智能化交流接觸器研究

隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展和引入,交流接觸器開(kāi)始向智能化方向邁進(jìn),智能化交流接觸器在增強功能的同時(shí),降低了能耗,減少了觸頭振動(dòng),提高了交流接觸器的機械壽命與電壽命,其他功能與技術(shù)性能指標也有明顯提高。

隨著(zhù)電子元件質(zhì)量提高、價(jià)格下降,電磁兼容( Elect romagnetic Compatibility , EMC) 技術(shù)逐步成熟,尤其是計算機網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展與應用、交流接觸器與中央控制計算機雙向通信的實(shí)現,使得交流接觸器必須朝著(zhù)電子化、機電一體化方向發(fā)展,同時(shí)要求部分電器具有智能化功能。目前,智能化電器的發(fā)展主要集中在萬(wàn)能式斷路器、塑殼式斷路器、交流接觸器以及電動(dòng)機控制器等產(chǎn)品。其中,智能型交流接觸器的主要特征是裝有智能型電磁系統,其控制回路包括電壓檢測電路、吸合信號發(fā)生電路和保持信號發(fā)生電路;它能判別門(mén)檻吸合電壓,當控制電源電壓低于接觸器門(mén)檻吸合電壓時(shí),不發(fā)出吸合信號,接觸器不能合閘并有相應顯示;接觸器吸合后能降低激磁電流,達到節能的目的。

　　中大容量的接觸器已普遍采用電子和智能控制,特別是帶反饋系統的智能接觸器,能大幅度提高AC3 使用條件下的電壽命和其他性能;電接觸器理論的進(jìn)展,提出了觸頭零電弧侵蝕的新機理,這為接觸器的智能分斷提供了新的理論依據;電力質(zhì)量是當前電氣工程的熱門(mén)話(huà)題,從電力質(zhì)量出發(fā),也對接觸器的使用性能提出新的要求。按照流經(jīng)電磁機構中線(xiàn)圈的電流方式,交流接觸器可分為: ①交流吸合、交流吸持類(lèi)型的交流接觸器; ②交流吸合、直流吸持的交流接觸器; ③直流吸合、直流吸持的交流接觸器。本文從交流接觸器的工作原理與智能化內容入手,按照上述分類(lèi),結合交流接觸器的智能化設計技術(shù)與檢測技術(shù),介紹交流接觸器的最新智能化研究動(dòng)態(tài)。

　　1 　智能化交流接觸器的工作原理與智能化

　　我國目前使用的小容量接觸器均為機械非智能型的,一般為交流吸合、交流吸持和隨機分斷,且線(xiàn)包電壓有220 V 和380 V 之分 。實(shí)驗告訴我們,不論是220 V 還是380 V 的線(xiàn)包,只要加上不低于160 V 的直流電壓,接觸器均能可靠吸合,并且不會(huì )產(chǎn)生1 、2 次彈跳。此時(shí),只要維持吸持電壓不低于直流15 V ,就可以穩定地保持吸合狀態(tài)分斷過(guò)程一旦發(fā)生,必然伴隨有電弧產(chǎn)生。確定分斷過(guò)程何時(shí)發(fā)生的唯一原則就是在時(shí)間允許的前提下使電弧總能量最小。對于單相電磁電路,觸點(diǎn)合斷的最佳時(shí)刻應該是主電路電流過(guò)零之時(shí),而對于三相電磁電路來(lái)說(shuō),如果分斷過(guò)程發(fā)生在某一相電流過(guò)零時(shí)刻,此時(shí)三相電弧的總能量應該為最小。輪流控制3 個(gè)觸點(diǎn)的過(guò)零分斷,可以使它們有相同的使用壽命。

　　從上述交流接觸器的的工作原理可知,交流接觸器智能化的內容包括: ①合理選擇運行電壓,有效減少或抑制1 、2 次彈跳; ② 合理選擇吸持電壓,最大限度地節約能源; ③合理選擇觸點(diǎn)合斷的最佳時(shí)刻,在時(shí)間允許的前提下使電弧總能量最小,做到無(wú)弧分斷; ④交流接觸器的智能化設計; ⑤交流接觸器的智能化測試。

　　智能型交流接觸器由鐵心、線(xiàn)圈和單片機控制器3 部分組成。鐵心采用具有記憶功能的磁性材料,按特殊工藝加工而成,這是新型電磁系統的基礎;線(xiàn)圈的功能和傳統接觸器的線(xiàn)圈相同,單片機控制器是檢測、傳遞各種信息、控制交流接觸器動(dòng)作的神經(jīng)樞紐交流接觸器的智能控制電磁鐵,利用帶微處理器反饋控制系統,使電磁鐵的吸力和反力特性良好配合,以提高接觸器的電氣和機械壽命。

　　由于微處理器和計算機技術(shù)引入交流接觸器,一方面使交流接觸器具有了智能化的功能,提高了工作性能指標,增強了功能;另一方面使交流接觸器可以實(shí)現與中央控制計算機雙向通訊

　　2 　交流吸合、交流吸持類(lèi)型的交流接觸器

　　對于交流吸合、交流保持類(lèi)型的交流接觸器而言 ,正常工作時(shí),由于其線(xiàn)圈中流過(guò)的是50 Hz 的工頻交流電,該電流每秒鐘反向50 次,接觸器鐵心中的磁通是交變的,雖然接觸器的鐵心裝有短路環(huán),但是仍有振動(dòng);當鐵心閉合面污臟時(shí),振動(dòng)尤其嚴重,經(jīng)常造成接觸器觸點(diǎn)因振動(dòng)而發(fā)熱燒損,進(jìn)而引起電氣設備跳閘、燒損等事故。這方面的智能化研究目前主要集中在觸頭材料的零磨損等方面。

　　由于交流電弧在過(guò)零時(shí)熄弧,因而傳統的看法,讓電弧零區分斷是一個(gè)最佳的分斷瞬間。近年來(lái),由于對觸頭電弧侵蝕現象的研究,利用分斷過(guò)程的金屬相和氣相電弧2 種過(guò)程、觸頭材料在陽(yáng)極和陰極轉移方向相反的現象,通過(guò)控制分斷相角和燃弧延續時(shí)間,可實(shí)現觸頭材料的零磨損。借助于單片機于1999 年提出在交流電源條件下,若能控制電弧的燃弧時(shí)間即分斷的分閘相角,可使2 種電弧現象的觸頭材料轉移相互平衡,而產(chǎn)生觸頭質(zhì)量零磨損條件。

　　3 　智能混合式交流接觸器

　　該種交流接觸器采用了交流吸合、直流吸持的方法。從20 世紀70 年代開(kāi)始,我國的電器工作者就開(kāi)始了混合式交流接觸器的研究工作。在起動(dòng)過(guò)程中,首先由觸發(fā)電路對晶閘管發(fā)出觸發(fā)信號,導通晶閘管,再選一個(gè)合適的相角接通觸發(fā)器主觸頭,即先接通晶閘管回路,后接通接觸器觸頭。在閉合工作狀態(tài)時(shí),主電路電流經(jīng)過(guò)交流接觸器的主觸頭,此時(shí)晶閘管截止;當需要接觸器產(chǎn)生分斷動(dòng)作時(shí),導通晶閘管,使電路中的電流轉入晶閘管,即先分斷接觸器主觸頭,再分斷晶閘管回路,實(shí)現無(wú)弧分斷。

　　在交流接觸器的每相觸頭上僅并聯(lián)一個(gè)單向晶閘管,不僅實(shí)現了無(wú)弧接通、分斷,而且實(shí)現了節能、節材、無(wú)聲運行以及與主控計算機的雙向通信， 也以磁保持繼電器為基礎,設計了一款性?xún)r(jià)比高、使用簡(jiǎn)便、性能指標優(yōu)良的智能無(wú)弧交流接觸器。

　　4 　智能型交流接觸器

　　2000 年提出了一種交流接觸器的電子操作方案,其原理是對接觸器線(xiàn)圈用直流勵磁,并在電磁鐵動(dòng)作過(guò)程中,把勵磁周期分成2 段,其中T1 為通電階段, T2 為停歇階段(見(jiàn)圖1) 。通過(guò)改變停歇時(shí)間T2 可以改變電磁鐵動(dòng)鐵芯的閉合速度,并達到減小觸頭振動(dòng)的目的。這就是智能型交流接觸器的雛形。

　　智能交流接觸器采用的是直流起動(dòng)、直流吸持的工作狀態(tài),在吸合過(guò)程中通過(guò)全波整流電路將交流電源變?yōu)槊}動(dòng)的直流電源,提供接觸器吸合磁勢,使接觸器完成吸合工作 。智能交流接觸器一般都具有下列顯著(zhù)特點(diǎn)中的一個(gè)或幾個(gè): ① 實(shí)現了三相電路的零電流分斷控制,無(wú)弧或少弧分斷,接觸器電壽命大大提高; ②通過(guò)單片機程序控制,對應不同電源電壓,接觸器可以選擇相應的最佳合閘相角,具有選相合閘功能; ③通過(guò)單片機程序使接觸器在直流高電壓大電流情況起動(dòng),直流低電壓小電流吸持,實(shí)現節能無(wú)聲運行; ④ 具有與主控計算機進(jìn)行雙向通信的通信功能; ⑤電壽命、操作頻率大大提高,工作的可靠性得到進(jìn)一步改善。

　　智能交流接觸器是在開(kāi)關(guān)本體上,加裝了智能控制模塊,實(shí)現起動(dòng)、吸合、分斷全過(guò)程的優(yōu)化控制,并具有通信功能。圖2 給出了智能交流接觸器的結構示意圖,圖3 給出了智能交流接觸器的控制原理框圖。

　　在起動(dòng)過(guò)程中,單片機對電源電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣,若電源電壓超過(guò)最低吸合電壓,單片機系統根據電壓值按照相應的程序控制可控元件定相、定時(shí)工作,保證接觸器處于最佳起動(dòng)狀態(tài)。在吸持狀態(tài),由低電壓直流吸持電路提供該電器的吸持能量實(shí)現節能無(wú)聲運行。一旦接到分斷信號,單片機系統通過(guò)電流互感器對主電路電流進(jìn)行采樣,從而進(jìn)入三相電路的零電流分斷控制程序,實(shí)現分斷控制。

4. 1 　電磁機構動(dòng)態(tài)分析以及吸合過(guò)程動(dòng)態(tài)控制

　　電磁機構是接觸器的感測部分,在接觸器中占有重要位置。根據智能交流接觸器的工作特點(diǎn),對其電磁機構的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析 ,提出智能交流接觸器吸合過(guò)程動(dòng)態(tài)控制的概念 。該概念是應用智能控制系統按不同電源電壓(激磁電壓) 調節控制參數,如合閘相位角、吸合過(guò)程強激磁的接通和斷開(kāi)時(shí)間等,由此改變鐵心在吸合過(guò)程中的運動(dòng)速度,減少鐵心撞擊,消除接觸器的主觸頭在吸合過(guò)程中的1 、2 次彈跳,從而減少觸頭磨損,提高各項性能指標,并節約能量。為了達到減少動(dòng)、靜鐵心在閉合瞬間的撞擊速度,消除觸頭彈跳的目的,智能交流接觸器吸合過(guò)程動(dòng)態(tài)控制概念的內容之一是通過(guò)以單片機為核心的智能控制系統,調節強激磁控制元件的導通和截止時(shí)間,從而改變吸合過(guò)程,實(shí)現不同的強激磁控制方案。強激磁控制方案有不分段控制方案與分段控制方案2 種。

　　圖4 為強激磁不分段控制方案 。圖中t1 為智能控制系統檢測到采樣電壓零點(diǎn)以后延時(shí)的時(shí)間( t1 處即合閘相角) , t2 為強激磁時(shí)間。在確定接觸器可靠閉合后,將強激磁關(guān)斷,只留下吸持電壓維持接觸器正常工作。由于確定完全吸合后才關(guān)斷強激磁信號,所以隨著(zhù)鐵心行程的增大以及速度的增加,難以大幅度減少動(dòng)、靜鐵心之間的碰撞和消除在吸合過(guò)程中動(dòng)靜觸頭之間的彈跳。

　　圖5 為強激磁分段控制方案 。圖中t1 為合閘時(shí)刻(選定的合閘相角) ; t2 為強激磁回路導通的時(shí)間; t3 為關(guān)斷強激磁的時(shí)間; t4 為重新觸發(fā)強激磁回路導通的時(shí)間。再次關(guān)斷強激磁控制回路,使接觸器鐵心依靠慣性完成吸合任務(wù),實(shí)現吸合過(guò)程的“軟著(zhù)陸”,將鐵心之間的撞擊能量降到最小,觸頭之間的1 、2 次彈跳大大減少甚至完全消除。實(shí)驗表明,采用上述控制方案后,在不同的電網(wǎng)電壓下吸合過(guò)程的動(dòng)態(tài)吸力特性都可以和接觸器的反力特性很好地配合,能明顯減少觸頭振動(dòng),提高接觸器的機械壽命和電壽命;在運行過(guò)程中采用智能控制可以減少接觸器所消耗的功率, 大幅度節能。

　　4. 2 　零電流分斷控制技術(shù)

　　零電流分斷控制技術(shù)即電流零點(diǎn)分斷控制技術(shù),是智能交流接觸器的關(guān)鍵技術(shù)。交流電弧過(guò)零熄滅的原理是觸頭間隙的介質(zhì)恢復強度高于電壓恢復強度 。理想的情況是:如果能使交流接觸器的觸頭在電流過(guò)零瞬間分開(kāi),并在瞬間將觸頭拉開(kāi)到足以承受恢復電壓而不發(fā)生擊穿的距離,則此時(shí)觸頭間隙就不會(huì )產(chǎn)生電弧。同時(shí),由于在電流過(guò)零瞬間弧隙處介質(zhì)狀態(tài),只需較小的極間距離,就可以承受較高的恢復電壓。然而,實(shí)際情況并非如此。實(shí)際上交流接觸器零電流分斷技術(shù)是讓接觸器觸頭在電流過(guò)零前的一個(gè)小區域內分開(kāi) 。與普通交流接觸器相比,其大幅度降低了電弧的能量,從而提高觸頭間隙承受恢復電壓的能力,保證電弧電流過(guò)零后不重燃。

　　以最常見(jiàn)的三相中線(xiàn)不接地感性負載系統為例,討論其首開(kāi)相分斷的問(wèn)題。三相平衡工作系統電壓、電流波形示意圖如圖6 所示。

　　由圖6 可知,在三相平衡系統工作過(guò)程中,必有一相電流最先過(guò)零點(diǎn)。若接觸器觸頭在圖中的第Ⅰ相角區打開(kāi),那么B 相電流首先過(guò)零,B 相為首開(kāi)相。如果B 相觸頭電弧在電流過(guò)零點(diǎn)熄滅,電路中的電流變?yōu)榫€(xiàn)電流ICA , IB 的零點(diǎn)正好對應ICA 的峰值,即再過(guò)5 ms 時(shí)間過(guò)零,故A、C 兩相燃弧時(shí)間等于B 相燃弧時(shí)間加上5 ms。由于在分斷過(guò)程中無(wú)法確定哪一相觸頭首先熄滅電弧,故在傳統的交流接觸器中,觸頭系統的滅弧均按首開(kāi)相的電弧來(lái)考慮其觸頭系統的滅弧能力。采用新型的觸頭結構 ,首開(kāi)相觸頭的開(kāi)距大于其余兩相在結構上實(shí)現非首開(kāi)相觸頭的打開(kāi)時(shí)刻,比首開(kāi)相觸頭打開(kāi)時(shí)刻滯后約5 ms。因而,只要控制好首開(kāi)相觸頭的打開(kāi)時(shí)刻,就可實(shí)現三相觸頭系統的零電流分斷控制。

　　5 交流接觸器的發(fā)展

　　為了適應工業(yè)自動(dòng)化控制系統發(fā)展和國際市場(chǎng)競爭的需要,交流接觸器應具備以下主要特點(diǎn):①小型化、安全化、可靠、多功能組合化模塊結構;②全系列采用塑料滅弧罩,提高分斷性能,減小非弧區域; ③電流規格增加,從63～800 A ,電流等級一般在15 個(gè)規格以上; ④ 容量交流接觸器一般采用節能型磁系統,發(fā)展真空接觸器,以提高分斷性能和電壽命; ⑤發(fā)展4 級接觸器,以滿(mǎn)足不同控制系統需要; ⑥在交流接觸器上加裝電子式保護與控制模塊和計算機通訊接口,進(jìn)而發(fā)展成為智能型交流接觸器。

　　6 　結　語(yǔ)

　　由于成本數倍于原來(lái)交流接觸器,該電器應用的領(lǐng)域受到很大的局限,在一定程度上又影響了智能交流接觸器的進(jìn)一步發(fā)展。因此,智能交流接觸器在今后的研究中,既要注重理論方面的探討,又要加強經(jīng)濟性能方面的“降本”,提高智能交流接觸器的性?xún)r(jià)比,這樣才能進(jìn)一步促進(jìn)智能交流接觸器的研究與應用。