新型無弧通斷交流接觸器結(jié)構(gòu)研究

趙東洋++丁冠西++趙東海++劉一瓊++萬莉

摘 要：隨著材料科學的發(fā)展，交流接觸器的機械壽命已大大提高，但遠遠低于機械壽命，電壽命，這是已經(jīng)成為制約交流接觸器發(fā)展的瓶頸。特別是在使用類別AC-4，切換過程中產(chǎn)生電弧成為交流接觸器電壽命的關(guān)鍵限制。提出了一種新型的無弧接觸器結(jié)構(gòu)，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，并且還具有無弧通斷的功能，大大提高了接觸器的電壽命，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)風險。在斷開接觸器后，電源側(cè)與負載側(cè)具有明顯的分斷口，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。

關(guān)鍵詞：交流接觸器 電壽命 無弧通斷 分斷口

中圖分類號：TM572 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（c）-0114-02

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，只有機械壽命十分之一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的影響下產(chǎn)生強烈電弧影響，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。提高交流接觸器電壽命，最終提高交流接觸器整體性能，同時對綠色、安全、節(jié)約型電網(wǎng)建設(shè)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(shè)備的通斷時，觸點間存在很強的飛弧。特別是頻繁地啟動和停止設(shè)備時，更易使觸點粘合或燒毀，需要頻繁的更換觸頭，增加設(shè)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。

為了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。

1.1 同步分斷技術(shù)

即控制交流接觸器在電流過零瞬間分開，并以較快的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，則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。

1.2 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的兩相的開距，中間相觸頭打開后，經(jīng)過小段時間，其余兩相觸頭才打開（如圖1所示）。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)三相電路的同步分斷。缺陷是觸頭改造系統(tǒng)同樣是結(jié)合電流過零分斷技術(shù)，實施難度比較大。

1.3 混合式開關(guān)技術(shù)

在主觸頭兩端并聯(lián)電力電子器件的方法，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)微弧或者無弧分斷，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(jié)合，真正實現(xiàn)了接觸器的無弧通斷功能，并且容易實現(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。

分段直流激磁可以很好的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。分段激磁控制方案，控制方案原理如圖2所示。

圖2中，為合閘初相角；為第一次激磁回路作用時間；為停止激磁時間段；為第二次激磁回路作用時間。然后，再次停止激磁信號，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以將最大限度減小鐵芯碰撞速度，進而減少或消除了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(shù)即微電弧能量分斷控制技術(shù)，目標是使接觸器分斷過程盡可能避免電弧的產(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(shù)便利用交流電弧此特性，使得交流接觸器在電流過零之前的小段時間前分斷，從而將交流電弧消滅在最初階段。零電流分斷控制技術(shù)是對時間控制精度要求非常高的分斷控制方法，在其對交流接觸器分斷過程中起到改進作用的同時，該控制技術(shù)同樣存在相應(yīng)缺陷。

由于零電流分斷控制技術(shù)存在缺陷，提出了無觸點分斷控制技術(shù)，主要做法為在每相主觸頭兩端并聯(lián)一個雙向可控硅，使得分斷瞬間可以由雙向可控硅實現(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(shù)，無觸點分斷控制技術(shù)可以從根本上杜絕電弧的產(chǎn)生，實現(xiàn)真正的無弧化。同時，無觸點分斷控制技術(shù)對外圍硬件要求不是很高，降低了操作難度。同時雙向可控硅只是在分斷過程中導通幾ms，所以降低了浪涌電流的沖擊影響。

4 存在的問題

對于零電流分斷控制技術(shù)主要有以下幾點技術(shù)上的不足。

（1）設(shè)計相應(yīng)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。

（2）由于交流接觸器制造工藝及機構(gòu)之間的差別，造成交流接觸器每次分斷過程很難保證時間穩(wěn)定，呈現(xiàn)出很大的分散性，這也就使準確控制交流接觸器在某一確定時刻分斷存在很大技術(shù)難題。

（3）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(gòu)的負擔，給分斷過程造成一定困難。

（4）復雜的現(xiàn)場情況使得非自適應(yīng)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(jié)構(gòu)方案

針對無觸點無弧通斷的方法存在潛在的危險，提出一種具有明顯分斷口的無弧交流接觸器結(jié)構(gòu)。這種新結(jié)構(gòu)里包括兩個電磁線圈，兩套觸點組，如圖4所示，為新型無觸點無弧接觸器的內(nèi)部立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖中數(shù)字標號的含義為：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。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。這種新型的接觸器結(jié)構(gòu)，既保證了電路安全，又實現(xiàn)了無弧的通斷。

由于這種新型的接觸器結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生電弧，因而對接觸器的觸頭具有良好的保護作用，使接觸器的壽命大大提高中，而其中的兩個線圈不強調(diào)分開或閉合的速度，所以只需要較小的功率損耗，達到了節(jié)能降耗的目的。

6 結(jié)語

采用在主觸點兩端并聯(lián)雙向可控硅的方法實現(xiàn)接觸器的無弧通斷是最優(yōu)的方法，但是這種方法存在危險，所以提出了一種新型的無弧接觸器結(jié)構(gòu)，實驗表明，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，并且還具有無弧通斷的功能，大大提高了接觸器的電壽命，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)風險。在斷開接觸器后，電源側(cè)與負載側(cè)具有明顯的分斷口，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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