一種節電式大電流轉動式交流接觸器的設計

鄧利輝

（天水長城控制電器有限責任公司，甘肅天水741024）

1 引言

交流接觸器是一種適用于在低壓配電系統中遠距離、頻繁地接通和分斷交流主電路及大、中、小容量控制電路的自動控制開關電器。其主要用于控制交流感應電動機的起動、停止和反轉，并與熱繼電器或其它保護裝置組合，可防止交流感應電動機可能發生的過載和斷相現象［1］。交流接觸器由包含動、靜觸頭的主回路、包含線圈和動、靜鐵芯的電磁系統和輔助觸頭系統等組成。其通過給電磁系統中線圈通電產生磁場，使靜鐵芯產生電磁吸力，將動鐵芯吸合，運動中的動鐵芯帶動轉軸轉動，并帶動與轉軸連接的動觸頭轉動，使動靜觸頭閉合，從而接通主電路。

交流接觸器廣泛應用于低壓電路中，是一種工作原理簡單、使用安全、操作便捷、種類眾多的工業產品。其按照動鐵芯的運動軌跡可分為直動式交流接觸器和轉動式交流接觸器，其中轉動式交流接觸器由于動靜觸頭吸合時既有觸頭之間的拍合運動又有動觸頭相對靜觸頭之間的滾動，故能夠破壞鋼廠等條件比較惡劣環境下存在的粉塵和氧化膜等對接觸器觸頭之間吸合的影響。另外，轉動式交流接觸器能夠在AC4即10Ie條件下接通、12Ie條件下分斷［2］，故其相比于直動式交流接觸器更具有可頻繁操作的特點，被廣泛應用于鋼廠等需頻繁操作且環境比較惡劣的場所使用。

交流接觸器因額定電流大小的不同，吸持時消耗的有功功率可從幾十瓦到上百瓦不等。一臺CJ20—400A／3型交流接觸器，正常工作時吸持功率為180W，按一年工作300天、一天正常工作8小時計算，其年耗電量將超過400kW·h。特別是額定電流800A以上的大電流交流接觸器，通常都是使用于八小時以上的不間斷的工作環境中，通電后一直處于吸持狀態，其年耗電量巨大。隨著工業技術和電力系統的發展，大電流交流接觸器的利用率持續增長，總的年耗電量非常巨大，因此，如何將節能技術應用于大電流交流接觸器上以減少其工作時的能耗是目前一個亟待解決的問題。

2 交流接觸器的節能方式

根據交流接觸器的結構不同，其節能方式主要有以下四種：（1）改造電磁系統，采用節電線圈；（2）改造機械結構，加裝鎖扣脫扣器；（3）外加無聲節電器；（4）設計永磁式交流接觸器［3］。

2.1 采用節電線圈型交流接觸器

采用節電線圈的交流接觸器的原理是將線圈做成雙繞阻的形式，利用繞組中的大電流進行吸合，小電流保證吸持。即將交流接觸器的線圈設計成兩部分，一部分為吸合繞阻，另一部分為保持繞阻，不同的繞組為交流接觸器的不同工作狀態服務。其中，吸合繞阻采用比較大的線徑，但匝數較少，因而阻抗較低，產生的吸合電流比較大，能很好地克服接觸器中反力彈簧的力量使動靜觸頭吸合。動靜觸頭吸合后吸合繞阻斷開轉入吸持繞阻，吸持繞阻線徑較小、匝數較多，因而阻抗較大，所產生的吸持電流比較小。僅用很小的吸持電流就保證動靜觸頭間的閉合，這樣就能夠在交流接觸器的使用過程中有效地減少電損耗。同時，也能有效地抑制線圈溫度的升高。

2.2 加裝鎖扣脫扣器型交流接觸器

加裝鎖扣脫扣器的交流接觸器的原理是通過一個機械鎖扣器保持交流接觸器線圈動靜觸頭間的吸持狀態，使交流接觸器線圈在不通電或很小電流的狀態下保持吸合狀態。即給交流接觸器增加一個控制主觸頭的鎖扣裝置，當交流接觸器動靜觸頭吸合后帶動鎖扣裝置上的鎖扣杠桿將動靜觸頭鎖閉在閉合狀態，在交流接觸器線圈斷電后，動靜觸頭仍可在鎖扣裝置的帶動下保持吸合狀態。當需要斷開交流接觸器時，鎖扣裝置上的脫口線圈帶電，鎖扣裝置工作，打開鎖扣杠桿，交流接觸器的動靜觸頭分開。當交流接觸器的動靜觸頭處于吸持工作狀態時，交流接觸器的線圈是不通電的，而解鎖時鎖扣裝置上的脫口線圈的電損耗小于2W，這樣就有效地節約了交流接觸器工作過程中的電能消耗。

2.3 外加節電器型交流接觸器

節電器按照其主要組成元件的不同可分為電容器式節電器、變壓器式節電器及改變占空比式節電器。外加節電器的交流接觸器的原理是通過將交流接觸器與其相應的節電器配套使用，使交流接觸器在直流狀態下也能保持吸持狀態，從而達到節能的目的。目前市面上的節電器由于受交流接觸器電磁線圈所儲存的電磁能及節電器內部器件的限制，一般只適用于額定電流為60A～600A的交流接觸器。額定電流低于60A的交流接觸器，其電磁線圈所儲存的電磁能不足以維持其在直流條件下的吸合狀態，而額定電流大于600A的交流接觸器因其產生的電磁能過大，極易使節電器損壞，同樣都難以采用該節能方法。

2.4 永磁式交流接觸器

永磁式交流接觸器的工作原理是利用磁極的同性相斥、異性相吸原理，采用永磁驅動裝置取代傳統的電磁驅動裝置而形成的一種微功耗交流接觸器。通過安裝在交流接觸器聯動裝置上的極性不變的永磁鐵與固定在交流接觸器底座上的極性可變的軟磁鐵相互作用，達到吸合、保持與釋放的目的。軟磁鐵極性的變化是由與其固化在一起的微電子模塊控制的。微電子模塊通過產生方向可變的微小脈沖電流，達到改變軟磁鐵自身極性的目的，其與永磁鐵通過磁極的相互作用對交流接觸器的觸頭進行控制，取代了傳統的電磁鐵驅動裝置。永磁式交流接觸器在沒有線圈的情況下，工作過程中僅有十幾到二十幾毫秒的微弱信號電流通過，節能效果顯著。

以上四種節能方式雖然在國內的交流接觸器中均有使用，但多用于直動式交流接觸器，對于轉動式交流接觸器，常見的節能方式主要有加裝鎖扣脫扣器和采用節電線圈，但也只在額定電流630A及以下的轉動式交流接觸器上使用過。額定電流為800A及以上的轉動式交流接觸器通常屬于8h以上工作制的產品，耗電量巨大，且要求其始終保持在吸持狀態并能夠與主電動機配合使用，對交流接觸器的質量要求較高，故在節能設計的實現方面也更加困難。

3 節電式大電流交流接觸器的設計

3.1 大電流交流接觸器功耗分析

交流接觸器有兩個工作狀態：吸合狀態和吸持狀態。對應兩個工作狀態，其線圈中也存在兩種電流，即動鐵芯打開位置的起動電流和閉合位置的工作電流。通過對交流接觸器工作過程的觀測可以發現，動鐵芯起動時線圈內的電流值較大，但由于吸合所需的時間只有20～80ms，因此吸合狀態所消耗的功率并不是很大［4］。而交流接觸器長期工作在吸持狀態，特別是對于8小時及8小時以上工作制的交流接觸器，盡管其處于吸持狀態時線圈內的電流值相比于起動時小很多，但因其工作狀態是吸持狀態，吸持狀態的持續時間長，所以消耗的功率比吸合狀態大很多。

交流接觸器的電磁系統采用交流電源控制時，其吸持狀態的損耗包括鐵損SFe（磁滯損耗Sh＋渦流損耗Se）、銅損SCu（電磁線圈的電阻損耗）和短路環損耗SD。在交流接觸器的總損耗中，鐵損SFe占65%～75%、短路環損耗占25%～30%、銅損SCu占3%～5%?？梢?，其中鐵損SFe和短路環損耗SD占總損耗的90%以上，而銅損SCu僅占了很小的一部分［5］。

鐵損SFe包括磁滯損耗Sh和渦流損耗Se。其中，磁滯損耗Sh是鐵芯磁性材料在將電能轉換為磁能的過程中產生的損耗。渦流損耗Se是由于交變的磁通在鐵芯中產生感應電動勢，并在鐵芯的斷面上形成閉合回路，產生感應電流，該感應電流使鐵芯發熱所形成的損耗。磁滯損耗Sh和渦流損耗Se都是由于鐵芯被交流電交變磁化所產生的。

短路環損耗SD是由于交流接觸器線圈上的短路環的存在而產生的。交流電通過交流接觸器電磁系統的線圈時，線圈對動鐵芯產生的吸引力也是交變的，當交流電流變化到零值時，線圈磁通變為零，對動鐵芯的吸引力也變為零，此時，動鐵芯會在復位彈簧的作用下產生釋放趨勢?？蓪⒍搪翻h安裝在交流接觸器的線圈上，把鐵芯的磁通分為兩部分，保證在交變電流過零時，維持線圈上的靜鐵芯與動鐵芯之間的吸引力，并消除動靜鐵芯之間的振動。

銅損SCu是由于交流接觸器的線圈在工作過程中發熱引起的。交流接觸器在起動過程中需要給線圈通電，使靜鐵芯產生電磁吸力吸引動鐵芯。該過程需要克服交流接觸器中主觸頭的彈簧反力、輔助觸頭彈簧反力、運動部分的重力、復位彈簧力及摩擦力等合成力，所需的吸力較大。由于電磁吸力與線圈中的電流的平方成正比，所需的吸合電流較大，消耗的功率也較大，導致線圈發熱嚴重。同時，線圈發熱還會使線圈的絕緣層加速老化，縮短交流接觸器的使用壽命。

3.2 大電流交流接觸器節能設計

通過上述對于交流接觸器功耗的分析發現，交流接觸器在工作過程中消耗的功耗多源于接觸器吸持，而吸持狀態的損耗有鐵損SFe，銅損SCu和短路環損耗SD。其中鐵損和短路環損耗都是由于交變電流控制下產生的損耗，若能使交流接觸器的電磁系統工作在直流條件下，將會極大減少電磁系統的損耗，達到很好的節能效果。銅損耗雖然占的比重不太大，但它是線圈發熱的主要原因，容易加速絕緣層的老化，縮短產品的使用壽命，也是一個亟待解決的問題?；谝陨戏治?，對800A以上的轉動式交流接觸器的磁系統設計提出以下幾點改進意見：

（1）采用直流運行方式使交流接觸器在直流電源的控制下保持吸持狀態。即將交流接觸器電磁系統交流起動交流吸持的工作方式改進為交流起動直流吸持的工作方式，使電磁系統在直流電源的控制下保持吸持狀態，這樣能夠完全消除電磁系統因鐵損而消耗的功耗，從而大幅度降低交流接觸器在吸持過程中的能耗。同時，交流接觸器線圈通入直流電后，避免了交流電變化過程中電流為零的情況發生，無需再使用短路環，也就消除了短路環上的能量損耗。綜上所述，交流接觸器采用直流吸持方式后能夠同時消除鐵芯中鐵損SFe和短路環損耗SD，能夠減少交流接觸器吸持過程中90%以上的功耗。

（2）交流接觸器在起動過程中，為了克服多種阻力使動靜觸頭閉合，需要很大的起動電流，而當交流接觸器進入吸持狀態后，所需的電磁吸力只要能夠克服復位彈簧的反力即可，此時僅需要很小的電流驅動線圈即可保持交流接觸器觸頭的閉合狀態。若能夠在交流接觸器動靜觸頭閉合后進入吸持狀態時，降低電磁系統的激磁功率，使之維持在僅保持動靜鐵芯閉合的狀態，這樣就既保證了交流接觸器的可靠吸合，又大幅度降低了吸持階段消耗的功率。同時，由于吸持狀態下線圈中通過的電流變小，線圈的功耗降低，線圈發熱的情況也有所緩解，線圈的壽命也將會大幅度提升。

根據以上設計思路，本文提出以下兩種針對額定電流800A以上的大電流轉動式交流接觸器的節能方案：

方案一：采用雙繞阻直流線圈。即將交流接觸器的電磁線圈制成雙繞阻線圈，其中一個繞阻線徑粗、匝數少，主要用于交流接觸器的吸合過程。另一個繞阻線徑細、匝數多，主要用于交流接觸器的吸持過程。其次，將接觸器的一個常閉輔助觸頭作為繞阻的切換開關，控制切換兩個繞阻在線圈電路中的位置，使交流接觸器既能夠在大電流條件下接通，又能夠在小電流條件下保持吸持狀態。

方案二：優化交流接觸器電磁系統的電路設計。通過設計特定的節能裝置，在交流接觸器動靜鐵芯吸合、動靜觸頭閉合后，增大回路中的電阻，減小回路中的電流，使電流降低到僅能維持動靜鐵芯閉合的大小即可，從而有效降低交流接觸器的功耗。

交流接觸器頻發的質量問題主要有兩種，一種是接觸系統故障，另一種就是電磁系統故障。而電磁系統的質量問題大多是由于電磁線圈的質量造成的。方案一中采用雙繞阻直流線圈，而在實際中，雙繞阻直流線圈在加工過程中的質量難以絕對控制，這造成產品可靠性不高，容易在使用過程中出現故障，且交流接觸器在工作時若發生故障，查找線圈故障原因和更換線圈所需要的維修時間較長，對整個系統的工作影響較大。方案二中使用特定的節能裝置優化電路設計，操作簡單，可靠性高，在增大電路中的電阻后，通過線圈的電流會降低，也能大幅度提高線圈的使用壽命。另外，節能裝置的元器件全部放置在外，便于觀察且易于安裝和更換。在分析和比較了兩種方案的優缺點后，本文選用方案二設計了如圖1所示的大電流交流接觸器電磁系統供電部分的電路圖。

圖1 大電流交流接觸器電磁系統供電部分的電路圖

電路圖中整流橋可實現將輸入的交流電轉化為直流電的功能，在5，6端口輸入交流電即可在7，8端口輸出相對應的直流電。R1，R2，R3為三個阻值可選的普通電阻，方框K表示一個小繼電器的線圈，用來控制主觸頭K的狀態，從而選擇將三個電阻接入電路或是短路。方框KM表示安裝在靜鐵芯上的交流接觸器的電磁線圈，通電時產生磁場使交流接觸器的靜鐵芯產生吸引力，吸引動鐵芯轉動，并使動靜鐵芯吸合。動鐵芯在轉動過程中帶動交流接觸器的主觸頭閉合、常開輔助觸頭閉合、常閉輔助觸頭打開。反之，交流接觸器的電磁線圈斷電時使交流接觸器的主觸頭打開、常開輔助觸頭打開、常閉輔助觸頭閉合。KM是交流接觸器的一個常閉輔助觸頭，通過電磁線圈的通斷電來控制其狀態。

該電路圖的工作原理如下：在1，2觸頭之間通入交流380V電源，接通3－4線路，并給整流器供電。此時，小繼電器線圈K帶電，瞬間使小繼電器的主觸頭K閉合，而交流電通過整流橋變為直流電后為9－10－11－12線路供電，使得交流接觸器的線圈KM中通過直流電，即可實現使交流接觸器在直流電源控制下維持吸持狀態，減少電磁系統的損耗。線圈KM帶電后，使其常閉輔助觸頭KM打開，3－4線路斷開，小繼電器線圈K斷電，其常開觸頭 K 隨之斷開，電流通過 7－9－11－12－8形成閉合回路，并將3個電阻R1，R2，R3串入交流接觸器的線圈，增加了處于吸持狀態的交流接觸器線圈回路中的電阻，電流大幅度降低。通過合理選擇電阻R的阻值，可將通過交流接觸器線圈中的電流維持在恰好能保證動靜鐵芯閉合的合理范圍。若交流接觸器線圈的電阻為50Ω，加入的3個阻值為1000Ω的電阻，則線路中通過的電流值僅為0.125A，對應的交流接觸器線圈的功耗也極小。通過該設計能夠在很大程度上降低吸持狀態下交流接觸器線圈的功耗。

圖2 接觸器轉軸電磁系統與接觸器輔助觸頭組連接示意圖

額定電流800A以上的轉動式交流接觸器的主回路和電磁系統的電路是分開的，同時電磁系統上的可用空間較大，有足夠的空間安裝上述元件。為了方便接線，將控制交流接觸器電磁系統所需的電阻、整流器和小繼電器通過一塊U形的長鐵板安裝在接觸器靜鐵芯的下面，并與靜鐵芯隔開一定距離，該設計可以在實現其功能的基礎上，減少交流接觸器工作時電阻與靜鐵芯之間的熱量傳遞，如圖2所示，圖中1為主回路轉軸，2為支持件，3為連桿，4為輔助回路轉軸。接觸器轉軸上的電磁系統一側安裝一個四連桿機構，四連桿機構與接觸器的輔助觸頭組相連，接觸器主回路動靜觸頭的運動通過四連桿機構傳遞給輔助觸頭組。當接觸器的線圈KM帶電后，動靜鐵芯吸合，安裝在轉軸上的動鐵芯運動帶動轉軸轉動，使四連桿機構運動，常閉輔助觸頭KM打開，將3個電阻R1，R2，R3串入交流接觸器的線圈，即可實現上述電路的功能。

4 結束語

本文歸納和總結了目前常見的幾種交流接觸器的節能方式，并在學習現有方法的基礎上，設計了一種針對大電流轉動式接觸器的節能方案。本文首先對交流接觸器工作過程中的主要能量損耗進行分析，發現其在吸持狀態下消耗遠大于吸合過程，吸持狀態下的能量損耗主要有鐵損、銅損和短路環損耗。本文針對上述三種主要損耗，在充分分析其產生原因及危害的基礎上，分別提出優化的方法和建議，并綜合設計了一種針對大電流轉動式交流接觸器的節能方案。該方案在減小大電流轉動式交流接觸器能耗的同時，也能有效降低其吸持電流，從而最大程度地避免電磁線圈溫升，延長交流接觸器使用壽命，提高其可靠性。實踐證明該方案可行且具有很好的發展前景。