基于光耦的三相混合式交流接觸器的研究

謝寶河，黃蔚偈，劉向軍

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108)

1 前言

低壓電器的開關電弧是影響電器壽命以及電器安全可靠運行的關鍵因素，研究如何使電器實現少弧甚至是無弧，對于提高電器電壽命具有極其重要的意義。

接觸器是一種用于遠距離頻繁地接通和分斷交直流主電路及大容量控制電路的電器，主要控制對象是電動機，在低壓配電、控制中應用非常廣泛［1－3］。頻繁切換主電路負載時產生的電弧決定了接觸器的電壽命長短，如何使接觸器的通斷實現少弧甚至是無弧成為電器研究者們孜孜不倦的追求。晶閘管等無觸點開關器件由于其具有開關速度快、工作可靠、能與邏輯電路兼容等優點越來越多被應用于控制上。由于晶閘管等電力電子器件導通時仍存在電阻，盡管數值不大，但在長時間通大電流時晶閘管會發熱，嚴重時會導致晶閘管燒毀。因此，考慮將晶閘管并聯在接觸器主觸頭兩端，并適時地觸發晶閘管導通、關斷，使接觸器既能實現無弧或少弧接通和分斷，又不至于使晶閘管長時間大電流情形下工作而燒壞［4，5］。

現今已有用單片機控制觸發晶閘管實現開關過程中無弧接通和分斷的智能型混合式交流接觸器的文章，如新型智能混合式交流接觸器［2］、智能混合式無弧交流接觸器的研究［3］等，和專利“智能型混合式交流接觸器［4］”(專利號 CN00242121.6)，采用單片機系統對采用兩個或三個晶閘管的混合式交流接觸器進行無弧分斷的控制，這些都是很好的方案。但是由于這些方案實現的是智能控制，控制系統復雜，且成本較高，至今未有成熟的產品投入市場。本文提出一種新的混合式交流接觸器控制方案，利用以光耦為核心的簡單的控制電路實現對晶閘管導通和關斷的控制，從而無弧地通斷電路。與單片機控制觸發晶閘管方式相比，具有成本低、控制方法簡單、易產品化等優點。本技術已獲得中國實用新型專利(專利號:CN200910306608.6)［6］。

2 工作原理

本文采用電容降壓，電容儲能，控制電路采用光耦實現接觸器線圈勵磁電源與三相主電路的隔離，并為三相雙向晶閘管提供光耦控制的開關信號，無須專門配置電源與電流互感器。控制原理框圖如圖1所示。交流220V一路直接控制接觸器線圈分合閘，另一路由接觸器自身的一個常開輔助觸頭控制，經一個RC電路降壓，再經過整流電路，將交流電轉變為直流電，為晶閘管觸發電路提供電源。觸發電路以光耦作為主電路和控制電路之間的強弱電隔離，并以其副邊的開關量信號來保證雙向晶閘管處于等待導通狀態或關斷狀態。在接觸器接通過程中，如果滿足接通條件，光耦導通，給雙向晶閘管門極一個驅動電流，使晶閘管先于觸頭導通。當主觸頭閉合后，利用觸頭壓降遠低于雙向晶閘管導通壓降的特點，電流自動從雙向晶閘管轉移到主觸頭上，實現主電路無弧接通，此后晶閘管處于等待導通狀態。在接觸器分斷時，由RC充放電回路中電容放電繼續給雙向晶閘管門極一個驅動電流信號，使晶閘管仍然處于等待導通狀態。一旦主觸頭打開，晶閘管兩端電壓高于導通電壓，晶閘管導通，使電流從主觸頭自動轉移到雙向晶閘管，實現主電路無弧分斷。當電容放電電量不滿足要求時，光耦副邊關斷，晶閘管門極不再有驅動電流，此時雙向晶閘管過零自動關斷。

圖1 混合式交流接觸器控制原理框圖

2.1 晶閘管門極驅動電路電源設計

晶閘管門極驅動電路電源有兩種方式提供，一是直接由外界提供一個獨立的直流電源，二是通過變壓器將交流220V電壓降壓再整流得到。前者成本高也不實用;后者因變壓器體積、重量較大，對空間需求較大，不符合現今對電器日趨小型化的要求。利用電容降壓是一種行之有效的方法。其工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產生的容抗來降壓。經整流濾波后得到晶閘管門極所需的電壓值。該設計方法能夠大大減小控制電路體積，并降低成本。考慮到要保證接觸器在線圈電壓低于額定電壓85%時應不動作，此時晶閘管門極驅動電流應在觸發電流值以下，否則，晶閘管將導通導致電路接通造成誤動作。因此，本設計采用接觸器的一個常開輔助觸頭作為晶閘管觸發電路的電源開關。經過對CJ40－63接觸器主觸頭與常開輔助觸頭的動作參數進行實驗測試得出:閉合時，主觸頭比常開輔助觸頭先閉合約1.5ms;斷開時，常開輔助觸頭比主觸頭先斷開約2ms。這表明閉合過程主觸頭先于輔助觸頭閉合，將輔助觸頭作為晶閘管觸發電路的控制開關將無法實現晶閘管先于主觸頭導通的目標，閉合過程無法實現無弧接通，但由于閉合時電弧相對較弱，所以本文主要針對接觸器無弧分斷過程的控制。產品化時，可考慮減小一對常開輔助觸頭行程，讓其比主觸頭先閉合，這樣就可以實現接觸器的無弧接通和分斷。

2.2 晶閘管觸發電路的設計

混合式交流接觸器是在三相觸頭上分別反并聯一對單向晶閘管(或接一個雙向晶閘管)。在主觸頭分斷電路期間，主電路電流從觸頭轉移至晶閘管，實現觸頭的無弧分斷，從而具有比普通交流接觸器高得多的電壽命與操作頻率［2］。

本文采用在接觸器三相主觸頭上分別并聯一個雙向晶閘管的方案。利用光耦將主電路和晶閘管觸發電路隔離開來。在分斷過程中，常開輔助觸頭斷開，晶閘管的觸發電路失電，RC充放電電路中的電容開始放電，光耦導通，晶閘管繼續處于觸發導通狀態，當觸頭分斷時，主電路電壓加在晶閘管上，使晶閘管兩端電壓高于其導通電壓，主電路中的電流便從接觸器的主觸頭轉移到晶閘管上，從而實現接觸器無弧分斷。

由于常開輔助觸頭和主觸頭的斷開延時只有幾毫秒之差，故只要設置極小的電容回路放電延時就能夠可靠觸發晶閘管導通，保證接觸器線圈斷電后晶閘管門極仍有觸發電流。

本文設計的混合式交流接觸器的電路圖如圖2所示。

3 實驗測試與結果分析

本實驗選用CJ40－63接觸器作為研究對象，對控制電路進行實際帶載測試。實驗測試電路圖如圖3所示。圖中，Z1－Z3表示接觸器的三相負載(以星型接法為例)。CT1、CT2、CT3、CT4表示四個電流互感器，其中，CT1用來測試接觸器觸頭信號，CT2－CT4用來測試接觸器三相負載信號。用四通道示波器拍攝觸頭與三相負載電流波形。

圖2 混合式交流接觸器的電路圖

圖3 實驗測試電路圖

圖4為示波器實測的電流波形。

圖4 示波器實測的電流波形

如圖4所示，通道1為接觸器主觸頭信號，通道2～4為三相負載電流信號。從圖中可看出，在接觸器三相觸頭斷開后，三相負載仍有電流流過，表明接觸器主觸頭電流向雙向晶閘管轉移。而后，A相(通道2)晶閘管延時導通約10ms后，在電流過零點自動關斷;B，C兩相晶閘管也在A相電流過零之后的各自電流過零點關斷，從而完成了電路的切斷，驗證了接觸器的無弧分斷。

4 結論

本文利用光耦的控制與隔離的性能，設計了一種以光耦為控制電路核心的混合式交流接觸器，通過實驗驗證了該方案的可行性。利用接觸器自身的輔助觸頭控制基于光耦的晶閘管觸發電路，實現三相觸頭無弧分斷，并保證電壓值低于85%額定電壓時晶閘管回路不導通，接觸器不吸合，大幅提高接觸器工作的可靠性以及使用壽命，且控制線路簡單，適應性、通用性強，特別是在小容量交流接觸器上具有很高的性價比，應用前景廣闊。

［1］瞿見喜.智能混合式交流接觸器［J］.電工技術雜志，2001(5):50－51.

［2］張培銘，陳從華，鄭昕.新型智能混合式交流接觸器［J］.低壓電器，2001(1):20 －21.

［3］鄭昕，許志紅，張培銘.智能混合式無弧交流接觸器的研究［J］.低壓電器，2005(9):10－12.

［4］張培銘，陳從華，鄭昕.智能型混合式交流接觸器:CN00242121.6［P］.2001－5－2.

［5］孫冰.淺談交流接觸器的節能與長壽命［J］.信息技術，2005(5):80－82.

［6］劉向軍，吳功祥，江和，等.基于光耦的混合式交流接觸器無源開關驅動控制器:CN200910306608.6［P］.2010－2－10