計算機(jī)和微處理器技術(shù)在低壓電器市場應(yīng)用分析

0 引 言　

　　隨著單片機(jī)性能價格比的大幅度提高，把計算機(jī)和微處理器技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制特別是增加低壓電器智能化功能，具有較大的市場經(jīng)濟(jì)潛力。我們在交流 接觸器智能控制方案和具體實(shí)施中做了大量的研究和可行性分析，開發(fā)了一種具有智能化功能的裝置。把該裝置和交流接觸器相組合，就可以增加交流接觸器的智能 化功能。它具有設(shè)置簡單、使用可靠、節(jié)能控制、在線更改設(shè)置和顯示等功能。單片機(jī)在接到閉合或分?jǐn)嘀噶顣r，可以根據(jù)最佳分?jǐn)?、閉合相角輪流控制三個觸點(diǎn)進(jìn) 行過零分?jǐn)嗯c閉合，減小了火花能量。利用它與中央控制計算機(jī)的雙向通訊，可以形成局域控制網(wǎng)絡(luò)和簡單DCS系統(tǒng)。它在工業(yè)、油田、煤礦、農(nóng)村（灌溉系統(tǒng)） 和城市等領(lǐng)域和地區(qū)有廣泛的應(yīng)用前景。

1 接觸器智能化內(nèi)容和工作原理　

　　我國目前使用的接觸器、斷路器和保護(hù)器（例如熱繼電器）均為機(jī)械非智能型的。一般為交流吸合、交流吸持和隨機(jī)分?jǐn)啵揖€包電壓有220V和 380V之分。實(shí)驗(yàn)告訴我們，不論是220V還是380V的線包，只要加上不低于160V的直流電壓，接觸器均能可靠吸合，并且不會產(chǎn)生一、二次彈跳。此 時，只要維持吸持電壓不低于直流15V，就可以穩(wěn)定地保持吸合狀態(tài)。分?jǐn)噙^程一旦發(fā)生，必然伴隨有電弧產(chǎn)生。確定分?jǐn)噙^程何時發(fā)生的唯一原則就是在時間允 許的前提下使電弧總能量最小。對于單相電磁電路，觸點(diǎn)合斷的最佳時刻應(yīng)該是主電路電流過零之時，而對于三相電磁電路來說，如果分?jǐn)噙^程發(fā)生在某一相電流過 零時刻，此時三相電弧的總能量應(yīng)該為最小。輪流控制三個觸點(diǎn)的過零分?jǐn)?，可以使它們有相同的使用壽命?！∫暱刂茖ο蠛鸵?，本方案采用繼電器或可控硅作為 控制接觸器線包通斷的元件。在單片機(jī)的控制下，系統(tǒng)按設(shè)置要求運(yùn)行并顯示。整個電路構(gòu)成簡單，運(yùn)行平穩(wěn)。當(dāng)啟動過程結(jié)束，高壓自行撤除，續(xù)流電路維持吸合 狀態(tài)。

　　接通電源以后，整流回路、穩(wěn)壓電源回路及單片機(jī)系統(tǒng)得電。相電流設(shè)置完成后，單片機(jī)就開始采樣并與設(shè)定值進(jìn)行比較，啟動回路和續(xù)流回路系統(tǒng)處于 待機(jī)狀態(tài)。單片機(jī)在對電源電壓和相位的不斷采樣、比較、記錄的同時，等待啟動信號。如果得到信號，就會在不大于20ms的時間內(nèi)適時通過啟動回路給線包加 上一個相應(yīng)的高電壓，動觸點(diǎn)在強(qiáng)激磁產(chǎn)生的吸力作用下，克服彈簧推力和慣性，迅速向靜觸點(diǎn)運(yùn)動。單片機(jī)可以通過傳感器判斷觸點(diǎn)的吸合情況并控制續(xù)流回路， 及時提供合適的吸持電壓。一旦發(fā)現(xiàn)電源電壓小于釋放電壓，單片機(jī)立刻選擇合適的相位，停止向線包供電，觸點(diǎn)在彈簧的作用下復(fù)位。顯然在啟動過程中，相電流 會激增甚至超過設(shè)定值，電流激增的程度和激增持續(xù)的時間與電動機(jī)所帶負(fù)荷有關(guān)。這可以根據(jù)部頒標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)要求，增加相關(guān)程序，就可以很好地區(qū)分不同的負(fù)荷 情況甚至短路而自動選擇相應(yīng)的啟動保護(hù)時間，使電動機(jī)可以帶載啟動。

　2 單片機(jī)的選用和基本硬件的設(shè)計　

　　為了安裝與使用的方便，輸入電壓可以設(shè)計成自適應(yīng)型的。傳感器是在磁環(huán)或矽鋼片上繞一個繞組并通過整流裝置送入單片機(jī)。單片機(jī)通過傳感器取樣比 較后，最終輸出的是一個電平信號或某一頻率的脈寬信號，用于驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而強(qiáng)電強(qiáng)磁的干擾往往使之產(chǎn)生誤動作。為此，需要采取多項(xiàng)措施抗干擾，除了屏 蔽、光電隔離等傳統(tǒng)措施以外，還可以通過帶通濾波和采樣算法來抑制干擾。單片機(jī)分別選用美國Motorola公司的M68HC系列和Microchip公 司的PIC 系列單片機(jī)。Motorola公司的單片機(jī)在汽車上的應(yīng)用非常普遍，有很強(qiáng)的抗干擾性能，而Microchip公司的PIC系列單片機(jī)由于內(nèi)部有A/D， 其外圍電路就相對簡單了。由于這些單片機(jī)的內(nèi)部資源比較豐富，采用分時動態(tài)掃描模式進(jìn)行顯示，其外部元件非常少，不但降低了成本，而且使可靠性大大提高。

3 單片機(jī)主程序框圖

交流接觸器智能化程度的高低，主要取決于控制方案的選取和軟件的編制。

　　程序在執(zhí)行時，首先要對電網(wǎng)電壓取樣，若電網(wǎng)電壓的不平衡度大于30%，程序拒絕繼續(xù)執(zhí)行，并用發(fā)光二極管對此項(xiàng)進(jìn)行顯示。此項(xiàng)檢測通過以后， 單片機(jī)根據(jù)相位同步信號和上次吸合、分?jǐn)噙^零觸點(diǎn)的記錄，選擇下一個觸點(diǎn)作為目標(biāo)觸點(diǎn)，同時根據(jù)采樣電壓的數(shù)值，選擇合適的吸合相角，進(jìn)入控制待機(jī)狀態(tài)。 吸合命令一到，單片機(jī)立刻執(zhí)行吸合子程序。吸合結(jié)束，單片機(jī)便使主控器件截止，系統(tǒng)自動進(jìn)入吸持階段，線包以低電壓、小電流維持勵磁吸合狀態(tài)。

　　4 實(shí)驗(yàn)研究　

　　可行性實(shí)驗(yàn)是在開發(fā)裝置上進(jìn)行的?？紤]到系統(tǒng)的抗干擾能力和操作方便，選擇擦寫方便的89C52單片機(jī)，和蘇州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的JZ7型號中間繼電器（380V，5A）組合，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，基本情況如下。

（1）吸合及分?jǐn)噙^程　

　　接觸器繞組的工作電壓為380V，在交流220V的條件下無法完成吸合。和智能裝置進(jìn)行組合，同樣在220V的情況下，吸合一次完成。用示波器 觀察，吸合指令和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的時間誤差最大不超過40ms，76%以上在20ms以內(nèi)。在不產(chǎn)生一、二次彈跳的前提下，吸合電流為0.12A，而吸持電流僅 為 6mA，效果相當(dāng)理想。當(dāng)外電壓降到160V，觸點(diǎn)自動斷開，單片機(jī)處于采樣、待機(jī)狀態(tài)?！〈罅康膶?shí)驗(yàn)告訴我們，對于同一類型的接觸器和斷路器，它們彈簧 彈力和動點(diǎn)質(zhì)量基本相同，因而具有相同的慣性。電網(wǎng)電壓的波動使磁力克服慣性移動相同距離的時間是不同的，因而導(dǎo)通相角和導(dǎo)通時間也應(yīng)該不同。把不同型號 的接觸器和斷路器在不同電壓下的最佳吸合相角和吸合時間制成表格，單片機(jī)以查表的方式進(jìn)行控制，可以使接觸器工作在最佳狀態(tài)下。分?jǐn)噙^程有相似的結(jié)論。這 里單片機(jī)要做兩項(xiàng)工作：更換取樣觸點(diǎn)和確定分?jǐn)鄷r刻。后一項(xiàng)工作也是在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上查表完成的。目前正在利用新的傳感技術(shù)和過程取樣技術(shù)，完善過零分 斷的閉環(huán)控制，通過自學(xué)習(xí)功能自動更新表格中的相關(guān)數(shù)據(jù)，提高模塊的智能化程度。

　　（2）吸持過程　

　　啟動過程結(jié)束以后，線包就在低電壓、小電流狀態(tài)下工作。單片機(jī)在維持這種狀態(tài)的同時，對吸合電壓及電網(wǎng)不平衡度進(jìn)行監(jiān)視，一旦有短路、斷相、電 網(wǎng)電壓不平衡度超過30%或者電網(wǎng)電壓低于160V及啟動運(yùn)行電流超過設(shè)定值，控制回路立刻按過零要求進(jìn)入分?jǐn)嘧映绦蜻M(jìn)行失電分?jǐn)?，從而保護(hù)設(shè)備的安 全。（3）通信聯(lián)網(wǎng)　通過單片機(jī)的串行口與微機(jī)RS232相聯(lián)，從微機(jī)鍵盤或鼠標(biāo)修改單片機(jī)的控制參數(shù)，同時將單片機(jī)的各路電流采集值讀回微機(jī)顯示。這樣 聯(lián)網(wǎng)后可對各被控對象的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控，易于操作。

　　5 結(jié) 論　

　　選擇不同的單片機(jī)，可以組成具有較強(qiáng)抗干擾能力和運(yùn)行可靠性的產(chǎn)品，其抗干擾能力雖然不如PLC，但其較高的性能價格比，運(yùn)行效果仍然令人滿 意。和新的傳感技術(shù)相結(jié)合，可以增加包括監(jiān)測觸點(diǎn)溫度在內(nèi)的具有學(xué)習(xí)功能的智能化產(chǎn)品，和我國大量的接觸器、斷路器相組合，將是我國低壓電器擺脫落后局 面、走出低谷的有利契機(jī)，必將為提高我國低壓電器的檔次作出貢獻(xiàn)。