多功能电器的控制研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 1.76MB 64 页 15积分

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摘要

随着现代电力电子技术和计算机技术的发展，以微处理器为核心的电子控制

方式越来越多地被成功应用于低压电器中。作为多功能电器的代表，控制与保护

开关电器（CPS）采用了这种电子控制方式。这种电子控制方式的出现，引发了一

场关于控制模式的革命，传统单纯的机械式控制方式正逐步被电子式控制方式所

取代。在这种背景下，本文采用了一种先进的控制方式，针对低压电器中的电磁

机构——电磁铁，提出一种新的控制方法，并结合所设计的硬件电路加以实现。

本文借鉴和吸收了国内外有关电力电子方面的理论和技术，通过对电磁铁的

动态控制进行深入研究，结合电磁铁吸合时的电流变化，给出了软件和硬件设计

方案。

本文首先详细地介绍了这个控制系统硬件设计中所用到的关键技术和原理，

给出了单片机电路、控制电路和适配电源系统的设计以及设计中所需要注意的问

题。随后，在本文部分提出了一种新的控制方法以适应电磁铁在吸合中电流的各

个阶段变化，从而达到了减小电磁铁运行噪音、减小触头弹跳、增加运行可靠性

和寿命的目的。

最后，根据设计内容进行了一个控制单元的样机试制，并以交流接触器的电

磁线圈作为控制对象进行试验。通过对电子控制和传统控制两种方式试验结果的

比较，可以清楚地看到实验结果的各项指标都达到了初期设计的要求。

关键字：低压电器电磁铁触头弹跳交流接触器

ABSTRACT

With the advance of modern power electronics technology and computer

technology, the methods of electronic control whose core is microprocessor, have been

successfully applied to low-voltage Apparatus more and more. This electronics control

methods of low-voltage apparatus have gradually changed the traditional purely

mechanical control method into electronics one, and have made it into a control mode

revolution. In this context, the paper which uses an advanced way of electronics control,

combines with an available hardware circuits, and designs a new control method to be

fit for power mechanism - electromagnet of low-voltage apparatus.

According to the advanced technology of modern power electronics home and

abroad, through the deeply study of dynamic control methods of the electromagnet, this

paper desires to design a new project of hardware and software for current changes

electromagnet.

Firstly, this paper introduces the key technologies and principles in details, which

are used in this designed hardware of control system. Based on these technologies, this

paper gives the designs of the microcontroller circuit, control circuit and adaptive power

system and the notes needed to be paid attention to.

And then, in order to reduce the running noise of electromagnet, reduce contact

bounce and increase operating reliability and the life, the paper adopts a new approach

to cope with the change of solenoid currents in the various stages.

Finally, according to the design, we make a simple unit and choose an AC

contactor’s solenoid coil as control object for an experiment. Through comparison of

experiment results in which we use the control ways of electronic control and traditional

control, we could conclude that the design has satisfied the initial design requirements.

Keywords: low-voltage apparatus, electromagnet, contact bounce,

AC contactor

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................................................................................... 1

§1.1 多功能控制与保护电器 ........................................................................................... 1

§1.2 电磁铁的动态特性 ................................................................................................... 3

§1.2.1 直流电磁铁的工作原理 .................................................................................... 4

§1.2.1 直流电磁铁的吸合电流特性 ............................................................................ 8

§1.3 国内外控制技术的背景 ........................................................................................... 9

§1.4 本章小结 ................................................................................................................. 12

第二章采用MCU动态控制技术设计方案 ...................................................................... 13

§2.1MCU控制的设计方案 ............................................................................................. 13

§2.1.1 电源主电路电路 .............................................................................................. 14

§2.1.2 退磁电路 .......................................................................................................... 15

§2.1.3 采样电阻电路 .................................................................................................. 16

§2.1.3 微控制器简介及其时钟电路 .......................................................................... 17

§2.2 功率MOSFET驱动电路 ......................................................................................... 19

§2.2.1 功率MOSFET开关过程和驱动技术要求 ...................................................... 20

§2.2.2 功率MOSFET直接驱动 .................................................................................. 22

§2.2.3 功率MOSFET隔离驱动 .................................................................................. 23

§2.3 本章小结 ................................................................................................................. 28

第三章磁铁控制系统的电源设计 ................................................................................... 29

§3.1 控制电源的设计要求及原理 ................................................................................. 29

§3.1.1 控制电源设计要求 .......................................................................................... 29

§3.1.2 反激式开关电源原理 ...................................................................................... 29

§3.1.3TinySwitchⅢ系列芯片 .................................................................................... 31

§3.2 反激式开关电源设计 ............................................................................................. 32

§3.2.1 反激式电源的设计要求 .................................................................................. 32

§3.2.2 电源输入级的设计 .......................................................................................... 33

§3.2.3 电源变压器的原理 .......................................................................................... 34

§3.2.4 电源变压器的设计 .......................................................................................... 37

§3.3 电磁兼容设计 ......................................................................................................... 44

§3.3.1 电磁兼容的概念和设计方法 .......................................................................... 44

§3.3.2 电源输入滤波器的设计 .................................................................................. 45

§3.4 本章小结 ................................................................................................................. 48

第四章控制软件设计 ....................................................................................................... 49

§4.1 电磁铁控制流程 ..................................................................................................... 49

§4.2 采样限流过程 ........................................................................................................ 51

§4.3 本章小结 ................................................................................................................ 51

第五章实验结果 ............................................................................................................... 52

§5.1 电磁铁吸合试验 ..................................................................................................... 52

§5.2 电磁兼容试验（EMI） .......................................................................................... 55

§5.3 本章小结 ................................................................................................................. 56

第六章总结和展望 ........................................................................................................... 57

参考文献 ............................................................................................................................. 58

在读硕士研究生期间公开发表的论文 ............................................................................. 61

致谢 ..................................................................................................................................... 62

第一章绪论

随着计算机技术及信息技术的发展，尤其是电力电子技术的发展，电气工程

与电子工程的界限越来越模糊。随着电子器件的丰富，电器的控制手段越来越精

确，越来越智能化。在电器领域，进入了强电与弱电技术融合的时代。现代配电

盒用电系统包括小区或智能楼宇的电气设备都要求在检测、控制、保护方面完全

自动化和智能化，作为电力系统的硬件，智能的控制系统是满足电力系统日益对

可靠性要求的重要手段。

CPS 的出现在单一结构形式的产品上实现集成化的、内部协调配合的控制与

保护功能,能够替代隔离器、断路器(熔断器)、接触器、热继电器、起动器等多种

传统的分离元器件,且可以远距离自动控制与就地人力控制兼有的方式进行操作

实现对电路的控制,具有控制与保护自配合、短路后连续运行、分断能力高、飞弧

距离小、寿命长、操作方便、附件多等优点。

低压电器中的开关设备通常采用电磁机构来驱动机械装置，给吸合或释放提

供动力。就是将电磁能转换为机械能，产生吸力或斥力的装置，它通常由线圈、

磁轭、衔铁和反力机构组成。通过衔铁的运动，给机械装置提供动力使得触头吸

合或断开来完成电器工作。

这个课题选择接触器的电磁机构作为研究对象，通过对接触器的电磁铁线圈

加以电子控制，使电磁铁的吸合时的动态性能优化，减小吸合过程中的弹跳次数

和时间，减小损耗和提高寿命和可靠性。

§1.1 多功能控制与保护电器

§1.1.1 课题背景

传统的电控系统都是断路器+接触器+过载继电器来实现对电动机的控制与保

护功能。伴随新技术特别是电子、通信、控制等领域新技术的发展与应用，传统

的低压电器在品种、功能、性能等方面得到快速提升。20 世纪 80 年代末国际上推

出一种新型的模块式集成低压电器：控制保护开关电器（CPS,CONTROL AND

PROTECTIVE SWITCHING DIVICE）。这种控制与保护开关电器(CPS)是一种新型

多功能集成电器，CPS 将断路器、接触器、热继电器以及隔离器的功能融为一体，

多功能电器的控制研究

汇集了分立元器件的优点并克服其缺点，这种模块化的单一结构型式的多功能集

成化电器为低压配电与控制系统提供了一种新型的理想的基础元件。

这些控制保护元器件在功能上主要实现：通断负荷电流、短路保护、过载保

护、欠电压保护、紧急状态下急停以及联锁控制等。控制与保护开关电器是 80 年

代随着机电工业的发展，国内外相继研制开发的一种用于低压配电与控制电路中

的新型电器，它将断路器(或熔断器)、接触器、热继电器的主要功能综合为一体，

以一个具有独立结构形式的单一产品理想地实现上述多个产品的组合功能。由于

其保护特性是产品“自配合”的，并可综合多种信号，因此，保护特性完善、合

理，并可由自控方式或自／手控兼有的方式进行操作以完成控制功能。这种多功

能集成电器可大大减少线路中所需元件的品种和数量，为低压配电与控制系统的

简化提供一种理想的基础元件。国际电工委员会 IEC 于1992 年出版了该类产品的

标准，即 IEC947-6-2。CPS 作为一种新型的低压电器元件将得到广泛应用。

1983 年法国施耐德公司旗下的 TE 公司于 1983 年首先推出 LD 系列的 CPS 产

品，该产品具有断路器、接触器、热磁过载保护继电器的组合功能，根据需要选

配保护器后，可对一般电动机负载，频繁起动的电动机负载和配电电路中任一种

进行保护。法国施耐德公司如今已发展了第二代的 CPS 产品（即 TeSyS U 系列产

品，简称 U系列）。后者最主要的特点是体现在现代通信技术如现场总线、微电子

技术如控制器专用 ASIC 和微处理器、新型材料如绝缘与触头材料等的应用上。

在国内，我国在“八五”期间立项并完成了我国第一代 CPS 的设计，型号

为KB0。KB0 系列 CPS 是我国自行开发的一种以接触器为主体的控制与保护开关

电器。采用模块式组合结构，是一种集隔离器、断路器、接触器、过载继电器等

分立元件主要功能的独立结构形式的高科技低压电气产品。具有优良的技术经济

指标，如机械寿命、电寿命、预期短路分断能力、体积、质量以及执调配合的时

间——电流保护特性等，且其附带的可供选择的功能模块、辅助触头及信号模块、

远距离控制分励及再扣模块、欠压保护模块、交直流控制转换模块等，可根据设

计需要选配组合，用以实现对一般电动机的控制、频繁起动电动机的控制、配电

电路负载中可能发生的过载、短路及欠电压故障现象进行保护。另外，由手／自

控兼有的方式进行操作，既可实现直接控制功能，又可远距离自动控制。经过不

断的完善、发展和不懈的市场推广，这种新型的产品类型已得到广大用户和设计

院的认可和欢迎。同时，不断增长的客户需求，要求国内尽快研发并推广应用与

国外第二代 CPS 相当的产品，具有广阔的市场前景和良好的社会经济效益。

随着我国产品加工手段的不断提高，制造工艺的不断进步，材料性能的不断

提升，以及电子技术对低压电器产品的不断渗入和结合，在产品的设计、加工和

第一章绪论

性能方面产生了一个能够大幅度提升的空间。

§1.1.1CPS 的结构特点

CPS 是一种模块组合式电器，其主要的部件模块有：电磁传动机构、主电路

接触器、操作机构和过载脱扣器以及各种主要辅助模块等。

1.电磁传动结构

电磁传动机构由铁芯、线圈、控制触点及传动部件等组成, 其主要功能是接受

外来远距离控制信号和就地操作指令并带种其它部件模块执行接通或分断主电路。

2.主电路接触器组

主电路接触组主要由动、静双断点触头、具有限流作用的瞬时脱扣装置和性

能优越的栅片灭弧系统组成, 每极一组, 其功能是承担主电路的接通、承载和分断,

并提供短路保护功能。由于采用了双断点触头和栅片灭弧系统等合理设计, 使得产

品具有高分断能力、高操作频率和高寿命指标。

3.操作机构

操作机构由机械联动组件构成, 其功能是通过位置转换来确定的 CPS 工作状

态。操作机构能接受每极主电路接触组的短路脱扣信号和过载脱扣器的过载脱扣

信号, 通过拨杆带动电磁传动机构的控制触点切断电磁线圈电路从而 CPS 使断开,

故障排除后由操作手柄或远距离再扣器复位。

4.过载脱扣器

过载脱扣器主要由双金属热元件、磁脱扣线圈和动作机构等组成, 有多种电流

规格及各种不同的保护型式供选用。电流整定值可调, 对于电动机负载带断相保护。

主电路负载端发生过载时, 双金属热元件或磁脱扣器触发动作机构带动操作机构

使断开。该模块与主电路接触组配合形成了完整的热过载、过电流和短路三段保

护特性, 实现在较大范围及多种使用场合下的保护功能。

§1.2 电磁铁的动态特性

在CPS 的设计中动力装置是采用电磁铁的运动作为机械机构的动力，触头的

吸合是通过电磁铁的吸合带动机械机构来完成的。由于 CPS 的功能中含有接触器

的功能，这和交流接触器的工作原理一致。采用通过研究直动式接触器的吸合特

性来研究 CPS 的吸合特性。

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摘要随着现代电力电子技术和计算机技术的发展，以微处理器为核心的电子控制方式越来越多地被成功应用于低压电器中。作为多功能电器的代表，控制与保护开关电器（CPS）采用了这种电子控制方式。这种电子控制方式的出现，引发了一场关于控制模式的革命，传统单纯的机械式控制方式正逐步被电子式控制方式所取代。在这种背景下，本文采用了一种先进的控制方式，针对低压电器中的电磁机构——电磁铁，提出一种新的控制方法，并结合所设计的硬件电路加以实现。本文借鉴和吸收了国内外有关电力电子方面的理论和技术，通过对电磁铁的动态控制进行深入研究，结合电磁铁吸合时的电流变化，给出了软件和硬件设计方案。本文首先详细地介绍了这个控制系统硬...

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