ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПО ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПРИВОДОМ КОНТАКТОРА

DOI: 10.47026/1810-1909-2024-4-98-106

УДК 621.316.53

ББК 31.264

В.Н. ПЕТРОВ, Д.Н. НИКОЛАЕВ, Д.Н. НИКИТИН

Ключевые слова: электромагнитный привод, схема управления, устройство управления, контактор с электромагнитным приводом, вакуумный контактор, широтно-импульсная модуляция, микроконтроллер, алгоритм управления, макет устройства управления, осциллограмма напряжения на обмотке, время срабатывания, ток срабатывания, ток удержания, снижение потребляемой мощности, вибрация контактов.

Одним из приоритетных научно-технологических направлений развития Российской Федерации в области энергетики направлениями развития низковольтной коммутационной аппаратуры является энерго- и ресурсосбережение. В связи с этим для обеспечения конкурентоспособности рынка электротехнической продукции актуальным является вопрос исследования и разработки низковольтной электромагнитной коммутационной аппаратуры с низкими значениями потребляемой мощности и массогабаритных показателей.

Цель исследования – снижение потребляемой мощности электромагнитного привода контактора в режиме удержания и повышение электрической износостойкости главных контактов контактора.

Материалы и методы. Базой исследования послужили существующие схемы и алгоритмы управления электромагнитным приводом, описания которых опубликованы в различных источниках информации. В качестве исходного объекта исследования был принят электромагнитный привод вакуумного контактора серии КВ1-160. Основные параметры электромагнитного привода контактора КВ1-160: номинальное напряжение управления 220 В постоянного тока, предварительно измеренные универсальным вольтметром АВМ-4306 и испытательным устройством РЕТОМ-21 значения сопротивления обмоток – 62 Ом, потребляемой мощности электромагнита контактора со штатным блоком в режиме удержания – 15,2 Вт. При выполнении исследования использовались методы анализа и синтеза, измерения, планирования и проведения эксперимента.

Результаты исследования. В работе приводятся результаты разработки и исследования устройства управления электромагнитными приводами, обеспечивающего снижение потребляемой мощности электромагнитного привода в режиме удержания, а также увеличение их электрической износостойкости. Предложена схема управления однообмоточным электромагнитным приводом. Приведено краткое описание работы макета устройства управления на базе микроконтроллера. Проведены экспериментальные исследования макета устройства управления с применением трехступенчатого алгоритма управления электромагнитным приводом.

Выводы. Результаты экспериментальных исследований показали работоспособность макетного образца устройства управления электромагнитным приводом контактора по предложенной схеме. Достигнуто уменьшение потребляемой мощности электромагнитного привода в режиме удержания, которая составила 25 Вт. Обеспечено незначительное (примерно на 10%) уменьшение времени вибрации главных контактов, что приведет к повышению их электрической износостойкости.

Литература

1. Датчик тока ACS Техническая спецификация [Электронный ресурс]. URL: https://static.chipdip.ru/lib/837/DOC011837270.pdf (дата обращения 03.06.2024).
2. Контактор вакуумный КВ1. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. URL: https://www.cheaz.ru/products/lve/contactors/vacuum/kv-1.html (дата обращения 03.06.2024).
3. Конченков В.И., Скакунов В.Н. Семейство микроконтроллеров STM32. Программирование и применение. Волгоград: ВолгГТУ, 2015. 78 с.
4. Микроконтроллер STM32F411CE6. Техническая спецификация [Электронный ресурс]. URL: https://www.st.com/en/microcontrollersmicroprocessors/stm32f411ce.html (дата обращения 03.06.2024).
5. Основы теории электрических аппаратов для электромеханических систем горных предприятий / Б.С. Заварыкин, Р.С. Кузьмин, В.А. Меньшиков, А.И. Герасимов. Красноярск: Сиб. фед. ун-т, 2014. 116 c.
6. Пат. 2310938 РФ, МПК H01F 7/18. Устройство форсированного управления электромагнитом постоянного тока / Матвеев М.Н., Арзамасов В.Л., Сергеев А.Г.; заявитель и патентообладатель. Открытое акционерное общество «Чебоксарский электроаппаратный завод». № 2006109690/09; завял. 27.03.2006; опубл. 20.11.2007, Бюл. № 32. 5 с.
7. Пат. 2349978 РФ, МПК H01F 7/18. Устройство управления электромагнитом / Ильин В.Ф., Матвеев Н.В., Данилов Н.В.; заявитель и патентообладатель. В.Ф. Ильин. № 2007104267/09; заявл. 05.02.2007; опубл. 10.08.2008, Бюл. № 8. 12 с.
8. Пат. 2636052 РФ, МПК H01F 7/18. Устройство управления электромагнитом постоянного напряжения / Гаврилов А.Ю., Зайцев М.Ю., Петров В.Н., Свинцов Г.П.; заявитель и патентообладатель. Чуваш. гос. ун-т. № 2016148989; заявл. 13.12.16; опубл. 20.11.17, Бюл. № 32. 11 с.
9. Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. М.: ДМК-Пресс, 2016. Вып. 3. 356 с.
10. Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. М.: Додэка-XXI, 2010. Вып. 1. 360 с.
11. Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. М.: Додэка-XXI, 2011. Вып. 2. 400 с.
12. Способ управления электромагнитными приводами контакторов / А.Ю. Гаврилов, Ю.М. Зайцев, И.П. Иванов и др. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2015. № 4. С. 32−36.
13. Устройство управления поляризованным электромагнитом / Н.Ю. Зайцев, Ю.М. Зайцев, С.П. Иванова и др. // Электротехника. 2023. № 8. С. 17−19.
14. Электронный блок управления двухобмоточной электромагнитной системой контактора / Г.П. Свинцов, С.П. Иванова, А.В. Михайлов и др. // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2020. № 9. С. 26–31.
15. Chen W., Tang L. Closed-Loop Control System of a Contactor Based on Single-Board RIO. In: The proceedings of the 16^th Annual Conf. of China Electrotechnical Society, LNEE, 2022, vol. 889, pp. 177–186. DOI: 10.1007/978-981-19-1528-4_18.
16. Chi C.T. A Study of Closing Adaptive Control in Electronically Controlled Intelligent Contactor. In: IEEE Region 10 Conf., 2006. DOI: 10.1109/tencon.2006.34399.
17. De Moraes P.M. d. S.D., Perin A.J. An Electronic Control Unit for Reducing Contact Bounce in Electromagnetic Contactors. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, vol. 55, iss. 2, pp. 861–870. DOI: 10.1109/TIE.2007.909073.
18. Fang S., Chen Y., Yang Y. Optimization design and energy-saving control strategy of high power dc contactor Electrical Power and Energy Systems, 2020, vol. 117. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2019.105633.
19. Liu Y.-Y., Chen D., Ji L., Geng Y. Dynamic characteristic and contact bounce analysis for an AC contactor with PWM controlled coil. In: Electrical Contacts-2 Proc. of the 53^rd IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, 2007, pp. 289–293. DOI: 10.1109/holm.2007.4318232.
20. Liu Y.-Y., Chen D., Niu C.-P., Ji L. Analysis and simulation of dynamic behavior and contact bounce for an intelligent contactor with feelback mechanism. In: Proc. of the CSEE, 2007, vol. 27(30), pp. 20–25.
21. Longfei T., Zhiping Han, Zhihong X. Neural Network-Based Co-Simulation Technology for Intelligent Contactors. IEEE Transactions on Magnetics, 2020, vol. 56, iss. 2. DOI: 10.1109/TMAG.2019.2948318.
22. Park T.-H., Kim R.-Y., Lim S.-K. Two-level excitation current driver to reduce the driving power of an electromagnetic contactor. Electronics, 2024, vol. 13(5), 916. DOI: 10.3390/electronics13050916.
23. Rakhunde Prashant A., Singh J.K. Intelligent Contactor Coil Drive Design For Soft Switching Of Load With Power Saving. International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology (IJRASET), 2017, vol. 5, iss. VI, pp. 1946–1951.
24. Sun S., Cui J., Du T. Research on the Influence of Vibrations on the Dynamic Characteristics of AC Contactors Based on Energy Analysis. Energies, 2020, no. 13(3), 559. DOI: 10.3390/en13030559.
25. Tomczuk B., Waindok A., Wajnert D. Transients in the electromagnetic actuator with the controlled supplier. Journal of Vibroengineering, 2012, vol. 14, iss. 1, pp. 39–44.

Сведения об авторах

Петров Виктор Николаевич – кандидат технических наук, доцент кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (pvn.chuvsu@yandex.ru; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2790-6390).

Николаев Дмитрий Николаевич – инженер по наладке и сервису 3-й категории, ООО НПП «ЭКРА», Россия, Чебоксары (dimannikolaev11.2000@gmail.com).

Никитин Димитрий Николаевич – инженер-программист отдела систем релейной защиты и автоматики, ООО НПП «ЭКРА», Россия, Чебоксары (nikitin_97_97@mail.ru).

Формат цитирования

Петров В.Н., Николаев Д.Н., Никитин Д.Н. Экспериментальное исследование оптимального по потребляемой мощности устройства управления электромагнитным приводом контактора // Вестник Чувашского университета. 2024. № 4. С. 98–106. DOI: 10.47026/1810-1909-2024-4-98-106.

Загрузить полный текст статьи