CN101188173A - 安全通用接触器 - Google Patents

Abstract

安全通用接触器是利用电子线路稳定控制电源电压，使合闸运动速度稳定，克服了振动过大的毛病，延长了接触器的机械寿命和电寿命，同时减小铁芯重量可提高接触器的分断速度，并可增大触头开距，使接触器具有分断短路电流能力，具备了像断路器一样的保护功能，充分发挥直流电磁铁吸力大的优点，节省原材料，使成本下降，由安全通用接触器可衍变成安全抗振接触器和安全保护接触器。

Description

安全通用接触器

技术领域

安全通用接触器、安全抗振接触器、安全保护接触器是控制电动机或其他用电设备的机械式开关，是在现有接触器基础上克服了合闸振动过大的毛病，运行时提高了抗外界振动的能力，并使接触器成为同时具备控制功能和保护功能的开关。

技术背景

低压开关以壳式断路器和交流接触器为主要产品。断路器具有保护功能，但是不能频繁操作，因此不具备控制功能；而交流接触器的机械寿命和电寿命长，可以频繁操作，具备控制功能，但是不能分断短路电流，因此不具备保护功能。具有控制功能的交流接触器通、断电由电磁铁带动触头运动实现，目前电磁铁又分为交流电磁铁和直流电磁铁。交流电磁铁吸力存在电流过零点，运行时有交流声，而且激磁电流大，线圈温升高，耗能大，因此逐渐被直流电磁铁所取代。直流电磁铁激磁电流小，而且没有电流过零点，吸力大而恒定，运行时没有交流声，线圈温升低，耗能小，节电，因此被广泛采用。

现有交流接触器采用的直流电磁铁操作系统也存在两个突出的缺点：第一是合闸运动过程中自身产生的振动大，动静铁心碰撞力过大，使机械寿命降低；同时带动触头运动的碰撞力大，引起振动也会降低电寿命，振动大造成辅助触头偏离正确位置，出现接触不良等事故。第二是运行时直流电磁铁抗外界振动能力差，特别是轮船上使用的交流接触器，遇到波浪时，一旦直流电磁铁动静铁心被外界振动而分离，由于激磁电流小，无法重新吸合，造成接触分断主电路的误动作，引起严重事故，所以直流电磁铁没有交流电磁铁抗外界振动的能力强。交流电磁铁激磁电流大，而且动静铁心一旦分离时，激磁电流会迅速上升，吸力迅速增加，使铁心能重新吸合，避免出现分断主电路的误动作。直流电磁铁存在的上述两个缺点不但影响接触器自身的机械寿命和电寿命，而且设计接触器时不能充分发挥直流电磁铁吸力大的优点，使电磁铁体积和重量不能大幅度降低，造成分断时运动铁心重量大，加速慢，降低分断速度，使接触器灭弧能力下降，燃弧时间长，重负荷时容易出现事故。本发明找到了克服直流电磁铁振动大，抗振动能力差的方法，使合闸过程不会受电源电压波动的影响，将控制电压稳压后给电磁铁激磁，使电磁铁合闸时的碰撞力最小，振动最小，另外运行时动、静触头一旦分离，会迅速增大激磁电流使之重新吸合，这样比交流电磁铁抗外界振动的能力还要高。采用本发明设计直流电磁铁时，使体积和重量最小，分断时速度大幅度提高，缩短燃弧时间，不但提高电寿命，而且节省原材料，节省铁心和线圈等材料，可以降低接触器成本，又能保证接触器工作的可靠性而成为安全接触器。目前我国生产的接触器与国外大企业ABB或施耐德以及西门子等公司生产的接触器相比，总是差一个档次，国外产品靠加工精度及采用高档原材料和生产工艺来保证产品质量，本发明增加铁心吸力后，克服了各种振动，可以使铁心减小，主触头超程适当加大，这样仍采用我国现行生产工艺就可争取使产品质量和技术性能超过国外企业生产的高档接触器，通过欧美国家的标准检测，以优良的性价比进入发达国家的电器市场。

本发明成功的克服直流电磁铁存在的自身振动大和抗外界振动能力差的缺点后，可以大幅度提高触头开距和分断速度，这样使接触器具有分断短路电流的能力，像断路器一样具有保护功能，使接触器具备控制和保护双重功能。分断能力的大幅度提高，这是国外发达国家生产的接触器不具备的技术，所以产品技术性能远高于发达国家同类产品，提高本产品进入发达国家市场的竞争力。要实现这一目标，应准确测出通过接触器的电流并识别出事故电流，一旦监测到事故电流可控制接触器及时切断事故点，具备可靠的保护功能。断路器测量事故电流通常采用热继电器或电磁式继电器，这种测量器件只能当事故电流上升到某值后才会发出跳闸信号，而事故电流上升时间会有几毫秒，这样不利于快速切断事故点。

本发明给出一种由电流上升率判定事故电流的方法。当事故电流出现，电流开始由零上升，其电流上升率转换成电压信号，该电压大于某值时可立即发出跳闸信号，这样在事故电流刚一出现时即可给出跳闸信号。比电磁式继电器要快几毫秒时间，可避免短路电流损坏用电设备，这对保护电子器件电路特别有利，可作为变频调速电动机的逆变器的保护设备。这种测量事故电流的器件称为《快速电流传感器》，其控制接触器快速分断电路的速度可与快速保险相比美。

实质性技术内容

安全通用接触器激磁电子主回路如附图1所示，现有采用直流电磁铁的交流接触器，都是使用单相电源220v或380v，经桥式整流后给电磁铁线圈激磁，在合闸过程中激磁线圈所加的电压为高电压，也就是220v或380v整流后全压激磁，当合闸结束后，电磁铁闭合时，在交流侧串入电容器限流，220v或380v电压大部分降在限流电容器上，因此激磁线圈的激磁电压成为仅有几伏的低电压，保持电流很小。整流桥成为激磁电流的续流回路，所以激磁电流很大且没有过零点，其优点是铁心吸力大。由于铁心吸力

与激磁电流的平方成正比，也与激磁电压的平方成正比，电源电压最大时振动大，当电压波动到最小时振动最小，电压波动为80％接触器应可靠合闸，电源电压最小时铁心吸力小，合闸速度小，碰撞力小，振动也小。当电源电压最大时可超过标准电压15％，铁心吸力大，合闸速度大，碰撞力大，振动也大。例如采用220v时单相电源电压时，当电压波动下降20％为176v时，发现接触器合闸时碰撞力小，振动也最小，即能可靠合闸，振动又最小，是合闸运动速度最合适的状态，接触器这种状态下合闸机械寿命远大于标准次数，当电源电压最大可达到250v时接触器合闸振动大，机械寿命就大幅度降低。

为克服接触器合闸过程中振动大的技术难题，将交流电压经桥式整流后输出直流电压供给电磁铁线圈激磁，在线圈与直流电源之间串入一只IGBT电子开关管，调节开关管的占空比来稳定整流后的直流电压值，使合闸电压维持在标准电压的80％状态下合闸，合闸电压经开关管调节低频占空比来稳压可使振动最小。激磁线圈并联续流二极管，激磁电流不会突变，因此吸力是稳定值，与弹簧的反力之差成为对运动部件的加速力，该力设计为合适的稳定值，使铁心吸力与弹簧反力相匹配，因此振动情况不会随激磁电压波动而变化了，同时合闸运动时间也是稳定值，铁心闭合时间稳定，所以高电压激磁时间也是稳定值，克服了接触器合闸运动过程由电源电压波动引起振动过大的技术难题。铁心闭合后，电子开关管IGBT加大占空比，使激磁电压下降到仅几伏的低电压，保持吸合状态下的激磁电流减小到合适值。激磁线圈并联续流二极管，当IGBT电子开关管调压断电时，线圈电流经续流二极管导通，不会产生过电压。

本发明仅采用一只IGBT电子开关管调整占空比对单相电源实现稳压，给接触器中的电磁铁激磁线圈提供稳定的合闸直流电压，克服了由于电压波动引起振动过大的技术难题。电磁铁闭合后运行时仍由IGBT电子开关管调整成为几伏的低电压，使激磁线圈保持电流很小，同样具有节电功能，运行时无交流声的优点，电磁铁闭合时磁感应强度B按14200高斯计算，则每平方厘米截面积产生的吸力可达10公斤力，为安全起见，可按每平方厘米产生5公斤力设计电磁铁的总截面积。5公斤力乘以铁心总面积等于铁心的吸力，该吸力应与接触器接通后的主触头弹簧及铁心反力弹簧的斥力之和相平衡，使接触器运行时保持铁心可靠闭合。接触器分断时，断开单相激磁交流电源，激磁电流下降到零后，铁心剩磁的吸力小于每平方厘米1公斤力以下，斥开铁心的弹簧反力之和为5公斤力，铁心可迅速分离。本发明采用稳压直流电磁铁后，铁心截面积比现有不稳压式的直流电磁铁的截面积可减小50％以下，铁心重量小，分断时的弹簧反力总和大，使接触器触头分离速度增大，增大灭弧能力，使燃弧时间减小，银触点的面积可减小。铁心截面积减小后，激磁线圈每匝导线缩短，因此铁心和铜线可减小，而接触器的机械寿命和电寿命还会延长，这使接触器成本大幅度下降。对于100安以上规格的接触器节省原材料的效果非常明显，而且对通用接触器大幅度提高可靠性，延长机械寿命和电寿命，克服辅助触头出现意外接触不良等事故都有显著效果，采用稳压直流电磁铁，通用接触器的质量和技术性能完全可超过国外同类高档接触器产品的质量和技术性能。称该类产品为《安全通用接触器》。

安全抗振接触器激磁电子主回路如附图2所示，利用IGBT电子开关管控制占空比来调节电压的范围宽，调压速度快捷等优点，可提高直流电磁铁抗外界振动的能力。交流电磁铁闭合后动静铁心一旦分离出现气隙后，激磁电流迅速上升，使磁感应强度B快速上升，铁心吸力与B²成正比，而弹簧反力之和与气隙大小成反比，当B上升后铁心可重新吸合。如果直流电磁铁动静铁心一旦分离出现气隙后，相当于出现一个电气断口，将该断口作为信号开关的断口，吸合时相当于信号开关接通电路，分离时相当于信号开关分断并作为检测动静铁心分离的信号，因此动静铁心分离时可输出电信号，使调压电子开关管IGBT迅速升压而使激磁电流迅速上升，像交流电磁铁一样重新使铁心吸合，由于直流电磁铁吸力大，因此这种能使铁心被震开时重新吸合的能力比交流电磁铁抗振动能力还要强。这样增加抗外界振动能力后的直流电磁铁的接触器称为《安全抗振接触器》，可作为轮船专用接触器。

安全保护接触器激磁电子主回路电路图如附图3所示，采用稳压激磁电磁铁的交流接触器分断速度快，灭弧能力强，如果适当加大触头开距，就会像断路器一样具有开断短路电流的能力，使接触器不但具备控制功能，而且具备了保护功能。为此在安全通用接触器的激磁电路中，在激磁线圈和稳压开关管之间再串入一只IGBT电子开关管，成为切断事故电流的专用开关管，原有开关管成为稳压调压专用开关管。一旦出现事故电流后串入的第二只开关管和稳压的第一只开关管应立即同时关断，切断直流电源及续流二极管回路，激磁电流被迅速切断后，电磁铁带动触头迅速分断电路，使接触器将主回路事故电流立即切断，具备了保护功能。当切断续流二极管电流时，激磁线圈两端会出现过电压，为此在激磁线圈两端直接并接一个压敏电阻，将过电压限制在压敏电阻放电电压值以下，保证电子开关管安全运行。当没有短路电流和事故电流出现的情况下，切断事故电流的专用开关管总是处于导通状态，这样激磁电流可通过续流二极管导通，使激磁电流成为没有过零点的直流电流。称这种同时具备控制功能和保护功能的交流接触器为《安全保护接触器》。

安全保护接触器具备保护功能，因此应具有测量事故电流的功能，本发明采用《快速电流传感器》测量事故电流。快速电流传感器的特征是：铁心中存在固定的气隙。气隙长度应固定，否则气隙长度发生变化会影响测量电流的准确性。同时应采用导磁率相同的铁心材料，否则也会影响电流测量的准确性。额定电流不同的接触器，气隙大小应不同，额定电流大的则气隙长度也应较大。如果气隙小当事故电流大时会使铁心过饱和，但气隙也不可过大，如果气隙过大，小电流时的分辨率变小，影响测量的准确性。铁心最好采用两个相同尺寸的π型铁心，一侧插入二次线圈中，在接口处垫厚度固定的绝缘片粘牢，使气隙长度固定不会发生变化了。接触器主触头导电板插入铁心成为一次侧电流，二次线圈用细漆包线绕1200匝左右，使快速电流传感器的匝数比设计在1200∶1左右的范围内。这样由一次电流上升率使二次线圈感应的电压值较高，供给芯片成为电流测量信号的分辨率也较高。二次线圈输出的电压信号可以经桥式整流后经电阻分压，阻值应合适。这样就将一次电流转变成二次线圈的电压信号，二次电压与一次电流值成正比。这种快速电流传感器是依据电磁感应定律

设计而成，当铁心处于导磁率等于常数范围内，气隙固定不变时，其电感系数L为常数，因此感应电压与激磁电流上升率成正比，比例系数等于电感系数。铁心不能采用开放式，开放式铁心造成气隙的大小不固定，影响测量的准确性。另外二次线圈电压整流后的负载应是电阻性质，不能采用电容储能，负载中有电容存在时，受电路或外界高频谐波干扰，吸收谐波电压后会造成测量误差增大。

接触器事故电流大体分两类，一类是电路短路电流，通常可将大于额定电流16倍以上的电流值作为短路电流，测量到出现短路电流时应立即使接触器分断。因此可在快速电流传感器二次线圈经桥式整流后接入稳压管，稳压管稳压电压值等于16倍额定电流时的二次线圈感应电压值，稳压管串接光电耦合及限流小电阻，光电耦合器输出控制IGBT跳闸开关管断电使接触器分断电路，这样输出跳闸信号速度快，可以起到对短路电流产生限流的作用。另一类事故电流是过负荷电流，过负荷电流又分为起动过负荷及运行过负荷，过负荷电流由分压电阻降压后经芯片测量给出数字显示的电流值，累计到过负荷程度时发出信号使接触器分断，避免出现过负荷事故。

附图说明

附图1是安全通用接触器激磁电子主回路电路图。

附图2是安全抗振接触器激磁电子主回路电路图。

附图3是安全保护接触器激磁电子主回路电路图。

附图4是快速电流传感器结构图。

实施例1

安全通用接触器的技术性能稳定，振动小，运行可靠性高，主要是由于增加电子稳压和调压环节后，克服电源电压波动引起的合闸速度过大，造成铁心和触头振动过大的毛病，使直流铁心充分发挥出吸力大的优点，铁心和激磁线圈体积和重量减小，节约原材料，又可大幅度延长机械寿命和电寿命。激磁电子主回路如附图1所示，接触器控制单相交流电源经桥式整流管Z₁、Z₂、Z₃、Z₄整流后输出直流电压，激磁线圈L与IGBT电于开关管G₁串联后接通直流电压，激磁线圈L与续流二极管Z_L并联。开关管G₁调节占空比可实现使激磁电压稳定电压和调压的功能，控制G₁稳压和调压是由电子控制器1输出信号调控开关管G₁实现的。检测单相电源电压波动的线路由电阻R₁、稳压管G₂，和光耦G₃串接于直流电压后，将电压波动的检测信号输入给电子控制器1使之对激磁电压实现稳压，使合闸电压稳定。由于电压稳定合闸时间也是稳定的，因此可以设定固定的合闸时间，使接触器可靠合闸。合闸后，调整为低电压保持直流激磁电流较小状态下运行，因此接触器稳定运行时铁心无交流声，可节电，吸力大而稳定。为节电起见直流电磁铁吸合时激磁电流很小，一旦震开铁心无法重新吸合，因此抗外界振动能力差。通用接触器运行场合外界振动较小，不会影响接触可靠运行。轮船使用的接触器遇到波浪大的天气，外界振动增大，要求抗外界振动强，在安全通用接触器基础上增加抗外界振动的控制线路，则成为安全抗振接触器。

实施例2

电子开关管调节占空比灵活方便，调节输出直流电压快捷，因此在安全通用接触器的电子主回路线路的基础上，将接触器动静铁心作为外界振动的测量断口k，给该断口k加直流低电压信号，并串入限流电阻R₁，使电流小于5毫安以下，不会起弧烧损铁心接触面，这样能够可靠检测到外界振动过大的信号，将经引线输入给电子控制器1，一旦检测到外界振动过大信号后，控制开关管G₁调节激磁电压上升，使被振分离的动静铁心重新吸合，这样增大了抗外界振动的能力，比交流电磁铁抗外界振动能力要强。由于直流铁心吸力大，激磁电压只要比保持稳定运行时的低电压适当提高后即可使铁心重新吸合，不必要使抗振环节调压增幅过大，否则线圈温升过高会被烧损。安全抗振接触器与安全通用接触器的激磁电子主回路相比，只增加一个检测断口k，作为外界振动过大的检测环节，电子控制器1会调节开关管G₁的占空比，使激磁电压上升，保证动静铁心维持可靠吸合状态稳定工作，其他线路与安全通用接触器激磁电子主回路相同，电路中的其他器件不再复述。电路图如附图2所示。

实施例3

安全保护接触器同时具备控制功能和保护功能，它具有分断速度快，触头开路大的特性，因此灭弧能力强，具备分断短路电流的能力。它是在安全通用接触器激磁电子主回路的基础上，增加快速切断电磁铁激磁线圈电路的开关管G₄，分断时同时切断续流二极管Z_L的电流，使电磁铁快速去磁，减小了与反力弹簧抵消的电磁铁吸力，大幅度提高了分断速度。由于激磁线圈和续流回路同时被开关管G₄切断，激磁线圈必然要产生过电压，因此激磁线圈并联一个压敏电阻R_f，吸收过电压，压敏电阻放电电压应稍高于控制电源电压的峰值。开关管G₄由电子控制器2发出分断指令所控制。激磁电子主回路如附图3所示。与安全通用接触器电路图相比，只增加开关管G₄和电子控制器2及压敏电阻R_f，其他器件和电路不变，故不复述。

具有保护功能必须使接触器具有检测短路电流和事故电流的测量环节，采用快速电流传感器来检测短路电流和事故电流。检测回路中L₂是快速电流传感器电压输出线圈，输出电压信号经桥式整流后分两路，一路是短路电流测量回路，由电阻R₂、稳压管G₅、光耦G₆串联构成，短路电流信号输入给电子检测器3测量。另一路是过负荷事故电流测量回路，由分压电阻R₃及R₄分压后供电子检测器3测量，电子检测器一旦测量到短路电流或事故电流后立即发出跳闸指令，控制电子控制器1和电子控制器2同时切断电源及激磁线圈和续流二极管回路，使接触器快速分断。当接触器触头开距提高到16毫米时，在快速分断状态下就具备像断路器一样分断短路电流的能力了。

快速电流传感器的结构如附图4所示，采用两片尺寸相同的硅钢片叠加成铁心，装入二次线圈骨架内，接口处插入厚度一致的绝缘垫片，粘牢后使铁心气隙长度固定不变。1为铁心，2为铁心气隙垫片，3为接触器导电板，4为二次线圈骨架，5是二次线圈。一次电流上升率在二次线圈中感应出电压信号供测量电流检测器测量作为测量信号。当出现短路电流时，不用电流上升到很大值时，在短路电流刚开始上升瞬间二次线圈感应电压值即可达到峰值， $V=-\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}},$ 立即发出跳闸信号，使接触器分断，对短路电流起到很好的限流作用，避免造成更严重的事故。因此安全保护接触器对电路和设备具有优良的保护功能。另外接触器正常分断操作时，控制电源断电后，首先由电子控制器1和电子控制器2将开关管G₁和G₄同时切断，这样正常分断速度也同样加快，使接触器燃弧时间短，延长电寿命。总之安全保护接触器同时具备控制功能和保护功能，又能节省接触器原材料，提高接触器的可靠性。

Claims (5)

1.安全通用接触器激磁电路由整流桥稳压调压开关管与激磁线圈串联，激磁线圈并联续流二极管，控制电源电压的波动经测量回路检测后，由电子控制器调整开关管的占空比实现稳压，使接触器合闸速度稳定，振动较小，合闸时间稳定，铁心闭合后，又调整开关管占空比使输出电压进一步降低，使激磁直流电流在较小的状态下维持接触器稳定运行。

2.根据权利要求1所述电子控制器在接触器合闸过程中，使控制电源电压经开关管调整占空比稳压，将电压稳定在保证接触器可靠吸合的最低电压状态下合闸，使合闸稳压时间定时，定时时间等于铁心合闸的运动时间，铁心吸合后又调整开关管占空比输出更低电压，使保持电流减小并维持接触器稳定运行。

3.根据权利要求1所述将动静铁心作为外界振动检测电压信号的开关断口，经引线输入给电子控制器3检测外界振动状态，断口加直流低电压及限流电阻，动静铁心闭合时无电压信号，一旦将动静铁心震开，检测到电压信号则调整开关管占空比使激磁电流上升，接触器可重新吸合并保证可靠稳定运行，提高接触器抗外界振动能力，可作为轮船专用接触器。

4.根据权利要求1所述，在激磁电子主回路中另外增加一只切断电路的开关管与稳压调压开关管串联，切断电路开关管受电子控制器2控制，同时切断激磁线圈和续流二极管电流，使接触器快速分断，又增加电子检测器测量电流，测出短路电流由电子控制器控制关闭两个开关管分断接触器，正常操作分断时也由电子控制器关闭两个开关管使接触器快速分断，使接触器具备控制功能和保护功能，成为安全保护接触器。

5.根据权利要求4所述，电子检测器测量电流，由快速电流传感器将电流转换成电压信号经整流后，经短路测量回路和电阻分压回路将电压信号输入给电子检测器，测量到短路电流或事故电流后指令电子控制器将两只开关管关闭使接触器快速分断，快速电流传感器由铁心、长度固定的气隙和绝缘垫、导电板、二次线圈骨架和二次线圈构成，快速电流传感器能准确测量短路电流和事故电流。

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