基于C8051F040 的智能交流接触器设计

      摘要: 针对传统交流接触器能耗大、故障率高的问题，给出了一种智能交流接触器的实现方法。将智能结构的思想引入到了传统交流接触器系统中，采用C8051F040型单片机为控制，集数据采集、控制、故障保护、自诊断等功能于一体。实现了交流接触器运行状态的在线监测和直流运行。试验结果表明，系统成本低廉，运行状态及故障位置指示准确，保护动作可靠，完全消除了运行噪声和震动，节能达60%以上。

　　0 引言

　　交流接触器大量地应用在低压配电和自动控制领域中，是一种基本的控制电器。它使用方便、维护简单、价格低廉，然而其电磁动作机构带来到了一系列难以避免的问题，长期以来困扰着广大用户。尤其是较高的故障率和较低的使用寿命，往往造成生产中断，甚至产品报废，严重影响着工业生产的顺利进行。如何降低交流接触器的故障率和提高其使用寿命已成为当务之急。

　　计算机、微处理器、通信等技术的发展，为控制系统的智能化提供了有力支持，使得对控制系统进行在线监测和监控成为可能。本文引入智能结构的思想，将传感器、驱动器、控制器集于一体，设计出新的智能交流接触器，通过实时数据采集及数据处理，对交流接触器的运行状态进行及时判断，从而及时进行检修和维护，将故障消灭在萌芽状态，可以间接减小故障率，提高系统使用寿命。作为执行机构的触头是影响接触器质量和特性指标的关键部件，触头电参数中的接触电阻和温升是影响接触器电寿命和可靠性的直接因素。对接触器的触头温度、各相负载电流、电压及线包电压、电流等参数进行实时判断，就能准确地对系统运行状态及故障范围作出判断。

　　Kiely 等提出了一种交流接触器的电子操作方案，其原理是对接触器线圈用直流励磁，并在电磁铁动作过程中，把励磁周期分成2 段，其中T1为通电阶段，T2为停歇阶段。通过改变T2，可以改变电磁铁动铁芯的闭合速度，并达到减小触头振动的目的。采用脉冲宽度调制( Pulse WidthModulation，PWM) 控制技术，可以大大减小交流接触器的能耗，提高其使用寿命。

　　1 系统总体方案及工作原理

　　智能交流接触器将传统的交流接触器与智能仪器相结合，实现线包电压自动控制、运行状态在线自动监测、实时故障自诊断及故障准确定位。

　　其控制采用C8051F040 型单片机，通过传感器对关键参数进行实时采集，经过处理分析后再与标准数据进行对比，即可作出运行状态的判断。

　　系统原理框图如图1 所示。

图1 智能交流接触器原理框图。

　　图1 中:QF 为低压断路器，用于分断交流电源;KM 为普通交流接触器;FL 为分流器。工频电正常时，相电压为220 V，线电压为380 V。通过对负载各相电压的监测判断，即可知道系统是否处于过压、欠压及缺相运行( 如某相电压为零)，并作相应处理。共缺相，可立即封锁PWM信号，使系统停止运行并给出故障信息。共系统处于欠压状态，可以给出故障报警及显示实际电压，并不立即停止系统运行，当欠电压超过允许的范围或欠压时间超过允许的范围时再停止系统运行;通过对负载电流的监测判断，就可以知道系统是否处于过载运行，如果过载，给出报警，当过载时间超过允许的时间，即可停止系统，并给出过载故障信息;通过对触头温度及负载端电压监测即可以知道触头接触是否良好，接触电阻是否过大。

　　若检测到负载端电压低于正常值并且触头温度过高，就给出触头接触故障报警，以使工作人员在生产终止时能够进行及时检修;若系统已经发出线圈断开信号( 即封锁PWM 信号)，而依然能够检测到负载电流，说明主触头熔焊或者机械故障，应立即发出跳闸信号，切断前级低压断路器，防止产品报废，同时给出故障报警。

　　接触器线包采用直流供电，交流电经过整流后，通过降压斩波电路加到线包上，改变IGBT 驱动信号Ug的脉冲宽度，即可改变线包上的直流电压。线包电压控制电路及其波形如图2 所示。

(a) IGBT 驱动电路。

(b) 降压斩波电路原理图。

(c) 降压斩波电压波形图。

图2 线包电压控制电路及其波形。

　　2 系统硬件设计

　　系统硬件设计主要包括线包电压控制电路、触头温度检测电路，交、直流电流测量电路，交、直流电压测量电路等。

　　2. 1 C8051F040 单片机

　　C8051F040 是完全集成的混合信号片上系统型MCU。内核采用高速、流水线结构的8051 兼容的CIP － 51 内核(可达25 MIPS);64 KB 在系统编程的Flash 存储器;具有SPI、SMBus、I2C 和2 个UART 串行接口;真正12 bit、100 kS /s 的ADC 和DAC;全速、非侵入式的在系统调试接口( JTAG口)，支持观察和修改寄存器、存储器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。其工作电压为2. 7 ～ 3. 6 V，工作温度为－ 45 ～ + 85 ℃，片内资源丰富，编程简单，完全适用于工业现场。

　　2. 2 线包电压控制电路设计

　　目前，我国使用的交流接触器一般为交流吸合、交流吸持和随机分断，且线包电压有220 V 和380 V 之分。试验可知，无论是380 V 还是220 V线包，只要加上不低于160 V 的直流电压，接触器均能可靠吸合，并且不会产生1、2 次弹跳，此时只要维持吸持电压不低于直流15 V，就可以稳定地保持吸合状态。采用直流运行方式可以从根本上消除交流接触器的噪声和振动，大大降低能耗、提高使用寿命。

　　采用直流PWM 降压斩波电路可以很容易地控制加在线圈上的直流电压，其电路原理如图2(b)所示。L、R 为线包等效电路，改变功率开关管IGBT 的栅极一个周期的导通时间ton(PWM 波脉冲宽度)，即可改变加在线包上的直流平均电压U0:

　　式中E———整流装置输出直流电压

　　T———脉冲周期

　　ton———功率管一个周期的导通时间

　　PWM 信号由单片机产生，经过高速光耦隔离后驱动IGBT 工作，电路原理如图2( a) 所示。当单片机输出低电平时，光耦发光二极管导通，R2上有电流流过，场效应管VT1 关断，VT2 管导通，IGBT正偏而导通;当单片机输出高电平时，光耦发光二极管没有电流流过，R2上也没有电流流过，场效应管VT1 开通，VT3 管导通，－ 6 V 经R4加在IGBT 栅射极之间，使IGBT 迅速关断。

　　2. 3 触头温度检测电路设计

　　触头温度检测传感器采用DS18B20，它是单总线数字化智能集成温度传感器，使用中不需要任何外围元件，测温范围－ 55 ～ + 125 ℃，测量结果以9 ～ 12 bit 数字量方式串行传送。其与单片机接口电路如图3 所示，以三相接触器为例，3个DS18B20 分别测3 个触头温度。

　　当检测到的任意触头温度大于设定温度值时，即认为触点接触电阻过大，需要维护，给出故障报警。

图3 DS18B20 与微处理器接口电路。

　　2. 4 交/直流电流测量电路设计

　　主回路交流大电流测量单元用分流器、变压器和线性集成运算放大器的组合实现，其原理如图4 所示。图中:FL 为分流器，其内阻R0;T 为采样变压器，变比为K。分流器的灵敏度只有几十mV，变压器在很低的电压下运行，不可能饱和，变压器激磁电流很小。变压器负载电流i1 =Ui /R1，R1一般为几十kΩ，i1极小，变比K 很小，变压器基本处于空载运行状态，即可认为分流器FL 上的压降为变压器输入电压:

　　则变压器输出电压:

　　因此，由式(2)、(3) 得运算放大器输出电压为：

图4 交流电流测量电路。

　　运算放大器采用单电源供电，Ui正半周时运放输出为0，也就相当于实现了UAD的线性整流，使得输出可以直接进入单片机AD 口。

　　控制回路采用直流操作时，线包电流比较小，可以在回路中直接串接采样电阻Rs进行检测，直接送入AD。

　　2. 5 交/直流电压测量电路设计

　　交流电压测量时，先利用线性AC /DC 变换器，将交流电压信号转变为直流电压信号，再经AD 端口输入单片机。其中一相调理电路如图5所示。

　图5 交流电压测量电路。

　　交流相电压经过电压互感器隔离变换，经电位器RP1后采样信号变成幅值为1. 5 V 的交流正弦信号，再与1. 5 V 的直流偏置分量叠加，取R0 = R1时，则输出信号值为3 V，值为0 V的单级性脉动直流信号，满足单片机输入要求，直接由AD 端口输入单片机。

　　考虑交流电压有效值计算公式:

　　式中T———信号周期。

　　单片机采样后，系统中的信号U( n) 为离散值，计算公式如下：

　　式中u(i)———各次瞬时采样值，i = 1，2，…，nN———采样次数。

　　工频电周期为50 Hz，根据香农采样定理，选取采样频率为200 Hz，即一个工频周期采样40 个点，采用牛顿迭代法即可解出电压有效值。

　　直流电压检测比较简单，采用电阻分压即可实现。

　　3 系统软件设计

　　考虑到移植性，软件采用模块化设计方法。

　　系统软件主要有以下模块构成:主程序、初始化子程序、PWM 产生子程序、键盘中断服务程序、故障保护中断子程序、温度采集程序、AD 采集子程序、数据处理子程序及显示程序等，其中故障保护中断优先级。主程序流程如图6 所示。

图6 主程序流程图。

　　4 运行测试

　　系统在实验室对一台CJ12-250 型交流接触器进行改造试验，采用试验模拟的手段测试，相电压正常值设定为220 V，当实际电压为200 V 时(DT9205 型数字万用表测)，系统切断接触器，并给出欠压故障指示，显示电压199 V;利用水温模拟触头温度，设定值为60 ℃，当水温达到60. 5 ℃(水银温度计测) 时，系统给出声光报警，显示温度为60. 0 ℃，故障显示为“触头接触不良”;利用小电流模拟分流器电流值，额定值设为100 A，当电流达到0. 11 A时，系统给出过载报警，显示负载电流为105 A，当继续运行时间达到10 min 时，系统封锁PWM 信号，接触器断开，系统停止工作。经过多次测试，试验结果均与预期一致，试验数据与采用其他仪表测量结果一致。

　　5 结语

　　试验结果表明，系统动作可靠，能够完成对主要参数的准确采集和显示，故障定位准确，保护动作及时，实现了无声运行以及降低了能耗，可节约能耗60%以上。

　　用C8051F040 型单片机设计的新型智能交流接触器，实现了交流接触器的运行状态在线监测，为系统的检修和维护提供依据，可以使故障消灭在初级状态，减小经济损失，间接提高系统的可靠性;采用PWM 控制技术，实现了交流接触器的直流运行，从根本上消除了交流接触器运行中噪音大，能耗高的问题，增加了系统的使用寿命。

　　定位采用C8051F040 简化了外围电路，成本低廉、可靠性高，并且可用于现有在线系统的改造。稍加改动，即可具备远程监控功能，同时应用于常见控制系统时，可以省掉各类保护装置以及仪器仪表，系统具有广阔的应用范围。

  

参考文献:

[1]. C8051F040 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/C8051F040_209840.html.
[2]. DS18B20 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DS18B20_819975.html.