關于交流接觸器吸合動態(tài)的演示過程

摘 要：敘述了無弧分合閘方案，分析了合閘過程方案及分閘過程方案，指出零電流分斷控制技術存在的問題，并提出了一種具有明顯分斷口的無弧交流接觸器結構，其大大提高了接觸器的電壽命，可靠地實現(xiàn)了電氣隔離。

0引言

隨著新材料新工藝的采用，交流接觸器機械壽命大幅度提高，只有機械壽命1/10的電壽命成為影響交流接觸器發(fā)展的瓶頸。普通交流接觸器分斷過程也會在大分斷電流影響下產(chǎn)生強烈電弧影響，因此對交流接觸器分斷過程智能改造也是非常必需的，使得交流接觸器分斷過程基本實現(xiàn)無弧化，以提高交流接觸器電壽命，最終提高交流接觸器整體性能，這對綠色、安全、節(jié)約型電網(wǎng)建設有重要的實際作用和意義。

1 無弧分合閘方案

在使用交流接觸器控制電氣設備的通斷時，觸點間存在很強的飛弧。特別是頻繁啟動和停止設備時，更易使觸點粘合或燒毀，需頻繁更換觸頭，增加設備維修工作量和生產(chǎn)成本，更嚴重時會由于觸點飛弧或燒融而導致生產(chǎn)事故。

為能消除或充分減小分合閘過程中產(chǎn)生的電弧，我們嘗試了以下幾種試驗方法：

a） 同步分斷技術。即控制交流接觸器在電流過零瞬間分開，并以較快速度拉開到足以承受恢復電壓而不發(fā)生瞬間擊穿的距離，此時觸頭間隙不會產(chǎn)生電弧。事實上要完全實現(xiàn)同步分斷是十分困難的;

b） 觸頭系統(tǒng)改造技術。使交流接觸器中間相觸頭開距不同于旁邊兩相的開距，中間相觸頭打開后，經(jīng)過小段時間，其余兩相觸頭才打開（見圖1）。通過控制中間相觸頭的分斷時刻，可以達到三相觸頭均在電流過零點前分斷電路，實現(xiàn)三相電路同步分斷。缺陷是觸頭改造系統(tǒng)同樣是結合電流過零分斷技術，實施難度比較大;

圖1 觸頭系統(tǒng)改造原理圖

c） 混合式開關技術。即在主觸頭兩端并聯(lián)電力電子器件運行期間由主觸頭分擔電流，分斷過程中由電力電子器件分擔電流，實現(xiàn)微弧或無弧分斷，提高接觸器電壽命。這種方法把雙向可控硅與接觸器主觸點相結合，真正實現(xiàn)了接觸器的無弧通斷功能，且容易實現(xiàn)，無弧通斷效果明顯。

2 合閘過程方案分析

交流接觸器吸合過程是個很復雜的動態(tài)過程，普通交流接觸器采用交流勵磁，很容易造成交流接觸器出現(xiàn)鐵芯碰撞和觸頭彈跳問題，而鐵芯碰撞是影響交流接觸器機械壽命的重要因素，觸頭彈跳又是影響交流接觸器電壽命的重要影響因素。

分段直流激磁可很好控制激磁能量以便控制動鐵心吸合速度，減少觸頭彈跳幾率;同時，接觸器穩(wěn)定閉合之后采用直流小電壓便可維持運行，從而大大降低了接觸器運行功耗。分段直流激磁控制原理如圖2所示。

圖2 分段激磁原理圖

圖2中，t1為合閘初相角（合閘時刻），弧度;t2為第一次激磁回路作用時間，弧度;t3為停止激磁時間段，弧度;t4為第二次激磁回路作用時間，弧度。關斷強激磁控制回路后，重新停止激磁信號，使交流接觸器鐵心在慣性作用下緩慢吸合，最終實現(xiàn)交流接觸器吸合過程所謂的“軟著陸”，這種激磁控制方案可最大限度減小鐵芯碰撞速度，進而減少或消除觸頭的二次彈跳問題。

3 分閘過程方案分析

零電流分斷控制技術即微電弧能量分斷控制技術，目標是使接觸器分斷過程盡可能避免電弧產(chǎn)生。交流電弧具有電流過零特性及“零休”現(xiàn)象。零電流分斷技術便利用交流電弧此特性，使交流接觸器在電流過零前的小段時間分斷，從而將交流電弧消滅在最初階段。零電流分斷控制技術是對時間控制精度要求非常高的分斷控制方法，在交流接觸器分斷過程起到改進作用，該控制技術同樣存在缺陷。

由于零電流分斷控制技術存在缺陷，提出了無觸點分斷控制技術，主要做法為在每相主觸頭兩端并聯(lián)1個雙向可控硅，使得分斷瞬間可由雙向可控硅實現(xiàn)分流操作，達到無弧分閘的目的，如圖3所示。相對于零電流分斷控制技術，無觸點分斷控制技術可從根本上杜絕電弧產(chǎn)生，實現(xiàn)真正無弧化。無觸點分斷控制技術對外圍硬件要求不是很高，降低了操作難度。雙向可控硅只是在分斷過程中導通幾毫秒，所以降低了浪涌電流的沖擊影響。

圖3 無觸點無弧分斷控制原理圖

4 存在的問題

零電流分斷控制技術主要有以下幾點技術上的不足：

a） 設計相應的過零采樣電路，使每相觸頭輪流在零點進行分斷操作，缺陷是這種控制方法每次操作過程只有1/3概率實現(xiàn)零電流分斷;

b） 由于交流接觸器制造工藝及機構之間的差別，交流接觸器每次分斷過程很難保證時間穩(wěn)定，呈現(xiàn)出很大分散性，這也就使得準確控制交流接觸器在某一確定時刻分斷存在很大技術難度;

c） 零電流分斷是在電流過零之前很小的一段時間動作，附加條件是提高交流接觸器動作速度，這同樣會增加交流接觸器動作機構的負擔，給分斷過程造成一定困難;

d） 復雜的現(xiàn)場情況使得非自適應的控制策略顯得乏力，這也進一步增加了交流接觸器控制系統(tǒng)的實現(xiàn)難度。

對于無觸點無弧通斷方法，在接觸器主觸點并聯(lián)雙向可控硅后，會造成接觸器兩端無可見分斷點，沒有實現(xiàn)電氣徹底隔離，一旦可控硅出現(xiàn)故障，可能會把電源與負載端直接連通，造成嚴重后果。

5 新型結構方案

針對無觸點無弧通斷方法存在潛在危險，提出一種具有明顯分斷口的無弧交流接觸器結構。這種新結構里包括2個電磁線圈，2套觸點組，圖4為新型無觸點無弧接觸器的內部立體結構示意圖。在第一觸點組兩端并聯(lián)雙向可控硅，以實現(xiàn)無弧通斷;當接觸器處于斷開狀態(tài)時，第二觸點組斷開，用來把電源和負載完全隔離開。這種新型接觸器結構，既保證了電路安全，又實現(xiàn)了無弧通斷。

1.靜鐵芯;2.線圈;3.動鐵芯;4.彈簧;5.支架;6.第一觸點組;7.第二觸點組;8.可控硅導電連接片;9.雙向可控硅模塊

圖4 新型無弧接觸器內部結構示意圖

由于這種新型接觸器結構不產(chǎn)生電弧，因而對接觸器觸頭具有良好保護作用，使接觸器壽命大大提高，而其中的2個線圈不強調分開或閉合的速度，所以只需要較小功率損耗，達到了節(jié)能降耗目的。

6 結語

采用在主觸點兩端并聯(lián)雙向可控硅的方法實現(xiàn)接觸器無弧通斷是最優(yōu)方法，但這種方法存在危險，所以提出了一種新型的無弧接觸器結構，實驗表明，這種結構的無弧通斷效果非常好。

這種無弧交流接觸器與常規(guī)交流接觸器使用方法和外觀完全一樣，替換方便，且具有無弧通斷功能，大大提高了接觸器電壽命，取消了特殊材料觸頭的制作并避免了所有因開斷電弧產(chǎn)生的電磁干擾和火災風險。在斷開接觸器后，電源側與負載側具有明顯分斷口，可靠地實現(xiàn)了電氣隔離，這一點又與常規(guī)接觸器的特性完全一致。
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