具有可控開距接觸器的研究

摘"要： 為了提高傳統(tǒng)電磁式接觸器分斷電流的能力，并解決大開距下合閘功耗高、動鐵心沖擊力大、鐵心磨損嚴重等問題，設(shè)計一種具有可控開距的接觸器。通過結(jié)構(gòu)改進，增大傳統(tǒng)交流接觸器結(jié)構(gòu)層面可打開開距，利用基于單片機的控制電路識別分斷電流，并在分斷過程中對勵磁線圈施加不同寬度的脈沖電流，使接觸器在不同分斷電流下具有不同的開距，完成分斷后觸頭回到小開距的平衡位置。通過實驗，驗證了所設(shè)計的接觸器具有可控開距的功能。

關(guān)鍵詞： 電磁接觸器; 控制電路; 可控開距; 分斷電流

中圖分類號： TM572

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）03-0036-06

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.03.006

Research on Contactor with Controllable Contact Gap

CHEN Weibin，"LIU Xiangjun

（College of Electrical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou 350108， China）

Abstract：

In order to improve the breaking current capacity of the traditional electromagnetic contactor and solve the disadvantages of high closing power consumption， large impact force of the moving iron core and serious wear of the iron core under large contact gap， a contactor with controllable contact gap is designed. Through structural improvement， the gap of the contact that can be opened at the structural level of the traditional AC contactor is increased. The control circuit based on the single-chip microcomputer is used to identify the breaking current， and the pulse current with different width is applied to the excitation coil during the breaking process， so that the contactor has different gap under different breaking current. After the breaking， the contact returns to the balance position of small gap. Through experiments， it is verified that the designed contactor has the function of controllable contact gap.

Key words：

electromagnetic contactor; control circuit; controllable contact gap; breaking current

0"引"言

隨著電網(wǎng)容量的不斷擴大以及智能化的發(fā)展，對低壓電器的性能指標提出了更高的要求［1］，接觸器作為一種適用于遠距離頻繁地接通和分斷交直流主電路及大容量控制電路的自動控制電器［2］，因其低成本和較強的執(zhí)行能力，一直是大量生產(chǎn)使用的電器產(chǎn)品。在新一代較大容量的接觸器產(chǎn)品中，普遍采用了智能控制電路，通過反饋信號、調(diào)節(jié)吸反力配合等控制方式，控制接觸器的閉合沖擊力，實現(xiàn)減少觸頭振動和提高其電壽命的目的［3-5］。市場上接觸器的智能控制方式多是針對閉合階段，而對于分斷階段基本是結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化和創(chuàng)新［6-7］。

隨著人們對開關(guān)電器的需求不斷提高，為了實現(xiàn)多種控制和保護功能，集成開關(guān)電器應運而生。其中具有一體化技術(shù)的集成接觸器在不改變接觸器結(jié)構(gòu)的基本框架下，用一套電磁、觸頭和滅弧系統(tǒng)來實現(xiàn)功能上的創(chuàng)新，既可完成普通接觸器的接通和開斷交直流主電路及大容量控制電路，又能在規(guī)定的非額定電路條件下接通、承載和分斷一定時間內(nèi)的電流［8-10］。這類開關(guān)電器較普通接觸器有較大的開距，因此無論是開斷短路電流或是過載電流還是額定電流，都必須在大開距下進行。而在大開距下合閘時功耗高，動鐵心沖擊力大，鐵心磨損嚴重，同時還會造成觸頭二次彈跳，使觸頭易熔焊［11］。

為此，本文設(shè)計一種開距可控的接觸器。以傳統(tǒng)交流接觸器為主體，增加控制電路，通過物理結(jié)構(gòu)的改進和軟件的控制相結(jié)合，實現(xiàn)開距可控的功能。該接觸器可在開關(guān)分斷前，通過控制模塊檢測開斷電流的大小及開斷類型，由此控制線圈斷電，并在動觸頭及動鐵心等運動部件分斷運動的過程中，給線圈施加不同寬度的電流脈沖，使觸頭達到不同的開距，可用于分斷回路中的額定電流、過載電流和短路電流，并在復位彈簧的作用下回到較小額定開距的平衡位置。相較于傳統(tǒng)交流接觸器，其在不增加觸頭、電磁機構(gòu)的同時能夠頻繁通斷額定電流，并且提高了分斷短路電流的能力;元件數(shù)量相較于模塊組合式開關(guān)電器也大幅減少，簡單的結(jié)構(gòu)保證了開關(guān)的低故障率，集成度更高，運行穩(wěn)定性更高。

1"設(shè)計原理

具有可控開距的接觸器在機械層面應具有大于常態(tài)開距的開距結(jié)構(gòu)，在軟件層面應具備檢測主回路電流和分析處理邏輯運算的功能，實現(xiàn)對電磁系統(tǒng)運動過程的控制。通過控制觸頭的開距，實現(xiàn)接觸器的額定分斷和故障開斷。

具有可控開距的接觸器是在傳統(tǒng)交流接觸器的基礎(chǔ)上對空間結(jié)構(gòu)進行改進，增加復位彈簧和限位機構(gòu)以加大觸頭的運動行程，即通過反力彈簧和限位機構(gòu)之間的配合，使電弧在大于臨界短路電流所對應的大開距時過零熄滅，隨后在復位彈簧的作用下，觸頭返回至常態(tài)開距的平衡位置。與傳統(tǒng)接觸器相比，具有可控開距功能的接觸器觸頭可以運動的位移大小超過了額定開距，能夠?qū)㈦娀±酶L，更有利于電弧充分溢散能量和電弧的熄滅。

在接觸器分斷過程中，通過控制模塊檢測開斷電流的大小及開斷類型，根據(jù)需求，控制模塊對線圈施加短時電流脈沖，使線圈勵磁產(chǎn)生電磁吸力，使動鐵心在這個暫態(tài)電磁吸力影響下，減緩速度，調(diào)整觸頭開距大小，實現(xiàn)分斷過程的智能控制。其中脈沖寬度與電流大小成反比。分斷不同電流下觸頭開距示意如圖1所示。

其具體工作原理如下：

（1） 當觸頭處于閉合狀態(tài)時，電磁線圈保持直流低壓通電，動、靜鐵心處于吸合狀態(tài)，電磁吸力大于反力彈簧與觸頭彈簧力的合力，使得動觸頭與靜觸頭壓緊，并留有一定的超程和觸頭終壓力，同時傳感器實時監(jiān)測主回路電流。

（2） 當控制模塊檢測到分斷信號時，若傳感器檢測到主回路電流為額定電流，控制模塊控制線圈斷電，則動、靜鐵心在反力彈簧和觸頭彈簧的共同作用下開始分離。在動鐵心帶動動觸頭運動且觸頭還未達到額定狀態(tài)開距前，控制模塊對線圈施加多個短時電流脈沖，使觸頭達到額定狀態(tài)開距時速度幾乎減小為零，隨后動鐵心和動觸頭在反力彈簧和復位彈簧的共同作用下快速停止運動，使觸頭達到額定狀態(tài)開距即停止運動，主電路斷開。

（3） 若傳感器檢測到主回路電流為短路電流，控制模塊控制線圈斷電，則反力彈簧作用于動鐵心上，動觸頭與靜觸頭快速分斷，在動觸頭達到額定狀態(tài)開距時，由于慣性，動鐵心將繼續(xù)帶動觸頭運動并壓縮復位彈簧直至達到短路開距，隨后在復位彈簧的回復力作用下將動觸頭復位至額定狀態(tài)開距。

（4） 若傳感器檢測到主回路電流為過載電流時，控制模塊控制線圈斷電，則在動觸頭達到額定狀態(tài)開距前后，控制模塊對線圈施加多個短時電流脈沖，使線圈勵磁產(chǎn)生電磁吸力，使動鐵心在這個暫態(tài)電磁吸力影響下，減緩速度，使動觸頭達到不同的過載開距，動觸頭在復位彈簧的恢復力作用下回到額定狀態(tài)開距，并且過載開距與過載電流大小成正比。

具有可控開距的接觸器能夠在保證快速可靠開斷電流的基礎(chǔ)上，在同等原開距的情況下開斷更大的短路電流;也可以在開斷同樣大小的短路電流時速度更快;由于觸頭斷開狀態(tài)下動、靜觸頭間距為較小的額定狀態(tài)開距，因此減小接觸器在合閘過程中的動鐵心位移，使電磁鐵驅(qū)動能量減少，可以有效地減小鐵心碰撞能量。

2"結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)開關(guān)電器對斷開短路電流的技術(shù)需求，對接觸器的電磁機構(gòu)進行改造，實現(xiàn)觸頭開距的可控。在進行電磁機構(gòu)改造時，確認開距大小及分斷速度需求，通過內(nèi)部機構(gòu)和彈簧系統(tǒng)的相互配合，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本文采用CJX2-65交流接觸器為本體。改造前后接觸器結(jié)構(gòu)如圖2所示。建立該交流接觸器的模型。在動、靜鐵心間加載合適的反力彈簧，增加其分斷速度;在動觸頭上加載觸頭彈簧;在卡扣上增加復位彈簧以幫助觸頭在打開大開距后，可以快速恢復至額定開距;并通過在上、下兩塑料外殼之間添加墊片，從空間層面增大動鐵心的行程和觸頭最大開距;為了解決打開大開距帶來的回彈問題，在動鐵心和線圈間增加一卡扣，限制觸頭的回彈速度。改造后的接觸器具備分斷短路電流大開距的硬件條件，同時設(shè)計智能控制電路，在接觸器分斷過程中對線圈電流進行控制。

另外，具有可控開距的接觸器的額定電流大、額定電壓高、相應的轉(zhuǎn)換能力強，這就需要觸頭系統(tǒng)具有較大的開距和超程，需要較大的開斷速度和較小的接觸電阻，為此需要較大的反力彈簧和觸頭彈簧，從而提高機械負載阻力特性。具有可控開距接觸器的靜態(tài)吸反力特性曲線如圖3所示。

圖3中，反力曲線的oa階段，反力由觸頭彈簧和反力彈簧疊加而成，并在氣隙a處觸頭彈簧釋放完畢，觸頭開始分斷，oa的距離即為電磁機構(gòu)的超程;在ab階段，反力彈簧繼續(xù)釋放，動鐵心帶動動觸頭分斷，直至氣隙b為額定氣隙;在bc階段，動作機構(gòu)受到的彈簧合力方向與之前相反，即復位彈簧的作用力方向與反力彈簧的相反，觸頭超過穩(wěn)定開距越多受到的彈簧合反力越大，減速效果越明顯，直至達到極限最大開距，動鐵心和動觸頭在反力彈簧和復位彈簧的配合作用下快速停止運動，觸頭完全斷開。

3"控制電路設(shè)計

如果僅是在機械結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)大開距的技術(shù)需求，就會導致接觸器分斷任何大小和類型電流都會打開極限大開距，特別是以大開距頻繁開斷額定電流后利用復位彈簧復位，會使復位彈簧迅速老化，并造成嚴重的機械磨損，導致接觸器電氣壽命短等問題。因此本文在保證接觸器可靠工作的前提下，添加主回路檢測識別和低壓保持功能，以穩(wěn)定打開不同開距為目標，設(shè)計相關(guān)的智能控制電路。智能控制電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

智能控制模塊可劃分為8個模塊：電源模塊、整流濾波模塊、變壓降壓模塊、數(shù)據(jù)采樣模塊、隔離驅(qū)動電路、單片機模塊、線圈驅(qū)動模塊、接觸器線圈回路。通過以PIC877系列的單片機為核心的控制模塊實現(xiàn)接觸器的可控分斷開距功能?？刂齐娐吩韴D如圖5所示。

具有可控開距的接觸器的控制過程分為吸合、保持和分斷3個過程。

在吸合過程中，為了克服反力快速吸合，控制主電路通過接口U3輸入交流220 V電壓，并通過整流模塊VD4和電容C1進行交流電壓的整流濾波，通過MOS管VT1輸出穩(wěn)定的直流高電壓，通過接口U2輸出至接觸器的控制線圈。在直流高電壓的驅(qū)使下，線圈產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁吸力，吸合動鐵心同時帶動動觸頭運動，直至動、靜觸頭完全閉合，主回路接通。

吸合之后，通過不斷輸出直流低電壓以維持觸頭的閉合狀態(tài)。單片機控制MOS管VT1斷開直流高電壓，同時MOS管VT2接通，低壓直流電通過接口U4輸入至整個控制回路，通過二極管VD5、VD2、VD8形成回路，再由接口U2輸出至接觸器的控制線圈以保持其通電狀態(tài)。接觸器吸合及保持過程中線圈電壓與電流波形如圖6所示。

分斷時，根據(jù)采樣模塊識別主回路電流的大小，通過單片機模塊進行電路分斷類型邏輯分析，對MOS管執(zhí)行不同的開斷策略。若是分斷額定電流，則關(guān)斷MOS管VT2，通過控制開斷MOS管VT1輸出多段延時固定、寬度固定的高壓電流脈沖，使電磁系統(tǒng)產(chǎn)生電磁吸力，在復位彈簧回復力

和電磁吸力的共同作用下，動鐵心速度降低，觸頭穩(wěn)定打開至額定狀態(tài)開距位置;若是主回路傳感器檢測到短路電流，則MOS管VT2關(guān)斷且MOS管VT4打開，線圈通過U2、VD6、VT4、VD3形成回路釋放剩余電流，鐵心釋放，動、靜觸頭分斷，主回路斷開;同理，檢測到過載電流時，單片機模塊也會根據(jù)過載電流的大小，通過MOS管VT1輸出不同寬度大小的電流脈沖至接觸器線圈以控制觸頭開距。

4"實驗驗證

具有可控開距的接觸器本體如圖7所示。對其進行動態(tài)特性實驗，以驗證設(shè)計方案的合理性。

動態(tài)特性實驗項目包括接觸器分斷時間和分斷觸頭位移速度以及線圈電壓、電流波形等。由電源模塊、變壓整流模塊、控制電路模塊、單片機模塊、上位機、鹵素燈、示波器、高速攝像機和接觸器樣機構(gòu)成實驗平臺，通過該實驗平臺完成采集可控開距的接觸器樣機在不同分斷電流下的位移數(shù)據(jù)。在接觸器樣機的觸頭上貼上標記點，在控制模塊的控制下分斷接觸器，由上位機和鹵素燈配合高速攝像機采集接觸器在分斷過程中的一系列標記點移動圖像，經(jīng)過圖像處理軟件Image-Pro Plus處理并采集標記點位置，得到相關(guān)接觸器觸頭的運動數(shù)據(jù)。動態(tài)特性實驗平臺如圖8所示。

在接觸器樣機的線圈控制回路中，連接1 Ω的采樣電阻，通過示波器測量采樣電阻的電壓波形以得到線圈控制回路的電流波形?？煽亻_距接觸器分斷不同主回路電流的線圈電壓波形如圖9所示;可控開距接觸器分斷不同主回路電流時的線圈電流波形如圖10所示。由圖9、圖10可見，采樣電阻的初始保持電壓為15 V，吸持電流為0.2 A，隨后斷開控制線圈的電流，線圈通過續(xù)流回路釋放剩余電流并產(chǎn)生反向過電壓，在動鐵心分斷的過程中施加直流310 V、脈沖寬度不同的短暫電壓脈沖，接著繼續(xù)通過續(xù)流回路釋放剩余電流，而此時動鐵心在反力彈簧的作用下繼續(xù)分斷運動，并在剩磁的作用下產(chǎn)生運動反電動勢，該電動勢方向與施加的線圈電壓脈沖方向相反，導致電壓呈現(xiàn)跌落狀況。

可控開距接觸器分斷不同電流時的位移曲線如圖11所示。由圖11可見，可控開距接觸器樣機分斷短路電流時觸頭開距可以達到8.4 mm，并且在達到最大開距時存在一穩(wěn)定的平臺，即存在約15 ms的打開大開距時間，隨后回彈至約

4.0 mm的開距，最后趨于穩(wěn)定5.5 mm的開距;在分斷不同過載電流時，給予線圈不同脈沖，打開的開距大小也不同，并且過載電流越小，開斷時間也越短;而分斷額定電流時，其分斷最大開距僅為6.5 mm，并且不存在穩(wěn)定平臺，能夠快速恢復至額定開距5.5 mm，整個過程的分斷時間大概為30 ms。從實驗結(jié)果來看，開關(guān)能夠可靠地分斷，并且分斷時的開距滿足相關(guān)設(shè)計要求。

改造后的接觸器與原接觸器的參數(shù)對比如表1所示。其中釋放時間為打開不同開距時的時間，包括分斷短路電流開距的時間，故釋放時間差距較大。表1中，改造后的接觸器保持功率大幅度下降，吸合時間基本不變，在打開額定開距時釋放時間略有增大。

5"結(jié)"語

通過對普通接觸器的結(jié)構(gòu)改造以及控制電路的設(shè)計，使得該接觸器具有分斷額定電流、過載電流以及短路電流的能力，并進行了實驗測試，測試結(jié)果符合該接觸器的設(shè)計目標。理論與實踐工作表明，本文設(shè)計的具有可控開距的接觸器以及其控制模塊具有一定的工程實用性，對一體式接觸器的深入開展研發(fā)具有參考價值。

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收稿日期： 20230910