【正文】 眾所周知，交流接觸器分?jǐn)噙^(guò)程是隨機(jī)的，相位也是隨機(jī)的，不同相位對(duì)應(yīng)的分?jǐn)噙^(guò)程產(chǎn)生的交流電弧電壓波形。對(duì)于方式(1)，在暗室中可以在接觸器分?jǐn)噙^(guò)程中觀察到強(qiáng)烈的電弧出現(xiàn)。對(duì)于電弧的觀察可以通過(guò)以下兩種方式：（1）在暗室中觀察，待交流接觸器分?jǐn)嗨查g會(huì)明顯看到電弧的產(chǎn)生[41,42]；（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得實(shí)驗(yàn)波形觀察，電弧對(duì)觸頭兩端電壓信號(hào)及電流信號(hào)的干擾。 阻性負(fù)載和感性負(fù)載交流電弧電壓電流波形示意圖 The arc voltage and current under resistance load and inductance load 智能改進(jìn)前分閘過(guò)程實(shí)驗(yàn)測(cè)試交流接觸器分?jǐn)噙^(guò)程測(cè)試環(huán)境是交流220V，頻率50Hz，阻性負(fù)載采用阻值150Ω、功率1000W的大功率電阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。同時(shí)根據(jù)交流電弧電壓電流特性曲線()所示可以判定主觸頭在通斷過(guò)程中是否有電弧產(chǎn)生。 無(wú)觸點(diǎn)分?jǐn)嘬浖鞒虉D Flow chart of noncontact breaking software 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析針對(duì)智能交流接觸器無(wú)弧通斷的控制方案，本文進(jìn)行了相關(guān)的無(wú)弧通斷實(shí)驗(yàn)，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)判斷無(wú)弧控制方案的有效性。主要操作流程為：當(dāng)接到分閘信號(hào)且此時(shí)交流接觸器處于合閘狀態(tài)，首先斷開(kāi)穩(wěn)壓保持電源，使交流接觸器進(jìn)入分?jǐn)嗖僮鬟^(guò)程，而后立即給出雙向可控硅觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)由于觸頭兩端電壓不滿足導(dǎo)通條件，需等待觸頭分?jǐn)鄮缀撩?，待觸頭兩端電壓達(dá)到雙向可控硅導(dǎo)通條件，雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通。最值得注意的是并聯(lián)在雙向可控硅兩端的保護(hù)電路，對(duì)于電阻的選擇要注意，要根據(jù)雙向可控硅并聯(lián)回路交流電壓值來(lái)選擇適當(dāng)?shù)淖柚?，主要是根?jù)回路產(chǎn)生電流計(jì)算相應(yīng)功率值，否則很容易出現(xiàn)回路接通瞬間電阻爆破的狀況。經(jīng)過(guò)上述分析。晶閘管可按圖 中的四種模式用柵極信號(hào)觸發(fā)。 雙向可控硅保護(hù)電路 The protective circuit of Bidirectional thyristor選定晶閘管型號(hào)，其主要參數(shù)性能指標(biāo)：。若負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，需要給可控硅添加保護(hù)措施，一般采用如圖 所示 RC 阻容吸收電路，以抑制加到器件上的 值，柵極上的用于噪聲保護(hù)。即。由交流接觸器主回路額定電壓為380V，本文選擇800V作為雙向可控硅參數(shù)值。 可控硅開(kāi)關(guān)特性說(shuō)明 Characteristics of silicon controlled switch 狀態(tài)條件說(shuō)明從關(guān)斷到導(dǎo)通陽(yáng)極電位高于陰極電位控制極有足夠的正向電壓或電流兩者缺一不可維持導(dǎo)通陽(yáng)極電位高于陰極電位陽(yáng)極電流大于維持電流兩者缺一不可從導(dǎo)通到關(guān)斷陽(yáng)極電位低于陰極電位陽(yáng)極電流小于維持電流任一條件即可(2) 可控硅的選型可控硅的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是可控硅選型中很重要的選擇參數(shù)，一般來(lái)說(shuō)必須滿足兩倍峰值電壓欲量方可，否則很容易因?yàn)榭刂苹芈愤^(guò)電壓對(duì)雙向可控硅造成不可恢復(fù)的破壞。雙向可控硅主要用在交流控制回路中，良好的雙向?qū)ㄐ允沟盟诮涣麟姍C(jī)調(diào)速控制中有著重要的地位 [34,35]。 雙向可控硅原理圖 Bidirectional thyristor principle diagram雙向可控硅主要包含五層半導(dǎo)體形成的四個(gè)PN結(jié)構(gòu)成，同時(shí)具備雙向?qū)ㄐ?，包含兩端主電極和以及一個(gè)觸發(fā)控制極。 雙向可控硅控制方案(1) 雙向可控硅概述雙向可控硅的符號(hào)如圖 ，電流雙向?qū)?。雙向可控硅兩端的最大可能電壓為（其中Ue為主電路電壓），B相導(dǎo)通角為，A、C相導(dǎo)通角為。 矢量圖和觸點(diǎn)電壓電流波形圖 The vector and the current and the voltage of the contactors假定觸頭在分離，同一時(shí)刻晶閘管導(dǎo)通；時(shí)刻，B相電流首先過(guò)零分?jǐn)?，電壓的中性點(diǎn)由O點(diǎn)變成，三相電壓分別變?yōu)?、電流變成；時(shí)刻，A、C相電流過(guò)零分?jǐn)唷? （）式（）為分閘時(shí)刻相電壓；為分閘時(shí)刻相電壓；為分閘時(shí)刻相電壓；為分閘時(shí)刻相電流；為分閘時(shí)刻相電流。 （）代入式（）可以得： （）通過(guò)上述比較得出：滯后 ，超前 ；在B相過(guò)零瞬間，A、C兩相電流為：，；B相電流過(guò)零后，A、C相電流過(guò)零時(shí)間為，即t=5ms。 兩相對(duì)稱負(fù)載電路 The biphase symmetry load circuit（）。 電壓、電流關(guān)系矢量圖 The vector sketch map of voltage and current根據(jù)圖（）所示矢量圖得出相電壓表達(dá)式（）。三相對(duì)稱負(fù)載電流幅值見(jiàn)式（）. （）式（）中為電壓幅值；為電路電阻值；為電路電感值。 （）式（）中為A相電壓；為B相電壓；為C相電壓；為等效阻抗值；為功率角。 三相負(fù)載平衡電路 The triphase symmetry load circuit根據(jù)并聯(lián)晶閘管的特點(diǎn)，設(shè)定三相電流 B 相首先過(guò)零關(guān)斷，并設(shè)定功率角為。待一定延時(shí)后，斷開(kāi)雙向可控硅觸發(fā)信號(hào)，雙向可控硅在主回路交流信號(hào)過(guò)零點(diǎn)處自行關(guān)斷，從而完成無(wú)弧分閘[35,36]。當(dāng)交流接觸器接到分?jǐn)嘈盘?hào)時(shí)，斷開(kāi)保持電源信號(hào)，這時(shí)候接觸器進(jìn)入分閘操作過(guò)程，同時(shí)給予并聯(lián)在主觸頭兩端的雙向可控硅以觸發(fā)信號(hào)，但是此時(shí)雙向可控硅并不滿足導(dǎo)通條件，主要是由于接觸器處于閉合狀態(tài)時(shí)其兩端電壓接近零。雙向可控硅的主要作用是在交流接觸器分?jǐn)嗨查g實(shí)現(xiàn)分流以達(dá)到無(wú)弧分閘的效果。圖44 無(wú)觸點(diǎn)控制技術(shù)原理圖 The principle diagram of noncontact control method智能交流接觸器無(wú)觸點(diǎn)控制部分主要應(yīng)用在交流接觸器分閘過(guò)程中，具體結(jié)構(gòu)為：在每相主觸頭兩端并聯(lián)一個(gè)雙向可控硅以及可控硅觸發(fā)模塊。電力電子技術(shù)的快速發(fā)展使得晶閘管器件成為電子開(kāi)關(guān)的熱點(diǎn)，晶閘管器件具備開(kāi)通關(guān)斷速度快的優(yōu)點(diǎn)，交流接觸器具備導(dǎo)通能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的智能交流接觸器實(shí)現(xiàn)了二者優(yōu)點(diǎn)的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了無(wú)觸點(diǎn)分?jǐn)嗫刂啤Ｔ谟媒涣鹘佑|器控制電氣設(shè)備的通斷時(shí)，觸點(diǎn)間存在著很強(qiáng)的飛弧。同時(shí)，無(wú)觸點(diǎn)分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)對(duì)外圍硬件要求不是很高，降低了操作難度。 無(wú)觸點(diǎn)分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)分析，提出了無(wú)觸點(diǎn)分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)，主要做法為在每相主觸頭兩端并聯(lián)一個(gè)雙向可控硅，使得分?jǐn)嗨查g可以由雙向可控硅實(shí)現(xiàn)分流操作，達(dá)到無(wú)弧分閘的目的。 （3）復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)情況使得非自適應(yīng)的控制策略顯得乏力，這也進(jìn)一步增加了交流接觸器控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度。當(dāng)然實(shí)現(xiàn)起來(lái)也存在相應(yīng)困難: （1）由于交流接觸器制造工藝及機(jī)構(gòu)之間的差別，造成交流接觸器每次分?jǐn)噙^(guò)程很難保證時(shí)間穩(wěn)定，呈現(xiàn)出很大的分散性，這也就使準(zhǔn)確控制交流接觸器在某一確定時(shí)刻分?jǐn)啻嬖诤艽蠹夹g(shù)難題。上述復(fù)雜因素使零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)面臨很大困難。零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)是對(duì)時(shí)間控制精度要求非常高的分?jǐn)嗫刂品椒ǎ谄鋵?duì)交流接觸器分?jǐn)噙^(guò)程中起到改進(jìn)作用的同時(shí)，該控制技術(shù)同樣存在相應(yīng)缺陷：交流接觸器分?jǐn)噙^(guò)程及其復(fù)雜，混合了多種不同能量之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，從而造成了其分?jǐn)噙^(guò)程是非線性的、不可預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程?；∠兜碾娀∧芰筷P(guān)系式如式（）所示： （） 式（）中：電弧電壓； 電弧電流； 電弧能量； 燃弧時(shí)間。不光是時(shí)間t2需要準(zhǔn)備設(shè)定，時(shí)間t3也需要仔細(xì)考量，控制不好很容易引起電弧重燃。其中i—主回路中首開(kāi)相電流波形； t1指代切斷保持回路控制信號(hào)的時(shí)間； t2為從切斷保持回路控制信號(hào)至接觸器觸頭完全打開(kāi)的時(shí)間；t3為觸頭打開(kāi)到電流過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間(這段時(shí)間的電弧能量是決定電流過(guò)零以后電弧熄滅與否的關(guān)鍵)。這種情況下我們只需精確操作首開(kāi)相過(guò)零分?jǐn)嗉纯?。本小?jié)針對(duì)方法（2）進(jìn)行分析，即對(duì)觸頭系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械改造。對(duì)于零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)可以分為一下三種主要控制方法：（1）設(shè)計(jì)相應(yīng)的過(guò)零采樣電路，使每相觸頭輪流在零點(diǎn)進(jìn)行分?jǐn)嗖僮鳎毕菔沁@種控制方法每次操作過(guò)程只有1/3概率實(shí)現(xiàn)零電流分?jǐn)?。若此刻分?jǐn)嘟涣鹘佑|器，相交流電弧在零點(diǎn)附近熄滅，此時(shí)回路電流變?yōu)椋珊系氖蔷€電流的峰值正好對(duì)應(yīng)相電流的過(guò)零點(diǎn)，理論上來(lái)說(shuō)，只要再過(guò)線電流就可以過(guò)零分?jǐn)?，即線電流電弧燃燒時(shí)間比首開(kāi)相電流電弧燃燒時(shí)間長(zhǎng)。若相電流首先過(guò)零，則相電流產(chǎn)生的交流電弧首先熄滅，但是其余兩相電流仍處于導(dǎo)通狀態(tài)。對(duì)于三相負(fù)載平衡工作狀態(tài)來(lái)說(shuō)，每相電流之間相位差穩(wěn)定在，本文以三相三線制感性負(fù)載為分析對(duì)象，其電壓、。交流電弧具有電流過(guò)零特性及“零休”現(xiàn)象。對(duì)于使用類別來(lái)說(shuō)，接觸器分?jǐn)鄷r(shí)主觸頭需承受倍于主回路額定電流的電流沖擊，致使分?jǐn)噙^(guò)程接觸器勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈電弧，對(duì)接觸器電壽命會(huì)造成不可估量的影響。針對(duì)交流接觸器分?jǐn)噙^(guò)程實(shí)現(xiàn)無(wú)弧或者微弧化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的探索和研究，總的來(lái)說(shuō)主要分為零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)和無(wú)觸點(diǎn)分?jǐn)嗉夹g(shù)兩種主要控制理念，本文采用的無(wú)觸點(diǎn)分?jǐn)嗉夹g(shù)。零休時(shí)間段越長(zhǎng)，越容易使電弧熄滅?？偹苤?，對(duì)于感性負(fù)載來(lái)說(shuō)，電流相位滯后于電壓。 感性負(fù)載下交流電弧電壓、電流波形圖 The arc voltage and current wave with the inductance load，為主電路電壓，為主電路電流，為電弧電流，為剩余電流，為電弧電壓，為燃弧尖峰，為熄弧尖峰，為實(shí)際恢復(fù)電壓，為觸頭分開(kāi)時(shí)刻。在式（）中，積分上限取為是因?yàn)閷?shí)際上交流電弧的熄滅總是在電流過(guò)零時(shí)。同時(shí)認(rèn)為在燃弧的每半波期間弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度E為常數(shù)。如果不計(jì)每一電流半波開(kāi)始和結(jié)束時(shí)出現(xiàn)的和。式（）中取絕對(duì)值是因?yàn)榭偸桥c同向，即一直為正值，為了計(jì)算方便，通常取為正值，因而需取為絕對(duì)值。綜上所述，必須找到一種有效的分?jǐn)喾椒ㄊ沟媒涣鹘佑|器分?jǐn)噙^(guò)程實(shí)現(xiàn)微弧能量分?jǐn)嗌踔劣跓o(wú)弧分?jǐn)?，下面就針?duì)交流接觸器觸頭系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生的電弧能量影響進(jìn)行有效的分析。 交流接觸器觸頭系統(tǒng)電弧能量分析交流接觸器主要用來(lái)控制交流回路通斷過(guò)程的低壓電器。依照負(fù)載類別可以將交流接觸器的使用類別劃分為四個(gè)主要類別：ACACACAC4。同時(shí)，交流接觸器在分?jǐn)噙^(guò)程中產(chǎn)生的電弧對(duì)觸頭的侵蝕尤為嚴(yán)重。并且設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路，對(duì)最佳激磁時(shí)間段和保持時(shí)間段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并且根據(jù)所需激磁電源類別設(shè)計(jì)了不同的激磁電源電路，并且針對(duì)激磁方案設(shè)計(jì)了激磁電源控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在微處理器的控制下實(shí)現(xiàn)智能合閘操作，達(dá)到了此前預(yù)計(jì)的效果。 本章小結(jié)傳統(tǒng)交流接觸器采用交流勵(lì)磁時(shí)不可避免的容易產(chǎn)生二次彈跳的現(xiàn)象，二次彈跳產(chǎn)生的拉弧對(duì)觸頭侵蝕也比較嚴(yán)重。 不同激磁方式實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比 The parison data of various excitation control methods激磁方案激磁時(shí)間(ms)回跳時(shí)間(ms)吸合時(shí)間(ms)交流激磁方式(380V AC)隨機(jī)實(shí)驗(yàn)平均：最大值：最小值：多段脈沖穩(wěn)壓直流激磁平均：最大值：最小值：本文實(shí)驗(yàn)分別采用了交流激磁測(cè)試和智能激磁測(cè)試兩種不同激磁方式的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。針對(duì)不同激磁方案，對(duì)智能交流接觸器樣機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的30組實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)得平均回跳時(shí)間在155us左右，最小回跳時(shí)間能降到0us，達(dá)到了預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果。 穩(wěn)壓激磁電壓控制信號(hào)波形圖 The excitation power control signal 激磁電源時(shí)序波形圖 The oscillogram of the excitation power當(dāng)智能交流接觸器接到合閘信號(hào)后，控制板微處理器便發(fā)出激磁電壓控制信號(hào)，而后按照之前存儲(chǔ)的智能激磁程序運(yùn)行，待交流接觸器閉合，即智能激磁過(guò)程結(jié)束后，輸出穩(wěn)壓直流保持電源的觸發(fā)信號(hào)，交流接觸器便低功耗運(yùn)行。 激磁電源的紋波波形圖 The ripples of 240VDC excitation power 穩(wěn)壓保持電源紋波波形圖 The ripples of the 24VDC holding power 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)合閘測(cè)試由前面敘述可知，智能交流接觸器的激磁系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓多段脈沖激磁，穩(wěn)壓直流小電壓保持的控制策略。 智能激磁軟件流程圖 Flow chart of intelligent excitation 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析 激磁電源性能測(cè)試本文采用AC 220V作為激磁電源的輸入，輸出為DC 240V，選用阻值為150Ω，功率為1000W的大功率電阻作為測(cè)試條件，本文采用10倍衰減測(cè)試。智能激磁控制的主要參數(shù)如下：，激磁信號(hào)周期為256us，%。在未接到分閘信號(hào)之前，接觸器一直在低壓直流保持電壓下低功耗運(yùn)行。單片機(jī)上電復(fù)位后，口被置位為1，光耦處于不導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而得不到驅(qū)動(dòng)信號(hào)也處于截止?fàn)顟B(tài)，接觸器線圈得不到供電信號(hào)。當(dāng)輸出電流過(guò)大時(shí)，三極管截至，電流被鉗制以保護(hù)硬件電路。經(jīng)升壓得到用于控制的通斷。保持電源的原理圖如圖 。同樣，該電路還將溫度因素影響考慮在內(nèi)，使得電路更加強(qiáng)壯。該電源電路主要由穩(wěn)壓整流、信號(hào)放大、電壓采樣對(duì)比及差分放大部分組成。同樣，電網(wǎng)電壓也有其波動(dòng)范圍，這都需要考慮到激磁電源設(shè)計(jì)過(guò)程中。 激磁電源設(shè)計(jì)由上述方案分析可知，交流接觸器的電磁系統(tǒng)已由原來(lái)的交流勵(lì)磁改成直流勵(lì)磁，這時(shí)候就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的系統(tǒng)電源來(lái)提供激磁電源和保持電源[26]。但是，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果添加低于20V直流電壓很容易出現(xiàn)不能閉合的情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，交流