交流接触器晃电保护无隙切换拓扑结构研究

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东北大学信息科学与工程学院、华为技术有限公司的研究人员杨东升、马占超等，在2018年第11期《电工技术学报》上撰文指出，交流接触器是一种在电力系统中广泛应用的敏感性电气设备，由雷击、短路等原因引发的晃电故障易造成交流接触器误脱扣，导致连续工业生产过程的非计划停产，造成重大的经济损失。

针对上述问题，该文在研究交流接触器电磁系统能量转换关系的基础上，提出一种交流接触器晃电保护的拓扑结构。该拓扑利用晶闸管的反向外电压关断特性，在主控制电路与备用控制电路的切换过程中，实现励磁电流连续无隙，确保交流接触器始终具有能量，保持吸合状态。此外，该文给出了无隙切换过程的控制方法，并进行了仿真和实验研究。

仿真与实验结果验证了晃电保护拓扑结构的正确性及有效性，为高敏感度电力设备在连续生产过程中的不间断运行提供理论及应用参考。

电力系统由于雷击、短路故障重合闸、工厂内部电网故障或启动冲击性负荷等原因[1]，造成的电网电压有效值下跌至额定值的90%～10%的现象，工程上称之为晃电[2]，其典型持续时间一般为10 ms~1 min[3]。晃电会造成生产延误、设备损坏、产品质量降低，甚至引发安全事故[4]。特别是对发电、造纸、钢铁冶金、石化化工等要求连续作业的行业来说，晃电故障将会引起巨大的经济损失及安全隐患。

交流接触器是一种在工业生产中对电能质量高度敏感的电气设备[5]，晃电产生的电压骤降往往导致交流接触器误脱扣，使得接触器控制的关键设备跳闸，引起整个连续生产过程的非计划停机[6]。

为减轻晃电带来的影响与危害，国内外学者研究了多种抗晃电方法[2,7-13]，大致可归结为3类，即补偿式方法、延时式方法与备用式方法。补偿式抗晃电方法补偿晃电造成的电压波形缺失，典型装置为动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer, DVR）[7-10]。但DVR多串接在一次回路中，并不适用于解决交流接触器等二次设备的晃电保护问题。

延时式方法多应用储能延时元件、延时锁扣头装置，或者直接使用双线圈结构的抗晃电接触器，以期延时释放接触器触头[11,12]。但延时式方法的控制线路复杂，选型范围窄小，应用有较大局限。备用式方法将电力电子技术运用在晃电保护技术中，通过控制电力电子器件的导通和关断完成电网供电与备用电源供电之间的转换，从而确保生产设备不受晃电影响[2,13]。

图1为备用式交流接触器晃电保护原理图，当晃电发生时，将受晃电影响的交流接触器主控制电路即时切换至备用控制电路为线圈供电，保证接触器的安全稳定运行。

图1  备用式交流接触器晃电保护原理

现有的备用式交流接触器晃电保护装置一般采用的电力电子开关是绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）和电力场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET）等全控型器件。为避免备用电源直接接入交流电网，必须在全控器件的控制过程中考虑死区时间[14]。

在工程实际中，死区时间与全控器件的型号、交流接触器的型号、晃电发生时全控器件端电压及流过器件的电流等诸多因素存在着复杂的耦合关系，具有极大的随机性，很难得到适宜的死区时间进而精确地控制器件通断。

死区时间给定过短，会导致备用电源温度过高乃至损坏，或引起全控器件炸裂，引入新的故障点；死区时间给定过长，交流接触器很快释放，无法实现保护的目的。这是目前备用式交流接触器晃电保护技术可靠性低的主要原因。

鉴于此，本文分析并推导了交流接触器线圈电流变化与能量转换之间的物理关系，提出一种基于晶闸管的备用式交流接触器晃电保护拓扑结构。该拓扑结构利用晶闸管的反向外电压关断特性实现无隙换流，无需设定死区时间，即可在主控制回路与备用控制回路的切换过程中，始终为交流接触器提供维持吸合的能量，进而保证接触器工作在吸持状态。

此外，本文研究了不同工作状态间的无隙切换方法，并通过仿真与实验对晃电保护拓扑结构进行验证。仿真及实验结果表明，同IGBT、MOSFET等全控器件组成的晃电保护拓扑相比，本文提出的拓扑结构能够保证励磁电流在切换过程中连续，交流接触器触头保持吸持。当交流接触器工作在需连续运行的工况中时，应用本文提出的拓扑结构能够有效避免因电流断续导致的生产中断。

图3  交流接触器晃电保护无隙切换拓扑结构及系统结构框图

图8  晃电保护无隙切换拓扑实验平台

结论

本文提出一种基于晶闸管的备用式交流接触器晃电保护拓扑结构，分析其工作原理，并给出无隙切换控制策略。从理论推导以及仿真和实验结果，得到以下结论：

1）晃电保护拓扑及其无隙切换控制策略可在电网交流供电与备用电源直流供电时正常运行，并在主控制电路与备用控制电路的切换和回切过程中可靠工作。

2）该拓扑利用晶闸管的反向外电压关断特性，具有无隙切换的换流性能，保证交流接触器维持吸持状态，保障高敏感度电力设备的连续运行。

3）基于晶闸管的无隙切换拓扑在驱动电路及控制策略上的设计更为简便，可为备用式晃电保护装置中切换电路的设计提供参考。