关于交流接触器吸合动态的演示过程

摘 要：叙述了无弧分合闸方案，分析了合闸过程方案及分闸过程方案，指出零电流分断控制技术存在的问题，并提出了一种具有明显分断口的无弧交流接触器结构，其大大提高了接触器的电寿命，可靠地实现了电气隔离。

0引言

随着新材料新工艺的采用，交流接触器机械寿命大幅度提高，只有机械寿命1/10的电寿命成为影响交流接触器发展的瓶颈。普通交流接触器分断过程也会在大分断电流影响下产生强烈电弧影响，因此对交流接触器分断过程智能改造也是非常必需的，使得交流接触器分断过程基本实现无弧化，以提高交流接触器电寿命，最终提高交流接触器整体性能，这对绿色、安全、节约型电网建设有重要的实际作用和意义。

1 无弧分合闸方案

在使用交流接触器控制电气设备的通断时，触点间存在很强的飞弧。特别是频繁启动和停止设备时，更易使触点粘合或烧毁，需频繁更换触头，增加设备维修工作量和生产成本，更严重时会由于触点飞弧或烧融而导致生产事故。

为能消除或充分减小分合闸过程中产生的电弧，我们尝试了以下几种试验方法：

a） 同步分断技术。即控制交流接触器在电流过零瞬间分开，并以较快速度拉开到足以承受恢复电压而不发生瞬间击穿的距离，此时触头间隙不会产生电弧。事实上要完全实现同步分断是十分困难的;

b） 触头系统改造技术。使交流接触器中间相触头开距不同于旁边两相的开距，中间相触头打开后，经过小段时间，其余两相触头才打开（见图1）。通过控制中间相触头的分断时刻，可以达到三相触头均在电流过零点前分断电路，实现三相电路同步分断。缺陷是触头改造系统同样是结合电流过零分断技术，实施难度比较大;

图1 触头系统改造原理图

c） 混合式开关技术。即在主触头两端并联电力电子器件运行期间由主触头分担电流，分断过程中由电力电子器件分担电流，实现微弧或无弧分断，提高接触器电寿命。这种方法把双向可控硅与接触器主触点相结合，真正实现了接触器的无弧通断功能，且容易实现，无弧通断效果明显。

2 合闸过程方案分析

交流接触器吸合过程是个很复杂的动态过程，普通交流接触器采用交流励磁，很容易造成交流接触器出现铁芯碰撞和触头弹跳问题，而铁芯碰撞是影响交流接触器机械寿命的重要因素，触头弹跳又是影响交流接触器电寿命的重要影响因素。

分段直流激磁可很好控制激磁能量以便控制动铁心吸合速度，减少触头弹跳几率;同时，接触器稳定闭合之后采用直流小电压便可维持运行，从而大大降低了接触器运行功耗。分段直流激磁控制原理如图2所示。

图2 分段激磁原理图

图2中，t1为合闸初相角（合闸时刻），弧度;t2为第一次激磁回路作用时间，弧度;t3为停止激磁时间段，弧度;t4为第二次激磁回路作用时间，弧度。关断强激磁控制回路后，重新停止激磁信号，使交流接触器铁心在惯性作用下缓慢吸合，最终实现交流接触器吸合过程所谓的“软着陆”，这种激磁控制方案可最大限度减小铁芯碰撞速度，进而减少或消除触头的二次弹跳问题。

3 分闸过程方案分析

零电流分断控制技术即微电弧能量分断控制技术，目标是使接触器分断过程尽可能避免电弧产生。交流电弧具有电流过零特性及“零休”现象。零电流分断技术便利用交流电弧此特性，使交流接触器在电流过零前的小段时间分断，从而将交流电弧消灭在最初阶段。零电流分断控制技术是对时间控制精度要求非常高的分断控制方法，在交流接触器分断过程起到改进作用，该控制技术同样存在缺陷。

由于零电流分断控制技术存在缺陷，提出了无触点分断控制技术，主要做法为在每相主触头两端并联1个双向可控硅，使得分断瞬间可由双向可控硅实现分流操作，达到无弧分闸的目的，如图3所示。相对于零电流分断控制技术，无触点分断控制技术可从根本上杜绝电弧产生，实现真正无弧化。无触点分断控制技术对外围硬件要求不是很高，降低了操作难度。双向可控硅只是在分断过程中导通几毫秒，所以降低了浪涌电流的冲击影响。

图3 无触点无弧分断控制原理图

4 存在的问题

零电流分断控制技术主要有以下几点技术上的不足：

a） 设计相应的过零采样电路，使每相触头轮流在零点进行分断操作，缺陷是这种控制方法每次操作过程只有1/3概率实现零电流分断;

b） 由于交流接触器制造工艺及机构之间的差别，交流接触器每次分断过程很难保证时间稳定，呈现出很大分散性，这也就使得准确控制交流接触器在某一确定时刻分断存在很大技术难度;

c） 零电流分断是在电流过零之前很小的一段时间动作，附加条件是提高交流接触器动作速度，这同样会增加交流接触器动作机构的负担，给分断过程造成一定困难;

d） 复杂的现场情况使得非自适应的控制策略显得乏力，这也进一步增加了交流接触器控制系统的实现难度。

对于无触点无弧通断方法，在接触器主触点并联双向可控硅后，会造成接触器两端无可见分断点，没有实现电气彻底隔离，一旦可控硅出现故障，可能会把电源与负载端直接连通，造成严重后果。

5 新型结构方案

针对无触点无弧通断方法存在潜在危险，提出一种具有明显分断口的无弧交流接触器结构。这种新结构里包括2个电磁线圈，2套触点组，图4为新型无触点无弧接触器的内部立体结构示意图。在第一触点组两端并联双向可控硅，以实现无弧通断;当接触器处于断开状态时，第二触点组断开，用来把电源和负载完全隔离开。这种新型接触器结构，既保证了电路安全，又实现了无弧通断。

1.静铁芯;2.线圈;3.动铁芯;4.弹簧;5.支架;6.第一触点组;7.第二触点组;8.可控硅导电连接片;9.双向可控硅模块

图4 新型无弧接触器内部结构示意图

由于这种新型接触器结构不产生电弧，因而对接触器触头具有良好保护作用，使接触器寿命大大提高，而其中的2个线圈不强调分开或闭合的速度，所以只需要较小功率损耗，达到了节能降耗目的。

6 结语

采用在主触点两端并联双向可控硅的方法实现接触器无弧通断是最优方法，但这种方法存在危险，所以提出了一种新型的无弧接触器结构，实验表明，这种结构的无弧通断效果非常好。

这种无弧交流接触器与常规交流接触器使用方法和外观完全一样，替换方便，且具有无弧通断功能，大大提高了接触器电寿命，取消了特殊材料触头的制作并避免了所有因开断电弧产生的电磁干扰和火灾风险。在断开接触器后，电源侧与负载侧具有明显分断口，可靠地实现了电气隔离，这一点又与常规接触器的特性完全一致。
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