CN1200443C - 降低双线圈双稳态永磁机构接触器触头材料损耗的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双线圈双稳态永磁机构接触器中降低触头材料损耗的方法，包括双线圈双稳态永磁机构接触器的制备；并结合电弧等离子体与触头材料相互作用的机理，含金属蒸汽电弧向气体电弧的转换规律、电极材料转移机理、交流电流无弧或少弧分断等，对永磁机构接触器进行智能化控制，使接触器在分断和接通电路过程中获得最优的动力学特性。从而：①实现接触器闭合过程无弹跳。②利用电弧状态转换的规律，均衡金属相电弧和气相电弧产生的触头材料转移，实现了接触器分闸过程的触头材料净转移为零。③实现交流接触器的无弧或少弧分断。④利用触头材料转移方向反转的原理，实现工作在常值负载情况下的直流接触器触头材料的零损耗。
Description
技术领域
本发明属于输配电设备的低压电器领域，涉及一种接触器，特别涉及一种降低双线圈双稳态永磁机构接触器触头材料损耗的方法。
背景技术
目前在低压电器领域，电磁式接触器使用量大面广。电磁式接触器工作时存在能耗大、噪声大和触头弹跳多的缺点，特别是由于电弧放电的发生，在电弧等离子体与触头(电极)表面存在复杂的物理、化学过程，电弧的作用导致触头材料的融化、蒸发或以液滴形式的喷溅、熔焊乃至电接触功能丧失。长期以来，触头材料的损耗一直是制约接触器电寿命和工作可靠性的最重要因素。围绕提高电磁式接触器的工作寿命和工作可靠性，国内外相关学者进行了大量的研究工作。如开发新型触头材料[1]、试验并仿真研究电弧的发生和发展规律[2]、试验并仿真研究电弧对触头材料的侵蚀机理[3，4]、试验并仿真研究触头的熔焊机理[5]等等，其目的就是提高电磁式接触器的工作寿命和工作可靠性。然而时至今日，尚未取得令人满意的结果。
在接触器研究领域，由于永磁机构接触器所具有的独特优点，前人做过各种有益的探索。这些探索主要基于如下一种思想，即将电磁式接触器的电磁操动机构换为永磁机构，以此来降低接触器工作时的能耗和噪声污染，减小电网电压波动对接触器工作的不利影响。但是，这些探索还存在一些不足。
例如专利号为88219888.2，专利名称为《用永磁体保持吸合的节能接触器》的专利，集中体现了永磁机构接触器降耗、无噪声以及运行抗电网电压短时波动强的特点，但对于在如何结合永磁机构的优点来提高接触器电气性能、延长电寿命上，并无显著的技术进步。
又如专利号为94228162.4，专利名为‘稀土永磁节电型交流接触器’的专利，线圈连接失压保护装置，具有节电率高，无噪音，运行可靠的优点。但是对于如何调控永磁机构接触器的速度特性来减少接触器触头的损耗、提高接触器的电寿命方面也没有突出的创新思想。
再如专利号为90212790.X，专利名为‘永磁接触器’的专利和专利号为90214039.6，专利名为‘磁锁接触器’的专利，不但机构更加复杂，不利于接触器的小型化，而且在永磁机构接触器的研究上同样处在节能、降噪的低水平上。
目前的电磁式接触器的操动机构由动铁芯、静铁芯、反力弹簧、触头弹簧、线圈组成。从电磁式接触器的工作原理可见，合闸后必须不间断的给线圈通电流才能使动铁芯保持在合闸状态，即动铁芯合闸位置的保持是以能量的消耗为代价的，对于某些动作并不频繁的接触器而言，这些能量消耗是很可观的；对于控制电压为交流电的电磁式接触器，由于闭合时的磁吸力为脉动吸力，因此产生工作噪声，影响周围的环境质量；电磁式接触器在闭合过程中，不可避免的产生触头的弹跳，这些触头弹跳降低了接触器的电寿命。
电磁式接触器不仅存在能耗大、触头弹跳和噪声问题，而且由于机构可控制性能差，触头材料损耗大，严重影响电磁式接触器的工作电寿命和工作可靠性。
以下是发明人给出的参考文献。
[1]John J.Shea，Erosion and Resistance Characteristics of AgW and AgCContacts，IEEE Trans.CPT，Vol.22，No.2，June 1999，pp331-336。
[2]John W.McBride，Peter A.Jeffery，Anode and Cathode Arc RootMovement During Contact Opening at High Current，IEEE Trans.CPT，Vol.22，No.1，March 1999，pp38-46。
[3]H.Sone，T.Takagi，Role of the Metallic Phase Arc Discharge on ArcErosion in Ag Contacts，IEEE Trans.on CHMT，1990，13(1)，pp13-19。
[4]W.Rieder，V.Weichsler，Make Erosion on AgSnO2 and AgCdO Contacts inCommercial Contactors，IEEE Trans.CHMT，1991，14(2).PP.298-303。
[5]R.Michal，K.E.Saeger，Metallurgical Aspects of Silver-Based ContactMaterial for Air-Break Switching Devices for Power Engineering，IEEE CHMT-12，1989，pp71-81。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，为了解决电磁式接触器的大能耗、触头弹跳和噪声问题，尤其是通过实现触头材料的无损耗或少损耗，大幅度提高接触器的工作电寿命和工作可靠性，本发明的目的在于，提出了一种降低双线圈双稳态永磁机构接触器触头材料损耗的方法。
为了实现上述目的，本发明解决的核心命题，是实现接触器触头材料的无损耗或少损耗，极大的提高接触器电寿命和工作可靠性。技术方案作如下考虑：如果仍采用电磁操动机构，是不可能达到本发明目的的。原因是电磁操动机构的动力学和运动学特性很难调节，导致电磁式接触器对分、合闸过程不能实现智能化的最优动态控制。本发明采用永磁机构代替电磁操动机构，尤其是结合电弧等离子体与触头材料相互作用的机理，对永磁机构接触器进行智能化控制，从而最大限度地实现接触器触头材料的无损耗或少损耗，极大的提高接触器的电寿命和工作可靠性。
实现本发明的技术方案如下：
降低双线圈双稳态永磁机构接触器的触头材料损耗的方法，按以下方法实现：
1)采用永磁机构代替电磁操动机构，形成双线圈双稳态永磁机构接触器，该双线圈双稳态永磁机构接触器包括：
(1)上静铁芯、下静铁芯各一块，上静铁芯设置有分闸线圈，下静铁芯设置有合闸线圈；
(2)在上静铁芯和下静铁芯的中间设置有动铁芯，动铁芯被固定在一塑壳内；
(3)动铁芯中部设置有一永久磁铁；
(4)塑壳上部中央的空腔内设置有触头弹簧；塑壳的顶端周围设置有三组双断点、直动式桥式触头，每组桥式触头有动触头和静触头各两个；
2)在永磁机构的基础上，还设置有一基于数字信号处理DSP的智能化控制单元电路，包括在线实时检测接触器主回路中电流大小的电流互感器、信号调理电路、滤波电路、A/D转换器和数字信号处理DSP；
所述电流互感器采集到的三相电流信号，经信号调理电路放大、滤波，由数字信号处理DSP内置的A/D转换器件进行模/数转换，经过数字信号处理DSP预测算法的运算后，由数字信号处理DSP控制执行部分，给出合适的动作时间和动作电压；当需动作时，由数字信号处理DSP控制其内置的脉宽调制PWM发生器产生两路优化的脉宽调制PWM控制信号，分别控制后面的两路脉宽调制PWM斩波电源电路给分闸线圈和合闸线圈供电；
3)结合电弧等离子体与触头材料相互作用的机理，对永磁机构接触器进行智能化控制：
(1)、通过对吸力特性和反力特性的优化配合，，实现接触器闭合过程动触头无弹跳
数字信号处理DSP自动调节其内置的脉宽调制PWM波发生器输出的斩波信号频率和占空比，调节分闸线圈、合闸线圈的线圈电压、电流大小，在动触头、静触头接触时，根据触头弹簧力的大小提高合闸线圈的电流大小，增加电磁吸力，使电磁吸力是触头弹簧反力的1.1-3倍；使动触头既能克服反力可靠闭合，又能尽量降低动触头动能；
(2)、利用电弧状态转换的规律，均衡金属相电弧和气相电弧产生的触头材料转移，实现净转移为零
对电流互感器采集到的电流信号，经过信号调理电路放大、滤波后，送入数字信号处理DSP内置的A/D转换器件进行模/数转换，通过控制分闸线圈、合闸线圈中的电流，对接触器分闸过程的速度特性进行动态控制，调节金属相电弧和气相电弧的持续时间，
(3)、利用材料转移方向反转的原理，实现常值负载下的直流接触器触头材料净转移为零
电流互感器采集的电流信号，经信号调理电路放大、滤波，由数字信号处理DSP内置的A/D转换器件进行模/数转换；数字信号处理DSP依据直流负载电流大小，由数字信号处理DSP按照直流接触器触头材料净转移为零所对应的动触头运动速度；控制其内置的脉宽调制PWM发生器调节后面的两路脉宽调制PWM斩波电源电路的斩波信号，分别给分闸线圈和合闸线圈供电，从而使接触器工作在实现直流接触器触头材料净转移为零所对应的运动速度下；
(4)、通过对接触器的运动学特性和交流电流的相位特性良好的配合，实现交流接触器的无弧或少弧分断
电流互感器实时在线检测接触器主回路三相交流电流的大小和相位；对电流互感器采集的电流信号，经信号调理电路放大、滤波，送入数字信号处理DSP内置的A/D转换器件进行模/数转换；当需分闸时，由数字信号处理DSP根据三相交流电流的大小和相位，控制其内置的脉宽调制PWM发生器产生两路脉宽调制PWM斩波信号，调节后面的两路直流脉宽调制PWM斩波电源分别给分闸线圈和合闸线圈供电，通过改变直流斩波电路斩波信号的频率和占空比，调节分闸线圈电压和线圈电流，精确调控接触器分闸过程中首开相动触头的位移特性，使首开相的动触头、静触头在电流过零时刻分断；首开相分断后，其余两相电流变为同相位电流；数字信号处理DSP根据其电流波形特征，预测后两相电流过零时刻，并进一步控制分闸线圈电流，调节接触器后两相动触头分闸位移特性，使后两相的动触头、静触头同时在电流过零时刻分断。
接触器作为一种主要应用于远距离及频繁接通与分断主电路的控制电器，其在工业生产中的使用数量是十分巨大的。据统计，我国以接触器和低压断路器为核心的低压电器年产值约200亿元。在中、大容量接触器领域，应用本发明的触头材料无损耗或少损耗的双线圈双稳态永磁机构接触器，其优越性主要体现在：
1.节省电能：由于在合闸后动铁芯依靠永久磁铁提供的磁吸力保持在合闸位置，此时线圈无电流通过，即动铁芯合闸位置的保持不需能量，其节能优势十分明显。
2.由于在合闸后动铁芯依靠永久磁铁提供的磁吸力保持在合闸位置，因此没有工作噪声，减小了环境污染，适应现代环保电器的需求。
3.通过对接触器合闸过程的最优动态控制，实现了在接触器闭合过程中动触头无弹跳，大大降低了触头损耗。
4.利用电弧状态转换的规律，均衡金属相电弧和气相电弧产生的触头材料转移，实现了接触器分闸过程的触头材料净转移为零。
5.可实现交流接触器无弧或少弧分断。
6.利用触头材料转移方向反转的原理，实现了工作在常值负载情况下的直流接触器触头材料无损耗。
四、附图说明
图1是吸力特性和反力特性的配合情况1的特性图；
图2是吸力特性和反力特性的配合情况2的特性图；
图3是材料净转移方向反转图；
图4是本发明吸力特性和反力特性的配合图；
图5是触头材料无损耗或少损耗的双线圈双稳态永磁机构接触器；图中的符号分别表示为：1下静铁芯 2、3串联合闸线圈 4动铁芯 5永久磁铁 6、7串联分闸线圈 8上静铁芯 9塑壳 10动触头 11触头弹簧 12、13静触头
图6是通过均衡金属相电弧和气相电弧实现净转移为零的原理图；
图7是本发明的触头材料无损耗或少损耗的双线圈双稳态永磁机构接触器交流无弧或少弧分断原理图。
图8是本发明的智能化控制单元电路。
五、具体实施方式
以下结合附图和技术方案的原理及发明人给出的实施例，对本发明作进一步的详细说明。
依本发明的技术方案，双线圈双稳态永磁机构接触器中降低触头材料损耗的方法，详细说明如下：
1)采用双线圈双稳态永磁机构取代电磁操动机构，新的双线圈双稳态永磁机构接触器包括：
(1)上静铁芯、下静铁芯各一块，上静铁芯设置有分闸线圈，下静铁芯设置有合闸线圈；
(2)在上静铁芯和下静铁芯的中间设置有动铁芯，动铁芯被固定在一塑壳内；
(3)动铁芯中部设置有一永久磁铁；
(4)塑壳上部中央的空腔内设置有触头弹簧；塑壳的顶端周围设置有三组双断点、直动式桥式触头，每组桥式触头有动触头和静触头各两个；
2)在永磁机构的基础上，还设置有一基于数字信号处理DSP的智能化控制单元电路，包括在线实时检测接触器主回路中电流大小的电流互感器、信号调理电路、滤波电路、A/D转换器和数字信号处理DSP；
所述电流互感器采集到的三相电流信号，经信号调理电路放大、滤波，由数字信号处理DSP内置的A/D转换器件进行模/数转换，经过数字信号处理DSP预测算法的运算后，由数字信号处理DSP控制执行部分，给出合适的动作时间和动作电压；当需动作时，由数字信号处理DSP控制其内置的脉宽调制PWM发生器产生两路优化的脉宽调制PWM控制信号，分别控制后面的两路脉宽调制PWM斩波电源电路给分闸线圈和合闸线圈供电。
3)结合电弧等离子体与触头材料相互作用的机理，对永磁机构接触器进行智能化控制。
(1)通过对吸力特性和反力特性的优化配合，实现接触器闭合过程动触头无弹跳；
(2)利用电弧状态转换的规律，均衡金属相电弧和气相电弧产生的触头材料转移，实现净转移为零；
(3)利用材料转移方向反转的原理，实现常值负载下的直流接触器触头材料零损耗；
(4)通过对接触器的运动学特性和交流电流的相位特性良好的配合，实现交流接触器的无弧或少弧分断；
5.1技术方案总体思路
对于接触器而言，极大地提高其经济和技术指标一直是人们孜孜以求的目标。本发明解决的核心命题，是实现接触器触头材料的无损耗或少损耗，极大的提高接触器电寿命和工作可靠性。如果仍采用电磁操动机构，是不可能达到本发明目的的。原因是电磁操动机构的动力学和运动学特性很难调节，导致电磁式接触器对分、合闸过程不能实现智能化的最优动态控制。本发明采用永磁机构代替电磁操动机构，尤其是结合电弧等离子体与触头材料相互作用的机理，对永磁机构接触器进行智能化控制，从而：①实现接触器闭合过程无弹跳。②利用电弧状态转换的规律，均衡金属相电弧和气相电弧产生的触头材料转移，实现了接触器分闸过程的触头材料净转移为零。③实现交流接触器的无弧或少弧分断。④利用触头材料转移方向反转的原理，实现工作在常值负载情况下的直流接触器触头材料的零损耗。从而最大限度地实现接触器触头材料的无损耗或少损耗，极大的提高接触器电寿命和工作可靠性。
1)接触器闭合过程中动触头弹跳造成的影响
接触器闭合过程中动触头的弹跳是影响接触器电寿命和工作可靠性的一个重要因素。表现在两方面，一方面触头弹跳会产生电弧并引起触头材料的侵蚀和转移；另一方面触头弹跳将对动熔焊的形成起到促进作用。
具体来讲，在接通电路的过程中，尤其是存在触头弹跳时，基于复杂的物理过程，触头间将产生电弧，进而引起触头材料的侵蚀和转移。当闭合电弧能量和分断电弧能量相等时，在闭合过程中产生的材料损耗量将是分断过程中产生材料损耗量的5-10倍。造成这一结果的原因是闭合过程中的弹跳电弧属短弧，其电弧能量几乎完全传输到触头上，对触头材料的侵蚀起到了推波助澜的作用。另一方面，触头接通电路过程中的弹跳电弧对触头弧根区域有瞬时而集中的热流输入，使触头材料强烈发热并在局部区域融化，发生相变。触头闭合后，融化的金属冷却结合在一起，形成动熔焊。触头弹跳可分为伴有融桥形成的弹跳和伴有电弧形成的弹跳，它们都可造成材料侵蚀和动熔焊，并进而影响接触器的电寿命和工作可靠性。
接触器闭合过程中的动触头弹跳是多种因素共同作用的结果。其基本原因是接触器的动力学特性，其直接原因是接触器吸力特性和反力特性相互竞争和配合的结果。那么，吸力特性和反力特性与触头弹跳之间到底存在什么样的关系呢？图1和图2分别给出了两种不同的吸力特性和反力特性的配合对触头弹跳的不同影响。
如图1所示，该接触器的吸力特性和反力特性的配合容易造成动触头的弹跳。原因有两方面，其一是在该吸力特性和反力特性下，动触头的动能∫[F(x)-f(X)]dx在超行程起始处较大，其二是触头弹簧力在超行程起始处较小。这两方面的原因将导致动触头在超行程起始处不可避免地发生弹跳，将动触头过剩的动能以触头弹跳的形式释放掉。相对而言，图2所示接触器吸力特性和反力特性的配合将使得动触头难以产生弹跳。
如图2所示，该接触器的吸力特性和反力特性的配合使得动触头的弹跳很难产生。原因有两方面，其一是在该吸力特性和反力特性下，动触头的动能∫[F(x)-f(X)]dx在超行程起始处较小，其二是触头弹簧力在超行程起始处很大。这两方面的原因将导致动触头在超行程起始处难以产生弹跳。
2)利用电弧状态转换的规律，实现触头材料净转移为零
本发明利用电弧状态转换的规律，均衡金属相电弧和气相电弧产生的触头材料转移，实现净转移为零。
在接触器触头的分断过程中，在绝大多数情况下电弧过程要经历金属蒸汽电弧阶段和气体电弧两个阶段。在金属蒸汽阶段，金属电极材料在高温和高场强下被蒸发和电离，形成金属液滴、蒸汽和等离子体，籍以维持电弧电流，即电弧的产生和维持是以消耗电极材料来获得的。在此电弧阶段，会发生阳极向阴极的触头材料转移；在气体电弧阶段，触头间的气体被电离，籍以提供电弧电流，即电弧是主要消耗空气来维持的。在此电弧阶段，会发生阴极向阳极的触头材料转移；因此，本发明利用了金属蒸汽电弧和气相电弧材料转移方向相反的规律，通过调整金属相电弧和气相电弧的持续时间，均衡金属相电弧和气相电弧产生的触头材料转移，实现净转移为零。
3)材料转移方向反转规律
对于直流接触器，在分闸过程中，由于电气参数、机械参数和触头材料的差异，极间电弧既可能为阴极电弧，也可能为阳极电弧；由于触头工作过程中各种因素的不对称，触头间存在材料转移现象和材料转移模式变化及材料转移方向反转。在一般情况下，直流分闸过程中的材料转移模式为液态金属桥转移、阳极型电弧转移(也称细转移)、大功率电弧转移和长弧转移。前三种电弧转移均为阳极向阴极的材料转移，导致阳极损耗、阴极增重；后一种为阴极向阳极的材料转移，导致阴极损耗、阳极增重。接触器触头材料净转移的大小从一个方面体现了触头材料损耗的程度，触头材料净转移为零，可最大限度的降低触头材料的损耗，提高电寿命。
如上所述，直流接触器在分断过程中，材料净转移随电流变化的关系如图3所示。触头材料净转移为零时对应的电流值与电路电压、触头材料特性、触头分离速度特性有关。对给定的接触器，其额定工作电压和触头材料特性是一定的，则使触头材料净转移为零的电流值与触头分离速度特性有关，调节触头分离速度特性，则可以实现特定电流负载下的触头材料净转移为零。
4)交流接触器的无弧或少弧分断
本发明可实现交流接触器的无弧或少弧分断。
在交流接触器中，通过的交流电流在每个周期存在过零时刻，如果分闸时各相触头的刚分时刻同该相交流电流的过零时刻相吻合，则可实现交流接触器的无弧或少弧分断。由于三相交流电流的过零时刻并不一致，为了达到每相交流电流均过零分断的目的，可使一相电流先在过零时刻分断，则未分断的两相电流变成同相位电流，在它们下一个过零时刻来临时使其分断，如此则实现了三相交流电流均过零分断。为达到此目的，必须对接触器分闸过程中的运动学特性进行精确的控制，使得接触器的运动学特性和交流电流的相位特性获得良好的配合。
5)节能和无噪声特性
由于本发明在合闸后动铁芯依靠永久磁铁提供的磁吸力保持在合闸位置，此时线圈无电流通过，即动铁芯合闸位置的保持不需能量。对于一些动作并不频繁的大、中容量接触器而言，其节能效果十分明显。由于在合闸后动铁芯依靠永久磁铁提供的磁吸力保持在合闸位置，因此没有工作噪声，减小了环境污染，适应现代环保电器的需求。
5.2工作原理
1)实现接触器闭合过程动触头无弹跳
本发明的触头材料无损耗或少损耗的双线圈双稳态永磁机构接触器，其吸力特性和反力特性的配合如图4所示。在这样的吸力特性和反力特性配合下，动触头10很难产生弹跳。具体为：
影响合闸时动触头10弹跳的两个主要因素，分别是动触头10的动能和触头弹簧11力的大小。在闭合后触头接触压力大小一定的情况下，触头弹簧11力大小的调节裕量不大。因此吸力特性和反力特性的优化配合，在于调节动触头10动能，在满足各项合闸性能指标的前提下，尽量较小动触头10动能。结合智能化控制单元电路，可以由数字信号处理DSP自动调节其内置的脉宽调制PWM波发生器输出的斩波信号频率和占空比，灵活调节分闸线圈6、7、合闸线圈2、3的线圈电压、电流大小，既能使动触头10克服反力可靠闭合，又能尽量降低动触头10动能。具体作用过程如下：数字信号处理DSP根据两个特征位置S1和S2，在合闸前期阶段，从合闸起始位置S1开始，数字信号处理DSP根据动触头10位置，适当降低合闸线圈2、3的电流，即降低电磁吸力，降低触头动能，从而使动触头10工作在实现无弹跳的最佳位移特性上；在合闸后期阶段，数字信号处理DSP根据动触头10触头开距大小，和动触头10、静触头12、13接触位置S2，在动触头10与静触头12、13接触前，根据触头弹簧11的大小提高合闸线圈2、3的电流大小，增加电磁吸力，使电磁吸力是触头弹簧反力的1.1-3倍。
2)利用电弧状态转换的规律，实现触头材料净转移为零
利用电弧状态转换的规律，均衡金属相电弧和气相电弧产生的触头材料转移，实现净转移为零，其关键之处在于如何正确的调整金属相电弧和气相电弧的持续时间。通过控制分闸线圈6、7、合闸线圈2、3中的的电流，对接触器分闸过程的速度特性进行最优动态控制，就可以调节金属相电弧和气相电弧的持续时间。对某一主回路电流而言，使触头材料净转移为零的最优动态速度特性是与该电流值相对应的；当电流不同时，各电弧阶段的持续时间和对应的材料转移也不同，使材料净转移为零所需的最优动态速度特性也不同。
实际使用中接触器的分断电流由负载决定，分断电流有可能变化。因此，本发明在永磁机构的基础上，利用电流互感器实时在线检测接触器主回路中三相电流；对电流互感器采集到的电流信号，经信号调理电路放大、滤波，由数字信号处理DSP TMS320LF2407内置的A/D转换器件进行模/数转换。需要分闸时，由数字信号处理DSP依据采集到的交流电流大小，获得实现交流接触器触头材料净转移为零所需的动触头10运动速度；进而由数字信号处理DSP给出与该运动速度相对应的脉宽调制PWM输出特征规律，该特征规律是：以预先获得的电弧状态转换时刻为分界点，调节该分界点前后的脉宽调制PWM斩波信号。并控制数字信号处理DSP的脉宽调制PWM发生器按此规律输出，分别控制后面的两路脉宽调制PWM斩波电源电路给分闸线圈6、7和合闸线圈2、3供电。分闸线圈6、7和合闸线圈2、3可调电压采用先用桥式二极管整流再用脉宽调制PWM斩波的方式获得，通过调节线圈电压和线圈电流，精确调控接触器分闸过程的动触头10位移与时间的关系特性。通过调节接触器分闸过程的运动学特性，从而调整金属相电弧和气相电弧的持续时间，实现触头材料净转移为零。
本发明均衡金属相电弧和气相电弧产生的触头材料转移，实现净转移为零的原理图如图6所示，相应的基于数字信号处理DSP的智能化控制单元电路如图8所示。
3)利用材料转移方向反转的原理，实现常值负载下的直流接触器触头材料净转移为零
本发明利用触头材料转移方向反转的原理，实现了工作在常值负载情况下的直流接触器触头材料净转移为零。
由图3可见，直流接触器由于在分断过程中存在触头材料转移现象和材料转移模式变化及材料转移方向反转，随着分断电流的增加，触头材料的净转移由偏向阳极变为偏向阴极。则此间必然存在一个特定电流值，在此电流值下，触头材料的净转移量为零。触头材料净转移为零时对应的电流值与电路电压、触头材料特性、触头分离速度特性有关。由于对给定的接触器，其额定工作电压和触头材料特性是一定的，则使触头材料净转移为零的电流值与触头分离速度特性有关，调节触头分离速度特性，则可以实现特定电流负载下的触头材料净转移为零。
为达到上述目的，本发明在永磁机构的基础上，在直流接触器主回路中加装电流互感器，实时在线检测接触器主回路中直流电流的大小；电流互感器采集的电流信号，经信号调理电路放大、滤波，由数字信号处理DSPTMS320LF2407内置的模拟量/数字量A/D转换器件进行模/数转换。当分闸信号到来时，由数字信号处理DSP依据采集到的直流负载电流大小，获得实现直流接触器触头材料净转移为零所对应的动触头(10)运动速度；进而由数字信号处理DSP给出与此运动速度相对应的脉宽调制PWM输出特征规律，并控制其内置的脉宽调制PWM发生器按此规律输出，调节后面的两路脉宽调制PWM斩波电源电路的斩波信号，分别给分闸线圈6、7和合闸线圈(2、3)供电，从而使接触器工作在与直流负载电流对应的触头分离速度特性下，实现触头材料净转移为零。
4)交流接触器的无弧或少弧分断
为实现交流接触器的无弧或少弧分断，关键是接触器的运动学特性和交流电流的相位特性获得良好的配合。在三相交流电流中首先选择一相过零分断，后两相再过零分断。
因此，本发明在永磁机构的基础上，在交流接触器主回路中加装电流互感器，实时在线检测接触器主回路中三相交流电流的大小和相位；对电流互感器采集到的电流信号，经信号调理电路放大、滤波，由数字信号处理DSPTMS320LF2407内置的A/D转换器件进行模/数转换。当需分闸时，为使三相电流均过零分断，根据三相交流电流的大小和相位，由数字信号处理DSP给出首开相触头电流过零时刻T1，由数字信号处理DSP控制其内置的脉宽调制PWM发生器产生两路优化的脉宽调制PWM控制信号，调节后面的两路脉宽调制PWM斩波电源电路给分闸线圈6、7和合闸线圈2、3供电。通过改变直流斩波电路斩波信号的频率和占空比，调节线圈电压和线圈电流，精确调控接触器分闸过程中首开相动触头10的位移特性，使首开相的动触头10、静触头12，13在电流过零时刻T1分断；首开相分断后，其余两相电流变为同相位电流；数字信号处理DSP根据其电流波形特征，由预测算法预测后两相电流过零时刻T2，进而控制线圈电流，调节接触器后两相动触头10分闸位移特性，使后两相的动触头10、静触头12，13同时在电流过零时刻T2分断；分闸线圈6、7和合闸线圈2、3可调电压采用先用桥式二极管整流再用脉宽调制PWM斩波的方式获得，通过改变数字信号处理DSP内置的脉宽调制PWM发生器的输出来改变脉宽调制PWM斩波的占空比，进而调节线圈电压和线圈电流，使接触器在分断过程中获得精确可控的动力学特性，从而使接触器的运动学特性和交流电流的相位特性获得最优的动态配合。做到分闸时动触头10的刚分时刻同交流电流的过零时刻相吻合，实现交流接触器的无弧或少弧分断。
本发明实现交流接触器无弧或少弧分断原理图如图7所示，相应的基于数字信号处理DSP的智能化控制单元电路如图8所示。图8所示的控制电路以数字信号处理DSP TMS320LF2407为核心，包括电流互感器、信号调理电路、数字信号处理DSP内置的A/D转化模块、数字信号处理DSP内置的脉宽调制PWM发生器、快速光电隔离芯片6N136和普通光电隔离芯片TLP521-2、斩波电源模块。
图8中，CT1、CT2、CT3为检测接触器三相电流的电流互感器。电流互感器检测到的三相电流信号经由以运算放大器LM124为主构成的信号调理电路的放大滤波处理，输入数字信号处理DSP，由数字信号处理DSP内置的A/D转换器进行模/数转换。数字信号处理DSP根据采集到的三相电流波形，经由预测算法的运算得到接触器操动机构的最佳动作时刻。当操动机构的最佳动作时刻到来时，数字信号处理DSP内置的脉宽调制PWM波发生器输出优化的脉宽调制PWM波，经过快速光电隔离芯片6N136的光电隔离，控制脉宽调制PWM斩波电源的斩波方式和输出电压，进而控制分闸线圈6、7和合闸线圈2、3电压，从而使接触器获得精确可控的动力学特性。图8中的斩波电源模块，采用先用桥式二极管整流再用脉宽调制PWM斩波的方式获得，斩波开关器件采用MOSFET，L1、L2、C1、C2分别为滤波电感和滤波电容。
5)节能和无噪声特性的实现
本发明的触头材料无损耗或少损耗的双线圈双稳态永磁机构接触器，由动铁芯4、上静铁芯8、下静铁芯1、永久磁铁5、分闸线圈6、7、合闸线圈2、3和触头弹簧11组成；当接触器处于分闸位置时，线圈无电流；动铁芯4依靠永久磁铁5保持在分闸位置；当合闸信号到来时，合闸线圈2、3通合闸电流提供合闸动力，合闸电流产生的磁场与永久磁铁5产生的磁场方向一致；分闸线圈6、7通反向电流，分闸线圈6、7电流产生的磁场与永久磁铁5产生的磁场方向相反，相互抵消；动铁芯4向下运动，直到合闸到位；合闸后断开线圈电流，动铁芯4依靠永久磁铁5保持在合闸位置；当分闸信号到来后，合闸线圈2、3通反向电流，该电流产生的磁场同永久磁铁5产生的磁场相互抵消；分闸线圈6、7通分闸电流提供分闸动力，动铁芯4向上运动，直到分闸到位；断开分闸电流，动铁芯4依靠永久磁铁5保持在分闸位置。
由上述本发明的工作过程可以看出，由于本发明在合闸后动铁芯4依靠永久磁铁5提供的磁吸力保持在合闸位置，此时线圈无电流通过，即动铁芯4合闸位置的保持不需能量。对于一些动作并不频繁的大、中容量接触器而言，其节能效果十分明显。由于在合闸后动铁芯4依靠永久磁铁5提供的磁吸力保持在合闸位置，因此没有工作噪声。
5.3实施例
发明人在交流接触器CJX1-250基础上实现了永磁机构和接触器的融合，发明了触头材料无损耗或少损耗的双线圈双稳态永磁机构接触器。具体方法是保留原交流接触器CJX1-250的触头和灭弧结构，将该接触器的电磁操动机构改为双线圈双稳态永磁机构。永磁机构包括：下静铁芯1、合闸线圈2和3、动铁芯4、永久磁铁5、分闸线圈6和7、上静铁芯8。实验表明，本发明的触头材料无损耗或少损耗的双线圈双稳态永磁机构接触器运行时，节电在98％以上；正常运行时无工作噪声；在智能化控制的基础上，不论是交流负载还是直流负载，实现了动触头无弹跳；实现了触头材料无损耗或少损耗；极大的提高了接触器的电寿命和工作可靠性。
Claims (2)
1.一种降低双线圈双稳态永磁机构接触器的触头材料损耗的方法，其特征在于，按以下方法实现：
1)采用永磁机构代替电磁操动机构，形成双线圈双稳态永磁机构接触器，该双线圈双稳态永磁机构接触器包括：
(1)、上静铁芯(8)、下静铁芯(1)各一块，上静铁芯(8)设置有分闸线圈(6)、(7)，下静铁芯(1)设置有合闸线圈(2)、(3)；
(2)、在上静铁芯(8)和下静铁芯(1)的中间设置有动铁芯(4)，动铁芯(4)被固定在一塑壳(9)内；
(3)、动铁芯(4)中部设置有一永久磁铁(5)；
(4)、塑壳上部中央的空腔内设置有触头弹簧(11)；塑壳(9)的顶端周围设置有三组双断点、直动式桥式触头，每组桥式触头有两个动触头(10)和静触头(12、13)；
2)在永磁机构的基础上，还设置有一基于数字信号处理DSP的智能化控制单元电路，包括在线实时检测接触器主回路中电流大小的电流互感器、信号调理电路、滤波电路、A/D转换器和数字信号处理DSP；
所述电流互感器采集到的三相电流信号，经信号调理电路放大、滤波，由数字信号处理DSP内置的A/D转换器件进行模/数转换，经过数字信号处理DSP预测算法的运算后，由数字信号处理DSP控制执行部分，给出合适的动作时间和动作电压；当需动作时，由数字信号处理DSP控制其内置的脉宽调制PWM发生器产生两路优化的脉宽调制PWM控制信号，分别控制后面的两路脉宽调制PWM斩波电源电路给分闸线圈和合闸线圈供电；
3)结合电弧等离子体与触头材料相互作用的机理，对永磁机构接触器进行智能化控制；
(1)、通过对吸力特性和反力特性的优化配合，实现接触器闭合过程动触头无弹跳
数字信号处理DSP自动调节其内置的脉宽调制PWM波发生器输出的斩波信号频率和占空比，调节分闸线圈(6、7)、合闸线圈(2、3)的线圈电压、电流大小，在动触头(10)、静触头(12、13)接触时，根据触头弹簧(11)力的大小提高合闸线圈(2、3)的电流大小，增加电磁吸力，使电磁吸力是触头弹簧(11)反力的1.1-3倍；使动触头(10)既能克服反力可靠闭合，又能尽量降低动触头(10)动能；
(2)、利用电弧状态转换的规律均衡金属相电弧和气相电弧产生的触头材料转移，实现净转移为零
对电流互感器采集到的电流信号，经过信号调理电路放大、滤波后，送入数字信号处理DSP内置的A/D转换器件进行模/数转换，通过控制分闸线圈(6、7)、合闸线圈(2、3)中的电流，对接触器分闸过程的速度特性进行动态控制，调节金属相电弧和气相电弧的持续时间，以实现净转移为零；
(3)、利用材料转移方向反转的原理，实现常值负载下的直流接触器触头材料净转移为零
电流互感器采集的电流信号，经信号调理电路放大、滤波，由数字信号处理DSP内置的A/D转换器件进行模/数转换；依据直流负载电流大小，由数字信号处理DSP按照直流接触器触头材料净转移为零所对应的动触头(10)运动速度；控制其内置的脉宽调制PWM发生器调节后面的两路脉宽调制PWM斩波电源电路的斩波信号，分别给分闸线圈(6、7)和合闸线圈(2、3)供电，从而使接触器工作在实现直流接触器触头材料净转移为零所对应的运动速度下；
(4)、对接触器的运动学特性和交流电流的相位特性良好的配合，实现交流接触器的无弧或少弧分断
电流互感器实时在线检测接触器主回路三相交流电流的大小和相位；对电流互感器采集的电流信号，经信号调理电路放大、滤波，送入数字信号处理DSP内置的A/D转换器件进行模/数转换；当需分闸时，由数字信号处理DSP根据三相交流电流的大小和相位，控制其内置的脉宽调制PWM发生器产生两路脉宽调制PWM斩波信号，调节后面的两路直流脉宽调制PWM斩波电源分别给分闸线圈(6、7)和合闸线圈(2、3)供电，通过改变直流斩波电路斩波信号的频率和占空比，调节分闸线圈电压和线圈电流，精确调控接触器分闸过程中首开相动触头(10)的位移特性，使首开相的动触头(10)、静触头(12、13)在电流过零时刻分断；首开相分断后，其余两相电流变为同相位电流；数字信号处理DSP根据其电流波形特征，预测后两相电流过零时刻，并进一步控制分闸线圈电流，调节接触器后两相动触头(10)分闸位移特性，使后两相的动触头(10)、静触头(12、13)同时在电流过零时刻分断。
2.如权利要求1所述的降低双线圈双稳态永磁机构接触器的触头材料损耗的方法，其特征在于，所述线圈可调电压采用先用桥式二极管整流再用脉宽调制PWM斩波的方式获得，通过改变数字信号处理DSP内置的脉宽调制PWM发生器的输出来改变脉宽调制PWM斩波的占空比，进而调节线圈电压和线圈电流，使接触器在分断和闭合过程中均获得精确可控的动力学特性，实现触头材料无损耗或少损耗。
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Granted publication date: 20050504 |
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