具有軟啟動(dòng)與無(wú)弧通斷功能交流接觸器設(shè)計(jì)

1、密級(jí)：具有軟啟動(dòng)和無(wú)弧通斷功能交流接觸器設(shè)計(jì)Design of AC Contactor with Soft-start and Non-Arc On/Off Function學(xué) 院：電氣工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào)：學(xué) 生 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： （副教授）2011 年 06 月摘 要接觸器是屬于長(zhǎng)期工作制的、用途最為廣泛的低壓電器之一。但一般的交流接觸器無(wú)論是就其自身的觸頭滅弧系統(tǒng)（動(dòng)、靜觸頭及滅弧罩等），還是其在降低大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流方面都存在常規(guī)設(shè)計(jì)所不能克服的缺點(diǎn)。如：交流接觸器的電壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其機(jī)械壽命，無(wú)法降低電動(dòng)機(jī)大電流啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓和自身使用壽命的影響等

2、等。這些缺點(diǎn)不僅會(huì)浪費(fèi)能源，增加不必要的自身?yè)p耗，甚至還會(huì)影響到電網(wǎng)中其它設(shè)備的正常使用?；诖?，本文將展開(kāi)了對(duì)交流接觸器無(wú)弧化通斷與對(duì)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)的研究。本文對(duì)目前已有的交流接觸器結(jié)構(gòu)及工作原理，進(jìn)行了詳細(xì)分析。同時(shí)就合閘、保持與分閘三個(gè)方面對(duì)交流接觸器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，進(jìn)行深入研究。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了交流接觸器的動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)量，提出軟啟動(dòng)與無(wú)弧通斷接觸器的整體方案。 該方案將利用雙向可控硅與原交流接觸器的主觸點(diǎn)相并聯(lián)，通過(guò)可控硅輔助回路在主回路通斷時(shí)進(jìn)行分流，來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)弧通斷，提高接觸器的電壽命；利用單片機(jī)信號(hào)控制輔助回路上可控硅的導(dǎo)通角，對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行調(diào)壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)，降低電

3、動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)與自身的影響；利用永磁體來(lái)保持交流接觸器的分合閘狀態(tài)，減少能量的損耗，與觸頭振動(dòng)。設(shè)計(jì)多種電源電路，對(duì)交流接觸器的各個(gè)部分進(jìn)行供電。設(shè)計(jì)主電路電壓電流檢測(cè)電路，通過(guò)對(duì)測(cè)得的電壓電流值進(jìn)行分析，證明接觸器初步具有了無(wú)弧通斷與電機(jī)軟啟動(dòng)的功能。關(guān)鍵詞：接觸器；無(wú)弧通斷；軟啟動(dòng)；永磁保持；單片機(jī)AbstractContacts are part of long-term work system, one of the most widely used low-voltage electrical appliances. But in general AC contacts, whet

4、her on its own contact arc-system (dynamic, static contact and the arc chute, etc.) or in terms of reducing the large motor starting current aspects of conventional design can not overcome the existing shortcomings. For example, AC contactor life is in far less than its mechanical life cannot reduce

5、 the motor starting current influence on power system voltage and their own life, and so on. These shortcomings will not only waste energy, adding unnecessary equipment loss, or even affect the normal use of devices. Based on these, the article will expand to the study of non-ARC AC contactor and mo

6、tor soft-start. In the article currently carry out a detailed analysis of the structure and working principle of AC contactor. At the same time in-depth study the status and development trend of domestic and foreign on the closing, maintaining, and sub-gate-three aspects of the AC contactors. On thi

7、s basis, measure dynamic parameters of AC contactors, make of soft starter and no-arc contactors as a whole program. The program will use TRIAC with the original contactors main contacts in parallel, by SCR secondary circuit in the primary circuit-break, and to achieve non-ARC-break, improving the e

8、lectrical life of contactors; Using single-chip signal control on the SCR conduction angle of the secondary circuit, the motor starting voltage to achieve motor soft-start, reduce motor starting on power system and its effects; Keep AC contactor with permanent magnet to closed, reducing energy loss,

9、 and contact vibration.Design a variety of power supply circuits used to supply power to parts of the AC contactor. Design of main circuit of voltage and current detection circuit, through the analysis of measured voltage and current values, prove that contactors Preliminarily has the non-arc on/off

10、 and motor soft-start function.Keywords: contacts; non-arc on/off; soft-start; permanent magnet to maintain; SCM 目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題研究背景、目的及意義11.2 課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)11.2.1 合閘控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀21.2.2 節(jié)能保持技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀61.2.3 分閘控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀71.2.4 其他理論技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀101.3 課題主要研究?jī)?nèi)容10第2章 CJ20-100接觸器動(dòng)作參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)112.1 引言112.2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)112

11、.2.1 設(shè)計(jì)思想與待解決問(wèn)題112.2.2 實(shí)驗(yàn)中問(wèn)題的解決辦法132.2.3 動(dòng)作參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)電路182.3 動(dòng)作參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程182.3.1 吸合時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程192.3.2 釋放時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程192.4 動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)20第3章 軟啟動(dòng)無(wú)弧通斷交流接觸器總體設(shè)計(jì)213.1 引言213.2 研究對(duì)象簡(jiǎn)介213.2.1 接觸器技術(shù)性能分析213.2.2 接觸器工作原理簡(jiǎn)述223.3硬件總體設(shè)計(jì)233.4軟件總體設(shè)計(jì)25第4章 軟啟動(dòng)無(wú)弧通斷交流接觸器硬件設(shè)計(jì)264.1 引言264.2 系統(tǒng)直流供電電源設(shè)計(jì)264.2.1 芯片5V直流電源設(shè)計(jì)264.2.2 調(diào)壓驅(qū)動(dòng)直流電源設(shè)計(jì)2

12、74.3 分合閘執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)274.3.1 分合閘執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)274.3.2 分合閘保持系統(tǒng)設(shè)計(jì)284.4 可控硅分流調(diào)壓主回路設(shè)計(jì)304.5 可控硅調(diào)壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)324.6 中央控制與測(cè)量顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)354.6.1 基本芯片介紹354.6.2 中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)374.6.3 測(cè)量顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)424.6.4 控制系統(tǒng)I/O口設(shè)計(jì)444.7 電壓電流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)44第5章 結(jié)論48參 考 文 獻(xiàn)49致謝52第1章 緒論1.1 課題研究背景、目的及意義接觸器是屬于長(zhǎng)期工作制的、用途最為廣泛的低壓電器之一，但一般的交流接觸器無(wú)論是就其自身的觸頭滅弧系統(tǒng)（動(dòng)、靜觸頭及滅弧罩等）還是其在降低大電機(jī)

13、啟動(dòng)電流方面都存在常規(guī)設(shè)計(jì)所不能克服的缺點(diǎn)1。首先，其觸頭在分?jǐn)嚯娐冯娏鲿r(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生電弧。而交流接觸器的電壽命之所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其機(jī)械壽命，主要就是因?yàn)榉謹(jǐn)噙^(guò)程中電弧的存在。在強(qiáng)力熄弧、無(wú)弧分?jǐn)喾矫嬉酝泻芏嘌芯砍晒?，但由于可靠性、工藝等諸多原因，一直未能得以推廣應(yīng)用；其次，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流達(dá)到額定電流的57倍，將引起電網(wǎng)電壓急劇下降，使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小，造成啟動(dòng)失敗，且影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)，直接啟動(dòng)勢(shì)必對(duì)電動(dòng)機(jī)本身帶來(lái)很大的沖擊力，產(chǎn)生過(guò)熱，影響使用壽命。電動(dòng)機(jī)容量越大，受影響的程度越深。雖然以往在這方面也有許多探索性研究結(jié)果，同樣由于可靠性、成本、方案復(fù)雜等原因，市場(chǎng)上成型產(chǎn)品

14、也不多見(jiàn)1。基于以上兩方面的問(wèn)題，畢業(yè)設(shè)計(jì)將針對(duì)觸頭滅弧系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)控制分別提出一種簡(jiǎn)單易行、可靠性高、成本低、性能優(yōu)的解決方案。以增加交流接觸器的電壽命，并可以使電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)，降低對(duì)電動(dòng)機(jī)自身與電網(wǎng)中其他用電設(shè)備的影響。1.2 課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)具有多種附加功能（如：軟啟動(dòng)、無(wú)弧通斷等）的永磁交流接觸器的主要理論包括：電器理論（接觸器線(xiàn)圈的勵(lì)磁方式、永磁鐵在接觸器中的使用）、電力電子理論（對(duì)接觸器進(jìn)行軟啟動(dòng)功能方面的改進(jìn)、對(duì)接觸器進(jìn)行無(wú)弧通斷功能方面的改進(jìn)、進(jìn)行軟啟動(dòng)無(wú)弧通斷接觸器控制回路的設(shè)計(jì)）、單片機(jī)技術(shù)理論（接觸器軟啟動(dòng)無(wú)弧通斷觸發(fā)信號(hào)的生成、檢測(cè)信號(hào)的顯示、接觸器軟啟動(dòng)

15、無(wú)弧通斷方面的編程）。其中具有軟啟動(dòng)和無(wú)弧通斷功能的智能化交流接觸器是目前復(fù)合型交流接觸器的主要研究趨勢(shì)，其包括合閘、保持和分閘三個(gè)部分。合閘關(guān)鍵技術(shù)分為交流激磁合閘，直流激磁合閘與無(wú)觸點(diǎn)器件對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行降壓?jiǎn)?dòng)。保持關(guān)鍵技術(shù)分為低壓直流保持和永磁保持等。分閘的關(guān)鍵技術(shù)有過(guò)零分?jǐn)嗉夹g(shù)、無(wú)觸點(diǎn)器件分流調(diào)壓技術(shù)及主觸頭系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)等2。1.2.1 合閘控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀(1) 交流勵(lì)磁技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀交流激磁指勵(lì)磁線(xiàn)圈加交流電壓3。交流激磁智能合閘操作原理是通過(guò)控制功率晶體管定時(shí)、定相導(dǎo)通線(xiàn)圈激磁電壓，其原理圖如圖1-1所示。圖1-1 交流智能合閘原理圖福州大學(xué)最早通過(guò)試驗(yàn)，得出合閘相角不同，鐵芯閉合

16、末速度不同，觸點(diǎn)振動(dòng)情況不同的結(jié)論。觸頭回跳產(chǎn)生的斷續(xù)電弧造成觸頭侵蝕，因而必須尋找合適的合閘相角以減小觸頭的回跳，從而延長(zhǎng)接觸器電壽命4,5。傳統(tǒng)的方法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到不同電壓、不同合閘相角下的觸頭振動(dòng)波形，通過(guò)觀察法檢測(cè)回跳情況從而尋找出最佳合閘相角。并通過(guò)分析與電壽命、機(jī)械壽命和接通能力最密切相關(guān)的各參量，并組成模糊綜合評(píng)判的評(píng)判因素集合，利用模糊綜合評(píng)判的方法，設(shè)計(jì)出最佳合閘相角6。CAD技術(shù)的發(fā)展為觸頭閉合動(dòng)態(tài)全過(guò)程的分析提供了虛擬分析途徑。西安交通大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)都采用了基于ANSYS軟件的虛擬樣機(jī)技術(shù)仿真接觸器動(dòng)態(tài)閉合全過(guò)程，并通過(guò)分析計(jì)算得到鐵心速度、觸頭速度等影響觸頭振動(dòng)的參

17、量。前者以鐵心速度為判據(jù)，后者以基于Game的多目標(biāo)優(yōu)化算法得到最佳合閘相角7,8。最佳合閘相角確定后，在控制的實(shí)現(xiàn)方面，引入了反饋技術(shù)。智能化的接觸器能實(shí)時(shí)檢測(cè)接觸器操作線(xiàn)圈兩端的電壓，故在不同的電網(wǎng)電壓下，吸合過(guò)程的動(dòng)態(tài)吸力特性都可以和接觸器的反力特性很好地配合，能明顯減少觸頭振動(dòng)，提高接觸器的機(jī)械壽命和電壽命9。日本富士電機(jī)公司設(shè)計(jì)的NewSC系列接觸器，采用專(zhuān)用集成電路構(gòu)成超級(jí)電磁系統(tǒng)，控制接觸器智能通斷。法國(guó)TE公司生產(chǎn)的LC-1F系列交流接觸器，采用交-直雙線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)10,11。(2) 直流激磁技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀直流激磁啟動(dòng)指激磁電壓由交流電壓改為直流電壓。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，針對(duì)某一型號(hào)交流接

18、觸器，只要加上不低于某一預(yù)定值的直流電壓，接觸器就能可靠吸合，并且一、二次彈跳明顯減弱12。同時(shí)直流激磁不產(chǎn)生交流激磁的合閘相角問(wèn)題，并且易于控制激磁能量。合閘時(shí)可以控制供電電壓的導(dǎo)通時(shí)間或大小，以改變激磁能量，從而改變合閘瞬間的觸頭速度，減少觸頭振動(dòng)時(shí)間，達(dá)到吸反力特性最佳配合。在直流激磁方面，國(guó)外研究者做了大量工作。西英格蘭大學(xué)T.S.Davies與H.Nouri將電磁系統(tǒng)改用直流激磁，對(duì)線(xiàn)圈的激磁采用如圖1-2的控制時(shí)序。智能系統(tǒng)根據(jù)線(xiàn)圈電流反饋，自動(dòng)調(diào)節(jié)激磁時(shí)間、，從而改變線(xiàn)圈激磁能量，致使接觸器主觸頭閉合瞬間速度最小，觸頭振動(dòng)時(shí)間最短13。 圖1-2 合閘電壓控制在產(chǎn)品方面，德國(guó) K

19、lockner-Moeller（金鐘-穆勒）公司設(shè)計(jì)的DILM185-820 系列交流接觸器是這方面的代表。圖1-3為DIL M185-820系列接觸器結(jié)構(gòu)分解圖。 圖1-3 DIL M185-820系列交流接觸器結(jié)構(gòu)圖該系列交流接觸器的電磁線(xiàn)圈由一脈沖整流電壓供電，按照存儲(chǔ)在微處理器中的吸反力特性最佳配合曲線(xiàn)來(lái)調(diào)節(jié)線(xiàn)圈電流。在吸合階段輸入寬脈沖電壓，使主觸頭安全可靠地吸合，且回跳時(shí)間只有 1.5ms左右，降低了觸頭電磨損，節(jié)省了大量的觸頭材料，提高了接觸器電壽命。在保持階段輸入窄脈沖電壓，在保持觸頭閉合條件下節(jié)能運(yùn)行14,15。圖1-4 合閘電壓控制美國(guó)Westinghouse（西屋）公司的

20、Advantage系列接觸器，裝有帶單片機(jī)的電子線(xiàn)路板(SURE)。利用能量平衡原理，通過(guò)監(jiān)測(cè)線(xiàn)圈電流的變化選取最佳動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)，使閉合過(guò)程中線(xiàn)圈消耗功率最小，閉合后使線(xiàn)圈功率迅速下降，使閉合速度幾乎為零，減少了觸頭的二次彈跳16。圖1-5 最小電壓激磁方式近年來(lái)國(guó)內(nèi)研究者也開(kāi)展了大量的研究工作。福州大學(xué)提出如圖 1-4 的直流脈動(dòng)電壓激磁的控制理論。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出不同電壓下的最佳延時(shí)時(shí)間參數(shù)、，存儲(chǔ)在微處理器系統(tǒng)里，接觸器可根據(jù)不同的電網(wǎng)電壓自行確定最佳運(yùn)行參數(shù)17。西安交通大學(xué)則提出最小吸合電壓理論。電網(wǎng)電壓在 85%110% 額定線(xiàn)圈電壓值波動(dòng)時(shí)，保持線(xiàn)圈電壓不變，且吸力特性?xún)H稍高于反力特

21、性9。其線(xiàn)圈供電電壓如圖 1-5 所示。(3) 軟啟動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀按照工作原理的學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行劃分，目前國(guó)內(nèi)外常用的軟啟動(dòng)技術(shù)主要可分為18：機(jī)械類(lèi)軟啟動(dòng)技術(shù)：主要通過(guò)改變機(jī)械系統(tǒng)的工作原理來(lái)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，而不依賴(lài)于電動(dòng)機(jī)本身的特性。例如：液力偶合器軟啟動(dòng)、液體黏性軟啟動(dòng)、磁粉制動(dòng)軟啟動(dòng)、低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)軟啟動(dòng)等。電機(jī)類(lèi)軟啟動(dòng)技術(shù)：通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)或改變電源特性。使得電動(dòng)機(jī)獲得良好的軟啟動(dòng)特性，而不依賴(lài)于機(jī)械系統(tǒng)的工作原理。例如：軟啟動(dòng)器軟啟動(dòng)、大功率變頻調(diào)速軟啟動(dòng)、直流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)以及開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)等。機(jī)電結(jié)合類(lèi)軟啟動(dòng)技術(shù)：軟啟動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)同時(shí)依賴(lài)于機(jī)械系統(tǒng)的工作原理和電動(dòng)機(jī)的

22、工作特性。例如雙電動(dòng)機(jī)差動(dòng)軟啟動(dòng)等。電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)也在與時(shí)俱進(jìn)地不斷發(fā)展，隨著電力電子器件技術(shù)的發(fā)展 ,電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)有幾個(gè)值得重視的分支：磁控軟起動(dòng)、SCR軟起動(dòng)、液阻軟起動(dòng)，其中以 SCR軟起動(dòng)應(yīng)用最為廣泛。為便于控制，軟啟動(dòng)器、開(kāi)關(guān)及控制電路可以設(shè)計(jì)成一個(gè)完整的電機(jī)控制中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的綜合控制及對(duì)故障的記錄與報(bào)警，可實(shí)現(xiàn)控制集成化；軟啟動(dòng)器與可編程序控制器(PLC)組合后，使控制系統(tǒng)的更為方便靈活及可靠，可實(shí)現(xiàn)控制的數(shù)字化；與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)控制的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。將軟啟動(dòng)技術(shù)引入到接觸器中來(lái)，將會(huì)是電氣設(shè)備多功能方面的進(jìn)一步嘗試。1.2.2 節(jié)能保持技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀線(xiàn)圈通交流

23、電時(shí)，鐵芯產(chǎn)生渦流和磁滯損耗。交流電產(chǎn)生的電磁吸力以?xún)杀豆ゎl脈動(dòng)，出現(xiàn)反力大于吸力的情況，鐵芯振動(dòng)產(chǎn)生噪音并加快觸頭磨損16。試驗(yàn)研究表明，在接觸器可靠吸合后，只要維持保持電壓不低于某直流值，就可以穩(wěn)定地保持吸合狀態(tài)。在運(yùn)行過(guò)程中采用降壓直流智能控制，可以減少接觸器所消耗的功率，大幅度節(jié)能降噪。在直流吸持下斷開(kāi)接觸器，釋放時(shí)間基本穩(wěn)定，有利于提高智能分?jǐn)嗟目刂凭?。圖 1-6 為降壓直流保持操作原理圖。圖1-6 降壓直流保持操作原理圖近年來(lái)剩磁原理亦應(yīng)用于接觸器的分合閘保持。永磁結(jié)構(gòu)具有斷電自保持功能，為接觸器的分合閘保持提供了更為環(huán)保、節(jié)能的途徑。1.2.3 分閘控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀(1) 滅弧

24、理論技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)階段，電弧電接觸是國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，就如何提高接觸器的滅弧能力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度進(jìn)行了研究：是研究不同材料的特性, 尋找更好的觸頭材料，提高觸頭的耐磨耐燒蝕能力。是研究新型的滅弧結(jié)構(gòu)，如采用永磁滅弧罩等，提高滅弧效率。是研究交流接觸器通斷時(shí)選相合閘的問(wèn)題，選擇更合適的閉合和斷開(kāi)相角，降低電弧的影響。是研究混合式接觸器，最大限度地減少電弧的危害。是研究限流方法減小電弧的影響。(2) 過(guò)零分?jǐn)嗉夹g(shù)確定分?jǐn)噙^(guò)程何時(shí)發(fā)生的唯一原則就是在時(shí)間允許的前提下使電弧總能量最小。對(duì)于三相電磁電路來(lái)說(shuō)，如果分?jǐn)噙^(guò)程發(fā)生在某一相電流過(guò)零時(shí)刻，此時(shí)三相電弧的總能量應(yīng)該為最小，即過(guò)零分

25、斷技術(shù)。但是由于過(guò)零檢測(cè)實(shí)現(xiàn)難度大，該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用難度較大19。(3) 無(wú)觸點(diǎn)分流調(diào)壓技術(shù)在無(wú)弧通斷方面，研究新型混合式接觸器。將電力電子器件應(yīng)用于接觸器領(lǐng)域，在觸頭滅弧系統(tǒng)采用電力電子器件雙向可控硅與接觸器觸頭并聯(lián)，通過(guò)一定的控制電路使電路的接通與分?jǐn)嗑鶎?shí)現(xiàn)無(wú)弧通斷，其原理圖如圖 1-7 所圖1-7 無(wú)弧分?jǐn)嘣韴D示。運(yùn)行期間由機(jī)械觸頭承擔(dān)電流，在分?jǐn)噙^(guò)程中，由電力電子器件承擔(dān)分?jǐn)嚯娏?。這種新方法不僅提高了分?jǐn)嗄芰Γ覝p少了接觸器開(kāi)斷電路時(shí)觸頭的電磨損，大大提高了交流接觸器的電壽命。同時(shí)，因其實(shí)現(xiàn)了無(wú)弧分?jǐn)喙δ埽谑?、礦井等易燃易爆場(chǎng)合也可獲得廣泛應(yīng)用。根據(jù)該原理，德國(guó)Klockner

26、-Moeller設(shè)計(jì)的DIL系列混合交流接觸器，采用主觸頭并聯(lián)雙向晶閘管。其電壽命已達(dá)到了300萬(wàn)次，比一般的接觸器提高了2-3倍14,20。晶閘管的控制電路可以是獨(dú)立電子元器件組成的電子延時(shí)電路，也可以是由槽隙式光耦和與觸頭聯(lián)動(dòng)的擋光槽片組成的過(guò)零觸發(fā)電路21，也可以是單片機(jī)系統(tǒng)，這是目前普遍采用的技術(shù)。但是由于電力電子器件抗浪涌能力差，導(dǎo)通時(shí)本身存在壓降，功率大，而且電源與負(fù)載沒(méi)有明顯的斷點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)完全隔離。因而新思路是采用新材料以承擔(dān)分?jǐn)嚯娏鳎颖惫I(yè)大學(xué)嘗試采用PTC新材料22。(4) 觸頭系統(tǒng)改造技術(shù)對(duì)主觸頭系統(tǒng)的改造可以提高主觸頭電壽命。加裝速斷勵(lì)磁機(jī)構(gòu)，提高分?jǐn)嗨俣?；或者改變觸

27、頭結(jié)構(gòu)，使之具有不同的開(kāi)距，配合過(guò)零分?jǐn)嗉夹g(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出首開(kāi)相的最佳分?jǐn)嗫刂茀^(qū)域。圖1-8是混合交流接觸器的原理圖。 隨著微處理器集成度及其性?xún)r(jià)比的提高，單片機(jī)被廣泛應(yīng)用于接觸器的智能控制。單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)執(zhí)行信號(hào)，自動(dòng)適時(shí)導(dǎo)通晶閘管分流，一定延時(shí)后自動(dòng)關(guān)斷電力電子器件，實(shí)現(xiàn)無(wú)弧分?jǐn)?。為了降低成本及發(fā)揮單片機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)檢測(cè)三相電流，實(shí)現(xiàn)首開(kāi)相過(guò)零分?jǐn)?。首開(kāi)相分?jǐn)嗪?，其余兩相電流方向相反，可以只用兩個(gè)單向晶閘管實(shí)現(xiàn)無(wú)弧分?jǐn)?7,23。同時(shí)改造觸頭開(kāi)距，使首開(kāi)相分?jǐn)鄷r(shí)，其余兩相電流很小?；谶@個(gè)原理還設(shè)計(jì)了組合式交流接觸器，即首開(kāi)相B相與A、C相分開(kāi)，分別用單極和兩極接觸器代替，實(shí)現(xiàn)三相

28、電流同時(shí)過(guò)零分?jǐn)?4-26。圖1-8 混合交流接觸器原理圖1.2.4 其他理論技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀由于過(guò)零分?jǐn)嚯y于控制，混合設(shè)計(jì)成本較高，國(guó)外開(kāi)展了機(jī)遇分?jǐn)噙^(guò)程電弧理論的研究，以提高觸頭電壽命。B.Capp提出了電弧電子電位模型理論，該理論指出如能保持觸頭間開(kāi)距為 0.1mm，則兩電極從電弧中接受相等的能量，因而獲得觸頭最小侵蝕。H.Nouri設(shè)計(jì)的電磁系統(tǒng)由一電子線(xiàn)路供電，在電源第一半波中以小電流激磁，讓可動(dòng)部件有一近乎常值的速度10mm/s，則第一半波結(jié)束時(shí)，觸頭開(kāi)距僅為0.1mm。第一半波后，改為大電流激磁，觸頭快速分?jǐn)唷Ｄ壳霸摷夹g(shù)的應(yīng)用僅限于小容量交流接觸器27,28。利用在分?jǐn)噙^(guò)程的金屬相和

29、氣相電弧兩種過(guò)程中，觸頭材料在陽(yáng)極陰極轉(zhuǎn)移方向相反的現(xiàn)象，J.Swingler和J.C.McBride通過(guò)控制分閘相角和燃弧延續(xù)時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)觸頭材料的零磨損。H.Nouri研究了不同材料在不同分?jǐn)嘞嘟窍碌糜|頭侵蝕情況29。1.3 課題主要研究?jī)?nèi)容(1) 采用電力電子器件與原交流接觸器的機(jī)械觸點(diǎn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)主回路的分壓分流功能;(2) 通過(guò)單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流接觸器吸合閘執(zhí)行系統(tǒng)與分流分壓電力電子器件的導(dǎo)通時(shí)間的智能控制；(3) 通過(guò)測(cè)量主回路電流與電動(dòng)機(jī)電壓，驗(yàn)證是否實(shí)現(xiàn)對(duì)交流CJ20-100接觸器的無(wú)弧通斷功能與對(duì)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)功能。第2章 CJ20-100接觸器動(dòng)作參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)2.1

30、引言本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟跍y(cè)量CJ20-100接觸器的吸合時(shí)間與釋放時(shí)間。它們的物理含義是：接觸器的吸合時(shí)間：從接觸器線(xiàn)圈通電到接觸器主觸點(diǎn)閉合的時(shí)間。接觸器的釋放時(shí)間：從接觸器線(xiàn)圈斷電到接觸器主觸點(diǎn)分開(kāi)的時(shí)間。本章將通過(guò)應(yīng)用電子電器方面的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易測(cè)量電路，對(duì)接觸器的吸合時(shí)間與分?jǐn)鄷r(shí)間進(jìn)行分別測(cè)量。2.2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2.2.1 設(shè)計(jì)思想與待解決問(wèn)題(1) 吸合時(shí)間測(cè)量的設(shè)計(jì)思想與待解決的問(wèn)題接觸器的主觸點(diǎn)閉合時(shí)，相當(dāng)于一根短路的導(dǎo)線(xiàn)，并且接觸器的主觸點(diǎn)閉合的時(shí)刻即是接觸器吸合時(shí)間結(jié)束的時(shí)刻。所以，我們要想辦法讓計(jì)時(shí)設(shè)備在短路的情況下停止計(jì)時(shí)。由于計(jì)時(shí)設(shè)備是在短路的情況下進(jìn)行計(jì)時(shí)的，并且接

31、觸器線(xiàn)圈得電的時(shí)刻，即是接觸器吸合時(shí)間的開(kāi)始時(shí)刻。所以，我們要讓接觸器線(xiàn)圈得電的同時(shí)，計(jì)時(shí)設(shè)備也處于短路狀態(tài)。(2) 釋放時(shí)間測(cè)量的設(shè)計(jì)思想與待解決的問(wèn)題接觸器的主觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，相當(dāng)于斷路的情況，并且接觸器的主觸點(diǎn)斷開(kāi)的時(shí)刻即是接觸器釋放時(shí)間結(jié)束的時(shí)刻。所以，我們要想辦法讓計(jì)時(shí)設(shè)備在斷路的情況下停止計(jì)時(shí)。由于計(jì)時(shí)設(shè)備是在斷路的情況下進(jìn)行計(jì)時(shí)的，并且接觸器線(xiàn)圈失電的時(shí)刻，即是接觸器釋放時(shí)間的開(kāi)始時(shí)刻。所以，我們要讓接觸器線(xiàn)圈失電的同時(shí)，計(jì)時(shí)設(shè)備也處于斷路狀態(tài)。(3) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)的記錄：無(wú)論是日常生活，還是生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)常要面對(duì)一些數(shù)據(jù)。當(dāng)把這些數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，或進(jìn)行整理時(shí)，首先遇到的問(wèn)題就

32、是該用幾位數(shù)字來(lái)表示這些數(shù)據(jù)。有些人認(rèn)為小數(shù)點(diǎn)后面的位數(shù)越多，數(shù)據(jù)越精確，因此不厭其煩地把所有的數(shù)字都記錄下來(lái)?？墒?，當(dāng)進(jìn)一步整理這些數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)記錄小數(shù)點(diǎn)后面一些毫無(wú)價(jià)值的數(shù)字不僅浪費(fèi)了寶貴的時(shí)間，也給后面的數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了麻煩。在這里提出了一個(gè)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)中該記錄多少位數(shù)字，或者說(shuō)數(shù)據(jù)的有效位數(shù)該如何確定。對(duì)實(shí)驗(yàn)已記錄數(shù)據(jù)的處理：在傳統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，會(huì)遇到舍入處理，進(jìn)而引入“四舍五入”法。引入“四舍五入”法，是期望在大量的數(shù)據(jù)舍入處理中，由舍和入產(chǎn)生的誤差可以相互抵消。如：舍棄位第一位為1舍去1，不進(jìn)位，把它看作-1；而把舍棄位第一位為9的進(jìn)位，把它看作1，這樣，9與1，8與2，

33、7與3，6與4經(jīng)過(guò)四舍五入之后，分別看作1與-1，2與-2，3與-3，4與-4。在大量數(shù)據(jù)中，可以認(rèn)為這些數(shù)據(jù)舍入誤差出現(xiàn)的幾率相等，因而在大量數(shù)據(jù)處理中是可以相互抵消的。但是可以看出，“四舍五入”法中，當(dāng)舍棄位第一位是5時(shí)，其舍入誤差是5,此誤差無(wú)法抵消。這就是古典的“四舍五入”法的弊端。誤差分析： 一般實(shí)驗(yàn)中的誤差可以分為以下三類(lèi)： 系統(tǒng)誤差：指測(cè)定中某種未發(fā)現(xiàn)或未確認(rèn)的因素引起的誤差。這種誤差的特點(diǎn)是具有方向性和重現(xiàn)性，即測(cè)定結(jié)果中偏大或偏小，其大小和符號(hào)在同一實(shí)驗(yàn)中完全相同。這種誤差一般由于所用儀器沒(méi)有經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，或觀測(cè)環(huán)境（如溫度、壓力和濕度等）的變化，觀測(cè)者的某種習(xí)慣等造成。過(guò)失誤差

34、：由于觀測(cè)者粗心大意、操作失誤造成的明顯與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符的誤差。這種誤差又稱(chēng)為粗差。比如，觀測(cè)者讀錯(cuò)儀器表示的數(shù)字，對(duì)于要求清零的儀器測(cè)試前忘記清零，以及記錄和計(jì)算錯(cuò)誤造成的誤差。這種誤差的特點(diǎn)是誤差沒(méi)有規(guī)律，沒(méi)有系統(tǒng)誤差所表現(xiàn)出的方向性和重現(xiàn)性。偶然誤差：在測(cè)量中消除了系統(tǒng)誤差的一切因素，同時(shí)消除了測(cè)量人員粗心大意造成過(guò)失誤差的可能性，在所測(cè)得的數(shù)據(jù)最后一位或兩位數(shù)字仍然有差別。對(duì)于具體的一次測(cè)量，其誤差可大可小、可正可負(fù)，但是如果進(jìn)行大量測(cè)試，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其平均值趨于零。這種誤差稱(chēng)為偶然誤差。偶然誤差完全由概率決定，服從統(tǒng)計(jì)定律，符合正態(tài)分布，可以運(yùn)用概率理論進(jìn)行處理。由于實(shí)驗(yàn)較為簡(jiǎn)易，實(shí)驗(yàn)中測(cè)

35、得的接觸器器吸合與釋放時(shí)間的準(zhǔn)確性會(huì)較低。所以，我們要試圖降低這個(gè)不確定性。2.2.2 實(shí)驗(yàn)中問(wèn)題的解決辦法(1) 吸合時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)中問(wèn)題的解決由于我們需要在接觸器線(xiàn)圈的得電的同時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)。在接觸器的主觸點(diǎn)閉合的同時(shí)，停止計(jì)時(shí)。并且接觸器吸合與釋放時(shí)間都是毫秒級(jí)的，所以需要用到數(shù)字毫秒計(jì)。一般的數(shù)字毫秒計(jì)如圖2-1所示。其中，圖2-1 數(shù)字式毫秒計(jì)為數(shù)碼管顯示屏：用來(lái)顯示測(cè)得的時(shí)間。為手動(dòng)復(fù)位按鈕：用來(lái)在手動(dòng)的狀態(tài)下對(duì)數(shù)字毫秒計(jì)清零。為手動(dòng)狀態(tài)與自動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換按鈕：用來(lái)進(jìn)行對(duì)數(shù)字毫秒計(jì)手動(dòng)清零方式與自動(dòng)清零方的轉(zhuǎn)換。為延時(shí)復(fù)位旋鈕：用來(lái)調(diào)節(jié)數(shù)字毫秒計(jì)在自動(dòng)清零狀態(tài)下保持記錄數(shù)值的時(shí)間長(zhǎng)短。為指

36、示燈：用來(lái)顯示數(shù)字毫秒計(jì)的工作狀態(tài)。為機(jī)控與光控轉(zhuǎn)換按鈕：用來(lái)對(duì)數(shù)字毫秒計(jì)計(jì)時(shí)條件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（機(jī)控指用機(jī)械接觸開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)控制計(jì)時(shí)的“計(jì)”和“?！?光控指利用光的被遮與否來(lái)控制毫秒計(jì)的計(jì)時(shí)動(dòng)作）。為AB轉(zhuǎn)換按鈕：在光控狀態(tài)下，用來(lái)對(duì)連續(xù)遮光計(jì)時(shí)狀態(tài)，與兩次遮光間隔計(jì)時(shí)狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在機(jī)控狀態(tài)下，用來(lái)對(duì)短路計(jì)時(shí)狀態(tài)與斷路計(jì)時(shí)狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。開(kāi)關(guān)按鈕：控制數(shù)字毫秒計(jì)的開(kāi)和關(guān)。量程選擇按鈕：用來(lái)調(diào)整數(shù)字毫秒計(jì)的測(cè)量范圍與精度。數(shù)字毫秒計(jì)是用數(shù)碼管顯示時(shí)間數(shù)字的一種精確計(jì)時(shí)儀器（數(shù)字毫秒計(jì)的面板示意圖如圖2-2所示），這種儀器的顯著特點(diǎn)是能夠測(cè)量很短的時(shí)間。一般的數(shù)字毫秒計(jì)可以測(cè)量的最小時(shí)間間隔

37、為0.1ms，最大量程為99999s。圖2-2 數(shù)字毫秒計(jì)的面板示意圖雖然數(shù)字毫秒計(jì)的種類(lèi)很多，但工作原理基本相同。它是利用石英晶體振蕩器所產(chǎn)生的10kHz的電脈沖（即每秒內(nèi)準(zhǔn)確產(chǎn)生一萬(wàn)個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖相隔的時(shí)間為0.1ms）在開(kāi)始計(jì)數(shù)和停止計(jì)數(shù)的時(shí)間間隔內(nèi)推動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，1個(gè)脈沖計(jì)一個(gè)數(shù)字。通過(guò)計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字可以知道從“計(jì)”到“停”這段時(shí)間的長(zhǎng)短，并用數(shù)碼管直接顯示出來(lái)。因此，在吸合時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)中要將數(shù)字毫秒計(jì)轉(zhuǎn)為機(jī)控短路計(jì)時(shí)狀態(tài)。并圖2-3 雙刀開(kāi)關(guān)使接觸器線(xiàn)圈得電的同時(shí)，讓數(shù)字毫秒計(jì)的輸入1端口短路即可（可以使用如圖2-3所示的雙刀開(kāi)關(guān)對(duì)兩個(gè)回路進(jìn)行同步控制來(lái)實(shí)現(xiàn)）。(2) 釋放時(shí)間測(cè)

38、量實(shí)驗(yàn)中問(wèn)題的解決由于需要在接觸器線(xiàn)圈的失電的同時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)。在接觸器的主觸點(diǎn)打開(kāi)的同時(shí)，停止計(jì)時(shí)。所以，只需要將數(shù)字毫秒計(jì)設(shè)置在機(jī)械控制狀態(tài)，斷路開(kāi)始計(jì)時(shí)與停止計(jì)時(shí)的檔位上即可。(3) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理數(shù)據(jù)的記錄：其實(shí)，數(shù)字的有效位數(shù)受測(cè)量?jī)x表和測(cè)量者的感官功能限制。如果記錄數(shù)字的位數(shù)低于這種限制，可能會(huì)失去一些有價(jià)值的信息。反之，如果高于這種限制，數(shù)字所表現(xiàn)出來(lái)的精度則是虛假精度。確定有效位數(shù)的正確做法是所取位數(shù)除末一位數(shù)字為測(cè)量時(shí)的可疑數(shù)或估計(jì)數(shù)外，其余各位數(shù)字都是準(zhǔn)確可靠的。通常末一位可疑數(shù)字上下可以有一個(gè)單位的誤差。這樣的數(shù)字稱(chēng)為有效數(shù)字。對(duì)實(shí)驗(yàn)已記錄數(shù)據(jù)的處理：其實(shí)，只要讓5自己相互

39、抵消，這個(gè)問(wèn)題就可以解決。如果我們?cè)谑褂谩八纳嵛迦搿狈〞r(shí)，人為地將舍棄位第一位是5的舍入誤差分為兩半，一半舍去，而另一半進(jìn)入，就可以在大量數(shù)據(jù)處理中使當(dāng)舍棄位第一位是5時(shí)的舍入誤差相抵消。我國(guó)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)正式頒布了數(shù)學(xué)修約規(guī)則，通稱(chēng)為“四舍六入五單雙”法則30。概括說(shuō)明如下：四舍六入五考慮，五后非零必進(jìn)一。五后皆零視奇偶，五前為偶應(yīng)舍去，五前為奇則進(jìn)一。 這一法則的具體運(yùn)用分述如下：若被舍棄的第一位數(shù)字小于5，則其前一位保持不變。如，28.2345只取三位有效數(shù)字時(shí)，其被舍棄的第一位數(shù)字為3，小于5，則有效數(shù)字應(yīng)為28.2。若被舍棄的第一位數(shù)字大于5，則其前一位數(shù)字加1。如，28.2645只

40、取三位有效數(shù)字時(shí)，其被舍棄的第一位數(shù)字是6，大于5, 則有效數(shù)字應(yīng)為28.3。若被舍棄的第一位數(shù)字等于5，而其后數(shù)字全部為零，則視被保留的末位數(shù)字為奇數(shù)還是偶數(shù)而定進(jìn)或舍。奇數(shù)時(shí)進(jìn)一，偶數(shù)時(shí)舍。如，28.350及28.250，只取三位有效數(shù)字時(shí)，則分別為28.4及28.2。若被舍棄的第一位數(shù)字等于5，而其后面的數(shù)字并非全部為零，則進(jìn)一。如，28.2501,只取三位有效數(shù)字時(shí)，則進(jìn)一，成為28.3。若被舍棄的數(shù)字包括幾位數(shù)字時(shí)，不得對(duì)該數(shù)字進(jìn)行連續(xù)的進(jìn)位或舍棄，而應(yīng)根據(jù)以上各條作一次處理。如，2.，只取三位有效數(shù)字時(shí)，應(yīng)為2.15。如果從最后一位對(duì)該數(shù)字進(jìn)行連續(xù)的處理，則可得到2.16，后者是不

41、容許的。整數(shù)的修約也應(yīng)遵照上述法則。如，23438,只取三位有效數(shù)字時(shí)，則應(yīng)為23400或2.34104。誤差分析：系統(tǒng)誤差：我們可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備給出的修正值修正。過(guò)失誤差：在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)候，我們常常會(huì)遇到個(gè)別數(shù)據(jù)偏離預(yù)期或大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果的情況，如果我們把這些數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)放在一起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可能會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，如果把這些數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單地剔除，又可能忽略了重要的實(shí)驗(yàn)信息。這里重要的問(wèn)題是如何判斷異常數(shù)據(jù)，然后將其剔除。判斷和剔除異常數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)處理中的一項(xiàng)重要任務(wù)，目前的一些方法還不是十分完善，有待進(jìn)一步研究和探索。目前人們對(duì)異常數(shù)據(jù)的判別與剔除主要采用物理判別法和統(tǒng)計(jì)判別法兩種方法。所謂

42、物理判別法就是根據(jù)人們對(duì)客觀事物已有的認(rèn)識(shí)，判別由于外界干擾、人為誤差等原因造成實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏離正常結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)判斷，隨時(shí)剔除。統(tǒng)計(jì)判別法是給定一個(gè)置信概率，并確定一個(gè)置信限，凡超過(guò)此限的誤差，就認(rèn)為它不屬于隨機(jī)誤差范圍，將其視為異常數(shù)據(jù)剔除。我們用拉依達(dá)準(zhǔn)則對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，其準(zhǔn)則如下：如果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總體x是服從正態(tài)分布的，則 (2-1)式中，與分別表示正態(tài)分布的數(shù)學(xué)期望和標(biāo)準(zhǔn)差。此時(shí)，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)大于3或小于-3數(shù)據(jù)的概率是很小的。因此，根據(jù)上式對(duì)于大于3或小于-3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為異常數(shù)據(jù)，予以剔除。 具體計(jì)算方法如下： 對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)x1, x2, x3,，xn，先計(jì)算其均值 (

43、2-2)再計(jì)算殘差 (2-3)其中i=1,2,3,n則標(biāo)準(zhǔn)差 (2-4)如果某個(gè)測(cè)量值 的殘差滿(mǎn)足 (2-5)則認(rèn)為為異常數(shù)據(jù)，予以剔除。拉依達(dá)準(zhǔn)則是最常用的異常數(shù)據(jù)判定與剔除準(zhǔn)則。偶然誤差：由于單一實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，我們可以做多次實(shí)驗(yàn)，多次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果會(huì)呈現(xiàn)正態(tài)分布的情況。所以，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的多次結(jié)果取均值來(lái)降低誤差。在求均值時(shí)，用到以下兩種方法：算術(shù)平均值：算術(shù)平均值是全部數(shù)據(jù)的代數(shù)和除以樣本量N，一般用表示。這種方法最簡(jiǎn)單，也是實(shí)際計(jì)算中最常用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特征參數(shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (2-6)均方根均值：均方根均值簡(jiǎn)稱(chēng)均方根值，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中廣泛使用。其定義式如下： (2-7)2.2

44、.3 動(dòng)作參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)電路經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆治?，設(shè)計(jì)出如圖2-4所示的接觸器動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)電路的示意圖。2.3 動(dòng)作參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程首先，將CJ20-100交流接觸器的線(xiàn)圈與主觸點(diǎn)如圖2-4所示接入實(shí)驗(yàn)測(cè)量電路中。接好電源，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。2.3.1 吸合時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程接觸器吸合時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)：（吸合時(shí)間：從接觸器線(xiàn)圈通電到接觸器主觸點(diǎn)圖2-4 CJ20-100動(dòng)作參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)電路閉合的時(shí)間）調(diào)整數(shù)字式毫秒計(jì)為輸入端點(diǎn)為短路時(shí)記錄時(shí)間，SB雙刀開(kāi)關(guān)和KM開(kāi)關(guān)為打開(kāi)狀態(tài)。閉合雙刀開(kāi)關(guān)SB，使接觸器線(xiàn)圈通電并使圖中數(shù)字式毫秒計(jì)輸入1端點(diǎn)短路，毫秒計(jì)開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間接觸器KM觸點(diǎn)閉合時(shí)，使數(shù)字式毫

45、秒計(jì)右側(cè)輸入2端點(diǎn)短路，毫秒計(jì)停止計(jì)時(shí)。這時(shí)，毫秒計(jì)所顯示的時(shí)間就是接觸器的吸合時(shí)間。為了減少實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差，重復(fù)做上述實(shí)驗(yàn)，得到10組吸合時(shí)間的數(shù)據(jù)，并記錄下來(lái)。2.3.2 釋放時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程釋放時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)：（釋放時(shí)間：從接觸器線(xiàn)圈斷電到接觸器主觸點(diǎn)分開(kāi)的時(shí)間）調(diào)整數(shù)字式毫秒計(jì)為輸入端點(diǎn)為斷路時(shí)記錄時(shí)間，SB雙刀開(kāi)關(guān)和KM開(kāi)關(guān)為閉合狀態(tài)。打開(kāi)雙刀開(kāi)關(guān)SB，使接觸器線(xiàn)圈斷電并使圖中數(shù)字式毫秒計(jì)輸入1端點(diǎn)斷路，毫秒計(jì)開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間接觸器KM觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，使數(shù)字式毫秒計(jì)輸入2端點(diǎn)斷路，毫秒計(jì)停止計(jì)時(shí)。這時(shí)，毫秒計(jì)所顯示的時(shí)間就是接觸器的釋放時(shí)間。同樣的為了減少實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差，重復(fù)做

46、上述實(shí)驗(yàn)，得到10組釋放時(shí)間的數(shù)據(jù)，并記錄下來(lái)。2.4 動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正和整理，得到如表2-1所示的數(shù)據(jù)。表2-1 動(dòng)作時(shí)間和釋放時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)12345678910平均吸合時(shí)間(ms)14.615.214.714.815.314.715.315釋放時(shí)間(ms)9.79.99.89.810.39.510.39第3章 軟啟動(dòng)無(wú)弧通斷交流接觸器總體設(shè)計(jì)3.1 引言交流接觸器的電磁系統(tǒng)在吸合過(guò)程中，線(xiàn)圈通過(guò)交流電時(shí)，其吸合特性具有很大的分散性，即吸合時(shí)間和觸頭振動(dòng)時(shí)間波動(dòng)很大。而觸頭的回跳引起的斷續(xù)電弧是影響交流接觸器電壽命的

47、主要因素，特別是在AC-4 使用類(lèi)別下，觸頭在額定電壓下要接通6倍電機(jī)額定電流的電流。研究表明，以一定的合閘相角激磁電磁線(xiàn)圈，觸頭的振動(dòng)可以較好地得到控制，存在的問(wèn)題是：一是過(guò)零檢測(cè)及合閘相角確定的高精度要求加大了合閘執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度；二是電網(wǎng)的波動(dòng)要求高精度、低相移的傳感器實(shí)時(shí)跟蹤電壓信號(hào)，增加了設(shè)計(jì)成本。交流接觸器在交流保持運(yùn)行階段，由于交流電工頻變化，導(dǎo)致吸力出現(xiàn) 50Hz脈動(dòng)，不僅產(chǎn)生噪聲還浪費(fèi)大量的電能。3.2 研究對(duì)象簡(jiǎn)介接觸器主要用作頻繁地接通或分?jǐn)嘟弧⒅绷髦麟娐?，其主要控制?duì)象是電動(dòng)機(jī)，也可以用于控制其他電力負(fù)載，如：電熱器、電焊機(jī)、電容器和照明等。接觸器的觸頭系統(tǒng)可以用電磁

48、鐵、永磁體、壓縮空氣或液壓等來(lái)驅(qū)動(dòng)，相應(yīng)地接觸器分為電磁接觸器、永磁接觸器、氣動(dòng)接觸器與液壓接觸器等。CJ20系列交流接觸器，主要用于交流50Hz額定工作電壓至 660V，額定工作電流至630A的電路中，供遠(yuǎn)距離接通和分?jǐn)嚯娐分茫⒖膳c適當(dāng)?shù)臒徇^(guò)載繼電器組合，以保護(hù)可能發(fā)生操作過(guò)負(fù)載的電路。本接觸器符合IEC60947-4-1、GB14048.4標(biāo)準(zhǔn)。3.2.1 接觸器技術(shù)性能分析本文研究的 CJ20-100為交流接觸器，接觸器的主要參數(shù)如表3-1所示。CJ20-100交流接觸器的額定電流為100A，線(xiàn)圈額定控制電源電壓Us為交流(50Hz)380V。其動(dòng)作特性是吸合電壓85%-110%，釋

49、放電壓為20%-75%。接觸器對(duì)其可靠工作的環(huán)境范圍做了如下規(guī)定：(1) 周?chē)諝鉁囟龋簽?5到+40，24小時(shí)內(nèi)其平均值不超過(guò)+35。(2) 海拔高度：不超過(guò)2000m。(3) 大氣條件：最高溫度+40時(shí)，空氣的相對(duì)濕度不超過(guò)50%。在較低溫 度下可以允許有較高的相對(duì)濕度。例如：20時(shí)達(dá)90%。對(duì)由于溫度變化偶爾產(chǎn)生的凝露應(yīng)采取特殊的措施。(4) 污染等級(jí)：3級(jí)。(5) 安裝類(lèi)別：類(lèi)。(6) 安裝條件：安裝面與垂直面傾斜度不大于5度。(7) 沖擊振動(dòng)：安裝和使用在無(wú)顯著搖動(dòng)、沖擊和振動(dòng)的地方。表3-1 CJ20-100接觸器主要參數(shù)和性能指標(biāo)CJ20-100接觸器主要參數(shù)和性能指標(biāo)接觸器型號(hào)

50、CJ20-100額定絕緣電壓Ui（V）690約定自由空氣發(fā)熱電流Ith(A)125AC-4 使用類(lèi)別下可控制的三相鼠籠型電動(dòng)機(jī)的最大功率（kW）220V380V660V285050每小時(shí)操作循環(huán)次數(shù)（次/h）1200機(jī)械壽命（萬(wàn)次）1000電壽命（萬(wàn)次）120線(xiàn)圈功率起動(dòng)/保持（VA/VA）570/613.2.2 接觸器工作原理簡(jiǎn)述交流接觸器的動(dòng)作原理是通過(guò)套在磁軛（或鐵芯）上的電磁線(xiàn)圈通過(guò)電流產(chǎn)生磁勢(shì)吸引活動(dòng)的銜鐵，直接或通過(guò)杠桿傳動(dòng)使動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸，接通電路。線(xiàn)圈失電后，靠彈簧的反力使動(dòng)觸頭恢復(fù)原位，從而分?jǐn)嚯娐?。如圖3-1所示，接觸器一般都具有下列組成部分：1電磁系統(tǒng)，2動(dòng)靜觸頭及滅

51、弧系統(tǒng)，3釋放彈簧，4聯(lián)鎖觸頭，5支座與底座等。圖3-1 交流接觸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖接觸器必須根據(jù)外界輸入信號(hào)（通過(guò)線(xiàn)圈）動(dòng)作電磁鐵，與銜鐵連在一起的觸頭支架帶動(dòng)動(dòng)觸頭向靜觸頭處移動(dòng)，于是動(dòng)靜觸頭接觸，主電路接通。在這過(guò)程的同時(shí)，一方面釋放彈簧受壓縮，另一方面聯(lián)鎖觸頭被分開(kāi)，控制回路斷開(kāi)。這就是具有常開(kāi)觸頭和常閉聯(lián)鎖觸頭的接觸器動(dòng)作原理。合閘過(guò)程（即接觸過(guò)程）是電磁鐵被激磁產(chǎn)生的電磁力大于釋放彈簧的機(jī)械反向力而完成接通任務(wù)，分閘過(guò)程（即斷開(kāi)過(guò)程）是電磁鐵失掉激磁后只有剩磁力并且小于釋放彈簧的機(jī)械反向力，所以銜鐵恢復(fù)原位，完成觸頭斷開(kāi)任務(wù)。3.3硬件總體設(shè)計(jì)具有軟啟動(dòng)與無(wú)弧通斷功能交流接觸器由中央控制系

52、統(tǒng)、電源系統(tǒng)、測(cè)量顯示系統(tǒng)、分合閘執(zhí)行系統(tǒng)、電壓電流檢測(cè)系統(tǒng)、可控硅分流調(diào)壓主回路和可控硅調(diào)壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路組成。如圖3-2所示，為具有軟啟動(dòng)與無(wú)弧通斷功能交流接觸器硬件原理圖。中央控制系統(tǒng)發(fā)出分合閘指令，控制可控硅及分合閘執(zhí)行系統(tǒng)的通斷，實(shí)現(xiàn)交流接觸器智能軟啟動(dòng)與無(wú)弧通斷。電壓電流檢測(cè)系統(tǒng)將檢測(cè)來(lái)的電壓電流信號(hào)輸送給中央控制系統(tǒng)處理，再通過(guò)測(cè)量顯示系統(tǒng)顯示。直流電源取的220V電源，經(jīng) AC-DC 變換得到系統(tǒng)所需的電源。為了讓接觸器穩(wěn)定保持在吸合狀態(tài)，并且減少功率損耗，引入永磁體代替通電線(xiàn)圈進(jìn)行吸合后的保持工作。試驗(yàn)研究表明，在接觸器可靠吸合后，只要選擇合適的永磁體替代電磁鐵，接觸器就可以穩(wěn)

53、定地保持吸合狀態(tài)。在運(yùn)行過(guò)程中采用采用永磁保持技術(shù)可以減少接觸器所消耗的功率，大幅度節(jié)能降噪。圖3-2 具有軟啟動(dòng)與無(wú)弧通斷功能交流接觸器硬件原理圖3.4軟件總體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件是控制的精髓，在判斷正確的情況下按照要求給出控制信號(hào)，完成交流接觸器的智能無(wú)弧操作。其控制流程圖如圖3-3所示，分合閘啟動(dòng)/停止信號(hào)實(shí)現(xiàn)了互鎖，防止了誤操作。圖3-3 中央控制系統(tǒng)軟件流程圖第4章 軟啟動(dòng)無(wú)弧通斷交流接觸器硬件設(shè)計(jì)4.1 引言具有軟啟動(dòng)與無(wú)弧通斷功能交流接觸器包含了電源系統(tǒng)、分合閘執(zhí)行系統(tǒng)、可控硅分流調(diào)壓主回路、可控硅調(diào)壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、中央控制系統(tǒng)、測(cè)量顯示系統(tǒng)和電壓電流檢測(cè)系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)中的軟件

54、實(shí)現(xiàn)了對(duì)分合閘執(zhí)行系統(tǒng)、可控硅分流調(diào)壓主回路的控制信號(hào)。交流接觸器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，其系統(tǒng)電源取自線(xiàn)圈激磁電源，所以需要對(duì)交流電源實(shí)現(xiàn) AC-DC 變換，提供穩(wěn)定的激磁回路電源和系統(tǒng)供電電源。采用模擬電路的分合閘執(zhí)行系統(tǒng)，提高激磁能量控制精度?？煽毓璺至髡{(diào)壓主回路采用晶閘管及其驅(qū)動(dòng)電路，要求通斷速度高、電壓電流承受能力強(qiáng)。中央控制系統(tǒng)采用單片機(jī)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制時(shí)序信號(hào)發(fā)生，提高控制穩(wěn)定性。 4.2 系統(tǒng)直流供電電源設(shè)計(jì)4.2.1 芯片5V直流電源設(shè)計(jì) 5V直流電源原理圖如圖4-1所示。POWER端接外接電源，VCC為5V直流輸出端。芯片兩側(cè)各并聯(lián)一個(gè)濾波用的電容，來(lái)降低外接高頻信號(hào)對(duì)LM-2596

55、的影響。在電壓輸出端用穩(wěn)壓管和反饋電路來(lái)確保輸出電壓的穩(wěn)定。圖4-1 5V直流電源原理圖4.2.2 調(diào)壓驅(qū)動(dòng)直流電源設(shè)計(jì)如圖4-2所示為24V調(diào)壓驅(qū)動(dòng)直流電源的原理圖。阻容電路接于火線(xiàn)側(cè)用于限流。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，1F電容輸出電流為 50mA。穩(wěn)壓管用于穩(wěn)定輸出電壓。圖4-2 24V調(diào)壓驅(qū)動(dòng)直流電源原理圖 4.3 分合閘執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)交流接觸器電磁系統(tǒng)的操作，指控制接觸器分合閘。本文提出最佳交流激磁永磁保持的方法，分合閘執(zhí)行系統(tǒng)用于控制接觸器分合閘，。4.3.1 分合閘執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于接觸器來(lái)說(shuō)，最終的目的是為了保證在任何情況下，準(zhǔn)確的發(fā)出有效的分閘信號(hào)控制接觸器的分?jǐn)?。CJ20-100接觸器采用380V/50Hz的電磁-永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此必須采用大電流的電力電子器件。考慮到產(chǎn)品的成本，本設(shè)計(jì)采用了雙向晶閘管。雙向晶閘管具有體積小，開(kāi)關(guān)速度快、操作方便、功耗低、壽命長(zhǎng)等顯著特點(diǎn)，在線(xiàn)性放大技術(shù)領(lǐng)域及各類(lèi)中小功率開(kāi)關(guān)電路中得到極為廣泛的應(yīng)用。執(zhí)行單元的硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖4-3所示，Ul為光偶，起到隔離作用。J5接接觸器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的線(xiàn)圈，J6接380V電源，與雙向可控硅連接成回路。R8為壓敏電阻，起到保護(hù)晶閘管的作