1、2013 毕 业 设 计 论 文2013 毕 业 设 计 论 文毕 业 设 计 论 文基 于 无 触 点 控 制 技 术 的 混 合 式 无 弧 交 流 接 触 器 的 研 究2013 毕 业 设 计 论 文2013 毕 业 设 计 论 文摘 要交流接触器是一种应用特别广泛的低压电器，特别是在低压配电领域及自动化控制领域更是具有不可替代的作用，所以提高交流接触器性能稳定性对电力自动化领域来说具有很重要的意义。随着材料科学的发展，交流接触器的机械寿命得到很大提升，但是远低于机械寿命的电寿命却成为了制约交流接触器发展的瓶颈所在。对于 AC-4 使用类别下，合闸阶段触头二次弹跳产生的断续电弧和分闸阶
2、段产生的电弧是影响交流接触器电寿命的主要因素。综上所述，解决交流接触器合闸阶段触头弹跳问题和分闸阶段产生的电弧问题是提高交流接触器电寿命的关键所在。针对交流接触器合闸阶段触头弹跳问题和分闸阶段产生的电弧问题，本文主要从两大方面对交流接触器进行改进：第一电磁系统改进，针对交流接触器采用交流励磁所带来的问题，提出了多段脉冲稳压直流激磁和直流小电压保持的激磁方案。并且设计了智能激磁操作执行机构，从而保证了激磁过程的稳定性；第二针对触头系统进行智能改造。国内外对于交流接触器分闸过程进行了系统的研究，就国内而言，过零分断控制技术是研究热点。随着电力电子技术的发展，电力电子开关器件越来越成为低压电器控制的
3、焦点。本文采用的无触点分断理念，具体做法是在交流接触器每相触头两端并联一个双向可控硅，并且配套设计相应的触发电路。使得双向可控硅在交流接触器分闸过程中实现分流，这样便可以使交流接触器实现无弧分闸操作,大大提高了交流接触器的电寿命。除了针对交流接触器合闸和分闸阶段进行智能改造外，本文还对交流接触器增加了可靠实用的智能保护功能，主要给予交流接触器过压、欠压、过载、漏电保护等功能，保证了交流接触器智能分合闸环境的稳定性以及使其更趋于智能化。关 键 词 ： 交 流 接 触 器 ； 智 能 激 磁 ； 无 触 点 控 制 技 术 ； 智 能 保 护2013 毕 业 设 计 论 文2013 毕 业 设 计
4、 论 文AbstractAC contactor played an irreplaceable role in the field of low-voltage distribution and automation control. So consistency of performance of the AC contactor has great economic significance. But further development has so far been constrained by its electrical life which below the mechani
5、cal 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,
6、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
7、 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
8、 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 wit
9、h 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 proc
10、ess. 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, o
11、verload, 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 protection2013 毕 业 设 计 论 文2013 毕 业 设 计 论 文(Supported by Huludao Science and Technology Bureau)目
12、 录摘 要 .IAbstract .II1 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 .31.2.3 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 .9
13、2.3 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 .163.2.4 脉 动 直 流 激
14、 磁 方 案 存 在 的 相 关 问 题 .173.3 多 段 脉 冲 稳 压 直 流 激 磁 方 案 分 析 .183.3.1 多 段 脉 冲 稳 压 直 流 激 磁 方 案 原 理 分 析 .182013 毕 业 设 计 论 文2013 毕 业 设 计 论 文3.3.2 多 段 脉 冲 稳 压 直 流 激 磁 系 统 参 数 分 析 .193.4 激 磁 电 源 设 计 .223.4.1 稳 压 直 流 激 磁 电 源 的 设 计 .223.4.2 稳 压 直 流 保 持 电 源 设 计 .223.5 智 能 激 磁 硬 件 部 分 设 计 .233.6 智 能 激 磁 软 件 部 分 设
15、 计 .243.7 实 验 测 试 及 结 果 分 析 .243.7.1 激 磁 电 源 性 能 测 试 .243.7.2 实 验 样 机 合 闸 测 试 .253.8 本 章 小 结 .274 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 .334.3.1 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
16、断 控 制 软 件 部 分 设 计 .404.5 实 验 测 试 及 结 果 分 析 .414.5.1 交 流 电 弧 电 压 、 电 流 的 判 定 .414.5.2 智 能 改 进 前 分 闸 过 程 实 验 测 试 .424.5.3 智 能 改 进 后 分 闸 过 程 实 验 测 试 .444.6 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
17、保 护 模 块 软 件 部 分 设 计 .515.2.1 主 程 序 设 计 .512013 毕 业 设 计 论 文2013 毕 业 设 计 论 文5.2.2 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 .57作 者 简 历 .60学 位 论 文 原 创 性 声 明 .61学 位 论 文 数 据 集 .622013 毕 业 设 计 论 文2013 毕 业 设 计 论 文1 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
18、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 万150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AC4电流冲击，不可避免的会产生强烈电弧侵蚀，这也使得交
19、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
20、.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10A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AC3条件下的电气寿命。美国西屋公司( )推出的“ ”智能接触器，额westinghoudvantge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4513540(Integrated Monitoring Protection
21、and Control Communication System)。该系列产品IMPC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SURE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2013 毕 业 设 计 论 文2013 毕 业 设 计 论 文动静铁心的冲击，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SURE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
22、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，50Hz60V140630A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
23、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SC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DILM器采用电压反馈方案，当线路电压变动时，能够实现
24、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
25、合过程基本实现无弹跳，杜绝了吸合过程触头二2013 毕 业 设 计 论 文2013 毕 业 设 计 论 文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：
26、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 Th
27、e 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。2013 毕 业 设 计 论 文2013 毕 业 设 计 论 文V1342BHLZC图 1.2 混 合 开 关 原 理 图Fig.1.2 The schematic diagram of hybrid switch1.2.3 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
28、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。 、AC-D、20V/38图 1.3 稳 压 直 流 保 持 原 理 图Fig.1.3 The DC holding schematic diagram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。
