智能化交流接触器研究

随着微电子技术的发展和引入,交流接触器开始向智能化方向迈进,智能化交流接触器在增强功能的同时,降低了能耗,减少了触头振动,提高了交流接触器的机械寿命与电寿命,其他功能与技术性能指标也有明显提高。

随着电子元件质量提高、价格下降,电磁兼容( Elect romagnetic Compatibility , EMC) 技术逐步成熟,尤其是计算机网络的发展与应用、交流接触器与中央控制计算机双向通信的实现,使得交流接触器必须朝着电子化、机电一体化方向发展,同时要求部分电器具有智能化功能。目前,智能化电器的发展主要集中在万能式断路器、塑壳式断路器、交流接触器以及电动机控制器等产品。其中,智能型交流接触器的主要特征是装有智能型电磁系统,其控制回路包括电压检测电路、吸合信号发生电路和保持信号发生电路;它能判别门槛吸合电压,当控制电源电压低于接触器门槛吸合电压时,不发出吸合信号,接触器不能合闸并有相应显示;接触器吸合后能降低激磁电流,达到节能的目的。

　　中大容量的接触器已普遍采用电子和智能控制,特别是带反馈系统的智能接触器,能大幅度提高AC3 使用条件下的电寿命和其他性能;电接触器理论的进展,提出了触头零电弧侵蚀的新机理,这为接触器的智能分断提供了新的理论依据;电力质量是当前电气工程的热门话题,从电力质量出发,也对接触器的使用性能提出新的要求。按照流经电磁机构中线圈的电流方式,交流接触器可分为: ①交流吸合、交流吸持类型的交流接触器; ②交流吸合、直流吸持的交流接触器; ③直流吸合、直流吸持的交流接触器。本文从交流接触器的工作原理与智能化内容入手,按照上述分类,结合交流接触器的智能化设计技术与检测技术,介绍交流接触器的最新智能化研究动态。

　　1 　智能化交流接触器的工作原理与智能化

　　我国目前使用的小容量接触器均为机械非智能型的,一般为交流吸合、交流吸持和随机分断,且线包电压有220 V 和380 V 之分 。实验告诉我们,不论是220 V 还是380 V 的线包,只要加上不低于160 V 的直流电压,接触器均能可靠吸合,并且不会产生1 、2 次弹跳。此时,只要维持吸持电压不低于直流15 V ,就可以稳定地保持吸合状态分断过程一旦发生,必然伴随有电弧产生。确定分断过程何时发生的唯一原则就是在时间允许的前提下使电弧总能量最小。对于单相电磁电路,触点合断的最佳时刻应该是主电路电流过零之时,而对于三相电磁电路来说,如果分断过程发生在某一相电流过零时刻,此时三相电弧的总能量应该为最小。轮流控制3 个触点的过零分断,可以使它们有相同的使用寿命。

　　从上述交流接触器的的工作原理可知,交流接触器智能化的内容包括: ①合理选择运行电压,有效减少或抑制1 、2 次弹跳; ② 合理选择吸持电压,最大限度地节约能源; ③合理选择触点合断的最佳时刻,在时间允许的前提下使电弧总能量最小,做到无弧分断; ④交流接触器的智能化设计; ⑤交流接触器的智能化测试。

　　智能型交流接触器由铁心、线圈和单片机控制器3 部分组成。铁心采用具有记忆功能的磁性材料,按特殊工艺加工而成,这是新型电磁系统的基础;线圈的功能和传统接触器的线圈相同,单片机控制器是检测、传递各种信息、控制交流接触器动作的神经枢纽交流接触器的智能控制电磁铁,利用带微处理器反馈控制系统,使电磁铁的吸力和反力特性良好配合,以提高接触器的电气和机械寿命。

　　由于微处理器和计算机技术引入交流接触器,一方面使交流接触器具有了智能化的功能,提高了工作性能指标,增强了功能;另一方面使交流接触器可以实现与中央控制计算机双向通讯

　　2 　交流吸合、交流吸持类型的交流接触器

　　对于交流吸合、交流保持类型的交流接触器而言 ,正常工作时,由于其线圈中流过的是50 Hz 的工频交流电,该电流每秒钟反向50 次,接触器铁心中的磁通是交变的,虽然接触器的铁心装有短路环,但是仍有振动;当铁心闭合面污脏时,振动尤其严重,经常造成接触器触点因振动而发热烧损,进而引起电气设备跳闸、烧损等事故。这方面的智能化研究目前主要集中在触头材料的零磨损等方面。

　　由于交流电弧在过零时熄弧,因而传统的看法,让电弧零区分断是一个最佳的分断瞬间。近年来,由于对触头电弧侵蚀现象的研究,利用分断过程的金属相和气相电弧2 种过程、触头材料在阳极和阴极转移方向相反的现象,通过控制分断相角和燃弧延续时间,可实现触头材料的零磨损。借助于单片机于1999 年提出在交流电源条件下,若能控制电弧的燃弧时间即分断的分闸相角,可使2 种电弧现象的触头材料转移相互平衡,而产生触头质量零磨损条件。

　　3 　智能混合式交流接触器

　　该种交流接触器采用了交流吸合、直流吸持的方法。从20 世纪70 年代开始,我国的电器工作者就开始了混合式交流接触器的研究工作。在起动过程中,首先由触发电路对晶闸管发出触发信号,导通晶闸管,再选一个合适的相角接通触发器主触头,即先接通晶闸管回路,后接通接触器触头。在闭合工作状态时,主电路电流经过交流接触器的主触头,此时晶闸管截止;当需要接触器产生分断动作时,导通晶闸管,使电路中的电流转入晶闸管,即先分断接触器主触头,再分断晶闸管回路,实现无弧分断。

　　在交流接触器的每相触头上仅并联一个单向晶闸管,不仅实现了无弧接通、分断,而且实现了节能、节材、无声运行以及与主控计算机的双向通信， 也以磁保持继电器为基础,设计了一款性价比高、使用简便、性能指标优良的智能无弧交流接触器。

　　4 　智能型交流接触器

　　2000 年提出了一种交流接触器的电子操作方案,其原理是对接触器线圈用直流励磁,并在电磁铁动作过程中,把励磁周期分成2 段,其中T1 为通电阶段, T2 为停歇阶段(见图1) 。通过改变停歇时间T2 可以改变电磁铁动铁芯的闭合速度,并达到减小触头振动的目的。这就是智能型交流接触器的雏形。

　　智能交流接触器采用的是直流起动、直流吸持的工作状态,在吸合过程中通过全波整流电路将交流电源变为脉动的直流电源,提供接触器吸合磁势,使接触器完成吸合工作 。智能交流接触器一般都具有下列显著特点中的一个或几个: ① 实现了三相电路的零电流分断控制,无弧或少弧分断,接触器电寿命大大提高; ②通过单片机程序控制,对应不同电源电压,接触器可以选择相应的最佳合闸相角,具有选相合闸功能; ③通过单片机程序使接触器在直流高电压大电流情况起动,直流低电压小电流吸持,实现节能无声运行; ④ 具有与主控计算机进行双向通信的通信功能; ⑤电寿命、操作频率大大提高,工作的可靠性得到进一步改善。

　　智能交流接触器是在开关本体上,加装了智能控制模块,实现起动、吸合、分断全过程的优化控制,并具有通信功能。图2 给出了智能交流接触器的结构示意图,图3 给出了智能交流接触器的控制原理框图。

　　在起动过程中,单片机对电源电压进行实时采样,若电源电压超过最低吸合电压,单片机系统根据电压值按照相应的程序控制可控元件定相、定时工作,保证接触器处于最佳起动状态。在吸持状态,由低电压直流吸持电路提供该电器的吸持能量实现节能无声运行。一旦接到分断信号,单片机系统通过电流互感器对主电路电流进行采样,从而进入三相电路的零电流分断控制程序,实现分断控制。

4. 1 　电磁机构动态分析以及吸合过程动态控制

　　电磁机构是接触器的感测部分,在接触器中占有重要位置。根据智能交流接触器的工作特点,对其电磁机构的动态过程进行动态分析 ,提出智能交流接触器吸合过程动态控制的概念 。该概念是应用智能控制系统按不同电源电压(激磁电压) 调节控制参数,如合闸相位角、吸合过程强激磁的接通和断开时间等,由此改变铁心在吸合过程中的运动速度,减少铁心撞击,消除接触器的主触头在吸合过程中的1 、2 次弹跳,从而减少触头磨损,提高各项性能指标,并节约能量。为了达到减少动、静铁心在闭合瞬间的撞击速度,消除触头弹跳的目的,智能交流接触器吸合过程动态控制概念的内容之一是通过以单片机为核心的智能控制系统,调节强激磁控制元件的导通和截止时间,从而改变吸合过程,实现不同的强激磁控制方案。强激磁控制方案有不分段控制方案与分段控制方案2 种。

　　图4 为强激磁不分段控制方案 。图中t1 为智能控制系统检测到采样电压零点以后延时的时间( t1 处即合闸相角) , t2 为强激磁时间。在确定接触器可靠闭合后,将强激磁关断,只留下吸持电压维持接触器正常工作。由于确定完全吸合后才关断强激磁信号,所以随着铁心行程的增大以及速度的增加,难以大幅度减少动、静铁心之间的碰撞和消除在吸合过程中动静触头之间的弹跳。

　　图5 为强激磁分段控制方案 。图中t1 为合闸时刻(选定的合闸相角) ; t2 为强激磁回路导通的时间; t3 为关断强激磁的时间; t4 为重新触发强激磁回路导通的时间。再次关断强激磁控制回路,使接触器铁心依靠惯性完成吸合任务,实现吸合过程的“软着陆”,将铁心之间的撞击能量降到最小,触头之间的1 、2 次弹跳大大减少甚至完全消除。实验表明,采用上述控制方案后,在不同的电网电压下吸合过程的动态吸力特性都可以和接触器的反力特性很好地配合,能明显减少触头振动,提高接触器的机械寿命和电寿命;在运行过程中采用智能控制可以减少接触器所消耗的功率, 大幅度节能。

　　4. 2 　零电流分断控制技术

　　零电流分断控制技术即电流零点分断控制技术,是智能交流接触器的关键技术。交流电弧过零熄灭的原理是触头间隙的介质恢复强度高于电压恢复强度 。理想的情况是:如果能使交流接触器的触头在电流过零瞬间分开,并在瞬间将触头拉开到足以承受恢复电压而不发生击穿的距离,则此时触头间隙就不会产生电弧。同时,由于在电流过零瞬间弧隙处介质状态,只需较小的极间距离,就可以承受较高的恢复电压。然而,实际情况并非如此。实际上交流接触器零电流分断技术是让接触器触头在电流过零前的一个小区域内分开 。与普通交流接触器相比,其大幅度降低了电弧的能量,从而提高触头间隙承受恢复电压的能力,保证电弧电流过零后不重燃。

　　以最常见的三相中线不接地感性负载系统为例,讨论其首开相分断的问题。三相平衡工作系统电压、电流波形示意图如图6 所示。

　　由图6 可知,在三相平衡系统工作过程中,必有一相电流最先过零点。若接触器触头在图中的第Ⅰ相角区打开,那么B 相电流首先过零,B 相为首开相。如果B 相触头电弧在电流过零点熄灭,电路中的电流变为线电流ICA , IB 的零点正好对应ICA 的峰值,即再过5 ms 时间过零,故A、C 两相燃弧时间等于B 相燃弧时间加上5 ms。由于在分断过程中无法确定哪一相触头首先熄灭电弧,故在传统的交流接触器中,触头系统的灭弧均按首开相的电弧来考虑其触头系统的灭弧能力。采用新型的触头结构 ,首开相触头的开距大于其余两相在结构上实现非首开相触头的打开时刻,比首开相触头打开时刻滞后约5 ms。因而,只要控制好首开相触头的打开时刻,就可实现三相触头系统的零电流分断控制。

　　5 交流接触器的发展

　　为了适应工业自动化控制系统发展和国际市场竞争的需要,交流接触器应具备以下主要特点:①小型化、安全化、可靠、多功能组合化模块结构;②全系列采用塑料灭弧罩,提高分断性能,减小非弧区域; ③电流规格增加,从63～800 A ,电流等级一般在15 个规格以上; ④ 容量交流接触器一般采用节能型磁系统,发展真空接触器,以提高分断性能和电寿命; ⑤发展4 级接触器,以满足不同控制系统需要; ⑥在交流接触器上加装电子式保护与控制模块和计算机通讯接口,进而发展成为智能型交流接触器。

　　6 　结　语

　　由于成本数倍于原来交流接触器,该电器应用的领域受到很大的局限,在一定程度上又影响了智能交流接触器的进一步发展。因此,智能交流接触器在今后的研究中,既要注重理论方面的探讨,又要加强经济性能方面的“降本”,提高智能交流接触器的性价比,这样才能进一步促进智能交流接触器的研究与应用。