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交流接触器的应用研究摘要：交流接触器是铁路机车与车辆供电系统中广泛应用的电器元件，其可靠性及寿命直接影响整个系统的可靠性和寿命。电磁式交流接触器在开断过程中 存在电弧磨损，且功率越大电弧磨损越严重，是造成交流电磁式接触器可靠性 差、电寿命短的关键因素。为了消除或减小电弧的影响，本文设计了混合式交 流接触器，即采用电子开关和机械触头并联，由数模混合逻辑电路控制，使机 械触头通断瞬间，由电子开关承担负荷，稳态时由机械触头承担负荷，从而实 现无电弧通断。 关键词：接触器；混合式接触器；电力电子器件；一体化设计 Applied research of the alternating current contactor Abstract:The AC contactor is a kind of electrical controller that is widely applied in railway locomotive.Its reliability and life-span directly affects the whole systems reliability and life-span.Electrical arc is generated when mechanical contactor is operated.The electrical abrasion cannt be avoided,however,the higher power is,the more electrical abrasion is generated.This is a primary factor that affects the life-span of high-power switch.To slake or weaken the effect of arc,the hybrid contactor is researched in this paper.The power electronic device and mechanical contactor are connected in parallel in hybrid contactor.It is controlled by logical circuit.While the mechanical contactor turns off,the electrical switch is loaded.And mechanical is loaded in stabilization.The hybrid contactor has a lot of advantage such as no arc,high reliability,pollution- free,explosion protection. Keywords:Contact device; Mixed style contact device; Electric power electronic device; Integrated design 交流接触器的应用研究 第 1 章 绪论 1.1 概述 随着国民经济的发展，对电能的需求和依赖不断增大。因此承担电能传输 和分配、用电设备保护与控制任务的低压电器显得更为重要。世界各国都十分 重视低压电器的发展，为此每年投入大量的资金进行研究和开发。 由于低压电器在运行时存在着电、磁、光、热、力、机械等多种能量转换,这些转换规律大多是非线性的，许多现象又是一种瞬态过程，使低压电器的理 论分析、产品设计、性能检验变得极为复杂。在分析与设计低压电器产品时， 除采用低压电器传统理论:电接触理论、电弧理论、发热与电动力理论、电磁机 构理论等进行必要的理论推导、分析计算之外，还使用了大量的经验数据。即 便这样，有时设计计算数据与产品实际性能仍然存在较大差异，需要反复修改 和试验，导致开发周期长、资金投入大，要设计出性能优良、价格合理的低压 电器产品十分困难。 为了适应电网容量的不断增大及控制要求的不断提高，低压配电与控制系 统日益复杂化，对低压电器产品的性能与结构提出了更高的要求。同时，随着 科学技术的进步，新技术、新材料、新工艺的不断出现，给低压电器的发展提 供了良好的发展空间。 1.2 课题的研究现状 接触器是一种适用于远距离操作的自动控制电器，它适合频繁地接通和断 开交直流主电路及大容量控制电路。其主要控制对象是电机，也可以用于其它 电力负载，如变频器、电热器、电焊机、电容器和照明等，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量最大额低压电 器产品，在任何一个发展和发达的国家中都不例外。我国年需求量大约为 1 亿 台套，产值约 100 亿元。随着我国现代化步伐、西部大开发和振兴东北进程的 加快，这一需求将会更大，市场将会更加广阔，同时对接触器性能的要求也会 更高。 接触器按主回路通断的电流，可分为直流接触器和交流接触器。接触器的 触头系统可以用电磁铁、压缩空气或液体压力等来驱动，因而分为电磁接触器、 气动接触器与液压接触器等。近年来又出现了由晶闸管组成的无触点接触器， 真空接触器也得到一些特殊场合的应用。应用最广泛的是电磁式机械触点接触 器，它的优点是结构简单，易于控制，造价便宜，切换容量较大，是最常用的 低压控制电器。但是传统的电磁接触器，触头电弧烧损是不可避免的，从而影 响其电气寿命及使用时的可靠性。随着电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、新材料技术等的飞速发展，以及对整个系统工程的可靠性要求的提高及 绿色环保节能的要求，对接触器的研究不断深入，新材料应用，新结构不断出现，新产品不断涌现。 1.2.1 接触器吸反力特性方面的研究 接触器额定容量大，转换能力强，这要求接触器触点具有较大的开距和超 程，较快的开断速度，较小的接触电阻。同时反力系统具备较大的反力，从而提高了机械负载阻力特性，这也将使吸力、反力系统的体积增大。 建立合理的接触器仿真模型，研究其动态吸反力特性，优化吸反力特性的 配合，在满足系统指标的前提下减小动静触头在吸合过程的碰撞能量，减少吸 合时间，提高开断速度，延长电气寿命。因此研究接触器的吸反力特性配合具 有重要的意义和实用价值。 随着计算机技术的发展，有限元软件的广泛应用，为电磁系统的静动态特 性析提供强大的分析工具。日本富士电气研究与开发社团的研究人员提出了一 种交流接触器仿真模型的建立方法，采用 Ansys 软件分析了电磁系统的静态吸 力特性及动态特性，并通过实验验证了仿真分析的准确性。目前国内许多科研 院校，如西安交通大学和河北工业大学等，也采用 Ansys 等有限元软件分析接 触器的动态吸反力特性，为优化接触器结构和参数了提供理论依据。 1.2.2 接触器的结构研究 如图 l 所示为交流接触器的外形与结构示意图。交流接触器由以下四部分 组成： 1 一灭弧罩 2 一触点压力弹簧片 3 一主触点 4 一反作用弹簧 5 一线圈 6 一短路环 7 一静铁心 8 一弹簧 9 一动铁心 10 一辅助常开触点 11 一辅助常闭触点 （1）电磁机构 （2）触点系统 电磁机构由线圈、动铁心(衔铁)和静铁心组成，其作用是 包括主触点和辅助触点。主触点用于通断主电路，通常为将电磁能转换成机械能，产生电磁吸力带动触点动作。 三对常开触点。辅助触点用于控制电路，起电气联锁作用，故又称联锁触点， 一般常开、常闭各两对。 （3） 灭弧装置 容量在 10A 以上的接触器都有灭弧装置， 对于小容量的接 触器，常采用双断口触点灭弧、电动力灭弧、相间弧板隔弧及陶土灭弧罩灭弧。 对于大容量的接触器，采用纵缝灭弧罩及栅片灭弧。 （4）其他部件 外壳等。 电磁式接触器的工作原理如下： 线圈通电后，在铁芯中产生磁通及电磁吸力。此电磁吸力克服弹簧反力使 得衔铁吸合，带动触点机构动作，常闭触点打开，常开触点闭合，互锁或接通 线路。线圈失电或线圈两端电压显著降低时，电磁吸力小于弹簧反力，使得衔 铁释放，触点机构复位，断开线路或解除互锁。 1.2.3 接触器其它方面的研究 关于接触器的研究还包括接触器的虚拟样机技术，接触器回跳控制技术， 智能化控制线圈技术，接触器测试技术，接触器通讯技术等多方面的研究。 接触器实际通断中，往往存在回跳，产生电弧腐蚀和机械碰撞磨损。减小 接触器回跳的传统方法是，改进接触器驱动电磁机械的结构和特性，或改变触 头材料。改进的方法有采用专用控制模块控制接触系统的运动。西英格兰大学 电气工程系研发了专用控制模块减少接触器通断时引起的回跳。采用传感器检 测线圈的电流电压，传输给专用控制芯片，选择合适的预存储在微处理器中的 动态吸反力特性曲线，调节线圈电流电压，达到减小回跳的目的，同时具有节 能的优点。 为了减小交流接触器线圈上的功耗，许多研究者研究智能化控制线圈。采 用反馈控制，吸合瞬间，加在线圈上电压大，产生较大电磁吸力保证可靠迅速 地吸合；吸合后，加一定的线圈保持电压使触头可靠吸合，这样既保证了整个 系统的可靠性，同时也达到了节能环保的效果。 包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触点压力弹簧、传动机构及 交流接触器的应用研究 4 常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告 第2章 2.1 交流接触器的分类 交流接触器的应用 交流接触器的种类很多，其分类方法也不尽相同。按照一般的分类方法， 大致有以下几种。 按主触点极数分 可分为单极、双极、三极、四极和五极接触器。单极 接触器主要用于单相负荷，如照明负荷、焊机等，在电动机能耗制动中也可采 用；双极接触器用于绕线式异步电机的转子回路中，起动时用于短接起动绕组； 三极接触器用于三相负荷，例如在电动机的控制及其它场合，使用最为广泛； 四极接触器主要用于三相四线制的照明线路， 也可用来控制双回路电动机负载； 五极交流接触器用来组成自耦补偿起动器或控制双笼型电动机，以变换绕组接 法。 按灭弧介质分 可分为空气式接触器、真空式接触器等。依靠空气绝缘 的接触器用于一般负载，而采用真空绝缘的接触器常用在煤矿、石油、化工企 业及电压在 660V 和 1140V 等一些特殊的场合。 按有无触点分 可分为有触点接触器和无触点接触器。常见的接触器多 为有触点接触器，而无触点接触器属于电子技术应用的产物，一般采用晶闸管 作为回路的通断元件。由于可控硅导通时所需的触发电压很小，而且回路通断 时无火花产生，因而可用于高操作频率的设备和易燃、易爆、无噪声的场合。 2.2 交流接触器的基本参数 （1）额定电压 指主触点额定工作电压，应等于负载的额定电压。一只接 触器常规定几个额定电压，同时列出相应的额定电流或控制功率。通常，最大 工作电压即为额定电压。常用的额定电压值为 220V、380V、660V 等。 （2）额定电流 接触器触点在额定工作条件下的电流值。380V 三相电动 机控制电路中，额定工作电流可近似等于控制功率的两倍。常用额定电流等级 为 5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A。 （3） 通断能力 可分为最大接通电流和最大分断电流。 最大接通电流是指 触点闭合时不会造成触点熔焊时的最大电流值；最大分断电流是指触点断开时 能可靠灭弧的最大电流。一般通断能力是额定电流的 510 倍。当然，这一数 值与开断电路的电压等级有关，电压越高，通断能力越小。 （4）动作值 可分为吸合电压和释放电压。吸合电压是指接触器吸合前， 缓慢增加吸合线圈两端的电压，接触器可以吸合时的最小电压。释放电压是指 接触器吸合后，缓慢降低吸合线圈的电压，接触器释放时的最大电压。一般规 释放电压不高于线圈额定电压的 70% 定， 吸合电压不低于线圈额定电压的 85， 交流接触器的应用研究 5 常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告 （5）吸引线圈额定电压 接触器正常工作时，吸引线圈上所加的电压值。一般 该电压数值以及线圈的匝数、线径等数据均标于线包上，而不是标于接触器外 壳铭牌上，使用时应加以注意。 （6）操作频率 接触器在吸合瞬间，吸引线圈需消耗比额定电流大 57 倍的电流，如果操作频率过高，则会使线圈严重发热，直接影响接触器的正常 使用。为此，规定了接触器的允许操作频率，一般为每小时允许操作次数的最 大值。 （7）寿命 包括电寿命和机械寿命。目前接触器的机械寿命已达一千万次 以上，电气寿命约是机械寿命的 5%20 2.3 接触器的使用类别 交流接触器的使用类别见表 2-1 表 2-1 交流接触器的使用类别 使用类别代 号 AC-1 AC-2 AC-3 AC-4 AC-5a AC-5b AC-6a AC-6b AC-7a AC-7b AC-8a AC-8b 无感或微感负载、电阻炉 绕线式感应电动机的起动、分断 笼型感应电动机的起动、运转中分断 笼型感应电动机的起动、反接制动或反向运转、点动 放电灯的通断 白炽灯的通断 变压器的通断 电容器组的通断 家用电器和类似用途的低感负载 家用的电动机负载 具有手动复位过载脱扣器的密封制冷压缩机中的电动机 具有自动复位过载脱扣器的密封制冷压缩机中的电动机 典型用途举例 2.4 接触器的典型负载 不同的用电设备其负载性质和通断过程的电流变化相差很大，因此对接触 器的要求也有所不同，常用的负载有以下数种： （1） 电热元件负载 对电热元件负载中用的线绕电阻元件，其接通电流可达额定电流的 1.4 倍， 例如用于室内供暖，电烘箱及电热空调等设备。若考虑网络电压升高 10，则 电阻元件的工作电流也将相应增大。因此，在选择接触器的额定工作电流时， 应予以考虑。这类负载被划分在 AC1 使用类别中。 交流接触器的应用研究 6 常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告 （2） 照明装置 当接通照明装置中的白炽灯负载时，有较大的冲击电流产生，约为额定电 流的 15 倍，若考虑到容许电压升高 10，电流也将相应增加，其使用类别被划 分在 AC5b 中。 其它不同的照明灯，其接通时的冲击电流值和起动时间不同，负载功率因 数也不等于 1。它们被划分在 AC-5a 中。 （3） 低压变压器负载 当接通低压变压器时，会出现一个持续时间甚短的峰值电流，可达变压器 额定电流的 1520 倍，它与变压器的绕组布置及铁心特性有关。例如，用于电 焊机上的变压器，操作是在变压器的次级侧通过电焊条将电路短路来接能电源 的，电焊机使用时频繁地产生突发性的强电流，从而使变压器初级侧的开关装 置承受很大的应力。在此情况下，必须知道变压器输出额定工作电流、电焊条 短接时的短路电流以及焊接频率等参数和操作条件， 其使用类别划分在 AC6a 中。 （4）电容器负载 接通电容器时产生瞬态充电过程，充电电流可达很高的数值，同时伴随着 频率可从几百到几千赫的振荡，因此，它对开关电器提出了严峻的要求。接通 电容器对电流的振幅和频率，由电路的电网电压、电容器的容量及电路中的电 抗值所决定，并与此馈电变压器和连接导线的截面、长度有关。 为了较经济地切换电容器，并防止在不利的工作条件下使开关电器的触头 发生接通熔焊，一般可在电容器及支路中串入附加电感或电阻以限制电流，并 减小接通电路时对电网的影响。此类使用类别划分在 AC6b 中。 （5） 电动机负载 低压电动机是最常用的负载之一。交流电动机常用的有绕线式电动机和鼠 笼式感应电动机。 绕线式电动机起动时，在转子电路中接入电阻以限制起动电流。但不同的 负载起动时间不同，负载越重起动时间越长。用于绕线式电动机切换的接触器 属于 AC2 使用类别。 鼠笼式电动机一般采用直接起动，起动电流冲击衰减后随后流过的是稳态 电流 Ie，一般的鼠笼式电动机起动电流（有效值）IA 为 48 倍的电动机额定 电流 IN。 电动机的空载电流 IO （0.950.2） 正常负载下的起动时间 tA10 Ie， 秒，重载起动时 tA 可大于 10 秒。用于切换鼠笼式电动机正常起动和在运转中 分断的接触器属于 AC3 使用类别。 交流接触器的应用研究 7 常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告 第3章 交流接触器的发展趋势 3.1 传统交流接触器的发展 传统小容量交流接触器以其体积小巧、结构简单等特点在特殊的使用场合 下有着不可取代的优势。传统的交流接触器也在新技术、新材料、新工艺不断 出现的情况下不断地更新换代，目前传交流接触器正向以下几方面发展：模 块化。模块化使得整个电器制造业的过程都大为简便，新一代传统小容量接触 器就是其中很好的范例，通过不同模块的积木式组合，在接触器主体的上下左 右侧均可按需要加装机械联锁、延时元件、辅助触头和瞬态过电压抑制等模块， 来增加交流接触器的附加功能。模数化。模数化使得接触器的外形尺寸规范 化，便于安装和组合，例如不同额定值，不同类型的产品均可安装在统一的安 装导轨上。小型化。小型化有两种含义：一方面是指交流接触器本身的尺寸 要小，另一方面是指减小喷弧距离或实现无弧以缩小安装交流接触器的开关柜 尺寸。零部件通用化。同类零部件的规格、尺寸、效能的归并统一，实现零 部件的通用化，可以简化设计和工艺，缩短生产周期，节约人力物力，降低成 本和减少库存。 3.2 智能交流接触器的发展 随着国民经济的发展，对电能的需求和依赖不断增大。因此承担电能传输 和分配、用电设备保护与控制任务的低压电器显得更为重要。世界各国都十分 重视低压电器的发展，为此每年投入大量的资金进行研究和开发。 由于低压电器在运行时存在着电、磁、光、热、力、机械等多种能量转换， 这些转换规律大多是非线性的，许多现象又是一种瞬态过程，使低压电器的理 论分析、产品设计、性能检验变得极为复杂。在分析与设计低压电器产品时， 除采用低压电器传统理论:电接触理论、电弧理论、发热与电动力理论、电磁机 构理论等进行必要的理论推导、分析计算之外，还使用了大量的经验数据。即 便这样，有时设计计算数据与产品实际性能仍然存在较大差异，需要反复修改 和试验，导致开发周期长、资金投入大，要设计出性能优良、价格合理的低压 电器产品十分困难。 为了适应电网容量的不断增大及控制要求的不断提高，低压配电与控制系 统日益复杂化，对低压电器产品的性能与结构提出了更高的要求。同时，随着 科学技术的进步，新技术、新材料、新工艺的不断出现，给低压电器的发展提 供了良好的发展空间。 传统的开关电器无法满足现代化控制与配电系统的需求，限制了现代化控 制与配电系统的发展。随着电力系统自动化程度的不断提高，对开关电器提出 交流接触器的应用研究 8 常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告 了高性能、高可靠性、小型化、多功能、组合化、模块化、智能化的要求。 电器智能化技术几乎是与微机技术(特别是单片微机控制技术)、微电子技 术、计算机网络和数字通信技术同步发展的。早在 20 世纪 70 年代末和 80 年代 初，从世界上第一片 8 位单片机问世起，西欧、日本和美国就开始研究通过超 大规模集成电路技术，把单片机及其所需外围电路芯片制成可与电动机供电电 器相结合的。 专用集成电路 IC (Integrated Circuit)芯片， 替代体积庞大的继电器控制电路， 完成电动机起动、控制和多种保护功能。日本和美国在 20 世纪 80 年代中期将 这种产品成功推向市场，开发出第一代智能电器产品单片机化电动机多功能 保 护 装 置 (Single-chip Microcontroller Based Multi-function Protector for Motors ) 。 智能电器发展初期， 对智能电器的定义曾有过一个很不确切的认识， “微 即 机控制+开关电器”就是智能电器。从大多数智能电器元件和成套设备的硬件结 构看，它们确实主要包含这两部分。把这类产品称为智能电器的实质是因为微 机控制和现场各类参量的数字处理技术的应用，使这类产品具有了自动识别有 无故障及故障类别的能力，并能根据现场情况控制开关电器的操作机构进行不 同的操作，达到提高开关性能的目的。尽管目前还没有一个统一的关于智能电 器的明确的定义，但是，从其具有的基本特征来看智能电器元件和智能化开关 设备可分别定义如下： 智能电器元件是采用微机控制技术、现代传感技术、模拟量数字技术及计 算机数字通信技术，具有自动监测和识别运行环境或故障类型及操作命令类型 的功能， 能根据故障和操作命令类别来控制电器元件操作机构动作的电器元件。 这一定义给出了智能电器元件最基本的特征。 智能开关设备由一次开关元件和智能监控单元组成。智能监控单元不仅可 以替代原有开关设备二次系统的测量、保护和控制功能，还应该能够记录各种 并通过数字通信网络向系统 运行状态的历史数据、 各种数据的现场(当地)显示， 控制中心传递各类现场数据，接受系统控制中心的远方操作与管理。此外，开 关设备的一次开关电器为智能电器元件时，也可以由控制中心直接进行远方的 智能控制。 对于低压配电系统和电动机控制系统中的电器设备通常必须具备以下主要 功能:过载保护、短路保护、控制、隔离、紧急状态下急停。这些功能通常是山 分离元器件组合完成的。由于不同类型产品水平、制造工艺、选用等原因，造 成系统工作可靠性差、保护性能配合不合理、经济指标低。将智能控制技术引 入低压电器之后，可以提高电器产品的工作可靠性、协调各控制与保护环节之 间的配合、节约资源、优化系统，形成新一代集成化电器产品一一 CPS (Control 交流接触器的应用研究 9 常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告 and Protective Switching Devices)。 CPS 具有接触器、起动器、断路器、隔离器的主要功能，可以有远距离自 动控制与现场控制两种工作方式。60 年代初期，法国 MG 公司在转动式接触器 上安装了电磁式瞬时脱扣器和热双金属片式延时过载脱扣器，构成“Stangard” 系列高分断能力接触器。 这是最早的高分断能力接触器。 其额定电流为 4050A， 额定电压为 380V。70 年代初期，日本户上公司生产出直动式“组合型”结构的 UNK 系列交流接触器，它把塑壳断路器与接触器组合起来，具有较高的分断能 力。这种产品的额定电压为 440V (550V)，额定电流为 25125A，操作频率为 1200 次/h，机械寿命为 500 万次，电寿命 50 万次。这两种产品被认为是 CPS 产品的雏形。由于受到当时工业发展水平和技术水平的限制，CPS 产品的发展 受到制约。 八十年代初期，法国 TE 公司于 1983 年将其“ntegral 32”接触器一断路器 产品投入市场，使 CPS 的发展跨入了一个新阶段。进入九十年代以后，低压配 电系统和电动机控制中心已经形成了智能化监控、保护与信息网络系统，它主 要由以下几个部分组成:： (1)智能化开关设备，包括带智能化脱扣器的断路器、智能化的接触器与智 能化电动机保护器。 (2)监控器，在网络系统中起参数测量、显示及某种保护功能，替代传统的 指令电器、信号电器与测量仪表。 (3)中央计算机和可编程序控制器(PLC)。 (4)网络元件，用于形成通信网络，主要有现场总线、操作器与传感器接口、 地址编码器及寻址单元等。 智能化的断路器、智能化的电动机保护器、智能化的接触器是低压开关柜 和电动机控制中心实现智能化的主要电器元件。 智能断路器就是将智能型监控器的功能与断路器集成在一起，其主要是实 现了脱扣器的智能化。由此断路器的保护功能大大加强:不仅方便地集电流三段 保护、断相、反相、过压、欠压、不平衡保护、逆功率保护、接地保护于一身， 可做到一种保护功能多种动作特性，而且可显示电压、电流、频率、有功功率、 无功功率、功率因数等系统运行参数，具有准确、可靠的系统协调保护的功能。 目前，在供电系统中大量使用软起动器、变频器、电力电子调速装置、不间断 电源等装置，使电网和配电系统中出现了大量的高次谐波，而模拟式电子脱扣 器一般只反映故障电流的峰值，造成断路器在高次谐波的影响下发生误动作。 带微处理器的智能化断路器反映的是负载电流的真实有效值，可避免高次谐波 的影响。 与传统的双金属片热继电器相比，微电子控制的智能式热继电器具有一系 交流接触器的应用研究 10 常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告 列优点:可准确地保护电动机过载、断相、三相不平衡、反相、低电流、接地、 失压、欠压等故障，并可数字显示故障类型，保护不同起动条件与工作条件的 电动机，动作特性可靠。 但是，成熟的智能交流接触器产品至今未见报道，因此，研究和开发智能 化高性能交流接触器是一件非常重要的工作。 智能交流接触器内置的专用微处理器通过对三相主回路、线圈控制回路的 电压、电流信号的采集、处理，动态优化了接触器的吸合、保持及分断等操作 过程，实现了无弧、少弧分断控制，同时兼容了电动机保护器对电动机工作状 态的监控及常规接触器与热继电器组合而产生的过载和断相保护功能。目前中 大容量的交流接触器已普遍采用电子和智能控制，特别是带反馈系统的智能交 流接触器大幅提高了电寿命及其他性能。此外，电接触理论近期提出的触头零 电弧侵蚀的新机理，也为接触器的智能分断提供了新的理论依据。单一智能化 低压电器产品还不能充分发挥智能化的优势，只有将其与计算机联网才能将其 特点全部发挥出来，然而以往的通信方式由于结构复杂、安装维护麻烦难以在 电器领域中得到推广，而现场总线技术的出现正好解决了该问题。它通过一根 总线以串行方式将现场设备与上位机连起来，使系统的结构大为简化，同时也 在很大程度上降低了系统安装、调试及维护的成本。多台智能接触器组成接触 器阵列，与一台或多台现场监控计算机连接成局域网，并可通过 Internet 与远程 计算机连接。以现场监控计算机为服务器，远程监控计算机作为客户机通过 Modem 登录现场网络，实现对现场智能接触器的管理。而智能接触器自身应具 备支持浏览器监控程序界面、自诊断、报警及数据传输的功能。目前，实现低 压电器双向通信将成为第四代低压电器的主要技术特征，随着现场总线技术应 用于新型智能交流接触器中，使之能够简单地通过一根总线以串行方式与主机 相连，通信能力和可靠性都得到了很大的提高，同时为简化系统结构，节约硬 件设备，连接电缆，各种安装附件创造了条件，因此具有较大的发展空间，新 一代可通信交流接触器将成为智能交流接触器的主要发展方向。 交流接触器的吸合过程是一个动态过程,其动、静触点的吸合速度与线圈电 压、电源合闸相角之间的关系变化复杂。因此在整个线圈工作范围内和所有合 闸相角下，很难保证吸合过程中，吸力与反力特性达到最佳动态配合，在这种 情况下，动、静铁心闭合时会发生碰撞，引起触点的二次振动。二次振动不仅 加速了触点磨损，而且可能产生触点熔焊，严重影响接触器工作可靠性和电寿 命。如将传统的交流接触器与晶闸管开关电路组合而成混合式交流接触器，这 种开关电路接通与分断的转换由晶闸管来执行，而接通状态的保持仍由接触器 来承担，因而具有无弧、动作时间快、操作频率高、电气寿命长和无噪声等一 系列优点。但同时也有过载、过压能力低，主回路压降身耗大，必须附加散热 交流接触器的应用研究 11 常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告 装置及保护装置等不足之处。 3.2.1 交流接触器的智能化 将微处理器和计算机技术引入交流接触器，使交流接触器有了智能化的功 能，可以完全克服传统的交流接触器和混合式交流接触器的上述缺陷，提高工 作性能指标。智能化交流接触器具有设置简单、使用可靠、节能控制、在线更 改设置和显示功能。单片机在接到闭合和分断指令时，可以最佳的分断、闭合 相角控制三个触点进行分断与闭合，减少火花能量。智能化交流接触器在工业、 油田、煤矿、农业（灌溉系统）等领域有着广泛的应用前景。目前，我国工矿 企业中电力拖动与控制的继电器接触器系统中的接触器均为机械非智能型 的。一般为交流吸合、交流吸持和随机分断。由实验可知，不论是 220V 或是 380V 的线圈，只要加上不低于 Un*85V(Un 为线圈的额定电压)的电压，接触 器均能可靠的吸合，并且不会产生一、二次弹跳。此时，只要维持吸持电压不 低于 DC Un*5V 或 AC Un*10V 的电压，就可以稳定地保持吸合状态。分 断过程一旦发生，必然有电弧产生。分断过程的唯一要求就是在时间允许的前 提下使电弧总能量最小。对于单相电磁电路，触点通断的最佳时刻应该是主电 路电流过零之时；而对于三相电磁电路来讲，如能实现轮流控制三个触点的过 零分断，就可以使三相电弧的总能量最小，并使它们有相同的电气使用寿命,从 而达到将交流接触器智能化的目的。 3.2.2 智能化交流接触器的工作原理 智能交流接触器的核心是由微处理器与传统交流接触器组合而成的智能式 交流电磁系统, 其基本功能是:（1）能检测并判别正常门槛吸合电压,使电磁系 统从电源吸收较大功率以克服初始反力,保证可靠吸合。 另外,在正常运行时也能 监视输入电压。 （2）根据电压值变化自动选择最佳合闸相角合闸，实现动态吸 力与反力特性的最佳配合，以降低动、静触点的碰撞而引起的二次振动。 （3） 触点闭合后，自动转换到低电压和续流环节控制，给电磁系统提供一很小的功 率输入，使衔铁维持吸合状态，实现最佳节能运行。 可以看出，当电源接通时， 经过整流电路加到主控元件上，同时提供给变压器的一次绕组。在最佳的合闸 相角下，单片机系统发出控制信号，通过控制回路 1 加于主控元件，使其接通 电路，接触器线圈便在强励磁下起动工作，从而实现了动态吸力与反力特性的 最佳配合。变压器二次侧保持绕组与整流回路、续流回路共同构成续流系统加 于接触器线圈绕组两端。导通时间过后，单片机系统通过控制回路 1 使主控元 件截止，起动过程结束。在吸持阶段，变压器二次侧提供一个合适的保持电压， 经整流电路一起加在续流回路上，使接触器线圈在很低的保持电压与励磁电流 下运行，从而实现了节能运行。如果电源电压小于接触器释放电压，单片机立 交流接触器的应用研究 12 常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告 即发出控制信号，通过控制回路 2 加于续流元件，在适当的时刻关断续流元件， 从而使接触器线圈断电。 3.2.3 硬件设置及智能接触器的控制 视控制对象和要求，可采用继电器或可控硅作为控制接触器线圈通断的元 件。输入电压设计成自适应型的。传感器是在磁环或矽钢上绕一个绕组并通过 整流装置送入单片机。单片机可以选用 Motorola 公司的 M68HC 系列单片机,此 系列单片机内部资源丰富，采用分时动态扫描模式进行显示，其外部元件非常 少，成本低，可靠性高。交流接触器智能化程度的高低,主要取决于控制方案的 选取和软件的编制。电源接通后，单片机就开始检测电源电压，并与接触器吸 合电压相比较，如果大于吸合电压，根据输入电压值，查表选择最佳合闸相角 和导通时间，进入吸合子程序，使动、静触点可靠吸合。导通时间一到，发出 信号，使主控元件截止，起动过程结束。之后，单片机自动转入吸持子程序， 使接触器线圈处于低电压、小电流励磁状态。在整个运行过程中，单片机一直 对电源电压进行检测，并与释放电压比较，如果低于 释放电压，就进入分断子 程序，单片机发出信号，使接触器在某一相触点电流过零的时刻关断续流元件， 使接触器线圈断电。 3.2.4 智能化交流接触器实验验证 考虑到系统的抗干扰能力和操做方便,可行性装置选择了擦写方便的 89C52 单片机和 CJ205 型(Un380V,In5A)交流接触器组合,进行了大量的实验,基本情 况如下： （1）吸合及分断过程：接触器线圈的额定工作电压为 380V。只要加在 线圈上的电压大于或等于 Un*85(323V)的情况下，吸合一次完成。在不产生 一、二次弹跳的情况下，吸合电流为 0.109A,而吸持电流为 0.019A,(CJ10-10 型 交流接触器其线圈消耗功率起动为 35VA，吸持为 6VA)。当电源电压降到 Un*70(266V)以下或者电网电压不平衡度超过 30时，触点自动断开，单片 机处于采样、待机状态。把不同型号的接触器在不同电压下的最佳吸合相角和 吸合时间制成表格，单片机以查表的方式进行控