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新型无弧交流接触器的设计

2009/1/12        作者:王俭  王尔智  马少华  厉伟  蔡志远  李海波      
关键字:交流接触器  电弧  无弧分断  
介绍了不同于一般交流接触器的能实现无弧开断的新型交流接触器,即将电力电子器件可控硅模块、光电器件等应用于交流接触器的主回路和控制回路,以实现接触器无弧分断的功能,给出了这种新型交流接触器的设计、工作原理、设计分析及结论。

    1、概述

    本文着重介绍了一种能实现无弧开断的新型交流接触器。接触器是属于长期工作制的、用途最为广泛的低压电器之一,但一般的交流接触器其触头灭弧系统(动、静触头及灭弧罩等)都存在常规设计所不能克服的缺点。其触头在开断电路电流时,不可避免地会产生电弧,而交流接触器的电寿命之所以远远低于其机械寿命,主要就是因为开断过程中电弧的存在,在强力熄弧、无弧分断方面以往也同样在这方面有很多研究成果,同样由于可靠性、成本、方案复杂等原因,市场上成型产品也不多见。基于上面的问题,本文针对触头灭弧系统提出了一种简单易行、可靠性高、成本低、性能优的解决方案。该方案保留了原接触器的优点,消除了其在开关过程中产生的火花与电弧,克服了它对电网的污染和对无线电的干扰,避免了感性负载在分断时产生的过压冲击,提高了交流接触器的工作频率,使交流接触器的寿命提高了数十倍,为各种电子控制系统和动力配电系统提供了高可靠元件。详细介绍了各自的工作原理、设计分析及试验结论。并已有样机在运行。

    2、无弧分断的工作原理

    随着低压电器技术的不断进步,如今交流接触器的机械寿命已达1000~1500万次以上,而电寿命却只有其机械寿命的十分之一左右,这其中的原因主要是电弧对触头的烧蚀导致的,传统的方法一般多在熄弧能力上进行改进,但都无法彻底消除电弧,即不能实现无弧分断。本方法采用电力电子器件与接触器主触头并联,通过简单可靠的控制电路对可控硅的导通和截止时间与接触器的固有通断时间精确配合进行控制,实现主电路的无触点通断,也就是实现无弧通断。同时在主电路的正常接通期间,电力电子器件可控硅不工作,仍由接触器的触点保持电路的接通状态,这样就克服了单纯采用无触点开关抗浪涌电流能力差的缺陷。

    其工作原理如图1所示。


图1

    这里以CJ20—315A交流接触器为例,图中交流接触器的每相触点并联一个双向可控硅模块,接触器的固有动作参数为:吸合时间18ms,释放时间12ms;图中的触发控制电路是与接触器线圈同时得电和失电的,当给接触器线圈通电时,该触发控制电路可在得电后10ms时给出触发信号,使三对双向可控硅瞬间导通,经过8ms后,即18ms时,接触器的三对常开触点闭合,此时尽管仍有触发信号加在可控硅的触发端,由于接触器闭合的触点将可控硅的阴阳极短路,所以可控硅处于不工作状态,即可控硅只在电路接通的瞬间工作几个ms,其后的电路接通工作由接触器的触点来完成;当接触器要开断电路时,即接触器线圈断电时,在接触器触点完全打开之前,由于触点间接触电阻的急剧增加,触点两端压降也急剧上升,当此压降仅达到8~10V左右时,由于图中的触发控制电路在失电后可保持15ms之内一直给出触发信号(依靠电容储能),这样与触点并联的可控硅在其两端压降达到8~10V时,就足以使可控硅转变成导通工作状态,随着接触器触点的即将打开,流经触点的电流由于触点的接触电阻急剧增大而转移到与之并联已变成导通工作状态的可控硅上,在12ms时,接触器的触点率先打开,由于几乎没有电流通过触点(电流已几乎全部转移到可控硅上),打开时不会产生电弧,经过3ms后,即15ms时,触发控制电路停止给出触发信号,可控硅截止,从而实现无弧开断电路,这样就实现了对电路的无弧分断。

    以上无弧分断方案已经在做出的样机上通过了机械和电寿命试验,具有安全、可靠、简单易行的突出特点,将其应用于现大量使用的普通接触器上,可实现接触器革命性的变化。

    3、工艺实现

    考虑到现有普通接触器的工艺已基本稳定,只须对其电磁、触头灭弧系统进行简单改造即可实现无弧分断功能。

    对于触头灭弧系统,因为已实现无弧分断,故灭弧罩失去原来的作用,可将其用一个由耐高温绝缘材料制成的外壳代替,外壳内的空间恰好将三个双向可控硅及其控制电路置于其中,这样保证改造后的接触器与原来的接触器外型尺寸一致,并且接线方式等一切外特性均保持不变。这对大量推广、使用该技术是十分有益的。

    4、结论

    将电力电子器件应用于接触器领域,在触头灭弧系统采用电力电子器件双向可控硅与接触器触头并联,通过一定的控制电路使电路的接通与分断均实现无弧通断,这种新方法减少了接触器开断电路时触头的电磨损,大大提高了交流接触器的电寿命。同时,因其实现了无弧分断功能,在石化、矿井等易燃易爆场合也可获得广泛应用。

责任编辑:江琦
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