無弧交流接觸器的研究與應用

趙奇來

(天水長城控制電器有限責任公司，甘肅 天水 741018)

1 引言

交流接觸器是電力拖動與自動控制系統中一種應用最為廣泛的遠距離操作控制電器。在正常工作條件下，用于頻繁的接通和分斷帶有負載的主電路和大容量的控制電路。同時，接觸器也能分斷被控制設備處于非正常工作條件下的電路。交流接觸器是電器行業中不可缺失的、重要電器元件，涉及量大、面廣、可靠性要求高。

交流接觸器的工作原理是:工作時，電磁系統的線圈通電，動鐵心受到電磁吸力，它克服機械反力(反作用彈簧力、主觸頭及輔助觸頭彈簧力、摩擦力等)而被吸合，通過與動鐵心的機械連接帶動動觸頭與靜觸頭閉合，此時反力彈簧均被壓縮，儲存能量，為接觸器開斷做好準備。當線圈斷電(或電壓低于釋放電壓)時，電磁吸力小于儲存在彈簧中的機械反力，因而動鐵心返回起始位置，觸頭斷開;觸頭在斷開工程中產生的電弧將被引入至滅弧裝置內而熄弧。

隨著低壓電器技術的不斷進步，如今交流接觸器的機械壽命已達1400萬次以上，而電壽命卻只有其機械壽命的十分之一左右，主要原因是接觸器主觸點在通過負載電流的狀態下，閉合或分開時，在瞬間會產生電弧。電流越大，產生的電弧越大;電壓越高，電弧擊穿能力越強，產生的電弧越長。觸點之間由于產生的電弧溫度極高，對觸點造成損毀，溶蝕觸點，進而使其表面接觸電阻增大，造成切斷電路時間延長，甚至會產生飛狐，形成相與相之間短路;電弧嚴重時，會大面積溶蝕觸點，造成熔焊，對電氣設備安全運行帶來極大地危害。同時，由于接觸器在閉合和分斷時會產生電弧，這在一些防火、防爆要求高的場合(如石化、礦井等)是絕對不允許的。因此，研究開發無弧接觸器十分必要。

2 無弧交流接觸器設計總體方案

交流接觸器的無弧通、斷，國內外在這方面做了許多研究，并有部分研究成果，但大部分都由于其可靠性、成本、方案的可行性等因素的制約，目前應用于工控領域的產品市場份額很有限。因此，提出該無弧交流接觸器方案是在保留原接觸器成型技術優點的基礎上，消除了其在通、斷過程中所產生的電弧，減小對電網的污染和對無線電的干擾，避免了感性負載在通、斷時產生的過電壓沖擊，提高交流接觸器頻繁工作的程度和使用壽命。是一種簡單易行、安全可靠、成本低、性能優越的解決方案。

具體操作是:采用可控硅器件與交流接觸器觸頭并聯，通過可靠的光電器件組成的控制電路，對可控硅的導通和截止時間與接觸器的固有通、斷時間精確配合進行控制，實現主電路主觸在無導通電流的情況下接通和分斷。同時在主電路的正常接通期間，可控硅器件不工作，只由接觸器的觸點保持電路的接通狀態，這樣也可以解決單純采用無觸點通、斷接觸器抗浪涌能力差的缺陷，確保交流接觸器的可靠運行。

3 交流接觸器無弧通、斷的工作原理

交流接觸器無弧通、斷原理如圖1所示。

圖1

以CJ20－315A交流接觸器為例對圖1所示原理加以說明。315A交流接觸器的固有動作參數為:吸合時間18ms，釋放時間12ms。在圖中交流接觸器的每相主觸點兩端并聯一個雙向可控硅模塊，可控硅觸發控制電路與接觸器線圈同時得電和失電。當給接觸器線圈通電時，該觸發控制回路可在得電后10ms時給出觸發信號，使三對雙向可控硅瞬間導通，經過8ms后，即18ms時，接觸器的三對常開觸點閉合，此時，盡管仍有觸發信號加在可控硅的觸發端，由于接觸器閉合的觸點將可控硅的陰陽極短路，所以可控硅處于不工作狀態，即可控硅只在電路接通的瞬間工作幾個ms，其后的電路接通工作由接觸器的觸點來完成;當接觸器要開斷電路(即接觸器線圈斷電)時，在接觸器觸點完全打開之前，由于觸點間接觸電阻的急劇增加，觸點兩端壓降急劇上升，當此壓降僅達到8～10V左右時，由于圖中的觸發控制電路在失電后可保持15ms之內一直給出觸發信號(依靠電容儲能)，這樣與觸點并聯的可控硅在其兩端壓降達到8～12V時，就足以使可控硅轉變成導通工作狀態，隨著接觸器觸點的即將打開，流經觸電的電流，由于觸點的接觸電阻急劇增大而轉移到與之并聯、且已變成導通工作狀態的可控硅上，在12ms時，接觸器的觸點率先打開，由于幾乎沒有電流通過觸點(電流已幾乎全部轉移到可控硅上)，打開時不會產生電弧，經過3ms后，即15ms時，觸發控制電路停止給出觸發信號，可控硅截止，從而實現無弧開斷電路。整個工作過程就實現了交流接觸器的無弧通、斷。

4 無弧交流接觸器的工藝保證

(1)現在市場上應用的主要是普通交流接觸器，其觸頭系統、電磁系統及整體結構的加工工藝都已趨于成熟和穩定。要實現交流接觸器的無弧通、斷功能，在保證除滅弧系統之外的其他結構基本保持不變的前提下，對其原滅弧裝置進行必要的改造。因為實現了觸頭間無弧通、斷，因此其原有滅弧罩失去作用，可將其用一個絕緣材料制成的外殼替代，在新的外殼之內置入三個雙向可控硅及其控制電路板，保證原接觸器的其他功能特性和外形尺寸不變，這樣對大量推廣該產品十分有益，替代普通交流接觸器，可提高其使用壽命，降低用戶成本以及節能環保等多方面顯得非常必要。

(2)雙向可控硅元件可采用耐高溫、抗干擾的片式可控硅，將其與導電母排用高溫粘接技術進行連接，然后將可控硅主回路以及其控制電路板一同固化于新的絕緣外殼里面，再安裝到接觸器主體上，形成無弧交流接觸器。這些技術已經在樣機上做過實驗，有效可行，應該大力推廣。

5 結語

將電力電子器件雙向可控硅及其控制電路應用于接觸器領域，實現交流接觸器的無弧通、斷。通過該項技術的應用，可大大減小接觸器觸頭的燒結、熔焊及磨損現象，提高交流接觸器的使用壽命。同時，在石化、礦井等易燃易爆場合得到廣泛的應用，為國家在節能環保方面做出必要的貢獻。

［1］GB14048.4－2003低壓開關設備和控制設備:機電式接觸器和電動機起動器［S］.

［2］GB14048.5－2008低壓開關設備和控制設備:第5－1部分控制電路電器和開關元件，機電式控制電路電器［S］.

［3］GB/T14048.12－2006低壓開關設備和控制設備:第4－3部分接觸器和電動機起動器，非電動機負載用交流半導體控制器和接觸器［S］.