摘要：接触器是目前使用量最大的低压电器产品，闭合时触头的弹跳和分断时产生的电弧是影响其使用寿命的主要因素。本文提出一种新的接触器触头控制方法，实现触头单独进行闭环控制。这在智能电器和控制领域是一个全新的思想。本论文对交流接触器的结构进行了研究，建立了数学模型，结合Ansoft电磁分析软件修正了气隙磁导，并且利用Simulink仿真，对该接触器的动态特性进行了研究，得出了一种全新的闭环控制方法，可有效的消除接触器闭合时的触头弹跳和分断时产生的电弧，提高了接触器的使用寿命。

关键词：接触器，闭环控制，Ansoft，Simulink

1.引言

    接触器是一种应用广泛的自动控制电器元件，主要用于频繁接通和开断交流负载电路，具有控制容量大，可远距离操作等优点[1]。由于频繁的操作，接触器必须具有足够长的使用寿命才能保证一定的使用期限。正常情况下，接触器电寿命一般为其机械寿命的1/5至1/20[2]。因而提高电寿命才是提高接触器使用寿命的关键[3]。

    本文将闭环控制系统与接触器相结合，通过速度反馈实现接触器的运动过程闭环控制。实现触头无弹跳闭合和无弧分断，提高接触器的使用寿命，闭环控制虽然有些复杂，但适应性强，可靠性高。

2.接触器结构分析

本文以E型铁芯结构为例进行分析。铁心的尺寸结构如图1所示。

图1电磁铁的结构示意图

    其中工作气隙δ最大距离是6mm，最小为0.01mm。线圈匝数为。根据接触器的尺寸结构分别列出了接触器的电路方程，吸力方程和运动方程，建立数学模型[4]。

3.气隙磁导优化

    气隙磁导是电磁力计算的一个非常重要的参数，传统方式是应用简化磁路的方法计算得出气隙磁导公式。本文应用场路结合的方法，来减小模型的误差。首先通过有限元分析软件AnsoftMaxwell仿真得出不同气隙下的气隙磁导的值，然后应用MATLAB拟合出这些值所对应的曲线与方程，然后将方程带入Simulink中，进行动态特性仿真。这样应用AnsoftMaxwell场的方法的准确性与Simulink路的方法研究运动过程的方便性相结合，大幅提高了模型和运动控制的准确性。

接触器电磁机构的Ansoft二维模型如图2所示。

图2接触器电磁机构二维模型

    上图中粉红色的部分为接触器的铁芯和衔铁，两个蓝色的矩形部分为方向相反的激磁线圈。移动上方衔铁的位置，根据Ansoft仿真计算得出不同气隙长度下的气隙磁导，观察数据分布发现，数据非常符合指数分布规律，应用MATLAB进行指数函数拟合。

最终得出拟合函数为：

4.闭环控制系统

4.1控制系统原理

    本论文提出了一种基于运动过程随动控制的智能接触器控制方法，对接触器的进行闭环控制，实现触头无弹跳合闸。控制系统原理图如图3所示。它包括驱动电路(4)、接触器(7)、速度检测(6)、单片机，其中单片机包括速度给定(1)、加减运算(2)、PID(3)、A/D转换(5)。

图3控制系统原理图

    根据控制系统硬件电路框图，该控制系统是通过单片机给驱动电路电压，经过驱动电路的放大和调理后，给接触器的线圈供电，使铁芯动作，分合闸动作开始。通过速度检测，一般都采用精度高响应速度快的速度传感器来检测铁芯的运动速度，得到实时的铁芯的运动状态。传感器将铁芯的实时运动状态通过模拟信号传给单片机。经过A/D转换，将模拟信号转换成单片机可识别的数字信号。

    速度给定存储于单片机中，这里的速度给定是根据接触器的工作气隙长度、触头系统的质量等，得出的最优的铁芯运动的速度曲线，曲线大致为：在吸合时，使触头先加速运动，到达某一位置后，开始做减速运动。使铁芯在将要闭合时，触头的速度为0，加速度还很大。在开闸时，同理。将速度给定与得到的数字信号比较，经过加减预算得出差值，经过PID调节后得出最优的输出电压。然后再经过驱动电路的放大和调理后，给线圈供电。形成闭环控制系统

    在实际速度小于给定速度曲线时，给线圈通电，使衔铁加速运动，当实际速度大于给定曲线时，在反力的作用下比如弹簧反力，使铁芯做减速运动。使铁芯的实际速度与给定的最优速度曲线相吻合。实现接触器无弹跳分合闸，消除了触头的二次弹跳，消除了断续电弧，在电流过零时刻开断，实现了无弧分断，大幅提高了接触器的使用寿命。

4.2控制系统数学模型

    本文通过Simulink软件对异步组合式接触器的控制系统进行仿真，研究其动态特性。根据式（3）（4）（5），对接触器闭环控制系统建模，图4为闭环控制系统的Simulink模型。其中Subsystem1模块为电路模型，Subsystem2为磁路模型，Subsystem3模块为限位控制模块。FF模块为施加的反力。

图4闭环控制系统的Simulink模型

Simulink的仿真结果如图5所示。

图5分合闸过程闭环控制系统仿真结果图

    从图中可以看出在释放过程中衔铁先做恒加速运动，当在0.3s时衔铁开始做减速运动，当到达闭合位置（4mm）时，衔铁速度刚好为0,也就是合闸时衔铁的动量为0，实现了无弹跳闭合，整闭合时间大约为0.48s。释放时衔铁做匀变速运动，在速度-24mm/s处转折。整个释放时间约为0.42s。从而实现了无弹跳闭合，消除了分断时产生的电弧，提高了接触器的电寿命。单相闭合时间为0.5s，释放时间为0.42s，和常规接触器相比差别不大[5]，不影响使用时的开合闸速度。

5.总结

    本文提出了一种异步组合式接触器控制方法，将闭环控制应用在了智能接触器中，探索出了实现无弹跳分合闸的新途径。应用Ansoft有限元分析软件，对异步组合式接触器的电磁系统进行分析计算，根据Ansoft的仿真计算结果，应用MATLAB数据拟合的方法，优化了气隙磁导，重新给出了气隙磁导公式，并带入仿真模型中。将运动过程的动态控制应用于接触器中，可以将影响接触器运动时间的诸多不确定因素通过速度的闭环随动控制消除。实现接触器触头运动过程的分阶段控制，消除了接触器闭合时的触头弹跳和分断时产生的电弧，进而提高接触器的电气寿命。

参考文献

[1]申潭，陈德桂，冯涛.带反馈控制的智能交流接触器.低压电器.No.2,2005:3-5,10.

[2]张连毅.交流接触器的智能化研究进展[N].上海电机学院学报,2009-3(1).

[3]刘颖异，陈德桂，纽春萍，季良.带电压反馈的智能接触器动态特性及触头弹跳的仿真与研究[J].中国电机工程学报.Vol.27No.30,2007:20-25.

[4]张冠生，陆俭国.电磁铁与自动电磁元件[M].北京：机械工业出版社，1982：55-227.

[5]卜浩民.交流接触器的现状与发展趋势[J].低压电器，2010,(6)：0001-05