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乳化改性沥青设备交流接触器控制技术探讨 |
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作者：朝阳轩飞高科沥青机械公司 轩飞 |
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摘 要：从交流接触器控制技术的角度出发，分析和探讨了现阶段交流接触器产品中所采用的新技术、新方法，对人工智能技术、计算机技术、通信技术等高新技术在交流接触器产品中的进一步应用提出了看法。
关键词：交流接触器 智能化 人工智能
1 引言
交流接触器是电力拖动和自动化控制系统中不可缺少的量大面广的低压电器产品。随着科学技术的飞速发展，电力网和自动控制系统对交流接触器的要求日益提高。从而交流接触器的控制技术、检测技术、生产技术发生了根本的改变。性能优良、控制可靠的新一代交流接触器正逐渐占领接触器舞台。
2 交流接触器的传统控制技术
交流接触器在工作过程中涉及到电、磁、光、热、力、机械、材料、绝缘、电接触、可靠性等方面的原理与技术。电、磁、光、热、力、机械等能量的转换规律大多是非线性的，许多现象是一种瞬态过程，使得交流接触器的理论分析、产品设计、性能检验变得相对复杂。因此要设计制造出体积小、重量轻、寿命高、性能优良、价格合理的交流接触器不是一件容易的事。
2.1 交流接触器的工作原理分析
我国交流接触器产品主要有空气式交流接触器、真空接触器。空气式交流接触器又分为转动式接触器和直动式接触器，以及在直动式接触器基础上派生出来的切换电容器接触器。其中空气直动式交流接触器是用量最大的一种交流接触器，这类产品由60年代自行设计开发的第一代接触器CJ10到CJ20以及现阶段的新产品CJ40交流接触器，在控制原理与整体结构上均无根本改变。其工作过程可分为三个阶段：吸合阶段、吸持阶段与分断阶段。
吸合阶段是指接触器线圈从得到电到接触器触头完全闭合的整个过程。此阶段中又可分为触动阶段与吸合运动阶段。在触动阶段中，接触器线圈接通电压、电流增长到吸动电流为止的过程，此阶段吸力小于反力，衔铁尚未运动;在吸合运动阶段，吸力大于反力，衔铁开始运动，空气间隙逐渐减小，直至触头完全闭合。
我们以CJ20-100A交流接触器为样机，进行了磁系统的动态计算，得出了在吸合动作过程交流接触器电磁机构中电压、电流、位移、速度、磁链、吸力、反力等参数随时间变化的规律。
合闸相角直接影响交流接触器的整个吸合过程。不同合闸相角时，动态过程大不相同。在某些相角下会出现一次不合闸现象，这严重影响接触器的可靠性。在某些合闸相角下虽然能够可靠合闸，但是合闸速度较快，产生严重的碰撞，直接影响接触器的机械寿命。在传统的交流接触器设计过程中，必须保证接触器在所有的合闸相角下都能可靠合闸。
吸持阶段，必须保证交流接触器在单相交流电动力作用下可靠吸合。
在分断过程中，接触器触头系统产生的电弧严重影响接触器的用电寿命。虽然，由于新材料、新工艺的迅速发展给传统的接触器触头系统带来了崭新的发展空间。但是，触头闭合时产生的弹跳、触头分断时产生的电弧等问题使得交流接触器使用寿命短、操作频率低、动作时间长。
2.2 交流接触器的节能控制技术
交流接触器的电磁系统一般采用交流控制电源。目前我国生产的额定电流在100A及以上的大、中容量交流接触器，其电磁系统消耗的有功功率在十瓦至一百多瓦之间(如CJ20-630A为118瓦)。其中铁心与短路环消耗的有功功率占90%以上。
量大面广的交流接触器在工作中不仅消耗大量的电能而且产生严重噪声，影响工作环境。同时，短路环又是机械寿命的薄弱环节。交流接触器的节能无声运行，不仅可以节省电能，显著降低噪声，改善工作环境，而且可以缩小接触器体积，节约铜铁用量，大幅度降低温升，提高产品可靠性。
一些企业通过交流接触器的节能技术研究和探讨。设定了定向导通的控制线路，结构简单、价格低廉、工作可靠。
当电源电压施加于电路时，由单片机对电源电压进行判断，当电压高于吸合电压后，选定一个最佳合闸相位，导通主控元件。在较大的起动磁势下接触器线圈得电，接触器吸合。当接触器吸合后，由单片机系统关断主控元件，转入低直流电压、小电流保持电路，接触器节能、无声运行。此电路构成的节电控制器，可以与交流接触器配合使用构成节能交流接触器，也可以是一个与接触器或其他交流电磁电器配套使用的独立电器。节能效果可达93%以上。
3 交流接触器的智能化控制技术
3.1 智能交流接触器
随着智能化网络的飞速发展，发展新一代的智能交流接触器成为当务之急。专业化的公司经过大量的试验研究和理论分析，将智能化技术成功的引入交流接触器中，实现了交流接触器起动、吸持、分断过程的优化控制，以下是该接触器的控制原理。
图1 智能交流接触器控制框图
由图1可以看出，单片机系统通过控制回路1、控制回路2与控制回路3分别对主控元件1、主控元件2和续流元件进行适时控制。
(1)起动阶段控制
在起动过程中，单片机系统不断的对电源电压进行采样，并判断吸合的门槛电压，若电压高于吸合的门槛电压，再按不同的输入电压值选择相应的程序。在每个半波相应的时刻(导通相角)通过控制回路1、控制回路2，使主控元件导通，线圈在强激磁下工作。单片机系统在一定的导通时间后，通过控制回路使主控元件1和主控元件2截止，起动过程结束。
(2)闭合过程控制
在吸持阶段变压器的副边绕组的保持绕组提供一个合适的保持电压，经过续流回路使接触器线圈在直流小电流下工作。直流起动、直流保持的工作方式，大大地提高了接触器的性能指标。在整个运行过程中，单片机系统一直对电源电压进行检测，一旦发现电源电压小于释放电压，立即转入同步分断的控制程序，在一定的时间之后控制回路3关断续流元件，接触器线圈断电。
(3)分断阶段控制
在分断过程中，有的企业对接触器的触头系统进行了改进，使中间相触头的开距不同旁边两相的开距(国家专利)，中间相触头打开后，经过5ms左右后，A、C相触头才打开。通过控制中间相触头的分断时刻，可达到三相触头均在电流过零点前分断电路，实现三相电路的同步分断。
3.2智能混合式交流接触器
从70年代开始，我国的电器工作者就开始了混合式交流接触器的研究工作。在起动过程中，首先由触发电路对晶闸管发出触发信号，导通晶闸管，再选一合适的相角接通接触器主触头，即先接通晶闸管回路再接通接触器触头。在闭合工作状态时，主电路电流经过交流接触器的主触头，此时晶闸管截止;当需要接触器产生分断动作时，导通晶闸管，使电路中的电流转入晶闸管，即先分断接触器主触头，再分断晶闸管回路，实现无弧分断。
通过采用单片机控制技术，使用三个单相可控硅实现了智能混合式交流接触器的全过程优化控制。形成了一种性价比很高的新型智能混合式交流接触器。
3.3 智能化的设计技术与检测技术
随着计算机技术的飞速发展，CAD、CAE和CAM技术，使低压电器的设计与研究跨进了一个新阶段，产品开发周期大大缩短。
三维辅助设计系统集设计、制造和分析于一体。计算机辅助设计包含结构设计、实体造型、特性分析与动态显示功能。不同结构形式的电磁机构适应于不同功能的电器。CAD软件具有相应的专家模块，可以方便的根据性能要求确定电器的结构形式，合理安排激磁系统、反力系统，选择合理的触桥类型、灭弧装置等。
总之，计算机辅助设计包含了零件设计与装配直至产品总装，设计者可以直接在计算机屏幕上观察、构思、修改、研究、检查电器产品，大大缩短了产品的设计周期，提高了产品的性能指标，改善了电器工作者的劳动条件。
要发展性能优良的低压电器产品，必须要有先进的测试、检验手段。在系统设计开始就同时考虑测试问题，并同时进行可测性设计，缩短产品的开发周期。研究开发的光电电磁电器动态测试装置，将计算机技术、传感器技术、电力电子技术与电器技术结合在一起，实现了电器动态过程的实时检测。应用了软件测量技术、数据融合技术以及模糊识别技术，解决了难以直接测量特性参数的软测量、电器动态过程中的疏失误差以及电器性能的综合评估等问题。
该装置目前已应用于新型智能交流接触器的研究与开发中，对深入研究电器的实时最优控制，达到最优运行与大幅度提高其性能指标，起到了重要的作用。
3.4 通信控制功能
研制的智能交流接触器采用了RS-485总线标准，其传输数据是两条平衡导线，即输出端是双端平衡驱动器，输入端为双端差分放大器。这样，如果在传输过程中混入了共模干扰噪声信号，由于双端输入的差分作用，使干扰噪声相互抵消，增强了总线的抗干扰能力。RS-485总线的信号地不共用，双方的信号地不必接在一起，从而避免了信号的偏移。RS-485总线采用了双端平衡驱动，输入为双端差分放大，与RS-232总线相比电压信号放大倍数增加了一倍。另外，RS-485总线的通信距离可达到2km，远远超过了RS-232的通信距离。
在智能交流接触器基础上研制成功的带通信功能的新型智能交流接触器，将微处理器和计算机技术应用于交流接触器产品中，实现与中心计算机之间的双向通信，其支持网络化的功能，为智能低压电器网络系统打下了良好的基础。主控计算机即可以显示智能交流接触器的工作状态信息，又可控制交流接触器的接通和分断状态。在采用滤波器、抑制器等项技术后，带通信功能的智能交流接触器实现了在脉冲群、浪涌等恶劣电磁干扰环境中正常通信与运行，具有很好的电磁兼容能力。
4 交流接触器控制技术展望
虽然，智能交流接触器的研究工作已全面展开，但是接触器中的许多问题用简单的微处理器无法解决。在对中、小容量的交流接触器的研究中采用单片机系统对接触器的起动、保持、分断过程实现了优化控制。尤其实现了无弧、少弧分断，大大提高了接触器的电寿命，实现了交流接触器技术的重大突破。
但是，大容量交流接触器其分断电弧能量大，机构分散性大，动作不稳定，对零电压接通、同步分断(电流零点分断控制)造成极大困难而无法实现。为了解决这个难题，必须将人工智能等技术引入接触器的控制中，保证大容量交流接触器实现零电压接通、无弧或少弧分断，提高其性能指标，实现接触器控制技术的新突破。
人工智能是控制论、信息论、系统论、计算机科学、神经生理学、心理学、数学、哲学等科学相互交叉渗透的产物。其中人工神经系统、遗传算法、专家系统与模糊控制是人工智能中最常用的四种分析方法。
近年来，专用集成电路ASIC技术的飞速发展，将ADC、DAC以及运算放大器、比较器等模拟电路、微处理器、DSP等功能部件以及SRAM等大规模的存储器集成在芯片中。DSP开发工具、应用软件以及DSP平台的发展，也对电器的人工智能化起到了促进作用。
5 结语
采用模糊逻辑控制技术与电器技术相结合，研制具有模糊控制能力的多功能、高可靠性、高性能模糊智能电器必将成为今后电器发展的焦点。
专家系统不仅可用于电器制造、生产过程的管理，而且可以与电器技术结合完成优化的运行过程。遗传算法可用于函数优化、自动控制、图像识别、机器学习、规划设计等领域。
神经网络由于其适应不确定性和高度的非线性控制对象，在控制中可用于模式识别、优化计算、推理模型、故障诊断等。因此可用于电器的设计与实时信号检测、控制、保护、调节、故障诊断等。有的企业已经将神经网络应用于异步电动机的热过载保护的温升智能预测系统。
参考文献：
李景轩著《SBS改性沥青的生产与应用》人民交通出版社 2001.7修订版 (end)
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(7/9/2005) |
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