基于光耦的三相混合式交流接觸器的研究

謝寶河，黃蔚偈，劉向軍

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

1 前言

低壓電器的開關(guān)電弧是影響電器壽命以及電器安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素，研究如何使電器實(shí)現(xiàn)少弧甚至是無弧，對于提高電器電壽命具有極其重要的意義。

接觸器是一種用于遠(yuǎn)距離頻繁地接通和分?jǐn)嘟恢绷髦麟娐芳按笕萘靠刂齐娐返碾娖?，主要控制對象是電?dòng)機(jī)，在低壓配電、控制中應(yīng)用非常廣泛［1－3］。頻繁切換主電路負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的電弧決定了接觸器的電壽命長短，如何使接觸器的通斷實(shí)現(xiàn)少弧甚至是無弧成為電器研究者們孜孜不倦的追求。晶閘管等無觸點(diǎn)開關(guān)器件由于其具有開關(guān)速度快、工作可靠、能與邏輯電路兼容等優(yōu)點(diǎn)越來越多被應(yīng)用于控制上。由于晶閘管等電力電子器件導(dǎo)通時(shí)仍存在電阻，盡管數(shù)值不大，但在長時(shí)間通大電流時(shí)晶閘管會(huì)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶閘管燒毀。因此，考慮將晶閘管并聯(lián)在接觸器主觸頭兩端，并適時(shí)地觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通、關(guān)斷，使接觸器既能實(shí)現(xiàn)無弧或少弧接通和分?jǐn)啵植恢劣谑咕чl管長時(shí)間大電流情形下工作而燒壞［4，5］。

現(xiàn)今已有用單片機(jī)控制觸發(fā)晶閘管實(shí)現(xiàn)開關(guān)過程中無弧接通和分?jǐn)嗟闹悄苄突旌鲜浇涣鹘佑|器的文章，如新型智能混合式交流接觸器［2］、智能混合式無弧交流接觸器的研究［3］等，和專利“智能型混合式交流接觸器［4］”(專利號 CN00242121.6)，采用單片機(jī)系統(tǒng)對采用兩個(gè)或三個(gè)晶閘管的混合式交流接觸器進(jìn)行無弧分?jǐn)嗟目刂?，這些都是很好的方案。但是由于這些方案實(shí)現(xiàn)的是智能控制，控制系統(tǒng)復(fù)雜，且成本較高，至今未有成熟的產(chǎn)品投入市場。本文提出一種新的混合式交流接觸器控制方案，利用以光耦為核心的簡單的控制電路實(shí)現(xiàn)對晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷的控制，從而無弧地通斷電路。與單片機(jī)控制觸發(fā)晶閘管方式相比，具有成本低、控制方法簡單、易產(chǎn)品化等優(yōu)點(diǎn)。本技術(shù)已獲得中國實(shí)用新型專利(專利號:CN200910306608.6)［6］。

2 工作原理

本文采用電容降壓，電容儲能，控制電路采用光耦實(shí)現(xiàn)接觸器線圈勵(lì)磁電源與三相主電路的隔離，并為三相雙向晶閘管提供光耦控制的開關(guān)信號，無須專門配置電源與電流互感器。控制原理框圖如圖1所示。交流220V一路直接控制接觸器線圈分合閘，另一路由接觸器自身的一個(gè)常開輔助觸頭控制，經(jīng)一個(gè)RC電路降壓，再經(jīng)過整流電路，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，為晶閘管觸發(fā)電路提供電源。觸發(fā)電路以光耦作為主電路和控制電路之間的強(qiáng)弱電隔離，并以其副邊的開關(guān)量信號來保證雙向晶閘管處于等待導(dǎo)通狀態(tài)或關(guān)斷狀態(tài)。在接觸器接通過程中，如果滿足接通條件，光耦導(dǎo)通，給雙向晶閘管門極一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流，使晶閘管先于觸頭導(dǎo)通。當(dāng)主觸頭閉合后，利用觸頭壓降遠(yuǎn)低于雙向晶閘管導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)，電流自動(dòng)從雙向晶閘管轉(zhuǎn)移到主觸頭上，實(shí)現(xiàn)主電路無弧接通，此后晶閘管處于等待導(dǎo)通狀態(tài)。在接觸器分?jǐn)鄷r(shí)，由RC充放電回路中電容放電繼續(xù)給雙向晶閘管門極一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流信號，使晶閘管仍然處于等待導(dǎo)通狀態(tài)。一旦主觸頭打開，晶閘管兩端電壓高于導(dǎo)通電壓，晶閘管導(dǎo)通，使電流從主觸頭自動(dòng)轉(zhuǎn)移到雙向晶閘管，實(shí)現(xiàn)主電路無弧分?jǐn)?。?dāng)電容放電電量不滿足要求時(shí)，光耦副邊關(guān)斷，晶閘管門極不再有驅(qū)動(dòng)電流，此時(shí)雙向晶閘管過零自動(dòng)關(guān)斷。

圖1 混合式交流接觸器控制原理框圖

2.1 晶閘管門極驅(qū)動(dòng)電路電源設(shè)計(jì)

晶閘管門極驅(qū)動(dòng)電路電源有兩種方式提供，一是直接由外界提供一個(gè)獨(dú)立的直流電源，二是通過變壓器將交流220V電壓降壓再整流得到。前者成本高也不實(shí)用;后者因變壓器體積、重量較大，對空間需求較大，不符合現(xiàn)今對電器日趨小型化的要求。利用電容降壓是一種行之有效的方法。其工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來降壓。經(jīng)整流濾波后得到晶閘管門極所需的電壓值。該設(shè)計(jì)方法能夠大大減小控制電路體積，并降低成本。考慮到要保證接觸器在線圈電壓低于額定電壓85%時(shí)應(yīng)不動(dòng)作，此時(shí)晶閘管門極驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)在觸發(fā)電流值以下，否則，晶閘管將導(dǎo)通導(dǎo)致電路接通造成誤動(dòng)作。因此，本設(shè)計(jì)采用接觸器的一個(gè)常開輔助觸頭作為晶閘管觸發(fā)電路的電源開關(guān)。經(jīng)過對CJ40－63接觸器主觸頭與常開輔助觸頭的動(dòng)作參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試得出:閉合時(shí)，主觸頭比常開輔助觸頭先閉合約1.5ms;斷開時(shí)，常開輔助觸頭比主觸頭先斷開約2ms。這表明閉合過程主觸頭先于輔助觸頭閉合，將輔助觸頭作為晶閘管觸發(fā)電路的控制開關(guān)將無法實(shí)現(xiàn)晶閘管先于主觸頭導(dǎo)通的目標(biāo)，閉合過程無法實(shí)現(xiàn)無弧接通，但由于閉合時(shí)電弧相對較弱，所以本文主要針對接觸器無弧分?jǐn)噙^程的控制。產(chǎn)品化時(shí)，可考慮減小一對常開輔助觸頭行程，讓其比主觸頭先閉合，這樣就可以實(shí)現(xiàn)接觸器的無弧接通和分?jǐn)唷?/p>

2.2 晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)

混合式交流接觸器是在三相觸頭上分別反并聯(lián)一對單向晶閘管(或接一個(gè)雙向晶閘管)。在主觸頭分?jǐn)嚯娐菲陂g，主電路電流從觸頭轉(zhuǎn)移至晶閘管，實(shí)現(xiàn)觸頭的無弧分?jǐn)?，從而具有比普通交流接觸器高得多的電壽命與操作頻率［2］。

本文采用在接觸器三相主觸頭上分別并聯(lián)一個(gè)雙向晶閘管的方案。利用光耦將主電路和晶閘管觸發(fā)電路隔離開來。在分?jǐn)噙^程中，常開輔助觸頭斷開，晶閘管的觸發(fā)電路失電，RC充放電電路中的電容開始放電，光耦導(dǎo)通，晶閘管繼續(xù)處于觸發(fā)導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)觸頭分?jǐn)鄷r(shí)，主電路電壓加在晶閘管上，使晶閘管兩端電壓高于其導(dǎo)通電壓，主電路中的電流便從接觸器的主觸頭轉(zhuǎn)移到晶閘管上，從而實(shí)現(xiàn)接觸器無弧分?jǐn)唷?/p>

由于常開輔助觸頭和主觸頭的斷開延時(shí)只有幾毫秒之差，故只要設(shè)置極小的電容回路放電延時(shí)就能夠可靠觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，保證接觸器線圈斷電后晶閘管門極仍有觸發(fā)電流。

本文設(shè)計(jì)的混合式交流接觸器的電路圖如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)選用CJ40－63接觸器作為研究對象，對控制電路進(jìn)行實(shí)際帶載測試。實(shí)驗(yàn)測試電路圖如圖3所示。圖中，Z1－Z3表示接觸器的三相負(fù)載(以星型接法為例)。CT1、CT2、CT3、CT4表示四個(gè)電流互感器，其中，CT1用來測試接觸器觸頭信號，CT2－CT4用來測試接觸器三相負(fù)載信號。用四通道示波器拍攝觸頭與三相負(fù)載電流波形。

圖2 混合式交流接觸器的電路圖

圖3 實(shí)驗(yàn)測試電路圖

圖4為示波器實(shí)測的電流波形。

圖4 示波器實(shí)測的電流波形

如圖4所示，通道1為接觸器主觸頭信號，通道2～4為三相負(fù)載電流信號。從圖中可看出，在接觸器三相觸頭斷開后，三相負(fù)載仍有電流流過，表明接觸器主觸頭電流向雙向晶閘管轉(zhuǎn)移。而后，A相(通道2)晶閘管延時(shí)導(dǎo)通約10ms后，在電流過零點(diǎn)自動(dòng)關(guān)斷;B，C兩相晶閘管也在A相電流過零之后的各自電流過零點(diǎn)關(guān)斷，從而完成了電路的切斷，驗(yàn)證了接觸器的無弧分?jǐn)唷?/p>

4 結(jié)論

本文利用光耦的控制與隔離的性能，設(shè)計(jì)了一種以光耦為控制電路核心的混合式交流接觸器，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。利用接觸器自身的輔助觸頭控制基于光耦的晶閘管觸發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)三相觸頭無弧分?jǐn)?，并保證電壓值低于85%額定電壓時(shí)晶閘管回路不導(dǎo)通，接觸器不吸合，大幅提高接觸器工作的可靠性以及使用壽命，且控制線路簡單，適應(yīng)性、通用性強(qiáng)，特別是在小容量交流接觸器上具有很高的性價(jià)比，應(yīng)用前景廣闊。

［1］瞿見喜.智能混合式交流接觸器［J］.電工技術(shù)雜志，2001(5):50－51.

［2］張培銘，陳從華，鄭昕.新型智能混合式交流接觸器［J］.低壓電器，2001(1):20 －21.

［3］鄭昕，許志紅，張培銘.智能混合式無弧交流接觸器的研究［J］.低壓電器，2005(9):10－12.

［4］張培銘，陳從華，鄭昕.智能型混合式交流接觸器:CN00242121.6［P］.2001－5－2.

［5］孫冰.淺談交流接觸器的節(jié)能與長壽命［J］.信息技術(shù)，2005(5):80－82.

［6］劉向軍，吳功祥，江和，等.基于光耦的混合式交流接觸器無源開關(guān)驅(qū)動(dòng)控制器:CN200910306608.6［P］.2010－2－10