淺析接觸器線圈保護在電力機車設計中的應用

霍 虹

（湖南鐵道職業技術學院，湖南株洲412000）

0 引言

隨著機車產品的不斷更新，交（直）流接觸器作為機車產品不可或缺的元器件之一，在機車產品中應用愈加廣泛，種類也越來越多。但在運用過程中，發現接觸器在閉合和斷開的過程中容易出現電磁線圈過流、過壓導致線圈燒損情況。

本文主要以HXD1C型機車牽引系統、HXD3C型機車列供柜中主電路所應用到的典型接觸器為例，對不同接觸器所采用的線圈保護電路進行淺析。

1 接觸器原理介紹

接觸器利用電磁原理通過低電壓控制高電壓，當其吸引線圈通電后，線圈電流產生磁場，使接觸器的鐵芯和銜鐵之間產生電磁吸力以克服復位彈簧的反作用力而吸合，帶動主觸點閉合以及輔助觸點的狀態轉換（常開點閉合，常閉點斷開）；當線圈上電壓消失時，電磁吸力消失，在復位彈簧的作用下，主觸點斷開，輔助觸點復位，接觸器處于切斷狀態。

接觸器因可快速切斷交（直）流主回路、可頻繁地接通大電流電路，所以經常應用于電力機車高壓主回路設計中。接觸器不僅能接通和切斷電路，而且還具有低電壓釋放保護作用。其中按控制線圈劃分，由交流電源控制的稱之為交流接觸器，由直流電源控制的稱之為直流接觸器。

2 接觸器線圈分析

在接觸器吸合的過程中，開始時由于處在斷開狀態，接觸器的鐵芯和銜鐵之間的空氣氣隙最大，此時接觸器磁路的磁阻Rm最大，磁導Am最小，所以線圈電流I（啟動電流）最大；在轉換的中間階段，接觸器的鐵芯和銜鐵之間的空氣氣隙由于吸合而逐漸變小，此時接觸器磁路的磁阻Rm也逐漸變小，磁導Am逐漸變大，所以線圈電流I在此階段也逐漸變小；當接觸器完全吸合時，接觸器的鐵芯和銜鐵之間的空氣氣隙最小（鐵芯和銜鐵的端面緊緊地吸合在一起，氣隙幾乎消失），此時接觸器磁路的磁阻Rm最小，磁導Am最大，所以吸合時線圈電流I（吸合后電流）最小。

當接觸器線圈電源切斷時，線圈電流是從吸合電流降到零，因此在接觸器從吸合狀態轉換到斷開狀態的過程中線圈在交流接觸器中，線圈電流電流變化正好與吸合過程相反。

另外，由于線圈電感有儲能作用（所儲能量為1/2Li2，i為線圈中流過的瞬時電流值），當線圈斷電后，該能量釋放將產生感應電動勢，形成過電壓。

在直流接觸器中，接觸器從斷開狀態轉換到吸合狀態的過程，線圈得電啟動的開始階段由于電感中電流不能突變，直流接觸器線圈的電感較大，故其電流是個從零上升到U/R電流值的爬坡過程（陡度與線路電阻值R、線圈電感L有關）；在接觸器狀態轉換的中間階段到接觸器完全吸合時，線圈的電感作用已過，線圈電流趨于定值U/R。

直流接觸器動作吸合以后，由于線圈電感不再產生反電勢，所以常在其動作后串入限流電阻以限制線圈電流。但直流接觸器線圈儲存的能量為1/2Li2，其中i為定值U/R。當直流接觸器線圈斷電后，該能量釋放將產生比較大的過電壓（感應電動勢）。

3 接觸器保護電路的類型

為消除此過電壓的影響，通常會對線圈并聯相應的保護電路。常見的保護電路有RC阻容吸收回路、二極管組合回路、變阻器保護電路等。

3.1 RC阻容吸收回路

如圖1所示，在接觸器電磁線圈兩端并聯一組RC元件電路可以有效控制線圈dv/dt的敏感輸出階段，可以抑制線圈在通斷時過高的瞬間電壓，使電壓緩和過渡。

3.2 二極管組合回路

如圖2所示，在線圈兩端并聯續流二極管可以解有效解決線圈過壓問題。當流過線圈中的電流消失時，線圈產生的感應電動勢通過二極管和線圈構成的回路做功而消耗掉，從而保護線圈電路的安全。

在直流接觸器中關斷過電壓主要是通過在線圈兩端反向并聯二極管電路來實現。在使用中常會用由二極管和齊納二極管組成二極管組件后，使接觸器線圈不會出現開關過電壓。

3.3 變阻器回路

圖2 二極管組合電路及波形

如圖3所示，通過在線圈兩端并聯一個變阻器也可以有效控制過電壓。實際使用中通過并聯壓敏電阻來實現，當線圈開關產生過電壓超過壓敏電阻門限電壓時它們將導通，從而消耗線圈電感的能量使過電壓得到有效控制。

圖3 壓敏電阻電路及波形

4 接觸器保護電路的實際應用

在HXD1C機車TGA9型牽引變流器主電路上所使用的線路接觸器為意大利MS公司的LTH800型接觸器（圖4），線圈控制電源為DC 110 V。該接觸器的電磁線圈上自身并聯了一個壓敏電阻（S14K140型，門限持續電壓為AC 140 V或DC 180 V）。故當線圈開關時瞬時電壓達到門限值時，壓敏電阻將起到過壓吸收作用，同時消耗掉線圈電感的部分能量。

圖4 短接接觸器及電氣圖

在HXD3C機車列供柜內裝有一類真空接觸器（EVS701/1-110DC），真空接觸器線圈保護原理和前述有些區別。

對于該真空接觸器，控制電源為DC 110 V，選取一個接觸器測得線圈阻值42.2 Ω，電阻R阻值為382 Ω，在給線圈通電DC 97 V時，測得閉合和斷開瞬間線圈（A1：A2）間的電壓有127 V的突變。在閉合完全后線圈兩端電壓為9.7 V，保持電阻R兩端電壓為87 V，從而可以計算出在閉合瞬間線圈最大電流可以達到3.01 A，閉合后串聯入保持電阻電流值減小到0.23 A。接觸器在正常工作時線圈得到有效保護。

在實際運用中，為了進一步保證接觸器線圈不被過電壓損壞，常會在接觸器線圈兩端增加一個過壓吸收組件，如圖5所示，結合過壓吸收組件的應用可以充分使接觸器線圈工作在安全狀態。

圖5 過壓吸收組件

該組件由一個反向連接的二極管D和一個壓敏電阻（14K201型）VDR并聯后再與一個50 Ω的電阻R串聯組成。二極管導通電壓0.5 V，壓敏電阻門限AC 130 V或DC 170 V。壓敏電阻起到線圈得電時過壓吸收作用，二極管和電阻可以在線圈斷電時將線圈感應電動勢以電流的形式消耗掉。目前HXD1C機車TGA9型牽引變流器柜和TGF60型列供柜內主電路中都用到了此種過壓吸收組件來減小過電壓對接觸器線圈的影響。

5 結語

本文主要討論了接觸器的電磁線圈過壓保護問題，介紹了RC阻容型、二極管型、變阻器型保護電路，RC阻容型電路適合交流/直流接觸器；二極管型電路適合直流接觸器；變阻器型電路適合交流/直流接觸器。過壓吸收組件是一種典型的直流接觸器線圈過壓保護電路，在機車中得到了很好的運用，合適的線圈保護電路可以有效延長接觸器的使用壽命。