專利名稱：降低雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器觸頭材料損耗的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于輸配電設(shè)備的低壓電器領(lǐng)域，涉及一種接觸器，特別涉及一種降低雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器觸頭材料損耗的方法。
在接觸器研究領(lǐng)域，由于永磁機(jī)構(gòu)接觸器所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，前人做過(guò)各種有益的探索。這些探索主要基于如下一種思想，即將電磁式接觸器的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)換為永磁機(jī)構(gòu)，以此來(lái)降低接觸器工作時(shí)的能耗和噪聲污染，減小電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)接觸器工作的不利影響。但是，這些探索還存在一些不足。
例如專利號(hào)為88219888.2，專利名稱為《用永磁體保持吸合的節(jié)能接觸器》的專利，集中體現(xiàn)了永磁機(jī)構(gòu)接觸器降耗、無(wú)噪聲以及運(yùn)行抗電網(wǎng)電壓短時(shí)波動(dòng)強(qiáng)的特點(diǎn)，但對(duì)于在如何結(jié)合永磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)提高接觸器電氣性能、延長(zhǎng)電壽命上，并無(wú)顯著的技術(shù)進(jìn)步。
又如專利號(hào)為94228162.4，專利名為‘稀土永磁節(jié)電型交流接觸器’的專利，線圈連接失壓保護(hù)裝置，具有節(jié)電率高，無(wú)噪音，運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)。但是對(duì)于如何調(diào)控永磁機(jī)構(gòu)接觸器的速度特性來(lái)減少接觸器觸頭的損耗、提高接觸器的電壽命方面也沒(méi)有突出的創(chuàng)新思想。
再如專利號(hào)為90212790.X，專利名為‘永磁接觸器’的專利和專利號(hào)為90214039.6，專利名為‘磁鎖接觸器’的專利，不但機(jī)構(gòu)更加復(fù)雜，不利于接觸器的小型化，而且在永磁機(jī)構(gòu)接觸器的研究上同樣處在節(jié)能、降噪的低水平上。
目前的電磁式接觸器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)由動(dòng)鐵芯、靜鐵芯、反力彈簧、觸頭彈簧、線圈組成。從電磁式接觸器的工作原理可見(jiàn)，合閘后必須不間斷的給線圈通電流才能使動(dòng)鐵芯保持在合閘狀態(tài)，即動(dòng)鐵芯合閘位置的保持是以能量的消耗為代價(jià)的，對(duì)于某些動(dòng)作并不頻繁的接觸器而言，這些能量消耗是很可觀的；對(duì)于控制電壓為交流電的電磁式接觸器，由于閉合時(shí)的磁吸力為脈動(dòng)吸力，因此產(chǎn)生工作噪聲，影響周圍的環(huán)境質(zhì)量；電磁式接觸器在閉合過(guò)程中，不可避免的產(chǎn)生觸頭的彈跳，這些觸頭彈跳降低了接觸器的電壽命。
電磁式接觸器不僅存在能耗大、觸頭彈跳和噪聲問(wèn)題，而且由于機(jī)構(gòu)可控制性能差，觸頭材料損耗大，嚴(yán)重影響電磁式接觸器的工作電壽命和工作可靠性。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決的核心命題，是實(shí)現(xiàn)接觸器觸頭材料的無(wú)損耗或少損耗，極大的提高接觸器電壽命和工作可靠性。技術(shù)方案作如下考慮如果仍采用電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，是不可能達(dá)到本發(fā)明目的的。原因是電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性很難調(diào)節(jié)，導(dǎo)致電磁式接觸器對(duì)分、合閘過(guò)程不能實(shí)現(xiàn)智能化的最優(yōu)動(dòng)態(tài)控制。本發(fā)明采用永磁機(jī)構(gòu)代替電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，尤其是結(jié)合電弧等離子體與觸頭材料相互作用的機(jī)理，對(duì)永磁機(jī)構(gòu)接觸器進(jìn)行智能化控制，從而最大限度地實(shí)現(xiàn)接觸器觸頭材料的無(wú)損耗或少損耗，極大的提高接觸器的電壽命和工作可靠性。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下降低雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器的觸頭材料損耗的方法，按以下方法制備1)采用永磁機(jī)構(gòu)代替電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，形成雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器，該雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器包括(1)上靜鐵芯、下靜鐵芯各一塊，上靜鐵芯設(shè)置有分閘線圈，下靜鐵芯設(shè)置有合閘線圈；(2)在上靜鐵芯和下靜鐵芯的中間設(shè)置有動(dòng)鐵芯，動(dòng)鐵芯被固定在一塑殼內(nèi)；(3)動(dòng)鐵芯中部設(shè)置有一永久磁鐵；(4)塑殼上部中央的空腔內(nèi)設(shè)置有觸頭彈簧；塑殼的頂端周圍設(shè)置有三組雙斷點(diǎn)、直動(dòng)式橋式觸頭，每組橋式觸頭有動(dòng)觸頭和靜觸頭各兩個(gè)；2)結(jié)合電弧等離子體與觸頭材料相互作用的機(jī)理，對(duì)永磁機(jī)構(gòu)接觸器進(jìn)行智能化控制；(1)通過(guò)對(duì)吸力特性和反力特性的優(yōu)化配合，實(shí)現(xiàn)接觸器閉合過(guò)程動(dòng)觸頭無(wú)彈跳；(2)利用電弧狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)律，均衡金屬相電弧和氣相電弧產(chǎn)生的觸頭材料轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)凈轉(zhuǎn)移為零；(3)利用材料轉(zhuǎn)移方向反轉(zhuǎn)的原理，實(shí)現(xiàn)常值負(fù)載下的直流接觸器觸頭材料零損耗；(4)通過(guò)對(duì)接觸器的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和交流電流的相位特性良好的配合，實(shí)現(xiàn)交流接觸器的無(wú)弧或少弧分?jǐn)啵?)在永磁機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還設(shè)置有一基于DSP的智能化控制單元電路，包括在線實(shí)時(shí)檢測(cè)接觸器主回路中電流大小的電流互感器、信號(hào)調(diào)理電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器和DSP；所述電流互感器采集到的三相電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波，由DSP內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)DSP預(yù)測(cè)算法的運(yùn)算后，由DSP控制執(zhí)行部分，給出合適的動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電壓；當(dāng)需動(dòng)作時(shí)，由DSP控制其內(nèi)置的PWM發(fā)生器產(chǎn)生兩路優(yōu)化的PWM控制信號(hào)，分別控制后面的兩路PWM斬波電源電路給分閘線圈和合閘線圈供電。
接觸器作為一種主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離及頻繁接通與分?jǐn)嘀麟娐返目刂齐娖?，其在工業(yè)生產(chǎn)中的使用數(shù)量是十分巨大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)以接觸器和低壓斷路器為核心的低壓電器年產(chǎn)值約200億元。在中、大容量接觸器領(lǐng)域，應(yīng)用本發(fā)明的觸頭材料無(wú)損耗或少損耗的雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在1.節(jié)省電能由于在合閘后動(dòng)鐵芯依靠永久磁鐵提供的磁吸力保持在合閘位置，此時(shí)線圈無(wú)電流通過(guò)，即動(dòng)鐵芯合閘位置的保持不需能量，其節(jié)能優(yōu)勢(shì)十分明顯。
2.由于在合閘后動(dòng)鐵芯依靠永久磁鐵提供的磁吸力保持在合閘位置，因此沒(méi)有工作噪聲，減小了環(huán)境污染，適應(yīng)現(xiàn)代環(huán)保電器的需求。
3.通過(guò)對(duì)接觸器合閘過(guò)程的最優(yōu)動(dòng)態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)了在接觸器閉合過(guò)程中動(dòng)觸頭無(wú)彈跳，大大降低了觸頭損耗。
4.利用電弧狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)律，均衡金屬相電弧和氣相電弧產(chǎn)生的觸頭材料轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了接觸器分閘過(guò)程的觸頭材料凈轉(zhuǎn)移為零。
5.可實(shí)現(xiàn)交流接觸器無(wú)弧或少弧分?jǐn)唷?br> 6.利用觸頭材料轉(zhuǎn)移方向反轉(zhuǎn)的原理，實(shí)現(xiàn)了工作在常值負(fù)載情況下的直流接觸器觸頭材料無(wú)損耗。
圖2是吸力特性和反力特性的配合情況2的特性圖；圖3是材料凈轉(zhuǎn)移方向反轉(zhuǎn)圖；圖4是本發(fā)明吸力特性和反力特性的配合圖；圖5是觸頭材料無(wú)損耗或少損耗的雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器；圖中的符號(hào)分別表示為1下靜鐵芯 2、3串聯(lián)合閘線圈 4動(dòng)鐵芯 5永久磁鐵 6、7串聯(lián)分閘線圈 8上靜鐵芯 9塑殼 10動(dòng)觸頭 11觸頭彈簧 12、13靜觸頭。
圖6是通過(guò)均衡金屬相電弧和氣相電弧實(shí)現(xiàn)凈轉(zhuǎn)移為零的原理圖；圖7是本發(fā)明的觸頭材料無(wú)損耗或少損耗的雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器交流無(wú)弧或少弧分?jǐn)嘣韴D。
圖8是本發(fā)明的智能化控制單元電路。
依本發(fā)明的技術(shù)方案，雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器中降低觸頭材料損耗的方法，詳細(xì)說(shuō)明如下1)采用雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)取代電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，新的雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器包括(1)上靜鐵芯、下靜鐵芯各一塊，上靜鐵芯設(shè)置有分閘線圈，下靜鐵芯設(shè)置有合閘線圈；(2)在上靜鐵芯和下靜鐵芯的中間設(shè)置有動(dòng)鐵芯，動(dòng)鐵芯被固定在一塑殼內(nèi)；(3)動(dòng)鐵芯中部設(shè)置有一永久磁鐵；(3)塑殼上部中央的空腔內(nèi)設(shè)置有觸頭彈簧；塑殼的頂端周圍設(shè)置有三組雙斷點(diǎn)、直動(dòng)式橋式觸頭，每組橋式觸頭有動(dòng)觸頭和靜觸頭各兩個(gè)；2)結(jié)合電弧等離子體與觸頭材料相互作用的機(jī)理，對(duì)永磁機(jī)構(gòu)接觸器進(jìn)行智能化控制。
(1)通過(guò)對(duì)吸力特性和反力特性的優(yōu)化配合，實(shí)現(xiàn)接觸器閉合過(guò)程動(dòng)觸頭無(wú)彈跳；(2)利用電弧狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)律，均衡金屬相電弧和氣相電弧產(chǎn)生的觸頭材料轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)凈轉(zhuǎn)移為零；(3)利用材料轉(zhuǎn)移方向反轉(zhuǎn)的原理，實(shí)現(xiàn)常值負(fù)載下的直流接觸器觸頭材料零損耗；(4)通過(guò)對(duì)接觸器的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和交流電流的相位特性良好的配合，實(shí)現(xiàn)交流接觸器的無(wú)弧或少弧分?jǐn)啵?)在永磁機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還設(shè)置有一基于DSP的智能化控制單元電路，包括在線實(shí)時(shí)檢測(cè)接觸器主回路中電流大小的電流互感器、信號(hào)調(diào)理電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器和DSP；所述電流互感器采集到的三相電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波，由DSP內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)DSP預(yù)測(cè)算法的運(yùn)算后，由DSP控制執(zhí)行部分，給出合適的動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電壓；當(dāng)需動(dòng)作時(shí)，由DSP控制其內(nèi)置的PWM發(fā)生器產(chǎn)生兩路優(yōu)化的PWM控制信號(hào)，分別控制后面的兩路PWM斬波電源電路給分閘線圈和合閘線圈供電。5.1技術(shù)方案總體思路對(duì)于接觸器而言，極大地提高其經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo)一直是人們孜孜以求的目標(biāo)。本發(fā)明解決的核心命題，是實(shí)現(xiàn)接觸器觸頭材料的無(wú)損耗或少損耗，極大的提高接觸器電壽命和工作可靠性。如果仍采用電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，是不可能達(dá)到本發(fā)明目的的。原因是電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性很難調(diào)節(jié)，導(dǎo)致電磁式接觸器對(duì)分、合閘過(guò)程不能實(shí)現(xiàn)智能化的最優(yōu)動(dòng)態(tài)控制。本發(fā)明采用永磁機(jī)構(gòu)代替電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，尤其是結(jié)合電弧等離子體與觸頭材料相互作用的機(jī)理，對(duì)永磁機(jī)構(gòu)接觸器進(jìn)行智能化控制，從而①實(shí)現(xiàn)接觸器閉合過(guò)程無(wú)彈跳。②利用電弧狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)律，均衡金屬相電弧和氣相電弧產(chǎn)生的觸頭材料轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了接觸器分閘過(guò)程的觸頭材料凈轉(zhuǎn)移為零。③實(shí)現(xiàn)交流接觸器的無(wú)弧或少弧分?jǐn)?。④利用觸頭材料轉(zhuǎn)移方向反轉(zhuǎn)的原理，實(shí)現(xiàn)工作在常值負(fù)載情況下的直流接觸器觸頭材料的零損耗。從而最大限度地實(shí)現(xiàn)接觸器觸頭材料的無(wú)損耗或少損耗，極大的提高接觸器電壽命和工作可靠性。
1)接觸器閉合過(guò)程中動(dòng)觸頭彈跳造成的影響接觸器閉合過(guò)程中動(dòng)觸頭的彈跳是影響接觸器電壽命和工作可靠性的一個(gè)重要因素。表現(xiàn)在兩方面，一方面觸頭彈跳會(huì)產(chǎn)生電弧并引起觸頭材料的侵蝕和轉(zhuǎn)移；另一方面觸頭彈跳將對(duì)動(dòng)熔焊的形成起到促進(jìn)作用。
具體來(lái)講，在接通電路的過(guò)程中，尤其是存在觸頭彈跳時(shí)，基于復(fù)雜的物理過(guò)程，觸頭間將產(chǎn)生電弧，進(jìn)而引起觸頭材料的侵蝕和轉(zhuǎn)移。當(dāng)閉合電弧能量和分?jǐn)嚯娀∧芰肯嗟葧r(shí)，在閉合過(guò)程中產(chǎn)生的材料損耗量將是分?jǐn)噙^(guò)程中產(chǎn)生材料損耗量的5-10倍。造成這一結(jié)果的原因是閉合過(guò)程中的彈跳電弧屬短弧，其電弧能量幾乎完全傳輸?shù)接|頭上，對(duì)觸頭材料的侵蝕起到了推波助瀾的作用。另一方面，觸頭接通電路過(guò)程中的彈跳電弧對(duì)觸頭弧根區(qū)域有瞬時(shí)而集中的熱流輸入，使觸頭材料強(qiáng)烈發(fā)熱并在局部區(qū)域融化，發(fā)生相變。觸頭閉合后，融化的金屬冷卻結(jié)合在一起，形成動(dòng)熔焊。觸頭彈跳可分為伴有融橋形成的彈跳和伴有電弧形成的彈跳，它們都可造成材料侵蝕和動(dòng)熔焊，并進(jìn)而影響接觸器的電壽命和工作可靠性。
接觸器閉合過(guò)程中的動(dòng)觸頭彈跳是多種因素共同作用的結(jié)果。其基本原因是接觸器的動(dòng)力學(xué)特性，其直接原因是接觸器吸力特性和反力特性相互競(jìng)爭(zhēng)和配合的結(jié)果。那么，吸力特性和反力特性與觸頭彈跳之間到底存在什么樣的關(guān)系呢？

圖1和圖2分別給出了兩種不同的吸力特性和反力特性的配合對(duì)觸頭彈跳的不同影響。
如圖1所示，該接觸器的吸力特性和反力特性的配合容易造成動(dòng)觸頭的彈跳。原因有兩方面，其一是在該吸力特性和反力特性下，動(dòng)觸頭的動(dòng)能∫[F(x)-f(X)]dx在超行程起始處較大，其二是觸頭彈簧力在超行程起始處較小。這兩方面的原因?qū)?dǎo)致動(dòng)觸頭在超行程起始處不可避免地發(fā)生彈跳，將動(dòng)觸頭過(guò)剩的動(dòng)能以觸頭彈跳的形式釋放掉。相對(duì)而言，圖2所示接觸器吸力特性和反力特性的配合將使得動(dòng)觸頭難以產(chǎn)生彈跳。
如圖2所示，該接觸器的吸力特性和反力特性的配合使得動(dòng)觸頭的彈跳很難產(chǎn)生。原因有兩方面，其一是在該吸力特性和反力特性下，動(dòng)觸頭的動(dòng)能∫[F(x)-f(X)]dx在超行程起始處較小，其二是觸頭彈簧力在超行程起始處很大。這兩方面的原因?qū)?dǎo)致動(dòng)觸頭在超行程起始處難以產(chǎn)生彈跳。
2)利用電弧狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)觸頭材料凈轉(zhuǎn)移為零本發(fā)明利用電弧狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)律，均衡金屬相電弧和氣相電弧產(chǎn)生的觸頭材料轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)凈轉(zhuǎn)移為零。
在接觸器觸頭的分?jǐn)噙^(guò)程中，在絕大多數(shù)情況下電弧過(guò)程要經(jīng)歷金屬蒸汽電弧階段和氣體電弧兩個(gè)階段。在金屬蒸汽階段，金屬電極材料在高溫和高場(chǎng)強(qiáng)下被蒸發(fā)和電離，形成金屬液滴、蒸汽和等離子體，籍以維持電弧電流，即電弧的產(chǎn)生和維持是以消耗電極材料來(lái)獲得的。在此電弧階段，會(huì)發(fā)生陽(yáng)極向陰極的觸頭材料轉(zhuǎn)移；在氣體電弧階段，觸頭間的氣體被電離，籍以提供電弧電流，即電弧是主要消耗空氣來(lái)維持的。在此電弧階段，會(huì)發(fā)生陰極向陽(yáng)極的觸頭材料轉(zhuǎn)移；因此，本發(fā)明利用了金屬蒸汽電弧和氣相電弧材料轉(zhuǎn)移方向相反的規(guī)律，通過(guò)調(diào)整金屬相電弧和氣相電弧的持續(xù)時(shí)間，均衡金屬相電弧和氣相電弧產(chǎn)生的觸頭材料轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)凈轉(zhuǎn)移為零。
3)材料轉(zhuǎn)移方向反轉(zhuǎn)規(guī)律對(duì)于直流接觸器，在分閘過(guò)程中，由于電氣參數(shù)、機(jī)械參數(shù)和觸頭材料的差異，極間電弧既可能為陰極電弧，也可能為陽(yáng)極電?。挥捎谟|頭工作過(guò)程中各種因素的不對(duì)稱，觸頭間存在材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象和材料轉(zhuǎn)移模式變化及材料轉(zhuǎn)移方向反轉(zhuǎn)。在一般情況下，直流分閘過(guò)程中的材料轉(zhuǎn)移模式為液態(tài)金屬橋轉(zhuǎn)移、陽(yáng)極型電弧轉(zhuǎn)移(也稱細(xì)轉(zhuǎn)移)、大功率電弧轉(zhuǎn)移和長(zhǎng)弧轉(zhuǎn)移。前三種電弧轉(zhuǎn)移均為陽(yáng)極向陰極的材料轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致陽(yáng)極損耗、陰極增重；后一種為陰極向陽(yáng)極的材料轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致陰極損耗、陽(yáng)極增重。接觸器觸頭材料凈轉(zhuǎn)移的大小從一個(gè)方面體現(xiàn)了觸頭材料損耗的程度，觸頭材料凈轉(zhuǎn)移為零，可最大限度的降低觸頭材料的損耗，提高電壽命。
如上所述，直流接觸器在每次分?jǐn)噙^(guò)程中，材料凈轉(zhuǎn)移隨電流變化的關(guān)系如圖3所示。
4)交流接觸器的無(wú)弧或少弧分?jǐn)啾景l(fā)明可實(shí)現(xiàn)交流接觸器的無(wú)弧或少弧分?jǐn)唷?br> 在交流接觸器中，通過(guò)的交流電流在每個(gè)周期存在過(guò)零時(shí)刻，如果分閘時(shí)各相觸頭的剛分時(shí)刻同該相交流電流的過(guò)零時(shí)刻相吻合，則可實(shí)現(xiàn)交流接觸器的無(wú)弧或少弧分?jǐn)?。由于三相交流電流的過(guò)零時(shí)刻并不一致，為了達(dá)到每相交流電流均過(guò)零分?jǐn)嗟哪康?，可使一相電流先在過(guò)零時(shí)刻分?jǐn)?，則未分?jǐn)嗟膬上嚯娏髯兂赏辔浑娏?，在它們下一個(gè)過(guò)零時(shí)刻來(lái)臨時(shí)使其分?jǐn)啵绱藙t實(shí)現(xiàn)了三相交流電流均過(guò)零分?jǐn)?。為達(dá)到此目的，必須對(duì)接觸器分閘過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行精確的控制，使得接觸器的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和交流電流的相位特性獲得良好的配合。
5)節(jié)能和無(wú)噪聲特性由于本發(fā)明在合閘后動(dòng)鐵芯依靠永久磁鐵提供的磁吸力保持在合閘位置，此時(shí)線圈無(wú)電流通過(guò)，即動(dòng)鐵芯合閘位置的保持不需能量。對(duì)于一些動(dòng)作并不頻繁的大、中容量接觸器而言，其節(jié)能效果十分明顯。由于在合閘后動(dòng)鐵芯依靠永久磁鐵提供的磁吸力保持在合閘位置，因此沒(méi)有工作噪聲，減小了環(huán)境污染，適應(yīng)現(xiàn)代環(huán)保電器的需求。5.2工作原理1)實(shí)現(xiàn)接觸器閉合過(guò)程動(dòng)觸頭無(wú)彈跳本發(fā)明的觸頭材料無(wú)損耗或少損耗的雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器，其吸力特性和反力特性的配合如圖4所示。在這樣的吸力特性和反力特性配合下，動(dòng)觸頭很難產(chǎn)生彈跳。
在閉合過(guò)程至超行程起始的瞬間，此時(shí)動(dòng)觸頭的動(dòng)能為12MV2=∫[F(x)-f(x)]dx]]>顯然，該值較小。
同時(shí)觸頭彈簧力在超行程起始處很大。此時(shí)動(dòng)觸頭受力為重力、觸頭彈簧力和動(dòng)、靜觸頭間的接觸壓力。大的觸頭彈簧力將阻止動(dòng)觸頭的彈跳。
2)利用電弧狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)觸頭材料凈轉(zhuǎn)移為零利用電弧狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)律，均衡金屬相電弧和氣相電弧產(chǎn)生的觸頭材料轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)凈轉(zhuǎn)移為零，其關(guān)鍵之處在于如何正確的調(diào)整金屬相電弧和氣相電弧的持續(xù)時(shí)間。通過(guò)控制分閘線圈、合閘線圈中的的電流，對(duì)接觸器分閘過(guò)程的速度特性進(jìn)行最優(yōu)動(dòng)態(tài)控制，就可以調(diào)節(jié)金屬相電弧和氣相電弧的持續(xù)時(shí)間。對(duì)某一主回路電流而言，使觸頭材料凈轉(zhuǎn)移為零的最優(yōu)動(dòng)態(tài)速度特性是與該電流值相對(duì)應(yīng)的；當(dāng)電流不同時(shí)，各電弧階段的持續(xù)時(shí)間和對(duì)應(yīng)的材料轉(zhuǎn)移也不同，使材料凈轉(zhuǎn)移為零所需的最優(yōu)動(dòng)態(tài)速度特性也不同。
實(shí)際使用中接觸器的分?jǐn)嚯娏饔韶?fù)載決定，分?jǐn)嚯娏饔锌赡茏兓?。因此，本發(fā)明在永磁機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用電流互感器實(shí)時(shí)在線檢測(cè)接觸器主回路中三相電流的大??；對(duì)電流互感器采集到的電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波，由DSP TMS320LF2407內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)DSP預(yù)測(cè)算法的運(yùn)算后，由DSP控制執(zhí)行部分，給出合適的動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電壓；當(dāng)需動(dòng)作時(shí)，由DSP控制其內(nèi)置的PWM發(fā)生器產(chǎn)生兩路優(yōu)化的PWM控制信號(hào)，分別控制后面的兩路PWM斬波電源電路給分閘線圈和合閘線圈供電。分閘線圈和合閘線圈可調(diào)電壓采用先用橋式二極管整流再用PWM斬波的方式獲得，通過(guò)改變DSP內(nèi)置的PWM發(fā)生器的輸出來(lái)改變PWM斬波的占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)線圈電壓和線圈電流，使接觸器在分?jǐn)噙^(guò)程中獲得精確可控的動(dòng)力學(xué)特性，從而使接觸器獲得優(yōu)化的此負(fù)載電流下對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，從而調(diào)整金屬相電弧和氣相電弧的持續(xù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)觸頭材料凈轉(zhuǎn)移為零。
本發(fā)明均衡金屬相電弧和氣相電弧產(chǎn)生的觸頭材料轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)凈轉(zhuǎn)移為零的原理圖如圖6所示，相應(yīng)的基于DSP的智能化控制單元電路如圖8所示。
3)利用材料轉(zhuǎn)移方向反轉(zhuǎn)的原理，實(shí)現(xiàn)常值負(fù)載下的直流接觸器觸頭材料零損耗本發(fā)明利用觸頭材料轉(zhuǎn)移方向反轉(zhuǎn)的原理，實(shí)現(xiàn)了工作在常值負(fù)載情況下的直流接觸器觸頭材料的零損耗。
由圖3可見(jiàn)，直流接觸器由于在分?jǐn)噙^(guò)程中存在觸頭材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象和材料轉(zhuǎn)移模式變化及材料轉(zhuǎn)移方向反轉(zhuǎn)，隨著分?jǐn)嚯娏鞯脑黾樱|頭材料的凈轉(zhuǎn)移由偏向陽(yáng)極變?yōu)槠蜿帢O。則此間必然存在一個(gè)特定電流值，在此電流值下，觸頭材料的凈轉(zhuǎn)移量為零。在實(shí)際運(yùn)行中一些工作在常值負(fù)載情況下的接觸器，在其工作電流下，由于觸頭材料的凈轉(zhuǎn)移量為零，實(shí)現(xiàn)了觸頭材料零損耗。
4)交流接觸器的無(wú)弧或少弧分?jǐn)酁閷?shí)現(xiàn)交流接觸器的無(wú)弧或少弧分?jǐn)啵P(guān)鍵是接觸器的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和交流電流的相位特性獲得良好的配合。在三相交流電流中首先選擇一相過(guò)零分?jǐn)?，后兩相再過(guò)零分?jǐn)唷?br> 因此，本發(fā)明在永磁機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在交流接觸器主回路中加裝電流互感器，實(shí)時(shí)在線檢測(cè)接觸器主回路中三相交流電流的大小和相位；對(duì)電流互感器采集到的電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波，由DSP TMS320LF2407內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)DSP預(yù)測(cè)算法的運(yùn)算后，由DSP控制執(zhí)行部分，給出合適的動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電壓；當(dāng)需分閘時(shí)，由DSP控制其內(nèi)置的PWM發(fā)生器產(chǎn)生兩路優(yōu)化的PWM控制信號(hào)，分別控制后面的兩路PWM斬波電源電路給分閘線圈和合閘線圈供電。為使三相電流均過(guò)零分?jǐn)?，首先由DSP根據(jù)采集的三相交流電流的大小和相位，經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)算法的運(yùn)算后，給出首開(kāi)相分?jǐn)嗟奶崆傲?，由DSP控制線圈電壓，進(jìn)而控制永磁式接觸器的運(yùn)動(dòng)特性，使首開(kāi)相在電流過(guò)零時(shí)刻分?jǐn)啵皇组_(kāi)相分?jǐn)嗪?，其余兩相電流變?yōu)橥辔浑娏?；DSP根據(jù)其電流特性，由預(yù)測(cè)算法預(yù)測(cè)其電流過(guò)零時(shí)刻，進(jìn)而控制線圈電壓，調(diào)節(jié)接觸器運(yùn)動(dòng)特性，使后兩相也在電流過(guò)零時(shí)刻分?jǐn)?；分閘線圈和合閘線圈可調(diào)電壓采用先用橋式二極管整流再用PWM斬波的方式獲得，通過(guò)改變DSP內(nèi)置的PWM發(fā)生器的輸出來(lái)改變PWM斬波的占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)線圈電壓和線圈電流，使接觸器在分?jǐn)噙^(guò)程中獲得精確可控的動(dòng)力學(xué)特性，從而使接觸器的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和交流電流的相位特性獲得最優(yōu)的動(dòng)態(tài)配合。做到分閘時(shí)觸頭的剛分時(shí)刻同交流電流的過(guò)零時(shí)刻相吻合，實(shí)現(xiàn)交流接觸器的無(wú)弧或少弧分?jǐn)唷?br> 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)交流接觸器無(wú)弧或少弧分?jǐn)嘣韴D如圖7所示，相應(yīng)的基于DSP的智能化控制單元電路如圖8所示。圖8所示的控制電路以DSPTMS320LF2407為核心，包括電流互感器、信號(hào)調(diào)理電路、DSP內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)化模塊、DSP內(nèi)置的PWM發(fā)生器、快速光電隔離芯片6N136和普通光電隔離芯片TLP521-2、斬波電源模塊。
圖8中，CT1、CT2、CT3為檢測(cè)接觸器三相電流的電流互感器，電流互感器檢測(cè)到的三相電流信號(hào)經(jīng)由以運(yùn)算放大器LM124為主構(gòu)成的信號(hào)調(diào)理電路的放大濾波處理，輸入DSP，由DSP內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)變換。DSP根據(jù)采集到的三相電流波形，經(jīng)由預(yù)測(cè)算法的運(yùn)算得到接觸器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的最佳動(dòng)作時(shí)刻。當(dāng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的最佳動(dòng)作時(shí)刻到來(lái)時(shí)，DSP內(nèi)置的PWM波發(fā)生器輸出優(yōu)化的PWM波，經(jīng)過(guò)6N136的光電隔離，控制PWM斬波電源的斬波方式和輸出電壓，進(jìn)而控制分閘線圈和合閘線圈電壓，從而使接觸器獲得精確可控的動(dòng)力學(xué)特性。圖8中的斬波電源模塊，采用先用橋式二極管整流再用PWM斬波的方式獲得，斬波開(kāi)關(guān)器件采用MOSFET，L1、L2、C1、C2分別為濾波電感和濾波電容。
5)節(jié)能和無(wú)噪聲特性的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的觸頭材料無(wú)損耗或少損耗的雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器，由動(dòng)鐵芯、上靜鐵芯、下靜鐵芯、永久磁鐵、分閘線圈、合閘線圈和觸頭彈簧組成；當(dāng)接觸器處于分閘位置時(shí)，線圈無(wú)電流；動(dòng)鐵芯依靠永久磁鐵保持在分閘位置；當(dāng)合閘信號(hào)到來(lái)時(shí)，合閘線圈通合閘電流提供合閘動(dòng)力，合閘電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向一致；分閘線圈通反向電流，分閘線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，相互抵消；動(dòng)鐵芯向下運(yùn)動(dòng)，直到合閘到位；合閘后斷開(kāi)線圈電流，動(dòng)鐵芯依靠永久磁鐵保持在合閘位置；當(dāng)分閘信號(hào)到來(lái)后，合閘線圈通反向電流，該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)同永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消；分閘線圈通分閘電流提供分閘動(dòng)力，動(dòng)鐵芯向上運(yùn)動(dòng)，直到分閘到位；斷開(kāi)分閘電流，動(dòng)鐵芯依靠永久磁鐵保持在分閘位置。
由上述本發(fā)明的工作過(guò)程可以看出，由于本發(fā)明在合閘后動(dòng)鐵芯依靠永久磁鐵提供的磁吸力保持在合閘位置，此時(shí)線圈無(wú)電流通過(guò)，即動(dòng)鐵芯合閘位置的保持不需能量。對(duì)于一些動(dòng)作并不頻繁的大、中容量接觸器而言，其節(jié)能效果十分明顯。由于在合閘后動(dòng)鐵芯依靠永久磁鐵提供的磁吸力保持在合閘位置，因此沒(méi)有工作噪聲。5.3實(shí)施例發(fā)明人在交流接觸器CJX1-250基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了永磁機(jī)構(gòu)和接觸器的融合，發(fā)明了觸頭材料無(wú)損耗或少損耗的雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器。具體方法是保留原交流接觸器CJX1-250的觸頭和滅弧結(jié)構(gòu)，將該接觸器的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)改為雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)。永磁機(jī)構(gòu)包括下靜鐵芯1、合閘線圈2和3、動(dòng)鐵芯4、永久磁鐵5、分閘線圈6和7、上靜鐵芯8。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明的觸頭材料無(wú)損耗或少損耗的雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器運(yùn)行時(shí)，節(jié)電在98％以上；正常運(yùn)行時(shí)無(wú)工作噪聲；在智能化控制的基礎(chǔ)上，不論是交流負(fù)載還是直流負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)觸頭無(wú)彈跳；實(shí)現(xiàn)了觸頭材料無(wú)損耗或少損耗；極大的提高了接觸器的電壽命和工作可靠性。
六、參考文獻(xiàn)[1]John J.Shea，Erosion and Resistance Characteristics of AgW and AgCContacts，IEEE Trans.CPT，Vol.22，No.2，June 1999，pp331-336[2]John W.McBride，Peter A.Jeffery，Anode and Cathode Arc RootMovement During Contact Opening at High Current，IEEE Trans.CPT，Vol.22，No.1，March 1999，pp38-46[3]H.Sone，T.Takagi，Role of the Metallic Phase Arc Discharge on ArcErosion in Ag Contacts，IEEE Trans.on CHMT，1990，13(1)，pp13-19[4]W.Rieder，V.Weichsler，Make Erosion on AgSnO2and AgCdO Contacts inCommercial Contactors，IEEE Trans.CHMT，1991，14(2).PP.298-303[5]R.Michal，K.E.Saeger，Metallurgical Aspects of Silver-Based ContactMaterial for Air-Break Switching Devices for Power Engineering，IEEE CHMT-12，1989，pp71-8權(quán)利要求
1.一種降低雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器的觸頭材料損耗的方法，其特征在于，按以下方法制備1)采用永磁機(jī)構(gòu)代替電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，形成雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器，該雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器包括(1)上靜鐵芯8、下靜鐵芯1各一塊，上靜鐵芯8設(shè)置有分閘線圈67，下靜鐵芯1設(shè)置有合閘線圈23；(2)在上靜鐵芯8和下靜鐵芯1的中間設(shè)置有動(dòng)鐵芯4，動(dòng)鐵芯4被固定在一塑殼9內(nèi)；(3)動(dòng)鐵芯4中部設(shè)置有一永久磁鐵5；(4)塑殼上部中央的空腔內(nèi)設(shè)置有觸頭彈簧11；塑殼9的頂端周圍設(shè)置有三組雙斷點(diǎn)、直動(dòng)式橋式觸頭，每組橋式觸頭有動(dòng)觸頭10和靜觸頭1213各兩個(gè)；2)結(jié)合電弧等離子體與觸頭材料相互作用的機(jī)理，對(duì)永磁機(jī)構(gòu)接觸器進(jìn)行智能化控制；(1)通過(guò)對(duì)吸力特性和反力特性的優(yōu)化配合，實(shí)現(xiàn)接觸器閉合過(guò)程動(dòng)觸頭無(wú)彈跳；(2)利用電弧狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)律，均衡金屬相電弧和氣相電弧產(chǎn)生的觸頭材料轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)凈轉(zhuǎn)移為零；(3)利用材料轉(zhuǎn)移方向反轉(zhuǎn)的原理，實(shí)現(xiàn)常值負(fù)載下的直流接觸器觸頭材料零損耗；(4)通過(guò)對(duì)接觸器的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和交流電流的相位特性良好的配合，實(shí)現(xiàn)交流接觸器的無(wú)弧或少弧分?jǐn)啵?)在永磁機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還設(shè)置有一基于DSP的智能化控制單元電路，包括在線實(shí)時(shí)檢測(cè)接觸器主回路中電流大小的電流互感器、信號(hào)調(diào)理電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器和DSP；所述電流互感器采集到的三相電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波，由DSP內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)DSP預(yù)測(cè)算法的運(yùn)算后，由DSP控制執(zhí)行部分，給出合適的動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電壓；當(dāng)需動(dòng)作時(shí)，由DSP控制其內(nèi)置的PWM發(fā)生器產(chǎn)生兩路優(yōu)化的PWM控制信號(hào)，分別控制后面的兩路PWM斬波電源電路給分閘線圈和合閘線圈供電。
2.如權(quán)利要求1所述的雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器的觸頭材料降低損耗的方法，其特征在于，所述線圈可調(diào)電壓采用先用橋式二極管整流再用PWM斬波的方式獲得，通過(guò)改變DSP內(nèi)置的PWM發(fā)生器的輸出來(lái)改變PWM斬波的占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)線圈電壓和線圈電流，使接觸器在分?jǐn)嗪烷]合過(guò)程中均獲得精確可控的動(dòng)力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)觸頭材料無(wú)損耗或少損耗。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器中降低觸頭材料損耗的方法，包括雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器的制備；并結(jié)合電弧等離子體與觸頭材料相互作用的機(jī)理，含金屬蒸汽電弧向氣體電弧的轉(zhuǎn)換規(guī)律、電極材料轉(zhuǎn)移機(jī)理、交流電流無(wú)弧或少弧分?jǐn)嗟?，?duì)永磁機(jī)構(gòu)接觸器進(jìn)行智能化控制，使接觸器在分?jǐn)嗪徒油娐愤^(guò)程中獲得最優(yōu)的動(dòng)力學(xué)特性。從而①實(shí)現(xiàn)接觸器閉合過(guò)程無(wú)彈跳。②利用電弧狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)律，均衡金屬相電弧和氣相電弧產(chǎn)生的觸頭材料轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了接觸器分閘過(guò)程的觸頭材料凈轉(zhuǎn)移為零。③實(shí)現(xiàn)交流接觸器的無(wú)弧或少弧分?jǐn)?。④利用觸頭材料轉(zhuǎn)移方向反轉(zhuǎn)的原理，實(shí)現(xiàn)工作在常值負(fù)載情況下的直流接觸器觸頭材料的零損耗。
文檔編號(hào)H01H47/02GK1448975SQ03108018
公開(kāi)日2003年10月15日 申請(qǐng)日期2003年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月14日
發(fā)明者榮命哲, 婁建勇, 鄒洪超, 袁志兵, 宋雪梅 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)