CJ系列交流接觸器以價(jià)格便宜及使用壽命長的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于低壓配電，但在運(yùn)行當(dāng)中電能損耗大，噪音大，并且經(jīng)常燒毀線圈。本文針對交流接觸器運(yùn)行噪聲大，耗電高，線圈鐵心運(yùn)行溫度高，易燒毀的難題，設(shè)計(jì)了一款適合CJ系列交流接觸器的節(jié)電器，主要是采用單片機(jī)PICl2F508控制可控硅的導(dǎo)通角，也就是控制加在負(fù)載(交流接觸器線圈)上的電壓波形，從而實(shí)現(xiàn)交流接觸器的大電流直流吸合，低壓小電流維持運(yùn)行，達(dá)到無聲節(jié)能的目的。
1 電路工作原理
圖1是交流接觸器的原理框圖，主要由220 V交流電輸入、可控硅、單片機(jī)控制電路和負(fù)載等組成。單片機(jī)控制電路主要是控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間。最終加在負(fù)載(交流接觸器線圈)上的電壓波形如圖2所示。
在t=0～T1期間，可控硅的導(dǎo)通角是180°，加在交流接觸器線圈上的電壓波形是脈動的直流正弦半波，線圈獲得大電流，接觸器吸合。當(dāng)t>T1后，通過單片機(jī)控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間為時(shí)間很短的T，加在交流接觸器線圈上的電壓波形是直流窄脈沖波，剛好能使接觸器維持在吸合狀態(tài)。實(shí)踐證明，T1取60 ms就能使接觸器可靠地吸合；T取2 ms，就能使接觸器可靠地維持在吸合狀態(tài)。通過單片機(jī)，能夠精確地控制時(shí)間T1和T。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1．1 單片機(jī)PIC12F508介紹
PICl2F508是Microchip Technology生產(chǎn)的低成本高性能8位全靜態(tài)的基于閃存的CMOS單片機(jī)，總共只有8個(gè)管腳。它們采用RISC架構(gòu)，僅有33條單字／單周期指令。除程序跳轉(zhuǎn)指令(為兩個(gè)周期)外的所有其他指令都是單周期(200 ns)的。PIC12F508本身自帶上電復(fù)位(POR)和內(nèi)部振蕩模式(INTRC)，使器件不再需要外部復(fù)位電路和晶振，降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本。
2．1．2 過零檢測電路
為了確保利用單片機(jī)對可控硅的可靠控制，必須準(zhǔn)確地判斷220 V交流電壓的過零點(diǎn)。綜合各個(gè)方面的考慮，本文采用光耦P521完成過零點(diǎn)的檢測，如圖3所示。220 V經(jīng)過120 kHz的電阻降壓后，加載到光耦的輸入端，光耦的輸出端接到PICl2F508的端口GPl。當(dāng)交流220 V的零點(diǎn)來到時(shí)，光耦第四管腳沒有信號輸出。
2．1．3 可控硅驅(qū)動電路
可控硅選用BTl51，根據(jù)BT151的參數(shù)，單片機(jī)的高電平輸出就可以直接驅(qū)動BTl51，為了保護(hù)單片機(jī)，防止220 V電壓串入單片機(jī)，在控制端連接了一個(gè)二極管。如圖4所示。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
在MPLAB-IDE中使用Hitech C編譯器，最終用C語言完成節(jié)電器的軟件設(shè)計(jì)。
過零點(diǎn)判斷子程序如下：
2．3 交流接觸器電磁線圈改造
2．3．1 交流接觸器電磁線圈磁路分析
電磁線圈磁鐵的磁路如圖5所示。
根據(jù)磁路學(xué)知識，有：
式中：φ為磁通量；μ0為真空磁導(dǎo)率；A為鐵芯橫截面積；N為線圈匝數(shù)；I為線圈導(dǎo)線電流；L1為鐵芯磁路長度；μ為鐵芯相對磁導(dǎo)率；L0為磁隙長度。
電磁鐵的吸引力和φ成正比，所以當(dāng)交流線圈加直流脈沖電壓啟動吸合時(shí)，吸引力增大數(shù)倍，實(shí)際觀察到的現(xiàn)象是交流接觸器吸合聲音清脆、有力，大大減少了接觸器的啟動吸合時(shí)間，降低了線圈的發(fā)熱，延長了線圈的使用時(shí)間。
2．3．2 線圈通過的電流
交流接觸器電磁線圈通過的電流為：
交流線圈加直流脈沖電壓時(shí)，式(1)中jωL=O，于是式(1)簡化為：
顯然，電路中的電流增加了，為了保護(hù)交流線圈不被燒毀，必須增大線圈的電阻，根據(jù)公式：
可以增加線圈的匝數(shù)或減小線徑。實(shí)際上增加線圈的匝數(shù)是不可能的(線圈的空間尺寸受接觸器結(jié)構(gòu)的限制)，所以只能采取減小線徑的方法。實(shí)踐證明：線徑變細(xì)后，可以節(jié)省50％以上的銅線。
3 結(jié)語
將該節(jié)電器應(yīng)用于CJ20-250交流接觸器，最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明線圈有功節(jié)電率達(dá)到90％以上。長時(shí)間吸合運(yùn)行，接觸器無聲，接觸器線圈、鐵心基本無溫升，大大延長了線圈壽命。