片机技术理论（接触器软启动无弧通断触发信号的生成、检测信号的显示、接触器软启动

15、无弧通断方面的编程）。其中具有软启动和无弧通断功能的智能化交流接触器是目前复合型交流接触器的主要研究趋势，其包括合闸、保持和分闸三个部分。合闸关键技术分为交流激磁合闸，直流激磁合闸与无触点器件对电动机进行降压启动。保持关键技术分为低压直流保持和永磁保持等。分闸的关键技术有过零分断技术、无触点器件分流调压技术及主触头系统改进技术等2。1.2.1 合闸控制技术发展现状(1) 交流励磁技术的发展现状交流激磁指励磁线圈加交流电压3。交流激磁智能合闸操作原理是通过控制功率晶体管定时、定相导通线圈激磁电压，其原理图如图1-1所示。图1-1 交流智能合闸原理图福州大学最早通过试验，得出合闸相角不同，铁芯闭合

16、末速度不同，触点振动情况不同的结论。触头回跳产生的断续电弧造成触头侵蚀，因而必须寻找合适的合闸相角以减小触头的回跳，从而延长接触器电寿命4,5。传统的方法是通过实验得到不同电压、不同合闸相角下的触头振动波形，通过观察法检测回跳情况从而寻找出最佳合闸相角。并通过分析与电寿命、机械寿命和接通能力最密切相关的各参量，并组成模糊综合评判的评判因素集合，利用模糊综合评判的方法，设计出最佳合闸相角6。CAD技术的发展为触头闭合动态全过程的分析提供了虚拟分析途径。西安交通大学、河北工业大学都采用了基于ANSYS软件的虚拟样机技术仿真接触器动态闭合全过程，并通过分析计算得到铁心速度、触头速度等影响触头振动的参

17、量。前者以铁心速度为判据，后者以基于Game的多目标优化算法得到最佳合闸相角7,8。最佳合闸相角确定后，在控制的实现方面，引入了反馈技术。智能化的接触器能实时检测接触器操作线圈两端的电压，故在不同的电网电压下，吸合过程的动态吸力特性都可以和接触器的反力特性很好地配合，能明显减少触头振动，提高接触器的机械寿命和电寿命9。日本富士电机公司设计的NewSC系列接触器，采用专用集成电路构成超级电磁系统，控制接触器智能通断。法国TE公司生产的LC-1F系列交流接触器，采用交-直双线圈驱动10,11。(2) 直流激磁技术发展现状直流激磁启动指激磁电压由交流电压改为直流电压。通过实验分析，针对某一型号交流接

18、触器，只要加上不低于某一预定值的直流电压，接触器就能可靠吸合，并且一、二次弹跳明显减弱12。同时直流激磁不产生交流激磁的合闸相角问题，并且易于控制激磁能量。合闸时可以控制供电电压的导通时间或大小，以改变激磁能量，从而改变合闸瞬间的触头速度，减少触头振动时间，达到吸反力特性最佳配合。在直流激磁方面，国外研究者做了大量工作。西英格兰大学T.S.Davies与H.Nouri将电磁系统改用直流激磁，对线圈的激磁采用如图1-2的控制时序。智能系统根据线圈电流反馈，自动调节激磁时间、，从而改变线圈激磁能量，致使接触器主触头闭合瞬间速度最小，触头振动时间最短13。 图1-2 合闸电压控制在产品方面，德国 K

19、lockner-Moeller（金钟-穆勒）公司设计的DILM185-820 系列交流接触器是这方面的代表。图1-3为DIL M185-820系列接触器结构分解图。 图1-3 DIL M185-820系列交流接触器结构图该系列交流接触器的电磁线圈由一脉冲整流电压供电，按照存储在微处理器中的吸反力特性最佳配合曲线来调节线圈电流。在吸合阶段输入宽脉冲电压，使主触头安全可靠地吸合，且回跳时间只有 1.5ms左右，降低了触头电磨损，节省了大量的触头材料，提高了接触器电寿命。在保持阶段输入窄脉冲电压，在保持触头闭合条件下节能运行14,15。图1-4 合闸电压控制美国Westinghouse（西屋）公司的

20、Advantage系列接触器，装有带单片机的电子线路板(SURE)。利用能量平衡原理，通过监测线圈电流的变化选取最佳动态特性曲线，使闭合过程中线圈消耗功率最小，闭合后使线圈功率迅速下降，使闭合速度几乎为零，减少了触头的二次弹跳16。图1-5 最小电压激磁方式近年来国内研究者也开展了大量的研究工作。福州大学提出如图 1-4 的直流脉动电压激磁的控制理论。通过实验得出不同电压下的最佳延时时间参数、，存储在微处理器系统里，接触器可根据不同的电网电压自行确定最佳运行参数17。西安交通大学则提出最小吸合电压理论。电网电压在 85%110% 额定线圈电压值波动时，保持线圈电压不变，且吸力特性仅稍高于反力特

21、性9。其线圈供电电压如图 1-5 所示。(3) 软启动技术的发展现状按照工作原理的学科领域进行划分，目前国内外常用的软启动技术主要可分为18：机械类软启动技术：主要通过改变机械系统的工作原理来实现软启动功能，而不依赖于电动机本身的特性。例如：液力偶合器软启动、液体黏性软启动、磁粉制动软启动、低速大转矩液压马达软启动等。电机类软启动技术：通过改变电动机的结构或改变电源特性。使得电动机获得良好的软启动特性，而不依赖于机械系统的工作原理。例如：软启动器软启动、大功率变频调速软启动、直流电动机软启动以及开关磁阻电动机软启动等。机电结合类软启动技术：软启动功能的实现同时依赖于机械系统的工作原理和电动机的

22、工作特性。例如双电动机差动软启动等。电动机软起动技术也在与时俱进地不断发展，随着电力电子器件技术的发展 ,电动机的软起动有几个值得重视的分支：磁控软起动、SCR软起动、液阻软起动，其中以 SCR软起动应用最为广泛。为便于控制，软启动器、开关及控制电路可以设计成一个完整的电机控制中心，以实现对电机的综合控制及对故障的记录与报警，可实现控制集成化；软启动器与可编程序控制器(PLC)组合后，使控制系统的更为方便灵活及可靠，可实现控制的数字化；与计算机网络技术相结合可实现控制的智能化和网络化。将软启动技术引入到接触器中来，将会是电气设备多功能方面的进一步尝试。1.2.2 节能保持技术发展现状线圈通交流

23、电时，铁芯产生涡流和磁滞损耗。交流电产生的电磁吸力以两倍工频脉动，出现反力大于吸力的情况，铁芯振动产生噪音并加快触头磨损16。试验研究表明，在接触器可靠吸合后，只要维持保持电压不低于某直流值，就可以稳定地保持吸合状态。在运行过程中采用降压直流智能控制，可以减少接触器所消耗的功率，大幅度节能降噪。在直流吸持下断开接触器，释放时间基本稳定，有利于提高智能分断的控制精度。图 1-6 为降压直流保持操作原理图。图1-6 降压直流保持操作原理图近年来剩磁原理亦应用于接触器的分合闸保持。永磁结构具有断电自保持功能，为接触器的分合闸保持提供了更为环保、节能的途径。1.2.3 分闸控制技术发展现状(1) 灭弧

24、理论技术的发展现状现阶段，电弧电接触是国内外研究的一个热点问题，就如何提高接触器的灭弧能力，国内外学者从不同的角度进行了研究：是研究不同材料的特性, 寻找更好的触头材料，提高触头的耐磨耐烧蚀能力。是研究新型的灭弧结构，如采用永磁灭弧罩等，提高灭弧效率。是研究交流接触器通断时选相合闸的问题，选择更合适的闭合和断开相角，降低电弧的影响。是研究混合式接触器，最大限度地减少电弧的危害。是研究限流方法减小电弧的影响。(2) 过零分断技术确定分断过程何时发生的唯一原则就是在时间允许的前提下使电弧总能量最小。对于三相电磁电路来说，如果分断过程发生在某一相电流过零时刻，此时三相电弧的总能量应该为最小，即过零分

25、断技术。但是由于过零检测实现难度大，该技术的实际应用难度较大19。(3) 无触点分流调压技术在无弧通断方面，研究新型混合式接触器。将电力电子器件应用于接触器领域，在触头灭弧系统采用电力电子器件双向可控硅与接触器触头并联，通过一定的控制电路使电路的接通与分断均实现无弧通断，其原理图如图 1-7 所图1-7 无弧分断原理图示。运行期间由机械触头承担电流，在分断过程中，由电力电子器件承担分断电流。这种新方法不仅提高了分断能力，而且减少了接触器开断电路时触头的电磨损，大大提高了交流接触器的电寿命。同时，因其实现了无弧分断功能，在石化、矿井等易燃易爆场合也可获得广泛应用。根据该原理，德国Klockner

26、-Moeller设计的DIL系列混合交流接触器，采用主触头并联双向晶闸管。其电寿命已达到了300万次，比一般的接触器提高了2-3倍14,20。晶闸管的控制电路可以是独立电子元器件组成的电子延时电路，也可以是由槽隙式光耦和与触头联动的挡光槽片组成的过零触发电路21，也可以是单片机系统，这是目前普遍采用的技术。但是由于电力电子器件抗浪涌能力差，导通时本身存在压降，功率大，而且电源与负载没有明显的断点，不能实现完全隔离。因而新思路是采用新材料以承担分断电流，河北工业大学尝试采用PTC新材料22。(4) 触头系统改造技术对主触头系统的改造可以提高主触头电寿命。加装速断励磁机构，提高分断速度；或者改变触

27、头结构，使之具有不同的开距，配合过零分断技术，通过实验找出首开相的最佳分断控制区域。图1-8是混合交流接触器的原理图。 随着微处理器集成度及其性价比的提高，单片机被广泛应用于接触器的智能控制。单片机通过检测执行信号，自动适时导通晶闸管分流，一定延时后自动关断电力电子器件，实现无弧分断。为了降低成本及发挥单片机系统的优势，可以通过检测三相电流，实现首开相过零分断。首开相分断后，其余两相电流方向相反，可以只用两个单向晶闸管实现无弧分断17,23。同时改造触头开距，使首开相分断时，其余两相电流很小。基于这个原理还设计了组合式交流接触器，即首开相B相与A、C相分开，分别用单极和两极接触器代替，实现三相

28、电流同时过零分断24-26。图1-8 混合交流接触器原理图1.2.4 其他理论技术发展现状由于过零分断难于控制，混合设计成本较高，国外开展了机遇分断过程电弧理论的研究，以提高触头电寿命。B.Capp提出了电弧电子电位模型理论，该理论指出如能保持触头间开距为 0.1mm，则两电极从电弧中接受相等的能量，因而获得触头最小侵蚀。H.Nouri设计的电磁系统由一电子线路供电，在电源第一半波中以小电流激磁，让可动部件有一近乎常值的速度10mm/s，则第一半波结束时，触头开距仅为0.1mm。第一半波后，改为大电流激磁，触头快速分断。目前该技术的应用仅限于小容量交流接触器27,28。利用在分断过程的金属相和

29、气相电弧两种过程中，触头材料在阳极阴极转移方向相反的现象，J.Swingler和J.C.McBride通过控制分闸相角和燃弧延续时间，可实现触头材料的零磨损。H.Nouri研究了不同材料在不同分断相角下得触头侵蚀情况29。1.3 课题主要研究内容(1) 采用电力电子器件与原交流接触器的机械触点相结合，实现对主回路的分压分流功能;(2) 通过单片机控制，实现对交流接触器吸合闸执行系统与分流分压电力电子器件的导通时间的智能控制；(3) 通过测量主回路电流与电动机电压，验证是否实现对交流CJ20-100接触器的无弧通断功能与对电动机的软启动功能。第2章 CJ20-100接触器动作参数测量实验2.1

30、引言本次实验目的在于测量CJ20-100接触器的吸合时间与释放时间。它们的物理含义是：接触器的吸合时间：从接触器线圈通电到接触器主触点闭合的时间。接触器的释放时间：从接触器线圈断电到接触器主触点分开的时间。本章将通过应用电子电器方面的相关知识，设计简易测量电路，对接触器的吸合时间与分断时间进行分别测量。2.2 测量实验设计2.2.1 设计思想与待解决问题(1) 吸合时间测量的设计思想与待解决的问题接触器的主触点闭合时，相当于一根短路的导线，并且接触器的主触点闭合的时刻即是接触器吸合时间结束的时刻。所以，我们要想办法让计时设备在短路的情况下停止计时。由于计时设备是在短路的情况下进行计时的，并且接

31、触器线圈得电的时刻，即是接触器吸合时间的开始时刻。所以，我们要让接触器线圈得电的同时，计时设备也处于短路状态。(2) 释放时间测量的设计思想与待解决的问题接触器的主触点断开时，相当于断路的情况，并且接触器的主触点断开的时刻即是接触器释放时间结束的时刻。所以，我们要想办法让计时设备在断路的情况下停止计时。由于计时设备是在断路的情况下进行计时的，并且接触器线圈失电的时刻，即是接触器释放时间的开始时刻。所以，我们要让接触器线圈失电的同时，计时设备也处于断路状态。(3) 实验数据获取数据的记录：无论是日常生活，还是生产和科学实验，经常要面对一些数据。当把这些数据记录下来，或进行整理时，首先遇到的问题就

32、是该用几位数字来表示这些数据。有些人认为小数点后面的位数越多，数据越精确，因此不厌其烦地把所有的数字都记录下来。可是，当进一步整理这些数据的时候，会发现记录小数点后面一些毫无价值的数字不仅浪费了宝贵的时间，也给后面的数据处理带来了麻烦。在这里提出了一个问题，实验中该记录多少位数字，或者说数据的有效位数该如何确定。对实验已记录数据的处理：在传统对实验数据进行处理时，会遇到舍入处理，进而引入“四舍五入”法。引入“四舍五入”法，是期望在大量的数据舍入处理中，由舍和入产生的误差可以相互抵消。如：舍弃位第一位为1舍去1，不进位，把它看作-1；而把舍弃位第一位为9的进位，把它看作1，这样，9与1，8与2，

33、7与3，6与4经过四舍五入之后，分别看作1与-1，2与-2，3与-3，4与-4。在大量数据中，可以认为这些数据舍入误差出现的几率相等，因而在大量数据处理中是可以相互抵消的。但是可以看出，“四舍五入”法中，当舍弃位第一位是5时，其舍入误差是5,此误差无法抵消。这就是古典的“四舍五入”法的弊端。误差分析： 一般实验中的误差可以分为以下三类： 系统误差：指测定中某种未发现或未确认的因素引起的误差。这种误差的特点是具有方向性和重现性，即测定结果中偏大或偏小，其大小和符号在同一实验中完全相同。这种误差一般由于所用仪器没有经过校准，或观测环境（如温度、压力和湿度等）的变化，观测者的某种习惯等造成。过失误差

34、：由于观测者粗心大意、操作失误造成的明显与实验结果不符的误差。这种误差又称为粗差。比如，观测者读错仪器表示的数字，对于要求清零的仪器测试前忘记清零，以及记录和计算错误造成的误差。这种误差的特点是误差没有规律，没有系统误差所表现出的方向性和重现性。偶然误差：在测量中消除了系统误差的一切因素，同时消除了测量人员粗心大意造成过失误差的可能性，在所测得的数据最后一位或两位数字仍然有差别。对于具体的一次测量，其误差可大可小、可正可负，但是如果进行大量测试，就会发现其平均值趋于零。这种误差称为偶然误差。偶然误差完全由概率决定，服从统计定律，符合正态分布，可以运用概率理论进行处理。由于实验较为简易，实验中测

35、得的接触器器吸合与释放时间的准确性会较低。所以，我们要试图降低这个不确定性。2.2.2 实验中问题的解决办法(1) 吸合时间测量实验中问题的解决由于我们需要在接触器线圈的得电的同时，开始计时。在接触器的主触点闭合的同时，停止计时。并且接触器吸合与释放时间都是毫秒级的，所以需要用到数字毫秒计。一般的数字毫秒计如图2-1所示。其中，图2-1 数字式毫秒计为数码管显示屏：用来显示测得的时间。为手动复位按钮：用来在手动的状态下对数字毫秒计清零。为手动状态与自动状态转换按钮：用来进行对数字毫秒计手动清零方式与自动清零方的转换。为延时复位旋钮：用来调节数字毫秒计在自动清零状态下保持记录数值的时间长短。为指

36、示灯：用来显示数字毫秒计的工作状态。为机控与光控转换按钮：用来对数字毫秒计计时条件进行转换。（机控指用机械接触开关的通断来控制计时的“计”和“停”;光控指利用光的被遮与否来控制毫秒计的计时动作）。为AB转换按钮：在光控状态下，用来对连续遮光计时状态，与两次遮光间隔计时状态之间进行转换。在机控状态下，用来对短路计时状态与断路计时状态之间进行转换。开关按钮：控制数字毫秒计的开和关。量程选择按钮：用来调整数字毫秒计的测量范围与精度。数字毫秒计是用数码管显示时间数字的一种精确计时仪器（数字毫秒计的面板示意图如图2-2所示），这种仪器的显著特点是能够测量很短的时间。一般的数字毫秒计可以测量的最小时间间隔

37、为0.1ms，最大量程为99999s。图2-2 数字毫秒计的面板示意图虽然数字毫秒计的种类很多，但工作原理基本相同。它是利用石英晶体振荡器所产生的10kHz的电脉冲（即每秒内准确产生一万个脉冲，每个脉冲相隔的时间为0.1ms）在开始计数和停止计数的时间间隔内推动计数器计数，1个脉冲计一个数字。通过计数器所计的数字可以知道从“计”到“停”这段时间的长短，并用数码管直接显示出来。因此，在吸合时间测量实验中要将数字毫秒计转为机控短路计时状态。并图2-3 双刀开关使接触器线圈得电的同时，让数字毫秒计的输入1端口短路即可（可以使用如图2-3所示的双刀开关对两个回路进行同步控制来实现）。(2) 释放时间测

38、量实验中问题的解决由于需要在接触器线圈的失电的同时，开始计时。在接触器的主触点打开的同时，停止计时。所以，只需要将数字毫秒计设置在机械控制状态，断路开始计时与停止计时的档位上即可。(3) 实验数据的处理数据的记录：其实，数字的有效位数受测量仪表和测量者的感官功能限制。如果记录数字的位数低于这种限制，可能会失去一些有价值的信息。反之，如果高于这种限制，数字所表现出来的精度则是虚假精度。确定有效位数的正确做法是所取位数除末一位数字为测量时的可疑数或估计数外，其余各位数字都是准确可靠的。通常末一位可疑数字上下可以有一个单位的误差。这样的数字称为有效数字。对实验已记录数据的处理：其实，只要让5自己相互

39、抵消，这个问题就可以解决。如果我们在使用“四舍五入”法时，人为地将舍弃位第一位是5的舍入误差分为两半，一半舍去，而另一半进入，就可以在大量数据处理中使当舍弃位第一位是5时的舍入误差相抵消。我国科学技术委员会正式颁布了数学修约规则，通称为“四舍六入五单双”法则30。概括说明如下：四舍六入五考虑，五后非零必进一。五后皆零视奇偶，五前为偶应舍去，五前为奇则进一。 这一法则的具体运用分述如下：若被舍弃的第一位数字小于5，则其前一位保持不变。如，28.2345只取三位有效数字时，其被舍弃的第一位数字为3，小于5，则有效数字应为28.2。若被舍弃的第一位数字大于5，则其前一位数字加1。如，28.2645只

40、取三位有效数字时，其被舍弃的第一位数字是6，大于5, 则有效数字应为28.3。若被舍弃的第一位数字等于5，而其后数字全部为零，则视被保留的末位数字为奇数还是偶数而定进或舍。奇数时进一，偶数时舍。如，28.350及28.250，只取三位有效数字时，则分别为28.4及28.2。若被舍弃的第一位数字等于5，而其后面的数字并非全部为零，则进一。如，28.2501,只取三位有效数字时，则进一，成为28.3。若被舍弃的数字包括几位数字时，不得对该数字进行连续的进位或舍弃，而应根据以上各条作一次处理。如，2.1545446，只取三位有效数字时，应为2.15。如果从最后一位对该数字进行连续的处理，则可得到2.

41、16，后者是不容许的。整数的修约也应遵照上述法则。如，23438,只取三位有效数字时，则应为23400或2.34104。误差分析：系统误差：我们可以根据实验设备给出的修正值修正。过失误差：在处理实验数据的时候，我们常常会遇到个别数据偏离预期或大量统计数据结果的情况，如果我们把这些数据和正常数据放在一起进行统计，可能会影响实验结果的正确性，如果把这些数据简单地剔除，又可能忽略了重要的实验信息。这里重要的问题是如何判断异常数据，然后将其剔除。判断和剔除异常数据是数据处理中的一项重要任务，目前的一些方法还不是十分完善，有待进一步研究和探索。目前人们对异常数据的判别与剔除主要采用物理判别法和统计判别法

42、两种方法。所谓物理判别法就是根据人们对客观事物已有的认识，判别由于外界干扰、人为误差等原因造成实测数据偏离正常结果，在实验过程中随时判断，随时剔除。统计判别法是给定一个置信概率，并确定一个置信限，凡超过此限的误差，就认为它不属于随机误差范围，将其视为异常数据剔除。我们用拉依达准则对实验数据进行剔除，其准则如下：如果实验数据的总体x是服从正态分布的，则 (2-1)式中，与分别表示正态分布的数学期望和标准差。此时，在实验数据中出现大于3或小于-3数据的概率是很小的。因此，根据上式对于大于3或小于-3的实验数据作为异常数据，予以剔除。 具体计算方法如下： 对于实验数据x1, x2, x3,，xn，先

43、计算其均值 (2-2)再计算残差 (2-3)其中i=1,2,3,n则标准差 (2-4)如果某个测量值 的残差满足 (2-5)则认为为异常数据，予以剔除。拉依达准则是最常用的异常数据判定与剔除准则。偶然误差：由于单一实验会产生较大的误差，我们可以做多次实验，多次实验的数据结果会呈现正态分布的情况。所以，可以对实验得到的多次结果取均值来降低误差。在求均值时，用到以下两种方法：算术平均值：算术平均值是全部数据的代数和除以样本量N，一般用表示。这种方法最简单，也是实际计算中最常用的实验数据的特征参数。其数学表达式为： (2-6)均方根均值：均方根均值简称均方根值，在统计学中广泛使用。其定义式如下： (

44、2-7)2.2.3 动作参数测量实验电路经过对实验目的分析，设计出如图2-4所示的接触器动态参数测量实验电路的示意图。2.3 动作参数测量实验过程首先，将CJ20-100交流接触器的线圈与主触点如图2-4所示接入实验测量电路中。接好电源，准备实验。2.3.1 吸合时间测量实验过程接触器吸合时间测量实验：（吸合时间：从接触器线圈通电到接触器主触点图2-4 CJ20-100动作参数测量实验电路闭合的时间）调整数字式毫秒计为输入端点为短路时记录时间，SB双刀开关和KM开关为打开状态。闭合双刀开关SB，使接触器线圈通电并使图中数字式毫秒计输入1端点短路，毫秒计开始计时。当经过一段时间接触器KM触点闭合

45、时，使数字式毫秒计右侧输入2端点短路，毫秒计停止计时。这时，毫秒计所显示的时间就是接触器的吸合时间。为了减少实验中的偶然误差，重复做上述实验，得到10组吸合时间的数据，并记录下来。2.3.2 释放时间测量实验过程释放时间测量实验：（释放时间：从接触器线圈断电到接触器主触点分开的时间）调整数字式毫秒计为输入端点为断路时记录时间，SB双刀开关和KM开关为闭合状态。打开双刀开关SB，使接触器线圈断电并使图中数字式毫秒计输入1端点断路，毫秒计开始计时。当经过一段时间接触器KM触点断开时，使数字式毫秒计输入2端点断路，毫秒计停止计时。这时，毫秒计所显示的时间就是接触器的释放时间。同样的为了减少实验中的偶

46、然误差，重复做上述实验，得到10组释放时间的数据，并记录下来。2.4 动态参数测量实验数据经过对实验数据的修正和整理，得到如表2-1所示的数据。表2-1 动作时间和释放时间测量实验数据12345678910平均吸合时间(ms)14.615.214.714.815.314.715.115.115.215.315释放时间(ms)9.79.910.210.110.49.89.810.39.510.39第3章 软启动无弧通断交流接触器总体设计3.1 引言交流接触器的电磁系统在吸合过程中，线圈通过交流电时，其吸合特性具有很大的分散性，即吸合时间和触头振动时间波动很大。而触头的回跳引起的断续电弧是影响交流

47、接触器电寿命的主要因素，特别是在AC-4 使用类别下，触头在额定电压下要接通6倍电机额定电流的电流。研究表明，以一定的合闸相角激磁电磁线圈，触头的振动可以较好地得到控制，存在的问题是：一是过零检测及合闸相角确定的高精度要求加大了合闸执行系统的设计难度；二是电网的波动要求高精度、低相移的传感器实时跟踪电压信号，增加了设计成本。交流接触器在交流保持运行阶段，由于交流电工频变化，导致吸力出现 50Hz脉动，不仅产生噪声还浪费大量的电能。3.2 研究对象简介接触器主要用作频繁地接通或分断交、直流主电路，其主要控制对象是电动机，也可以用于控制其他电力负载，如：电热器、电焊机、电容器和照明等。接触器的触头

48、系统可以用电磁铁、永磁体、压缩空气或液压等来驱动，相应地接触器分为电磁接触器、永磁接触器、气动接触器与液压接触器等。CJ20系列交流接触器，主要用于交流50Hz额定工作电压至 660V，额定工作电流至630A的电路中，供远距离接通和分断电路之用，并可与适当的热过载继电器组合，以保护可能发生操作过负载的电路。本接触器符合IEC60947-4-1、GB14048.4标准。3.2.1 接触器技术性能分析本文研究的 CJ20-100为交流接触器，接触器的主要参数如表3-1所示。CJ20-100交流接触器的额定电流为100A，线圈额定控制电源电压Us为交流(50Hz)380V。其动作特性是吸合电压85%

49、-110%，释放电压为20%-75%。接触器对其可靠工作的环境范围做了如下规定：(1) 周围空气温度：为-5到+40，24小时内其平均值不超过+35。(2) 海拔高度：不超过2000m。(3) 大气条件：最高温度+40时，空气的相对湿度不超过50%。在较低温 度下可以允许有较高的相对湿度。例如：20时达90%。对由于温度变化偶尔产生的凝露应采取特殊的措施。(4) 污染等级：3级。(5) 安装类别：类。(6) 安装条件：安装面与垂直面倾斜度不大于5度。(7) 冲击振动：安装和使用在无显著摇动、冲击和振动的地方。表3-1 CJ20-100接触器主要参数和性能指标CJ20-100接触器主要参数和性能

50、指标接触器型号CJ20-100额定绝缘电压Ui（V）690约定自由空气发热电流Ith(A)125AC-4 使用类别下可控制的三相鼠笼型电动机的最大功率（kW）220V380V660V285050每小时操作循环次数（次/h）1200机械寿命（万次）1000电寿命（万次）120线圈功率起动/保持（VA/VA）570/613.2.2 接触器工作原理简述交流接触器的动作原理是通过套在磁轭（或铁芯）上的电磁线圈通过电流产生磁势吸引活动的衔铁，直接或通过杠杆传动使动触头与静触头接触，接通电路。线圈失电后，靠弹簧的反力使动触头恢复原位，从而分断电路。如图3-1所示，接触器一般都具有下列组成部分：1电磁系统，

51、2动静触头及灭弧系统，3释放弹簧，4联锁触头，5支座与底座等。图3-1 交流接触器结构简图接触器必须根据外界输入信号（通过线圈）动作电磁铁，与衔铁连在一起的触头支架带动动触头向静触头处移动，于是动静触头接触，主电路接通。在这过程的同时，一方面释放弹簧受压缩，另一方面联锁触头被分开，控制回路断开。这就是具有常开触头和常闭联锁触头的接触器动作原理。合闸过程（即接触过程）是电磁铁被激磁产生的电磁力大于释放弹簧的机械反向力而完成接通任务，分闸过程（即断开过程）是电磁铁失掉激磁后只有剩磁力并且小于释放弹簧的机械反向力，所以衔铁恢复原位，完成触头断开任务。3.3硬件总体设计具有软启动与无弧通断功能交流接触

52、器由中央控制系统、电源系统、测量显示系统、分合闸执行系统、电压电流检测系统、可控硅分流调压主回路和可控硅调压信号驱动电路组成。如图3-2所示，为具有软启动与无弧通断功能交流接触器硬件原理图。中央控制系统发出分合闸指令，控制可控硅及分合闸执行系统的通断，实现交流接触器智能软启动与无弧通断。电压电流检测系统将检测来的电压电流信号输送给中央控制系统处理，再通过测量显示系统显示。直流电源取的220V电源，经 AC-DC 变换得到系统所需的电源。为了让接触器稳定保持在吸合状态，并且减少功率损耗，引入永磁体代替通电线圈进行吸合后的保持工作。试验研究表明，在接触器可靠吸合后，只要选择合适的永磁体替代电磁铁，

53、接触器就可以稳定地保持吸合状态。在运行过程中采用采用永磁保持技术可以减少接触器所消耗的功率，大幅度节能降噪。图3-2 具有软启动与无弧通断功能交流接触器硬件原理图3.4软件总体设计控制系统的软件是控制的精髓，在判断正确的情况下按照要求给出控制信号，完成交流接触器的智能无弧操作。其控制流程图如图3-3所示，分合闸启动/停止信号实现了互锁，防止了误操作。图3-3 中央控制系统软件流程图第4章 软启动无弧通断交流接触器硬件设计4.1 引言具有软启动与无弧通断功能交流接触器包含了电源系统、分合闸执行系统、可控硅分流调压主回路、可控硅调压信号驱动电路、中央控制系统、测量显示系统和电压电流检测系统。中央控

54、制系统中的软件实现了对分合闸执行系统、可控硅分流调压主回路的控制信号。交流接触器实际运行过程中，其系统电源取自线圈激磁电源，所以需要对交流电源实现 AC-DC 变换，提供稳定的激磁回路电源和系统供电电源。采用模拟电路的分合闸执行系统，提高激磁能量控制精度。可控硅分流调压主回路采用晶闸管及其驱动电路，要求通断速度高、电压电流承受能力强。中央控制系统采用单片机，简化系统控制时序信号发生，提高控制稳定性。 4.2 系统直流供电电源设计4.2.1 芯片5V直流电源设计 5V直流电源原理图如图4-1所示。POWER端接外接电源，VCC为5V直流输出端。芯片两侧各并联一个滤波用的电容，来降低外接高频信号对

55、LM-2596的影响。在电压输出端用稳压管和反馈电路来确保输出电压的稳定。图4-1 5V直流电源原理图4.2.2 调压驱动直流电源设计如图4-2所示为24V调压驱动直流电源的原理图。阻容电路接于火线侧用于限流。根据经验公式，1F电容输出电流为 50mA。稳压管用于稳定输出电压。图4-2 24V调压驱动直流电源原理图 4.3 分合闸执行系统设计交流接触器电磁系统的操作，指控制接触器分合闸。本文提出最佳交流激磁永磁保持的方法，分合闸执行系统用于控制接触器分合闸，。4.3.1 分合闸执行系统设计对于接触器来说，最终的目的是为了保证在任何情况下，准确的发出有效的分闸信号控制接触器的分断。CJ20-10

56、0接触器采用380V/50Hz的电磁-永磁操动机构，因此必须采用大电流的电力电子器件。考虑到产品的成本，本设计采用了双向晶闸管。双向晶闸管具有体积小，开关速度快、操作方便、功耗低、寿命长等显著特点，在线性放大技术领域及各类中小功率开关电路中得到极为广泛的应用。执行单元的硬件设计原理图如图4-3所示，Ul为光偶，起到隔离作用。J5接接触器的操动机构的线圈，J6接380V电源，与双向可控硅连接成回路。R8为压敏电阻，起到保护晶闸管的作用。当AC-TS有动作信号时，通过光偶使双向晶闸管导通，操动机构的线圈与电源接通，接触器动作。图4-3 分合闸执行电路4.3.2 分合闸保持系统设计一般说来，永磁保持

57、机构可大致分为双稳态和单稳态两种形式。所谓双稳态保持机构是指在机构的两个稳态都是永磁力保持，而单稳态实际上也是两个稳态，只不过永磁力只保持一个稳态；另一个稳态由其它形式如弹簧或电磁力保持。图4-4所示的是本接触器使用的双稳态永磁保持机构结构示意图。图4-4 接触器使用的双稳态永磁保持机构结构示意图它由7个零件组成：用以提供磁通路的1静铁心、4与5两个极性相对的永磁体、用低碳钢制造的3动铁心、对外传动的7驱动杆和6合闸2分闸两个线圈。有的机构只用一个线圈，通过变换线圈中的电流方向来实现两个线圈的功能，称为单线圈机构。当线圈中没有电流通过时，永磁体的磁场通过动静铁心及其之间的气隙在A、B两端形成两

58、个回路，气隙越小的回路磁通量越大，引力也越大，从而将动铁心吸持在一端极限位置上，如图4-4中A端。此时在动铁心中只有永磁体的磁场，而这个磁场在动铁心两端的方向是相反的。当在B线圈中通以设定的电流时，B线圈的磁场在B端与永磁磁场方向相同，而在A端方向相反，此消彼长，B端的合成磁场远大于A端，动铁心在此合成磁场作用下加速向B端运动，并最终被吸持在B端。此时切断电流，动铁心依靠永磁体的磁力保持在B端极限位置。当A线圈通电时，情况与此相同，动铁心向A端运动并被保持在A端。由此可见，永磁机构是由永磁体提供合闸、分闸状态的保持力，这两个稳态不需要消耗能量，也不需要机械锁扣，电磁线圈只需提供吸合、释放动作所

59、需的能量。双稳态永磁机构接触器的反力特性如图4-5所示。比较图4-5与图4-6，永磁机构的反力特性与弹簧机构有很大不同，弹簧机构的反力是单向的，吸合时需要电磁力给弹簧储能，合闸状态需要电磁力来保图4-5 双稳态永磁机构接触器的反力特性图4-6 弹簧机构接触器的反力特性持。释放时电磁铁断电，弹簧储存的能量释放，不需要电磁力参与。永磁机构的反力方向是变化的，可以分为四个阶段，当吸合过程刚开始时总反力是阻力，电磁力需克服此力，使动铁心开始运动；当动铁心运动了一定距离后，由于永磁吸力随气隙的增加而迅速减小，总反力方向反转，成为吸合的动力；当真空管触头闭合后，真空管自闭力消失，触头弹簧开始压缩，总反力方

60、向又反转为吸合阻力；当动铁心运动到接近行程终点时，维持合闸的永磁吸力迅速增大，总反力方向再次反转，指向吸合方向。释放过程与此相似。图4-5中粗实线下方的阴影面积表示吸合时电磁力为克服反力需做的功，粗虚线下方的阴影面积表示释放时电磁力为克服反力需做的功。显然，配有永磁机构的接触器吸合时所需能量较小，而释放时则要消耗一定的电磁能量。4.4 可控硅分流调压主回路设计接触器是一种适用于远距离操作的自动控制电器, 它适合频繁地接通和断开交直流主电路及大容量控制电路，主要的控制对象是电机。其应用在现代社会十分广泛。我国年需求量大约为 1亿台套, 产值约100亿元。随着我国现代化步伐、西部大开发和振兴东北进

61、程的加快, 这一需求将会更大, 市场将会更加广阔, 同时对接触器性能的要求也会更高。由于数量巨大，在接触器的通断过程中，势必会造成大量的能量损耗，并会对接触器产生电磨损。所以，将本设计主要研究接触器的无弧通断，与控制电动机软启动方面。随着现在电力电子技术的逐渐成熟，电子元件变的物美价廉，也开始应用与接触器的设计中。在这种趋势下，形成了一种基于可控硅在接触器上应用，来达到接触器无弧通断和对电动机软启动控制的新技术图4-7 可控硅的原理图这种技术的关键是：采用电力电子器件SCN（可控硅的原理图如4-7所示）与原交流接触器的机械触点相结合，通过单片机对交流接触器分合闸执行系统与电力电子器件的智能控制，实现交流接触器的无弧通断功能和软启动功能。软启动与无弧通断接触器主回路电路图如4-8所示。图4-8 可控硅分流调压接触器主回路图4-8中交流接触器的每相触头并联一对反向并联的可控硅，接触器的固有动作参数为：吸合时间15ms，释放时问9ms。触发控制电路与接触器线圈同时得电和失电。当给接触器线圈通电时，该触发控制电路可在得电后l0 ms时给出触发信号，使3对双向可控硅瞬间导通，经过5ms后（即15ms时），接触器的3对常开触头闭合。此时，尽管仍有触发信号加在可控硅的触发端，但因接触器闭合的触头将可控硅的阴、阳极短路，可控硅处于