交流接触器直流操作技术为何难推广 点击：2776 | 回复：46
发表于：2008-05-25 06:17:52
楼主
目前的交流接触器电磁操作机构大体可以分为两种：交流操作和直流操作。
交流操作是最常见的一种操作方式，优点是制造工艺成熟，缺点是保持功率较大，特别象CJ20这样的产品，一直使用没有绝缘漆的硅钢片，铁芯发热现象比较严重。为了解决这个问题，出现了直流操作技术。直流操作技术，基本解决了交流操作的能耗大和铁芯线圈发热的问题，是一种实实在在的技术进步。但是，直到现在，也没有得到广泛应用。
近半年来，我仔细的查找这方面的技术资料，认真学习和对比分析，并且从生产厂家和用户的角度思考这一令人费解的现象。
我认为，这些技术之所以没有得到广泛的应用，原因主要是以下几个方面：
首先是大部分技术没有解决直流操作部分的寿命问题，例如很多技术要用到转换开关，这些转换开关的使用寿命很难比接触器的电寿命长，比如假设用继电器作为转换开关，那么，继电器的寿命是不低于10万次，而接触器的电寿命是不低于100万次（当然都是标称值），在这种指标下，大约用坏一个接触器的触头，最少要进行10次维护----更换继电器，这本身就是一组矛盾，本来使用直流操作的目的是减少接触器的损坏，但是，实际却增加了维护成本。
其次是直流操作系统的体积比较大，目前还难以直接安装在接触器的内部，从而进行大批量生产，只能作为小范围的技术改进，并且在特定的环境下，由于空间的限制，没法安装直流操作器件。
第三，有一些技术存在一些不成熟的误解。例如有的声称可以宽电压范围使用，甚至可以在做到110V—380V的操作电压通用，根据本人的测试，这是不可能的。在这方面，不是控制技术不行，而是接触器的壳架无法承受。以CJX2-50为例，220V控制电压的线圈的直流电阻是（温度20度时）118欧，铁芯间隙最大时的交流阻抗是116欧，两者合计234欧，通电吸合时的最大功率是206W。按照技术要求，接触器在热态时，必须保证在85%额定电压时能够可靠吸合，这是考虑了接触器的实际工作状况的，也是国家的标准，是不能违反的。如果我们直接改为直流操作，就会出现以下情况：在零下10度时，接触器线圈的直流电阻会由118欧减少到105欧，这时，控制电压处于115%的状态，即253V，由于是直流操作，没有了交流阻抗的因素，这时的吸合功率是609W，是标称功率的3倍，这样很容易撞击坏接触器的壳架，特别是组件。我在测试时，多次出现了这种情况。CJX2-50的触头组件，被多次损坏，因为当时的吸合功率是700W。
第四是成本问题。现在的技术，都是着眼于对目前交流接触器的技术附加，因此，如果想让接触器生产厂家生产，必然会增加制造成本，那么，生产厂家势必提高销售价格，而最终用户则不会接受。这是生产厂家最不愿意接受的。
以上这几个因素决定了目前的交流接触器直流操作技术比较难广泛推广
交流操作是最常见的一种操作方式，优点是制造工艺成熟，缺点是保持功率较大，特别象CJ20这样的产品，一直使用没有绝缘漆的硅钢片，铁芯发热现象比较严重。为了解决这个问题，出现了直流操作技术。直流操作技术，基本解决了交流操作的能耗大和铁芯线圈发热的问题，是一种实实在在的技术进步。但是，直到现在，也没有得到广泛应用。
近半年来，我仔细的查找这方面的技术资料，认真学习和对比分析，并且从生产厂家和用户的角度思考这一令人费解的现象。
我认为，这些技术之所以没有得到广泛的应用，原因主要是以下几个方面：
首先是大部分技术没有解决直流操作部分的寿命问题，例如很多技术要用到转换开关，这些转换开关的使用寿命很难比接触器的电寿命长，比如假设用继电器作为转换开关，那么，继电器的寿命是不低于10万次，而接触器的电寿命是不低于100万次（当然都是标称值），在这种指标下，大约用坏一个接触器的触头，最少要进行10次维护----更换继电器，这本身就是一组矛盾，本来使用直流操作的目的是减少接触器的损坏，但是，实际却增加了维护成本。
其次是直流操作系统的体积比较大，目前还难以直接安装在接触器的内部，从而进行大批量生产，只能作为小范围的技术改进，并且在特定的环境下，由于空间的限制，没法安装直流操作器件。
第三，有一些技术存在一些不成熟的误解。例如有的声称可以宽电压范围使用，甚至可以在做到110V—380V的操作电压通用，根据本人的测试，这是不可能的。在这方面，不是控制技术不行，而是接触器的壳架无法承受。以CJX2-50为例，220V控制电压的线圈的直流电阻是（温度20度时）118欧，铁芯间隙最大时的交流阻抗是116欧，两者合计234欧，通电吸合时的最大功率是206W。按照技术要求，接触器在热态时，必须保证在85%额定电压时能够可靠吸合，这是考虑了接触器的实际工作状况的，也是国家的标准，是不能违反的。如果我们直接改为直流操作，就会出现以下情况：在零下10度时，接触器线圈的直流电阻会由118欧减少到105欧，这时，控制电压处于115%的状态，即253V，由于是直流操作，没有了交流阻抗的因素，这时的吸合功率是609W，是标称功率的3倍，这样很容易撞击坏接触器的壳架，特别是组件。我在测试时，多次出现了这种情况。CJX2-50的触头组件，被多次损坏，因为当时的吸合功率是700W。
第四是成本问题。现在的技术，都是着眼于对目前交流接触器的技术附加，因此，如果想让接触器生产厂家生产，必然会增加制造成本，那么，生产厂家势必提高销售价格，而最终用户则不会接受。这是生产厂家最不愿意接受的。
以上这几个因素决定了目前的交流接触器直流操作技术比较难广泛推广
发表于：2008-05-25 17:31:30
1楼
交流接触器脉冲调宽操作技术
针对前面我说的交流接触器直流操作技术的四个问题，我进行了实验，实验的结果令人欣喜。
首先，用CJX2-50（220V）的交流接触器进行实验。测试时室温20度。先测试了接触器的基本情况：
1、线圈直流电阻118欧，
2、220V时吸合瞬间电流0.94A，瞬间功率206W，
3、可靠吸合电压170V，最低吸合功率124W，
4、临界释放电压120V，100V时可靠释放，100V—120V之间出现弹跳。
5、温升。电源电压240V，操作频次1200次/小时，实验时间1.5小时，线圈表面温度57度，温升37度。
6、保持功率。220V时25W。
在业余条件下，我只能做这些检测。但是对于操作机构，可能这些指标基本就够了。
接下来，我做了控制板。这个控制板的原理是利用脉冲调宽来控制操作机构的吸持功率，在用原来的铁芯线圈的时候，吸持功率大约1.5W的样子，因为是直流脉冲工作，万用表也测量不准，只能是大概数。控制板的构造很简单，尺寸只有9*35*19毫米，原理是控制每一个正弦脉冲的截止时间来控制线圈的功率，类似可控硅的导通角控制。再利用一个延时关闭电子开关，是操作系统在一送电是，全功率吸合，吸合后自动转换为小功率保持。整个电子线路的制作比较顺利。比较麻烦的就是铁芯和线圈的配合。
铁芯我制作了两种，一种把原来的铁芯拆掉40%，保留60%。另一种是用低碳钢按照原来铁芯形状制作。通电实验发现，利用原来铁芯改制的没有问题，只是吸合后的噪音大，最后判定原因主要是改制过程破坏了原铁芯的精度，其次是铁芯的叠片结构和脉冲电路不适应。于是基本放弃了叠片铁芯。
另一种是低碳钢整体结构，尺寸和原来的铁芯相同，实验后发现剩磁过强，没法分断，于是把山形铁芯的一个侧臂锯掉，这样倒是可以顺利吸合和分断了。
这时候的线圈也做了改制，把原来的漆包铜线改成了漆包铜铝线，线径也加粗到0.31毫米，分合了几十次，没有问题，就接到一个自制的电源自动通断的控制器上实验。操作频次1200次/小时。温升指标等都和原接触器类似。可是结果在2小时后，接触器的触头架被震坏。当时以为是铁芯不对称造成的，就换上用原铁芯改制的下铁芯，上铁芯仍用低碳钢制作的铁芯，结果很快就又震坏两个触头架。这时测量线圈吸合功率，竟然达到740多W，这时候才恍然大悟，是吸合功率过高了。但是这时候，CJX2-50的接触器用完了，我又托人找了一个CJ20-100和63的废接触器做实验。
100A规格的仍然很快就出了问题，仍然是触头架被震坏，这时，我才真正意识到吸合功率问题的重要性。我这时赶快购买纯铝漆包线，线径0.37，每个线圈绕1000圈，铁芯厚度由原来的30毫米减少到18毫米，线圈串联电阻20度时60欧，这次实验取得了良好的效果。
基本指标如下：（室温19度）
1、 吸合电压150V，
2、 吸合最小功率375W，
3、 220V时吸持功率4.4W，
4、 分断速度用肉眼观察和原来的接触器基本没有变化
针对前面我说的交流接触器直流操作技术的四个问题，我进行了实验，实验的结果令人欣喜。
首先，用CJX2-50（220V）的交流接触器进行实验。测试时室温20度。先测试了接触器的基本情况：
1、线圈直流电阻118欧，
2、220V时吸合瞬间电流0.94A，瞬间功率206W，
3、可靠吸合电压170V，最低吸合功率124W，
4、临界释放电压120V，100V时可靠释放，100V—120V之间出现弹跳。
5、温升。电源电压240V，操作频次1200次/小时，实验时间1.5小时，线圈表面温度57度，温升37度。
6、保持功率。220V时25W。
在业余条件下，我只能做这些检测。但是对于操作机构，可能这些指标基本就够了。
接下来，我做了控制板。这个控制板的原理是利用脉冲调宽来控制操作机构的吸持功率，在用原来的铁芯线圈的时候，吸持功率大约1.5W的样子，因为是直流脉冲工作，万用表也测量不准，只能是大概数。控制板的构造很简单，尺寸只有9*35*19毫米，原理是控制每一个正弦脉冲的截止时间来控制线圈的功率，类似可控硅的导通角控制。再利用一个延时关闭电子开关，是操作系统在一送电是，全功率吸合，吸合后自动转换为小功率保持。整个电子线路的制作比较顺利。比较麻烦的就是铁芯和线圈的配合。
铁芯我制作了两种，一种把原来的铁芯拆掉40%，保留60%。另一种是用低碳钢按照原来铁芯形状制作。通电实验发现，利用原来铁芯改制的没有问题，只是吸合后的噪音大，最后判定原因主要是改制过程破坏了原铁芯的精度，其次是铁芯的叠片结构和脉冲电路不适应。于是基本放弃了叠片铁芯。
另一种是低碳钢整体结构，尺寸和原来的铁芯相同，实验后发现剩磁过强，没法分断，于是把山形铁芯的一个侧臂锯掉，这样倒是可以顺利吸合和分断了。
这时候的线圈也做了改制，把原来的漆包铜线改成了漆包铜铝线，线径也加粗到0.31毫米，分合了几十次，没有问题，就接到一个自制的电源自动通断的控制器上实验。操作频次1200次/小时。温升指标等都和原接触器类似。可是结果在2小时后，接触器的触头架被震坏。当时以为是铁芯不对称造成的，就换上用原铁芯改制的下铁芯，上铁芯仍用低碳钢制作的铁芯，结果很快就又震坏两个触头架。这时测量线圈吸合功率，竟然达到740多W，这时候才恍然大悟，是吸合功率过高了。但是这时候，CJX2-50的接触器用完了，我又托人找了一个CJ20-100和63的废接触器做实验。
100A规格的仍然很快就出了问题，仍然是触头架被震坏，这时，我才真正意识到吸合功率问题的重要性。我这时赶快购买纯铝漆包线，线径0.37，每个线圈绕1000圈，铁芯厚度由原来的30毫米减少到18毫米，线圈串联电阻20度时60欧，这次实验取得了良好的效果。
基本指标如下：（室温19度）
1、 吸合电压150V，
2、 吸合最小功率375W，
3、 220V时吸持功率4.4W，
4、 分断速度用肉眼观察和原来的接触器基本没有变化
发表于：2008-05-26 05:24:43
4楼
对交流接触器脉冲调宽式直流操作机构试制过程中
几个问题的理解
一、 为什么选用脉冲调宽式功率控制。
交流接触器的交流电磁操作机构，改为直流操作操作有许多好处，例如节能、噪音低、不容易烧线圈等等。实现直流操作的方式也有很多种，例如双线圈、使用变压器、电阻限流、电容限流等等。但这些方式看起来容易实现，但是也有难以克服的缺点，这在前面已经谈到，主要就是体积大、需要机械转换开关，难以和现有接触器的壳架直接配合。在这种背景下，我制作了脉冲调宽式功率控制板，基本的原理是用一个定时电子转换开关，使电路一开始得电时，控制电压基本全部加到电磁线圈上，这时接触器执行吸合动作，一段时间后（时间的具体长度根据接触器的不同型号而定，一般是几十到几百毫秒），这个电子开关自动转换为保持状态。在保持状态，电子开关处于脉冲调宽状态，它对每一个交流半波进行宽度调制，从而控制电磁线圈的功率处于保持电磁铁吸合的小功率状态，这样，就达到了可靠吸合和小功率保持的目的。并且这个电子线路没有电解电容和有触点转换开关，因此它的寿命是非常长的。同时，这个电子线路的结构非常简单，体积很小，可以比较容易的和现在的接触器配合，适合在现有接触器壳架的基础上批量生产。
二、 对接触器铁芯和线圈发热问题的理解。
现在有很多技术介绍，交流接触器改为直流操作后，完全解决了接触器铁芯和线圈的发热问题，我认为这是不完整的说法。应该是基本解决了吸持状态下的发热问题。但是对于频繁操作而引起的线圈发热问题，则基本是没有办法解决的。我们仍然以CJX2-50为例，在交流操作时，线圈的直流电阻是118欧，交流阻抗是116欧，合计234欧，220V时的吸合瞬间功率是207W，但是如果不对线圈进行改造，而直接改为直流操作，那么在220V时瞬间吸合功率是410W，比交流操作时的功率大了一倍，那么发热量也必然大了不少，可见在频繁操作时，发热反而比交流操作时更为严重一些。
对于铁芯的发热来说，是因为铁芯的铁损而导致的发热，改为直流操作以后，自然就解决了这一问题。我使用的是脉冲电流，也还存在一定的铁损，但是由于其耗散的功率很小，那么，铁损引起的铁芯温度升高可以忽略不计。
因此，直流操作技术只能解决接触器在保持状态的铁芯线圈发热问题，而无法解决接触器频繁操作而引起的发热问题。
三、接触器的噪音问题
交流操作的接触器，由于短路环的损坏，会产生很大的噪音，直流操作则不存在这样的情况。但问题是，我们现在所说的直流操作，是脉动直流操作，并不是平直直流电操作，因此，只要接触器铁芯吸合不紧密，或者铁芯的硅钢片铆接不紧实，同样还会产生交流噪音。
我们现在所说的直流操作技术，实际已经被列为“交流接触器节能装置”，并且有国家标准，在这个标准中，要求接触器节能装置的噪音不得大于20分贝，显然这个噪音指标都很难达到，因为我观察了很多噪声计的指标，测量下限大约都是30-34分贝，所以我觉得这条指标规定的有点问题，在工厂或者其他地方使用的接触器，需要这么高的噪音指标吗？
四、接触器铁芯的结构。我在放弃了叠片结构以后，尝试使用整体结构，目前是精密铸造铁芯，厚度取原来铁芯的60%，其他尺寸不变，线圈骨架相应改变。从目前情况看，成本比原来的叠片结构有所降低，主要是用料减少了。同时，整体结构大大降低了吸持噪音（没有测量，基本听不到）。整体结构的另一个好处就是对旧铁芯可以回收翻新使用，而对于叠片结构来说，很难做到这一点。
整体结构的体积减小后，带来的问题是线圈的功率需要加大，但是，这显然不是什么大的问题。因为改制后CJX2-50的吸持功率还不到2W。
五、电子线路的电磁兼容问题。电子线路由于是通过脉冲调宽来控制功率，所以肯定存在一定的电磁干扰。我试制的控制电路的工作状态，是每一个正弦的直流脉动波形，电子脉冲开关打开两次，也就是说每秒打开200次，这个脉冲频率就是200赫兹。《交流接触器节能装置》国家标准里规定：节能装置里有电子线路，但是脉冲频率在9千赫以内的，不做电磁干扰实验。显然，这一电子线路可以不考虑脉冲发射干扰的问题。
几个问题的理解
一、 为什么选用脉冲调宽式功率控制。
交流接触器的交流电磁操作机构，改为直流操作操作有许多好处，例如节能、噪音低、不容易烧线圈等等。实现直流操作的方式也有很多种，例如双线圈、使用变压器、电阻限流、电容限流等等。但这些方式看起来容易实现，但是也有难以克服的缺点，这在前面已经谈到，主要就是体积大、需要机械转换开关，难以和现有接触器的壳架直接配合。在这种背景下，我制作了脉冲调宽式功率控制板，基本的原理是用一个定时电子转换开关，使电路一开始得电时，控制电压基本全部加到电磁线圈上，这时接触器执行吸合动作，一段时间后（时间的具体长度根据接触器的不同型号而定，一般是几十到几百毫秒），这个电子开关自动转换为保持状态。在保持状态，电子开关处于脉冲调宽状态，它对每一个交流半波进行宽度调制，从而控制电磁线圈的功率处于保持电磁铁吸合的小功率状态，这样，就达到了可靠吸合和小功率保持的目的。并且这个电子线路没有电解电容和有触点转换开关，因此它的寿命是非常长的。同时，这个电子线路的结构非常简单，体积很小，可以比较容易的和现在的接触器配合，适合在现有接触器壳架的基础上批量生产。
二、 对接触器铁芯和线圈发热问题的理解。
现在有很多技术介绍，交流接触器改为直流操作后，完全解决了接触器铁芯和线圈的发热问题，我认为这是不完整的说法。应该是基本解决了吸持状态下的发热问题。但是对于频繁操作而引起的线圈发热问题，则基本是没有办法解决的。我们仍然以CJX2-50为例，在交流操作时，线圈的直流电阻是118欧，交流阻抗是116欧，合计234欧，220V时的吸合瞬间功率是207W，但是如果不对线圈进行改造，而直接改为直流操作，那么在220V时瞬间吸合功率是410W，比交流操作时的功率大了一倍，那么发热量也必然大了不少，可见在频繁操作时，发热反而比交流操作时更为严重一些。
对于铁芯的发热来说，是因为铁芯的铁损而导致的发热，改为直流操作以后，自然就解决了这一问题。我使用的是脉冲电流，也还存在一定的铁损，但是由于其耗散的功率很小，那么，铁损引起的铁芯温度升高可以忽略不计。
因此，直流操作技术只能解决接触器在保持状态的铁芯线圈发热问题，而无法解决接触器频繁操作而引起的发热问题。
三、接触器的噪音问题
交流操作的接触器，由于短路环的损坏，会产生很大的噪音，直流操作则不存在这样的情况。但问题是，我们现在所说的直流操作，是脉动直流操作，并不是平直直流电操作，因此，只要接触器铁芯吸合不紧密，或者铁芯的硅钢片铆接不紧实，同样还会产生交流噪音。
我们现在所说的直流操作技术，实际已经被列为“交流接触器节能装置”，并且有国家标准，在这个标准中，要求接触器节能装置的噪音不得大于20分贝，显然这个噪音指标都很难达到，因为我观察了很多噪声计的指标，测量下限大约都是30-34分贝，所以我觉得这条指标规定的有点问题，在工厂或者其他地方使用的接触器，需要这么高的噪音指标吗？
四、接触器铁芯的结构。我在放弃了叠片结构以后，尝试使用整体结构，目前是精密铸造铁芯，厚度取原来铁芯的60%，其他尺寸不变，线圈骨架相应改变。从目前情况看，成本比原来的叠片结构有所降低，主要是用料减少了。同时，整体结构大大降低了吸持噪音（没有测量，基本听不到）。整体结构的另一个好处就是对旧铁芯可以回收翻新使用，而对于叠片结构来说，很难做到这一点。
整体结构的体积减小后，带来的问题是线圈的功率需要加大，但是，这显然不是什么大的问题。因为改制后CJX2-50的吸持功率还不到2W。
五、电子线路的电磁兼容问题。电子线路由于是通过脉冲调宽来控制功率，所以肯定存在一定的电磁干扰。我试制的控制电路的工作状态，是每一个正弦的直流脉动波形，电子脉冲开关打开两次，也就是说每秒打开200次，这个脉冲频率就是200赫兹。《交流接触器节能装置》国家标准里规定：节能装置里有电子线路，但是脉冲频率在9千赫以内的，不做电磁干扰实验。显然，这一电子线路可以不考虑脉冲发射干扰的问题。
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