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交流接觸器廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)?；坞姇?huì)導(dǎo)致交流接觸器觸頭釋放，從而影響工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，目前主要采用晃電后接觸器再啟動(dòng)和晃電保持兩種方案。但這兩種方案未考慮實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程中交流接觸器觸頭振動(dòng)和沖擊問(wèn)題。
為解決抗晃電過(guò)程中接觸器觸頭沖擊問(wèn)題，萬(wàn)華化學(xué)（福建）有限公司、深圳市中電電力技術(shù)股份有限公司的于洪乾、申笑菱、曾偉、夏洪超、陳沙，在2023年第3期《電氣技術(shù)》上撰文，提出交流接觸器柔性切換的概念，并基于柔性切換相位區(qū)間提出一種交流接觸器晃電保持方案。
該方案能夠自適應(yīng)地輸出直流電壓來(lái)保證不同容量的交流接觸器在晃電過(guò)程中穩(wěn)定吸合，同時(shí)能夠避免晃電保持切換過(guò)程中接觸器觸頭振動(dòng)和沖擊問(wèn)題。通過(guò)實(shí)際裝置實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該柔性切換方案的有效性。

交流接觸器作為重要的開關(guān)器件，廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，交流接觸器可靠吸合電壓為其額定電壓的85%～110%，釋放和完全斷開電壓是其額定電壓的20%～75%。

在GB/T 30137—2013《電能質(zhì)量電壓暫降與短時(shí)中斷》中規(guī)定，電壓暫降是指電力系統(tǒng)中某點(diǎn)工頻電壓方均根值突然降低至額定電壓的90%～10%，并在短暫持續(xù)10ms～1min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象，工業(yè)中將這種現(xiàn)象稱之為晃電。因此，當(dāng)電壓暫降至接觸器釋放電壓以下時(shí)，交流接觸器觸頭釋放，將導(dǎo)致負(fù)載跳停等事件發(fā)生，對(duì)工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)造成不良影響。

針對(duì)抗晃電問(wèn)題，目前主要采用晃電再啟動(dòng)方案和晃電保持方案。晃電再啟動(dòng)方案主要采用晃電恢復(fù)后重新啟動(dòng)設(shè)備的方法。而晃電保持方案采用儲(chǔ)能延時(shí)模塊、電力補(bǔ)償方案或雙電源切換方案來(lái)躲過(guò)晃電故障。

以上兩類抗晃電方案存在以下兩個(gè)問(wèn)題：一是晃電再啟動(dòng)方案在電壓恢復(fù)后交流接觸器直接啟動(dòng)，容易造成合閘沖擊問(wèn)題；二是晃電保持方案未考慮不同切換相位對(duì)交流接觸器的影響，在切換過(guò)程中可能會(huì)由于不合理的切換相位導(dǎo)致接觸器脫扣或形成電流過(guò)沖，從而造成接觸器觸頭振動(dòng)和沖擊。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出交流接觸器柔性切換的概念，并提出基于柔性切換相位區(qū)間的交流接觸器晃電保持方案。該方案通過(guò)在晃電發(fā)生及恢復(fù)后交直流控制源的柔性切換，保證交流接觸器穩(wěn)定可靠吸合，避免切換過(guò)程中脫扣或電流過(guò)沖造成觸頭振動(dòng)和沖擊，有效保證接觸器的使用壽命。

首先，分析在不同切換相位進(jìn)行交直流切換時(shí)對(duì)交流接觸器的影響，確定柔性切換的相位區(qū)間；然后，利用自適應(yīng)計(jì)算得到最佳直流保持電壓，保證該方案能夠適用于多種容量的交流接觸器；接著，采用αβ?變換計(jì)算線圈上施加的電壓，快速有效地判斷出晃電的發(fā)生及恢復(fù)狀態(tài)，在晃電發(fā)生時(shí)由交流控制源切換到直流控制源，在晃電恢復(fù)后由直流控制源切換到交流控制源；最后，通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證柔性切換相位選擇的合理性，以及該晃電保持方案的有效性。

1 接觸器吸合與釋放的基本原理

交流接觸器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)線圈兩端加交流電源時(shí)，線圈中通過(guò)的電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生電磁吸力。當(dāng)電磁吸力大于彈簧拉力時(shí)，動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)與靜鐵心吸合，并通過(guò)聯(lián)動(dòng)作用，帶動(dòng)觸頭吸合，接通動(dòng)觸頭上電源。當(dāng)線圈失電或發(fā)生電壓暫降，電磁吸力減小到小于彈簧拉力時(shí)，動(dòng)鐵心與靜鐵心斷開，同時(shí)帶動(dòng)動(dòng)觸頭與靜觸頭斷開，從而切斷動(dòng)觸頭上的負(fù)載電源。

圖1 交流接觸器結(jié)構(gòu)

線圈得電后會(huì)有電流通過(guò)，沿著動(dòng)/靜鐵心和鐵心間的氣隙就會(huì)形成磁通的閉合回路，由此產(chǎn)生電磁吸力。電磁吸力根據(jù)麥克斯韋電磁力計(jì)算公式得到，即

式（1）

式（1）中：F為電磁吸力；N為線圈匝數(shù)；I為線圈中電流；Rm為磁路中的總磁阻；?0為真空磁導(dǎo)率；A0為鐵心間氣隙的橫截面積。

根據(jù)式（1），電磁吸力的大小與線圈中通過(guò)的電流值大小呈正相關(guān)，而接觸器吸合狀態(tài)與電磁吸力的大小密切相關(guān)。因此，要保證晃電保持過(guò)程中交流接觸器穩(wěn)定吸合，就要保證電磁吸力穩(wěn)定且大于彈簧拉力。對(duì)應(yīng)電流來(lái)說(shuō)，就要保證在晃電發(fā)生后由交流控制源切換至直流控制源時(shí)，線圈中電流能快速切換到對(duì)應(yīng)的直流電流值；在晃電恢復(fù)后由直流控制源切換回交流控制源時(shí)，線圈中電流能由直流平穩(wěn)地過(guò)渡到交流電流，不發(fā)生電流過(guò)沖現(xiàn)象。

為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，在交直流控制源切換時(shí)要考慮合理的切換相位，本文稱其為柔性切換相位。

2 柔性切換分析

本文提出的柔性切換是指，在晃電保持過(guò)程中，交流控制源和直流控制源相互切換前后，交流接觸器觸頭不能有釋放的風(fēng)險(xiǎn)，且切換后不能出現(xiàn)接觸器觸頭振動(dòng)和沖擊的現(xiàn)象。

由于交流接觸器觸頭狀態(tài)與受到的電磁吸力密切相關(guān)，要實(shí)現(xiàn)柔性切換，就需要分析不同切換相位對(duì)切換前后電磁吸力的影響。根據(jù)電磁吸力與線圈中電流值的關(guān)系，可將以上分析轉(zhuǎn)換為對(duì)切換前后線圈中電流變化的分析。

在分析不同切換相位對(duì)電流的影響時(shí)，以本文所采用的晃電保持方案切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。為便于分析，本節(jié)采用如圖2所示的晃電保持切換簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在圖2中，a點(diǎn)與f點(diǎn)間的電源為交流源，c點(diǎn)/d點(diǎn)與f點(diǎn)間的電源分別為正向直流源和負(fù)向直流源；Q1～Q4為交流側(cè)半導(dǎo)體開關(guān)（晶閘管），L為接觸器線圈等效電感，R為接觸器等效電阻。

2.1 交流控制源切換至直流控制源

根據(jù)本文所采用的晃電保持方案，當(dāng)檢測(cè)到晃電發(fā)生時(shí)，交流接觸器的供電會(huì)由交流控制源切換到直流控制源。

圖2 晃電保持切換簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于電磁吸力與交流接觸器線圈中電流的關(guān)系，為保證切換前后交流接觸器不釋放，當(dāng)交流控制源切換至直流控制源時(shí)，切換點(diǎn)的選擇以交流電流相位為判斷條件。為得到交流控制源切換到直流控制源時(shí)的柔性切換相位區(qū)間，本文從交直流切換對(duì)線圈L中實(shí)際電流的影響進(jìn)行分析。

由交流控制源切換到直流控制源時(shí)，如果線圈L中原實(shí)際電流值大于直流電流值，相當(dāng)于電流有減小的趨勢(shì)，則線圈L中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻礙電流減小，即感應(yīng)電壓與直流電壓同向。在兩個(gè)電壓的共同作用下，線圈L中電流逐漸減小至直流電流后保持穩(wěn)定。如果線圈L中原實(shí)際電流值小于直流電流值，相當(dāng)于電流有增大的趨勢(shì)，則線圈L中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻礙電流增大，即感應(yīng)電壓與直流電壓反向。

在兩個(gè)電壓的共同作用下，線圈L中電流會(huì)逐漸增大至直流電流值后保持穩(wěn)定。由于感應(yīng)電壓的大小與電流變化率的大小呈正相關(guān)，如果線圈L中原電流值接近零點(diǎn)，切換至直流控制源后，相當(dāng)于電流值突變，對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓很大，因此電流會(huì)減小至零點(diǎn)附近并保持一段時(shí)間。此時(shí)，由于線圈L中電流較長(zhǎng)時(shí)間處于零點(diǎn)附近，電磁吸力小于彈簧外力，極易造成接觸器觸頭釋放。

根據(jù)以上分析，在發(fā)生電壓暫降由交流控制源切換到直流控制源時(shí)，為保證切換過(guò)程中交流接觸器觸頭一直處于可靠穩(wěn)定吸合狀態(tài)，應(yīng)避免在交流電流接近零點(diǎn)時(shí)進(jìn)行切換，即柔性切換相位區(qū)間為交流電流相位除0°和180°及其附近相位之外的其他相位。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果檢測(cè)到電壓暫降后進(jìn)行切換時(shí)，交流電流相位處于0°或180°附近，則需要延時(shí)后再進(jìn)行切換。

2.2 直流控制源切換回交流控制源

當(dāng)檢測(cè)到晃電恢復(fù)時(shí)，交流接觸器的供電由直流控制源切換回交流控制源。

根據(jù)晃電切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體開關(guān)的特性，在切換回交流控制源時(shí)，如果交流電壓的正負(fù)與當(dāng)前直流控制源相反，則會(huì)出現(xiàn)短路故障，從而損毀晃電保持裝置。因此，為保證由直流供電平穩(wěn)安全地轉(zhuǎn)換到交流供電，在切換回交流控制源時(shí)，以交流電壓相位作為切換的判斷依據(jù)。

本文同樣從切換對(duì)線圈L中電流的影響方面，分析直流控制源切換回交流控制源時(shí)的柔性切換相位區(qū)間。

由于線圈L的電感特性，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響下，當(dāng)在線圈L上施加交流電壓時(shí)，產(chǎn)生的交流電流滯后電壓約90°。因此，當(dāng)直流控制源為正向時(shí)，如果在交流電壓相位為0°～90°時(shí)切換回交流控制源，則由于交流電壓產(chǎn)生的電流為負(fù)向，與線圈L中的直流電流反向，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖電流。

當(dāng)電流過(guò)沖時(shí)，由于對(duì)應(yīng)電磁吸力增大，會(huì)造成接觸器觸頭振動(dòng)和沖擊，從而影響接觸器壽命。如果在交流電壓相位為90°～180°時(shí)切換，則交流電壓產(chǎn)生的電流為正向。

如果切換時(shí)，交流電流值小于線圈L中原直流電流值，同樣會(huì)產(chǎn)生一定的過(guò)沖電流。如果交流電流大于線圈L中原直流電流值，則線圈L中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻礙電流增大。因此在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，線圈L中電流會(huì)緩慢增大，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)沖的情況。

因此，根據(jù)以上分析，當(dāng)直流控制源為正向時(shí)，柔性切換相位區(qū)間為交流電壓相位在90°～180°之間對(duì)應(yīng)電流較大時(shí)的相位。同理，當(dāng)直流控制源為負(fù)向時(shí)，柔性切換相位區(qū)間為交流電壓相位在270°～360°之間對(duì)應(yīng)電流較大時(shí)的相位。

在應(yīng)用中，直流控制源切換回交流控制源時(shí)，可在柔性切換相位區(qū)間內(nèi)選擇一個(gè)相位點(diǎn)作為切換時(shí)的理論相位。

3 晃電保持切換方案

本文基于柔性切換提出一種晃電保持切換方案。該方案能夠自適應(yīng)計(jì)算出最佳直流保持電壓，可以自動(dòng)匹配容量400A及以下的主流普通線圈交流接觸器。同時(shí)，通過(guò)柔性切換相位，能夠在晃電發(fā)生和恢復(fù)后有效保證交流接觸器穩(wěn)定吸合。下面就本方案采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和具體方案實(shí)施流程進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本方案采用的雙向直流源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，RL1為旁路繼電器，Q1和Q3為交流側(cè)半導(dǎo)體開關(guān)（晶閘管），Q2和Q4為直流側(cè)半導(dǎo)體開關(guān)，KM為接觸器等效模型。

圖3 雙向直流源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種供電模式：旁路供電、交流供電和直流供電。

旁路供電：旁路繼電器為返回狀態(tài)，即RL1中的開關(guān)在2號(hào)觸點(diǎn)，關(guān)斷交流側(cè)半導(dǎo)體開關(guān)Q1、Q3和直流側(cè)半導(dǎo)體開關(guān)Q2、Q4。此時(shí)，外部交流控制電壓通過(guò)旁路繼電器與交流接觸器構(gòu)成回路。

交流供電：旁路繼電器為動(dòng)作狀態(tài)，即RL1中的開關(guān)在1號(hào)觸點(diǎn)，導(dǎo)通交流側(cè)半導(dǎo)體開關(guān)Q1、Q3，關(guān)斷直流側(cè)半導(dǎo)體開關(guān)Q2、Q4。此時(shí)，由交流側(cè)控制回路為接觸器供電。

直流供電：旁路繼電器為動(dòng)作狀態(tài)，即RL1中開關(guān)在1號(hào)觸點(diǎn)，關(guān)斷交流側(cè)半導(dǎo)體開關(guān)Q1、Q3，導(dǎo)通對(duì)應(yīng)方向的直流側(cè)半導(dǎo)體開關(guān)Q2或Q4。此時(shí)，由直流側(cè)控制回路為接觸器供電。

三種供電方式之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示。

3.2 晃電保持方案實(shí)現(xiàn)流程

晃電保持方案準(zhǔn)備階段和切換階段流程分別如圖5和圖6所示。

圖4 供電方式轉(zhuǎn)換關(guān)系

圖5 晃電保持方案準(zhǔn)備階段流程

圖6 晃電保持方案切換階段流程

下面就直流電源電壓設(shè)置方法、電壓暫降與恢復(fù)判斷、晃電保持切換邏輯進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1）直流電源電壓設(shè)置方法

根據(jù)交流接觸器吸合保持電流，自適應(yīng)計(jì)算直流控制源的輸出電壓。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：首先，將不同容量的交流接觸器分類，統(tǒng)計(jì)每類接觸器的吸合保持電流范圍；然后，計(jì)算不同吸合保持電流范圍對(duì)應(yīng)的直流輸出電壓；在應(yīng)用時(shí)，判斷當(dāng)前交流接觸器吸合保持電流所屬范圍，獲取對(duì)應(yīng)的直流控制源輸出電壓。

2）電壓暫降與恢復(fù)判斷

本方案采用αβ變換計(jì)算線圈上施加的電壓，用于快速識(shí)別電壓暫降的發(fā)生。在計(jì)算過(guò)程中，將交流接觸器上施加的交流電壓作為A相電壓，根據(jù)AB線電壓超前A相電壓30°，以及線電壓與相電壓之間的關(guān)系，構(gòu)建出虛擬三相坐標(biāo)系。對(duì)構(gòu)建的虛擬三相坐標(biāo)系進(jìn)行αβ變換，計(jì)算出當(dāng)前交流電壓有效值。

在本方案中，在計(jì)算電壓值時(shí)，只是將施加在交流接觸器的單路電壓虛擬為A相電壓，不需要考慮實(shí)際施加的外界電壓是相電壓還是線電壓。因此，可同時(shí)適用于外界電壓為相電壓或線電壓的情況。

對(duì)當(dāng)前交流電壓有效值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)電壓有效值小于設(shè)置的晃電失壓定值時(shí)，判斷為電壓暫降。當(dāng)電壓有效值大于設(shè)置的晃電電壓恢復(fù)定值且持續(xù)時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后，判斷為電壓恢復(fù)。

3）晃電保持切換邏輯

當(dāng)檢測(cè)到電壓暫降時(shí)，在柔性切換相位區(qū)間內(nèi)將交流控制源切換至直流控制源。如果切換時(shí)交流電流為正，則切換到正向直流控制源；如果切換時(shí)交流電流為負(fù)，則切換到負(fù)向直流控制源。

當(dāng)檢測(cè)到電壓恢復(fù)后，根據(jù)當(dāng)前直流控制源的方向，在柔性切換相位點(diǎn)切換到交流控制源。如果在超出設(shè)置的晃電保持時(shí)間后，電壓還未恢復(fù)，則切換到旁路供電，避免在直流控制源切換回交流控制源過(guò)程中電壓突然恢復(fù)造成切換異常的問(wèn)題。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證柔性相位切換的合理性及晃電保持切換方案的有效性，本文進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)的測(cè)試環(huán)境示意圖如圖7所示。通過(guò)差分電壓探頭測(cè)量交流接觸器線圈兩端電壓波形，通過(guò)電流探頭測(cè)量交流接觸器線圈中通過(guò)電流的波形，通過(guò)電壓探頭測(cè)量干電池電壓的方式獲取接觸器觸頭狀態(tài)。當(dāng)接觸器觸頭吸合時(shí)，與干電池、電壓探頭構(gòu)成回路，通過(guò)電壓探頭可以測(cè)得干電池的電壓值；當(dāng)觸頭釋放后，無(wú)法構(gòu)成回路，電壓探頭測(cè)量值為噪聲。

圖7 晃電保持切換方案實(shí)驗(yàn)環(huán)境示意圖

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選擇ABB AX185—30型號(hào)的交流接觸器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。額定交流電壓為220V，設(shè)置晃電失壓定值為160V，通過(guò)固緯APS—7050可編程交流電源將接入接觸器的交流電壓由220V降至66V，暫降值為額定電壓的70%，持續(xù)時(shí)間大于1s，模擬晃電現(xiàn)象。由于規(guī)范中規(guī)定，晃電時(shí)間可持續(xù)10ms～1min，因此通過(guò)APS—7050模擬晃電速度和暫降幅度可以滿足規(guī)范中的要求。

通過(guò)示波器顯示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8～圖11所示。

圖8 交流源切換直流源（非柔性切換相位區(qū)間內(nèi)）

圖9 交流源切換直流源（柔性切換相位區(qū)間內(nèi)）

圖10 直流源切換交流源（非柔性切換相位區(qū)間內(nèi)）

圖11 直流源切換交流源（柔性切換相位區(qū)間內(nèi)）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在由交流源切換到直流源時(shí)，如果是在非柔性切換相位切換，交流接觸器在切換后有釋放的風(fēng)險(xiǎn)。在非柔性切換相位由直流源切換到交流源時(shí)，會(huì)有電流過(guò)沖的情況發(fā)生，導(dǎo)致交流接觸器觸頭振動(dòng)。因此，為保證晃電時(shí)不同容量接觸器均能保持穩(wěn)定吸合，以及電壓恢復(fù)后切換時(shí)無(wú)過(guò)沖現(xiàn)象，在交直流控制源切換時(shí)需要選擇柔性切換相位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了柔性切換相位的合理性和必要性，以及晃電保持切換方案的有效性。

5 結(jié)論

本文提出了基于柔性切換的交流接觸器晃電保持方案，通過(guò)在交直流控制源切換過(guò)程中選擇合理的切換相位，保證了交流接觸器在晃電發(fā)生和恢復(fù)時(shí)能夠穩(wěn)定吸合，同時(shí)避免了觸頭振動(dòng)和沖擊問(wèn)題，使整個(gè)切換過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明該方案有效。

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【原】萬(wàn)華化學(xué)等單位于洪乾、申笑菱等：基于柔性切換的交流接觸器晃電保持方案

本文編自2023年第3期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于柔性切換的交流接觸器晃電保持方案”，作者為于洪乾、申笑菱等。

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【原】萬(wàn)華化學(xué)等單位于洪乾、申笑菱 等：基于柔性切換的交流接觸器晃電保持方案

本文編自2023年第3期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于柔性切換的交流接觸器晃電保持方案”，作者為于洪乾、申笑菱 等。

【原】萬(wàn)華化學(xué)等單位于洪乾、申笑菱等：基于柔性切換的交流接觸器晃電保持方案

本文編自2023年第3期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于柔性切換的交流接觸器晃電保持方案”，作者為于洪乾、申笑菱等。