一种节电式大电流转动式交流接触器的设计

邓利辉

（天水长城控制电器有限责任公司，甘肃天水741024）

1 引言

交流接触器是一种适用于在低压配电系统中远距离、频繁地接通和分断交流主电路及大、中、小容量控制电路的自动控制开关电器。其主要用于控制交流感应电动机的起动、停止和反转，并与热继电器或其它保护装置组合，可防止交流感应电动机可能发生的过载和断相现象［1］。交流接触器由包含动、静触头的主回路、包含线圈和动、静铁芯的电磁系统和辅助触头系统等组成。其通过给电磁系统中线圈通电产生磁场，使静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，运动中的动铁芯带动转轴转动，并带动与转轴连接的动触头转动，使动静触头闭合，从而接通主电路。

交流接触器广泛应用于低压电路中，是一种工作原理简单、使用安全、操作便捷、种类众多的工业产品。其按照动铁芯的运动轨迹可分为直动式交流接触器和转动式交流接触器，其中转动式交流接触器由于动静触头吸合时既有触头之间的拍合运动又有动触头相对静触头之间的滚动，故能够破坏钢厂等条件比较恶劣环境下存在的粉尘和氧化膜等对接触器触头之间吸合的影响。另外，转动式交流接触器能够在AC4即10Ie条件下接通、12Ie条件下分断［2］，故其相比于直动式交流接触器更具有可频繁操作的特点，被广泛应用于钢厂等需频繁操作且环境比较恶劣的场所使用。

交流接触器因额定电流大小的不同，吸持时消耗的有功功率可从几十瓦到上百瓦不等。一台CJ20—400A／3型交流接触器，正常工作时吸持功率为180W，按一年工作300天、一天正常工作8小时计算，其年耗电量将超过400kW·h。特别是额定电流800A以上的大电流交流接触器，通常都是使用于八小时以上的不间断的工作环境中，通电后一直处于吸持状态，其年耗电量巨大。随着工业技术和电力系统的发展，大电流交流接触器的利用率持续增长，总的年耗电量非常巨大，因此，如何将节能技术应用于大电流交流接触器上以减少其工作时的能耗是目前一个亟待解决的问题。

2 交流接触器的节能方式

根据交流接触器的结构不同，其节能方式主要有以下四种：（1）改造电磁系统，采用节电线圈；（2）改造机械结构，加装锁扣脱扣器；（3）外加无声节电器；（4）设计永磁式交流接触器［3］。

2.1 采用节电线圈型交流接触器

采用节电线圈的交流接触器的原理是将线圈做成双绕阻的形式，利用绕组中的大电流进行吸合，小电流保证吸持。即将交流接触器的线圈设计成两部分，一部分为吸合绕阻，另一部分为保持绕阻，不同的绕组为交流接触器的不同工作状态服务。其中，吸合绕阻采用比较大的线径，但匝数较少，因而阻抗较低，产生的吸合电流比较大，能很好地克服接触器中反力弹簧的力量使动静触头吸合。动静触头吸合后吸合绕阻断开转入吸持绕阻，吸持绕阻线径较小、匝数较多，因而阻抗较大，所产生的吸持电流比较小。仅用很小的吸持电流就保证动静触头间的闭合，这样就能够在交流接触器的使用过程中有效地减少电损耗。同时，也能有效地抑制线圈温度的升高。

2.2 加装锁扣脱扣器型交流接触器

加装锁扣脱扣器的交流接触器的原理是通过一个机械锁扣器保持交流接触器线圈动静触头间的吸持状态，使交流接触器线圈在不通电或很小电流的状态下保持吸合状态。即给交流接触器增加一个控制主触头的锁扣装置，当交流接触器动静触头吸合后带动锁扣装置上的锁扣杠杆将动静触头锁闭在闭合状态，在交流接触器线圈断电后，动静触头仍可在锁扣装置的带动下保持吸合状态。当需要断开交流接触器时，锁扣装置上的脱口线圈带电，锁扣装置工作，打开锁扣杠杆，交流接触器的动静触头分开。当交流接触器的动静触头处于吸持工作状态时，交流接触器的线圈是不通电的，而解锁时锁扣装置上的脱口线圈的电损耗小于2W，这样就有效地节约了交流接触器工作过程中的电能消耗。

2.3 外加节电器型交流接触器

节电器按照其主要组成元件的不同可分为电容器式节电器、变压器式节电器及改变占空比式节电器。外加节电器的交流接触器的原理是通过将交流接触器与其相应的节电器配套使用，使交流接触器在直流状态下也能保持吸持状态，从而达到节能的目的。目前市面上的节电器由于受交流接触器电磁线圈所储存的电磁能及节电器内部器件的限制，一般只适用于额定电流为60A～600A的交流接触器。额定电流低于60A的交流接触器，其电磁线圈所储存的电磁能不足以维持其在直流条件下的吸合状态，而额定电流大于600A的交流接触器因其产生的电磁能过大，极易使节电器损坏，同样都难以采用该节能方法。

2.4 永磁式交流接触器

永磁式交流接触器的工作原理是利用磁极的同性相斥、异性相吸原理，采用永磁驱动装置取代传统的电磁驱动装置而形成的一种微功耗交流接触器。通过安装在交流接触器联动装置上的极性不变的永磁铁与固定在交流接触器底座上的极性可变的软磁铁相互作用，达到吸合、保持与释放的目的。软磁铁极性的变化是由与其固化在一起的微电子模块控制的。微电子模块通过产生方向可变的微小脉冲电流，达到改变软磁铁自身极性的目的，其与永磁铁通过磁极的相互作用对交流接触器的触头进行控制，取代了传统的电磁铁驱动装置。永磁式交流接触器在没有线圈的情况下，工作过程中仅有十几到二十几毫秒的微弱信号电流通过，节能效果显著。

以上四种节能方式虽然在国内的交流接触器中均有使用，但多用于直动式交流接触器，对于转动式交流接触器，常见的节能方式主要有加装锁扣脱扣器和采用节电线圈，但也只在额定电流630A及以下的转动式交流接触器上使用过。额定电流为800A及以上的转动式交流接触器通常属于8h以上工作制的产品，耗电量巨大，且要求其始终保持在吸持状态并能够与主电动机配合使用，对交流接触器的质量要求较高，故在节能设计的实现方面也更加困难。

3 节电式大电流交流接触器的设计

3.1 大电流交流接触器功耗分析

交流接触器有两个工作状态：吸合状态和吸持状态。对应两个工作状态，其线圈中也存在两种电流，即动铁芯打开位置的起动电流和闭合位置的工作电流。通过对交流接触器工作过程的观测可以发现，动铁芯起动时线圈内的电流值较大，但由于吸合所需的时间只有20～80ms，因此吸合状态所消耗的功率并不是很大［4］。而交流接触器长期工作在吸持状态，特别是对于8小时及8小时以上工作制的交流接触器，尽管其处于吸持状态时线圈内的电流值相比于起动时小很多，但因其工作状态是吸持状态，吸持状态的持续时间长，所以消耗的功率比吸合状态大很多。

交流接触器的电磁系统采用交流电源控制时，其吸持状态的损耗包括铁损SFe（磁滞损耗Sh＋涡流损耗Se）、铜损SCu（电磁线圈的电阻损耗）和短路环损耗SD。在交流接触器的总损耗中，铁损SFe占65%～75%、短路环损耗占25%～30%、铜损SCu占3%～5%。可见，其中铁损SFe和短路环损耗SD占总损耗的90%以上，而铜损SCu仅占了很小的一部分［5］。

铁损SFe包括磁滞损耗Sh和涡流损耗Se。其中，磁滞损耗Sh是铁芯磁性材料在将电能转换为磁能的过程中产生的损耗。涡流损耗Se是由于交变的磁通在铁芯中产生感应电动势，并在铁芯的断面上形成闭合回路，产生感应电流，该感应电流使铁芯发热所形成的损耗。磁滞损耗Sh和涡流损耗Se都是由于铁芯被交流电交变磁化所产生的。

短路环损耗SD是由于交流接触器线圈上的短路环的存在而产生的。交流电通过交流接触器电磁系统的线圈时，线圈对动铁芯产生的吸引力也是交变的，当交流电流变化到零值时，线圈磁通变为零，对动铁芯的吸引力也变为零，此时，动铁芯会在复位弹簧的作用下产生释放趋势。可将短路环安装在交流接触器的线圈上，把铁芯的磁通分为两部分，保证在交变电流过零时，维持线圈上的静铁芯与动铁芯之间的吸引力，并消除动静铁芯之间的振动。

铜损SCu是由于交流接触器的线圈在工作过程中发热引起的。交流接触器在起动过程中需要给线圈通电，使静铁芯产生电磁吸力吸引动铁芯。该过程需要克服交流接触器中主触头的弹簧反力、辅助触头弹簧反力、运动部分的重力、复位弹簧力及摩擦力等合成力，所需的吸力较大。由于电磁吸力与线圈中的电流的平方成正比，所需的吸合电流较大，消耗的功率也较大，导致线圈发热严重。同时，线圈发热还会使线圈的绝缘层加速老化，缩短交流接触器的使用寿命。

3.2 大电流交流接触器节能设计

通过上述对于交流接触器功耗的分析发现，交流接触器在工作过程中消耗的功耗多源于接触器吸持，而吸持状态的损耗有铁损SFe，铜损SCu和短路环损耗SD。其中铁损和短路环损耗都是由于交变电流控制下产生的损耗，若能使交流接触器的电磁系统工作在直流条件下，将会极大减少电磁系统的损耗，达到很好的节能效果。铜损耗虽然占的比重不太大，但它是线圈发热的主要原因，容易加速绝缘层的老化，缩短产品的使用寿命，也是一个亟待解决的问题。基于以上分析，对800A以上的转动式交流接触器的磁系统设计提出以下几点改进意见：

（1）采用直流运行方式使交流接触器在直流电源的控制下保持吸持状态。即将交流接触器电磁系统交流起动交流吸持的工作方式改进为交流起动直流吸持的工作方式，使电磁系统在直流电源的控制下保持吸持状态，这样能够完全消除电磁系统因铁损而消耗的功耗，从而大幅度降低交流接触器在吸持过程中的能耗。同时，交流接触器线圈通入直流电后，避免了交流电变化过程中电流为零的情况发生，无需再使用短路环，也就消除了短路环上的能量损耗。综上所述，交流接触器采用直流吸持方式后能够同时消除铁芯中铁损SFe和短路环损耗SD，能够减少交流接触器吸持过程中90%以上的功耗。

（2）交流接触器在起动过程中，为了克服多种阻力使动静触头闭合，需要很大的起动电流，而当交流接触器进入吸持状态后，所需的电磁吸力只要能够克服复位弹簧的反力即可，此时仅需要很小的电流驱动线圈即可保持交流接触器触头的闭合状态。若能够在交流接触器动静触头闭合后进入吸持状态时，降低电磁系统的激磁功率，使之维持在仅保持动静铁芯闭合的状态，这样就既保证了交流接触器的可靠吸合，又大幅度降低了吸持阶段消耗的功率。同时，由于吸持状态下线圈中通过的电流变小，线圈的功耗降低，线圈发热的情况也有所缓解，线圈的寿命也将会大幅度提升。

根据以上设计思路，本文提出以下两种针对额定电流800A以上的大电流转动式交流接触器的节能方案：

方案一：采用双绕阻直流线圈。即将交流接触器的电磁线圈制成双绕阻线圈，其中一个绕阻线径粗、匝数少，主要用于交流接触器的吸合过程。另一个绕阻线径细、匝数多，主要用于交流接触器的吸持过程。其次，将接触器的一个常闭辅助触头作为绕阻的切换开关，控制切换两个绕阻在线圈电路中的位置，使交流接触器既能够在大电流条件下接通，又能够在小电流条件下保持吸持状态。

方案二：优化交流接触器电磁系统的电路设计。通过设计特定的节能装置，在交流接触器动静铁芯吸合、动静触头闭合后，增大回路中的电阻，减小回路中的电流，使电流降低到仅能维持动静铁芯闭合的大小即可，从而有效降低交流接触器的功耗。

交流接触器频发的质量问题主要有两种，一种是接触系统故障，另一种就是电磁系统故障。而电磁系统的质量问题大多是由于电磁线圈的质量造成的。方案一中采用双绕阻直流线圈，而在实际中，双绕阻直流线圈在加工过程中的质量难以绝对控制，这造成产品可靠性不高，容易在使用过程中出现故障，且交流接触器在工作时若发生故障，查找线圈故障原因和更换线圈所需要的维修时间较长，对整个系统的工作影响较大。方案二中使用特定的节能装置优化电路设计，操作简单，可靠性高，在增大电路中的电阻后，通过线圈的电流会降低，也能大幅度提高线圈的使用寿命。另外，节能装置的元器件全部放置在外，便于观察且易于安装和更换。在分析和比较了两种方案的优缺点后，本文选用方案二设计了如图1所示的大电流交流接触器电磁系统供电部分的电路图。

图1 大电流交流接触器电磁系统供电部分的电路图

电路图中整流桥可实现将输入的交流电转化为直流电的功能，在5，6端口输入交流电即可在7，8端口输出相对应的直流电。R1，R2，R3为三个阻值可选的普通电阻，方框K表示一个小继电器的线圈，用来控制主触头K的状态，从而选择将三个电阻接入电路或是短路。方框KM表示安装在静铁芯上的交流接触器的电磁线圈，通电时产生磁场使交流接触器的静铁芯产生吸引力，吸引动铁芯转动，并使动静铁芯吸合。动铁芯在转动过程中带动交流接触器的主触头闭合、常开辅助触头闭合、常闭辅助触头打开。反之，交流接触器的电磁线圈断电时使交流接触器的主触头打开、常开辅助触头打开、常闭辅助触头闭合。KM是交流接触器的一个常闭辅助触头，通过电磁线圈的通断电来控制其状态。

该电路图的工作原理如下：在1，2触头之间通入交流380V电源，接通3－4线路，并给整流器供电。此时，小继电器线圈K带电，瞬间使小继电器的主触头K闭合，而交流电通过整流桥变为直流电后为9－10－11－12线路供电，使得交流接触器的线圈KM中通过直流电，即可实现使交流接触器在直流电源控制下维持吸持状态，减少电磁系统的损耗。线圈KM带电后，使其常闭辅助触头KM打开，3－4线路断开，小继电器线圈K断电，其常开触头 K 随之断开，电流通过 7－9－11－12－8形成闭合回路，并将3个电阻R1，R2，R3串入交流接触器的线圈，增加了处于吸持状态的交流接触器线圈回路中的电阻，电流大幅度降低。通过合理选择电阻R的阻值，可将通过交流接触器线圈中的电流维持在恰好能保证动静铁芯闭合的合理范围。若交流接触器线圈的电阻为50Ω，加入的3个阻值为1000Ω的电阻，则线路中通过的电流值仅为0.125A，对应的交流接触器线圈的功耗也极小。通过该设计能够在很大程度上降低吸持状态下交流接触器线圈的功耗。

图2 接触器转轴电磁系统与接触器辅助触头组连接示意图

额定电流800A以上的转动式交流接触器的主回路和电磁系统的电路是分开的，同时电磁系统上的可用空间较大，有足够的空间安装上述元件。为了方便接线，将控制交流接触器电磁系统所需的电阻、整流器和小继电器通过一块U形的长铁板安装在接触器静铁芯的下面，并与静铁芯隔开一定距离，该设计可以在实现其功能的基础上，减少交流接触器工作时电阻与静铁芯之间的热量传递，如图2所示，图中1为主回路转轴，2为支持件，3为连杆，4为辅助回路转轴。接触器转轴上的电磁系统一侧安装一个四连杆机构，四连杆机构与接触器的辅助触头组相连，接触器主回路动静触头的运动通过四连杆机构传递给辅助触头组。当接触器的线圈KM带电后，动静铁芯吸合，安装在转轴上的动铁芯运动带动转轴转动，使四连杆机构运动，常闭辅助触头KM打开，将3个电阻R1，R2，R3串入交流接触器的线圈，即可实现上述电路的功能。

4 结束语

本文归纳和总结了目前常见的几种交流接触器的节能方式，并在学习现有方法的基础上，设计了一种针对大电流转动式接触器的节能方案。本文首先对交流接触器工作过程中的主要能量损耗进行分析，发现其在吸持状态下消耗远大于吸合过程，吸持状态下的能量损耗主要有铁损、铜损和短路环损耗。本文针对上述三种主要损耗，在充分分析其产生原因及危害的基础上，分别提出优化的方法和建议，并综合设计了一种针对大电流转动式交流接触器的节能方案。该方案在减小大电流转动式交流接触器能耗的同时，也能有效降低其吸持电流，从而最大程度地避免电磁线圈温升，延长交流接触器使用寿命，提高其可靠性。实践证明该方案可行且具有很好的发展前景。