摘"要： 為了提高傳統(tǒng)電磁式接觸器分?jǐn)嚯娏鞯哪芰Γ⒔鉀Q大開距下合閘功耗高、動(dòng)鐵心沖擊力大、鐵心磨損嚴(yán)重等問題，設(shè)計(jì)一種具有可控開距的接觸器。通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，增大傳統(tǒng)交流接觸器結(jié)構(gòu)層面可打開開距，利用基于單片機(jī)的控制電路識(shí)別分?jǐn)嚯娏?，并在分?jǐn)噙^程中對(duì)勵(lì)磁線圈施加不同寬度的脈沖電流，使接觸器在不同分?jǐn)嚯娏飨戮哂胁煌拈_距，完成分?jǐn)嗪笥|頭回到小開距的平衡位置。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的接觸器具有可控開距的功能。

關(guān)鍵詞： 電磁接觸器; 控制電路; 可控開距; 分?jǐn)嚯娏?/p>

中圖分類號(hào)： TM572

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）03-0036-06

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.03.006

Research on Contactor with Controllable Contact Gap

CHEN Weibin，"LIU Xiangjun

（College of Electrical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou 350108， China）

Abstract：

In order to improve the breaking current capacity of the traditional electromagnetic contactor and solve the disadvantages of high closing power consumption， large impact force of the moving iron core and serious wear of the iron core under large contact gap， a contactor with controllable contact gap is designed. Through structural improvement， the gap of the contact that can be opened at the structural level of the traditional AC contactor is increased. The control circuit based on the single-chip microcomputer is used to identify the breaking current， and the pulse current with different width is applied to the excitation coil during the breaking process， so that the contactor has different gap under different breaking current. After the breaking， the contact returns to the balance position of small gap. Through experiments， it is verified that the designed contactor has the function of controllable contact gap.

Key words：

electromagnetic contactor; control circuit; controllable contact gap; breaking current

0"引"言

隨著電網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)大以及智能化的發(fā)展，對(duì)低壓電器的性能指標(biāo)提出了更高的要求［1］，接觸器作為一種適用于遠(yuǎn)距離頻繁地接通和分?jǐn)嘟恢绷髦麟娐芳按笕萘靠刂齐娐返淖詣?dòng)控制電器［2］，因其低成本和較強(qiáng)的執(zhí)行能力，一直是大量生產(chǎn)使用的電器產(chǎn)品。在新一代較大容量的接觸器產(chǎn)品中，普遍采用了智能控制電路，通過反饋信號(hào)、調(diào)節(jié)吸反力配合等控制方式，控制接觸器的閉合沖擊力，實(shí)現(xiàn)減少觸頭振動(dòng)和提高其電壽命的目的［3-5］。市場(chǎng)上接觸器的智能控制方式多是針對(duì)閉合階段，而對(duì)于分?jǐn)嚯A段基本是結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化和創(chuàng)新［6-7］。

隨著人們對(duì)開關(guān)電器的需求不斷提高，為了實(shí)現(xiàn)多種控制和保護(hù)功能，集成開關(guān)電器應(yīng)運(yùn)而生。其中具有一體化技術(shù)的集成接觸器在不改變接觸器結(jié)構(gòu)的基本框架下，用一套電磁、觸頭和滅弧系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)功能上的創(chuàng)新，既可完成普通接觸器的接通和開斷交直流主電路及大容量控制電路，又能在規(guī)定的非額定電路條件下接通、承載和分?jǐn)嘁欢〞r(shí)間內(nèi)的電流［8-10］。這類開關(guān)電器較普通接觸器有較大的開距，因此無論是開斷短路電流或是過載電流還是額定電流，都必須在大開距下進(jìn)行。而在大開距下合閘時(shí)功耗高，動(dòng)鐵心沖擊力大，鐵心磨損嚴(yán)重，同時(shí)還會(huì)造成觸頭二次彈跳，使觸頭易熔焊［11］。

為此，本文設(shè)計(jì)一種開距可控的接觸器。以傳統(tǒng)交流接觸器為主體，增加控制電路，通過物理結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和軟件的控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)開距可控的功能。該接觸器可在開關(guān)分?jǐn)嗲埃ㄟ^控制模塊檢測(cè)開斷電流的大小及開斷類型，由此控制線圈斷電，并在動(dòng)觸頭及動(dòng)鐵心等運(yùn)動(dòng)部件分?jǐn)噙\(yùn)動(dòng)的過程中，給線圈施加不同寬度的電流脈沖，使觸頭達(dá)到不同的開距，可用于分?jǐn)嗷芈分械念~定電流、過載電流和短路電流，并在復(fù)位彈簧的作用下回到較小額定開距的平衡位置。相較于傳統(tǒng)交流接觸器，其在不增加觸頭、電磁機(jī)構(gòu)的同時(shí)能夠頻繁通斷額定電流，并且提高了分?jǐn)喽搪冯娏鞯哪芰?元件數(shù)量相較于模塊組合式開關(guān)電器也大幅減少，簡單的結(jié)構(gòu)保證了開關(guān)的低故障率，集成度更高，運(yùn)行穩(wěn)定性更高。

1"設(shè)計(jì)原理

具有可控開距的接觸器在機(jī)械層面應(yīng)具有大于常態(tài)開距的開距結(jié)構(gòu)，在軟件層面應(yīng)具備檢測(cè)主回路電流和分析處理邏輯運(yùn)算的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程的控制。通過控制觸頭的開距，實(shí)現(xiàn)接觸器的額定分?jǐn)嗪凸收祥_斷。

具有可控開距的接觸器是在傳統(tǒng)交流接觸器的基礎(chǔ)上對(duì)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加復(fù)位彈簧和限位機(jī)構(gòu)以加大觸頭的運(yùn)動(dòng)行程，即通過反力彈簧和限位機(jī)構(gòu)之間的配合，使電弧在大于臨界短路電流所對(duì)應(yīng)的大開距時(shí)過零熄滅，隨后在復(fù)位彈簧的作用下，觸頭返回至常態(tài)開距的平衡位置。與傳統(tǒng)接觸器相比，具有可控開距功能的接觸器觸頭可以運(yùn)動(dòng)的位移大小超過了額定開距，能夠?qū)㈦娀±酶L，更有利于電弧充分溢散能量和電弧的熄滅。

在接觸器分?jǐn)噙^程中，通過控制模塊檢測(cè)開斷電流的大小及開斷類型，根據(jù)需求，控制模塊對(duì)線圈施加短時(shí)電流脈沖，使線圈勵(lì)磁產(chǎn)生電磁吸力，使動(dòng)鐵心在這個(gè)暫態(tài)電磁吸力影響下，減緩速度，調(diào)整觸頭開距大小，實(shí)現(xiàn)分?jǐn)噙^程的智能控制。其中脈沖寬度與電流大小成反比。分?jǐn)嗖煌娏飨掠|頭開距示意如圖1所示。

其具體工作原理如下：

（1） 當(dāng)觸頭處于閉合狀態(tài)時(shí)，電磁線圈保持直流低壓通電，動(dòng)、靜鐵心處于吸合狀態(tài)，電磁吸力大于反力彈簧與觸頭彈簧力的合力，使得動(dòng)觸頭與靜觸頭壓緊，并留有一定的超程和觸頭終壓力，同時(shí)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主回路電流。

（2） 當(dāng)控制模塊檢測(cè)到分?jǐn)嘈盘?hào)時(shí)，若傳感器檢測(cè)到主回路電流為額定電流，控制模塊控制線圈斷電，則動(dòng)、靜鐵心在反力彈簧和觸頭彈簧的共同作用下開始分離。在動(dòng)鐵心帶動(dòng)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)且觸頭還未達(dá)到額定狀態(tài)開距前，控制模塊對(duì)線圈施加多個(gè)短時(shí)電流脈沖，使觸頭達(dá)到額定狀態(tài)開距時(shí)速度幾乎減小為零，隨后動(dòng)鐵心和動(dòng)觸頭在反力彈簧和復(fù)位彈簧的共同作用下快速停止運(yùn)動(dòng)，使觸頭達(dá)到額定狀態(tài)開距即停止運(yùn)動(dòng)，主電路斷開。

（3） 若傳感器檢測(cè)到主回路電流為短路電流，控制模塊控制線圈斷電，則反力彈簧作用于動(dòng)鐵心上，動(dòng)觸頭與靜觸頭快速分?jǐn)?，在?dòng)觸頭達(dá)到額定狀態(tài)開距時(shí)，由于慣性，動(dòng)鐵心將繼續(xù)帶動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)并壓縮復(fù)位彈簧直至達(dá)到短路開距，隨后在復(fù)位彈簧的回復(fù)力作用下將動(dòng)觸頭復(fù)位至額定狀態(tài)開距。

（4） 若傳感器檢測(cè)到主回路電流為過載電流時(shí)，控制模塊控制線圈斷電，則在動(dòng)觸頭達(dá)到額定狀態(tài)開距前后，控制模塊對(duì)線圈施加多個(gè)短時(shí)電流脈沖，使線圈勵(lì)磁產(chǎn)生電磁吸力，使動(dòng)鐵心在這個(gè)暫態(tài)電磁吸力影響下，減緩速度，使動(dòng)觸頭達(dá)到不同的過載開距，動(dòng)觸頭在復(fù)位彈簧的恢復(fù)力作用下回到額定狀態(tài)開距，并且過載開距與過載電流大小成正比。

具有可控開距的接觸器能夠在保證快速可靠開斷電流的基礎(chǔ)上，在同等原開距的情況下開斷更大的短路電流;也可以在開斷同樣大小的短路電流時(shí)速度更快;由于觸頭斷開狀態(tài)下動(dòng)、靜觸頭間距為較小的額定狀態(tài)開距，因此減小接觸器在合閘過程中的動(dòng)鐵心位移，使電磁鐵驅(qū)動(dòng)能量減少，可以有效地減小鐵心碰撞能量。

2"結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)開關(guān)電器對(duì)斷開短路電流的技術(shù)需求，對(duì)接觸器的電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)觸頭開距的可控。在進(jìn)行電磁機(jī)構(gòu)改造時(shí)，確認(rèn)開距大小及分?jǐn)嗨俣刃枨螅ㄟ^內(nèi)部機(jī)構(gòu)和彈簧系統(tǒng)的相互配合，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文采用CJX2-65交流接觸器為本體。改造前后接觸器結(jié)構(gòu)如圖2所示。建立該交流接觸器的模型。在動(dòng)、靜鐵心間加載合適的反力彈簧，增加其分?jǐn)嗨俣?在動(dòng)觸頭上加載觸頭彈簧;在卡扣上增加復(fù)位彈簧以幫助觸頭在打開大開距后，可以快速恢復(fù)至額定開距;并通過在上、下兩塑料外殼之間添加墊片，從空間層面增大動(dòng)鐵心的行程和觸頭最大開距;為了解決打開大開距帶來的回彈問題，在動(dòng)鐵心和線圈間增加一卡扣，限制觸頭的回彈速度。改造后的接觸器具備分?jǐn)喽搪冯娏鞔箝_距的硬件條件，同時(shí)設(shè)計(jì)智能控制電路，在接觸器分?jǐn)噙^程中對(duì)線圈電流進(jìn)行控制。

另外，具有可控開距的接觸器的額定電流大、額定電壓高、相應(yīng)的轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)，這就需要觸頭系統(tǒng)具有較大的開距和超程，需要較大的開斷速度和較小的接觸電阻，為此需要較大的反力彈簧和觸頭彈簧，從而提高機(jī)械負(fù)載阻力特性。具有可控開距接觸器的靜態(tài)吸反力特性曲線如圖3所示。

圖3中，反力曲線的oa階段，反力由觸頭彈簧和反力彈簧疊加而成，并在氣隙a處觸頭彈簧釋放完畢，觸頭開始分?jǐn)?，oa的距離即為電磁機(jī)構(gòu)的超程;在ab階段，反力彈簧繼續(xù)釋放，動(dòng)鐵心帶動(dòng)動(dòng)觸頭分?jǐn)?，直至氣隙b為額定氣隙;在bc階段，動(dòng)作機(jī)構(gòu)受到的彈簧合力方向與之前相反，即復(fù)位彈簧的作用力方向與反力彈簧的相反，觸頭超過穩(wěn)定開距越多受到的彈簧合反力越大，減速效果越明顯，直至達(dá)到極限最大開距，動(dòng)鐵心和動(dòng)觸頭在反力彈簧和復(fù)位彈簧的配合作用下快速停止運(yùn)動(dòng)，觸頭完全斷開。

3"控制電路設(shè)計(jì)

如果僅是在機(jī)械結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)大開距的技術(shù)需求，就會(huì)導(dǎo)致接觸器分?jǐn)嗳魏未笮『皖愋碗娏鞫紩?huì)打開極限大開距，特別是以大開距頻繁開斷額定電流后利用復(fù)位彈簧復(fù)位，會(huì)使復(fù)位彈簧迅速老化，并造成嚴(yán)重的機(jī)械磨損，導(dǎo)致接觸器電氣壽命短等問題。因此本文在保證接觸器可靠工作的前提下，添加主回路檢測(cè)識(shí)別和低壓保持功能，以穩(wěn)定打開不同開距為目標(biāo)，設(shè)計(jì)相關(guān)的智能控制電路。智能控制電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

智能控制模塊可劃分為8個(gè)模塊：電源模塊、整流濾波模塊、變壓降壓模塊、數(shù)據(jù)采樣模塊、隔離驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)模塊、線圈驅(qū)動(dòng)模塊、接觸器線圈回路。通過以PIC877系列的單片機(jī)為核心的控制模塊實(shí)現(xiàn)接觸器的可控分?jǐn)嚅_距功能?？刂齐娐吩韴D如圖5所示。

具有可控開距的接觸器的控制過程分為吸合、保持和分?jǐn)?個(gè)過程。

在吸合過程中，為了克服反力快速吸合，控制主電路通過接口U3輸入交流220 V電壓，并通過整流模塊VD4和電容C1進(jìn)行交流電壓的整流濾波，通過MOS管VT1輸出穩(wěn)定的直流高電壓，通過接口U2輸出至接觸器的控制線圈。在直流高電壓的驅(qū)使下，線圈產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁吸力，吸合動(dòng)鐵心同時(shí)帶動(dòng)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)，直至動(dòng)、靜觸頭完全閉合，主回路接通。

吸合之后，通過不斷輸出直流低電壓以維持觸頭的閉合狀態(tài)。單片機(jī)控制MOS管VT1斷開直流高電壓，同時(shí)MOS管VT2接通，低壓直流電通過接口U4輸入至整個(gè)控制回路，通過二極管VD5、VD2、VD8形成回路，再由接口U2輸出至接觸器的控制線圈以保持其通電狀態(tài)。接觸器吸合及保持過程中線圈電壓與電流波形如圖6所示。

分?jǐn)鄷r(shí)，根據(jù)采樣模塊識(shí)別主回路電流的大小，通過單片機(jī)模塊進(jìn)行電路分?jǐn)囝愋瓦壿嫹治?，?duì)MOS管執(zhí)行不同的開斷策略。若是分?jǐn)囝~定電流，則關(guān)斷MOS管VT2，通過控制開斷MOS管VT1輸出多段延時(shí)固定、寬度固定的高壓電流脈沖，使電磁系統(tǒng)產(chǎn)生電磁吸力，在復(fù)位彈簧回復(fù)力

和電磁吸力的共同作用下，動(dòng)鐵心速度降低，觸頭穩(wěn)定打開至額定狀態(tài)開距位置;若是主回路傳感器檢測(cè)到短路電流，則MOS管VT2關(guān)斷且MOS管VT4打開，線圈通過U2、VD6、VT4、VD3形成回路釋放剩余電流，鐵心釋放，動(dòng)、靜觸頭分?jǐn)?，主回路斷開;同理，檢測(cè)到過載電流時(shí)，單片機(jī)模塊也會(huì)根據(jù)過載電流的大小，通過MOS管VT1輸出不同寬度大小的電流脈沖至接觸器線圈以控制觸頭開距。

4"實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

具有可控開距的接觸器本體如圖7所示。對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。

動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括接觸器分?jǐn)鄷r(shí)間和分?jǐn)嘤|頭位移速度以及線圈電壓、電流波形等。由電源模塊、變壓整流模塊、控制電路模塊、單片機(jī)模塊、上位機(jī)、鹵素?zé)簟⑹静ㄆ?、高速攝像機(jī)和接觸器樣機(jī)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成采集可控開距的接觸器樣機(jī)在不同分?jǐn)嚯娏飨碌奈灰茢?shù)據(jù)。在接觸器樣機(jī)的觸頭上貼上標(biāo)記點(diǎn)，在控制模塊的控制下分?jǐn)嘟佑|器，由上位機(jī)和鹵素?zé)襞浜细咚贁z像機(jī)采集接觸器在分?jǐn)噙^程中的一系列標(biāo)記點(diǎn)移動(dòng)圖像，經(jīng)過圖像處理軟件Image-Pro Plus處理并采集標(biāo)記點(diǎn)位置，得到相關(guān)接觸器觸頭的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示。

在接觸器樣機(jī)的線圈控制回路中，連接1 Ω的采樣電阻，通過示波器測(cè)量采樣電阻的電壓波形以得到線圈控制回路的電流波形?？煽亻_距接觸器分?jǐn)嗖煌骰芈冯娏鞯木€圈電壓波形如圖9所示;可控開距接觸器分?jǐn)嗖煌骰芈冯娏鲿r(shí)的線圈電流波形如圖10所示。由圖9、圖10可見，采樣電阻的初始保持電壓為15 V，吸持電流為0.2 A，隨后斷開控制線圈的電流，線圈通過續(xù)流回路釋放剩余電流并產(chǎn)生反向過電壓，在動(dòng)鐵心分?jǐn)嗟倪^程中施加直流310 V、脈沖寬度不同的短暫電壓脈沖，接著繼續(xù)通過續(xù)流回路釋放剩余電流，而此時(shí)動(dòng)鐵心在反力彈簧的作用下繼續(xù)分?jǐn)噙\(yùn)動(dòng)，并在剩磁的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)反電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)方向與施加的線圈電壓脈沖方向相反，導(dǎo)致電壓呈現(xiàn)跌落狀況。

可控開距接觸器分?jǐn)嗖煌娏鲿r(shí)的位移曲線如圖11所示。由圖11可見，可控開距接觸器樣機(jī)分?jǐn)喽搪冯娏鲿r(shí)觸頭開距可以達(dá)到8.4 mm，并且在達(dá)到最大開距時(shí)存在一穩(wěn)定的平臺(tái)，即存在約15 ms的打開大開距時(shí)間，隨后回彈至約

4.0 mm的開距，最后趨于穩(wěn)定5.5 mm的開距;在分?jǐn)嗖煌^載電流時(shí)，給予線圈不同脈沖，打開的開距大小也不同，并且過載電流越小，開斷時(shí)間也越短;而分?jǐn)囝~定電流時(shí)，其分?jǐn)嘧畲箝_距僅為6.5 mm，并且不存在穩(wěn)定平臺(tái)，能夠快速恢復(fù)至額定開距5.5 mm，整個(gè)過程的分?jǐn)鄷r(shí)間大概為30 ms。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，開關(guān)能夠可靠地分?jǐn)啵⑶曳謹(jǐn)鄷r(shí)的開距滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

改造后的接觸器與原接觸器的參數(shù)對(duì)比如表1所示。其中釋放時(shí)間為打開不同開距時(shí)的時(shí)間，包括分?jǐn)喽搪冯娏鏖_距的時(shí)間，故釋放時(shí)間差距較大。表1中，改造后的接觸器保持功率大幅度下降，吸合時(shí)間基本不變，在打開額定開距時(shí)釋放時(shí)間略有增大。

5"結(jié)"語

通過對(duì)普通接觸器的結(jié)構(gòu)改造以及控制電路的設(shè)計(jì)，使得該接觸器具有分?jǐn)囝~定電流、過載電流以及短路電流的能力，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果符合該接觸器的設(shè)計(jì)目標(biāo)。理論與實(shí)踐工作表明，本文設(shè)計(jì)的具有可控開距的接觸器以及其控制模塊具有一定的工程實(shí)用性，對(duì)一體式接觸器的深入開展研發(fā)具有參考價(jià)值。

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收稿日期： 20230910