新型多功能交流接觸器及其控制電路

(昌吉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昌吉 831100)

0 引 言

交流接觸器在工業(yè)生產(chǎn)中大量使用，尤其是中小型低壓交流接觸器應(yīng)用廣泛、場合復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)失壓、缺相、過載、短路等故障，但目前使用的中小型低壓交流接觸器不具備保護功能，不能進行自動檢測切斷控制，時間稍長就會燒毀設(shè)備。要避免故障的發(fā)生，必需增加額外的多種保護器件，使得構(gòu)置費用加大，同時也需要更多的空間安裝保護電器元件。

目前，國內(nèi)外學(xué)者從智能化方面進行了大量研究，文獻(xiàn)[1-3]就接觸器的無觸點發(fā)展和帶通信功能與斬波控制技術(shù)的抗電壓跌落智能控制模塊做了展望和研究。文獻(xiàn)[4]分析了交流接觸器的電壓跌落、控制回路失電的動態(tài)響應(yīng)不確定性。文獻(xiàn)[5-8]分析了交流接觸器電壓跌落、晃電故障下的動態(tài)特性。文獻(xiàn)[9]采用無位置傳感器的方法對永磁接觸器動態(tài)特性進行控制。文獻(xiàn)[10-11]針對由雷擊、短路、電壓跌落等原因引發(fā)的晃電故障易造成交流接觸器誤脫扣,導(dǎo)致連續(xù)大工業(yè)生產(chǎn)過程的非計劃停產(chǎn)事故，提出一種交流接觸器晃電保護的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和智能抗電壓跌落控制模塊，實現(xiàn)晃電故障時接觸器不分?jǐn)嗵l。文獻(xiàn)[12]提出采用邏輯電路實現(xiàn)帶分?jǐn)啾Ｗo裝置的新型永磁交流接觸器，解決永磁接觸器控制回路失電或者退磁線圈出現(xiàn)故障、接觸器無法正常分?jǐn)嗟膯栴}。文獻(xiàn)[13]針對傳統(tǒng)交流接觸器在分合閘過程中會產(chǎn)生電弧的問題，提出了混合式交流接觸器采用雙向晶閘管進行故障檢測的電路，實現(xiàn)無弧或微弧效果。以上研究主要針對電壓跌落、晃電故障、控制回路失電進行接觸器的智能單片機改進設(shè)計，電路復(fù)雜，且沒有涉及設(shè)備斷相、短路、過載時的接觸器自動檢測切斷控制改進設(shè)計。

因此文中提出在不改變現(xiàn)有常規(guī)接觸器電路和基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增裝檢測和控制電路，使其具有斷相、短路和過載保護功能，降低再安裝其他各種保護裝置的成本，杜絕損毀電機等設(shè)備事故發(fā)生。在研究交流接觸器本身電磁線圈回路及觸頭吸合與開斷原理基礎(chǔ)上，通過分析電機三相斷相和過載與檢測控制之間的邏輯關(guān)系，在原接觸器上設(shè)計增加3個電流互感器及1塊檢測控制電路板，電流互感器中心穿過電動機三相電源進線，其二次側(cè)與檢測控制板電路連接。采用簡單邏輯電路，設(shè)計與或運放檢測邏輯判斷電路及雙向晶閘管控制切斷電路，在電機三相中任一相電壓跌落和失壓缺相及各種短路和過載故障時，實現(xiàn)接觸器跳閘控制，避免燒毀電機事故。同時為適應(yīng)不同電機負(fù)載，通過分析不同電機負(fù)載電流與電流互感器變比之間的關(guān)系，設(shè)計了可變過載閾值的調(diào)整電路；為避免晃電故障引起的瞬時電壓跌落和過載引起接觸器誤跳閘的隱患，通過分析瞬時擾動特征，設(shè)計了延時閉鎖電路；為了給交流接觸器線圈回路串接的雙向晶閘管提供觸發(fā)控制信號，采用電機故障時三極管導(dǎo)通嵌位0電位使雙向晶閘管截止的方法，實現(xiàn)電機故障切斷電源；為給與或門運放邏輯檢測控制電路提供直流電源，設(shè)計了降壓濾波整流穩(wěn)壓電源電路，實現(xiàn)電機正常運行供電與故障檢測切斷供電功能。電路仿真及樣品試驗測試結(jié)果驗證了文中設(shè)計的多種保護功能電路結(jié)構(gòu)的正確性及實現(xiàn)接觸器具有電壓跌落保護、斷相保護、短路保護、過載保護的可行性。

1 設(shè)計構(gòu)思

接觸器是用于頻繁接通或分?jǐn)嘟?、直流電路的一種自動化的控制電器。但是目前使用的接觸器其控制性能不夠完善，如電機工作中因各種原因缺相或過載,而接觸器不會使電磁線圈掉電,時間稍長一點就會燒毀電機。這不僅修復(fù)需要費用,更因為再次安裝電機需要耗費時間影響正常生產(chǎn)。因此生產(chǎn)企業(yè)需要性能完善可靠的接觸器。為了節(jié)省安裝其他各種保護設(shè)備的額外投資，降低運行成本，并提高生產(chǎn)效率，文中提出采用簡單的邏輯電路，不改變現(xiàn)有交流接觸器電路和基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計一種集成化的電流檢測電路和電子開關(guān)控制電路串接在現(xiàn)有交流接觸器線圈與主觸頭回路中，使得現(xiàn)有交流接觸器同時具有失壓、斷相、短路和過載保護功能。

1.1 設(shè)計目標(biāo)

(1)多功能接觸器在常規(guī)接觸器上增裝檢測與控制電路，當(dāng)電機設(shè)備運行中一旦發(fā)生缺相或過載時，控制板電路可檢測切斷接觸器電磁線圈供電，接觸器跳閘，杜絕損毀電機事故發(fā)生。

(2)能夠使各種負(fù)載的電機因各種原因產(chǎn)生的缺相或過載的檢測和控制均準(zhǔn)確可靠。

(3)多功能接觸器與常規(guī)接觸器相比需要外形變化不大，使用方法相同，用戶容易接受。

(4)為避免瞬間過載造成不必要的停機，需要設(shè)計延時電路消除誤動。

(5)當(dāng)電機設(shè)備運行正常，沒有檢測到缺相或過載時，接觸器必須正常工作。

1.2 設(shè)計構(gòu)思與實現(xiàn)方法

1.2.1 交流接觸器線圈的改進接線方法

在交流接觸器主電路中，有1個交流線圈和三個接線端子D、E、F，如圖 1(a)所示，交流線圈接在D與E之間，在接到合閘信號時，交流接觸器線圈供電，接觸器觸頭合閘；在接到分閘信號時，交流接觸器線圈失電，接觸器觸頭分?jǐn)?。采用一個雙向晶閘管串接在如圖1(a)所示的交流接觸器線圈E、F回路中，改進接線如圖(b)所示，交流接觸器線圈的供電與失電受雙向晶閘管導(dǎo)通與截止控制。

圖1 交流接觸器線圈回路及改進接線示意圖

1.2.2 缺相和過載檢測與接觸器跳閘控制方法

在原接觸器上增加3個電流互感器及1塊控制電路板，如圖2所示，三個電流互感器中心穿過電機的ABC三相交流電力線，并將三個電流互感器與控制板電路連接，進行缺相和過載檢測，采用一個雙向晶閘管用于控制接觸器的電磁線圈供電與切斷。

圖2 控制電路接線圖及樣品圖

控制板上的眾多電工元件由電路連接成檢測和控制與電源部分，設(shè)計或門檢測電路實現(xiàn)設(shè)備ABC三相中任一相電壓跌落和失壓缺相檢測，設(shè)計與門檢測電路實現(xiàn)設(shè)備ABC三相各種短路和過載檢測，設(shè)計雙向晶閘管分段控制電路串接在交流接觸器電磁線圈回路中實現(xiàn)電機故障切斷控制，同時為準(zhǔn)確檢測不同電機負(fù)載的過載閾值，設(shè)計可變過載閾值的調(diào)整電路；為了避免晃電故障引起的瞬時電壓跌落和過載引起接觸器誤跳閘的隱患，設(shè)計延時閉鎖電路；為了給交流接觸器線圈回路串接的雙向晶閘管提供觸發(fā)控制信號與檢測控制電路提供直流電源，設(shè)計降壓濾波整流穩(wěn)壓電源電路，實現(xiàn)交流接觸器的電磁線圈正常供電與故障檢測切斷功能。其邏輯圖如圖3所示。

1.2.3 增加殼體模具設(shè)計及樣機研制

為了基本不改變原交流接觸器結(jié)構(gòu)與外形，結(jié)合具有失壓、斷相、短路和過電流保護功能的集成電路外形，僅僅對局部外形進行微調(diào)改進設(shè)計，以便將集成電路安裝在交流接觸器上。并進行了增加殼體模具設(shè)計及樣機研制，使多功能接觸器較常規(guī)接觸器長15毫米，用于安裝三個電流互感器。在互感器與接觸器之間加裝4毫米厚的控制板，故外形尺寸變化不大。其結(jié)構(gòu)樣機如圖4所示。

圖3 多保護功能接觸器整體邏輯圖

圖4 多功能接觸器整體結(jié)構(gòu)圖

2 電路設(shè)計

文中設(shè)計一種多保護功能接觸器，它能準(zhǔn)確監(jiān)測和中斷電氣設(shè)備的缺相或者過載狀態(tài)下的運行，保護設(shè)備，防止事故發(fā)生。多保護功能接觸器總電路設(shè)計由檢測和控制與電源三部分組成[14]。

2.1 檢測電路設(shè)計

檢測部分如圖5所示，檢測電路部分包括電動機的三相電力線、電流互感器L1、L2、L3、負(fù)載電阻R1、R2、R3、二極管D2、D7、D9、D1、D6、D8、比較運算放大器A、B組成。

圖5 檢測電路

檢測電路將電動機的三相電力線分別穿過電流互感器L1、L2、L3，而電流互感器二次輸出電流通過負(fù)載電阻R1、R2、R3形成電壓信號進行檢測，其檢測電路分為缺相和過載檢測兩路電路。

2.1.1 失壓缺相檢測電路

設(shè)備運行中一旦發(fā)生失壓缺相時，電壓信號經(jīng)過或門電路的二極管D2、D7、D9，再經(jīng)過失壓缺相比較運算放大器A，檢測電動機的失壓缺相，失壓缺相比較運算放大器A輸出高電平。

2.1.2 短路過載檢測電路

設(shè)備運行中一旦發(fā)生短路過載時，電壓信號經(jīng)過與門電路的二極管D1、D6、D8，再經(jīng)過過載比較運算放大器B檢測電動機的短路過載，短路過載比較運算放大器B輸出高電平。

2.1.3 調(diào)整過載閾值電路

為適應(yīng)不同電機負(fù)載，電路中增加了R7可調(diào)電阻，通過調(diào)整阻值實現(xiàn)不同電機負(fù)載過載閾值的改變。

2.2 控制電路設(shè)計

控制部分如圖6左邊部分所示，控制電路部分包括執(zhí)行放大器C、延時電容C7、電阻R12、三極管Q1、接觸器的雙向晶閘管Q2組成。

圖6 控制與電源電路

2.2.1 切斷控制電路

當(dāng)電機發(fā)生失壓、缺相、短路、過載故障時，失壓缺相比較運算放大器A和短路過載比較運算放大器B可能輸出的高電平使執(zhí)行放大器C輸出高電平，發(fā)出信號，使三極管Q1導(dǎo)通，雙向晶閘管Q2兩端電壓為零而關(guān)斷，切斷接觸器電磁線圈供電，接觸器停止工作,保護電機不會損壞。

2.2.2 延時控制電路

為避免晃電故障引起的瞬時電壓跌落和過載引起接觸器誤跳閘的隱患，消除瞬間電壓跌落或過載造成接觸器誤動作引起電機不必要的停機，電路中增加了C7、R12延時電路，當(dāng)控制部分檢測到有瞬間電壓跌落或過載時，延時電路的電容C7充電時間過短，不足以使執(zhí)行放大器C發(fā)出信號，因此沒有切斷接觸器電磁線圈供電。

2.2.3 正常工作電路

當(dāng)控制部分沒有檢測到缺相或過載時，缺相比較運算放大器A和過載比較運算放大器B輸出低電平，執(zhí)行放大器C輸出低電平不發(fā)出信號，雙向晶閘管Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)，接觸器線圈正常供電工作。

2.3 電源電路設(shè)計

電源部分如圖5右邊部分所示，電源電路部分包括微型阻容元件R19、R20、R21、C9、C10、C11、穩(wěn)壓二極管Z1、D13、D15等組成。

給控制部分和接觸器線圈供電的電源部分分為兩路，一路經(jīng)過輸入端D、E的各微型阻容元件R19、R20、R21、C9、C10、C11、Z1、D13、D15降壓、濾波、整流、穩(wěn)壓后作為控制部分的電源，另一路串接雙向可控硅Q2后的輸出端F、E給接觸器的電磁線圈供電。

2.4 故障檢測分?jǐn)噙壿嬙O(shè)計與閾值和延時確定

2.4.1 故障檢測與分?jǐn)嗫刂七壿?/p>

只要電機設(shè)備ABC三相中任一相電壓跌落或失壓缺相，都將在電流互感器中產(chǎn)生電流的降低或消失，假設(shè)發(fā)生故障輸入為0，正常運行輸入為1，最終輸出為1；只要電機設(shè)備ABC三相短路或過載，都將在電流互感器中產(chǎn)生電流的升高，假設(shè)發(fā)生故障輸入為1，正常運行輸入為0，最終輸出為1；需要分?jǐn)嗟臈l件為控制電壓消失，Q2截止，只要電機設(shè)備ABC三相中任一相電壓跌落或失壓缺相或者三相短路或過載，缺相或過載總輸出為高電平，才能實現(xiàn)控制，其電壓跌落和失壓缺相與短路和過載檢測輸出及缺相或過載總控制輸出的真值表見表1 。

表1 電壓跌落、失壓缺相、短路或過載檢測控制真值表

續(xù)表1

從表中可以看出，強制分?jǐn)鄼C構(gòu)被觸發(fā)的條件為Z=H+G=1，又因為H=A+B+C，G=ABC，因而電路設(shè)計中應(yīng)包含二個或門，一個與門。因此設(shè)計或門電路的二極管D2、D7、D9，再經(jīng)過失壓缺相比較運算放大器A的反相端輸入可實現(xiàn)檢測三相中任一相電壓跌落或失壓缺相，設(shè)計與門電路的二極管D1、D6、D8，再經(jīng)過短路過載比較運算放大器B的同相端輸入可實現(xiàn)檢測三相短路或過載，設(shè)計或門電路的二極管D10、D11，再經(jīng)過比較運算放大器C的同相端輸入可實現(xiàn)控制Q2截止，電磁線圈斷電，驅(qū)動分?jǐn)鄼C構(gòu)動作，完成強制分?jǐn)嗖僮鳌?/p>

2.4.2 過載閾值確定

為適應(yīng)不同電機負(fù)載，如圖5所示，將電流互感器二次匝數(shù)設(shè)計為400匝，檢測輸入端電阻R1、R2、R3設(shè)計為0.3kΩ，并在運算放大器B輸入端設(shè)計了可調(diào)電阻R7為20kΩ的過載閾值設(shè)定調(diào)整電路，根據(jù)三相交流電機功率與額定電壓U、電流I1之間的關(guān)系式(1)和電流互感器一二次安匝守恒相等式(2)，可獲得檢測電路R1、R2、R3上流過的額定電流I2，按額定電流的1.2倍以上整定為電機過載，由式(3)可獲得檢測電路過載閾值電壓Uy，由(4)式可確定過載閾值設(shè)定的可調(diào)電阻閾值阻值Ry。

(1)

I1w1=I2w2

(2)

Uy=1.2I2R3

(3)

(4)

式中，P為額定功率；U為額定電壓；cosφ為功率因數(shù)取0.8；w1，w2為電流互感器一、二次繞組匝數(shù)，分別取1匝，400匝，R3=R8=0.3k Ω。

以電壓為380 V功率為1千瓦的電機為例：由(1)式可知電機額定電流I1約為2 A，由(2)式可知二次側(cè)I2流過2A/400匝=5 mA電流，形成2A/5 mA的電流互感器變比，在檢測電路輸入端為0.3 kΩ的電阻R1、R2、R3上形成1.5 V的額定電壓，按1.2倍過載考慮，由(3)式獲得閾值電壓為1.8 V，由(4)式求取其閾值電阻應(yīng)調(diào)節(jié)為0.06 kΩ。對于其他參數(shù)的電機均可以此方法確定過載電流閾值設(shè)定的可調(diào)電阻閾值；

2.4.3 延時時間確定

在電力系統(tǒng)中晃電故障由雷擊、短路、電壓跌落等原因引起電機運行瞬時擾動，一般為幾個周波，而一個周波為20 ms，因此為避免晃電故障引起的瞬時電壓跌落和過載引起接觸器誤跳閘的隱患，設(shè)計R2C7延時閉鎖電路，考慮到一定的設(shè)計裕量，強制分?jǐn)嚯娐分械难訒r模塊時間應(yīng)稍大于該數(shù)值。延時時間計算公式如式(5)所示，只要參數(shù)選擇合理，即可實現(xiàn)延時。

(5)

式中,V1為電容充電后的電壓；V0為電容充電前的電壓值；Vt為時刻t時的電容電壓值；R為延時電阻值；C為延時電容值。

在本設(shè)計中，電容閾值電壓設(shè)置為5 V，V0=0 V，V1=10 V，Vt=4 V，電阻R=30 kΩ，電容C=4.70 μF，經(jīng)式(5)計算后，延時時間為t=70 ms。

3 仿真驗證與實測改進

3.1 仿真驗證

為了對分?jǐn)嗫刂齐娐愤M行驗證，采用Protel 99 SE對圖5和圖6電路進行驗證仿真，強制分?jǐn)嚯娐分挥性陔姍C出現(xiàn)缺相和過載故障時才進行分?jǐn)嗖僮鳌ρ訒r電路和過載閾值均按2.4節(jié)參數(shù)進行了設(shè)定，仿真結(jié)果如圖 7所示，圖中所示的曲線分別為過載閾值檢測電壓、失電檢測電壓、延時電容電壓、雙向晶閘管電壓(接觸器線圈電壓)。從圖中可以看出，當(dāng)檢測到電機電壓瞬時過載超過閾值(圖7(a))或電機電壓瞬時失電(圖7(b))時，圖6中的運算放大器C的同相輸入端為高電平，延時電容開始充電，延時開始，若未超過70 ms，延時電容充電電壓升到閾值5 V以下為4 V時，過載或失電消失，則高電平消失，雙向晶閘管(接觸器線圈)沒有失電。當(dāng)檢測到不是瞬時過載或失電時，運算放大器C的同相輸入端為高電平，延時電容開始充電，延時開始，待到延時電容充電超過70 ms即電壓升到閾值5 V以上時，開始觸發(fā)雙向晶閘管，此時雙向晶閘管(接觸器線圈)失壓降為0 V，觸頭進而被打開，完成強制分?jǐn)嗖僮?。從實驗結(jié)果可以看出，所提出的新型接觸器結(jié)構(gòu)及其控制電路，可以有效提高現(xiàn)有接觸器的工作可靠性。

圖7 延時電路和過載、失電強制分?jǐn)喾抡娼Y(jié)果

3.2 樣品實測修正

采用研制的樣機，通過如圖8所示的試驗接線，試驗研究交流接觸器的集成可靠性，首先，對交流接觸器改造后的試品進行可靠性試驗多次，然后進行失效分析[14]；最后，修正了保證可靠性的電路具體參數(shù)設(shè)計值。試驗測試結(jié)果見表2。

圖8 試驗測試接線

表2 電壓跌落、失壓缺相、短路或過載檢測控制實驗測試結(jié)果

表2說明：在工業(yè)生產(chǎn)電氣控制線路中，使用新研制出的交流接觸器樣品，測試失壓、斷相、短路和過電流保護6次有4次能正常動作，失效2次，進行了運算放大器電路A和運算放大器電路B的兩個偏置電壓R4C8電路和偏置電壓R8C6電路參數(shù)修正，即準(zhǔn)確檢測控制。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計了一種具有失壓、斷相、短路和過電流保護功能的交流接觸器控制模塊，利用簡單邏輯電路方式，檢測準(zhǔn)確、可靠性好、實用性強，且安裝使用方便，大大低于傳統(tǒng)交流接觸器外加綜合保護電路單元的成本，該設(shè)計已經(jīng)獲得《多功能接觸器》的實用新型專利[15]。將其應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中，將杜絕損毀電機等設(shè)備事故發(fā)生，為工業(yè)生產(chǎn)節(jié)約大量經(jīng)費，符合現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求，擁有廣闊的發(fā)展前景。