谢宝河，黄蔚偈，刘向军

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108)

1 前言

低压电器的开关电弧是影响电器寿命以及电器安全可靠运行的关键因素，研究如何使电器实现少弧甚至是无弧，对于提高电器电寿命具有极其重要的意义。

接触器是一种用于远距离频繁地接通和分断交直流主电路及大容量控制电路的电器，主要控制对象是电动机，在低压配电、控制中应用非常广泛［1－3］。频繁切换主电路负载时产生的电弧决定了接触器的电寿命长短，如何使接触器的通断实现少弧甚至是无弧成为电器研究者们孜孜不倦的追求。晶闸管等无触点开关器件由于其具有开关速度快、工作可靠、能与逻辑电路兼容等优点越来越多被应用于控制上。由于晶闸管等电力电子器件导通时仍存在电阻，尽管数值不大，但在长时间通大电流时晶闸管会发热，严重时会导致晶闸管烧毁。因此，考虑将晶闸管并联在接触器主触头两端，并适时地触发晶闸管导通、关断，使接触器既能实现无弧或少弧接通和分断，又不至于使晶闸管长时间大电流情形下工作而烧坏［4，5］。

现今已有用单片机控制触发晶闸管实现开关过程中无弧接通和分断的智能型混合式交流接触器的文章，如新型智能混合式交流接触器［2］、智能混合式无弧交流接触器的研究［3］等，和专利“智能型混合式交流接触器［4］”(专利号 CN00242121.6)，采用单片机系统对采用两个或三个晶闸管的混合式交流接触器进行无弧分断的控制，这些都是很好的方案。但是由于这些方案实现的是智能控制，控制系统复杂，且成本较高，至今未有成熟的产品投入市场。本文提出一种新的混合式交流接触器控制方案，利用以光耦为核心的简单的控制电路实现对晶闸管导通和关断的控制，从而无弧地通断电路。与单片机控制触发晶闸管方式相比，具有成本低、控制方法简单、易产品化等优点。本技术已获得中国实用新型专利(专利号:CN200910306608.6)［6］。

2 工作原理

本文采用电容降压，电容储能，控制电路采用光耦实现接触器线圈励磁电源与三相主电路的隔离，并为三相双向晶闸管提供光耦控制的开关信号，无须专门配置电源与电流互感器。控制原理框图如图1所示。交流220V一路直接控制接触器线圈分合闸，另一路由接触器自身的一个常开辅助触头控制，经一个RC电路降压，再经过整流电路，将交流电转变为直流电，为晶闸管触发电路提供电源。触发电路以光耦作为主电路和控制电路之间的强弱电隔离，并以其副边的开关量信号来保证双向晶闸管处于等待导通状态或关断状态。在接触器接通过程中，如果满足接通条件，光耦导通，给双向晶闸管门极一个驱动电流，使晶闸管先于触头导通。当主触头闭合后，利用触头压降远低于双向晶闸管导通压降的特点，电流自动从双向晶闸管转移到主触头上，实现主电路无弧接通，此后晶闸管处于等待导通状态。在接触器分断时，由RC充放电回路中电容放电继续给双向晶闸管门极一个驱动电流信号，使晶闸管仍然处于等待导通状态。一旦主触头打开，晶闸管两端电压高于导通电压，晶闸管导通，使电流从主触头自动转移到双向晶闸管，实现主电路无弧分断。当电容放电电量不满足要求时，光耦副边关断，晶闸管门极不再有驱动电流，此时双向晶闸管过零自动关断。

图1 混合式交流接触器控制原理框图

2.1 晶闸管门极驱动电路电源设计

晶闸管门极驱动电路电源有两种方式提供，一是直接由外界提供一个独立的直流电源，二是通过变压器将交流220V电压降压再整流得到。前者成本高也不实用;后者因变压器体积、重量较大，对空间需求较大，不符合现今对电器日趋小型化的要求。利用电容降压是一种行之有效的方法。其工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来降压。经整流滤波后得到晶闸管门极所需的电压值。该设计方法能够大大减小控制电路体积，并降低成本。考虑到要保证接触器在线圈电压低于额定电压85%时应不动作，此时晶闸管门极驱动电流应在触发电流值以下，否则，晶闸管将导通导致电路接通造成误动作。因此，本设计采用接触器的一个常开辅助触头作为晶闸管触发电路的电源开关。经过对CJ40－63接触器主触头与常开辅助触头的动作参数进行实验测试得出:闭合时，主触头比常开辅助触头先闭合约1.5ms;断开时，常开辅助触头比主触头先断开约2ms。这表明闭合过程主触头先于辅助触头闭合，将辅助触头作为晶闸管触发电路的控制开关将无法实现晶闸管先于主触头导通的目标，闭合过程无法实现无弧接通，但由于闭合时电弧相对较弱，所以本文主要针对接触器无弧分断过程的控制。产品化时，可考虑减小一对常开辅助触头行程，让其比主触头先闭合，这样就可以实现接触器的无弧接通和分断。

2.2 晶闸管触发电路的设计

混合式交流接触器是在三相触头上分别反并联一对单向晶闸管(或接一个双向晶闸管)。在主触头分断电路期间，主电路电流从触头转移至晶闸管，实现触头的无弧分断，从而具有比普通交流接触器高得多的电寿命与操作频率［2］。

本文采用在接触器三相主触头上分别并联一个双向晶闸管的方案。利用光耦将主电路和晶闸管触发电路隔离开来。在分断过程中，常开辅助触头断开，晶闸管的触发电路失电，RC充放电电路中的电容开始放电，光耦导通，晶闸管继续处于触发导通状态，当触头分断时，主电路电压加在晶闸管上，使晶闸管两端电压高于其导通电压，主电路中的电流便从接触器的主触头转移到晶闸管上，从而实现接触器无弧分断。

由于常开辅助触头和主触头的断开延时只有几毫秒之差，故只要设置极小的电容回路放电延时就能够可靠触发晶闸管导通，保证接触器线圈断电后晶闸管门极仍有触发电流。

本文设计的混合式交流接触器的电路图如图2所示。

3 实验测试与结果分析

本实验选用CJ40－63接触器作为研究对象，对控制电路进行实际带载测试。实验测试电路图如图3所示。图中，Z1－Z3表示接触器的三相负载(以星型接法为例)。CT1、CT2、CT3、CT4表示四个电流互感器，其中，CT1用来测试接触器触头信号，CT2－CT4用来测试接触器三相负载信号。用四通道示波器拍摄触头与三相负载电流波形。

图2 混合式交流接触器的电路图

图3 实验测试电路图

图4为示波器实测的电流波形。

图4 示波器实测的电流波形

如图4所示，通道1为接触器主触头信号，通道2～4为三相负载电流信号。从图中可看出，在接触器三相触头断开后，三相负载仍有电流流过，表明接触器主触头电流向双向晶闸管转移。而后，A相(通道2)晶闸管延时导通约10ms后，在电流过零点自动关断;B，C两相晶闸管也在A相电流过零之后的各自电流过零点关断，从而完成了电路的切断，验证了接触器的无弧分断。

4 结论

本文利用光耦的控制与隔离的性能，设计了一种以光耦为控制电路核心的混合式交流接触器，通过实验验证了该方案的可行性。利用接触器自身的辅助触头控制基于光耦的晶闸管触发电路，实现三相触头无弧分断，并保证电压值低于85%额定电压时晶闸管回路不导通，接触器不吸合，大幅提高接触器工作的可靠性以及使用寿命，且控制线路简单，适应性、通用性强，特别是在小容量交流接触器上具有很高的性价比，应用前景广阔。

［1］瞿见喜.智能混合式交流接触器［J］.电工技术杂志，2001(5):50－51.

［2］张培铭，陈从华，郑昕.新型智能混合式交流接触器［J］.低压电器，2001(1):20 －21.

［3］郑昕，许志红，张培铭.智能混合式无弧交流接触器的研究［J］.低压电器，2005(9):10－12.

［4］张培铭，陈从华，郑昕.智能型混合式交流接触器:CN00242121.6［P］.2001－5－2.

［5］孙冰.浅谈交流接触器的节能与长寿命［J］.信息技术，2005(5):80－82.

［6］刘向军，吴功祥，江和，等.基于光耦的混合式交流接触器无源开关驱动控制器:CN200910306608.6［P］.2010－2－10