基于磁保持继电器的小容量交流接触器的研究

郭银婷，刘向军，缪希仁

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108)

基于磁保持继电器的小容量交流接触器的研究

郭银婷，刘向军，缪希仁

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108)

为了提高交流接触器的可靠性，减小功率损耗，提出了一种基于磁保持继电器的小容量交流接触器的新方案。采用三只磁保持继电器作为40A交流接触器的本体，在其中两相触头上并联双向晶闸管，利用单片机控制模块对三相电路进行分相控制，实现接触器三相触头的无弧接通与分断。完成了基于磁保持继电器的接触器样机设计和制作，并进行了试验验证。试验结果表明该样机可以实现新型交流接触器的吸合和分断过程控制和无弧通断功能，并具有结构简单、控制方便、体积小以及节能无声运行等优点。

磁保持继电器;交流接触器;混合式;无弧通断

1 引言

传统的交流接触器作为一种有触点电器，在分断电路时触头间所产生的电弧严重影响其可靠运行并缩短其工作寿命［1－3］，解决触头的电弧侵蚀在很大程度上将提高电寿命。混合式电器技术结合了有触点和无触点电器的优点，为新型电器的设计提供了技术支持。

由于交流接触器在运行中要消耗大量的能量，而所消耗的能量主要集中在吸持状态的铁损上，因而降低吸持功耗就可以大幅度减低接触器的功率损耗［4－6］。磁保持继电器是一种低功耗电器，其触点状态的转换只需几十毫秒的脉冲信号触发即可完成，具有运行无功耗、线圈发热量低、动作时间稳定等优点。

本课题采用三只磁保持继电器作为交流接触器的本体，在其中两相触头上并联双向晶闸管，利用单片机控制模块实现三相电路的分相控制。接通过程，触头未并联双向晶闸管的相先通，分断过程后断，另外两相合理控制，使磁保持继电器承担稳态过程，双向晶闸管承担瞬态过程，实现三相无弧接通与分断。在大幅度提高了电寿命的基础还具有节能无声运行的优点。

2 基于磁保持继电器的小容量交流接触器的设计原理

本文研究的新型交流接触器，其本体结构采用三只磁保持继电器。接通时其中一只磁保持继电器先导通某相主电路，另外两只继电器后导通其他两相主电路，此两相主电路部分由双向晶闸管和磁保持继电器触头并联而成。分断时，该两相电路先断，未接晶闸管的相后断。由于容量越大，双向晶闸管的价格越贵，接触器的成本越高，推广应用的可行性低，因此本课题以40A的小容量交流接触器为研究对象，设计了基于磁保持继电器的小容量交流接触器。其控制原理框图如图1所示。

图1 基于磁保持继电器的小容量交流接触器原理框图

在起动过程中，单片机系统对相电压进行采样，当采样电压大于接触器的吸合电压时，单片机发出吸合指令给B相磁保持继电器的置位线圈，使B相继电器空载接通，再延时相应时间，触发电路中的两个双向晶闸管和A、C两相磁保持继电器的置位线圈，由于继电器触头有一定的吸合延时，所以晶闸管比触头先导通。经过一定的激励时间后，将双向晶闸管和置位线圈的信号断开，磁保持继电器处于闭合状态。

在吸持阶段，磁保持继电器无需外接电源即可处于吸持状态，因此可以实现无能耗运行。同时，在吸持过程中，单片机一直检测电路中的电源电压，当检测到电压低于接触器的释放电压时，则转入分断控制程序。

分断过程中，先使两个双向晶闸管和A、C两相磁保持继电器的复位线圈导通，因继电器触头有一定的释放延时，所以晶闸管先闭合，触头后断开。A、C两相触头断开后，断开两个双向晶闸管的触发信号，再延时一段时间，确保晶闸管关断后才触发B相磁保持继电器的复位线圈，使B相触头断开。经过一定的激励时间后，将复位线圈的信号断开。为了保证安全性，接触器断开之后程序结束，必须对单片机复位才会继续对电压检测。

3 硬件设计

基于磁保持继电器的小容量交流接触器的硬件包括磁保持继电器、电力电子器件和以单片机为核心的控制模块，硬件系统的主要组成框图如图2所示。

图2 基于磁保持继电器的小容量交流接触器的硬件系统框图

(1)继电器模块:采用的继电器型号为HFE9－3/5－HST［7］，额定电压250VAC，额定电流为60A的双圈磁保持继电器，线圈额定电压为5VDC，动作电压为3.5VDC。

(2)5V直流电源系统:其特殊性在于7805芯片前面加了一个10000F电容，以保证接触器分断过程或者电源突然断电时，电源系统能够为单片机、磁保持继电器线圈模块及光耦隔离芯片提供电源，保证继电器触头可靠分断，切断电路。

(3)电压检测电路模块:由于单片机AD采样只能识别5V以内的直流电压，因此电压检测时需通过电压互感器HPT304，再经过运算放大器MCP6002及二极管，将220V交流电压转换为直流低电压。

(4)单片机模块:是整个控制模块的核心，其主要功能是对电压进行采样、判断。依据采样到的电压值，触发线圈驱动模块及光耦隔离模块，使置位线圈或复位线圈励磁，使晶闸管的导通和关断。本文根据控制模块所要实现的功能，综合各方面因素，采用MICROCHIP公司生产的PIC16F873A芯片。

(5)磁保持继电器线圈驱动模块:磁保持继电器的线圈驱动电路是控制继电器动作的功能模块，其设计应当考虑到线圈电流的大小。PIC16F873A的I/O口的最大灌、拉电流只有25mA，而本设计采用的HFE9磁保持继电器线圈电流I为417mA。因此，根据继电器线圈的驱动功率要求，利用三极管9012设计合理的磁保持继电器线圈驱动电路。

(6)电力电子器件隔离驱动模块:为了避免主电路对控制电路的干扰，本文采用MOC3051驱动电路实现主电路与控制电路的电气隔离。

4 软件设计

为了程序的简洁，系统软件的设计采用模块化的思想。根据系统设计的功能，在主程序中调用子程序，

其中主程序的流程图如3所示。

图3 主程序流程图

首先对单片机进行上电初始化，完成各种寄存器及I/O口等的设定。执行完初始化程序后，单片机处于等待状态，等待中检测电压信号，如果检测到电压值达到接触器的吸合电压并且触头处于断开状态，则调用接触器接通子程序;如果检测到电压值达到释放电压值并且触头处于闭合状态，则调用分断子程序。接通和分断子程序分别如图4和5所示。

图4 接触器接通子程序

接通过程如图4所示，B相继电器置位线圈上电，延时20ms后确保B相继电器触头已闭合，给两个光耦MOC3051上电，触发晶闸管导通。给A、C两相继电器置位线圈上电，经过继电器闭合动作延时后，A、C两相继电器触头闭合。延时50ms使继电器线圈有足够的激励，断开两个光耦MOC3051及A、B、C三相继电器置位线圈的触发信号。延时100ms，使继电器完全闭合后返回主程序，避免因继电器动作导致+5V电源下降而影响电压采样的准确性。分断过程如图5所示。

图5 接触器分断子程序

5 试验验证与结果分析

在系统建模、硬件设计、软件设计的基础上，本文设计了基于磁保持继电器的小容量交流接触器的样机并进行了试验验证，样机如图6。

图6 基于磁保持继电器的小容量交流接触器样机

采用电流互感器对接触器触头电流和晶闸管回路电流信号进行检测，用示波器拍摄触头与晶闸管回路电流波形。

5.1 无弧接通试验验证

图7和图8为闭合过程各电路波形。如图7所示，B相继电器置位线圈上电到B相触头回路有电流间隔22.8ms，而实测得到的该继电器的闭合延时时间为7.7ms，说明B相继电器触头在B相回路有电流前早已闭合，因此B相实现了无弧接通。当A、C相晶闸管导通后，B相触头和A、C相形成回路而出现电流。如图8所示，并联在A相的晶闸管比A相触头先导通，晶闸管承担了瞬态过程，A相触头无载闭合，因此A相实现了无弧接通。当触头闭合后，将晶闸管短接，电流转移至触头上，由触头承载负载电流。C相电路与A相相同。

5.2 无弧分断试验验证

图9和图10为分断过程各电路波形。

如图9所示，B相复位线圈上电比B相触头回路电流消失晚4ms，说明B相回路电流为零时，B相触头还没有断开，因此B相实现了无弧断开。如图10所示，A相触头未断开前，并联在A相触头的晶闸管已导通，一旦A相触头断开，电流即转移到A相晶闸管上，使A相触头无载断开。因此A相实现了无弧断开。C相电路与A相相同。

图7 闭合过程B相置位线圈上电触发信号及触头回路与晶闸管回路电流

图8 闭合过程触头回路与晶闸管回路电流

图9 分断过程B相复位线圈上电触发信号及触头回路与晶闸管回路电流

为了保证安全性，当电网突然断电时，必须断开接触器。磁保持继电器具有自保持功能，电网突然断电时磁保持继电器不能自动断开，必须由单片机输出触发信号使继电器复位线圈励磁，使继电器断开。单片机电源和继电器复位线圈电源由5V直流电源系统中的10000F电容提供。

图10 分断过程触头回路与晶闸管回路电流

5.3 电网突然断电接触器无弧分断试验验证

图11 电网突然断电时各电压波形

由于接触器分断过程中，单片机控制A、C两相继电器比B相先断开，所以只要证明B相断开即可以保证A、C两相已经断开。

6 结束语

图11表示电网突然断电时各电压波形。如图11所示，电网突然断电，10000F电容可持续17ms放电至3.5VDC，维持单片机工作，为磁保持继电器复位线圈及光耦隔离芯片提供触发信号，并为B相继电器复位线圈提供动作电压。由于实测得到的该继电器的分断延时时间仅为3.3ms，因此可以保证电网突然断电情况下，接触器可以可靠分断。

本文对基于磁保持继电器的小容量交流接触器进行了研究。将磁保持继电器应用在交流接触器中，提出了一种基于磁保持继电器的小容量交流接触器的新方案，并对其进行了样机设计和实验验证。该小容量交流接触器能大幅提高工作可靠性和使用寿命，性价比高，且具有节能无声运行等优点，应用前景广阔。

［1］ HaitaoWang，Jingqin Wang，Qishu Bao etc．Analysis of Electrical contact performance for Alternating Current Contactor．2011 Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation，2011:463－466．

［2］ 郑听，许志红，张培铭．智能混合式无弧交流接触器的研究［J］．2005，9:10 －12．

［3］ 刘教民，孙祎．交流接触器开关电弧的图像采集与处理［J］．电工技术学报，2010，25(1):64 －69．

［4］ 段志强，王宝石．基于交流接触器直流运行方法研究［J］．电气开关，2009，6:15 －19．

［5］ 李克芹，刘冬英．交流接触器节能技术的应用［J］．低压电器，2009，15:52 －59．

［6］ 王海潮，张继华．新型永磁操动机构智能交流接触器的研究［J］．低压电器，2009，5:8 －12．

［7］ 宏发继电器．HFE9参数手册［J］．2010．

Low-Capacity AC Contactor Based on M agnetic Latching Relay

GUO Yin-ting，LIU Xiang-jun，MIAO Xi-ren
(Electrical Engineering and Automation College，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China)

In order to improve the reliability of AC contactor and reduce power consumption，this paper presents the new design of small-capacity AC contactor based on magnetic latching relay．In this paper，threemagnetic latching relays are adopted as themain body of40A AC contactor，two phases ofwhich the triacs are connected in parallel．Bymeans of the micro control unit，three-phase circuits are controlled respectively，and then circuits'switch without arc is realized．The prototype of small-capacity AC contactor ismanufactured and tests are carried out．The results show that the new-style contactor has the functions such as overall process control and switch without arc，and also has the benefits of simple structure，small size，silent operation and energy-saving．

magnetic latching relay，AC contactor，hybrid，switch without arc

TM57

B

1004－289X(2013)05－0079－05

2013－03－04

郭银婷(1989－)，女，福建籍，硕士研究生，研究方向为智能电器及在线监测技术;

刘向军(1970－)，女，浙江籍，博士，副教授，主要研究方向为智能电器及在线监测技术;

缪希仁(1965－)，男，福建籍，博士，教授，主要研究方向为:智能电器及在线监测技术。