交流接觸器廣泛應用於低壓配電系統。晃電會導致交流接觸器觸頭釋放，從而影響工業企業的安全生產。針對這一問題，目前主要採用晃電後接觸器再啟動和晃電保持兩種方案。但這兩種方案未考慮實際實現過程中交流接觸器觸頭振動和衝擊問題。

為解決抗晃電過程中接觸器觸頭衝擊問題，萬華化學（福建）有限公司、深圳市中電電力技術股份有限公司的於洪乾、申笑菱、曾偉、夏洪超、陳沙，在2023年第3期《電氣技術》上撰文，提出交流接觸器柔性切換的概念，並基於柔性切換相位區間提出一種交流接觸器晃電保持方案。

該方案能夠自適應地輸出直流電壓來保證不同容量的交流接觸器在晃電過程中穩定吸合，同時能夠避免晃電保持切換過程中接觸器觸頭振動和衝擊問題。通過實際裝置實驗，驗證了該柔性切換方案的有效性。

交流接觸器作為重要的開關器件，廣泛應用於低壓配電系統。根據IEC標準的規定，交流接觸器可靠吸合電壓為其額定電壓的85%～110%，釋放和完全斷開電壓是其額定電壓的20%～75%。

在GB/T 30137—2013《電能質量電壓暫降與短時中斷》中規定，電壓暫降是指電力系統中某點工頻電壓方均根值突然降低至額定電壓的90%～10%，並在短暫持續10ms～1min後恢復正常的現象，工業中將這種現象稱之為晃電。因此，當電壓暫降至接觸器釋放電壓以下時，交流接觸器觸頭釋放，將導致負載跳停等事件發生，對工業企業的安全生產造成不良影響。

針對抗晃電問題，目前主要採用晃電再啟動方案和晃電保持方案。晃電再啟動方案主要採用晃電恢復後重新啟動設備的方法。而晃電保持方案採用儲能延時模塊、電力補償方案或雙電源切換方案來躲過晃電故障。

以上兩類抗晃電方案存在以下兩個問題：一是晃電再啟動方案在電壓恢復後交流接觸器直接啟動，容易造成合閘衝擊問題；二是晃電保持方案未考慮不同切換相位對交流接觸器的影響，在切換過程中可能會由於不合理的切換相位導致接觸器脫扣或形成電流過沖，從而造成接觸器觸頭振動和衝擊。

針對以上問題，本文提出交流接觸器柔性切換的概念，並提出基於柔性切換相位區間的交流接觸器晃電保持方案。該方案通過在晃電發生及恢復後交直流控制源的柔性切換，保證交流接觸器穩定可靠吸合，避免切換過程中脫扣或電流過沖造成觸頭振動和衝擊，有效保證接觸器的使用壽命。

首先，分析在不同切換相位進行交直流切換時對交流接觸器的影響，確定柔性切換的相位區間；然後，利用自適應計算得到最佳直流保持電壓，保證該方案能夠適用於多種容量的交流接觸器；接著，採用αβ變換計算線圈上施加的電壓，快速有效地判斷出晃電的發生及恢復狀態，在晃電發生時由交流控制源切換到直流控制源，在晃電恢復後由直流控制源切換到交流控制源；最後，通過實際測試驗證柔性切換相位選擇的合理性，以及該晃電保持方案的有效性。

1 接觸器吸合與釋放的基本原理

交流接觸器的結構如圖1所示。當線圈兩端加交流電源時，線圈中通過的電流產生交變磁場，從而產生電磁吸力。當電磁吸力大於彈簧拉力時，動鐵心運動與靜鐵心吸合，並通過聯動作用，帶動觸頭吸合，接通動觸頭上電源。當線圈失電或發生電壓暫降，電磁吸力減小到小於彈簧拉力時，動鐵心與靜鐵心斷開，同時帶動動觸頭與靜觸頭斷開，從而切斷動觸頭上的負載電源。

線圈得電後會有電流通過，沿著動/靜鐵心和鐵心間的氣隙就會形成磁通的閉合迴路，由此產生電磁吸力。電磁吸力根據麥克斯韋電磁力計算公式得到，即

式（1）中：F為電磁吸力；N為線圈匝數；I為線圈中電流；Rm為磁路中的總磁阻；0為真空磁導率；A0為鐵心間氣隙的橫截面積。

根據式（1），電磁吸力的大小與線圈中通過的電流值大小呈正相關，而接觸器吸合狀態與電磁吸力的大小密切相關。因此，要保證晃電保持過程中交流接觸器穩定吸合，就要保證電磁吸力穩定且大於彈簧拉力。對應電流來說，就要保證在晃電發生後由交流控制源切換至直流控制源時，線圈中電流能快速切換到對應的直流電流值；在晃電恢復後由直流控制源切換回交流控制源時，線圈中電流能由直流平穩地過渡到交流電流，不發生電流過沖現象。

為實現以上目標，在交直流控制源切換時要考慮合理的切換相位，本文稱其為柔性切換相位。

2 柔性切換分析

本文提出的柔性切換是指，在晃電保持過程中，交流控制源和直流控制源相互切換前後，交流接觸器觸頭不能有釋放的風險，且切換後不能出現接觸器觸頭振動和衝擊的現象。

由於交流接觸器觸頭狀態與受到的電磁吸力密切相關，要實現柔性切換，就需要分析不同切換相位對切換前後電磁吸力的影響。根據電磁吸力與線圈中電流值的關係，可將以上分析轉換為對切換前後線圈中電流變化的分析。

在分析不同切換相位對電流的影響時，以本文所採用的晃電保持方案切換拓撲結構為基礎。為便於分析，本節採用如圖2所示的晃電保持切換簡化拓撲結構。在圖2中，a點與f點間的電源為交流源，c點/d點與f點間的電源分別為正向直流源和負向直流源；Q1～Q4為交流側半導體開關（晶閘管），L為接觸器線圈等效電感，R為接觸器等效電阻。

2.1 交流控制源切換至直流控制源

根據本文所採用的晃電保持方案，當檢測到晃電發生時，交流接觸器的供電會由交流控制源切換到直流控制源。

由於電磁吸力與交流接觸器線圈中電流的關係，為保證切換前後交流接觸器不釋放，當交流控制源切換至直流控制源時，切換點的選擇以交流電流相位為判斷條件。為得到交流控制源切換到直流控制源時的柔性切換相位區間，本文從交直流切換對線圈L中實際電流的影響進行分析。

由交流控制源切換到直流控制源時，如果線圈L中原實際電流值大於直流電流值，相當於電流有減小的趨勢，則線圈L中感應電動勢阻礙電流減小，即感應電壓與直流電壓同向。在兩個電壓的共同作用下，線圈L中電流逐漸減小至直流電流後保持穩定。如果線圈L中原實際電流值小於直流電流值，相當於電流有增大的趨勢，則線圈L中感應電動勢阻礙電流增大，即感應電壓與直流電壓反向。

在兩個電壓的共同作用下，線圈L中電流會逐漸增大至直流電流值後保持穩定。由於感應電壓的大小與電流變化率的大小呈正相關，如果線圈L中原電流值接近零點，切換至直流控制源後，相當於電流值突變，對應的感應電壓很大，因此電流會減小至零點附近並保持一段時間。此時，由於線圈L中電流較長時間處於零點附近，電磁吸力小於彈簧外力，極易造成接觸器觸頭釋放。

根據以上分析，在發生電壓暫降由交流控制源切換到直流控制源時，為保證切換過程中交流接觸器觸頭一直處於可靠穩定吸合狀態，應避免在交流電流接近零點時進行切換，即柔性切換相位區間為交流電流相位除0°和180°及其附近相位之外的其他相位。在實際應用時，如果檢測到電壓暫降後進行切換時，交流電流相位處於0°或180°附近，則需要延時後再進行切換。

2.2 直流控制源切換回交流控制源

當檢測到晃電恢復時，交流接觸器的供電由直流控制源切換回交流控制源。

根據晃電切換拓撲結構和半導體開關的特性，在切換回交流控制源時，如果交流電壓的正負與當前直流控制源相反，則會出現短路故障，從而損毀晃電保持裝置。因此，為保證由直流供電平穩安全地轉換到交流供電，在切換回交流控制源時，以交流電壓相位作為切換的判斷依據。

本文同樣從切換對線圈L中電流的影響方面，分析直流控制源切換回交流控制源時的柔性切換相位區間。

由於線圈L的電感特性，在感應電動勢的影響下，當在線圈L上施加交流電壓時，產生的交流電流滯後電壓約90°。因此，當直流控制源為正向時，如果在交流電壓相位為0°～90°時切換回交流控制源，則由於交流電壓產生的電流為負向，與線圈L中的直流電流反向，在感應電動勢的作用下，會產生過沖電流。

當電流過沖時，由於對應電磁吸力增大，會造成接觸器觸頭振動和衝擊，從而影響接觸器壽命。如果在交流電壓相位為90°～180°時切換，則交流電壓產生的電流為正向。

如果切換時，交流電流值小於線圈L中原直流電流值，同樣會產生一定的過沖電流。如果交流電流大於線圈L中原直流電流值，則線圈L中感應電動勢阻礙電流增大。因此在感應電動勢的作用下，線圈L中電流會緩慢增大，不會出現過沖的情況。

因此，根據以上分析，當直流控制源為正向時，柔性切換相位區間為交流電壓相位在90°～180°之間對應電流較大時的相位。同理，當直流控制源為負向時，柔性切換相位區間為交流電壓相位在270°～360°之間對應電流較大時的相位。

在應用中，直流控制源切換回交流控制源時，可在柔性切換相位區間內選擇一個相位點作為切換時的理論相位。

3 晃電保持切換方案

本文基於柔性切換提出一種晃電保持切換方案。該方案能夠自適應計算出最佳直流保持電壓，可以自動匹配容量400A及以下的主流普通線圈交流接觸器。同時，通過柔性切換相位，能夠在晃電發生和恢復後有效保證交流接觸器穩定吸合。下面就本方案採用的拓撲結構和具體方案實施流程進行說明。

3.1 拓撲結構

本方案採用的雙向直流源拓撲結構如圖3所示。其中，RL1為旁路繼電器，Q1和Q3為交流側半導體開關（晶閘管），Q2和Q4為直流側半導體開關，KM為接觸器等效模型。

該拓撲結構有三種供電模式：旁路供電、交流供電和直流供電。

• 旁路供電：旁路繼電器為返回狀態，即RL1中的開關在2號觸點，關斷交流側半導體開關Q1、Q3和直流側半導體開關Q2、Q4。此時，外部交流控制電壓通過旁路繼電器與交流接觸器構成迴路。
• 交流供電：旁路繼電器為動作狀態，即RL1中的開關在1號觸點，導通交流側半導體開關Q1、Q3，關斷直流側半導體開關Q2、Q4。此時，由交流側控制迴路為接觸器供電。
• 直流供電：旁路繼電器為動作狀態，即RL1中開關在1號觸點，關斷交流側半導體開關Q1、Q3，導通對應方向的直流側半導體開關Q2或Q4。此時，由直流側控制迴路為接觸器供電。

三種供電方式之間的轉換關係如圖4所示。

3.2 晃電保持方案實現流程

晃電保持方案準備階段和切換階段流程分別如圖5和圖6所示。

下面就直流電源電壓設置方法、電壓暫降與恢復判斷、晃電保持切換邏輯進行簡要說明。

1）直流電源電壓設置方法

根據交流接觸器吸合保持電流，自適應計算直流控制源的輸出電壓。具體實現過程如下：首先，將不同容量的交流接觸器分類，統計每類接觸器的吸合保持電流範圍；然後，計算不同吸合保持電流範圍對應的直流輸出電壓；在應用時，判斷當前交流接觸器吸合保持電流所屬範圍，獲取對應的直流控制源輸出電壓。

2）電壓暫降與恢復判斷

本方案採用αβ變換計算線圈上施加的電壓，用於快速識別電壓暫降的發生。在計算過程中，將交流接觸器上施加的交流電壓作為A相電壓，根據AB線電壓超前A相電壓30°，以及線電壓與相電壓之間的關係，構建出虛擬三相坐標系。對構建的虛擬三相坐標系進行變換，計算出當前交流電壓有效值。

在本方案中，在計算電壓值時，只是將施加在交流接觸器的單路電壓虛擬為A相電壓，不需要考慮實際施加的外界電壓是相電壓還是線電壓。因此，可同時適用於外界電壓為相電壓或線電壓的情況。

對當前交流電壓有效值進行監測。當電壓有效值小於設置的晃電失壓定值時，判斷為電壓暫降。當電壓有效值大於設置的晃電電壓恢復定值且持續時間達到設定值後，判斷為電壓恢復。

3）晃電保持切換邏輯

當檢測到電壓暫降時，在柔性切換相位區間內將交流控制源切換至直流控制源。如果切換時交流電流為正，則切換到正向直流控制源；如果切換時交流電流為負，則切換到負向直流控制源。

當檢測到電壓恢復後，根據當前直流控制源的方向，在柔性切換相位點切換到交流控制源。如果在超出設置的晃電保持時間後，電壓還未恢復，則切換到旁路供電，避免在直流控制源切換回交流控制源過程中電壓突然恢復造成切換異常的問題。

4 實驗結果分析

為進一步驗證柔性相位切換的合理性及晃電保持切換方案的有效性，本文進行實際實驗時的測試環境示意圖如圖7所示。通過差分電壓探頭測量交流接觸器線圈兩端電壓波形，通過電流探頭測量交流接觸器線圈中通過電流的波形，通過電壓探頭測量乾電池電壓的方式獲取接觸器觸頭狀態。

當接觸器觸頭吸合時，與乾電池、電壓探頭構成迴路，通過電壓探頭可以測得乾電池的電壓值；當觸頭釋放後，無法構成迴路，電壓探頭測量值為噪聲。

在實驗過程中，選擇ABB公司的AX185—30型號的交流接觸器作為實驗對象。額定交流電壓為220V，設置晃電失壓定值為160V，通過固緯APS—7050可編程交流電源將接入接觸器的交流電壓由220V降至66V，暫降值為額定電壓的70%，持續時間大於1s，模擬晃電現象。由於規範中規定，晃電時間可持續10ms～1min，因此通過APS—7050模擬晃電速度和暫降幅度可以滿足規範中的要求。

通過示波器顯示的實驗結果如圖8～圖11所示。

實驗結果證明，在由交流源切換到直流源時，如果是在非柔性切換相位切換，交流接觸器在切換後有釋放的風險。在非柔性切換相位由直流源切換到交流源時，會有電流過沖的情況發生，導致交流接觸器觸頭振動。

因此，為保證晃電時不同容量接觸器均能保持穩定吸合，以及電壓恢復後切換時無過沖現象，在交直流控制源切換時需要選擇柔性切換相位。實驗結果驗證了柔性切換相位的合理性和必要性，以及晃電保持切換方案的有效性。

5 結論

本文提出了基於柔性切換的交流接觸器晃電保持方案，通過在交直流控制源切換過程中選擇合理的切換相位，保證了交流接觸器在晃電發生和恢復時能夠穩定吸合，同時避免了觸頭振動和衝擊問題，使整個切換過程平穩進行。實際測試結果表明該方案有效。

本文編自2023年第3期《電氣技術》，論文標題為「基於柔性切換的交流接觸器晃電保持方案」，作者為於洪乾、申笑菱 等。