DQZHAN訊：交流接觸器*佳分?jǐn)鄥^(qū)域
福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院的研究人員鄭昕、許志紅，在2016年第7期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，為抑制交流接觸器分?jǐn)噙^程的電弧，以觸頭電壓為研究對象，在大量試驗的基礎(chǔ)上對不同分?jǐn)鄷r刻觸頭電壓的變化趨勢及電流過零后的熄弧情況進(jìn)行了研究。
利用小波能量譜分析了不同電流、不同功率因數(shù)情況下交流接觸器在電流過零前1ms內(nèi)不同分?jǐn)鄥^(qū)域的電弧電壓能量時譜，統(tǒng)計和分析了電弧電壓**次過零前后的變化趨勢和特征。
對交流接觸器*佳分?jǐn)鄥^(qū)域進(jìn)行了探討并提出以觸頭電壓過零后300μs內(nèi)的高尺度小波能量時譜*大值作為電弧重燃與否的判斷依據(jù)。確定了電流過零前0.4~0.6ms和0.9~1ms兩個*佳分?jǐn)鄥^(qū)域并提出了基于分?jǐn)鄷r刻tf及小波能量時譜幅值E4的交流接觸器自適應(yīng)分?jǐn)嗫刂撇呗浴?
交流接觸器在分?jǐn)噙^程會產(chǎn)生電弧，嚴(yán)重影響其可靠運(yùn)行。作為控制電器，交流接觸器通常不會采用配電電器那樣強(qiáng)的滅弧措施，其分?jǐn)啻箅娏鲿r對觸頭的燒損十分嚴(yán)重。
雖然采用半導(dǎo)體電力電子開關(guān)并聯(lián)觸頭兩端的混合式開關(guān)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)交流接觸器的無弧分?jǐn)啵涑杀据^高且存在無明顯斷口的隱患，適用于礦山等防爆要求高的場所。對于一般的用電場合，出于**考慮，普遍希望電器開關(guān)具有明顯的斷口，多采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的交流接觸器。
隨著智能化控制技術(shù)的迅速發(fā)展，可以方便的實(shí)現(xiàn)交流接觸器在起動、吸持、分?jǐn)嚯A段的過程控制。因此研究交流接觸器*佳分?jǐn)鄥^(qū)域及其控制技術(shù)對解決觸頭的電弧燒蝕并大幅提高接觸器的電壽命具有實(shí)際意義。
近年來，在電弧動態(tài)特性方面的研究取得了很多成果，文獻(xiàn)[1-3]從宏觀的角度分別采用磁流體動力學(xué)理論、電弧鏈?zhǔn)侥Ｐ秃碗姶拍鎲栴}求解方法對電弧進(jìn)行三維仿真和重構(gòu)，對電弧運(yùn)動過程的等離子噴流及電弧形態(tài)等進(jìn)行了描述。
文獻(xiàn)[4]結(jié)合低壓交流接觸器自身特點(diǎn)，建立了交流接觸器鏈?zhǔn)诫娀∧Ｐ停芯苛穗娀?shù)的徑向分布規(guī)律，在假定電弧局部熱力學(xué)平衡的情況下，利用Matlab求解電弧動態(tài)模型。電弧仿真模型在開關(guān)電器的設(shè)計階段具有重要的指導(dǎo)意義，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中由于電弧動態(tài)特性的測量具有一定的局限性，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測和調(diào)整。
開關(guān)電器的電弧在操作過程中可直接觀測到的是其電路特性，包括電弧電壓、電弧電流、電弧能量、電弧溫度和阻抗特性等。文獻(xiàn)[5]研究了低壓直流斷路器電弧等離子體運(yùn)動特性，建立了考慮紊流效應(yīng)的三維電弧模型并對其進(jìn)行了數(shù)字化分析。
文獻(xiàn)[6]基于磁流體動力學(xué)建立了考慮柵片燒蝕金屬蒸氣的三維空氣電弧模型，通過計算獲得了電弧運(yùn)動及切割過程的電弧電壓，電弧溫度及金屬蒸氣濃度的分布情況。
文獻(xiàn)[7]和[8]分別通過流體力學(xué)計算軟件和PSCAD軟件對低壓斷路器觸頭分?jǐn)嗪蟮碾妷夯謴?fù)特性進(jìn)行了建模和仿真，分析了電弧和瞬時恢復(fù)電壓電場強(qiáng)度與溫度分布的關(guān)系及瞬時恢復(fù)電壓對斷路器分?jǐn)嗄芰Φ挠绊憽?
文獻(xiàn)[9]從材料的角度分析了不同觸頭材料的燃弧能量變化趨勢，發(fā)現(xiàn)觸頭燒蝕越嚴(yán)重其燃弧能量的增幅越大。文獻(xiàn)[10]研究了直流電磁接觸器的電壓和電流對燃弧時間和電弧能量的影響，表明在燃弧時間很短的情況下電壓大小對燃弧時間的影響不大，同時燃弧能量隨電壓電流的增加而增大。
文獻(xiàn)[11]對電弧放電過程進(jìn)行了光譜分析并給出了弧柱區(qū)的能量計算方法。文獻(xiàn)[12]對不同保護(hù)電路的繼電器開斷感性負(fù)載時的觸點(diǎn)電弧侵蝕情況進(jìn)行了試驗研究，提出了通過計算電弧能量來預(yù)測電壽命的方法。
以上文獻(xiàn)對電弧的電路特性進(jìn)行了研究和分析，但是，并未與開關(guān)電器的通斷控制相結(jié)合，無法實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行中對電弧侵蝕的抑制。文獻(xiàn)[13-15]提出了零電流分?jǐn)嗪头窒嗫刂频募夹g(shù)使交流接觸器觸頭在電流過零時打開實(shí)現(xiàn)無弧或微弧分?jǐn)唷?
由于交流接觸器動作機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定性和電弧燃燒過程的復(fù)雜性[16]，要**控制觸頭完全在電流過零點(diǎn)打開存在很大困難，實(shí)際的做法是在電流過零前某一時刻開斷觸頭，由于接觸器動作機(jī)構(gòu)的分散性，零電流分?jǐn)嗫刂七€存在一定的不可靠性。
文獻(xiàn)[17]設(shè)計了一種閉環(huán)斬波起動的交流接觸器智能控制模塊，并對起動過程和分?jǐn)噙^程中的線圈電壓、電流進(jìn)行仿真分析，但沒有涉及對電弧特性參數(shù)的分析和控制。交流接觸器智能分?jǐn)嗫刂频?終目的之一是抑制觸頭的電弧侵蝕，而分?jǐn)噙^程的電弧燃燒情況可直接反映智能控制的效果。
目前，將分?jǐn)噙^程電弧運(yùn)動、熄弧情況等直接影響觸頭電磨損的現(xiàn)象引入智能控制中的研究尚未見報道。
本文在試驗的基礎(chǔ)上，對不同分?jǐn)鄷r刻的觸頭分?jǐn)噙^程展開研究，分析電流**次過零后電弧的重燃與熄滅特征及其提取方法，并與零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)[13]相結(jié)合，探討交流接觸器的*佳分?jǐn)鄥^(qū)域及自適應(yīng)抑制分?jǐn)嚯娀〉目刂撇呗浴?
圖9控制策略圖
結(jié)論
本文以觸頭電壓為研究對象，通過試驗統(tǒng)計和理論分析對低壓系統(tǒng)中使用量*大的橋式雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)交流接觸器*佳分?jǐn)鄥^(qū)域進(jìn)行了探討，研究結(jié)果表明：
1）在電流過零前0.4~1ms區(qū)域分?jǐn)嘤|頭有利于延長電流過零前的零休時間；
2）交流接觸器的*佳分?jǐn)鄥^(qū)域在電流過零前的0.4~0.6ms和0.9~1ms兩個區(qū)域，觸頭在此區(qū)域內(nèi)分?jǐn)啵瑢@得較長的零休時間且電弧不易重燃，同時過零前的電弧能量相對較小。
3）控制接觸器觸頭在電流過零前1ms內(nèi)的區(qū)域分?jǐn)鄷r，其觸頭電壓在過零后300μs內(nèi)的高尺度小波能量時譜*大值可作為電弧是否重燃的判據(jù)。
同時提出了一種新的自適應(yīng)控制策略，采用觸頭電壓經(jīng)小波能量譜變換后的E4*大值作為控制參數(shù)調(diào)節(jié)分?jǐn)鄷r刻，為有效抑制交流接觸器分?jǐn)嚯娀√峁┝死碚摵蛯?shí)現(xiàn)的方法。
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