1、直流接触器的设计摘 要 直流接触器主要由触头系统、灭弧系统和电磁系统组成。当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作，常闭触头断开,常开触头闭合，两者是联动的；当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原，常闭触头闭合,常开触头断开。触头是整个接触器的关键部件之一,它的性能直接影响整个电器设备的分断能力、使用寿命和运行的可靠性。由于触头磨损的主要形式是电磨损，它的主要失效模式是触头的接触电阻超过允许范围、触头熔焊和触头烧毁；这些失效模式都与触头在接通或分断过程中产生电弧有关，减少电弧带来的负面影响是提高触头寿命的的关键。通过在
2、触头两端加装电力电子器件，使触头开合的瞬间的电流分流，可以极大地减小了电弧的产生，从而减小了触头的烧蚀，显著提高触头寿命和器件的可靠性。关键字 直流接触器 触头系统 电力电子器件AbstractDC contactor, mainly composed of contact system，arc extinguishing system and electromagnetic system. After exposure to the electromagnetic coil is energized, it will produce a strong magnetic field, the
3、static core electromagnetic force to attract the armature, and promote the contact action, normally closed contact is open, normally open contact closes, the two are linked; When the coil power, the electromagnetic force disappears, the armature in the release action of the spring release, contact r
4、ecovery, normally closed contact is closed, normally open contact is open. Contact is one of the key components of the contactor, its performance directly affects the entire electrical equipment breaking capacity, service life and reliability. Since the main form of contact wear is electrical wear,
5、it is the main failure mode is to contact the contact resistance exceeds the allowable range, contact welding and contact burned. These failure modes are associated with the contact is switched on, or the breaking process of generating arc, arc to minimize negative impact is the key to improve the c
6、ontact life. The contacts mounted on two ends of power electronic devices, in the contact opening and closing moments that make the current shunt, greatly reduce the occurrence of electric arc, thereby reducing contact ablation, significantly improve the contact life and reliability.引 言接触器是低压电器中重要的控
7、制电器之一，由于生产自动化程度的不断提高，对接触器产品数量有日益增长的要求，对产品的性能、质量、品种等要求也越来越高。直流接触器是一种适用于长距离频繁地接通和分断的低压电器，主要工作在 1200V 及以下的直流主电路及大容量控制电路中，用于控制直流电动机、直流电磁铁、电照明、电加热以及其他的直流负载，在工业、农业、交通运输业、国防、文教、商业及人民生活设施等用电部门得到广泛运用。本文通过对直流接触器触头系统的改进，利用分流法实现电流的转移，控制触点回路的电流小于生弧电流，从而达到无弧或少弧分断的目的。一 总体结构设计电弧会对电器开关的电气特性产生很大的影响，电弧的存在，会大大的缩短电磁电器的电
8、寿命等缺点。为此在触头两端并联 MOSFET 器件，实现少弧或无弧通断。当电器开关用来分断电气通路、电源或系统短路时，有三个基本的要求：(1)当处于导通状态时，大电流导通损耗要低； (2)当发生意外时，必须不经任何延迟立即由导通状态切换到高阻状态； (3)控制回路切断后，绝缘强度必须达到可以阻止被触点两端电势再度击穿。分析接触器的吸合特性和分断特性可知，从控制线圈上电到接触器触头完全吸合，这段过程存在一定的延时（释放过程一样存在） ，不同的接触器，延时时间长短不一样。本文设计的接触器，吸合动作延时达到 100ms 左右，释放动作延时有 60ms 左右。电弧的产生发生在吸合和分断的转化瞬间。如果
9、选择合适的电力电子器件（电力电子器件导通延时一般是微妙甚至是纳秒级的） ，与机械开关并联，让它在吸合和释放的这段时间内先导通电力电子器件，大部分的电流流过电力电子器件，经过机械开关固有的延时达到完全吸合或释放之后，再关闭电力电子器件，让电流从机械开关上流过。释放时，先让电力电子器件导通，当机械开关完全分断后，再关断电力电子器件，实现无弧通断。完整的结构如下图所示，开关一般由电子开关、主触头开关以及辅助开关三部分组成，电子开关包括功率器件、缓冲电路和限压单元组成。在稳定状态时，缓冲电路和限压元件形成高阻回路，电子开关只是在机械开关吸合和释放时起作用，所有的开关都由电子线路控制。主触头主触头电力电
10、子器件（ M O S F E T ）缓冲电路限压电路驱动电路MOSFET 在小电压下分流能力相对较强，工作特性近似线性的，因此选择功率 MOSFET 这种电力电子器件与电触头并联，从而达到在开合瞬间分流的作用；MOSFET 的通断通过驱动电路来实现精确控制。在设计功率场效应管驱动电路时，一般需要满足如下要求： (1)触发脉冲要有足够快的上升和下降速度，脉冲前后沿要陡峭； (2)开通时，以低电阻对栅极电容充电，关断时需要为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高 MOSFET 的开关速度； (3)为了使功率 MOSFET 可靠触发导通栅极，驱动电流电压应高于器件的开启电压，为了防止误导通，在 MOSF
11、ET 截止时，最好提供负的栅源电压； (4)功率 MOSFET 开断时，所需的驱动电流为栅极电容冲放电电流。在电机启动和停止的工作状态时，不可避免的存在过电流和过电压现象。在感性负载的电路中，当功率 MOSFET 突然切断电流或极快地升高电压时，将会出现动态的 du /dt 问题。在高速开关情况下负载表现出极大的感抗，功率MOSFET 同时受到大漏极电流，高漏极电压和寄生电容中的位移电流的作用，将导致功率 MOSFET 损坏。对这种情况可以采取在功率 MOSFET 并联压敏电阻，可以有效的防止动态的 di /dt 问题。功率 MOSFET 实际运用中，因栅源间的阻抗很高，故漏源间的电压变化通过
12、极间电容耦合到栅极，而产生很高的电压过冲，这一电压会引起栅源间氧化层击穿，造成功率 MOSFET 永久性损坏。对这种情况采取的保护措施，一般适当降低栅极间的驱动电路的阻抗，在栅源之间并接阻尼电阻或并联一个稳压值小于 20V 的齐纳二极管，特别要防止栅极开路工作。二 触头系统设计直流接触器的工作寿命取决于其触头的寿命（包括机械寿命及电寿命） ，故触头系统设计的好坏直接影响直流接触器的使用，因此，正确的触头结构设计、合理选用触头材料和采用先进的触头制造工艺，来增加触头系统的耐磨损、抗熔焊性能，提高其工作寿命，以期达到国家标准对直流接触器的工作寿命的要求。提高机械寿命的措施有：力的传动零部件应具有足
13、够的强度，尽量避免加工时应力集中的薄弱环节；大、中容量的动触头与弧角分为双体，从而减轻动触头的质量；尽量减小辅助触头的冲击力；提高电寿命的措施有：合理选用触头初压力；适当选用弹性系数较高材料做主触头弹簧；增大触头的宽度；选用耐磨损、抗熔焊的触点材料。触头系统的设计主要考虑以下几点：使用可靠，即能可靠地分合电路；耐磨性好，即耐机械磨损和电磨损，寿命长；具有足够的电动稳定性和热稳定性；工艺性和经济性好，即加工容易，有色金属使用少，成本低，维修方便。2.1触头的工作参数2.1.1 触头开距（即触头行程） 触头开距是指触头在完全断开位置时动静触头间的距离。它是动静触头为断开电弧所需的最小间距。触头开距
14、既不可过小，也不宜过大，其数值应随具体要求来定。一旦确定之后，使用中就不宜轻易改变它，因为它一般是不允许调整的。2.1.2 触头超程 触头超程是指当触头在闭合位置时，将静触头移开，动触头能移动的距离。这是保证触头在其寿命终结之前仍能可靠地接触所必需的。超程在工作中不断地减小，习惯上认为当超程减小到原来的 1/3 以下时，触头便不宜继续工作。2.2 触头材料的选用作为直流接触器的触点材料应满足如下要求：电寿命高；抗熔焊性好；具有稳定的接触电阻；耐机械磨损；散热性好；加工方便及价廉。双断点的触点材料多采用银或银基材料，单断点的触点材料多采用铜、铜镉材料。静触头和动触头材料一般多采用紫铜或黄铜材料冲
15、压而成。2.3 触头设计（1）确定触头参数 主触头开距 1=6mm，超程 r1=3mm；辅助触头开距2=4mm，超程 r2=3mm；主触头初压力 F1o=16N，终压力 F1z=22N；辅助触头初压力 F2o=1N，终压力 F2z=1.2N。 （2）触头尺寸 采用桥式双断点触头，材料选用银-氧化镉，选用矩形触头，动、静触头均为 108mm，触头厚度取超程的0.61 倍。主触头厚度 d1=0.8r1=0.83mm=2.4mm，辅助触头厚度d2=0.8r2=0.83mm=2.4mm。选用锡青铜带 QSn6.5- 0.1 作触桥，它具有较好的高温性能和较高的机械强度。周围环境温度取 40，则允许温度
16、Qmax=100，发热电流 Ith=45A。触头座截面按电流密度 j=25A/mm2 选取，取为 2.25A/mm2，则截面 S=Ith/j=45/2.25=20mm2，考虑机械强度等因素，触桥的宽度和厚度分别为 b=10mm，a=2mm (满足触头厚度约为 0.61.2 倍超程)。（3）触头的稳定性校验，通过对触头的温升和电动力稳定性进行验证，计算出触头温升、接触桥温升和接触板端部温升均在允许的范围内；电动力小于触头正压力，稳定性也符合要求。三 线圈设计线圈是直流接触器电磁系统的重要组成部分，其作用是把电能转变为磁能，使磁路中的可动部件运动，带动驱动机构推动接触系统切换电路。电流通过线圈要消
17、耗功率并发热，当温度过高(超过允许温度)时，会使线圈绝缘加速老化，严重时甚至会导致线圈烧毁。因此，降低线圈功耗也是该直流接触器的关键所在。降低线圈功耗问题主要是要充分考虑吸力特性和反力特性良好的配合。由于直流接触器触点开距大(一般大于 6mm)，再加上触点超行程为 2mm-3mm，因此磁路系统工作气隙长度非常大，导致漏磁通比较多，磁路中磁阻很大，吸力小；而在气隙比较小时，漏磁通非常少，磁路中磁阻也很小，吸力非常大。随着气隙的减小，吸力增加很快，吸力特性非常陡峭。为了克服吸力特性非常陡峭而不能与反力特性良好配合的问题，们在设计时使用双线圈，通过一组辅助常闭触点来实现双线圈在吸合过程中变成串联使用
18、。当线圈供电时，吸合线圈工作，线圈工作电流很大，即吸合线圈消耗功率很大，此时辅助常闭触点还没有断开，保持线圈还没有工作；在接触器吸合过程中，辅助常闭触点断开，吸合线圈和保持线圈串联并同时工作，线圈工作电流很小，即保持线圈消耗功率很小。小 结现有的传统直流接触器工作时,吸合与分断过程中都要产生电弧,并且接触器吸合后要靠线圈一直通电保持接触器吸合状态,存在着线圈耗电大、通电运行时有噪音、通断电路时主触头上有强烈的电弧等缺点,这样既造成了大量的电能浪费、污染周围环境,又大大降低了接触器的电寿命。本文通过对触头系统进行改造，在原有接触器触点两端并联一支双向可控硅,通过采用特殊的具有强弱电隔离的控制装置控制触点和可控硅的动作顺序。接通电路时,使可控硅先导通,接触器触头后接通；分断电路时,接触器触头先断开,可控硅的导通滞后于接触器的触头。电路的分断由可控硅的截止来实现,这样就实现了无弧通断的功能,同时电路的导通由机械触点承载,克服了无触点开关导通损耗高,过载小的缺点。
