应用关闭相角控制技术反弹减少交流永磁接触器

文摘

提出了一种新的低成本的电子控制电路驱动器最小化的弹跳时间交流永磁(PM)接触器两接触后关闭。拟议的新执行机构克服了不可控制的跳跃问题限制电磁(EM)由以前传统的交流接触器基于最小化的动能之前,两个接触的影响。通过选择最后的线圈电压相角的目的,可移动的跳跃问题联系在关闭过程中克服。联系人然后延长使用寿命和提高他们的操作可靠性。为了验证该方法的可行性和有效性,几个仿真和实验过程进行原型下午交流接触器的实验室。实际测试结果表明,在关闭过程中跳跃的接触器的接触问题是由使用该技术。

1。介绍

接触器领域的一个重要地方电气设备;它们时使用控制和权力之间的绝缘部分是必要的。接触后反弹的过程活动接触第一次触球固定联系人可以重复几次才能达到永久的接触状态。接触器在关闭过程中跳跃现象通常是一个不受欢迎的事件(1]。尤其是接触器的使用寿命和可靠性取决于他们的联系人扩散的能力间隔过程中产生热量关闭和打开操作(2,3]。

几个关键的缺点往往在传统电磁(EM)接触器,消耗更多的能量来保持电枢,产生噪声较低的电压,其线圈容易烧由于持续的工作状态,并删除异常辍学的结果从电源线干扰电压凹陷的事件。近年来,为了克服上述缺点的常规交流电磁接触器(4),一个新的交流接触器与永久磁铁驱动器(缩写为下午交流接触器)已成功发展。它吸引了越来越多的关注,许多研究人员(5,6]。

根据碰撞的基本理论(7),它是不可能的,他们的接口可以保持在关闭状态下当两个有限的身体最初不同的速度相撞。已经开展了大量的工作为这个不良现象。然而,几乎所有研究方法强调了接触碰撞前动能移动或最小化最大化电弧热量的消散速度碰撞后(3]。压低的制作速度联系之前联系的影响,一个智能交流接触器模型能够打开在最好的结束阶段提出,有效提高其寿命8]。不久,几种方法基于智能算法被用来确定最佳闭合线圈电压的相位角不同的应用程序(9- - - - - -11]。尽管许多研究对于传统AC的contact-bounce控制电磁接触器在关闭过程已经出版,然而,很少有人注意控制关闭接触反弹与交流接触器(下午4- - - - - -6]。图1(一)显示标准的控制机制的传统交流接触器。SW是关闭时,交流电磁接触器应用于一个交流电压源和电流流过线圈。此外,图1 (b)显示了典型的系统配置的新提议下午交流接触器。注意,包括电子控制单元和与一个下午交流电压源和交流接触器线圈串联。由于强制电枢永磁力量,不仅快速转变的结果是实现在关闭过程中,而且在持有过程中能量消耗。此外,本文的目的是提出一种控制方法减少的动能可移动接触基于故意选择关闭下午交流接触器的线圈电压的相角。因此,使用寿命和操作可靠性同时希望被然后获得。

2。操作原理

2.1。数学模型

如图2,下午交流接触器的结构由三个子系统组成:电力系统、磁能量转换系统和机械系统。磁场能量转换系统包括传统的交流电磁接触器的基本原理;此外,外部永磁也安排在电枢。通常这种永磁钕铁硼永磁材料制成的;它的体积很小。减少能量损失,所有的铁核的磁路由铁磁材料。图2描述了下午交流接触器是由电子控制单元(ECU)。满意的ECU控制传动装置,两套激动人心的线圈,如合闸线圈开放线圈在一起配备了静止的e型铁芯。闭合线圈的驱动在制作过程中,同时打开线圈驱动在打破课程。

在关闭过程中,闭合线圈将由一个全波整流的交流电压源激励,等效电路如图3(一个)。由此产生的磁力强加于电枢在这个过程电磁力与永磁力量相结合。因此,过渡时间一般较短比传统交流接触器。采用基尔霍夫电压定律(在任一瞬间),下午交流接触器的等效电路,电压方程可以表示成如下所示 在哪里 :全波整流的交流正弦电压源,其频率是原来的两倍应用交流正弦电压源; :应用交流电压源的均方根值; :闭合线圈的电阻; :通过闭合线圈电流; :磁链产生闭合线圈,它可以表示为。

因为流动的流量不能改变磁路的瞬间,它必须在关闭过程中一个常数值。用连杆通量的表示到(1)和收益率 广义的电阻被认为是定义为。我们可以看到在2),接触器的电压方程简化电力系统仅仅是一个一阶微分方程。如果最初的线圈电流设置为零,这是完整的线圈电流的响应(2)可以获得列示如下: 在哪里是交流正弦激励的振幅。第一项(3)是一种瞬态部分虽然第二项是一个稳态部分。的时间常数是的阻抗是,功率因数角是,分别。很明显,线圈电流包括一个直流偏置电路时被精力充沛点以外的其他正弦波,这个指数衰减率等于直流偏置组件时间常数的电动下午交流接触器的一部分。此外,如图3 (b),将产生负的电磁力克服永磁的夹持力,当打开线圈由打破通过电容器的电压激励C。

2.2。等效磁路分析

发达的几何和等效磁路交流接触器如图4。显然,认为磁下午交流接触器的机制是对称的。因此,磁场可以那么轻易地简化电路分析。与传统的交流电磁接触器相比,一个额外的永久磁铁应安排在固定的核心命题。通过应用磁路分析技术,下午交流接触器的电磁方程可以写在下面 不愿在每一部分的磁路首先利用磁阻原理分别计算。他们表示如下: 不愿意在每一个磁路的一部分,通常是一个个人磁路的平均长度的函数。模拟电路的总电阻,总不情愿在磁路可以通过使用类似的计算过程。不久,等效电感值在线圈也可以由下面的公式推导 在哪里是绕组的线圈数。通量之间的关系,通量密度和铁芯由横截面积 在哪里和向量的大小是和,分别。

2.3。电磁力的确定

电磁力(不是磁力)是一个线圈电流和电枢位移的函数。如果衔铁位移举行一个常数,然后机械能的变化相当于零。存储磁性coenergy磁能量转换系统可以表示为(12] 在哪里是集成的哑变量。由于线圈电流和磁链之间的关系是由电磁力是存储磁性coenergy的导数。电磁力是存储磁性coenergy的导数。因此,

根据(6),事实上,无论如何安排在电枢永磁或固定铁芯磁路的影响永磁强加于电枢是接近相等。合力强加于电枢包括重力、摩擦力、磁力。图2显示安装平台的法线通常与接触器的几何中心行机制,导致重力组件,几乎不影响合力。因此,最终合力可以简化并表示如下所示 在哪里是由电磁力和永磁体的磁力强迫关闭和开放过程中,然而,这仅仅是在持有过程中包括永磁的夹持力。antiforce只代表了春天。管理衔铁的运动方程可以直接从牛顿运动定律制定如下所示 在哪里电枢的质量。基于功能定理在物理7),由此产生的机械工作由电枢可以提出如下: 电枢的初始速度是零由于电枢是固定在开启位置,电枢的最终动能或可移动的联系人吗是完全由电枢的最终速度吗前两个接触的影响。

3所示。触点闭合理论分析反弹

由牛顿第三定律,改变率系统的动量变化比例与合力强加给系统和在这个力的方向。它遵循动量向量变化的系统,在任何时间间隔,等于在大小和相反的方向向量动量的变化。网络系统的动量的变化因此零。也就是说, 在哪里和站活动的线性动量联系前后两个接触的影响,分别。由于可移动接触的线性动量是保守的,这是举行一个常数值前后两个接触的影响。目前,接触器的接触系统可以看成是两部分组成的,一个可移动和固定联系联系。动接触的质量和它的初始移动速度。相比之下,固定联系的质量和它的初始速度为零,也就是说,静止的。如果活动接触碰撞与固定触点加上一条直线,这些联系的最终速度可以写成:

图5显示了素描的移动和固定接触之前和之后两个接触的影响。接触系统的总动能应该保持在一个恒定值,由于保守的原则。换句话说,最初的接触系统的总动能值相当于最终总动能的一个值。因此,它可以表示为 从线性动量和动能的表达式表示(14)和(15),分别,我们可以计算的最终速度移动和固定接触后两个接触的影响是可以给出如下:

固定触点总是安排在固定的机械接触器的框架和假设是合理的。因为固定触点总是固定在两个接触的影响,最终速度固定的联系中描述(17)= 0。相比之下,可移动接触的最终速度等于初始速度的大小和方向相反。这意味着可移动接触产生的线性动量将作用于接触弹簧系统线性动量。因此,接触弹簧的拉伸和压缩行为可以重复多次获得永久的状态,也就是说,联系反弹。正如我们知道的,联系反弹主要取决于三个影响因素,如接触弹簧的特点是不允许改变现有产品,电流流经接触也不可控的只要是低于额定值,和控制活动的移动速度接触前的影响。显然,过去的方法比其他方法更加可行,它很容易通过使用控制方法。

4所示。电子控制单元

4.1。控制策略

正如我们所知,如果一个下午交流接触器操作在关闭过程中,电枢不仅是迫于一种无法控制的永磁的力量,但也迫使可控电磁力。因此,所需的动态合成磁力价值强加于将派生电枢控制接触器的一个独立的变量,如线圈电流。然而,线圈电流是一个关闭相位角的函数应用交流正弦电压源。换句话说,如果我们仔细地选择一个合适的关闭相角交流正弦电压源,线圈电流的一个预期值将获得并导致合成磁力所需的值。这个结果也可以从那些表示所示(3),(9)和(11)。

4.2。控制电路的实现

图6显示了一个完整的电子控制电路的控制提出下午交流接触器,它被称为电子控制单元(ECU)。ECU的操作过程是由线圈电压应用的价值。ECU是由几个简单的数字和模拟组件。因此,ECU的制造成本是便宜的。ECU也用于控制关闭联系反弹,提高健壮性和监控其他下午交流接触器的动态行为。本节的其余部分将用于描述逐渐ECU的操作。每个功能块图所示6将被描述在一个单独的段落。

(1)整流电路
ECU的输入部分是配备了全波桥式整流器交流正弦电压源的操作显示在图6。它负责将交流正弦电压源转换为直流脉动电压用图表示3。整流的交流电压源振幅一样吗。然而,的频率是两倍。一个金属氧化物压敏电阻(MOV)(它包含在ECU,但它不是画在图6)与全波桥式整流器的输入并行,以防止突然产生更高的瞬态过电压施加交流电压源对ECU的危害。

(2)线圈电压和电流探测器
部分G在图6描述了设计的线圈电压检测器包括两个电阻,R19一下R21。它是与全波整流的交流电压源并联。首先,采样线圈电压由统一放大器放大增加负载阻抗,然后是单片机采样和美联储。此外,线圈电流探测器,它包含一个电阻器R22,与线圈串联连接。R22的阻力应该尽可能小,以避免影响线圈电流的值;因此,它被设计成只有20。R22的电压线圈电流成正比。因此,R22的电压采样和合理的单片机通过两个放大阶段,一部分F如图6,线圈电流的值就容易用欧姆定律计算。

(3)信号发生器和司机
在直流供电的电压值是稳定的,线圈电压开始由单片机读取和合理的。如果采样线圈电压达到所需的最低收盘下午交流接触器的电压值,单片机开始生产使信号的设置关闭相位角的交流电压源部分J图所示6,这是一个逻辑高信号在一段时间内关闭,关闭接触器。一般来说,逻辑使信号应该是第一个由电压放大器放大,如B部分,如图所示6,然后用来进行功率MOSFET a7。在关闭过程已经完成,这使得信号会立即消失。

(4)突发信号发生器和司机
通常情况下,电解电容器C8应该向交流电压源的振幅在开放过程开始之前,也就是说,,这也被称为一个电压。如果线圈电压值低于下午的最大释放电压交流接触器,单片机开始生成逻辑断裂信号放大驱动功率MOSFET处置了开幕式表演的过程。

(5)串行端口的接口
与ECU提供现场和远程控制功能,有一个串行端口通信接口也包含在ECU,如D部分在图所示6。集成电路U5结合其接口电路形成一个信号转换器从rs - 232水平逻辑类型,反之亦然。此外,光电耦合器安装系列单片机和港口之间界面增加ECU的操作安全。

5。仿真和实验结果和讨论

为方便进行相关的实验,建立了一个实验性的接触器原型在我们的实验室。这允许接触器原型提供额定rms电压220 V的交流电压源。接触器触点容量5.5千瓦,线圈电流的标称值是24。线圈的数量是3750转,跨两个线圈电阻的终端是285和电枢的质量是0.115公斤。接触的差距是4毫米,而电枢和固定铁芯之间的气隙约6毫米。永久磁铁是安排在电枢的中央站。

5.1。设置和验证模型的可行性

下午交流接触器的动态仿真模型,实现的Matlab / Simulink仿真软件,建立了利用等效机电管理方程。图7显示了完成交流点模型的仿真模型。

理论上,下午交流接触器的动态行为特征可能是直接由两个独立的变量,如电枢的位移和线圈电流。数据8(一个)和8 (b)显示所有时变波形的衔铁位移和线圈电流关闭期间,持有开放过程仿真模型而获得的是与那些由接触器的原型。在关闭过程中观察模拟线圈电流曲线,如图8 (b),一个更大的线圈电流之间的区别是测量线圈电流和模拟线圈电流秒秒。这主要是由于一些小型机械摩擦的接触器被忽略。当下午交流接触器的操作状态进入举行过程中,我们可以看到附近的线圈电流为零的交流电压源被应用。只输入电能将吸收的ECU。这就是为什么下午交流接触器有一个突出的节能性能比其他电磁接触器。数据8 (e)和8 (f)显示位移的电枢线圈电流的交流接触器在下午开放的过程。线圈电流首先产生的最大负峰值被用来生成一个足够的电磁力克服永久磁铁产生的夹持力。开幕不久,电流通过线圈被衰减指数为零,因为脱离接触已经完成。减少弧开幕式活动之间产生联系和固定联系人,下午交流接触器的总开放时间应该控制尽可能小。

5.2。实现移动速度控制电枢

正如上面提到的,除了基本的事实,下午交流接触器的机制必须配备电枢永磁,还需要一个ECU和用于控制接触器的操作在不同的操作流程。数据9(一)和9(b)显示典型的时间序列的下午交流接触器在关闭过程开放过程,分别。图9(c)展示了一个包含单片机的控制流图。注意,这些功能的单片机已经建成的ECU。图9(一)描述了单片机应该首样的零交叉点交流电压源。结束相角下午交流接触器的选择。下午即交流接触器被认为是由销RB1单片机在B点和运营的关闭过程。下午交流接触器的关闭时间是由时间。在开放过程中,确保零交流电压源,然后1毫秒延时设定为推进检查是否下午交流接触器的开放过程实际上是生产。单片机的销而已成为逻辑高水平和推迟了如果是的。同样,高销RB3逻辑信号的单片机是为协助ECU完成生成安全下午交流接触器的开放过程。

在关闭过程中,人物10表明这些相应的时变因素强加给不同关闭阶段下电枢交流电压源的角度。曲线表明,当关闭应用交流电压相角的源设置为30度,由此产生的磁力会比那些由其他关闭阶段角度。电枢的时变速度交流接触器如图10 (c)描述移动速度或电枢的动能之前,两个接触影响附近的0.8 m / s。接触的总关闭时间在30度明显比其他情况下更短。此外,随着电枢的位移曲线如图10 (b),下午交流接触器的关闭过程将在时间间隔内完成秒。然而,这是一种常见的和重要的功能活动接触后发生第一次接触固定接触,电枢将加速了各种加速度。这个结果代表的线性动量可移动接触后两个接触的影响将通过不同的利率。这也是为什么下午交流接触器的反弹持续时间通常少于传统的交流接触器。随着电枢运动速度曲线的模拟在一段时间内可能关闭相位角和图所示10 (d),他们往往高于交流接触器。这些结果是合成产生的电磁力。它是由原始的电磁力和永久磁铁的夹持力。此外,电枢的移动速度曲线还表明,他们是一个周期函数关闭相位角的交流电压源。交流接触器下午透露,这个时期是180度。移动速度曲线在关闭相角= 55度会导致最小动能()下午交流接触器。相比之下,一个最优的关闭相角的常规交流电磁接触器也存在在接近0度。当然,这种特殊的关闭应用交流电压相角的来源也会导致减少的动能在关闭过程中电枢交流电磁接触器。

5.3。评估减少跳跃

设计测试平台已经建立,如图(11日)。提出了反弹的影响减少技术上下午交流接触器进行了一系列的实验测试平台。接触的三双之一是连接电路包括一个直流电压源和固定电阻器,如果电压在测量电阻被设定联系在一起;否则,电压在测量电阻电压设置为0。有三种类型的电压源:85%,100%,和110%的额定电压源。他们是典型的测试电压测试平台,下午交流接触器的分别。下午针对交流接触器和交流电磁接触器,关闭序列的十倍进行并记录下每个三个测试电压。对于每个测试条件,跳跃的时候接触的算术平均值计算,如表所示1。一些重要的结论是基于上面的测试结果。(1)比较跳跃的时间下午交流接触器的接触与交流电磁接触器,我们可以看到,下午交流接触器更好。(2)对于任何类型的接触器,跳跃的时间当一个更高的电压源应用价值将超过电压源的电压值较低时的应用。(3)反弹的差异减少百分比之间的交流电磁接触器和交流接触器是下午接近38%。(4)下午如果两个交流接触器和交流电磁接触器被认为可以应用相同价值的交流电压源,通常,bounce-reduction前情况下获得的性能通常优于后者。(5)Angle-varying最大、平均和最小bounce-duration曲线获得的每个测试值的交流电压源如图11 (b)。bounce-duration曲线清晰地表明,最低平均移动速度电枢将发生在接近40度。因此,这些实验结果如图11 (b)在协议与仿真结果如图10 (d)。

5.4。比较节能

下午提供的交流接触器节能特点是其重要的优势之一。列在表2,下午交流接触器和交流电磁接触器都是假定为在持有过程中操作一年。的总能量是通过交流接触器是下午只有27%的通过交流接触器。此外,线圈的数量等于2000,大约一半的当前需要的线圈绕组的交流接触器。

6。结论

下午一个交流接触器与ECU控制执行机构和功能提出了节能和没有噪声污染,和电压骤降免疫力。通过对电枢永磁,下午交流接触器的所有操作将自动由ECU控制。没有任何操作改变那些习惯于传统的交流接触器。但几个关键问题一般由传统交流电磁接触器然后克服。的基础上选择一个最佳关闭相位角的应用交流电压源,可移动接触接触器与固定触点的最小动能。的反弹持续时间和节能性能提出下午交流接触器已经通过一些仿真和实验测试验证。两个接触碰撞后反弹持续时间然后在关闭过程中显著减少。能量耗散是保存的非常明显。此外,接触器触点的使用寿命延长和提高他们的操作可靠性。

承认

这项工作是由美国国家科学委员会(台湾)授予NSC - 270 - 002 - 97 - 2622 e cc3。

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