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,智能化交流接觸器在增強功能的同時,降低了能耗,減少了觸頭振動,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。

隨著電子元件質(zhì)量提高、價格下降,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(yīng)用、交流接觸器與中央控制計算機雙向通信的實現(xiàn),使得交流接觸器必須朝著電子化、機電一體化方向發(fā)展,同時要求部分電器具有智能化功能。目前,智能化電器的發(fā)展主要集中在萬能式斷路器、塑殼式斷路器、交流接觸器以及電動機控制器等產(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(tǒng),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,不發(fā)出吸合信號,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(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),也對接觸器的使用性能提出新的要求。按照流經(jīng)電磁機構(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,且線包電壓有220 V 和380 V 之分 。實驗告訴我們,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,并且不會產(chǎn)生1 、2 次彈跳。此時,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)分斷過程一旦發(fā)生,必然伴隨有電弧產(chǎn)生。確定分斷過程何時發(fā)生的唯一原則就是在時間允許的前提下使電弧總能量最小。對于單相電磁電路,觸點合斷的最佳時刻應(yīng)該是主電路電流過零之時,而對于三相電磁電路來說,如果分斷過程發(fā)生在某一相電流過零時刻,此時三相電弧的總能量應(yīng)該為最小。輪流控制3 個觸點的過零分斷,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(nèi)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(jié)約能源; ③合理選擇觸點合斷的最佳時刻,在時間允許的前提下使電弧總能量最小,做到無弧分斷; ④交流接觸器的智能化設(shè)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(tǒng)的基礎(chǔ);線圈的功能和傳統(tǒng)接觸器的線圈相同,單片機控制器是檢測、傳遞各種信息、控制交流接觸器動作的神經(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現(xiàn)與中央控制計算機雙向通訊

　　2 　交流吸合、交流吸持類型的交流接觸器

　　對于交流吸合、交流保持類型的交流接觸器而言 ,正常工作時,由于其線圈中流過的是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;當(dāng)鐵心閉合面污臟時,振動尤其嚴重,經(jīng)常造成接觸器觸點因振動而發(fā)熱燒損,進而引起電氣設(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。

　　由于交流電弧在過零時熄弧,因而傳統(tǒng)的看法,讓電弧零區(qū)分斷是一個最佳的分斷瞬間。近年來,由于對觸頭電弧侵蝕現(xiàn)象的研究,利用分斷過程的金屬相和氣相電弧2 種過程、觸頭材料在陽極和陰極轉(zhuǎn)移方向相反的現(xiàn)象,通過控制分斷相角和燃弧延續(xù)時間,可實現(xiàn)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間即分斷的分閘相角,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70 年代開始,我國的電器工作者就開始了混合式交流接觸器的研究工作。在起動過程中,首先由觸發(fā)電路對晶閘管發(fā)出觸發(fā)信號,導(dǎo)通晶閘管,再選一個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,主電路電流經(jīng)過交流接觸器的主觸頭,此時晶閘管截止;當(dāng)需要接觸器產(chǎn)生分斷動作時,導(dǎo)通晶閘管,使電路中的電流轉(zhuǎn)入晶閘管,即先分斷接觸器主觸頭,再分斷晶閘管回路,實現(xiàn)無弧分斷。

　　在交流接觸器的每相觸頭上僅并聯(lián)一個單向晶閘管,不僅實現(xiàn)了無弧接通、分斷,而且實現(xiàn)了節(jié)能、節(jié)材、無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(chǔ),設(shè)計了一款性價比高、使用簡便、性能指標優(yōu)良的智能無弧交流接觸器。

　　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圈用直流勵磁,并在電磁鐵動作過程中,把勵磁周期分成2 段,其中T1 為通電階段, T2 為停歇階段(見圖1) 。通過改變停歇時間T2 可以改變電磁鐵動鐵芯的閉合速度,并達到減小觸頭振動的目的。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、直流吸持的工作狀態(tài),在吸合過程中通過全波整流電路將交流電源變?yōu)槊}動的直流電源,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特點中的一個或幾個: ① 實現(xiàn)了三相電路的零電流分斷控制,無弧或少弧分斷,接觸器電壽命大大提高; ②通過單片機程序控制,對應(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通過單片機程序使接觸器在直流高電壓大電流情況起動,直流低電壓小電流吸持,實現(xiàn)節(jié)能無聲運行; ④ 具有與主控計算機進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,實現(xiàn)起動、吸合、分斷全過程的優(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。

　　在起動過程中,單片機對電源電壓進行實時采樣,若電源電壓超過最低吸合電壓,單片機系統(tǒng)根據(jù)電壓值按照相應(yīng)的程序控制可控元件定相、定時工作,保證接觸器處于最佳起動狀態(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現(xiàn)節(jié)能無聲運行。一旦接到分斷信號,單片機系統(tǒng)通過電流互感器對主電路電流進行采樣,從而進入三相電路的零電流分斷控制程序,實現(xiàn)分斷控制。

4. 1 　電磁機構(gòu)動態(tài)分析以及吸合過程動態(tài)控制

　　電磁機構(gòu)是接觸器的感測部分,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,對其電磁機構(gòu)的動態(tài)過程進行動態(tài)分析 ,提出智能交流接觸器吸合過程動態(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、吸合過程強激磁的接通和斷開時間等,由此改變鐵心在吸合過程中的運動速度,減少鐵心撞擊,消除接觸器的主觸頭在吸合過程中的1 、2 次彈跳,從而減少觸頭磨損,提高各項性能指標,并節(jié)約能量。為了達到減少動、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程動態(tài)控制概念的內(nèi)容之一是通過以單片機為核心的智能控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)強激磁控制元件的導(dǎo)通和截止時間,從而改變吸合過程,實現(xiàn)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(tǒng)檢測到采樣電壓零點以后延時的時間( t1 處即合閘相角) , t2 為強激磁時間。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,所以隨著鐵心行程的增大以及速度的增加,難以大幅度減少動、靜鐵心之間的碰撞和消除在吸合過程中動靜觸頭之間的彈跳。

　　圖5 為強激磁分段控制方案 。圖中t1 為合閘時刻(選定的合閘相角) ; t2 為強激磁回路導(dǎo)通的時間; t3 為關(guān)斷強激磁的時間; t4 為重新觸發(fā)強激磁回路導(dǎo)通的時間。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),實現(xiàn)吸合過程的“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)電壓下吸合過程的動態(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,提高接觸器的機械壽命和電壽命;在運行過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 　零電流分斷控制技術(shù)

　　零電流分斷控制技術(shù)即電流零點分斷控制技術(shù),是智能交流接觸器的關(guān)鍵技術(shù)。交流電弧過零熄滅的原理是觸頭間隙的介質(zhì)恢復(fù)強度高于電壓恢復(fù)強度 。理想的情況是:如果能使交流接觸器的觸頭在電流過零瞬間分開,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,則此時觸頭間隙就不會產(chǎn)生電弧。同時,由于在電流過零瞬間弧隙處介質(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,實際情況并非如此。實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零前的一個小區(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,保證電弧電流過零后不重燃。

　　以最常見的三相中線不接地感性負載系統(tǒng)為例,討論其首開相分斷的問題。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)工作過程中,必有一相電流最先過零點。若接觸器觸頭在圖中的第Ⅰ相角區(qū)打開,那么B 相電流首先過零,B 相為首開相。如果B 相觸頭電弧在電流過零點熄滅,電路中的電流變?yōu)榫€電流ICA , IB 的零點正好對應(yīng)ICA 的峰值,即再過5 ms 時間過零,故A、C 兩相燃弧時間等于B 相燃弧時間加上5 ms。由于在分斷過程中無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)上實現(xiàn)非首開相觸頭的打開時刻,比首開相觸頭打開時刻滯后約5 ms。因而,只要控制好首開相觸頭的打開時刻,就可實現(xiàn)三相觸頭系統(tǒng)的零電流分斷控制。

　　5 交流接觸器的發(fā)展

　　為了適應(yīng)工業(yè)自動化控制系統(tǒng)發(fā)展和國際市場競爭的需要,交流接觸器應(yīng)具備以下主要特點: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,提高分斷性能,減小非弧區(qū)域; ③電流規(guī)格增加,從63～800 A ,電流等級一般在15 個規(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,以提高分斷性能和電壽命; ⑤發(fā)展4 級接觸器,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與控制模塊和計算機通訊接口,進而發(fā)展成為智能型交流接觸器。

　　6 　結(jié)　語

　　由于成本數(shù)倍于原來交流接觸器,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價比,這樣才能進一步促進智能交流接觸器的研究與應(yīng)用。