隨著微電子技術的發(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,其他功能與技術性能指標也有明顯提高。

隨著電子元件質量提高、價格下降,電磁兼容( Elect romagnetic Compatibility , EMC) 技術逐步成熟,尤其是計算機網絡的發(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);電力質量是當前電氣工程的熱門話題,從電力質量出發(fā),也對接觸器的使用性能提出新的要求。按照流經電磁機構中線圈的電流方式,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容入手,按照上述分類,結合交流接觸器的智能化設計技術與檢測技術,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;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;當鐵心閉合面污臟時,振動尤其嚴重,經常造成接觸器觸點因振動而發(fā)熱燒損,進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)象的觸頭材料轉移相互平衡,而產生觸頭質量零磨損條件。

　　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,主電路電流經過交流接觸器的主觸頭,此時晶閘管截止;當需要接觸器產生分斷動作時,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,設計了一款性價比高、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 　電磁機構動態(tài)分析以及吸合過程動態(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(jù)智能交流接觸器的工作特點,對其電磁機構的動態(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 。該概念是應用智能控制系統(tǒng)按不同電源電壓(激磁電壓) 調節(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)控制概念的內容之一是通過以單片機為核心的智能控制系統(tǒng),調節(jié)強激磁控制元件的導通和截止時間,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 為強激磁回路導通的時間; t3 為關斷強激磁的時間; t4 為重新觸發(fā)強激磁回路導通的時間。再次關斷強激磁控制回路,使接觸器鐵心依靠慣性完成吸合任務,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

　　零電流分斷控制技術即電流零點分斷控制技術,是智能交流接觸器的關鍵技術。交流電弧過零熄滅的原理是觸頭間隙的介質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零瞬間分開,并在瞬間將觸頭拉開到足以承受恢復電壓而不發(fā)生擊穿的距離,則此時觸頭間隙就不會產生電弧。同時,由于在電流過零瞬間弧隙處介質狀態(tài),只需較小的極間距離,就可以承受較高的恢復電壓。然而,實際情況并非如此。實際上交流接觸器零電流分斷技術是讓接觸器觸頭在電流過零前的一個小區(qū)域內分開 。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。采用新型的觸頭結構 ,首開相觸頭的開距大于其余兩相在結構上實現(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構;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　語

　　由于成本數(shù)倍于原來交流接觸器,該電器應用的領域受到很大的局限,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用。