无触点接触器的设计与应用

 无触点接触器的设计与应用

林平

身份证：450803198709206931

摘要：本文主要通过分析电磁式接触器在实际应用中存在的一些问题，并利用大功率晶体管的特性，制作成无触点接触器，代替电磁式交流接触器，从而提高电气控制的可靠性，实现多种电机保护功能，在生产过程中更加安全可靠。

关键词： 无触点 电磁式 接触器 晶体管

一、问题的提出

目前绝大部分电机控制采取电磁式接触器，即电磁线圈通电后产生磁吸力，拉动铁芯，触点闭合，电能通过触点输送到用电设备。由于电磁式接触器是物理连接、机械运动，使用一定次数后机构磨损，造成动作卡阻。同时触点在分合瞬间产生电弧不断的烧蚀触点，造成接触不良、触点发热、熔焊，无法正常分断进而损坏设备，特别是在大功率、大电流领域，如大型起重设备，操作过于频繁，加上高温、粉尘环境，极大地缩短了接触器的使用寿命，严重者将烧坏电机。如果触点发热造成触点熔焊，接触器无法释放，将造成电机缺相烧毁，或电机失控无法停车，造成重大的设备、人身安全事故。

二、解决方案

针对以上问题，本文主要对晶体管接触器的工作原理及各种保护措施展开论述。晶体管接触器又称无触点接触器，是由双向晶闸管及触发电路、保护电路等组成，具有使用寿命长、维护简便、缺相保护、短路保护等优点，而且还可以根据工作要求，集成过流、过载等保护功能。

无触点接触器是根据晶闸管内部的PN结在施加控制电压时，PN结主回路电流导通，代替了常规接触器的机械触点。因双向晶闸管没有机械触点，故称无触点接触器。选用较好品牌的晶闸管制作的无触点接触器，使用寿命是目前主流品牌接触器的10倍以上（现场经验数据）。如果在双向晶闸管的触发电路上加以保护电路，还可以避免因双向晶闸管断路或者击穿等故障造成电机烧坏或失控的事故发生。

    三、无触点接触器的组成及控制原理

无触点接触器主要由双向晶闸管（俗称双向可控硅）、检测保护电路、触发电路、控制电源电路、状态指示电路、冷却部件组成。结构原理如下图1：

图1

1、双向晶闸管

晶闸管是一种电子元器件，内部由PNPN四层半导体构成，它有三个极：阳极A、阴极K和门极G，如图2，

图2

晶闸管门极G为控制端，当门极G和阴极K施加1.5-3V间触发信号时，晶闸管的阳极A与阴极K导通，阳极A与阴极K相当于图1接触器触点1、2脚功能相类似。门极G和阴极K相当于接触器的线圈端子A1、A2。晶体管与接触器的不同之处有一下几点：

（1）晶闸管只能正向导通，不能反向导通，接触器在吸合状态，正反均可导通；

（2）晶闸管的门极G触发电压是相对于阴极K的电位，控制电无法与主电路分开，在实际应用时控制电路必须与主电路隔离。接触器的线圈与触点完全是物理隔离，控制电路简单。

（3）晶闸管在导通情况下，只要阳极A和阴极K有正向电压，不管门极G有无触发信号，阳极A和阴极K均能保持导通状态。接触器则不一样，接触器线圈电压低于一定值或没有，触点机构马上释放。

（4）晶闸管在负载电流接近0时，无法导通。接触器导通条件跟电流无关。

通过上面介绍晶闸管的特性后，结合运用到交流电分析，由于交流异步电动机工作在50HZ的工频电压下，电压存在过零、正负交替的情况。由晶闸管的工作条件可知，普通晶闸管在有触发情况下只能控制半波电流，在另外半波处于截止状态，为了实现全波控制，MTC系列晶闸管将两个晶闸管阴阳并联，组成双向晶闸管。MTC晶闸管有A1K2极、K1极、A2极，如下图3：当同时对G1/K1、G2/K2施加3V电压时，晶闸管全波导通。

图3

由上图可知，一个MTC晶闸管可以代替接触器的一个触点，要实现对电机的启停控制，必须使用两个或者三个MTC晶闸管，下图4为两个MTC晶闸管的控制主回路图：

图4

由于晶闸管损坏有两种情况：

第一种情况：晶闸管开路，即有触发信号，晶闸管不导通，如果上图的两个晶闸管有其中一个开路，将导致电机启动时缺相，如果电机缺相不及时停下来，电机两相间电流过大烧坏线圈。

第二种情况：晶闸管击穿，这也是比较常见的故障。晶闸管击穿时，不管有没有触发电压，晶闸管均处于导通状态，如上图，如果有其中一个击穿时，在控制回路未启动时，电机就已经处于缺相状态，后果就是电机单相烧坏。如果两个同时击穿，电机将失控，造成设备或人身安全事故。

根据2个MTC晶闸管组成的无触点接触器的原理来看，是能实现电机控制，但起不到保护作用，可靠性不高。

下图5为3个MTC晶闸管组成的无触点接触器

图5

在每个晶闸管输出端引出La2、Lb2、Lc2进行电压取样，晶闸管和电机工作在各种状态下时对应的La2、Lb2、Lc2取样电压将会呈现出不同的变化，主要有以下六种情况：

第一种情况： A、B、C三相晶闸管正常情况下，没有触发前，PN结均处于截至状态，La2、Lb2、Lc2取样电压对地分别为Ua2= Ub2= Uc2=0V。

第二种情况： A、B、C三相晶闸管正常情况下，同时得到触发信号，PN结均处于导通状态，La2、Lb2、Lc2取样电压对地分别为Ua2= Ub2= Uc2

V,公式中U为线电压。

第三种情况： 其中一相晶闸管触发故障，或者本身晶闸管故障开路，另外两相正常触发导通，则有开路那相对地电压（用Uk2表示）Uk2U V, 正常触发导通那两相对地电压（用U2表示） U2= V,公式中U为线电压。 

第四种情况： 其中两相晶闸管击穿，在这种情况下，无触点接触器在未触发前，电机就已经处于缺相运行状态，则有击穿的两相对地电压（用Uj2表示）Uj2= V，另外未击穿的一相对地电压（用U2表示） U2= V,公式中U为线电压。

第五种情况：三相晶闸管全部发生故障开路，则不管有无触发信号，La2、Lb2、Lc2取样电压对地均为Ua2= Ub2= Uc2=0V。

第六种情况：三相晶闸管全部击穿，则不管有无触发信号，La2、Lb2、Lc2取样电压对地均为Ua2= Ub2= Uc2= V。

只要通过对La2、Lb2、Lc2的电压检测，分析判断出无触点接触器工作在第三、四、五、六种情况下，及时封锁触发信号输出，并同时向外部电路发出急停信号，就可以避免无触点接触器因缺相或者晶闸管击穿引发的设备及人身安全事故发生。

2、检测保护电路

保护电路主要由2块LM339四位电压比较器IC和1块CD4082与门电路IC组成。LM339内部集成了4个电压比较器，如下图6：

图6

CD4082内部集成了2个4输入与门电路，如下图7：

图7

采样信号La2、Lb2、Lc2通过二级管半波整流及电阻分压后分别接入第一个LM339的反相输入端6、4、8脚，晶闸管触发信号5V通过电阻限流接入LM339的10脚。LM339内部的4个电压比较器正相输入端7、5、9、11输入基准电压3V，下图8为其中一相采样电路，另外两相相同就不一一展开说明：

图8

下图9为触发信号的电压比较电路：

图9

当无触点接触器工作在第一种情况时，Ua2= Ub2= Uc2=0V，触发信号0V,进入LM339芯片的6、4、8、10脚电压为0。R3阻值8.2KΩ，R4阻值3.3KΩ，R3与R4串联后R4分压3.4V，在R4旁边并联1N4727稳压二极管得到3V的基准电压接入LM339芯片的7脚。相同，LM339芯片的5、9、11脚基准电压为3V。此时7、5、9、11脚电位比6、4、8、10脚高，比较器1、2、14、13脚输出高电位12V。并分别接入与门芯片CD4082的2脚、3脚、4脚、5脚，如下图10：

图10

CD4082的2脚、3脚、4脚、5脚同时高电位，1脚输出高电位，驱动KA1继电器吸合，最后KA1继电器触点接入触发板，表示“晶闸管准备好”。

当无触点接触器工作在第四或第六种情况时，存在有一个或多个晶闸管损坏击穿，采样电压升至 V，线电压U=380V时， V≈220V，经R1、R2分压后得到5V进入LM339比较器的反相输入端6或4、8脚，由于比较器的正相输入端基准电压3V，小于5V，比较器输出低电位，CD4082的1脚输出低电位，KA1继电器没有吸合，没有“晶闸管准备好”信号，触发板封锁输出。

当无触点接触器工作在第二种情况时，无触点接触器正在触发，三相晶闸管均处于导通状态，采样信号La2、Lb2、Lc2对地电压为 V≈220V，经二级管D3整流，R6、R7分压后得到5V进入LM339比较器的正相输入端7脚、5脚、9脚。与R7并联的电容起到滤波作用，防止交流电过0时，取样电压产生脉动。触发信号5V经限流电阻接入LM339的11脚，反相输入端6脚、4脚、8脚、10脚基准电压为3V，LM339的1脚、2脚、14脚、13脚输出高电位12V，如下图11：其他两相一样。

图11

下图12为触发信号的电压比较电路：

图12

LM339比较器的1脚、2脚、14脚、13脚输出高电位12V，并分别接入与门芯片CD4082的9脚、10脚、11脚、12脚，如下图13：与门芯片CD4082的13脚输出高电位12V，驱动KA2继电器吸合，最后KA2继电器触点接入触发板，表示“正常运行”。

图13

当无触点接触器工作在第三或第五种情况时，无触点接触器正在运行过程中，有其中一个或多个晶闸管开路，开路的晶闸管对应的取样电压为 V≈110V，经二级管D3整流，R6、R7分压后得到2.5V，由于比较器反相输入端的基准电压为3V，2.5V<3V,故障开路的晶闸管对应的电压比较电路输出低电位0V，最终CD4082的13脚输出低电位，KA2继电器释放，没有“正常运行”信号，触发板封锁输出。

3、触发电路

由于三个晶闸管工作在不同的相位，电压差380V，为了将每相电位隔离开，强电与弱电分开，将引入光电隔离。如下图14，门极G1与K1并联1N4727稳压二极管及1KΩ电阻，确保门极电压3V以内。C3电容0.8UF与R15电阻160KΩ组成上拉电阻，当光耦OC的1、2脚接收到触发信号时导通，限流电阻R17阻值1KΩ，A1与G1通过阻容电路，将G1电位拉高，由于G1与K1间有1N4727稳压二极管，电压被限制在3V。晶闸管导通。在触发前，如果晶闸管已经击穿，则继电器KA1不吸合，条件不满足，无法触发，无触点接触器进入保护状态。如果无触点接触器在运行状态下，某个晶闸管开路，则继电器KA2释放，无触点接触器停止工作。

图14

4、控制电源电路

下图15为触发器电源部位，AC220V/18V变压器通过整流滤波后得到DC18V直流电源，供冷却风机用电。DC18V经过三端稳压器7812稳压得到DC12V,给检测保护电路中LM339电压比较器、与门电路CD4082供电。三端稳压器7805稳压得到DC5V给触发电路供电。

图15

5、状态指示电路

下图16为状态指示电路，无触点接触器接通控制电源220V后，5V输出正产，点亮发光二级管D7(电源正常），晶闸管正常，继电器KA1吸合，点亮发光二级管D8(准备好），无触点接触器触发后，继电器KA2吸合，点亮发光二级管D9(运行）。

图16

6、冷却部件

如图17，温控开关设定高于40℃开关动作，避免风机长期运行损坏。

图17

    四、结论

无触点接触器在触发时没有存在机械运动，只是内部PN结导通，解决了电磁式接触器由于多次工作后机械疲劳产生的动作卡阻现象。而且无触点接触器在分断负载时，没有弧光产生，不存在电磁式接触器弧光烧毁触点的故障。通过以上对无触点接触器添加缺相、三相击穿保护设计，完全可以杜绝在应用过程中电机缺相工作、或电机失控无法停车，造成重大的设备、人身安全事故发生，真正起到了电气可控性和保护功能。

参考文献：

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[4]教育部高职高专规划教材：《电力电子技术》、《电工技术》、《电路基础》、《电机与电气控制》