交流接触器的智能化综述

•智能电器•

交流接触器的智能化综述

卜浩民

(上海良信电器股份有限公司，上海201206)

摘要：因技术、成本及推广等原因，交流接触器智能型的产业化进程较断路器稍

有滞后，但是随着“中国制造2025”和“工业4.0”的推进，应用侧需求的拉动，必将促进 智能接触器产业化的进程。从对交流接触器主要结构和工作过程分析出发，提出了接 触器智能化要解决的主要问题，归纳了实现智能化的几种方案，介绍了这些方案在接 通、分断、寿命预测等接触器最重要的工作过程中的解决途径。最后就接触器的无触 点发展做了展望。

关键词：交流接触器；智能化，■接通控制，■分断控制，■寿命预测

中图分类号：TM 562文献标志码：A文章编号：2095-8188(2017)01-0032-07

DOI: 10. 16628/j. cnki. 2095-8188. 2017. 01.006

卜浩民（1941一）， 男，主要从事继电 器、接触器、断路器 等各类低压元件的 研发与技术管理。

A Review of the Intelligent AC Contactor

BU Haomin

(Shanghai Liangxin Electrical Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

Abstract ： Due to the technology, cost and promotion such causes, the intelligent industrialization process of AC contactor is slower than circuit breaker. But under the promotion of u Made in China 2025and ‘‘Industry 4. 0”， from the pull of application side, it will promote the process of industrialization of intelligent contactor. This article is starting from the main structure of the AC contactor and working process. Point out the main problem which need to be solved during the process of the contactor intelligence. Finalized several proposals to realize the intelligence. And introduce solutions of these proposals in connection, breaking, life prediction etc. these most important working process of contactor. Finally,do the prospect for the development of contactor without contacts.

Key words ： AC contactor ； intelligence ； connection control ； breaking control ； life prediction

〇引言

交流接触器是控制电器中最主要的产品，是 使用量大、面广的基础元件产品。在低压电器的 智能化进程中，相比断路器而言，接触器的智能化 进程稍有滞后，其中有技术原因，也有成本的原

因。伴随“中国制造2025”和“工业4. 0”的推进， 以及工业自动化的普及和适应智能制造的要求， 提升接触器的可靠性、使用寿命和对其运行过程 的监测、控制的要求，必将促进接触器的智能化进 程。发展智能型接触器是接触器技术和产业发展 的趋势。

随着技术进步，采用微电子技术、电力电子技 术、现代通信技术解决上述问题已成为可能。近 年来，各方研究人员先后提出了多种接触器智能

—

32 —

化解决方案，这些方案的原理、性能和成本各有特 点。本文将多种交流接触器智能化解决方案作一 归纳介绍。

1交流接触器工作过程分析

交流接触器的工作过程包括吸合（接通）过

程、吸持(保持)过程和释放（断开）过程三段。接 触器吸合时，电磁铁的吸力必须能克服主反力弹 簧、触头弹簧和辅助触头动作弹簧这三类弹簧的 合反力，且要保证在允许的最低吸合电压下也能 可靠吸合，因此在正常额定控制电压、甚至（允许 的）最高吸合电压下吸力余度就会很大，这就会 造成吸合时铁心（衔铁与轭铁）过大的撞击，也带 来动、静触头猛烈撞击和弹跳，其结果是接触器机 械寿命降低（铁心变形，甚至使轭铁极面上的分

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磁环损坏），也使电寿命降低（触头弹跳产生的电 弧加速触头磨损），严重时造成触头的熔焊。接 触器的（交流）电磁系统因其衔铁开距的变化，它 的启动功率与保持功率之比可达数十倍。

接触器闭合后，由于交流电的作用，尽管轭铁 极面有分磁环(短路环），但还是会产生铁心吸合 后的振动及由此造成的噪声。同时因线圈吸合和 保持通电而消耗电能（相对而言，触头主回路的 压降消耗的电能就微不足道了）。

接触器释放而断电时，伴随触头间产生电弧 的灼烧和强电场的作用，触头材料被转移（磨 损），形成电寿命的损耗。

2接触器智能化要解决的问题

从接触器工作过程的分析可知，接触器智能

化主要需解决的是：

(1)

处理好对闭合、吸持和分断三个阶段的 控制:避免或减少闭合时的触头弹跳;实现微弧甚 至无弧分断，从而提高接触器的寿命;降低能耗， 降低噪声。这些都是接触器运行本身要解决的基 本问题。

(2)

对运行状态作实时监测、故障报警、寿命

预测，采集运行中电源侧和受控负载侧的即时参 数，与控制中心实现双向通信，使单台接触器的运 行融人整个系统运行中，接受系统的统一管理。 这些都是智能接触器应具备的功能。

3交流接触器的智能化方案

交流接触器的智能化方案除了均具有以 CPU为核心的控制（系统）单元外，按其主回路结 构分为两大类:传统结构式和混合结构式。

传统结构式是指接触器原有的主触头系统基 本没有改变，但它的电磁系统由单片机控制，通过 交流选相合/分闸或直流控制实现微弧或零弧通 断和运行中的监测、（自身）保护等功能，也可加 设通信接口，完成信息交换和状态受控。

混合结构式的含义是指接触器的主回路是由 无触点的电力电子器件和传统的主触头混合组 成，接触器主触头旁并联晶闸管，通过单片机的精 确控制，在接通时使晶闸管先导通，触头后闭合; 分断时在晶闸管导通的时段中打开触头，之后晶

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闸管再关断，从而实现无电弧通断。它的其他功 能与前述传统结构式类同，具有监测、保护、通信 等功能。

4

传统结构式智能交流接触器的

通断

在传统结构的交流接触器基础上，从结构上

使首开相触头开距大于非首开相，并控制它们的 闭合时差约5 mS;对控制系统进行改造，用单片 机控制接触器的合闸、保持和分闸过程。采用交 流选相合闸或直流控制合闸，以低电压直流保持 吸合和对主回路选相分闸。

4.1

接通控制

4.1.1 交流励磁合闸

(1)

闭环反馈控制。以微处理器对合闸过程

实现闭环控制。闭环控制的反馈参数可以是加速

度、速度等机械参数，也可以是铁心磁通的磁参

数，还可以是线圈电流、电压等电参数。通过反馈

信号调节吸力与反力的配合，达到铁心和触头闭 合的零速度“软着陆”。

(2) 选相合闸[1]。跟随电压的波动，采用电

压反馈，通过改变合闸相角来实现恒流控制，控制

铁心闭合末速度，减少触头振动。此方案的关键

是要保证选相的精度，当电压频率发生波动时，就

会产生移相角的偏差，导致达不到选相合闸的预 期效果。一种处理方法是对采样电压信号、采样 点数，通过快速傅里叶变换，测算出实际频率：

式中：k—一傅里叶变换中得出的绝对值最大的

实部和虚部组数位置；

/-一采样（

标准）频率；N—一采样点数。

继而算出实际频率下的选相合闸时刻：

t _ _ h + nT。 (2)

2耐0式中：V一合(分）

闸相角；y一当前电压所在相位角；

一接触器闭合（断开）的电磁、机构的

固有动作时间；

T~一电压信号周期；n一(任意)正整数。

—33 —

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4. 1.2 直流励磁合闸

(1)

直流励磁的优点[2’31。相对比较，交流励

磁的能量可控性差、能量损失大且噪声大，直流励 磁在耗能和噪声方面具有显著优势，而且在直流 下分断的时间稳定，能提高控制精度。直流铁心 制造时省却铁心极面的短路环制造和安装，工艺 相对简化，又避免了分磁环（短路环）一大可靠性 的隐患，因此现在节能型接触器大多采用直流励 磁方案。

(2)

直流励磁闭合的三个阶段[2fle交流电

输人，经整流和数字变换后输出方形宽脉冲直流 电压，通过对特性匹配反馈控制实现与反力特性 的良好配合。智能控制单元的结构包括电源AC/

DC模块、数据采集模块、处理器模块、线圈 模块、铁心和机械传动系统，此结构框图如图1 所示D

—

控制

--- -数据采集

图1智能控制结构框图

闭合过程为:接通的第一阶段，输出较宽的矩 形脉冲电压加于线圈上产生较大的吸力，使衔铁 获得较大的动能而起动、加速;衔铁起动后进人第 二阶段，随着铁心间距减小、反力增大的同时逐渐 减少电压脉冲的占空比，使电流逐渐减小、吸力下 降，铁心和动触头闭合的速度随之减小而大大降 低它们的撞击能鐘，实现“软着落”，从而减小或 避免触头弹跳;在触头闭合后，进人第三阶段，以 电压脉冲占空比更小的低电压保持运行状态，达 到既无声又节能的运行效果。整个动作过程是在 对机械特性（速度、加速度、位移）、磁特性（铁心 中的磁通、磁通密度）和电特性（线圈的电阻、电 流)参数不断监测及反馈、并作出即时控制调整 中实现的。由智能控制单元控制的接触器能使触 头碰撞速度在输人宽电压范围内几乎为常数。从 通电励磁直到吸合保持过程的线圈控制电压的变

化示意如图2所示_—34 —

图2线圈控制电压变化示意图

4.2分断控制

4.2.1电流过零点断开

为实现微电弧甚至零电弧分断，必须使触头 在（主回路）电流过零时以足够的速度断开。由 于三相电流存在相角差，因此三相触头应该错时 断开。在三相电路中，爾首开相断开后，回路电流 就转化为另两相的线电流，而且该线电流较首开

相恰落后四分之一相位角。研究表明，非首开相 的每对触头上承载的电弧能量较首开相大幅减 小。于是只要从设计和制造工艺上保证首开相触 头的开距略大于另两相触头开距（其超程就小

了），触头不同步接触器如图3所示，控制它们的 开断时差约为5 ms( 1/4周波），那么只要控制首 开相触头在电流零点之前某时刻断开，就可使另 两相触头也在零电流附近断开，即实现了微电弧 或零电弧分断。M相电流的波形图如图4所示， 图4中，首开相是B相，过零分断时即形成A、C 相的线电流过零后5 ms，。也过零e

图3触头不同步接触器

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0

0.005

0.010

\"s

0.015 0.020 0.025

图4三相电流波形

4.2.2分断控制的关键点[4]

触头分断过程中，一方面是经过电弧被拉长、 冷却、熄灭和间隙介质绝缘恢复的过程;另一方面 是由于间隙电压恢复、电场重新建立、介质重击穿、 电弧重燃的趋势，这对矛盾的博弈结果就是触头分 断的宏观表现。因此在微电弧或零电弧分断的具 体实施中，应避免触头打开初期恢复电压对间隙的 绝缘击穿而引起电弧重燃的后果，于是对首开相的 断开时间应控制在电流过零前的某一时刻(例如过

零前0.5 ms左右），分断过程如图5所示。单片机 监测到电流过零时，经其延时及运算~时段后发 出断开指令，吸持回路失电经~时段触头打开，触 头打开至电流过零为^时段。例如^ 5 ms，这样触头打开时电流正在趋向零，仅产生微弱电弧， 经约0. 5 ms后电流过零、电弧熄灭，当电压恢复 时，触头已打开有足够开距而避免绝缘重击穿。

完成此过程的关键有：

(1)保证合适的触头打开瞬间至电流过零的

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时段^，该段时间越短，电弧能量越小，就能在电

流过零时熄灭，但若过分减短^时段，虽然因电 弧能量足够小而电流过零熄灭，但随着电压恢复， 因触头（正打开中）开距还不够大而可能导致又 被绝缘击穿、电弧重燃。故必然存在一段零电弧 分断的触头最佳断开时段，即^的取值范围。研 究提出了 ^取(0.2〜0.6)ms的时间区段。由于

接触器电磁、传动、触头系统的动作总存在一定的 分散性，也需要合闸最佳时间允许有一个范围，微 电弧或零电弧分断才能实现；

(2) 控制好因为接触器的释放时间受制于 其电磁系统、触头系统和机构传动系统，这些系统 的动作时间及其一致性与制造工艺相关，所以必须 保证材料和工艺的一致性；

(3) 由于接触器运行中因触头磨损及机构磨 损会使^改变，则应能自动调整^进行补偿，保证 时间“窗口'基本不变。

5混合式交流接触器的智能通断

5.1混合式交流接触器的发展

由于控制交流电的通断，电流方向作周期变

化，为解决触头闭合时晶闸管必须是导通的这一 问题，早期提出的混合式接触器[5]是采用每相触 头两端并联两只互为反向连接的晶闸管或一只双 向晶闸管，这样一台三极接触器就需要六只晶闸 管或三只双向晶闸管，因此成本高而更难以推广。 随着数字技术、微电子技术和电力电子技术的进 步，提出了通过对导通角的精确控制，实现每相并 联一只晶闸管的方案，大幅降低了成本。

5.2

混合式交流接触器的接通

混合式接触器的主电路接线图如图6所示。 合闸的关键是触头必须选择在三相晶闸管导通 中、当其中任意两相为正、一

相为负时的共同导通 区闭合，三相波形图的阴影部分为它们的共同导 通区，如图7所示。由图7可见，在每个周期有三

段合闸“窗口”，相邻两段之间的相角差是60°，每 段的时长约3. 3 ms。触头在晶闸管导通情况下 闭合，从而避免了触头闭合时因振动、弹跳而产生 电弧。触头闭合后，因其阻抗远小于导通晶闸管 的阻抗，所以电流主要从闭合触头中流过，此时因 晶闸管两端的压降近于零，不能维持导通而关断。 晶闸管回路中的电流互感器能实时监测晶闸管中

的漏电流，以保持接触器的正常运行。其起动吸 合过程程序如图8所示。

—

35 —

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5.3混合式交流接触器的分断

分闸时，触头也必须在三相晶闸管的共同导 通区内断开。接到分闸信号后单片机先检测主电 路某相电流的零点，然后按主回路不同相的电压 相序延时不同时段，触发晶闸管导通，选择在晶闸 管的共同导通区使触头打开，在触头打开的过程 中，随着触头压力减小、接触电阻增大、触头压降 增大，当压降增大到一定值时（例如6 V左右），

图7

三相电压波形及晶闸管共同导通K

主电流将转移到晶闸管上，触头实现无弧分断。

分闸过程见图9程序。

图8混合式交流接触器吸合过程方框图

图9混合式交流接触器分断过程方框图

6 “半混合式”智能交流接触器

上述混合式智能交流接触器能解决零电弧分 断，但需增加配置3只大功率晶闸管及其相关设 备的成本;前述“传统结构式”智能交流接触器实 现零电弧分断必须使首开相触头打开瞬间至电流 过零的时间间隔控制在0.2〜0.6 ms,但即使是 制造精度较高的接触器，电磁机构本身也存在约 0.4 ms的动作离散性，因此存在首开相触头分断 时刻超出最佳“时间窗口”的风险，这时零电流分 断将失败Q为避免零电流分断失败，又提出仅在 首段两端并联一只单向晶闸管的方案，如图10 所示。它既不同于传统结构，也不同于三相均并 —36 —

6 〇

A B

〇

C

^I负载I—

图10 “半混合式”接触器主回路

联晶闸管的混合式结构，暂且称为“半混合式” [6] 〇

吸合时采用选相合闸，使吸反力良好配合而 减少触头弹跳。完成吸合后转为直流低电压的吸 持，实现节电无声运行。释放时，除了触发并联在 首开相触头两端的晶闸管导通外，其余程序类同 传统结构式智能接触器的分断动作。单片机接收

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到分闸指令后立即监测主回路电流过零时，发出

导通晶闸管的控制信号并保持晶闸管约15 ms的 导通时间，同时经图5的延时及运算^时段后发 出接触器断开指令，吸持回路失电经^时段首开 相触头打开，通过对^的调整使从触头打开至电 流过零的^时段控制在〇. 5 ms左右。即使首开

相触头打开时间超出实现零电弧的“时间窗口”， 由于处于晶闸管的导通期内，仍能保证无弧分断， 从而克服了因电磁及传动机构动作离散性大而使 零电流分断失败的不可靠性。由于只有一只晶闸 管，就不存在选择共同导通区的要求。

整个分断过程见图11的程序。

图11半混合式交流接触器分断过程方框图

7其他智能化功能

智能接触器除了改善闭合、保持、断开性能

外，还应该具备对电源及受控负载参数监测、自诊 断、故障预警、寿命预测等功能，并通过通信功能 将接触器的运行融人整个系统。这些监测、诊断、 预警的实现手段，应用了基于电子技术的各种传 感器、执行器组成的底层现场总线技术。作为发 展趋势，无线通信技术的应用，因其省却大量接线 而使维护更方便而且提高了可靠性。

寿命预测是接触器运行中亟待解决的功能， 智能接触器应该具备此功能。表征接触器使用寿 命的关键参数是其触头的磨损量，磨损量的变化 引起超程的变化，因此通过监测触头超程的变化 量可预测接触器的寿命。监测接触器闭合（或断 开）过程中，线圈回路和触头回路电流的几个变 化点的时刻，即可得出超程的变化量。以对接通 过程波形变化的测量为例，线圈和主回路的电流 波形示意图如图12所示，线圈得电后衔铁起动前 是电流上升期，磁系统集聚能量，直至衔铁开始起 动时刻^电流达到最大值，之后因铁芯开距减小 而电流下降，铁芯带动动触头向静触头运动，直至 所测相（例如A相）动静触头闭合、主回路电流突 然增大的时刻为L，触头闭合后线圈电流随着衔 铁开距继续减小而减小，直至衔铁完全闭合而电 流减至最小的时刻L，如果衔铁总行程为D，那么 就可计算出触头超程AD:

式中：p

一

AD = (/n _ 衔铁总行程；

衔铁完全闭合的时刻；

A相触头闭合的时刻；

(3)

tn—tA—

tp---线圈电流达到最大值时刻。当低于预定值时发出报警即可。

8无触点交流接触器的展望

从20世纪50年代末晶闸管问世、特别是大

功率电力电子器件的技术发展，由于半导体电力 电子器件具有不产生电弧、工作寿命长、操作频率 高、开关速度快、无噪声等优点，70年代以来，就 不断有接触器的无触点取代有触点的讨论，结论 是在现有硅元件的技术条件下，无触点还不能取 代有触点接触器，特别是大容量接触器更无取代

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的可能。原因主要有：

(1)

电子器件太“娇气”。一旦稍大的过电压或过电 流出现，晶闸管可能被击穿而损坏。

(2) (3)

电气上达不到“可靠绝缘”和隔离的要求。大，带来本身发热和解决散热、降温的问题。

但是随着第三代半导体新材料的出现，以上 问题可能有望得以解决。

第三代半导体是“宽禁带”半导体材料，半导 体材料的禁带是指其“价带”最高点与“导带”最 低点之间的能级宽度，禁带宽达到2. 2 eV及以上 为宽禁带。“宽禁带”是第三代半导体材料的 最主要特征，主要有SiC、GaN、ZnO及金刚石等。

以SiC为例，宽禁带半导体材料具有如下 优点：

⑴因为它的禁带宽，达到3. 3 eV(3倍于

能将得到很大提高，它的良导电性、良导热性，耐 基电力电子器件的缺点，在制造大功率器件方面 更具优势。随着宽禁带半导体技术和产业发展、 子器件取代有触点的接触器的前景应该是看

热性和高环温可靠性等方面，均能够弥补原来硅 在承受电压和（或）电流的浪涌能力上，

截止的晶闸管总存在一定的漏电流，在 成熟，器件的成本会逐渐降低，那么以这种电力电 导通的晶闸管因导通阻抗形成的功耗较 好的。

9结语

文章分析了交流接触器实现智能化的重要

性，并结合我国电力电子技术的快速发展，从技术 和成本两方面探讨了实现智能化的可行性。文章 从交流接触器的工作原理和实际操作过程分析了 智能化实现的主要途径，提出传统结构式、混合结 构式、半混合式等几种智能化方案，详细分析了这 几种方案实现的理论依据和具体实施过程。最后 对无触点的纯电力电子器件构成的大功率交流接 触器的发展趋势进行预判。对业内同行具有一定 的指导作用。

Si)，电子跃迁困难，所以能耐受更高的（10倍于 Si)击穿电场强度，以此做出的电力电子器件能耐 高得多的峰值电压。

(2) (3) (4) 150 °C) 〇

(5) 高的化学稳定性。(6) 抗辐射能力强。

可见，宽禁带半导体材料的各项性能远优于 传统的硅材料，取代硅基半导体器件是发展趋势。 用它制成的电力电子器件在耐过电压和耐涌流性所以导电率极高，于是导通时功耗低、发热少。的器件散热性好、温升低。

【参考文献】

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有高饱和的电子漂移速率(2.5倍于Si), 优良的热导率(3. 3倍于SO,所以做成

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收稿日期：2016-09-01

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