智能化交流接觸器研究

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和引入,交流接觸器開始向智能化方向邁進(jìn),智能化交流接觸器在增強(qiáng)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(jī)械壽命與電壽命,其他功能與技術(shù)性能指標(biāo)也有明顯提高。

隨著電子元件質(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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用、交流接觸器與中央控制計(jì)算機(jī)雙向通信的實(shí)現(xiàn),使得交流接觸器必須朝著電子化、機(jī)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(jī)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(tǒng),其控制回路包括電壓檢測(cè)電路、吸合信號(hào)發(fā)生電路和保持信號(hào)發(fā)生電路;它能判別門檻吸合電壓,當(dāng)控制電源電壓低于接觸器門檻吸合電壓時(shí),不發(fā)出吸合信號(hào),接觸器不能合閘并有相應(yīng)顯示;接觸器吸合后能降低激磁電流,達(dá)到節(jié)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(tǒng)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(jī)理,這為接觸器的智能分?jǐn)嗵峁┝诵碌睦碚撘罁?jù);電力質(zhì)量是當(dāng)前電氣工程的熱門話題,從電力質(zhì)量出發(fā),也對(duì)接觸器的使用性能提出新的要求。按照流經(jīng)電磁機(jī)構(gòu)中線圈的電流方式,交流接觸器可分為: ①交流吸合、交流吸持類型的交流接觸器; 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(nèi)容入手,按照上述分類,結(jié)合交流接觸器的智能化設(shè)計(jì)技術(shù)與檢測(cè)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(guó)目前使用的小容量接觸器均為機(jī)械非智能型的,一般為交流吸合、交流吸持和隨機(jī)分?jǐn)?且線包電壓有220 V 和380 V 之分 。實(shí)驗(yàn)告訴我們,不論是220 V 還是380 V 的線包,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(wěn)定地保持吸合狀態(tài)分?jǐn)噙^(guò)程一旦發(fā)生,必然伴隨有電弧產(chǎn)生。確定分?jǐn)噙^(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(duì)于單相電磁電路,觸點(diǎn)合斷的最佳時(shí)刻應(yīng)該是主電路電流過(guò)零之時(shí),而對(duì)于三相電磁電路來(lái)說(shuō),如果分?jǐn)噙^(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(yīng)該為最小。輪流控制3 個(gè)觸點(diǎn)的過(guò)零分?jǐn)?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(nèi)容包括: ①合理選擇運(yùn)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(jié)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?jǐn)? ④交流接觸器的智能化設(shè)計(jì); ⑤交流接觸器的智能化測(cè)試。

　　智能型交流接觸器由鐵心、線圈和單片機(jī)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(tǒng)的基礎(chǔ);線圈的功能和傳統(tǒng)接觸器的線圈相同,單片機(jī)控制器是檢測(cè)、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(tǒng),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(jī)械壽命。

　　由于微處理器和計(jì)算機(jī)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(biāo),增強(qiáng)了功能;另一方面使交流接觸器可以實(shí)現(xiàn)與中央控制計(jì)算機(jī)雙向通訊

　　2 　交流吸合、交流吸持類型的交流接觸器

　　對(duì)于交流吸合、交流保持類型的交流接觸器而言 ,正常工作時(shí),由于其線圈中流過(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(dāng)鐵心閉合面污臟時(shí),振動(dòng)尤其嚴(yán)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(shè)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(tǒng)的看法,讓電弧零區(qū)分?jǐn)嗍且粋€(gè)最佳的分?jǐn)嗨查g。近年來(lái),由于對(duì)觸頭電弧侵蝕現(xiàn)象的研究,利用分?jǐn)噙^(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(zhuǎn)移方向相反的現(xiàn)象,通過(guò)控制分?jǐn)嘞嘟呛腿蓟⊙永m(xù)時(shí)間,可實(shí)現(xiàn)觸頭材料的零磨損。借助于單片機(jī)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?jǐn)嗟姆珠l相角,可使2 種電弧現(xiàn)象的觸頭材料轉(zhuǎn)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(jì)70 年代開始,我國(guó)的電器工作者就開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(duì)晶閘管發(fā)出觸發(fā)信號(hào),導(dǎo)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(dāng)需要接觸器產(chǎn)生分?jǐn)鄤?dòng)作時(shí),導(dǎo)通晶閘管,使電路中的電流轉(zhuǎn)入晶閘管,即先分?jǐn)嘟佑|器主觸頭,再分?jǐn)嗑чl管回路,實(shí)現(xiàn)無(wú)弧分?jǐn)唷?/P>

　　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(xiàn)了無(wú)弧接通、分?jǐn)?而且實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、節(jié)材、無(wú)聲運(yùn)行以及與主控計(jì)算機(jī)的雙向通信， 也以磁保持繼電器為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了一款性價(jià)比高、使用簡(jiǎn)便、性能指標(biāo)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(duì)接觸器線圈用直流勵(lì)磁,并在電磁鐵動(dòng)作過(guò)程中,把勵(lì)磁周期分成2 段,其中T1 為通電階段, T2 為停歇階段(見圖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(dá)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(shì),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特點(diǎn)中的一個(gè)或幾個(gè): ① 實(shí)現(xiàn)了三相電路的零電流分?jǐn)嗫刂?無(wú)弧或少弧分?jǐn)?接觸器電壽命大大提高; ②通過(guò)單片機(jī)程序控制,對(duì)應(yīng)不同電源電壓,接觸器可以選擇相應(yīng)的最佳合閘相角,具有選相合閘功能; ③通過(guò)單片機(jī)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(xiàn)節(jié)能無(wú)聲運(yùn)行; ④ 具有與主控計(jì)算機(jī)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關(guān)本體上,加裝了智能控制模塊,實(shí)現(xiàn)起動(dòng)、吸合、分?jǐn)嗳^(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(jié)構(gòu)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(jī)對(duì)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(jī)系統(tǒng)根據(jù)電壓值按照相應(yīng)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(xiàn)節(jié)能無(wú)聲運(yùn)行。一旦接到分?jǐn)嘈盘?hào),單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)電流互感器對(duì)主電路電流進(jìn)行采樣,從而進(jìn)入三相電路的零電流分?jǐn)嗫刂瞥绦?實(shí)現(xiàn)分?jǐn)嗫刂啤?/P>

4. 1 　電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析以及吸合過(guò)程動(dòng)態(tài)控制

　　電磁機(jī)構(gòu)是接觸器的感測(cè)部分,在接觸器中占有重要位置。根據(jù)智能交流接觸器的工作特點(diǎn),對(duì)其電磁機(jī)構(gòu)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(yīng)用智能控制系統(tǒng)按不同電源電壓(激磁電壓) 調(diào)節(jié)控制參數(shù),如合閘相位角、吸合過(guò)程強(qiáng)激磁的接通和斷開時(shí)間等,由此改變鐵心在吸合過(guò)程中的運(yùn)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(xiàng)性能指標(biāo),并節(jié)約能量。為了達(dá)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(nèi)容之一是通過(guò)以單片機(jī)為核心的智能控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)強(qiáng)激磁控制元件的導(dǎo)通和截止時(shí)間,從而改變吸合過(guò)程,實(shí)現(xiàn)不同的強(qiáng)激磁控制方案。強(qiáng)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(qiáng)激磁不分段控制方案 。圖中t1 為智能控制系統(tǒng)檢測(cè)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(qiáng)激磁時(shí)間。在確定接觸器可靠閉合后,將強(qiáng)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(qiáng)激磁信號(hào),所以隨著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(qiáng)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(qiáng)激磁回路導(dǎo)通的時(shí)間; t3 為關(guān)斷強(qiáng)激磁的時(shí)間; t4 為重新觸發(fā)強(qiáng)激磁回路導(dǎo)通的時(shí)間。再次關(guān)斷強(qiáng)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(xiàn)吸合過(guò)程的“軟著陸”,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(yàn)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(jī)械壽命和電壽命;在運(yùn)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(jié)能。

　　4. 2 　零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)

　　零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)即電流零點(diǎn)分?jǐn)嗫刂萍夹g(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(fù)強(qiáng)度高于電壓恢復(fù)強(qiáng)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,并在瞬間將觸頭拉開到足以承受恢復(fù)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(fù)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?jǐn)嗉夹g(shù)是讓接觸器觸頭在電流過(guò)零前的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)分開 。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(fù)電壓的能力,保證電弧電流過(guò)零后不重燃。

　　以最常見的三相中線不接地感性負(fù)載系統(tǒng)為例,討論其首開相分?jǐn)嗟膯?wèn)題。三相平衡工作系統(tǒng)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(tǒng)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(qū)打開,那么B 相電流首先過(guò)零,B 相為首開相。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€電流ICA , IB 的零點(diǎn)正好對(duì)應(yīng)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?jǐn)噙^(guò)程中無(wú)法確定哪一相觸頭首先熄滅電弧,故在傳統(tǒng)的交流接觸器中,觸頭系統(tǒng)的滅弧均按首開相的電弧來(lái)考慮其觸頭系統(tǒng)的滅弧能力。采用新型的觸頭結(jié)構(gòu) ,首開相觸頭的開距大于其余兩相在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)非首開相觸頭的打開時(shí)刻,比首開相觸頭打開時(shí)刻滯后約5 ms。因而,只要控制好首開相觸頭的打開時(shí)刻,就可實(shí)現(xiàn)三相觸頭系統(tǒng)的零電流分?jǐn)嗫刂啤?/P>

　　5 交流接觸器的發(fā)展

　　為了適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)發(fā)展和國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要,交流接觸器應(yīng)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(jié)構(gòu);②全系列采用塑料滅弧罩,提高分?jǐn)嘈阅?減小非弧區(qū)域; ③電流規(guī)格增加,從63～800 A ,電流等級(jí)一般在15 個(gè)規(guī)格以上; ④ 容量交流接觸器一般采用節(jié)能型磁系統(tǒng),發(fā)展真空接觸器,以提高分?jǐn)嘈阅芎碗妷勖? ⑤發(fā)展4 級(jí)接觸器,以滿足不同控制系統(tǒng)需要; ⑥在交流接觸器上加裝電子式保護(hù)與控制模塊和計(jì)算機(jī)通訊接口,進(jìn)而發(fā)展成為智能型交流接觸器。

　　6 　結(jié)　語(yǔ)

　　由于成本數(shù)倍于原來(lái)交流接觸器,該電器應(yīng)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(qiáng)經(jīng)濟(jì)性能方面的“降本”,提高智能交流接觸器的性價(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(yīng)用。