基于磁保持繼電器的小容量交流接觸器的研究

郭銀婷，劉向軍，繆希仁

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108)

基于磁保持繼電器的小容量交流接觸器的研究

郭銀婷，劉向軍，繆希仁

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108)

為了提高交流接觸器的可靠性，減小功率損耗，提出了一種基于磁保持繼電器的小容量交流接觸器的新方案。采用三只磁保持繼電器作為40A交流接觸器的本體，在其中兩相觸頭上并聯雙向晶閘管，利用單片機控制模塊對三相電路進行分相控制，實現接觸器三相觸頭的無弧接通與分斷。完成了基于磁保持繼電器的接觸器樣機設計和制作，并進行了試驗驗證。試驗結果表明該樣機可以實現新型交流接觸器的吸合和分斷過程控制和無弧通斷功能，并具有結構簡單、控制方便、體積小以及節能無聲運行等優點。

磁保持繼電器;交流接觸器;混合式;無弧通斷

1 引言

傳統的交流接觸器作為一種有觸點電器，在分斷電路時觸頭間所產生的電弧嚴重影響其可靠運行并縮短其工作壽命［1－3］，解決觸頭的電弧侵蝕在很大程度上將提高電壽命。混合式電器技術結合了有觸點和無觸點電器的優點，為新型電器的設計提供了技術支持。

由于交流接觸器在運行中要消耗大量的能量，而所消耗的能量主要集中在吸持狀態的鐵損上，因而降低吸持功耗就可以大幅度減低接觸器的功率損耗［4－6］。磁保持繼電器是一種低功耗電器，其觸點狀態的轉換只需幾十毫秒的脈沖信號觸發即可完成，具有運行無功耗、線圈發熱量低、動作時間穩定等優點。

本課題采用三只磁保持繼電器作為交流接觸器的本體，在其中兩相觸頭上并聯雙向晶閘管，利用單片機控制模塊實現三相電路的分相控制。接通過程，觸頭未并聯雙向晶閘管的相先通，分斷過程后斷，另外兩相合理控制，使磁保持繼電器承擔穩態過程，雙向晶閘管承擔瞬態過程，實現三相無弧接通與分斷。在大幅度提高了電壽命的基礎還具有節能無聲運行的優點。

2 基于磁保持繼電器的小容量交流接觸器的設計原理

本文研究的新型交流接觸器，其本體結構采用三只磁保持繼電器。接通時其中一只磁保持繼電器先導通某相主電路，另外兩只繼電器后導通其他兩相主電路，此兩相主電路部分由雙向晶閘管和磁保持繼電器觸頭并聯而成。分斷時，該兩相電路先斷，未接晶閘管的相后斷。由于容量越大，雙向晶閘管的價格越貴，接觸器的成本越高，推廣應用的可行性低，因此本課題以40A的小容量交流接觸器為研究對象，設計了基于磁保持繼電器的小容量交流接觸器。其控制原理框圖如圖1所示。

圖1 基于磁保持繼電器的小容量交流接觸器原理框圖

在起動過程中，單片機系統對相電壓進行采樣，當采樣電壓大于接觸器的吸合電壓時，單片機發出吸合指令給B相磁保持繼電器的置位線圈，使B相繼電器空載接通，再延時相應時間，觸發電路中的兩個雙向晶閘管和A、C兩相磁保持繼電器的置位線圈，由于繼電器觸頭有一定的吸合延時，所以晶閘管比觸頭先導通。經過一定的激勵時間后，將雙向晶閘管和置位線圈的信號斷開，磁保持繼電器處于閉合狀態。

在吸持階段，磁保持繼電器無需外接電源即可處于吸持狀態，因此可以實現無能耗運行。同時，在吸持過程中，單片機一直檢測電路中的電源電壓，當檢測到電壓低于接觸器的釋放電壓時，則轉入分斷控制程序。

分斷過程中，先使兩個雙向晶閘管和A、C兩相磁保持繼電器的復位線圈導通，因繼電器觸頭有一定的釋放延時，所以晶閘管先閉合，觸頭后斷開。A、C兩相觸頭斷開后，斷開兩個雙向晶閘管的觸發信號，再延時一段時間，確保晶閘管關斷后才觸發B相磁保持繼電器的復位線圈，使B相觸頭斷開。經過一定的激勵時間后，將復位線圈的信號斷開。為了保證安全性，接觸器斷開之后程序結束，必須對單片機復位才會繼續對電壓檢測。

3 硬件設計

基于磁保持繼電器的小容量交流接觸器的硬件包括磁保持繼電器、電力電子器件和以單片機為核心的控制模塊，硬件系統的主要組成框圖如圖2所示。

圖2 基于磁保持繼電器的小容量交流接觸器的硬件系統框圖

(1)繼電器模塊:采用的繼電器型號為HFE9－3/5－HST［7］，額定電壓250VAC，額定電流為60A的雙圈磁保持繼電器，線圈額定電壓為5VDC，動作電壓為3.5VDC。

(2)5V直流電源系統:其特殊性在于7805芯片前面加了一個10000F電容，以保證接觸器分斷過程或者電源突然斷電時，電源系統能夠為單片機、磁保持繼電器線圈模塊及光耦隔離芯片提供電源，保證繼電器觸頭可靠分斷，切斷電路。

(3)電壓檢測電路模塊:由于單片機AD采樣只能識別5V以內的直流電壓，因此電壓檢測時需通過電壓互感器HPT304，再經過運算放大器MCP6002及二極管，將220V交流電壓轉換為直流低電壓。

(4)單片機模塊:是整個控制模塊的核心，其主要功能是對電壓進行采樣、判斷。依據采樣到的電壓值，觸發線圈驅動模塊及光耦隔離模塊，使置位線圈或復位線圈勵磁，使晶閘管的導通和關斷。本文根據控制模塊所要實現的功能，綜合各方面因素，采用MICROCHIP公司生產的PIC16F873A芯片。

(5)磁保持繼電器線圈驅動模塊:磁保持繼電器的線圈驅動電路是控制繼電器動作的功能模塊，其設計應當考慮到線圈電流的大小。PIC16F873A的I/O口的最大灌、拉電流只有25mA，而本設計采用的HFE9磁保持繼電器線圈電流I為417mA。因此，根據繼電器線圈的驅動功率要求，利用三極管9012設計合理的磁保持繼電器線圈驅動電路。

(6)電力電子器件隔離驅動模塊:為了避免主電路對控制電路的干擾，本文采用MOC3051驅動電路實現主電路與控制電路的電氣隔離。

4 軟件設計

為了程序的簡潔，系統軟件的設計采用模塊化的思想。根據系統設計的功能，在主程序中調用子程序，

其中主程序的流程圖如3所示。

圖3 主程序流程圖

首先對單片機進行上電初始化，完成各種寄存器及I/O口等的設定。執行完初始化程序后，單片機處于等待狀態，等待中檢測電壓信號，如果檢測到電壓值達到接觸器的吸合電壓并且觸頭處于斷開狀態，則調用接觸器接通子程序;如果檢測到電壓值達到釋放電壓值并且觸頭處于閉合狀態，則調用分斷子程序。接通和分斷子程序分別如圖4和5所示。

圖4 接觸器接通子程序

接通過程如圖4所示，B相繼電器置位線圈上電，延時20ms后確保B相繼電器觸頭已閉合，給兩個光耦MOC3051上電，觸發晶閘管導通。給A、C兩相繼電器置位線圈上電，經過繼電器閉合動作延時后，A、C兩相繼電器觸頭閉合。延時50ms使繼電器線圈有足夠的激勵，斷開兩個光耦MOC3051及A、B、C三相繼電器置位線圈的觸發信號。延時100ms，使繼電器完全閉合后返回主程序，避免因繼電器動作導致+5V電源下降而影響電壓采樣的準確性。分斷過程如圖5所示。

圖5 接觸器分斷子程序

5 試驗驗證與結果分析

在系統建模、硬件設計、軟件設計的基礎上，本文設計了基于磁保持繼電器的小容量交流接觸器的樣機并進行了試驗驗證，樣機如圖6。

圖6 基于磁保持繼電器的小容量交流接觸器樣機

采用電流互感器對接觸器觸頭電流和晶閘管回路電流信號進行檢測，用示波器拍攝觸頭與晶閘管回路電流波形。

5.1 無弧接通試驗驗證

圖7和圖8為閉合過程各電路波形。如圖7所示，B相繼電器置位線圈上電到B相觸頭回路有電流間隔22.8ms，而實測得到的該繼電器的閉合延時時間為7.7ms，說明B相繼電器觸頭在B相回路有電流前早已閉合，因此B相實現了無弧接通。當A、C相晶閘管導通后，B相觸頭和A、C相形成回路而出現電流。如圖8所示，并聯在A相的晶閘管比A相觸頭先導通，晶閘管承擔了瞬態過程，A相觸頭無載閉合，因此A相實現了無弧接通。當觸頭閉合后，將晶閘管短接，電流轉移至觸頭上，由觸頭承載負載電流。C相電路與A相相同。

5.2 無弧分斷試驗驗證

圖9和圖10為分斷過程各電路波形。

如圖9所示，B相復位線圈上電比B相觸頭回路電流消失晚4ms，說明B相回路電流為零時，B相觸頭還沒有斷開，因此B相實現了無弧斷開。如圖10所示，A相觸頭未斷開前，并聯在A相觸頭的晶閘管已導通，一旦A相觸頭斷開，電流即轉移到A相晶閘管上，使A相觸頭無載斷開。因此A相實現了無弧斷開。C相電路與A相相同。

圖7 閉合過程B相置位線圈上電觸發信號及觸頭回路與晶閘管回路電流

圖8 閉合過程觸頭回路與晶閘管回路電流

圖9 分斷過程B相復位線圈上電觸發信號及觸頭回路與晶閘管回路電流

為了保證安全性，當電網突然斷電時，必須斷開接觸器。磁保持繼電器具有自保持功能，電網突然斷電時磁保持繼電器不能自動斷開，必須由單片機輸出觸發信號使繼電器復位線圈勵磁，使繼電器斷開。單片機電源和繼電器復位線圈電源由5V直流電源系統中的10000F電容提供。

圖10 分斷過程觸頭回路與晶閘管回路電流

5.3 電網突然斷電接觸器無弧分斷試驗驗證

圖11 電網突然斷電時各電壓波形

由于接觸器分斷過程中，單片機控制A、C兩相繼電器比B相先斷開，所以只要證明B相斷開即可以保證A、C兩相已經斷開。

6 結束語

圖11表示電網突然斷電時各電壓波形。如圖11所示，電網突然斷電，10000F電容可持續17ms放電至3.5VDC，維持單片機工作，為磁保持繼電器復位線圈及光耦隔離芯片提供觸發信號，并為B相繼電器復位線圈提供動作電壓。由于實測得到的該繼電器的分斷延時時間僅為3.3ms，因此可以保證電網突然斷電情況下，接觸器可以可靠分斷。

本文對基于磁保持繼電器的小容量交流接觸器進行了研究。將磁保持繼電器應用在交流接觸器中，提出了一種基于磁保持繼電器的小容量交流接觸器的新方案，并對其進行了樣機設計和實驗驗證。該小容量交流接觸器能大幅提高工作可靠性和使用壽命，性價比高，且具有節能無聲運行等優點，應用前景廣闊。

［1］ HaitaoWang，Jingqin Wang，Qishu Bao etc．Analysis of Electrical contact performance for Alternating Current Contactor．2011 Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation，2011:463－466．

［2］ 鄭聽，許志紅，張培銘．智能混合式無弧交流接觸器的研究［J］．2005，9:10 －12．

［3］ 劉教民，孫祎．交流接觸器開關電弧的圖像采集與處理［J］．電工技術學報，2010，25(1):64 －69．

［4］ 段志強，王寶石．基于交流接觸器直流運行方法研究［J］．電氣開關，2009，6:15 －19．

［5］ 李克芹，劉冬英．交流接觸器節能技術的應用［J］．低壓電器，2009，15:52 －59．

［6］ 王海潮，張繼華．新型永磁操動機構智能交流接觸器的研究［J］．低壓電器，2009，5:8 －12．

［7］ 宏發繼電器．HFE9參數手冊［J］．2010．

Low-Capacity AC Contactor Based on M agnetic Latching Relay

GUO Yin-ting，LIU Xiang-jun，MIAO Xi-ren
(Electrical Engineering and Automation College，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China)

In order to improve the reliability of AC contactor and reduce power consumption，this paper presents the new design of small-capacity AC contactor based on magnetic latching relay．In this paper，threemagnetic latching relays are adopted as themain body of40A AC contactor，two phases ofwhich the triacs are connected in parallel．Bymeans of the micro control unit，three-phase circuits are controlled respectively，and then circuits'switch without arc is realized．The prototype of small-capacity AC contactor ismanufactured and tests are carried out．The results show that the new-style contactor has the functions such as overall process control and switch without arc，and also has the benefits of simple structure，small size，silent operation and energy-saving．

magnetic latching relay，AC contactor，hybrid，switch without arc

TM57

B

1004－289X(2013)05－0079－05

2013－03－04

郭銀婷(1989－)，女，福建籍，碩士研究生，研究方向為智能電器及在線監測技術;

劉向軍(1970－)，女，浙江籍，博士，副教授，主要研究方向為智能電器及在線監測技術;

繆希仁(1965－)，男，福建籍，博士，教授，主要研究方向為:智能電器及在線監測技術。