别墅电梯控制系统用交流接触器问题解决方案*

2021-03-22王有萍

机械研究与应用 2021年1期

李懂，王有萍，米亮

(天水二一三电器集团有限公司，甘肃天水 741000)

0 引言

在国外，别墅内和自建房内安装一部别墅电梯是比较普遍的，在我国，别墅电梯发展速度迅猛，消费者对别墅电梯的认识和需求也不断上升，电梯对于别墅来说已是一个必备的家用设备，现代别墅电梯的设计遵从了以安全性为基础、从个性化出发、以节能环保为核心的设计理念，对其配套使用的交流接触器提出更高的要求。现阶段，国内所配套别墅电梯控制系统的交流接触器主要为额定工作电压AC380V、额定工作电流09～63A的传统交流接触器，该类接触器在电梯行业中主要用于有机房电梯，其对交流接触器的体积、噪音等问题要求较低，但别墅电梯为无机房电梯，其电控柜安装在空间狭小的电梯井道内，因此接触器的体积要尽可能小，且工作时需要无噪音、节能、过压保护等，为住户创造安静、舒适、节能、安全可靠的居住环境，传统交流接触器已不适用。

笔者通过重点分析传统交流接触器在别墅电梯控制系统中应用和选型所存在的问题，以笔者公司设计开发的GSF5系列交流接触器为例，介绍了通过模数化设计、触头的多样化设计、内置整流和过压保护功能的直流双线圈电磁系统设计、封星方案的优化设计、抱闸回路接触器的应用和选型方案优化，解决了传统交流接触器在别墅电梯应用中遇到的体积大、噪音大、线圈无过压保护、封星触点易粘连、抱闸回路接触器触点易烧损、信号检测回馈不可靠等问题，满足了别墅电梯的特殊要求，实现对别墅电梯的可靠控制，对设备的稳定运行和高效管理有着重要的意义。

1 传统交流接触器在别墅电梯控制系统的应用中存在的问题

交流接触器在别墅电梯的控制系统中主要用于主驱动回路控制、封星回路控制、制动抱闸回路的控制、控制检测回路，传统交流接触器在选型和使用中存在的问题概括如下。

1.1 噪音大、体积大的问题

因别墅电梯均为无机房电梯，对其主驱动回路、制动抱闸回路、封星回路等用的接触器都要求具有静音功能，同时体积越小越好；但是目前市场上体积小的无静音功能，有静音功能的体积较大，很多别墅电梯生产厂家采用的是线圈交流控制的交流接触器，虽然解决了体积大的问题，但接触器在吸合瞬间的明显撞击声和工作中因交流电产生的低频嗡嗡声无法消除，经常受到消费者的投诉。

1.2 线圈断电时产生过电压烧损主控板继电器触点的问题

由于接触器的控制线圈有电感，线圈突然断电时，由于电感的电流突变，线圈会产生反电势，该电势最大可达线圈工作电压的8倍左右，极易烧损周围的小型继电器和主控板上的电子元器件，同时也会使接触器的衔铁产生较强的剩磁，由于衔铁剩磁的作用，可能导致触头不能及时分断。

1.3 继电器封星时触点易粘连

不同电梯厂家的封星方案各不相同，基本分为辅助触头组封星、接触器式继电器封星(见图1)、两开两闭的接触器或者三常闭的接触器封星(见图2)、封星接触器封星(见图3)。

图1 接触器式继电器封星方案

图2 两开两闭的接触器封星方案

图3 封星接触器封星方案

目前无机房的客梯和货梯中，应用最多的是专用的封星接触器封星或者是两开两闭的接触器封星方案；在别墅电梯中多用接触器式继电器封星，这种方案成本不高，从运行接触器断开到封星接触器式继电器接通，直流线圈转换时差一般在85 ms左右，交流线圈转换时差一般在25 ms左右(实测数据)，因此不会发生变频器输出短路，该类接触器触点的约定发热电流为10A，在AC-15/AC380V时，其额定工作电流为0.95A，承载电流能力不够，在0速0流的情况下封星没有问题，但在急停或者突然断电等特殊情况封星时，风险较大，同时封星连线比较复杂。

1.4 制动抱闸回路接触器选型不当容易造成触点烧损

电梯的制动回路是通过制动器实现电梯的松闸启动和抱闸停止，制动器的抱闸线圈电磁铁可以等同于一个RL器件，属于直流感性负载(DC-3)，由于制动器的功率小(一般为500 W/DC110V)，因此目前普遍用交流接触器来控制直流回路，而交流接触器通常是在AC-3使用类别下工作，因此，在选型时应降容使用，如果选型不当，则容易造成触电烧损，接触器使用寿命减少。

1.5 控制检测回路中的信号回馈不可靠问题

在运行、抱闸、门开关、安全、封星以及救援等控制回路中，回馈信号如果没有有效传递，电梯就会报相应的故障。目前，电梯中接触器产品回馈信号的触点为本体自带的辅助触点或加挂的辅助触点，该触点能够可靠接通的最小负载容量为24V/10mA，而电梯控制回路反馈信号容量为5V/10mA，甚至更低。

2 解决方案

通过以上分析，别墅电梯接触器选型和应用的制约因素，主要是由于市场上暂无一款小型化、无噪音、节能、有过压保护、触头型式多样、触点容量大的接触器，来满足别墅电梯的特殊需求。天水二一三电器集团有限公司针对别墅电梯行业的特殊需求，设计开发出GSF5系列微型接触器可完全解决以上问题。

2.1 解决噪音大、体积大、节能等问题

(1)GSF5系列接触器属于微型接触器，外形尺寸与微型断路器一致(18 mm倍数)，相比传统的接触器体积减小30%，外形尺寸详见表1。

表1 GSF5交流接触器与传统接触器外形尺寸对比

(2)GSF5系列产品采用旋转拍合式、直流电磁系统设计，线圈内置了整流模块，可交直流通用，消除了传统接触器交流磁系统在吸合瞬间的明显撞击声和工作中的低频嗡嗡声，工作时声音更小，更适用于超静音环境。电磁系统结构如图4、5所示。

图4 传统交流磁系统图5 拍合式直流磁系统

(3)接触器在正常工作状态下，需长时间通电保持线圈吸合，在此过程中将会消耗大量电能，一般9-32A电流规格的传统接触器，其线圈保持功耗范围为10～11VA；GSF5系列产品线圈采用KM1与KM2双线圈组合结构的设计，即线圈通电后先由KM1线圈吸合，之后由KM1和KM2双线圈串联保持，大幅减小了产品体积，产品功耗最高为4VA/W，相比同规格的传统接触器功耗低60%。

2.2 解决线圈断电时产生过电压烧损主控板继电器触点的问题

通常情况下，解决接触器线圈断电所产生的过电压影响，常规办法是在线圈两端加装过压抑制模块，但因此不仅造成产品体积增大，同时成本增加。GSF5系列产品线圈内置了过压保护、浪涌抑制保护功能芯片，产品体积无变化，可解决线圈断电产生过压对主控系统的影响，同时线圈中内置的浪涌保护电阻，可防止线路中产生的浪涌电流对控制线路板烧损。工作原理如图6所示。

图6 线圈工作原理图

2.3 解决继电器封星时触点易粘连、信号回馈不可靠的问题

在别墅电梯中，一般封星回路需要至少一开三闭的触头组合，其中两个常闭触头作为封星触点、一个常闭触点用于回馈信号的检测回路、一个常开触点用于线圈控制回路(见图7)；由于传统接触器触头型式单一、数量不够，多数用户用二开二闭的接触器或继电器加挂辅助触头组作为封星和信号反馈之用，但在电梯急停或停电情况下，由于辅助触点触点容量低，出现封星时触点粘连的风险较大。为此，我们设计开发的GSF5-2513接触器，能满足一开三闭主触头数量，且产品触点容量为30A，远大于辅助触点10A的容量，同时其外挂的辅助触点，采用了弹片直动式双触点结构设计，最小接通负载为5V/10mA，能满足别墅电梯弱信号接通要求。

图7 别墅梯主控回路、封星回路、控制回路接触器工作原理图

2.4 解决制动抱闸回路接触器选型不当的问题

电梯的制动抱闸回路一般为DC110V/4A的直流回路，控制制动器的接触器最好选用直流接触器，但目前市场上的直流接触器体积大、价格高，电梯用户一般不选用，通常的做法是选用交流接触器降容使用来控制直流负载，但由于用户接触器选型不当，容易造成设备故障报警。在这里为用户介绍一种使用和选型方案。

(1)交流接触器的触头串联。一般抱闸回路选用的交流接触器均为三极或四极，在触头接线时，按照图8的方式串联接线，需要注意的是最好将负极两极串联，正极一极接线，原因是反向自感电动势电流最先流向负极。在条件许可的情况下，尽可能多的串联主触头极数，是降低拉弧故障的有效措施。

图8 触头串联方式

试验验证：使用一只中间继电器来控制一台接触器的直流线圈(此时中间继电器模拟抱闸接触器，接触器电感线圈模拟抱闸电磁铁)，继电器触头通过串联来验证触头拉弧的情况如下：①用继电器的单极触点控制电感线圈，在断电瞬间，继电器触点拉弧明显，弧光呈蓝紫色；②用继电器的两极触点串联控制电感线圈，在断电瞬间，继电器触点依然存在拉弧，但弧光较第一种明显减弱，呈白色；③用继电器的三极触点串联控制电感线圈，在断电瞬间，继电器触点无拉弧，在频繁断电时偶尔可见及弱的弧光。

结论：对控制电感线圈的触点串联的数量越多，消弧的效果越明显，从电弧的颜色可见，电弧的能量也依次减小，电弧对继电器触点的烧灼损伤也大大降低。

(2)交流接触器控制直流负载的选型。在不同的使用类别和额定工作电压下，主触头为单极、双极、三极串联时，其最大的工作电流各不相同，详见表2。