交流接触器作用有哪些?

交流接触器作用有哪些?

虽然是2015年的老旧帖子,不过很有意思,我来回答吧。

低压开关电器分为主回路电器和控制回路电器,交流接触器属于主回路电器。

主回路电器分为主动元件和被动元件。所谓主动元件,指的是能够主动地切断短路电流的元件。主动元件只有2种,分别是断路器和熔断器;所谓被动元件,就是发生短路时,被动元件只能被动地承受短路电流的冲击。显然,交流接触器属于被动元件,但交流接触器与断路器之间或者交流接触器与熔断器之间存在短路保护配合关系。

交流接触器一般用于电动机电路的合分,并作为过载保护热继电器的执行电器。

我们看下图:

我们从图1中看到,交流接触器由线圈、铁芯和衔铁构成磁路系统,主回路则由静触头及接线端子,动触头及连接排、动触头压片、反力弹簧和灭弧罩等构成。

注意1:交流接触器的主回路电接触处叫做触头,触头必须配灭弧罩。交流接触器输出的辅助电接触处叫做触点,触点的最大电流是5A,且无需配灭弧罩。

注意2:继电器属于控制电器,它们的电接触均是触点,故无需配灭弧罩。触头和触点定义不同,不能混淆。

当线圈通电后,衔铁闭合在铁芯上。由于交流电流存在过零,故磁路磁通亦存在过零现象。磁通过零时衔铁在反力弹簧作用下会松开铁芯,磁通过零后再吸合,由此出现过零振动和噪音,引起铁芯极面磨损和线圈发热。为此,在铁芯极面上安装分磁环(短路环),产生额外的吸合磁通,减轻或者消除吸合噪音。

注意3:若流过接触器线圈的是交流电时,铁芯极面需要配套分磁环,且铁芯和衔铁均用硅钢片迭片而成;若流过接触器线圈的是直流电,则无需配套分磁环,且铁芯和衔铁用整块的电工软铁制作而成。

我们看下图:

我们从图3看到,电动机主回路有三个元件,分别是单磁断路器QF、交流接触器KM和热继电器KH。断路器用于短路保护,交流接触器用于合分电路,而热继电器用于过载保护。

注意4:当发生短路时,由于断路器开断需要一定的时间,一般不短于15ms,故交流接触器必须承受短路电流的冲击。

断路器开断短路电流与接触器承受短路电流冲击之间的关系在国家标准GB/T 14048.4-2020《第4-1部分:接触器和电动机起动器 机电式接触器和电动机起动器(含电动机保护器)》中叫做短路协调配合关系,如下:

我们看到,断路器开断短路电流完成后,如果接触器出现触头沾粘,则叫做SCPD配合类型1(Type1)。如果未出现沾粘,叫做SCPD配合类型2(Type2)。

注意5:SCPD特性对于接触器与断路器的选配来说非常重要。

如果电动机主回路不是采用断路器,而是采用熔断器作为主动元件,因为熔断器的熔断时间相对更短(一般在5到10ms)之间,故熔断器与接触器之间的短路保护配合关系一般都是SCPD类型2。

注意6:在低压开关电器的定义中,熔断器在隔离开关的下方叫做开关熔断器,熔断器在隔离开关的刀闸上,叫做熔断器开关,或者负荷开关。这一点与中压开关电器的称呼不同。

我们看下图:

我们从图6到图9左侧的主回路中,都看到了交流接触器KM,其用途就是合分电路。

例如我们按下图6的合闸按钮SB1,接触器线圈得电其一次回路的主触头闭合,电机开始起动运行。同时与SB1并联的接触器常开触点KM闭合执行自保;当我们按下分闸按钮SB2时,接触器线圈失压释放,接触器一次回路的主触头亦释放,电机失电停运。

当电机过载或者欠压后,热继电器KH动作,使得接触器线圈失压,接触器释放电机停运。

图7的原理与图6类似,这里不重复。图8电机的星角起动有三只接触器,而图9电机的可逆起动则有两只接触器。这些电路的控制原理我就不介绍了,请读者自己去分析电路工作原理。

可见,交流接触器广泛应用于电动机的控制电路。

我们来考虑电机的起动电流,以及交流接触器的过载倍率问题。我们看下图:

图10中的横坐标是电机的瞬态电流,纵坐标是电机通电后的持续时间,故叫做电动机的安秒特性。

当电机刚加电时,其转子还未旋转或者刚开始旋转,此时的电机电流最大,叫做起动冲击电流峰值Ip,其电流值为电机额定电流的10到14倍。随着转子加速运行,电机进入起动阶段,电流值在4倍到8.4倍电机额定电流之间,一般按6倍额定电流计算。当电机完成起动后进入稳定运行阶段,此时的电流就在额定电流附近。

如果电机处于点动运行或者直接反转运行,则电机电流也很大。

显然,接触器必须要能承受电机起动电流的冲击。在国家标准GB/T 14048.4-2020中,用接通能力来表述,见下图:

图11中的AC-3是电机直接起动和可逆起动,AC-4是电机的反接制动、点动以及可逆。关于AC-3和AC-4的定义,见下图:

可见AC-3下电机的起动电流相对额定电流的倍率在4到8.4倍之间,而AC-4下电机的点动和反接制动电流则更大,故GB/T 14048.4-2020规定了AC-3下接触器的过载倍率不小于8倍额定电流,AC-4下则要求10倍额定电流。

我们看ABB的直接起动电动机的选配方案表,如下:

图13中的左侧是电动机额定功率和额定电流,再往右就是断路器、接触器和热继电器的参数。

图13中的最上端我们看到了系统的短路容量是36kA,接触器与断路器之间的短路保护配合关系是类型2(Type2),并且交流接触器的过载倍率不小于8倍。

我们再看ABB的重载起动电动机的主回路元器件选配方案表:

所谓重载起动,指的是电机起动时间在20秒以上,此时对接触器的过载倍率要求更高,对热继电器的过载保护脱扣时间也提出了要求。GB/T 14048.4-2020也给出了具体规定:

我们看到,当起动时间在10到20秒以上时,此时电机就属于重载起动,其热继电器的级别必须用20级的。

我们来看早期用模拟电子技术构建的电动机保护器电路:

我们看到,左侧有交流接触器KM。右侧的控制回路中,有过载保护、欠压失压保护和短路保护。控制主体其实就是用晶体管构建的施密特触发器。最有意思的是图16下方的电源部分,它用速饱和电流互感器来获取电能。

关于电动机回路中断路器的选配,分为单磁断路器和电动机型断路器,这里就不介绍了。有兴趣的读者可参阅我写的知乎帖子,或者我的书《低压电器技术精讲》。

由此可见,电动机主回路三元件(断路器、接触器和热继电器)之间的关系还是很有点技术含量的。

我们看下图:

注意图17的交流接触器KM1和KM2是四极的。

因为中间继电器KA接在第一路电源,若第一路电源正常,则KA吸合,接触器KM1也吸合,则图10下部的母线由第一路电源供电;若第一路电源工作不正常,KA释放,KM1释放KM2吸合,则下部母线由第二路电源供电。

我们看下图:

我们从图18中看到了两台接触器,它们就是切换电容器接触器。

我们再看下图:

图19中的切换电容器接触器,其规格就是由所切换的电容容量确定的,接触器的额定电流必须大于图19中的电容充电电流。关于图19的应用,可参阅以下链接:

接触器的应用还有:照明回路的控制、软起动器的旁路控制、工控中的电源控制,等等。

有趣的是:在风力发电中,由于风忽大忽小,风大时电站向电网输送电,此时馈送电的断路器当然就要闭合;风小时电站无法向电网输送电,断路器当然就要开断。于是,一台崭新的断路器使用了几个月,其电寿命就到期了,必须更换,所以风力发电的成本很高。挪威ABB的研究者们把断路器技术和接触器技术结合起来,研发了专用于风电的新型断路器。不过,这种新型断路器我也没见过,只是在内部资料中看过,给不出任何数据。

就写到这里吧。