基于ARM的智能接触控制系统的硬件设计与实现
发布时间：2020-11-21 01:34
交流接触器是一种广泛运用于低压配电系统的开关控制电器。由于配电系统中需要频繁操作交流接触器,因此,交流接触器控制的可靠性关系到电力系统的安全运行。而当前制约接触器使用寿命的主要因素是合/分闸时由于触头弹跳产生的电弧带来触头侵蚀,这也是交流接触器发展的瓶颈。国内外的学者也对此方面做了大量研究工作,但多数为理论上的分析,实际产品上鲜有改进与应用。因此本文针对目前交流接触器产品中的不足,提出和设计了一款智能化交流接触器控制系统,并通过样机系统进行了实验验证。本文首先介绍了传统电磁式交流接触器的基本结构及工作原理,分析了交流接触器吸合过程中的吸/反力特性以及触头的动能变化。根据理论和数据对比分析了传统交流接触器控制方式的不足,据此,提出了能使其更加智能化的改进控制方案;采用直流激磁替代交流激磁,吸合过程在线圈两端加载高电压,吸持阶段加载低电压。根据实验情况,提出PWM(Pulse Width Modulation)脉冲宽度调制控制方法,使吸合过程中吸/反力配合更加合理,进一步优化了接触器合闸动作的动态过程:分闸阶段利用并联在触头两端的晶闸管引流,降低了分闸拉弧对触头的侵蚀,延长了接触器的使用寿命。其次结合应用场合并针对上述控制要求,设计了智能交流接触器控制系统,以ARM系列的S3C6410为核心板搭建控制系统,采用模块化的设计思想,设计符合控制功能的外围硬件电路,包括线圈驱动电路,晶闸管驱动电路,三相电压采集板,三相电流采集板,在理论分析和软硬件设计的基础上绘制了功能所需的PCB(Printed Circuit Board)电路板。最后,基于现有的德力西CDC6-400交流接触器样机控制系统平台针对本文提出的优化策略进行了实验验证。试验结果表明,本文设计的智能交流接触器控制系统能够在合闸、分闸、状态监测三个方面有效地改善接触器的动态性能。本文设计的交流接触器控制系统有一定的实际应用价值。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM572.2
【部分图文】：
（２）触头系统改造技术：本技术是在结合前一种过零分断技术的基础上，实??现三相触点均在电流过零点处分断，最大程度上减小电弧。触头改造技术示意图如??图１．１所示，它改变其中一相触头的开距，其它两相触头开距保持不变：例如，图??１．１中是Ｂ相触头的开距改变了。??文献［２３］对接触器结构进行了改造，如图１．１所示的新型触头系统，在三相工??频电力系统中，三相触头的电角度互差１２０°。如针对Ｂ相触头进行机械改造，改??变Ｂ相触头的开距，使其先于其它两相触头断开，Ａ、Ｃ两相触头在延时５ｍｓ后断??开，相电流ｉａ、１同时过零，因此该方法使三相触头均能够过零分断。因为Ｂ相触??头的电流过零断开后，三相负载对称电路变为ＡＣ两相负载串联对称电路，如图??１．２所示，Ａ相超前Ｂ相９０°，?Ｃ相滞后Ｂ相９０°，在经历四分之一个周期后，同??时过零点，而工频电的周期为２０ｍｓ，所以Ａ、Ｃ两相触头在延时５ｍｓ后可以过零??
（３）混合式开关技术：除了以上对于机械触点进行改进以外，还可以采取在??触头两端并联电力电子开关的方法［２５＿２８］，美国伊顿电气的ＤＩＬ系列接触器采用主??触头并联双向可控硅的方式，延长了机械触点的使用寿命。示意图如图１．３所示，??原ＡＢＣ三相触点两端分别并联晶闸管Ｔｕ?Ｔ２、Ｔ３，接触器稳定吸合工作的时候由??原本的机械触头承担电流，而在接触器触头分断过程中，使电力电子器件导通分流，??实现无弧分断。电力电子器件相较普通机械开关，响应速度快，寿命高，因此在实??际接触器改进中有较广泛应用。??ＡＢＣ??＼ｓ１Ｔ２￣ｉ２?＾ｓ２Ｔ３￣＾２?＼?Ｓ３??负载??图１．３混合开关技术示意图??Ｆｉｇ．?１．３?Ｈｙｂｒｉｄ?ｓｗｉｔｃｈ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ??１．２．３交流接触器节能保持技术的研究现状??传统交流接触器线圈通过交变电流时会带来磁滞损耗与涡流损耗，温升大，能??量损失多，造成不必要的浪费，另外由于交流电的工频脉动以及在每个周期存在两??个过零点，使得接触器运行过程中存在噪音过大和振动等问题。如果利用直流激磁??替代交流激磁，那么在解决上述问题的同时，还能够保持接触器分断时间的稳定，??这就对接触器的精确控制大有裨益。根据国标ＧＢ１４０４８．?４－２００规定［２９］
?的节能运行带来可能。而且根据实验结果来看，高电压吸持的释放时间要远远大于??低电压吸持释放时间。图１．４为低压直流保持控制技术示意图。??—＾降???ｓ??？２２０Ｖ／￣?Ｊ?＞?ＡＣ－ＤＣ??＞?器??３８０Ｖ?电?＃???＾路?１??图１．４低压直流保持技术示意图??Ｆｉｇ．?１．４?Ｌｏｗ?ｖｏｌｔａｇｅ?ＤＣ?ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ??在节能保持技术上，可以将永磁接触器中的永磁体运用到交流接触器上，因为??永磁体在线圈掉电后，仍然保持磁性，能够为动／静铁芯的稳定吸合提供吸力，降??低在保持阶段的线圈的电能消耗。??文献［３０－３２］都提出了用直流激磁替代交流激磁，因为交流电压会为接触器的??电磁线圈带来额外的磁滞损耗与涡流损耗，造成不必要的电能损失，直流激磁除了??避免上述问题外，还降低了交流运行时的噪声。??文献［３３］提出了一种机械锁扣方式，在动／静铁芯稳定吸合后，可以断电保持吸??持状态，但机械锁扣方式的稳定性差，难以对现有产品进行改进。??文献［３４
【参考文献】
本文编号：2892314
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM572.2
【部分图文】：
（２）触头系统改造技术：本技术是在结合前一种过零分断技术的基础上，实??现三相触点均在电流过零点处分断，最大程度上减小电弧。触头改造技术示意图如??图１．１所示，它改变其中一相触头的开距，其它两相触头开距保持不变：例如，图??１．１中是Ｂ相触头的开距改变了。??文献［２３］对接触器结构进行了改造，如图１．１所示的新型触头系统，在三相工??频电力系统中，三相触头的电角度互差１２０°。如针对Ｂ相触头进行机械改造，改??变Ｂ相触头的开距，使其先于其它两相触头断开，Ａ、Ｃ两相触头在延时５ｍｓ后断??开，相电流ｉａ、１同时过零，因此该方法使三相触头均能够过零分断。因为Ｂ相触??头的电流过零断开后，三相负载对称电路变为ＡＣ两相负载串联对称电路，如图??１．２所示，Ａ相超前Ｂ相９０°，?Ｃ相滞后Ｂ相９０°，在经历四分之一个周期后，同??时过零点，而工频电的周期为２０ｍｓ，所以Ａ、Ｃ两相触头在延时５ｍｓ后可以过零??
（３）混合式开关技术：除了以上对于机械触点进行改进以外，还可以采取在??触头两端并联电力电子开关的方法［２５＿２８］，美国伊顿电气的ＤＩＬ系列接触器采用主??触头并联双向可控硅的方式，延长了机械触点的使用寿命。示意图如图１．３所示，??原ＡＢＣ三相触点两端分别并联晶闸管Ｔｕ?Ｔ２、Ｔ３，接触器稳定吸合工作的时候由??原本的机械触头承担电流，而在接触器触头分断过程中，使电力电子器件导通分流，??实现无弧分断。电力电子器件相较普通机械开关，响应速度快，寿命高，因此在实??际接触器改进中有较广泛应用。??ＡＢＣ??＼ｓ１Ｔ２￣ｉ２?＾ｓ２Ｔ３￣＾２?＼?Ｓ３??负载??图１．３混合开关技术示意图??Ｆｉｇ．?１．３?Ｈｙｂｒｉｄ?ｓｗｉｔｃｈ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ??１．２．３交流接触器节能保持技术的研究现状??传统交流接触器线圈通过交变电流时会带来磁滞损耗与涡流损耗，温升大，能??量损失多，造成不必要的浪费，另外由于交流电的工频脉动以及在每个周期存在两??个过零点，使得接触器运行过程中存在噪音过大和振动等问题。如果利用直流激磁??替代交流激磁，那么在解决上述问题的同时，还能够保持接触器分断时间的稳定，??这就对接触器的精确控制大有裨益。根据国标ＧＢ１４０４８．?４－２００规定［２９］
?的节能运行带来可能。而且根据实验结果来看，高电压吸持的释放时间要远远大于??低电压吸持释放时间。图１．４为低压直流保持控制技术示意图。??—＾降???ｓ??？２２０Ｖ／￣?Ｊ?＞?ＡＣ－ＤＣ??＞?器??３８０Ｖ?电?＃???＾路?１??图１．４低压直流保持技术示意图??Ｆｉｇ．?１．４?Ｌｏｗ?ｖｏｌｔａｇｅ?ＤＣ?ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ??在节能保持技术上，可以将永磁接触器中的永磁体运用到交流接触器上，因为??永磁体在线圈掉电后，仍然保持磁性，能够为动／静铁芯的稳定吸合提供吸力，降??低在保持阶段的线圈的电能消耗。??文献［３０－３２］都提出了用直流激磁替代交流激磁，因为交流电压会为接触器的??电磁线圈带来额外的磁滞损耗与涡流损耗，造成不必要的电能损失，直流激磁除了??避免上述问题外，还降低了交流运行时的噪声。??文献［３３］提出了一种机械锁扣方式，在动／静铁芯稳定吸合后，可以断电保持吸??持状态，但机械锁扣方式的稳定性差，难以对现有产品进行改进。??文献［３４
【参考文献】
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6 付广宇;交流接触器电磁系统智能控制技术的研究[D];辽宁工程技术大学;2015年
7 寿鑫莉;交流接触器节能芯片ZDLX-1H的设计研究[D];浙江大学;2014年
本文编号：2892314
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