交流接触器是一种频繁通断的低压电器，广泛应用于电力系统主电路及电机等的控制[1-2]。随着对接触器需求的不断增加，对其动态特性及其可靠性提出了越来越高的要求[3-4]。智能接触器能够对接触器吸合与保持过程进行智能控制，能有效地提高接触器工作性能和使用寿命，逐渐成为了接触器研究的热点[5-7]。参考文献[8]研究了交流接触器的智能化控制与设计技术,利用智能控制技术实现了接触器的智能控制。参考文献[9]中提出了一种带反馈控制的智能交流接触器，利用脉宽调整及反馈技术，自动调节线圈电压，使吸合过程的动态吸力与反力合理配置。参考文献[10]对交流接触器温度场进行仿真，并分析其影响因素。通过分析交流接触器主回路和电磁系统发热和散热过程，建立了接触器的稳态热分析模型。提出了计算电磁系统线圈和分磁环的功率损耗的方法。但是，目前对智能交流接触器的研究主要集中在控制系统的设计、动态特性的优化与仿真等，而关于环境温度对接触器动态特性的影响及温度补偿控制的研究较少。

传统的交流接触器通常要求在-5℃~40℃环境温度下工作，可靠吸合。但随着接触器使用范围及工作频率的增大，接触器线圈工作温度可能达到60℃~70℃甚至更高，这将影响接触器正常工作。本课题通过研究分析环境温度与接触器吸合动态特性的关系，提出了一种基于带反馈控制的PWM（脉宽调制）型智能交流接触器的温度补偿技术的策略。通过实时检测输入电压、线圈温度及反馈查表控制输出吸合脉宽调制占空比及强激磁时间，优化动态合闸过程，进一步提高接触器工作适用环境温度范围、使用寿命和智能化程度。
1 智能交流接触器工作原理
本文研究的是一种带反馈控制的PWM（脉宽调制）型智能交流接触器，通过智能控制系统来控制接触器。图1为智能交流接触器框图。

智能控制系统主要由检测子系统和调压控制子系统构成。检测子系统包括电压检测和温度检测电路。电压检测通过变压、极性转换及放大等电路检测输入电压，并调理输出到单片机的A/D输入端口。温度检测由温度传感器及放大调理电路构成，实时检测接触器线圈温度。控制调压子系统主要由单片机、绝缘栅功率三极管（IGBT）及其驱动电路组成。单片机根据电压大小输出相应大小占空比的脉宽调制（PWM）波，再由IGBT驱动电路放大后，控制IGBT的通断时间，即通过改变脉宽调制占空比来调节线圈输入电压。输入电压不变，占空比越大，线圈输入平均电压越大。
根据GB14048.4-93规定，接触器应满足在85%~110%额定电压波动下可靠吸合。为了保证低电压可靠吸合，在吸合过程中，当输入电压在75%~110%额定电压范围波动时，智能接触器通过调压系统，线圈输入电压Ux保持不变，接触器可靠吸合，避免了电压波动对接触器的影响。当输入电压超出75%~110%额定电压范围，接触器不吸合，防止欠压、过压导致接触器非正常工作。在保持过程，线圈输入电压等于Uk保持不变；其中，Uk<

由图2可以看出，保持阶段线圈电压调整占空比很小，使得接触器以小电流、低电压保持吸合状态，大大地减低了接触器的保持功耗。研究表明，智能交流接触器较同规格传统交流接触器，其节能效果在90%以上。
2 动态特性分析
2.1 吸合过程的分析
由接触器动态特性分析可知，在输入电压不变的情况下，环境温度越高，线圈电阻增大，线圈电流减小，导致吸力减小。在吸合触动阶段，吸力小于反力，接触器将无法吸合；在吸合运动阶段，若吸力小于反力，铁心运动减速，速度为负时，铁心开始反向运动。对于智能交流接触器，可调节吸合PWM调制占空比及其强激磁时间来方便地控制接触器吸合过程电磁吸力。
2.2 实验研究与分析
本文通过实验来验证上述结论。以智能交流接触器为实验对象，实验环境温度为60℃，实验对比合闸强激磁时间调整前后合闸过程的电流、位移及PWM调制波等变化情况。其中，位移由激光位移测试装置测试得到。实验结果如图3所示。

由实验结果可看，强激磁时间偏小时，接触器无法可靠吸合。增加强激磁时间，可保证接触器可靠吸合，但时间过长，则导致了铁心合闸末速度过大，剧烈碰撞影响机械寿命。闭合后PWM过大，导致电流上升，使线圈发热影响线圈寿命。选择合适的强激磁时间，使接触器以较小的速度合闸，同时保证可靠吸合。由此可见，通过合理调整PWM占空比及强激磁时间是一种补偿温度变化的有效方法。
3 温度补偿控制策略的研究与优化
3.1 温度补偿控制流程
　　根据上述智能接触器动态特性分析与实验结果，提出一种动态反馈控制的温度补偿控制策略，以电压与温度作为反馈量，以PWM占空比和强激磁时间作为控制量，建立动态控制表对接触器吸合过程进行控制。图４给出了控制流程图。

　智能控制系统首先判断输入电压值是否在75%~ 110%额定电压范围。若不在此阈值范围内，则微控制器不输出PWM波，线圈处于截止状态，控制电路继续采样输入电压值。当输入电压在此阈值电压范围内时，系统根据电压和温度，查表控制输出合闸PWM调制波，接触器开始吸合。其中，动态输出控制表为各工作电压和环境温度下的最优吸合PWM调制占空比及其强激磁时间。
3.2 控制优化与结果分析
以接触器可靠合闸为约束条件，以合闸末速度最低为目标，通过动态特性计算与实验，寻找各工作电压和环境温度下的最优占空比及强激磁时间，建立得到动态输出控制表。表1 给出了部分工作电压和温度下的最佳占空比αp及其强激磁时间tp。
从表1结果可知，输入电压与PWM占空比成反比，输入电压偏低时，增大占空比；偏高时，减小占空比，使线圈电压保持相对平衡。根据环境温度的变化情况，调整强激磁时间；温度低时，缩短强激磁时间，温度高时，增大强激磁时间，以保证接触器可靠吸合。通过采用温度补偿及反馈控制的智能交流接触器使温度和电压范围有了明显的提高。

通过反馈控制技术，接触器在各电压和各温度下合闸过程得到了一定的优化。图5给出了传统交流接触器与智能交流接触器在不同电压的合闸末速度对比结果；图6给出了不同温度下强激磁时间固定与动态控制补偿方案下合闸末速度对比结果。

通过对比不同工作电压下传统接触器与带反馈控制的智能接触器的合闸末速度的实验结果可以看到，随电压变化，传统接触器合闸末速度变化较大；智能交流接触器通过电压反馈控制，使合闸末速度基本不变，有效地抑制了电压波动对合闸的影响。通过对比不同温度下强激磁时间固定与动态控制补偿方案下的合闸速度实验结果可以看到，强激磁时间固定补偿方案，采用较长的强激磁时间补偿温度导致接触器在温度较低时合闸速度过大。动态控制补偿方案根据温度变化调整强激磁时间，接触器始终以较低的速度合闸，减轻了触头及铁心的碰撞。
智能交流接触器温度补偿控制策略以脉宽调制控制技术控制接触器合闸。研究各工作电压和环境温度下的最佳控制PWM占空比和强激磁时间，建立动态控制表，查表计算输出PWM波控制接触器合闸。温度补偿控制策略能有效地补偿温度变化对接触器的影响，保证高温环境可靠吸合；优化接触器吸力与反力特性，以最优的方式合闸，减轻了触头及铁心的碰撞，接触器工作性能和寿命得到提高。
参考文献
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