CN103745883B - 一种具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器，包括交流接触器本体、并联分流支路和检测控制装置，并联分流支路分别并联在交流接触器本体的三相主触点两端；各相并联分流支路均包括电流检测单元、双向晶闸管、晶闸管自检继电器、晶闸管自检电阻和电磁继电器；检测控制装置包括三相电压检测单元、A相相电压过零检测单元、三相电流检测单元、A相电流过零检测单元、电磁线圈激励单元、晶闸管驱动单元、电磁继电器驱动单元、电流检测单元、阻容降压电源和微控制器。本发明用于频繁的接通或分断交流主电路，通过电力电子器件的瞬间分流，抑制了接触器每次动作时产生电弧，很大程度上减少了电弧对接触器主触点的侵蚀。

Description

一种具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器

技术领域

本发明属于低压开关技术领域，具体是一种具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器。

背景技术

现有复合式交流接触器是基于交流接触器和晶闸管的复合体，电磁线圈激磁方式多为交流方式，即直接从380V母线取电，磁路中磁通交变，会在铁心中产生铁心损耗并发出噪音，使得电器设备的效率和电网的功率因数降低，可控性差、操作频率低，保持电磁铁时需消耗很多电能。

交流接触器的稳定、可靠运行直接影响电能质量。随着新材料新工艺的发展以及电力电子技术突飞猛进，智能化、无弧化是未来交流接触器的发展方向。在AC-4使用类别下，交流接触器需要关合4～6倍额定电流，开断2～3倍额定电流，并且频繁的控制电机启、停、正反转等，电流冲击很大，所以传统交流接触器分合闸时存在二次弹跳引起的断续电弧以及强烈电弧的问题。

电磁线圈也有采用直流激磁，但硬件电路体积较大，性价比低，且处理器实时性差、控制策略简单。晶闸管是现有复合式开关的薄弱环节，容易出现故障，需要采取有效措施及时发现故障和解除故障，否则，在实际应用中是一个很大的安全隐患。

工程项目的实际应用发现，长期运行的复合式交流接触器也存在安全隐患。通常采用接触器并联双向晶闸管的办法解除无弧化问题，但晶闸管导通分流的暂态过程中需要承受很大的电压变化率(dv/dt)，容易击穿短路或断路。如果分流支路中有两相或者三相晶闸管击穿短路，则会造成电机负载短路或者断相，电机绕组会很快烧毁。此时，无法分断负载，即使工作人员发现，也需要一定时间处理，会酿成恶劣的生产事故，因此不容忽视。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器。

本发明的技术方案如下：

一种具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器，包括交流接触器本体，交流接触器本体的三相主触点分别连接在三相电网与负载之间的线路中；还包括并联分流支路和检测控制装置；

所述并联分流支路包括A相并联分流支路、B相并联分流支路和C相并联分流支路，三相并联分流支路分别并联在交流接触器本体的A相主触点两端、B相主触点两端、C相主触点两端；

各相并联分流支路均包括电流检测单元、双向晶闸管、晶闸管自检继电器、晶闸管自检电阻和电磁继电器；电流检测单元的一端连接至电网与交流接触器本体主触点之间的输电线路中，电流检测单元的另一端连接双向晶闸管的主电极的一端，双向晶闸管的主电极的另一端连接电磁继电器常开触点的一端，电磁继电器线圈常开触点的另一端连接至交流接触器本体主触点与负载之间的输电线路中，双向晶闸管的主电极的另一端还连接晶闸管自检继电器触点的一端，晶闸管自检继电器触点的另一端连接自检电阻的一端；A相并联分流支路的自检电阻的另一端连接三相电网的B相，B相并联分流支路的自检电阻的另一端连接三相电网的C相，C相并联分流支路的自检电阻的另一端连接三相电网的A相；

所述检测控制装置包括三相电压检测单元、A相电压过零检测单元、三相电流检测单元、A相电流过零检测单元、电磁线圈激励单元、晶闸管驱动单元、电磁继电器驱动单元、电流检测单元、阻容降压电源和微控制器；

所述电磁线圈激励单元包括IGBT驱动单元、+240V激磁电源和+24V保持电源；+24V保持电源的一端连到三相电网，+24V保持电源的另一端连接交流接触器本体的电磁线圈一端，+240V激磁电源的一端连接至电网的A相，+240V激磁电源的另一端连接IGBT驱动单元的输入端，IGBT驱动单元的输出端连接交流接触器本体的电磁线圈，IGBT驱动单元的输入端、+240V激磁电源的控制输入端和+24V保持电源的控制输入端分别连接微控制器的控制输出端；

所述三相电压检测单元分别连接至三相电网与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，三相电流检测单元分别连接至负载与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，三相电压检测单元的输出端、三相电流检测单元的输出端分别连接微控制器的输入端，A相电压检测单元的一个输出端连接A相电压过零检测单元的输入端，A相电压过零检测单元的输出端连接微控制器的输入端，A相电流检测单元的一个输出端连接A相电流过零检测单元的输入端，A相电流过零检测单元的输出端连接微控制器的输入端；

阻容降压电源的输入端连接至三相电网与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，阻容降压电源的输出端连接微控制器的输入端，微控制器的输入端还连接各相并联分流支路的电流检测单元的输出端，微控制器的输出端分别连接晶闸管驱动单元的输入端、电磁继电器驱动单元的输入端，晶闸管驱动单元的输出端连接至双向晶闸管的输入端，电磁继电器驱动单元的输出端连接至电磁继电器的输入端。

所述微控制器的输出端连接有声光报警单元。

所述三相电压检测单元均包括电流电压转换电路、半波精密整流电路和反向求和电路，电流电压转换电路的输入端连接至三相电网与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，电流电压转换电路的输出端连接半波精密整流电路的输入端，半波精密整流电路的输出端连接反向求和电路的输入端，反向求和电路的输出端连接微控制器的输入端。

所述三相电流检测单元均包括电流电压转换电路、半波精密整流电路和反向求和电路，电流电压转换电路的输入端连接至负载与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，电流电压转换电路的输出端连接半波精密整流电路的输入端，半波精密整流电路的输出端连接反向求和电路的输入端，反向求和电路的输出端连接微控制器的输入端。

所述阻容降压电源包括+5V电源和±12V电源；+5V电源输入端和±12V电源输入端分别连接至三相电网与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，+5V电源输出端和±12V电源输出端分别连接微控制器的输入端。

所述微控制器通过eCAN总线通讯接口连接至上位机。

该复合式无弧交流接触器的控制方法如下：

步骤1：复合式无弧交流接触器上电后实时接收现场操作或上位机的控制指令；

步骤2：当复合式无弧交流接触器接收到合闸控制指令时，开始合闸工作；

步骤2.1：进行双向晶闸管自检：晶闸管自检继电器闭合，三相电网的线电压流经自检电阻，电网两相之间形成回路，当某相并联分流支路的电流检测单元检测到有电流通过，则判断该相双向晶闸管短路，微控制器将该短路信息反馈至上位机，断开该相双向晶闸管直至解除短路故障；

步骤2.2：双向晶闸管自检正常后，当复合式无弧交流接触器接收到上位机合闸指令，微控制器通过电磁继电器驱动单元向电磁继电器发出触发脉冲，电磁继电器闭合；

步骤2.3：微控制器通过A相电压检测单元和A相电压过零检测单元捕捉电网信号过零点，在A相电压过零点触发A相并联分流支路的双向晶闸管导通分流，通过电磁线圈激励单元对交流接触器本体的电磁线圈进行激磁，交流接触器本体的主触点闭合，A相并联分流支路的双向晶闸管截止，三相电网的电路通过交流接触器本体的主触点流至负载，且微控制器一直发出触发脉冲给三相并联支路中的双向晶闸管；

步骤3：当复合式无弧交流接触器接收到分闸控制指令时，开始分闸工作；

步骤3.1：进行双向晶闸管自检：晶闸管自检继电器闭合，三相电网的线电压流经自检电阻，电网两相之间形成回路，当某相并联分流支路的电流检测单元检测到没有电流通过，则判断该相双向晶闸管断路，微控制器将该断路信息反馈至上位机，断开该相双向晶闸管直至 解除断路故障；

步骤3.2：双向晶闸管自检正常后，交流接触器本体电磁线圈断电，交流接触器本体主触点断开；

步骤3.3：自检电阻值增加，交流接触器本体主触点端电压增大；

步骤3.4：当交流接触器本体主触点端电压大于双向晶闸管主电极之间的电压降时，双向晶闸管导通分流，避免拉弧现象，交流接触器本体主触点无弧分断；

步骤3.5：微控制器封锁触发脉冲，双向晶闸管在电流过零时关断，该相并联分流支路的电磁继电器断开；

步骤3.6：当双向晶闸管导通分流且交流接触器本体主触点无弧分断时，若双向晶闸管短路击穿，则交流接触器合闸，此时，并联分流支路电磁继电器先分断，将三相并联分流支路完全切除，然后交流接触器再次安全分断负载。

有益效果： 

本发明的复合式无弧交流接触器用于频繁的接通或分断交流主电路，具有远距离控制通讯功能，控制对象为三相电动机或无功补偿电容器等。

复合式交流接触器采用无触点电力电子开关与有触电的接触器相结合的办法，通过电力电子器件的瞬间分流，抑制了接触器每次动作时产生电弧，很大程度上减少了电弧对接触器主触点的侵蚀。经过不断的技术改造，电磁线圈智能激磁方案多样化，主触点弹跳次数逐步降低，接触器启动和保持过程中功耗也大大降低，使不足交流接触器机械寿命十分之一的电寿命得到很大提升。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器的安装示意图；

图2是现有技术中的传统交流接触器示意图；

图3是本发明具体实施方式的A相并联分流支路连接示意图；

图4是本发明具体实施方式的B相并联分流支路连接示意图；

图5是本发明具体实施方式的C相并联分流支路连接示意图；

图6是本发明具体实施方式的检测控制装置结构示意图；

图7是本发明具体实施方式的三相电压检测单元电路原理图；

图8是本发明具体实施方式的电流电压转换电路原理图；

图9是本发明具体实施方式的半波精密整流电路原理图；

图10是本发明具体实施方式的反向求和电路原理图；

图11是本发明具体实施方式的三相电流检测单元电路原理图；

图12是本发明具体实施方式的ACS758接口电路原理图；

图13是本发明具体实施方式的并联分流支路电路原理图；

图14是本发明具体实施方式的A相电压过零检测单元电路原理图；

图15是本发明具体实施方式的IGBT驱动单元电路原理图；

图16是本发明具体实施方式的+240V激磁电源电路原理图；

图17是本发明具体实施方式的+24V保持电源电路原理图；

图18是本发明具体实施方式的+5V直流电源结构示意图；

图19是本发明具体实施方式的±12V电源结构示意图；

图20是本发明具体实施方式的DSP芯片接口电路图；

图21是本发明具体实施方式的+3.3V稳压电路图；

图22是本发明具体实施方式的+1.8V稳压电路图；

图23是本发明具体实施方式的复位芯片电路图；

图24是本发明具体实施方式的声光报警单元电路图；

图25是本发明具体实施方式的eCAN总线接口电路图；

图26是本发明具体实施方式的时钟电路图；

图27是本发明具体实施方式的存储器电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

传统交流接触器如图2所示，交流接触器本体的三相主触点KM1、KM2、KM3分别连接在三相电网与负载之间的线路中；如图1所示，本实施方式的具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器，包括交流接触器本体、并联分流支路和检测控制装置。

为了在交流接触器分合闸前瞬间分流，本发明设计了并联分流支路，并联分流支路包括A相并联分流支路、B相并联分流支路和C相并联分流支路，三相并联分流支路分别并联在交流接触器本体的A相主触点两端、B相主触点两端、C相主触点两端；

各相并联分流支路均包括电流检测单元、双向晶闸管、晶闸管自检继电器、晶闸管自检电阻和电磁继电器；双向晶闸管作为交流接触器每次动作前的分流器件，实现接触器无弧分合闸。电磁继电器则是为了防止出现双向晶闸管短路击穿而无法分断电机负载现象，而设置的保险开关。如果交流接触器分闸后，双向晶闸管短路，立刻再次闭合交流接触器，然后断开电磁继电器，彻底切除故障分流支路，交流接触器再次分闸，确保在最短时间内使负载电机停止运行，否则后果不堪设想。

电磁继电器选用厦门宏发电声股份有限公司的小型大功率磁保持继电器HFE9-2，60A触点切换能力，可承受1440A峰值电流(作用时间10ms)，最大切换功率15000VA，工作温度范围-40℃～+85℃。采用NPN8050三极管驱动继电器线圈，集电极最大电流为1.5A。

双向晶闸管选用ST意法半导体公司的BTA80-1200B，通态方均电流IT(RMS)80A，浪涌电流ITSM为800A(50Hz)，反向重复峰值电压1200V，结温125℃，控制极触发电流50mA，通态压降VTM小于1.5V。由于本实施方式的复合式无弧交流接触器的控制对象为22kw三相异步电机，额定电流为43A左右，所以满足系统需求。

电流检测单元的一端连接至电网与交流接触器本体主触点之间的输电线路中，电流检测单元的另一端连接双向晶闸管的主电极的一端，双向晶闸管的主电极的另一端连接电磁继电器常开触点的一端，电磁继电器线圈常开触点的另一端连接至交流接触器本体主触点与负载之间的输电线路中，双向晶闸管的主电极的另一端还连接晶闸管自检继电器触点的一端，晶闸管自检继电器触点的另一端连接自检电阻的一端。

如图3所示的A相并联分流支路中，电流检测单元的一端连接至电网A相与交流接触器本体主触点KM1之间的输电线路中，电流检测单元的另一端连接双向晶闸管SCR1的主电极的一端，双向晶闸管SCR1的主电极的另一端连接电磁继电器Relay1常开触点的一端，电磁继电器Relay1线圈常开触点的另一端连接至交流接触器本体主触点KM1与负载之间的输电线路中，双向晶闸管SCR1的主电极的另一端还连接晶闸管自检继电器触点K1的一端，晶闸管自检继电器触点K1的另一端连接自检电阻R1的一端，自检电阻R1的另一端连接三相电网的B相。

如图4所示的B相并联分流支路中，电流检测单元的一端连接至电网B相与交流接触器本体主触点KM2之间的输电线路中，电流检测单元的另一端连接双向晶闸管SCR2的主电极的一端，双向晶闸管SCR2的主电极的另一端连接电磁继电器Relay2常开触点的一端，电磁继电器Relay1线圈常开触点的另一端连接至交流接触器本体主触点KM2与负载之间的输电线路中，双向晶闸管SCR2的主电极的另一端还连接晶闸管自检继电器触点K2的一端，晶闸管自检继电器触点K2的另一端连接自检电阻R2的一端，自检电阻R2的另一端连接三相电网的C相。

如图4所示的B相并联分流支路中，电流检测单元的一端连接至电网B相与交流接触器本体主触点KM2之间的输电线路中，电流检测单元的另一端连接双向晶闸管SCR2的主电极的一端，双向晶闸管SCR2的主电极的另一端连接电磁继电器Relay2常开触点的一端，电磁继电器Relay2线圈常开触点的另一端连接至交流接触器本体主触点KM2与负载之间的输电线路中，双向晶闸管SCR2的主电极的另一端还连接晶闸管自检继电器触点K2的一端，晶闸管自检继电器触点K2的另一端连接自检电阻R2的一端，自检电阻R2的另一端连接三相电 网的C相。

如图5所示的C相并联分流支路中，电流检测单元的一端连接至电网B相与交流接触器本体主触点KM3之间的输电线路中，电流检测单元的另一端连接双向晶闸管SCR3的主电极的一端，双向晶闸管SCR3的主电极的另一端连接电磁继电器Relay3常开触点的一端，电磁继电器Relay3线圈常开触点的另一端连接至交流接触器本体主触点KM3与负载之间的输电线路中，双向晶闸管SCR3的主电极的另一端还连接晶闸管自检继电器触点K3的一端，晶闸管自检继电器触点K3的另一端连接自检电阻R3的一端，自检电阻R3的另一端连接三相电网的A相。

为了实时检测并联支路是否有电流通过，电流检测单元采用Allegro公司的线性霍尔电流传感器ACS758，作为判断并联分流支路运行状况的一种检测手段。ACS758电流检测量程可达到±200A，最小输出电流单位3mA，工作温度为-40℃～+85℃，完全满足本系统要求。霍尔型传感器ACS758选用贴片封装，可方便与控制板集成，体积较小。图12为ACS758接口电路，输出的电压信号直接送到DSP的A/D转换器，P1端子的输入信号为并联分流支路的两个节点，即将连个端子串联到并联分流支路中即可，其中1号、2号引脚为ACS758输入引脚的正端，3、4引脚为信号的负端。7号脚为ACS758的输出信号引脚，经内部转换后为电压信号，DSP的A/D口直接对该点采样，即可判断并联分流支路电流情况。

并联分流支路电路原理如图13所示，接线端子J2为交流接触器A相主触点(B、C两相同理)的两端，当进行合闸操作时，首先DSP发送继电器HFE9动作触发信号RELAY1，三极管Q3满足导通条件，继电器吸合。3ms后，光耦MOC3081的2号脚接收到DSP发送的触发信号，内部发光二极管导通发光，4脚和6脚连通。由于电磁继电器HFE9-2先吸合，所以继电器HFE9-2不承担切换电流的作用。电路中R14为晶闸管门极驱动限流电阻，R15为抗干扰作用，防止双向晶闸管误导通。

如图6所示，检测控制装置包括三相电压检测单元、A相电压过零检测单元、三相电流检测单元、A相电流过零检测单元、电磁线圈激励单元、晶闸管驱动单元、电磁继电器驱动单元、电流检测单元、阻容降压电源和微控制器。

本实施方式中，微控制器采用型号为TMS320F28335的DSP，如图20所示。采用+3.3V稳压电路和+1.8V稳压电路为DSP供电。

+3.3V稳压电路采用线性稳压器件LM1117-3.3(如图21所示)，+1.8V稳压电路采用LM1117-1.8(如图22所示)分别为DSP的I/O口及DSP内核供电，电压纹波小、性价比高。

本实施方式采用MAX812作为DSP外接复位芯片，提高了普通复位电路的稳定性和可靠性，如图23所示。为了便于故障检修，设计了声光报警电路，DSP的输出端连接声光报警 单元，信号灯采用+12V防水灯和防水蜂鸣器，放置在控制器封装外壳上。如图24所示。为了便于上位机远程控制，设计了基于SN65HVD230芯片的eCAN总线通讯接口，eCAN总线通讯接口电路如图25所示，R11为差分信号电阻，保证了传输信号的可靠性，DSP通过eCAN总线通讯接口连接至上位机。

时钟电路是接触器控制系统中的重要环节，可以准确记录就地操作或上位机发出的分合闸动作指令时间，以及系统故障时间，便于检修人员分析。DS1302是美国DALLAS公司推出的性能优异、性价比较高的时钟芯片，其与DSP 28335之间的数据传输可以通过SPI方式进行。芯片供电电压范围为2.5～5.5V，内部具有12个寄存器，计时精度高。采用主、备双电源供电，可对后备电源进行涓细电流充电，图26为DS1302时钟电路图。

将事先整定好的系统参数以及故障时的详细数据记录放到存储器中，可有效避免数据突然掉电丢失。本实施方式设计的外部数据存储电路如图27所示，选用ATMEL公式推出的AT24C256作为核心器件，工作电压与DSP 28335最小系统兼容，外围电路简单，经济、实用。

晶闸管驱动单元选用美国摩托罗拉公司的MOC3081光电耦合器，截止状态峰值端电压800V，峰值重复浪涌电流1A，输入输出绝缘电压可到7500V，工作温度范围-40℃～+100℃。内部红外发射二极管正向连续电流60mA，最大反向电压6V。接线端子J2为交流接触器A相主触点(B、C两相同理)的两端，当进行合闸操作时，首先DSP发送继电器HFE9动作触发信号RELAY1，三极管Q3满足导通条件，继电器吸合。3ms后，光耦MOC3081的2号脚接收到DSP发送的触发信号，内部发光二极管导通发光，4脚和6脚连通。由于电磁继电器HFE9-2先吸合，所以继电器HFE9-2不承担切换电流的作用。电路中R14为晶闸管门极驱动限流电阻，R15为抗干扰作用，防止双向晶闸管误导通。

电磁线圈激励单元包括IGBT驱动单元、+240V激磁电源和+24V保持电源；+24V保持电源的一端连到三相电网，+24V保持电源的另一端连接交流接触器本体的电磁线圈一端，+240V激磁电源的一端连接至电网的A相，+240V激磁电源的另一端连接IGBT驱动单元的输入端，IGBT驱动单元的输出端连接交流接触器本体的电磁线圈，IGBT驱动单元的输入端、+240V激磁电源的控制输入端和+24V保持电源的控制输入端分别连接微控制器的控制输出端。

交流接触器铁心的运动是通过线圈激磁产生的电磁感应，克服了弹簧反向拉力产生的。当铁心运动到终点后，只需要提供线圈小的电流即可保持住铁心，而线圈的智能激磁由电力电子器件的开关来实现。

为实现智能激磁，使用单管IGBT作为开关器件，作为双极型器件和场效应器件的复合 体，结合了二者的优点。IGBT选用美国Intersil公司的HGTP12N50E1型号，额定电压12A，最高耐压500V，工作温度为-55℃～+150℃，导通压降小，开关速度快。

IGBT驱动单元选用日本Toshiba公司的驱动光耦TLP250，电路简单、驱动能力强、性价比较高。电源电压工作范围10～35V，最大输出电流可达到±1.5A，输入输出隔离电压2500V，最大开关转换时间1.5μs。

IGBT驱动单元电路如图15所示，+240V激磁电源通过IGBT加在电磁线圈两端，由DSP内部产生的PWM脉冲作为激磁信号。当光耦TLP250的2号脚为高电平时，2号脚与3号脚之间的发光二极管导通发光，V_o输出+12V电压经限流电阻R124后加在IGBT的1号脚栅极，大于开启电压，IGBT满足导通调节，电磁线圈得电。反之类似。为保护IGBT的1号脚栅极电平可靠性，增加了下拉电阻R95和15V双向瞬态二极管。线圈断电后，为防止反电势损坏IGBT，在其2号脚与3号脚，即C-E极间并联压敏电阻R144，并通过二极管1N4007续流。当激磁完毕后，DSP发出继电器K8的动作信号，经过三极管Q5放大后，驱动继电器K1，从而将+24V直流电压加在线圈两端，实现节能保持。

+240V激磁电源如图16所示，该电源交流调压原理，通过控制双向晶闸管Q4008L4的导通角，改变输出电压的平均值。滑动变阻器R8、R10、C15组成移相触发网络，当电容C15的端电压上升到双向触发二极管D7的阻断电压时，D7被击穿，双向可控硅满足导通条件，经整流、滤波电路后输出稳定的+240V直流电压。调节滑动变阻器R8可改变充电电容C15的时间常数，进而改变双向晶闸管Q5的导通角。R10作为保护电阻，防止R8调到0Ω电流过大，损坏其他器件。L1与C13组成滤波网络，可消除可控硅开关过程中产生的大量谐波，避免污染电网。

+24V保持电源如图17所示，交流接触器CJ20-63可靠闭合后，只需要加不小于24V的直流电压，接触器就可以稳定运行，同时达到节能和分闸时间一致性高的要求。220V交流工频电压经整流桥D23后，变为脉动的直流电，电容C18将其平波为稳定的直流电。C15、C16、D8、D10构成倍压电路，将其电压翻一倍，通过限流电阻R8后，加到MOS管IRF540的栅极。电压基准源U1与MOS管Q8组成动态调压电路，使输出电压为恒定+24V。三极管Q9的1号脚、3号脚在电流过大时，电阻R19分得的电压过大，导致三极管Q9满足导通条件而连通，此时，MOS管IRF540的栅极和漏极被短接而截止，关闭输出。

三相电压检测单元分别连接至三相电网与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，三相电流检测单元分别连接至负载与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，三相电压检测单元的输出端、三相电流检测单元的输出端分别连接微控制器的输入端，A相电压检测单元的一个输出端连接A相电压过零检测单元的输入端，A相电压过零检测单元的输出端连接微控制器的输入端，A相电流检测单元的一个输出端连接A相电流过零检测单元的输入端，A相电流过零检测单元的输出端连接微控制器的输入端；

阻容降压电源的输入端连接至三相电网与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，阻容降压电源的输出端连接微控制器的输入端，微控制器的输入端还连接各相并联分流支路的电流检测单元的输出端，微控制器的输出端分别连接晶闸管驱动单元的输入端、电磁继电器驱动单元的输入端，晶闸管驱动单元的输出端连接至双向晶闸管的输入端，电磁继电器驱动单元的输出端连接至电磁继电器的输入端。

三相电压检测单元如图7所示，均包括电流电压转换电路、半波精密整流电路和反向求和电路，电流电压转换电路的输入端连接至三相电网与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，电流电压转换电路的输出端连接半波精密整流电路的输入端，半波精密整流电路的输出端连接反向求和电路的输入端，反向求和电路的输出端连接微控制器的输入端。

A、B、C三相电压检测单元电路相同，下面以A相为例进行说明。

三相电压检测单元与三相电流检测单元基本相同，只是在电压互感器的输入侧串入200K的限流电阻。电路中选用南京泽明电子有限公司生产的ZMPT101B型电压互感器，额定输入电流2mA，额定输出电流2mA，变比1000：1000，线性范围0～3mA，隔离耐压3000V，工作温度-40～+70℃。

三相电压检测单元中的电流电压转换电路如图8所示，输入信号为相电压(U_ac1、U_ac2其中一个引脚接地、一个引脚接三个相线中任一个)，50Hz、220V工频交流电经过220K限流电阻后，流过精密电流型电压互感器ZMPT101B，感应出微弱的电流型号。R6为采样电阻，把感应出的微弱电流信号转换成电压信号。二极管D8、D13对输出的信号进行限幅，保证信号在±10V内，避免尖峰信号烧坏后级器件。限幅后的信号送给运算放大器LM224的2脚输入端，LM224的1号脚为经过放大后的输出信号，该处的放大倍数为：R8/R6，因此可通过滑动变阻器R8完成对放大幅值的调节。C6为相位补偿电容。

三相电压检测单元中的半波精密整流电路如图9所示，LM224的1号脚输出信号设置为U1，当U₁>0时，必然使集成运放的输出端U₀<0，从而导致二极管D10导通，D9截止，电路实现反相比例运算，输出电压U₂＝-KU₁(K＞0)；当U₁<0时，必然使输出端U₀>0，从而使二极管D9导通，D10截止，R13中电流为零，因此输出电压U₂＝0。因此，若利用反相求和电路将-KU₁与U1负半周波形相加，就可以实现全波整流。

三相电压检测单元中的反向求和电路如图10所示，此反相求和电路的输出电压U₃＝-2U₂-U₁；当U₁>0时，U₂＝-2U₁，U₃＝2U₁-U₁＝U₁；当U₁<0时，U₂＝0，U₃＝-U₁。从而看出，该电路实际是一个绝对值电路，很好的把信号的负电平的成分对称翻折到正电平。

三相电流检测单元如图11所示，均包括电流电压转换电路、半波精密整流电路和反向求和电路，电流电压转换电路的输入端连接至负载与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，电流电压转换电路的输出端连接半波精密整流电路的输入端，半波精密整流电路的输出端连接反向求和电路的输入端，反向求和电路的输出端连接微控制器的输入端。

A、B、C三相电压检测单元电路相同，下面以A相为例进行说明。

由于电流互感器检测的是相电流，即需要判定电流过零点。所以，只要能够精确检测相电流过零点便可以确定电流过零点时刻。

根据系统控制要求，三相电流检测单元中选用南京向上电子科技有限公司的DL-CT12CL型交流精密电流互感器传感器，额定输入电流为100A，额定输出电流为100mA，变比1000：1，线性范围0～300A，线性度≤0.3％，工作温度为-40℃～+80℃。由于电流互感器输出的信号为微弱的交流信号，故通过采样电阻将其转换为电压信号，并通过比例电路进行放大。DSP28335的A/D转换器接收信号范围为0～3V，所以需要将信号的负半周翻折到零电平之上，本实施例在比例电路后续增加了半波精密整流电路和比例求和电路来实现此功能。APH为A相主回路电流，CON为三相电流的公共节点。电流互感器DL-CT12CL感应输出的电流信号经过采样电阻R6后转换成电压信号，二极管D24、D27组成双向嵌位二极管，保证信号幅值在±10V内。后续电路工作原理与相电压采样基本一致，不再赘述。

本实施方式对交流接触器的A相输入相电压及A相输出相电流信号增加了过零检测单元，区别仅在于两个电路的输入信号不同。

A相电压过零检测单元/A相电流过零检测单元如图14所示，其中，电压比较器选用意法半导体(ST)公司的TS881芯片，精度高、功耗极低，供电电压输入范围1.1～5V，传播延时2μs，工作温度范围为-40℃～+125℃，采用推挽结构输出。选取A相作为参考相，将线电压或者相电流检测电路互感器后的信号送给过零相位检测电路，信号送给运算放大器TLC2274的9号引脚，信号被运放与电阻R46与R47组成的反馈环节放大，为了防止信号电流过大，设置了R20限流电阻，电容C24为相位补偿作用。电容C21为滤波电容，滤除干扰信号。后级输入信号传给TS881的2号输入引脚，并与3号引脚(零电平)进行比较。当2号脚的电平高于3号脚时，TS881输出低电平，在本电路中为零电平；否则，输出高电平+3.3V。R69为限流电阻，信号经过反相器74LS04后进一步整形处理，得到理想的脉冲波形，送给DSP 28335进行处理。

阻容降压电源小巧，可有效减小复合式无弧交流接触器的体积，本实施方式设计了+5V、±12V直流电源。+5V电源输入端和±12V电源输入端分别连接至三相电网与交流接触器本体 三相主触点之间的输电线路中，+5V电源输出端和±12V电源输出端分别连接微控制器的输入端。

图18为+5V稳压电源结构示意图，电路输入端为A相线与中性线，即输入为220V工频交流电。阻容降压原理主要是通过无极性电容在交流电路中呈现出较大的容抗特性，进而来限制回路中的电流。由于容抗产生的是无功功率，所以电容本身没有产生功耗。，只是动态调节电容和负载之间的分压问题。普通的电容容量大小各异，都有适合自身的应用场合。阻容降压电路中，由于电容与负载是串联关系，且电容分得较大的电压，所以，耐压值较高，具体应用时还要考虑裕量问题。综上，本实施方式选择了耐压值较高CBB电容。下面计算此电路中参数为1μF/630V的CCB电流所能得到电流：

I(av)＝0.44*V/Zc

＝0.44*220*2*Pi*f*C≈30mA

根据系统需求，可采用容量更大的CBB电容或多个并联等方式。

图19为±12V电源结构示意图，通过整流二极管巧妙实现双电源的制作，为霍尔电流传感器、三相电流检测单元、三相电压检测单元供电。电路输入端为A相线与中性线，即输入为220V工频交流电。当图中A点电压为正时，相电压经过电容C1、C5降压后(阻抗较大)，经过二极管D1的阳极，实现半波整流。整流后，电容C2起到蓄能和滤波的作用。稳压二极管D2将输出信号幅值限制在16V之内，防止损坏三端稳压器LM7812。3号脚为LM7812的输出端，电容C3、C4为+12V稳压电源的去耦电容。G点为LM7912的1号脚输入信号，并与二极管D3的阳极构成回路，电流留到电容C5的右端，通过电容后，流回到A相。电阻R2为电容C1、C5的放电电容。

本实施方式的复合式无弧交流接触器合闸时，让电磁继电器Relay1先导通，双向晶闸管SCR1后导通，完成瞬间分流作用。几个ms后给电磁线圈激磁，接触器主触点KM1闭合，由于接触电阻非常小，端电压接近于零，晶闸管满足截止条件关断。此时，主电路电流流经主触点，提高了运行能力。

分闸时，电磁线圈断电，主触头分开。接触电阻急剧增加，触头端电压迅速增大。当电压降大于6V时，晶闸管SCR1导通分流，避免了拉弧现象，主触点无弧分断。此时，DSP 2833封锁触发脉冲，晶闸管SCR1在电流过零时，自然关断，电磁继电器Relay1随后断开。

对传统交流接触器的A、B、C三相主触头分别连接并联分流支路，下面以A相并联分流支路为例，对其结构进行说明，KM1为交流接触器的三相主触点之一，在其两端并联的分流支路由A相分流支路电流检测单元、双向晶闸管SCR1、电磁继电器Relay1三者级联组 成。其中，电阻R1为双向晶闸管SCR1的自检电阻，当晶闸管自检继电器Relay的常开触点K1闭合后，通过A相分流支路电流检测单元检测到电流的大小、有无，即可判断晶闸管SCR1是否损坏。

该复合式无弧交流接触器的控制方法如下：

步骤1：复合式无弧交流接触器上电后实时接收现场操作或上位机的控制指令；

步骤2：当复合式无弧交流接触器接收到合闸控制指令时，开始合闸工作；

以A相为例进行说明：

步骤2.1：进行双向晶闸管自检，即判断晶闸管是否损坏(击穿短路)：晶闸管自检继电器Relay1闭合，三相电网的380V线电压流经自检电阻R1，A相与B相形成回路，A相并联分流支路的电流检测单元检测到有13mA左右电流通过，则判断该相双向晶闸管短路，DSP28335将该短路信息通过eCAN总线接口电路反馈至上位机，断开该相双向晶闸管直至解除短路故障；

步骤2.2：双向晶闸管自检正常后，当复合式无弧交流接触器接收到上位机合闸指令，DSP通过电磁继电器驱动单元向电磁继电器Relay1发出触发脉冲，电磁继电器Relay1闭合；

步骤2.3：微控制器通过A相电压检测单元和A相电压过零检测单元捕捉电网信号过零点，预测理想关合相位，DSP判断出最佳关合区域时，在A相电压过零点触发A相并联分流支路的双向晶闸管SCR1导通分流，持续作用几个毫秒，通过电磁线圈激励单元对交流接触器本体的电磁线圈进行激磁，交流接触器本体的主触点闭合，主触点可靠闭合后，由于触点接触电阻非常小，端电压接近于0V，A相并联分流支路的双向晶闸管截止，三相电网的电路通过交流接触器本体的主触点流至负载，且DSP一直发出触发脉冲给三相并联支路中的双向晶闸管，提高了负载运行能力；

正常运行中，如果双向晶闸管由于外界电磁干扰产生的感应电压等其他复杂影响而损坏，可能短路或断路情况。

a)若双向晶闸管短路，则此时并联分流支路电流检测单元能够检测到有电流流过并联分流支路，及时发现故障，通知上位机。

b)若双向晶闸管断路，如果一相断路，分闸时另外两相双向晶闸管导通，会造成负载短时缺相运行，发生事故。安全起见，本接触器分闸前，须判断双向晶闸管是否损坏。DSP 28335发出双向晶闸管SCR1触发脉冲，此时，由于双向晶闸管自检继电器Relay1在合闸后，一直处于闭合状态，所以，应该有电流流经A相并联分流支路电流检测单元，A相与B相电网经过R1形成导通回路。否则，可判断出是双向晶闸管发生了断路故障。

步骤3：当复合式无弧交流接触器接收到分闸控制指令时，开始分闸工作；

步骤3.1：进行双向晶闸管自检：晶闸管自检继电器闭合，三相电网的线电压流经自检电阻，电网两相之间形成回路，当某相并联分流支路的电流检测单元检测到没有电流通过，则判断该相双向晶闸管断路，微控制器将该断路信息反馈至上位机，断开该相双向晶闸管直至解除断路故障；

步骤3.2：双向晶闸管自检正常后，交流接触器本体电磁线圈断电，交流接触器本体主触点断开；

步骤3.3：自检电阻值增加，交流接触器本体主触点端电压增大；

步骤3.4：当交流接触器本体主触点端电压大于双向晶闸管主电极之间的电压降时，双向晶闸管导通分流，避免拉弧现象，交流接触器本体主触点无弧分断；

步骤3.5：DSP封锁触发脉冲，双向晶闸管在电流过零时关断，该相并联分流支路的电磁继电器断开；

步骤3.6：当双向晶闸管导通分流且交流接触器本体主触点无弧分断时，若双向晶闸管短路击穿，则交流接触器合闸，此时，并联分流支路电磁继电器先分断，将三相并联分流支路完全切除，然后交流接触器再次安全分断负载。

当复合交流接触器接收到上位机分闸指令，首先进行双向晶闸管SCR1自检，正常后，电磁线圈断电，主触点分开。接触电阻急剧增加，触头端电压迅速增大。当电压降大于6V时，晶闸管SCR1导通分流，避免了拉弧现象，主触点无弧分断。此时，DSP 28335封锁触发脉冲，晶闸管在电流过零时，自然关断，并联支路继电器随后断开。

如果在分闸分流时，晶闸管SCR1短路击穿，则接触器立即再次合闸，此时，DSP省略掉晶闸管分流程序，最大限度节省操作时间。之后，并联分流支路电磁继电器Relay1先分断，将三相并联分流支路完全切除，然后接触器再次安全分断负载，从而有效避免了下面两种严重的安全隐患：两相晶闸管短路，负载缺相运行；三相晶闸管均短路，负载无法停止。

Claims (7)

1.一种具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器，包括交流接触器本体，交流接触器本体的三相主触点分别连接在三相电网与负载之间的线路中，其特征在于：还包括并联分流支路和检测控制装置；

所述并联分流支路包括A相并联分流支路、B相并联分流支路和C相并联分流支路，三相并联分流支路分别并联在交流接触器本体的A相主触点两端、B相主触点两端、C相主触点两端；

各相并联分流支路均包括电流检测单元、双向晶闸管、晶闸管自检继电器、晶闸管自检电阻和电磁继电器；电流检测单元的一端连接至电网与交流接触器本体主触点之间的输电线路中，电流检测单元的另一端连接双向晶闸管的主电极的一端，双向晶闸管的主电极的另一端连接电磁继电器常开触点的一端，电磁继电器线圈常开触点的另一端连接至交流接触器本体主触点与负载之间的输电线路中，双向晶闸管的主电极的另一端还连接晶闸管自检继电器触点的一端，晶闸管自检继电器触点的另一端连接自检电阻的一端；A相并联分流支路的自检电阻的另一端连接三相电网的B相，B相并联分流支路的自检电阻的另一端连接三相电网的C相，C相并联分流支路的自检电阻的另一端连接三相电网的A相；

所述检测控制装置包括三相电压检测单元、A相电压过零检测单元、三相电流检测单元、A相电流过零检测单元、电磁线圈激励单元、晶闸管驱动单元、电磁继电器驱动单元、电流检测单元、阻容降压电源和微控制器；

所述电磁线圈激励单元包括IGBT驱动单元、+240V激磁电源和+24V保持电源；+24V保持电源的一端连到三相电网，+24V保持电源的另一端连接交流接触器本体的电磁线圈一端，+240V激磁电源的一端连接至电网的A相，+240V激磁电源的另一端连接IGBT驱动单元的输入端，IGBT驱动单元的输出端连接交流接触器本体的电磁线圈，IGBT驱动单元的输入端、+240V激磁电源的控制输入端和+24V保持电源的控制输入端分别连接微控制器的控制输出端；

所述三相电压检测单元分别连接至三相电网与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，三相电流检测单元分别连接至负载与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，三相电压检测单元的输出端、三相电流检测单元的输出端分别连接微控制器的输入端，A相电压检测单元的一个输出端连接A相电压过零检测单元的输入端，A相电压过零检测单元的输出端连接微控制器的输入端，A相电流检测单元的一个输出端连接A相电流过零检测单元的输入端，A相电流过零检测单元的输出端连接微控制器的输入端；

阻容降压电源的输入端连接至三相电网与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，阻容降压电源的输出端连接微控制器的输入端，微控制器的输入端还连接各相并联分流支路的电流检测单元的输出端，微控制器的输出端分别连接晶闸管驱动单元的输入端、电磁继电器驱动单元的输入端，晶闸管驱动单元的输出端连接至双向晶闸管的输入端，电磁继电器驱动单元的输出端连接至电磁继电器的输入端。

2.根据权利要求1所述的具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器，其特征在于：所述微控制器的输出端连接有声光报警单元。

3.根据权利要求1所述的具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器，其特征在于：所述三相电压检测单元均包括电流电压转换电路、半波精密整流电路和反向求和电路，电流电压转换电路的输入端连接至三相电网与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，电流电压转换电路的输出端连接半波精密整流电路的输入端，半波精密整流电路的输出端连接反向求和电路的输入端，反向求和电路的输出端连接微控制器的输入端。

4.根据权利要求1所述的具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器，其特征在于：所述三相电流检测单元均包括电流电压转换电路、半波精密整流电路和反向求和电路，电流电压转换电路的输入端连接至负载与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，电流电压转换电路的输出端连接半波精密整流电路的输入端，半波精密整流电路的输出端连接反向求和电路的输入端，反向求和电路的输出端连接微控制器的输入端。

5.根据权利要求1所述的具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器，其特征在于：所述阻容降压电源包括+5V电源和±12V电源；+5V电源输入端和±12V电源输入端分别连接至三相电网与交流接触器本体三相主触点之间的输电线路中，+5V电源输出端和±12V电源输出端分别连接微控制器的输入端。

6.根据权利要求1所述的具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器，其特征在于：所述微控制器通过eCAN总线通讯接口连接至上位机。

7.根据权利要求1所述的具有晶闸管故障诊断功能的复合式无弧交流接触器，其特征在于：该复合式无弧交流接触器的控制方法如下：

步骤1：复合式无弧交流接触器上电后实时接收现场操作或上位机的控制指令；

步骤2：当复合式无弧交流接触器接收到合闸控制指令时，开始合闸工作；

步骤2.1：进行双向晶闸管自检：晶闸管自检继电器闭合，三相电网的线电压流经自检电阻，电网两相之间形成回路，当某相并联分流支路的电流检测单元检测到有电流通过，则判断该相双向晶闸管短路，微控制器将该短路信息反馈至上位机，断开该相双向晶闸管直至解除短路故障；

步骤2.2：双向晶闸管自检正常后，当复合式无弧交流接触器接收到上位机合闸指令，微控制器通过电磁继电器驱动单元向电磁继电器发出触发脉冲，电磁继电器闭合；

步骤2.3：微控制器通过A相电压检测单元和A相电压过零检测单元捕捉电网信号过零点，在A相电压过零点触发A相并联分流支路的双向晶闸管导通分流，通过电磁线圈激励单元对交流接触器本体的电磁线圈进行激磁，交流接触器本体的主触点闭合，A相并联分流支路的双向晶闸管截止，三相电网的电路通过交流接触器本体的主触点流至负载，且微控制器一直发出触发脉冲给三相并联分流支路中的双向晶闸管；

步骤3：当复合式无弧交流接触器接收到分闸控制指令时，开始分闸工作；

步骤3.1：进行双向晶闸管自检：晶闸管自检继电器闭合，三相电网的线电压流经自检电阻，电网两相之间形成回路，当某相并联分流支路的电流检测单元检测到没有电流通过，则判断该相双向晶闸管断路，微控制器将该断路信息反馈至上位机，断开该相双向晶闸管直至解除断路故障；

步骤3.2：双向晶闸管自检正常后，交流接触器本体电磁线圈断电，交流接触器本体主触点断开；

步骤3.3：自检电阻值增加，交流接触器本体主触点端电压增大；

步骤3.4：当交流接触器本体主触点端电压大于双向晶闸管主电极之间的电压降时，双向晶闸管导通分流，避免拉弧现象，交流接触器本体主触点无弧分断；

步骤3.5：微控制器封锁触发脉冲，双向晶闸管在电流过零时关断，该相并联分流支路的电磁继电器断开；

步骤3.6：当双向晶闸管导通分流且交流接触器本体主触点无弧分断时，若双向晶闸管短路击穿，则交流接触器合闸，此时，并联分流支路电磁继电器先分断，将三相并联分流支路完全切除，然后交流接触器再次安全分断负载。