CN101393821B - 用于交流接触器的储能式直流吸合与直流保持电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于交流接触器的储能式直流吸合与直流保持电路，该电路由第一电容与第一二极管的正极、第三二极管的负极连接，第一二极管的负极与第二二极管的负极连接，第二二极管的正极与第四二极管的负极连接，第四二极管的正极与第三二极管的正极连接；第二电容的正极与第一二极管的负极、第二二极管的负极、继电器的一端连接；继电器的另一端与接触器、第五二极管的负极连接，同时接触器又与第三二极管的正极、第四二极管的正极、第二电容的负极和电阻的一端连接；电阻的另一端与第五二极管的正极连接。其结构简单，调整方便，无须辅助触点，吸合保持电压平稳，适用于任何类型的交流接触器，有效改善软起动器内置交流接触器的动作可靠性。

Description

用于交流接触器的储能式直流吸合与直流保持电路

技术领域

本发明涉及一种软起动器装置，特别涉及一种用于交流接触器的储能式直流吸合与直流保持电路。

背景技术

低压电气中的交流接触器分为两类，一类工作于220V交流电路中，另一类工作于380V交流电路中。市售的大多属于第一类，而在软起动器中为了简化设计，接触器动作必须从三相中两相取电，因此必然工作于380V交流电压。

现有的接触器线圈直接从220V交流或380V交流得电压，电路简单、成本低，但由于铁心中磁滞和涡流损耗的影响，明显降低了功率因数。当低电压(如标称电压值的70％)能动作时，高电压(如大于等于标称值15％)很容易发生线包过热，较长时间工作于超压状态线包极易烧断。此外交流接触器在吸合电压附近会发生强烈的抖动，导致触头因拉弧而烧毁，这种情况的发生对于软起动器而言是比较严重的问题。

为了使接触器在特殊情况下能够可靠吸合，目前存在两种新的构思，一是采用交流吸合直流保持方式，二是采用直流吸合直流保持方式。这两种技术方案有一个共同的特点就是吸合时必须给交流接触器提供大电流，而保持期间可提供小电流，从而使接触器在市电压剧烈变动时均能可靠工作。

交流吸合直流保持的方案实现起来有一定的难度，基本上要解决以下几个技术问题：

1.从切断交流吸合电路瞬间到接入直流电流应保持电流的连续性，即必须方向一致。

2.控制电路必须与切换电路通过光电进行隔离。

3.直流供电电路应能承受双向380V交流峰值电压的冲击。

4.应为控制电路独立设计一组电源，以提供足够的维持电流。

5.控制电路应具有一定的控制检测程序，保证转换和通断工作可靠。

在研究这一方案过程中，发现电路设计过于复杂，会导致工作不可靠。因此依照交流吸合直流保持的主导思想设计了一个简单的模拟电路，对其进行分析，电路原理如图1所示。图中J1、J2、J3是继电器J的三个触点，初始状态(静态时)位置如图所示连接至a点，当继电器J吸合时，触点J1、J2、J3动作，连接状态由a点倒向b。其工作原理如下：首先通过K1将交流接触器KM吸合(交流吸合)，待吸合完成后，再接通K2使继电器J吸合，触点J1、J2、J3动作使左侧电路进行倒换，变成直流整流电路(直流保持)，电容C1起限流作用，C2起滤波作用。通过试验发现，这个电路的可靠性比较低，K2吸合时KM十分容易释放，十次试验最多只有两次能保持，其原因是K2在吸合过程中，流过KM的电流必然会发生中断，同时也不能保证转接瞬间电流方向一致。

另外，一种利用接触器辅助触点来实现的半波直流吸合半波直流保持电路，其原理如图2所示。

图中K为380V交流吸合与220V交流供电时直流吸合直流保持电路的倒换开关，S1、S2为按键开关，J1、J2为接触器的辅助触点。其工作原理如下：采用380V交流工作时，倒换开关K的状态如图中所示连接至a点，按下S1，则接触器KM吸合(交流吸合)，同时J2动作，使电路保持通路(交流保持)。当采用220V交流工作时，倒换开关K的连接状态由a点倒向b点，当按下开关S1时，通过D1、R1半波向接触器KM供电(直流吸合)，KM吸合后，辅助触点J1断开、J2吸合。电压反向时通过二极管D2向倍压整流电容C1充电，正向时C1向接触器单向放电，放电能量由C1大小决定，C2、R2具有断电消弧和一定的缓放功能。该电路虽然理论上可行，但由于是半波吸合半波保持，触头在半波状态下易发生抖动，其可靠性欠佳，而且该方案需要两种接触器的辅助触点，在使用上具有一定的局限性，尤其是对本公司的接触器，结构变动太大，过于复杂，且难以实施。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种用于交流接触器的储能式直流吸合与直流保持电路。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：一种用于交流接触器的储能式直流吸合与直流保持电路，其特征在于该电路由第一电容C1与第一二极管D1的正极、第三二极管D3的负极连接，第一二极管D1的负极与第二二极管D2的负极连接，第二二极管D2的正极与第四二极管D4的负极连接，第四二极管D4的正极与第三二极管D3的正极连接；第二电容C2的正极与第一二极管D1的负极、第二二极管D2的负极、继电器J的一端连接；继电器J的另一端与接触器KM、第五二极管D5的负极连接，同时接触器KM又与第三二极管D3的正极、第四二极管D4的正极、第二电容C2的负极和电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端与第五二极管D5的正极连接。

本发明的有益效果是：

1.由于采用储能式吸合方式，吸合力大，吸合速度快，工作可靠，调整方便。

2.由于吸合力大，因此在线圈参数不作任何变动的情况下，可以增加压力弹簧的弹力，这样可以增加吸合时的触头接触压力，进一步降低接触电阻。

3.可以大大减少保持时所需功耗，本发明接触器直流保持最小电流为11mA，而交流保持最小电流约为30mA，即2/3以上的功耗被铁芯所消耗。

4.触头吸合中不会发生抖动，尤其是临界吸合电压处，而使用交流吸合则会产生强烈抖动，必然导致触头烧毁，这点对内置接触器尤为重要。

5.采用直流吸合直流保持电路，线圈温升低，在图3所示参数下，当外加交流电压达到450V时，线圈温升仅36℃。

本发明提出的储能式直流吸合直流保持电路结构简单，调整方便，与其它类似的吸合方式相比，其最明显的特点是：

1.无须辅助触点，适用于任何类型的交流接触器。

2.吸合保持电压波动小于10％，几乎是平稳直流，彻底消除触头在半波状态下可能发生的抖动。

本发明有效改善软起动器内置交流接触器的动作可靠性，对于改进整机质量非常重要。

附图说明

图1(a)是现有技术交流吸合电路原理图；

图1(b)是交流吸合转换为直流吸合电路原理图；

图2是现有技术半波直流吸合半波直流保持电路原理图；

图3是本发明储能式直流吸合直流保持电路原理图；

图4是本发明电路中电容C2的放电曲线示意图；

图中：曲线忽略电感影响(此时放电时间最短)。

具体实施方式

以下结合附图和较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征详述如下：

通过对现有技术方案的分析和研究，本发明提出了一种依据直流保持直流吸合思想而设计的简单可靠的技术方案，其原理如图3所示。

图中：KM为接触器，J为继电器，设有四个二极管D1、D2、D3、D4构成桥式全波整流电路，将交流电转换为直流电。

该电路的具体连接关系如下：第一电容C1与第一二极管D1的正极、第三二极管D3的负极连接，第一二极管D1的负极与第二二极管D2的负极连接，第二二极管D2的正极与第四二极管D4的负极连接，第四二极管D4的正极与第三二极管D3的正极连接；第二电容C2的正极与第一二极管D1的负极、第二二极管D2的负极、继电器J的一端连接；继电器J的另一端与接触器KM、第五二极管D5的负极连接，同时接触器KM又与第三二极管D3的正极、第四二极管D4的正极、第二电容C2的负极和电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端与第五二极管D5的正极连接。

其工作原理如下：当继电器J未吸合时，交流电源向滤波电容C2充电，将电能储存在电容器中，其能量为 $W=\frac{1}{2}C{U}^2$ ，在电压一定的情况下可以改变C2的大小来增减能量，以确保所需的最低吸合电压。当继电器J吸合后，电容C2放电，给接触器KM提供所需电流，接触器KM吸合。当交流电源处于正半周时，电流经由C1、D1、J、KM、D4这个回路来保持流过接触器KM的电流；当交流电源处于负半周时，电流经由D2、J、KM、D3、C1这个回路来保持流过接触器KM的电流。保持电流的大小为 $I_{\mathrm{KM}}=\frac{2}{1.1}\mathrm{\πfcv}$ ，可以通过改变电容C1的值来调整。该电路中通过电容C2的滤波作用，可以使流过接触器KM的电流更平稳，工作更可靠。

为了验证该电路的可靠性，将其应用于TJNR1000系列的软起动器上进行实验。实验中，该电路上220V交流电是通过380V交流电源变压器抽头获得，例如参数值为：C1＝3.3μF，D5采用4007，R1＝510Ω，C2＝2×470μF/400v，则保持电流为：

I_KM＝1.8×3.1416×50×3.3×10^-6×220＝0.2051A＝205mA

与实测结果187mA比较接近。

而采用交流380V吸合时，其保持电流实测为有效值167mA，折合成直流平均值I_KM＝167/1.1＝152mA，则可看出直流吸合比交流吸合的保持电流要大，保持得更稳定。实测最小交流保持电流约为33mA，有5倍左右的富裕量是足够的。电容C2大小取决于最小吸合电压，当C2>800μF时，最低吸合电压不大于额定值的65％，足以保证小于20％的要求。

实验得出的直流吸合与交流吸合两种吸合方式的测试结果如表1所示：

表1

注：以上额定电压均为380V～，本接触器最低交流吸合电压约为300V～。

从测试结果表中可以看出，当输入电压小于等于额定电压时，采用直流吸合时的保持电流比采用交流吸合时的保持电流要大，保持的更稳定，当输入电压达到额定电压值的120％，即过压时，采用直流吸合时的保持电流比采用交流吸合时的保持电流要小，这说明过压时直流吸合的保持电流上升速度比交流吸合的要慢，温升较小，因此采用直流吸合的方式工作更可靠。

该电路中电容C2的放电曲线示意图如图4所示。图中曲线忽略电感影响(此时放电时间最短)。

当额定电压为220V时，三个接触器的并联电阻约为120Ω，C2≈800μF，放电结束时由限流电容C1决定的线圈上的电压U_CO约为20V，则放电达到稳定值的时间可由下式计算：

$t_0=\mathrm{RC}\ln \frac{U_M}{U_{\mathrm{CO}}}=0.12\×800\×\ln \frac{300}{20}=260\mathrm{ms}$

由此可见电容放电速度比较慢，但起始电流比较大，可达到2A以上，因此吸合冲击力比较大，吸合速度实际比交流要快得多，达到稳定时间超过10个周波(频率为50Hz)，使吸合比较稳固。

电路中通过电阻R1和二极管D5可以调整接触器KM的释放时间，当R1＝0时，释放时间可以延长至300ms～500ms，R1增大则延时缩短，当R1＝510Ω时，可延时40ms～50ms，可以保证电源中断时(停电或断相所引起)，因过大的启动电流或运行电流使上口跳闸快于接触器KM触头释放，从而防止触头拉弧，这是采用直流吸合和保持电路意想不到的效果。且通过对三台样机的实测，结果证明软起动器的正常起停没有拉弧现象。

在实验中又发现接触器线圈上加阻容吸收不但不会延长释放时间，相反可以缩短2ms～3ms。

关于继电器触点J的可靠性问题，由于在静态时触点实际承受最高为360V的直流耐压，但其指标可达到1000VAC/1分钟。本电路继电器触点J吸合电流仅0.2A，线圈电压为20V，远小于指标值5A/30V，实际切换功率仅4W，小于指标值150W，因此保证安全可靠。该电路设计的工作电压范围为

实测完全能达到要求。

上述参照实施例对该用于交流接触器的储能式直流吸合与直流保持电路进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于交流接触器的储能式直流吸合与直流保持电路，其特征在于该电路的一个输入端为第一电容(C1)的一端，该电路的另一个输入端为第二二极管(D2)的正极与第四二极管(D4)的负极的连接点；第一电容(C1)的另一端与第一二极管(D1)的正极、第三二极管(D3)的负极连接，第一二极管(D1)的负极与第二二极管(D2)的负极连接，第二二极管(D2)的正极与第四二极管(D4)的负极连接，第四二极管(D4)的正极与第三二极管(D3)的正极连接；第二电容(C2)的正极与第一二极管(D1)的负极、第二二极管(D2)的负极、继电器(J)的一端连接；继电器(J)的另一端与接触器(KM)、第五二极管(D5)的负极连接，同时接触器(KM)又与第三二极管(D3)的正极、第四二极管(D4)的正极、第二电容(C2)的负极和电阻(R1)的一端连接；电阻(R1)的另一端与第五二极管(D5)的正极连接。

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