电气工程学报, 2015, 10(12): 27-31 doi: 10.11985/2015.12.005

理论研究

智能型节能交流接触器控制器设计

周小娜, 陈志英, 苏焕先, 许燕标, 王竹兴

厦门理工学院电气工程与自动化学院 厦门 361024

Design of Intelligent Energy-Saving Controller for AC Contactor

Zhou Xiaona, Chen Zhiying, Su Huanxian, Xu Yanbiao, Wang Zhuxing

Xiamen University of Technology Xiamen 361024 China

责任编辑: 崔文静

收稿日期: 2015-10-27   网络出版日期: 2015-12-25

基金资助: 福建省教育厅JK类资助项目.  JK2013036

Editor: CUI Wen-jing

Received: 2015-10-27   Online: 2015-12-25

作者简介 About authors

周小娜 女 1992年 生,硕士研究生,研究方向为电器智能化技术及应用。

陈志英 女 1978年生,副教授,研究方向为电器智能化技术及应用。

摘要

为改善传统交流接触器的能量损耗,提出了一种智能型节能交流接触器控制器的设计方案,该方案以超低功耗单片机MSP430F169为控制核心,采用脉宽调制方式(PWM)控制场效应晶体管MOSFET的通断,实现交流接触器线圈两端电压的调节,使交流接触器直流高电压吸合、直流低电压保持。此外,在RS485通信的基础上,增加了更为快速、便捷的USB通信,实现与上位机的双向通信,同时可实现按键设置、电压在线监测以及LCD参数显示。实验结果证明,该方案能有效降低交流接触器损耗,节能效果明显,可达96%以上。

关键词: 节能交流接触器 ; MSP430F169 ; PWM控制 ; USB通信 ; 在线监测

Abstract

In order to decrease the energy consumption of the traditional AC contactor effectively, this paper presents a design of intelligent energy-saving controller for AC contactor based on MSP430F169. The controller adopts pulse width modulation (PWM) method to control MOSFET on and off for regulating the voltage on the AC contactor’s coil, which can accomplish high-voltage excitation and low-voltage maintenance of the coil and the energy consumption of AC contactor will be reduced greatly. On the basis of RS485 interface, the controller increases USB interface to realize two-way communication with PC. Moreover, the controller also has the intelligent functions such as online settings, parameters display on LCD and voltage measuring of coil and so on. The results of experiments show that the energy-saving effect of AC contactor is excellent and about more than 96% of energy is saved.

Keywords: Energy-saving AC contactor ; MSP430F169 ; PWM control ; USB communication ; online monitoring

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本文引用格式

周小娜, 陈志英, 苏焕先, 许燕标, 王竹兴. 智能型节能交流接触器控制器设计. 电气工程学报[J], 2015, 10(12): 27-31 doi:10.11985/2015.12.005

Zhou Xiaona. Design of Intelligent Energy-Saving Controller for AC Contactor. Journal of Electrical Engineering[J], 2015, 10(12): 27-31 doi:10.11985/2015.12.005

1 引言

交流接触器是使用量大、覆盖面广的重要电器产品。它使用安全,控制简单,但运行损耗大。传统交流接触器的功率损耗主要是吸合功耗和吸持功耗,虽然线圈在吸合起动瞬间功耗较大,但时间很短,大部分工作时间处于吸合保持状态,此时能量损耗主要是吸合时的铁损,造成大量电能浪费[1]。因此,有效降低交流接触器工作过程中的吸持功耗能大幅度降低电器能量损耗。目前,交流接触器节能的一个有效途径就是电磁系统采用直流运行,一般节电率可达85%~95%[2,3]。实现直流运行的方式有很多种,例如直流双线圈控制、变压器控制和PWM控制[4,5,6,7,8]。但直流双线圈控制系统体积大,需要频繁更换机械转换开关,变压器控制则占用了辅助触头,体积也较大。采用PWM控制可以避免上述缺点,不仅能实现节能,而且可以调节和改善接触器的动态过程,具有可靠性高、抗干扰能力强及节省材料等优点[9,10,11,12]

本文基于上述背景从电磁操作机构和智能化控制模块两部分考虑节能设计,提出了一种智能型节能交流接触器控制器的设计方案。该方案采用超低功耗单片机MSP430F169作为控制核心,功耗低于AT89C51等其他单片机,拥有智能化功能,采用更加快速、便捷的USB通信方式。

2 系统工作原理

智能型节能交流接触器控制器对传统接触器交流线圈采用直流励磁,利用PWM控制实现对线圈两端电压的控制与调节,通过适当调整脉冲信号的占空比,使得接触器强励磁吸合动作、弱励磁吸持,优化了接触器动态过程,减少触头弹跳,提高接触器性能的同时大幅降低了功率损耗。同时,该接触器有丰富的外设功能,可通过按键调节输出脉冲信号的占空比、频率以及控制接触器的通断,由电压采样电路实时采集线圈两端电压值并显示在LCD上,通过USB接口实现与计算机的双向通信,上位机能直接控制接触器的通断,也可将交流接触器的运行参数和状态参数传到上位机进行监控,系统控制原理框图如图1所示。

图1

图1   系统控制原理图

Fig.1   Control schematic of system


该控制器的关键在于实现对线圈两端电压的PWM控制与调节,220V交流电压经整流桥整流成脉动的直流为交流接触器线圈供电,改变MOSFET驱动信号的脉冲宽度,实现对线圈两端电压的调节。交流接触器触头处于断开状态时,单片机产生大占空比的脉冲信号,使大电流通过线圈,触头在强励磁作用下迅速吸合;经过一段时间的延时,触头可靠吸合,单片机产生小占空比的脉冲信号,使触头在弱励磁作用下保持吸合。同时,对线圈两端电压进行实时测量,实现闭环控制,调节动态过程。

3 系统硬件设计

系统硬件主要包括:超低功耗单片机MSP430 F169、PWM控制电路、线圈电压采样电路、LCD1602显示电路、按键电路、USB通信接口电路和电源电路。

3.1 PWM控制电路

PWM控制电路原理如图2所示,单片机所产生的脉冲信号,经高速光耦隔离后驱动MOSFET。输入电压经整流桥整流后通过MOSFET开关管加在线圈两端,由MSP430F169的脉冲信号输出引脚P2.4连接到高速光耦6N137的触发引脚2,经输出引脚6输出信号。当单片机输出高电平时,经高速光耦隔离后输出低电平,MOSFET关断,接触器线圈不得电;当单片机输出低电平时,经高速光耦隔离后输出高电平,MOSSFET的栅源间电压UGS大于开启电压UT,MOSFET导通,接触器线圈得电。

图2

图2   PWM 控制电路原理图

Fig.2   Drive circuit diagram of PWM


其中,桥式整流属于全波整流,输出电压高,脉动小。设输入的交流电压为

式中,U表示电压有效值,则整流后的平均电压为

联立式(1)和式(2)得,E = 0.9U。

PWM控制电路采用降压斩波电路控制交流接触器线圈直流电压,线圈两端平均电压为

式中,E为整流后输出的直流电压,E = 0.9×220 = 198(V);T为开关周期;t0为导通时间;α为占空比。

3.2 线圈电压采样电路

为实现对交流接触器运行状态的实时监测、及时判断故障情况从而保护用电设备,需要对线圈电压进行测量。线圈电压的采样电路采用了高线性模拟光电耦合器HCNR201,通过外围电路的设计,使输入输出电压呈线性关系,将线圈两端电压降到单片机可采样的范围内,并实现电气隔离,提高可靠性,采样所得的模拟量经A-D转换、处理后,显示在LCD上,方便用户读取。电压采样电路原理图如图3所示。

图3

图3   线圈电压采样电路

Fig.3   Sampling circuit of coil voltage


引脚1、2端为光耦信号输入端,当发光二极管VD1有电流I1流过时,光电二极管VD2、VD3感应出正比于I1的光电流I2、I3,VD2用于检测VD1的发光强度,形成反馈回路,消除其非线性和漂移特性,其中电流的关系为

I2=K1I1(4)

I3=K2I1(5)

式中,K1、K2为光电二极管的电流传输比。

输出电压为

Uout=I3R5(6)

联立式(4)、式(5)和式(6),得输入输出电压关系为

式中,UD为二极管导通时的压降,取固定值。

取适合电阻值时,得

3.3 USB通信接口电路

USB是一种快速、双向、同步传输、经济且便捷的可热插拔接口,为所有USB外设提供了单一的、易于操作的连接形式,简化了设备连接方式。USB通信接口电路原理如图4所示,系统选用的接口芯片为南京沁恒公司的CH372,它是一款全速USB通信设备接口芯片,支持5V、3.3V电源供电。在内置固件模式下,集成相关的USB通信协议,CH372自动完成连接过程。

图4

图4   USB 通信接口电路

Fig.4   Interface circuit of USB communication


4 系统软件设计

系统软件设计主要包括:主程序、PWM子程序、线圈电压测量子程序、按键输入子程序、LCD1602显示子程序和USB通信子程序,其主程序流程图如图5所示。上电后系统初始化,调用LCD显示程序,显示各参数及运行状态,并将状态数据发送至上位机;判断是否产生中断,若有中断产生,判断中断类型,执行不同的中断子程序;通过按键中断子程序可实现交流接触器的吸合、断开以及输出PWM的占空比、频率的调节,上位机的USB中断子程序同样能实现上述功能,A-D中断子程序可采集并处理线圈两端电压。

图5

图5   主程序流程图

Fig.5   Flow chart of main program


PWM子程序采用16位定时器TA,能够在CPU不干预的情况下自动根据触发条件捕获定时器计数值,利用输出模式7(清零/置位),设置单片机输出脉冲信号的占空比和频率,其程序流程如图6所示。首先进行PWM相关寄存器初始化,设置单片机P2.4为信号输出端,选用子系统时钟源SMCLK,并设置输出模式为模式7以及各寄存器赋初始值。当TA计数值超过TACCR2的设置值时,P2.4会自动置低,当TA的计数值达到TACCR0的设置值时,P2.4会自动置高,且将TA计数值清零,重新计数。如此,P2.4就可输出PWM信号,若想改变PWM占空比或频率,只需改变相应的参数。占空比为

频率的计算公式为

图6

图6   PWM 子程序流程图

Fig.6   Flow chart of PWM subroutine


5 实验结果与分析

实验所用交流接触器的型号为CJX2910, 当选择输出100%占空比的脉冲信号时,触头迅速动作,显示为闭合状态,改变输出信号的占空比,则显示参数随之改变,当电压低于触头吸合的最低电压时,触头断开,显示触头为断开状态,测试结果显示线圈电压值与测量值之间的误差在允许范围内。为实现接触器在节能的同时能可靠吸合和无声运行,本文测试了不同占空比和频率下线圈两端的吸持电压和电流。经过多次实验,得到的实验数据见下表。频率、占空比与损耗的对应关系如图7所示。

   表 线圈两端电流、电压测试数据

Tab.  Test data of the coil’s current and voltage

频率
ƒ/kHz
占空比
α(%)
吸合电压
U/V
吸合电流
I/mA
线圈吸合功率
P/W
537.5120.0900
49.1150.1365
510.8180.1944
612.5210.2625
714.3240.3432
816.2270.4374
918.1300.543
1019.9330.6567
频率
ƒ/kHz
占空比
α(%)
吸合电压
U/V
吸合电流
I/mA
线圈吸合功率
P/W
1038.5150.1275
410.0170.1700
511.6200.232
612.3230.2829
714.4260.3744
816.7290.4843
918.5320.592
1020.4350.714
2037.3150.1095
48.9180.1602
510.4210.2184
612.2240.2928
714.7270.3969
816.4300.492
918.1330.5973
1020.9360.7524

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图7

图7   频率、占空比与消耗功率的对应关系

Fig.7   Power consumption corresponding to frequency andduty


实验结果证明,频率越高时,MOSFET导通和关断的次数增加,从而损耗越大,频率较小时,噪声干扰越严重。线圈两端电压测量值与由式(3)计算所得到值的误差较小,当线圈两端电压维持在15V左右时,触头能可靠维持吸合。综上所述,最优占空比及频率选择为α = 7%,ƒ = 10kHz,此时接触器消耗的功率P = 0.39W。

为验证智能控制的节能效果,直接给交流接触器施加220V交流电压,将万用表串联在电路中测量吸持时流过线圈的电流,其结果为I = 135mA,则功率P0 = IU = 29.7W。

由节电率ΔP的计算公式

得ΔP = 98%,即智能型节能交流接触器的节电率达到98%,节能效果非常显著。由于单片机及其外围电路存在损耗,且万用表测量时有误差,故实际上的节电率会小于计算值。

6 结论

本文设计了一种以超低功耗单片机MSP430F169为控制核心的智能型节能交流接触器控制器,其节能效果十分理想,高于其他同类型节能交流接触器,节能可达96%以上,达到了预期的性能和要求。此外,该控制器拥有在线设置、显示等智能化功能,并在RS485的基础上,增加了更为方便、快捷的USB通信方式。由于MSP430F169单片机丰富的片内外设和强大的拓展功能,在已有的基础上稍加改动,还可实现接触器的欠电压保护、过电压保护和过载保护等功能,将在下一步研究中完善。因此,若将传统的交流接触器替换成智能型节能交流接触器,可大大降低用电成本,提高接触器性能,延长使用寿命,有着广阔的市场前景与研究意义。

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