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?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)存在的問題，并提出了一種具有明顯分?jǐn)嗫诘臒o弧交流接觸器結(jié)構(gòu)，其大大提高了接觸器的電壽命，可靠地實(shí)現(xiàn)了電氣隔離。

關(guān)鍵詞：交流接觸器;電壽命;無弧通斷;分?jǐn)嗫?/p>

中圖分類號(hào)：TM572.2

Study on the Switching Technology and Methods of Arcless AC Contactor

SU Ji-peng

(Xinzhi Coal Mine of Huozhou Coal Electricity Group Co., Ltd. of Shanxi Province, Huozhou 031412, Shanxi, China)

Abstract: Describes an arcless switching program, analyzes the program of closing process and program of opening process, points out the problems of zero-current breaking control technology, and proposes a kind of structure of arcless AC contactor with obvious breaking points, which improves the electrical life of contactor greatly, and realizes electrical isolation reliably.

Keywords: AC contactor; electrical life; arcless switching; breaking points

0引言

隨著新材料新工藝的采用，交流接觸器機(jī)械壽命大幅度提高，只有機(jī)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?jǐn)噙^程也會(huì)在大分?jǐn)嚯娏饔绊懴庐a(chǎn)生強(qiáng)烈電弧影響，因此對(duì)交流接觸器分?jǐn)噙^程智能改造也是非常必需的，使得交流接觸器分?jǐn)噙^程基本實(shí)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(duì)綠色、安全、節(jié)約型電網(wǎng)建設(shè)有重要的實(shí)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(shè)備的通斷時(shí)，觸點(diǎn)間存在很強(qiáng)的飛弧。特別是頻繁啟動(dòng)和停止設(shè)備時(shí)，更易使觸點(diǎn)粘合或燒毀，需頻繁更換觸頭，增加設(shè)備維修工作量和生產(chǎn)成本，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)由于觸點(diǎn)飛弧或燒融而導(dǎo)致生產(chǎn)事故[1]。

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(yàn)方法：

a) 同步分?jǐn)嗉夹g(shù)。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(fù)電壓而不發(fā)生瞬間擊穿的距離，此時(shí)觸頭間隙不會(huì)產(chǎn)生電弧。事實(shí)上要完全實(shí)現(xiàn)同步分?jǐn)嗍鞘掷щy的;

b) 觸頭系統(tǒng)改造技術(shù)。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(shí)間，其余兩相觸頭才打開(見圖1)。通過控制中間相觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)刻，可以達(dá)到三相觸頭均在電流過零點(diǎn)前分?jǐn)嚯娐?，?shí)現(xiàn)三相電路同步分?jǐn)?。缺陷是觸頭改造系統(tǒng)同樣是結(jié)合電流過零分?jǐn)嗉夹g(shù)，實(shí)施難度比較大;

圖1 觸頭系統(tǒng)改造原理圖

c) 混合式開關(guān)技術(shù)。即在主觸頭兩端并聯(lián)電力電子器件運(yùn)行期間由主觸頭分擔(dān)電流，分?jǐn)噙^程中由電力電子器件分擔(dān)電流，實(shí)現(xiàn)微弧或無弧分?jǐn)?，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(diǎn)相結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)了接觸器的無弧通斷功能，且容易實(shí)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(gè)很復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程[2]，普通交流接觸器采用交流勵(lì)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(jī)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(dòng)鐵心吸合速度，減少觸頭彈跳幾率;同時(shí)，接觸器穩(wěn)定閉合之后采用直流小電壓便可維持運(yùn)行，從而大大降低了接觸器運(yùn)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(shí)刻)，弧度;t2為第一次激磁回路作用時(shí)間，弧度;t3為停止激磁時(shí)間段，弧度;t4為第二次激磁回路作用時(shí)間，弧度。關(guān)斷強(qiáng)激磁控制回路后，重新停止激磁信號(hào)，使交流接觸器鐵心在慣性作用下緩慢吸合，最終實(shí)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(jìn)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?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)即微電弧能量分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)[3]，目標(biāo)是使接觸器分?jǐn)噙^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?jǐn)嗉夹g(shù)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(shí)間分?jǐn)?，從而將交流電弧消滅在最初階段。零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)是對(duì)時(shí)間控制精度要求非常高的分?jǐn)嗫刂品椒?，在交流接觸器分?jǐn)噙^程起到改進(jìn)作用，該控制技術(shù)同樣存在缺陷。

由于零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)存在缺陷，提出了無觸點(diǎn)分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)，主要做法為在每相主觸頭兩端并聯(lián)1個(gè)雙向可控硅，使得分?jǐn)嗨查g可由雙向可控硅實(shí)現(xiàn)分流操作，達(dá)到無弧分閘的目的，如圖3所示。相對(duì)于零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)，無觸點(diǎn)分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)可從根本上杜絕電弧產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)真正無弧化。無觸點(diǎn)分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)對(duì)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?jǐn)噙^程中導(dǎo)通幾毫秒，所以降低了浪涌電流的沖擊影響。

圖3 無觸點(diǎn)無弧分?jǐn)嗫刂圃韴D

4 存在的問題

零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)主要有以下幾點(diǎn)技術(shù)上的不足：

a) 設(shè)計(jì)相應(yīng)的過零采樣電路，使每相觸頭輪流在零點(diǎn)進(jìn)行分?jǐn)嗖僮?，缺陷是這種控制方法每次操作過程只有1/3概率實(shí)現(xiàn)零電流分?jǐn)?

b) 由于交流接觸器制造工藝及機(jī)構(gòu)之間的差別，交流接觸器每次分?jǐn)噙^程很難保證時(shí)間穩(wěn)定，呈現(xiàn)出很大分散性，這也就使得準(zhǔn)確控制交流接觸器在某一確定時(shí)刻分?jǐn)啻嬖诤艽蠹夹g(shù)難度;

c) 零電流分?jǐn)嗍窃陔娏鬟^零之前很小的一段時(shí)間動(dòng)作，附加條件是提高交流接觸器動(dòng)作速度，這同樣會(huì)增加交流接觸器動(dòng)作機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，給分?jǐn)噙^程造成一定困難;

d) 復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)情況使得非自適應(yīng)的控制策略顯得乏力，這也進(jìn)一步增加了交流接觸器控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度。

對(duì)于無觸點(diǎn)無弧通斷方法，在接觸器主觸點(diǎn)并聯(lián)雙向可控硅后，會(huì)造成接觸器兩端無可見分?jǐn)帱c(diǎn)，沒有實(shí)現(xiàn)電氣徹底隔離，一旦可控硅出現(xiàn)故障，可能會(huì)把電源與負(fù)載端直接連通，造成嚴(yán)重后果。

5 新型結(jié)構(gòu)方案

針對(duì)無觸點(diǎn)無弧通斷方法存在潛在危險(xiǎn)，提出一種具有明顯分?jǐn)嗫诘臒o弧交流接觸器結(jié)構(gòu)。這種新結(jié)構(gòu)里包括2個(gè)電磁線圈，2套觸點(diǎn)組，圖4為新型無觸點(diǎn)無弧接觸器的內(nèi)部立體結(jié)構(gòu)示意圖。在第一觸點(diǎn)組兩端并聯(lián)雙向可控硅，以實(shí)現(xiàn)無弧通斷;當(dāng)接觸器處于斷開狀態(tài)時(shí)，第二觸點(diǎn)組斷開，用來把電源和負(fù)載完全隔離開。這種新型接觸器結(jié)構(gòu)，既保證了電路安全，又實(shí)現(xiàn)了無弧通斷。

1.靜鐵芯;2.線圈;3.動(dòng)鐵芯;4.彈簧;5.支架;6.第一觸點(diǎn)組;7.第二觸點(diǎn)組;8.可控硅導(dǎo)電連接片;9.雙向可控硅模塊

圖4 新型無弧接觸器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

由于這種新型接觸器結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生電弧，因而對(duì)接觸器觸頭具有良好保護(hù)作用，使接觸器壽命大大提高，而其中的2個(gè)線圈不強(qiáng)調(diào)分開或閉合的速度，所以只需要較小功率損耗，達(dá)到了節(jié)能降耗目的。

6 結(jié)語

采用在主觸點(diǎn)兩端并聯(lián)雙向可控硅的方法實(shí)現(xiàn)接觸器無弧通斷是最優(yōu)方法，但這種方法存在危險(xiǎn)，所以提出了一種新型的無弧接觸器結(jié)構(gòu)[4]，實(shí)驗(yàn)表明，這種結(jié)構(gòu)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(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[5]。在斷開接觸器后，電源側(cè)與負(fù)載側(cè)具有明顯分?jǐn)嗫冢煽康貙?shí)現(xiàn)了電氣隔離，這一點(diǎn)又與常規(guī)接觸器的特性完全一致。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 余鐵輝,林文生,翟國(guó)富,等.接觸器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)探討[J].機(jī)電元件,2006(6):38-45.

原標(biāo)題:無弧交流接觸器開關(guān)技術(shù)與方法的研究