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基于PIC12F508的交流接觸器節電器設計
現代電子技術
陳立彬 劉剛
摘要: CJ系列交流接觸器以價格便宜及使用壽命長的優勢,廣泛應用于低壓配電,但在運行當中電能損耗大,噪音大,并且經常燒毀線圈。本文針對交流接觸器運行噪聲大,耗電高,線圈鐵心運行溫度高,易燒毀的難題,設計了一款適合CJ系列交流接觸器的節電器,主要是采用單片機PICl2F508控制可控硅的導通角,也就是控制加在負載(交流接觸器線圈)上的電壓波形,從而實現交流接觸器的大電流直流吸合,低壓小電流維持運行,達到無聲節能的目的。
關鍵詞: PIC 交流接觸器
Abstract:
Key words :

  CJ系列交流接觸器以價格便宜及使用壽命長的優勢,廣泛應用于低壓配電,但在運行當中電能損耗大,噪音大,并且經常燒毀線圈。本文針對交流接觸器運行噪聲大,耗電高,線圈鐵心運行溫度高,易燒毀的難題,設計了一款適合CJ系列交流接觸器的節電器,主要是采用單片機PICl2F508控制可控硅的導通角,也就是控制加在負載(交流接觸器線圈)上的電壓波形,從而實現交流接觸器的大電流直流吸合,低壓小電流維持運行,達到無聲節能的目的。

  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、單片機控制電路和負載等組成。單片機控制電路主要是控制可控硅的導通時間。最終加在負載(交流接觸器線圈)上的電壓波形如圖2所示。

交流接觸器的原理框圖

加在負載上的電壓波形

  在t=0~T1期間,可控硅的導通角是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t>T1后,通過單片機控制可控硅的導通時間為時間很短的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。實踐證明,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。通過單片機,能夠精確地控制時間T1和T。

  2 系統設計

  2.1 硬件電路設計

  2.1.1 單片機PIC12F508介紹

  PICl2F508是Microchip Technology生產的低成本高性能8位全靜態的基于閃存的CMOS單片機,總共只有8個管腳。它們采用RISC架構,僅有33條單字/單周期指令。除程序跳轉指令(為兩個周期)外的所有其他指令都是單周期(200 ns)的。PIC12F508本身自帶上電復位(POR)和內部振蕩模式(INTRC),使器件不再需要外部復位電路和晶振,降低了產品的開發成本。

  2.1.2 過零檢測電路

  為了確保利用單片機對可控硅的可靠控制,必須準確地判斷220 V交流電壓的過零點。綜合各個方面的考慮,本文采用光耦P521完成過零點的檢測,如圖3所示。220 V經過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。當交流220 V的零點來到時,光耦第四管腳沒有信號輸出。

過零檢測電路

  2.1.3 可控硅驅動電路

  可控硅選用BTl51,根據BT151的參數,單片機的高電平輸出就可以直接驅動BTl51,為了保護單片機,防止220 V電壓串入單片機,在控制端連接了一個二極管。如圖4所示。

可控硅驅動電路

  2.2 軟件設計

  在MPLAB-IDE中使用Hitech C編譯器,最終用C語言完成節電器的軟件設計。

  過零點判斷子程序如下:

程序

程序

  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。

電磁線圈磁鐵的磁路

  根據磁路學知識,有:

公式

  式中:φ為磁通量;μ0為真空磁導率;A為鐵芯橫截面積;N為線圈匝數;I為線圈導線電流;L1為鐵芯磁路長度;μ為鐵芯相對磁導率;L0為磁隙長度。

  電磁鐵的吸引力和φ成正比,所以當交流線圈加直流脈沖電壓啟動吸合時,吸引力增大數倍,實際觀察到的現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間,降低了線圈的發熱,延長了線圈的使用時間。

  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:

公式

  交流線圈加直流脈沖電壓時,式(1)中jωL=O,于是式(1)簡化為:

公式

  顯然,電路中的電流增加了,為了保護交流線圈不被燒毀,必須增大線圈的電阻,根據公式:

公式

  可以增加線圈的匝數或減小線徑。實際上增加線圈的匝數是不可能的(線圈的空間尺寸受接觸器結構的限制),所以只能采取減小線徑的方法。實踐證明:線徑變細后,可以節省50%以上的銅線。

  3 結語

  將該節電器應用于CJ20-250交流接觸器,最終的實驗數據表明線圈有功節電率達到90%以上。長時間吸合運行,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。

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