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。





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。



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。



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：





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。



根据磁路学知识，有：



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：



交流线圈加直流脉冲电压时，式(1)中jωL=O，于是式(1)简化为：



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：



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。