智能无弧交流接触器毕业设计论文.doc

湖南工程学院应用技术学院毕业设计说明书题 目： 智能无弧交流接触器 专业班级： 电气工程及自动化1285 学生姓名： 朱斌浩 学 号： 201213010501 完成日期： 2016年5月8日 指导教师： 赵毅君 （教授） 评阅教师： 施晓蓉 （副教授） 2016 年 5 月 摘 要因为交流接触器在使用过程中通，断的频繁过程，会产生电弧，从而影响接触器的使用寿命。研发智能无弧交流接触器是当前的趋势。 abstractac contactor played an irreplaceable role in the field of low-voltage distribution and automation control. so consistencyofperformanceof the ac contactor has great economic significance. but further development has so far been constrained by its electrical life which below the mechanical lifes level. the direct effect on electrical life is electric arc that has produced in switching process. especially under the use of categories of ac-4, the arc generating by switching process become the key restriction of the electrical life of the ac contactor. in view of the above problems, this paper put forward a research plan about intelligent low voltage ac contactor without arc. as to the problems in the closing and breaking process, we make the intelligent improvement to solve them. the improvement includes two aspects. one aspect is the improvement of electromagnetic system. this paper designs the corresponding experimental circuit used to determine the specific field parameters which mainly about the dc excitation voltage and dc small voltage. and the design of the intelligent excitation operation of the actuator thereby ensures the stability of the excitation process. the other aspect is intelligent transformation according to the contact system. as to this, the theories mainly divided into zero current breaking and contactless breaking, this paper adopts the contactless breaking concept. the specific approach is in each phase of contact ends connect in parallel with a bidirectional triode thyristor, and supporting the corresponding design of drive circuit and trigger circuit. this makes bidirectional triode thyristor realize shunt in ac contactor on-off process, namely bidirectional triode thyristor bears the main circuit current signal before the on-off process. so it can make ac contactor to achieve arc-less closing operation, the greatly improves the electrical life of the contactor.in addition to ac contactor switch process, this paper also focus on other aspects of intelligent transform of ac contactor, mainly provides overvoltage, under voltage, overload, leakage protection function. as to this intelligent improvement, it will make the ac contactor more intelligent.keywords：ac contactor；dc magnetizing ；non-contact control technique；intelligent protection目 录摘 要iabstractii1 绪论11.1 课题的研究目的和意义11.2 国内外研究概况和发展趋势11.2.1 交流接触器合闸控制技术发展状况21.2.2交流接触器分闸控制技术发展状况-21.2.3 节能保持技术发展状况41.3 课题的研究的理论依据与实践方案51.4 论文章节安排52 智能交流接触器总体设计方案82.1 引言82.2 研究对象简介92.3智能交流接触器控制原理分析102.4 智能交流接触器实验样机112.5 本章小结123 智能交流接触器合闸过程方案研究133.1 交流接触器合闸过程触头弹跳问题的分析133.2 脉动直流激磁方案分析143.2.1 合闸相角对吸合过程的影响153.2.2 激磁电压对吸合过程的影响163.2.3 不同激磁方式对吸合过程的影响164 智能交流接触器分闸过程方案研究284.1 交流接触器触头系统电弧能量分析284.2 关于零电流分断控制技术304.3 无触点分断控制技术分析33 4.3.1 分闸过程电压、电流理论分析344.3.2 双向可控硅控制方案374.4 无触点分断控制软件部分设计404.5 本章小结475 交流接触器智能保护功能设计485.1 智能保护模块硬件部分设计485.1.1 交流接触器过载保护的设计485.1.2 交流接触器漏电保护的设计505.2 智能保护模块软件部分设计515.2.1 主程序设计515.2.2 电压、电流信号有效值算法分析525.2.3 温升计算算法分析535.3 本章小结556 结论56参 考 文 献571 绪论1.1 课题的研究目的和意义交流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和断开交流电路的自动控制设备，广泛应用于各种电网配电系统、自动控制系统之中，是电气自动化设备不可缺少的元件。随着微电子技术的发展和引入，交流接触器开始向智能化方向迈进，智能化交流接触器在增强功能的同时，降低了功耗，减少了触头振动，提高了交流接触器的机械寿命和电寿命。所以交流接触器的智能化发展具有很高的经济意义和社会意义1。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，机械寿命已达万次以上，只有机械寿命十分之一的电寿命成为影响交流接触器发展的瓶颈。特别对于使用类别来说，交流接触器吸合过程中，主触头需承受几倍于主回路额定电流的电流冲击，不可避免的会产生强烈电弧侵蚀，这也使得交流接触器合闸过程成为制约接触器电寿命的重要因素。如何减少或者杜绝触头二次弹跳成为降低接触器电弧侵蚀的关键所在。针对交流接触器吸合过程产生二次弹跳问题，本文进行详细分析和方案论述，使得交流接触器吸合过程更加智能化，所以智能交流接触器的研究具有很大的实际作用与意义。随着电力电子技术的发展，电力电子开关器件越来越成为现代电子产品不可或缺的一部分。普通交流接触器分断过程也会在大分断电流的影响下产生强烈电弧影响，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。提高交流接触器电寿命，最终提高交流接触器整体性能，同时对绿色、安全、节约型电网建设有重要的实际作用和意义2。1.2 国内外研究概况和发展趋势近年来，国外著名低压电器公司纷纷推出新一代交流接触器系列产品，这些接触器的共同特点是在以上框架的产品上，其电磁机构普遍采用了智能控制电路，即通过引入微处理器，实现闭环控制以达到智能合闸操作。这种电路通过反馈信号，调节吸力与反力的配合，使电磁机构吸合冲击力最小，减少触头振动，可大幅度提高使用条件下的电气寿命。美国西屋公司()推出的“”智能接触器，额定电流有，三种框架。被广泛应用于综合监控、保护和通讯系统 (integrated monitoring protection and control communication system)。该系列产品的核心是具有智能芯片，这种芯片能够对操作电磁机构的线圈进行智能控制，通过线圈的电流信号对闭合过程进行动态调节，达到能量平衡，实现动铁心的软着陆，减弱动静铁心的冲击，减小触头的弹跳。把三个电流传感器和智能芯片相结合，能够实现多种电动机保护功能，具有过载保护、断相保护、三相不平衡保护和接地保护等功能。该接触器还具有通信功能，能够把电动机的运行状态和数据传输给自动控制系统。当操作线圈回路条件变化时能够保持吸持线圈功率不变，消除了由于低电压引起的线圈烧损、触头弹跳和焊接现象，是一种具有代表性的新型交流接触器。国外一些主要接触器生产厂商也相继完成了产品的更新换代工作3。交流接触器是现代工业、农业、交通运输、石油化工、冶金、建筑等国民经济各个领域中需求很大的低压电器，在任何国家都不例外。我国每年需求量大约一亿台，产值约百亿。随着我国现代化发展步伐加快，这一需求将会更大，市场会更广阔。交流接触器广泛应用于供电、治金、矿山、石化行业，是一种较为理想的更新换代产品。产品适用于交流，额定工作电压至 (包括)，工作电流至的电力系统中，供远距离接通和分断线路之用；特别适用于电动机的频繁起动及控制电炉变压器的关合和分断；也广泛使用在电容无功补偿装置中。智能型交流接触器一般从以下四个方面进行研究和发展。1.2.1 交流接触器合闸控制技术发展状况随着电力电子技术的发展和电能资源的紧缺，智能交流接触器已经成为交流接触器的发展趋势。国外各大公司纷纷推出新系列的交流接触器，主要特点是其电磁铁采用了智能控制电路，即通过引入微处理器实现闭环控制，以实现智能合闸的操作。日本富士公司提出了系列接触器的超级电磁机构线路，实现节能无噪声运行，改善了电磁机构吸力与负载特性配合，减少触头闭合是振动。德国金钟-穆勒公司的系列智能接触器采用电压反馈方案，当线路电压变动时，能够实现恒流控制，保证动态吸力特性与反力特性很好的配合4。综合国外研究发现，他们对于智能交流接触器研究存在一些不足之处，比如，大多数是对电磁系统进行改进，实现合闸过程的稳定性，减少了主触头回跳次数。但对于分闸过程无弧化未能实现。就国内研究而言，通过研究得出合闸相角不同，铁芯闭合末速度不同，触点振动不同的结论。缺陷是针对不同的电压，合闸相角不同故合闸相角的准确计算是个难点，而且只能实现接触器微弧合闸，无法实现无弧合闸操作。针对交流接触器合闸阶段，智能交流接触器不同于上述做法。智能交流接触器采用多段脉冲稳压直流激磁和直流小电压保持的控制方案，在交流接触器吸合过程中采用多脉冲直流激磁方式，使得交流接触器吸合过程基本实现无弹跳，杜绝了吸合过程触头二次弹跳引起的拉弧对触头的侵蚀影响，达到了智能合闸的操作目标。同时采用稳压直流作为激磁电源还可以避免电网电压波动的影响，进一步提高了控制精度。1.2.2 交流接触器分闸控制技术发展状况针对智能交流接触器分闸技术，国内外研究人员进行了深入的探索。智能分闸技术主要分为以下三类：(1)同步分断技术：即控制交流接触器在电流过零瞬间分开，并以较快的速度拉开到足以承受恢复电压而不发生瞬间击穿的距离，则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。主要原因有：1.技术上很难保证接触器触头每次稳定在电流的零点分断。由于工艺和机构等原因，接触器的分断时间不稳定，即分断时间离散性大；2.提高接触器触头分断速度，给接触器动作机构带来一定困难，增加接触器负担；3.给接触器控制模块增加难度。(2)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的两相的开距，中间相触头打开后，经过小段时间，其余两相触头才打开（如图1.1所示）。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，实现三相电路的同步分断。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1.1 触头改造系统示意图fig.1.1 the schematic diagram of electric contact reform (3)混合式开关技术：在主触头两端并联电力电子器件的方法，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，实现微弧或者无弧分断，提高接触器电寿命5,6，具体实施方法如图1.2所示。图1.2 混合开关原理图1.2.3 节能保持技术发展状况普通交流接触器线圈以交流电励磁的时候，线圈不可避免会产生涡流损耗和磁滞损耗，在接触器正常工作时，线圈功耗非常大，造成不必要的能量浪费。同时通一交流电励磁的时候，每个周期交流电都有两个过零点。交流接触器虽然有短路环的存在，但不可避免的在电流过零的时候，会出现电磁吸力小于弹簧反力的情况，造成了交流接触器噪声影响特别大。交流接触器闭合之后，若仍然采用交流电压保持吸合，将会造成极大的电能浪费。实验研究表明，在交流接触器可靠闭合后，只需要给线圈提高一个小直流电压便可保持接触器稳定闭合运行。图1.3所示电路采用降压直流智能控制策略，由于采用直流保持方式可以大幅减少交流接触器功耗，同时采用直流励磁消除了噪声干扰，使交流接触器稳定无噪声运行。采用直流电源保持的另一个好处是在直流保持下分断接触器，其分断时间基本稳定，不存在很大分散性，提高了交流接触器分断的控制精度。图1.3为低压直流保持控制技术示意图。图1.3 稳压直流保持原理图国内外研究表明，交流接触器保持策略还存在一种剩磁理论。即励磁铁采用永磁体来做载体，且永磁结构具有掉电自保持的功能，正好适用于交流接触器节能保持方案中，给交流接触器提供了另一种环保、节能控制方法。1.3 课题的研究的理论依据与实践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。特别是频繁地启动和停止设备时，更易使触点粘合或烧毁，需要频繁的更换触头，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。智能交流接触器器采用普通交流接触器与电力电子器件相结合的方案，在三相触头分别并联一个电力电子器件，在以为微处理器为核心的控制系统配合下实现交流接触器的无弧分合闸，为了克服普通交流接触器吸合过程中出现的二次弹跳问题，提出了采用多段脉冲稳压直流可控激磁、低压直流保持、分闸可控的电磁智能系统方案，实验证明基本实现了减少或消除触头二次弹跳的目标。智能交流接触器采用的是无触点电力电子器件分流技术实现智能分闸。在智能交流接触器分闸阶段，当单片机给出分闸信号后，主触头开始进行分闸操作，同时双向可控硅触发电路给出触发信号。主触头分断时，其接触面接触电阻不断增大，主电路额定电流不变，导致主触头两端电压不断增大，当主触头两端电压增大到6v左右时，双向可控硅满足导通条件，进而主电路电流流经双向可控硅，主触头分断过程无电弧产生。延时一段时间关闭双向可控硅触发信号，则双向可控硅在主电路电流过零时自然关断，从而完成了交流接触器分断过程的无弧操作。2 智能交流接触器总体设计方案2.1 引言2.2 研究对象简介cj20系列交流接触器，主要用于交流（或）额定工作电压至，额定工作电流至160a的电路中，供远距离接通和分断电路之用，并可与适当的热过载继电器组合，以保护可能发生操作过负载的电路。本文选用德力西公司的交流接触器如图2.1所示，主触头额定电压（也称为最大工作电压）为380v/50hz，额定工作电流为，环境参考温度为-3040，线圈控制回路电压也有相应限制，由于电网电压的波动性一般要保证吸合电压维持在85%u额定110%u额定，分断电压尽量维持在20% u额定75%u额定。图2.1 交流接触器结构示意图交流接触器工作原理：当接触器线圈得电后，励磁线圈内部产生交变的磁场进而产生电磁吸力，而后动铁芯在静铁芯的吸力作用下加速吸合，同时反力弹簧受到动铁芯的连带压缩，进而动静触头接触，接触器合闸成功；当接触器失电后，励磁线圈内部不会再产生电磁吸力，此时动铁芯在反力弹簧的作用下向分离方向运行，进而分闸成功。2.3智能交流接触器控制原理分析智能交流接触器控制系统主要是由atmega16l中央处理模块、电源供电模块、双向可控硅驱动模块以及智能激磁控制电路组成。图2.2为系统控制原理图。图2.2 智能交流接触器控制原理图图2.2所示控制电路在系统上电之后，对合闸信号和分闸信号进行循环检测和查询，看是否合闸信号或分闸信号到来，并根据信号来选择进入合闸程序模块还是分闸程序模块。当接到合闸信号后，首先触发并联在触头两端的双向可控硅，然后接通激磁电源控制电路，并按照之前设定的激磁方式进行智能激磁，当检测到触头已完全闭合后，断开可控硅触发信号，实现智能合闸过程。当接到分闸信号时，同样先触发并联在触头两端的双向可控硅，但此刻双向可控硅两端电压不足以令触头导通，所以给予双向可控硅触发信号一段时间后，断开保持电源，使接触器进入分闸过程。由于触头的接触电阻随着分断过程不断增加，导致触头两端电压也不断增加，当增加到一定程度后触头便满足导通条件。此后，触头便承担起主电路电流的分流任务直到接触器完全分断为止。接触器完全分断后，断开双向可控硅触发信号，双向可控硅便在电流过零时自行关断，实现无弧分闸过程为了给予交流接触器智能分合闸的良好环境，排除负载故障的影响，智能交流接触器除了具备智能分合闸优点外，还具备智能保护功能，具体实现原理如图2.3所示。智能交流接触器通过检测单元获得主线路的电流和电压信号，而后分别经过信号调理电路进行滤波、放大操作，最后经过微处理器逻辑单元分析、判断后，发出相应的指示信号或动作信号。采用以atmega16单片机为控制核心，通过相应传感器对关键参数进行实时采集与分析，进而对接触器运行状况进行实时准确的判断。系统具体实现原理如图2.3所示。图2.3 智能保护原理框图图2.3中km为普通交流接触器，选择工作场合为工频50hz，相电压220v，线电压380v。通过对负载各相电压的监测判断，即可知道系统是否处于过压、欠压及缺相(由缺相保护电路检测)运行。若发现负载正在缺相运行，可立即封锁激磁信号，使系统停止运行并给出故障信息。若系统处于欠压状态可以给出故障报警和实际电压值，根据检测的三相电压值计算三相负荷不平衡度，若在运行范围内即不影响正常工作时，负载保持运行状态；当三相不平衡度超过限定值则停止系统运行进行故障检修，并给出报警信号。3 智能交流接触器合闸过程方案研究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。所以对交流接触器吸合过程进行智能控制是提高交流接触器整体性能的重要手段15。直流激磁方式是近年来国内外针对电磁系统改进的热点，直流激磁可以很好的控制激磁能量以便控制动铁心吸合速度，减少触头二次弹跳几率；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。就目前来讲，脉动直流激磁方案是直流激磁方式比较常用的手段，但脉动直流激磁方式同样存在相关问题，针对这些问题，本文提出了多段脉冲稳压直流激磁方案。3.1 交流接触器合闸过程触头弹跳问题的分析图3.1 普通交流接触器结构示意图动静触头在闭合过程会产生弹跳，由此引起断续电弧的产生，对触头造成侵蚀和烧损，严重影响接触器的寿命。可动部分在碰撞瞬间的动能，可以根据式(3.1)进行计算: (3.1)式（3.1）中：m动触头的质量； v动、静触头碰撞瞬间动触头的速度。在碰撞中的形变，但是考虑由形变所产生的能量损失;不考虑主触头电动力的影响，以普通交流接触器电磁系统(见图3.1)为例，分析其运动过程如下:一次弹跳：线圈通电以后，电磁系统产生电磁吸力，当大于反力弹簧的反力时，动铁心和动触头开始运动。首先是动、静触头相互接触碰撞，此刻动触头具备一定动能，其具备的动能能量一部分消耗在动静触头的形变上，另一部分以另一种能量形式消耗在触头弹簧上，其余部分能量消耗在动触头反向运动上。此刻，接触器动铁芯继续向下运动，而动触头则反向运动，同时之前压缩弹簧产生的反力又减缓触头反向运动趋势，在弹簧拉力的影响下，动触头向相反反向运动的趋势又转变成向下运动的趋势，动、静触头再次碰撞、再次弹开，直到弹跳停止为止。二次弹跳：类似与动、静触头的碰撞，动铁心在向下运动的过程势必会与静铁心相互接触碰撞，同样动铁心具备一定动能，其具备的动能能量一部分消耗在动铁心形变上，另一部分剩余动能提供动铁心反向运动的能量。此时，如果线圈产生的电磁吸力大于动铁心上反力弹簧拉力，则动、静铁心不再分离运动保持稳定闭合；如果线圈产生的电磁吸力小于动铁心上反力弹簧拉力，则动、静铁心重新分离运动，若动铁心反向运动的位移大于动、静触头本身具有的超程时，动、静触头重新分离运动，从而造成了二次电弧干扰。触头之间的振动将造成触头弹开产生电弧，当电流为i时，其电弧能量为: (3.2)式中，为电极的近极区压降，为弧柱压降，当触头材料为时，值为。一般触头振动时间为，减少二次弹跳时间，可以降低电弧能量，从而减少电弧对触头的侵蚀影响。对于普通交流接触器而言，交流接触器合闸过程产生的二次弹跳对主触头的影响远大于一次弹跳产生的影响16。为了有效解决接触器合闸过程中产生的触头二次弹跳问题，需要对接触器电磁系统进行一系列智能改进。如果能有效实现合闸过程电磁吸力与弹簧反力之间良好配合，可以大大减小动、静铁心碰撞瞬间的速度，进而减少动、静铁心碰撞能量，进而减小或杜绝了主触头在合闸过程中的二次弹跳问题，不仅提高了交流接触器机械寿命，而且还提高了交流接触器的电寿命。3.2.1 合闸相角对吸合过程的影响脉动直流方案采用脉动直流激磁、直流保持方式。工作方式是在接触器吸合过程中激磁电压和保持电压是同时加在接触器线圈上进行励磁操作的，且激磁电源是通过电网相电压整流得到的脉动直流电源。故接触器线圈中的电压，电流，磁通都是随时间不断变化的。在接触器吸合导通的暂态过程中，可以将线圈电流分解为暂态分量和稳态分量两种分量，且二者均与接入初相角有关联。 （3.3） （3.4）式（3.4）中：-电流稳态分量；-电流暂态分量；-合闸初相角；-电压、电流之间相位差；-电磁时间常数；-直流吸持电压；-直流吸持电流；z电路阻抗，。由于，,，可以将式（3.4）改成式（3.5）所示。 （3.5）式（3.5）中：-稳态电流幅值。 （3.6） （3.7）由上述理论分析发现，当合闸初相角不同时，接触器线圈中激磁电流具有不同的变化规律。激磁电流的变化造成线圈磁路中磁链、线圈电磁吸力、动铁芯运行速度等参数变化规律也一直变化，这也对接触器吸合过程造成很大影响。合闸初相角选择不合适有可能造成无法合闸的现象，严重影响交流接触器正常工作；同样合闸初相角选择不合适，还可能造成接触器吸合过程动铁芯速度过大，引起动静铁芯碰撞和触头弹跳现象，同样也会影响交流接触器正常工作。所以，合理选择合闸初相角对减少铁芯碰撞、消除触头弹跳，提高交流接触器电寿命具有很重要的影响。3.2.2 激磁电压对吸合过程的影响根据标准参数规定，交流接触器控制电压必须在额定电压下才能稳定闭合。为了更好应对电网波动影响，厂家一般会把接触器可靠闭合控制电压控制在区间内。对于交流接触器线圈来说，其磁路方程式如下： （3.8） （3.9）其电磁吸力等效为式（3.10）： （3.10）式（3.10）中：-电源电压；-感应电动势；-电源频率；-磁路总磁链；-气隙磁通；-空气导磁率；-空气导磁率；-空气导磁率；-铁芯端面面积。对于交流接触器激磁线圈来说，当激磁电压变化时，会造成线圈磁路总磁链和磁通量的变化，最终导致线圈产生的电磁吸力发生变化，进而影响了交流接触器吸合过程。综上所述，给予接触器线圈不同的激磁电压，其磁路中的磁状态也会随着激磁电压的变化而变化，因而最佳合闸初相角与激磁电压值也是息息相关的。3.2.3 不同激磁方式对吸合过程的影响由3.2.1和3.2.2节可知，合闸初相角和激磁电压值都对激磁过程产生很重要的影响，通过条件二者之间的关系，达到交流接触器吸合过程的智能优化的目标。同时，通过调节激磁控制部件导通时刻和关断时刻可以进一步优化吸合过程，根据调节方式的不同可以将激磁控制方式分为：不分段激磁控制方法和分断激磁控制方法。图3.2 不分段激磁控制方案示意图图3.3中，为合闸初相角；为第一次激磁回路作用时间；为停止激磁时间段；为第二次激磁回路作用时间。然后，再次停止激磁信号，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以将最大限度减小铁芯碰撞速度，进而减少或消除了触头的二次弹跳问题。4 智能交流接触器分闸过程方案研究低压开关电器通断过程中产生的电弧问题一直成为制约低压电器发展的难题。同时，交流接触器在分断过程中产生的电弧对触头的侵蚀尤为严重。如何最大限度的减少电弧成为当今低压电器领域研究的热点。依照负载类别可以将交流接触器的使用类别划分为四个主要类别：ac-1、ac-2、ac-3、ac-4。特别对于ac-4使用类别下，交流接触器分断过程需承受6倍左右的额定电流的冲击，所以说交流接触器分断过程中产生的电弧对交流接触器的电寿命的影响尤为重要，最大限度的降低分断过程电弧产生的几率将是讨论的关键点。4.1 交流接触器触头系统电弧能量分析交流接触器主要用来控制交流回路通断过程的低压电器。在交流接触器通断过程中，不可避免会产生电弧，触头间弧隙产生的电弧能量值对低压开关电器性能会产生很重要的影响，主要表现在对触头系统和灭弧系统的烧蚀影响。综上所述，必须找到一种有效的分断方法使得交流接触器分断过程实现微弧能量分断甚至于无弧分断，下面就针对交流接触器触头系统可能会产生的电弧能量影响进行有效的分析。交流电弧能量wh的基本表达式为： （4.1）式（4.1）中：电弧电压； 电弧电流；以触头分开瞬时前电流过零点为起点计算的时间；从t=0到电弧熄灭的时间；从t=0到电弧产生的时间。式（4.1）中取绝对值是因为总是与同向，即一直为正值，为了计算方便，通常取为正值，因而需取为绝对值。计算通常可以做下属假设： （4.2） （4.3）表达式中：的幅值；电源的角频率；弧柱电场强度；电弧长度；电弧近极区压降。如果不计每一电流半波开始和结束时出现的和。因为这些尖峰出现时的数值很小，忽略不计，对计算的结果影响不大。同时认为在燃弧的每半波期间弧柱电场强度e为常数。可得如下公式： （4.4）式中：-包括触头分开瞬间所在电流半波在内到电弧熄灭位置的总共燃弧半波数。在式（4.4）中，积分上限取为是因为实际上交流电弧的熄灭总是在电流过零时。设弧长为常数，则上式解为： （4.5） （4.6）如果假设；为触头平均速度，对应如下计算公式： （4.7）整理计算后得出式（4.8）： （4.8）图4.1来表示交流接触器主触头分断交流主回路时弧隙个参数之间的关系。图4.1 感性负载下交流电弧电压、电流波形图fig.4.1 the arc voltage and current wave with the inductance load图4.1中，为主电路电压，为主电路电流，为电弧电流，为剩余电流，为电弧电压，为燃弧尖峰，为熄弧尖峰，为实际恢复电压，为触头分开时刻。当交流接触器工作在使用类别时，其主要负载对象是电机，同时电机可以被看做是感性负载。总所周知，对于感性负载来说，电流相位滞后于电压。对于交流回路来说，电压和电流信号在每个周期中都存在两个过零点，且交流电弧在过零点附近会出现所谓的“零休”现象，许多低压开关电器会利用这短暂的零休时间段实现触头零电流分断。零休时间段越长，越容易使电弧熄灭。就感性负载和阻性负载来看，感性负载作用下的交流电弧零休时间段比较短，导致了交流电弧比较难熄灭。针对交流接触器分断过程实现无弧或者微弧化，国内外学者进行了深入的探索和研究，总的来说主要分为零电流分断控制技术和无触点分断技术两种主要控制理念，本文采用的无触点分断技术。4.2 关于零电流分断控制技术普通交流接触器分断时刻是随机的，最直接的后果就是造成分断时电流信号相位是不确定的。对于使用类别来说，接触器分断时主触头需承受倍于主回路额定电流的电流冲击，致使分断过程接触器势必会产生强烈电弧，对接触器电寿命会造成不可估量的影响。所谓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的产生。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，使得交流接触器在电流过零之前的小段时间前分断，从而将交流电弧消灭在最初阶段27-29。对于三相负载平衡工作状态来说，每相电流之间相位差稳定在，本文以三相三线制感性负载为分析对象，其电压、电流工作波形如图4.2所示。图4.2 感性负载电压、电流波形图fig.4.2 the oscillogram of voltage and current under inductance load由图4.2可知，三相负载系统正常工作时肯定有某相电流首先过零点，在此本文称作首开相。若相电流首先过零，则相电流产生的交流电弧首先熄灭，但是其余两相电流仍处于导通状态。对于图4.2中所示相角区来说，相电流是首先通过零点的。若此刻分断交流接触器，相交流电弧在零点附近熄灭，此时回路电流变为，巧合的是线电流的峰值正好对应相电流的过零点，理论上来说，只要再过线电流就可以过零分断，即线电流电弧燃烧时间比首开相电流电弧燃烧时间长。过零分断控制技术关键要先确定首开相，然后根据首开相电流与其余相电流相位差来分析如何交流接触器分断过程的灭弧能力。对于零电流分断控制技术可以分为一下三种主要控制方法：（1）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。（2）针对触头系统进行相应改造，由上述分析可知若选定b相位首开相触头时，其余相电流零电流分断实现时间要比首开相晚5ms，所以可以通过对触头系统进行机械改造，使得从机械角度实现5ms延时控制。本小节针对方法（2）进行分析，即对触头系统进行机械改造。使得从机械结构上实现非首开相与首开相之间5ms的延时。这种情况下我们只需精确操作首开相过零分断即可。图4.3 零电流分断控制时间分布示意图fig.4.3 the time schematic diagram of zero-current breaking control由上述分析可知，触头改进系统的智能交流接触器零电流分断控制技术的关键在于如何控制首开相过零分断，针对该设计思路提出了如下控制方案：首开相过零分断指在首开相电流过零前的某一小时间区间分断触头，同时还需提高主触头分断速度以减少机械结构缓慢带来的干扰，其余相电流便在首开相分断后过零分断，以此实现微电弧能量分断控制的目标。图4.3为零电流分断控制时间分布示意图。其中i主回路中首开相电流波形； t1-指代切断保持回路控制信号的时间； t2-为从切断保持回路控制信号至接触器触头完全打开的时间；t3-为触头打开到电流过零点之间的时间(这段时间的电弧能量是决定电流过零以后电弧熄灭与否的关键)。由上述分析发现t2时间段是过零分断控制的关键，但是交流接触器的释放时间分散性很大，不光受电网电压波动、自身结构工艺等因素的影响外，经过长时间工作后，释放时间也会发生变化，这也是过零分断控制技术中的难点之一。不光是时间t2需要准备设定，时间t3也需要仔细考量，控制不好很容易引起电弧重燃。对于时间t3来说，其主要受两个因素影响：（1）若t3时刻动静触头之间的距离太小，则会造成触头间隙能承受的恢复电压能力比较弱，电弧间隙很容易被电压击穿造成电弧重燃；（2）根据交流电弧的特性来说，越靠近电流零点的时候，电弧能量越小，造成电弧重燃的几率就会越小。弧隙的电弧能量关系式如式（4.9）所示： （4.9）式（4.9）中：-电弧电压；-电弧电流；-电弧能量；-燃弧时间。以式（4.9）电弧计算公式可知，从接触器分断到电流过零这段时间内燃弧产生的能量相比与普通交流接触器正常分断产生的能量来说非常低，基本可以实现微弧分闸操作。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，在其对交流接触器分断过程中起到改进作用的同时，该控制技术同样存在相应缺陷：交流接触器分断过程及其复杂，混合了多种不同能量之间的转换过程，从而造成了其分断过程是非线性的、不可预测的动态变化过程。由此很难对交流接触器分断过程建立合适的数学模型，即很难从理论上对分断过程进行准确分析。上述复杂因素使零电流分断控制技术面临很大困难。上述分析可知，零电流分断控制技术实现的关键在于准确控制好首开相触头分断时间。当然实现起来也存在相应困难:（1）由于交流接触器制造工艺及机构之间的差别，造成交流接触器每次分断过程很难保证时间稳定，呈现出很大的分散性，这也就使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题。（2）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。 （3）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。（4）零电流分断控制技术是以微电弧分断为执行目标，很难从根本上杜绝电弧的产生，而且实施难度比较大，造成了零电流分断技术实现产品化的难度非常大。4.3 无触点分断控制技术分析针对4.2.1节叙述的关于零电流分断控制技术的缺陷，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一个双向可控硅，使得分断瞬间可以由双向可控硅实现分流操作，达到无弧分闸的目的。相对于零电流分断控制技术，无触点分断控制技术可以从根本上杜绝电弧的产生，实现真正的无弧化。同时，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。同时双向可控硅只是在分断过程中导通几ms，所以降低了浪涌电流的冲击影响30-33。在用交流接触器控制电气设备的通断时，触点间存在着很强的飞弧。特别是频繁地起动和停止设备时，更易使触点粘合或烧毁，需要频繁地更换触头，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熔融而导致生产事故。电力电子技术的快速发展使得晶闸管器件成为电子开关的热点，晶闸管器件具备开通关断速度快的优点，交流接触器具备导通能力强的优点，本文设计的智能交流接触器实现了二者优点的有效结合，实现了无触点分断控制。晶闸管开关器件只是在交流接触器分断瞬间分流几毫秒，避免了晶闸管长时间导通导致的热损耗问题，最为关键的是解决了交流接触器分断过程中产生强烈电弧对触头的侵蚀影响，实现了交流接触器分断过程无弧化，大大提高了交流接触器电寿命 31-34。图4.4为无触点分断控制技术原理图。图44 无触点控制技术原理图 智能交流接触器无触点控制部分主要应用在交流接触器分闸过程中，具体结构为：在每相主触头两端并联一个双向可控硅以及可控硅触发模块。无触点控制部分主要包含同步检测电路、脉冲分配触发电路以及双向可控硅三部分组成。双向可控硅的主要作用是在交流接触器分断瞬间实现分流以达到无弧分闸的效果。同步信号来自于接触器线圈控制信号即分合闸信号。当交流接触器接到分断信号时，断开保持电源信号，这时候接触器进入分闸操作过程，同时给予并联在主触头两端的双向可控硅以触发信号，但是此时双向可控硅并不满足导通条件，主要是由于接触器处于闭合状态时其两端电压接近零。但是在接触器分断过程中，动静触头之间的接触器电阻是随着动静触头分断距离递增的，等触头两端电压达到双向可控硅闭合条件时，双向可控硅在触发信号的作用下导通分流，此时，主触头继续执行分闸操作，由于没有电流流经主触头，故主触头实现无弧分闸操作。待一定延时后，断开双向可控硅触发信号，双向可控硅在主回路交流信号过零点处自行关断，从而完成无弧分闸35,36。4.3.1 分闸过程电压、电流理论分析图4.5所示为三相负载平衡所对应的无弧分断示意图。图4.5 三相负载平衡电路fig.4.5 the triphase symmetry load circuit根据并联晶闸管的特点，设定三相电流 b 相首先过零关断，并设定功率角为。对称负载的三相电压方程见式(4.10)。 （4.10）式（4.10）中为a相电压；为b相电压；为c相电压；为等效阻抗值；为功率角。 （4.11）式（4.11）中为a相电压；为b相电压；为c相电压；为电流幅值。三相对称负载电流幅值见式（4.12）. （4.12）式（4.12）中为电压幅值；为电路电阻值；为电路电感值。当相电流过零时三相电压电流矢量图如图4.6所示，为功率角。图4.6 电压、电流关系矢量图fig.4.6 the vector sketch map of voltage and current根据图（4.6）所示矢量图得出相电压表达式（4.13）。 （4.13）b相电流ib过零后，电流变为、，并且=-=，变为两相对称负载如图4.7。图4.7 两相对