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接触器线圈可控硅基于PICl2F508的交流接触器节电器设计

CJ系列交流接触器以价格便宜及使用寿命长的优势,广泛应用于低压配电,但在运行当中电能损耗大,噪音大,并且经常烧毁线圈。本文针对交流接触器运行噪声大,耗电高,线圈铁心运行温度高,易烧毁的难题,设计了一款适合CJ系列交流接触器的节电器,主要是采用单片机PICl2F508控制可控硅的导通角,也就是控制加在负载(交流接触器线圈)上的电压波形,从而实现交流接触器的大电流直流吸合,低压小电流维持运行,达到无声节能的目的。

  1 电路工作原理

  图1是交流接触器的原理框图,主要由220 V交流电输入、可控硅、单片机控制电路和负载等组成。单片机控制电路主要是控制可控硅的导通时间。最终加在负载(交流接触器线圈)上的电压波形如图2所示。

交流接触器的原理框图

加在负载上的电压波形

  在t=0~T1期间,可控硅的导通角是180°,加在交流接触器线圈上的电压波形是脉动的直流正弦半波,线圈获得大电流,接触器吸合。当t>T1后,通过单片机控制可控硅的导通时间为时间很短的T,加在交流接触器线圈上的电压波形是直流窄脉冲波,刚好能使接触器维持在吸合状态。实践证明,T1取60 ms就能使接触器可靠地吸合;T取2 ms,就能使接触器可靠地维持在吸合状态。通过单片机,能够精确地控制时间T1和T。

  2 系统设计

  2.1 硬件电路设计

  2.1.1 单片机PIC12F508介绍

  PICl2F508是Microchip Technology生产的低成本高性能8位全静态的基于闪存的CMOS单片机,总共只有8个管脚。它们采用RISC架构,仅有33条单字/单周期指令。除程序跳转指令(为两个周期)外的所有其他指令都是单周期(200 ns)的。PIC12F508本身自带上电复位(POR)和内部振荡模式(INTRC),使器件不再需要外部复位电路和晶振,降低了产品的开发成本。

  2.1.2 过零检测电路

  为了确保利用单片机对可控硅的可靠控制,必须准确地判断220 V交流电压的过零点。综合各个方面的考虑,本文采用光耦P521完成过零点的检测,如图3所示。220 V经过120 kHz的电阻降压后,加载到光耦的输入端,光耦的输出端接到PICl2F508的端口GPl。当交流220 V的零点来到时,光耦第四管脚没有信号输出。

过零检测电路

  2.1.3 可控硅驱动电路

  可控硅选用BTl51,根据BT151的参数,单片机的高电平输出就可以直接驱动BTl51,为了保护单片机,防止220 V电压串入单片机,在控制端连接了一个二极管。如图4所示。

可控硅驱动电路

  2.2 软件设计

  在MPLAB-IDE中使用Hitech C编译器,最终用C语言完成节电器的软件设计。

  过零点判断子程序如下:

程序

程序

  2.3 交流接触器电磁线圈改造

  2.3.1 交流接触器电磁线圈磁路分析

  电磁线圈磁铁的磁路如图5所示。

电磁线圈磁铁的磁路

  根据磁路学知识,有:

公式

  式中:φ为磁通量;μ0为真空磁导率;A为铁芯横截面积;N为线圈匝数;I为线圈导线电流;L1为铁芯磁路长度;μ为铁芯相对磁导率;L0为磁隙长度。

  电磁铁的吸引力和φ成正比,所以当交流线圈加直流脉冲电压启动吸合时,吸引力增大数倍,实际观察到的现象是交流接触器吸合声音清脆、有力,大大减少了接触器的启动吸合时间,降低了线圈的发热,延长了线圈的使用时间。

  2.3.2 线圈通过的电流

  交流接触器电磁线圈通过的电流为:

公式

  交流线圈加直流脉冲电压时,式(1)中jωL=O,于是式(1)简化为:

公式

  显然,电路中的电流增加了,为了保护交流线圈不被烧毁,必须增大线圈的电阻,根据公式:

公式

  可以增加线圈的匝数或减小线径。实际上增加线圈的匝数是不可能的(线圈的空间尺寸受接触器结构的限制),所以只能采取减小线径的方法。实践证明:线径变细后,可以节省50%以上的铜线。

  3 结语

  将该节电器应用于CJ20-250交流接触器,最终的实验数据表明线圈有功节电率达到90%以上。长时间吸合运行,接触器无声,接触器线圈、铁心基本无温升,大大延长了线圈寿命

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