淺析接觸器線圈保護(hù)在電力機(jī)車(chē)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

霍 虹

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲412000）

0 引言

隨著機(jī)車(chē)產(chǎn)品的不斷更新，交（直）流接觸器作為機(jī)車(chē)產(chǎn)品不可或缺的元器件之一，在機(jī)車(chē)產(chǎn)品中應(yīng)用愈加廣泛，種類(lèi)也越來(lái)越多。但在運(yùn)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)接觸器在閉合和斷開(kāi)的過(guò)程中容易出現(xiàn)電磁線圈過(guò)流、過(guò)壓導(dǎo)致線圈燒損情況。

本文主要以HXD1C型機(jī)車(chē)牽引系統(tǒng)、HXD3C型機(jī)車(chē)列供柜中主電路所應(yīng)用到的典型接觸器為例，對(duì)不同接觸器所采用的線圈保護(hù)電路進(jìn)行淺析。

1 接觸器原理介紹

接觸器利用電磁原理通過(guò)低電壓控制高電壓，當(dāng)其吸引線圈通電后，線圈電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，使接觸器的鐵芯和銜鐵之間產(chǎn)生電磁吸力以克服復(fù)位彈簧的反作用力而吸合，帶動(dòng)主觸點(diǎn)閉合以及輔助觸點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換（常開(kāi)點(diǎn)閉合，常閉點(diǎn)斷開(kāi)）；當(dāng)線圈上電壓消失時(shí)，電磁吸力消失，在復(fù)位彈簧的作用下，主觸點(diǎn)斷開(kāi)，輔助觸點(diǎn)復(fù)位，接觸器處于切斷狀態(tài)。

接觸器因可快速切斷交（直）流主回路、可頻繁地接通大電流電路，所以經(jīng)常應(yīng)用于電力機(jī)車(chē)高壓主回路設(shè)計(jì)中。接觸器不僅能接通和切斷電路，而且還具有低電壓釋放保護(hù)作用。其中按控制線圈劃分，由交流電源控制的稱(chēng)之為交流接觸器，由直流電源控制的稱(chēng)之為直流接觸器。

2 接觸器線圈分析

在接觸器吸合的過(guò)程中，開(kāi)始時(shí)由于處在斷開(kāi)狀態(tài)，接觸器的鐵芯和銜鐵之間的空氣氣隙最大，此時(shí)接觸器磁路的磁阻Rm最大，磁導(dǎo)Am最小，所以線圈電流I（啟動(dòng)電流）最大；在轉(zhuǎn)換的中間階段，接觸器的鐵芯和銜鐵之間的空氣氣隙由于吸合而逐漸變小，此時(shí)接觸器磁路的磁阻Rm也逐漸變小，磁導(dǎo)Am逐漸變大，所以線圈電流I在此階段也逐漸變小；當(dāng)接觸器完全吸合時(shí)，接觸器的鐵芯和銜鐵之間的空氣氣隙最?。ㄨF芯和銜鐵的端面緊緊地吸合在一起，氣隙幾乎消失），此時(shí)接觸器磁路的磁阻Rm最小，磁導(dǎo)Am最大，所以吸合時(shí)線圈電流I（吸合后電流）最小。

當(dāng)接觸器線圈電源切斷時(shí)，線圈電流是從吸合電流降到零，因此在接觸器從吸合狀態(tài)轉(zhuǎn)換到斷開(kāi)狀態(tài)的過(guò)程中線圈在交流接觸器中，線圈電流電流變化正好與吸合過(guò)程相反。

另外，由于線圈電感有儲(chǔ)能作用（所儲(chǔ)能量為1/2Li2，i為線圈中流過(guò)的瞬時(shí)電流值），當(dāng)線圈斷電后，該能量釋放將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，形成過(guò)電壓。

在直流接觸器中，接觸器從斷開(kāi)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到吸合狀態(tài)的過(guò)程，線圈得電啟動(dòng)的開(kāi)始階段由于電感中電流不能突變，直流接觸器線圈的電感較大，故其電流是個(gè)從零上升到U/R電流值的爬坡過(guò)程（陡度與線路電阻值R、線圈電感L有關(guān)）；在接觸器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的中間階段到接觸器完全吸合時(shí)，線圈的電感作用已過(guò)，線圈電流趨于定值U/R。

直流接觸器動(dòng)作吸合以后，由于線圈電感不再產(chǎn)生反電勢(shì)，所以常在其動(dòng)作后串入限流電阻以限制線圈電流。但直流接觸器線圈儲(chǔ)存的能量為1/2Li2，其中i為定值U/R。當(dāng)直流接觸器線圈斷電后，該能量釋放將產(chǎn)生比較大的過(guò)電壓（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）。

3 接觸器保護(hù)電路的類(lèi)型

為消除此過(guò)電壓的影響，通常會(huì)對(duì)線圈并聯(lián)相應(yīng)的保護(hù)電路。常見(jiàn)的保護(hù)電路有RC阻容吸收回路、二極管組合回路、變阻器保護(hù)電路等。

3.1 RC阻容吸收回路

如圖1所示，在接觸器電磁線圈兩端并聯(lián)一組RC元件電路可以有效控制線圈dv/dt的敏感輸出階段，可以抑制線圈在通斷時(shí)過(guò)高的瞬間電壓，使電壓緩和過(guò)渡。

3.2 二極管組合回路

如圖2所示，在線圈兩端并聯(lián)續(xù)流二極管可以解有效解決線圈過(guò)壓?jiǎn)栴}。當(dāng)流過(guò)線圈中的電流消失時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過(guò)二極管和線圈構(gòu)成的回路做功而消耗掉，從而保護(hù)線圈電路的安全。

在直流接觸器中關(guān)斷過(guò)電壓主要是通過(guò)在線圈兩端反向并聯(lián)二極管電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。在使用中常會(huì)用由二極管和齊納二極管組成二極管組件后，使接觸器線圈不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)過(guò)電壓。

3.3 變阻器回路

圖2 二極管組合電路及波形

如圖3所示，通過(guò)在線圈兩端并聯(lián)一個(gè)變阻器也可以有效控制過(guò)電壓。實(shí)際使用中通過(guò)并聯(lián)壓敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)線圈開(kāi)關(guān)產(chǎn)生過(guò)電壓超過(guò)壓敏電阻門(mén)限電壓時(shí)它們將導(dǎo)通，從而消耗線圈電感的能量使過(guò)電壓得到有效控制。

圖3 壓敏電阻電路及波形

4 接觸器保護(hù)電路的實(shí)際應(yīng)用

在HXD1C機(jī)車(chē)TGA9型牽引變流器主電路上所使用的線路接觸器為意大利MS公司的LTH800型接觸器（圖4），線圈控制電源為DC 110 V。該接觸器的電磁線圈上自身并聯(lián)了一個(gè)壓敏電阻（S14K140型，門(mén)限持續(xù)電壓為AC 140 V或DC 180 V）。故當(dāng)線圈開(kāi)關(guān)時(shí)瞬時(shí)電壓達(dá)到門(mén)限值時(shí)，壓敏電阻將起到過(guò)壓吸收作用，同時(shí)消耗掉線圈電感的部分能量。

圖4 短接接觸器及電氣圖

在HXD3C機(jī)車(chē)列供柜內(nèi)裝有一類(lèi)真空接觸器（EVS701/1-110DC），真空接觸器線圈保護(hù)原理和前述有些區(qū)別。

對(duì)于該真空接觸器，控制電源為DC 110 V，選取一個(gè)接觸器測(cè)得線圈阻值42.2 Ω，電阻R阻值為382 Ω，在給線圈通電DC 97 V時(shí)，測(cè)得閉合和斷開(kāi)瞬間線圈（A1：A2）間的電壓有127 V的突變。在閉合完全后線圈兩端電壓為9.7 V，保持電阻R兩端電壓為87 V，從而可以計(jì)算出在閉合瞬間線圈最大電流可以達(dá)到3.01 A，閉合后串聯(lián)入保持電阻電流值減小到0.23 A。接觸器在正常工作時(shí)線圈得到有效保護(hù)。

在實(shí)際運(yùn)用中，為了進(jìn)一步保證接觸器線圈不被過(guò)電壓損壞，常會(huì)在接觸器線圈兩端增加一個(gè)過(guò)壓吸收組件，如圖5所示，結(jié)合過(guò)壓吸收組件的應(yīng)用可以充分使接觸器線圈工作在安全狀態(tài)。

圖5 過(guò)壓吸收組件

該組件由一個(gè)反向連接的二極管D和一個(gè)壓敏電阻（14K201型）VDR并聯(lián)后再與一個(gè)50 Ω的電阻R串聯(lián)組成。二極管導(dǎo)通電壓0.5 V，壓敏電阻門(mén)限AC 130 V或DC 170 V。壓敏電阻起到線圈得電時(shí)過(guò)壓吸收作用，二極管和電阻可以在線圈斷電時(shí)將線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以電流的形式消耗掉。目前HXD1C機(jī)車(chē)TGA9型牽引變流器柜和TGF60型列供柜內(nèi)主電路中都用到了此種過(guò)壓吸收組件來(lái)減小過(guò)電壓對(duì)接觸器線圈的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要討論了接觸器的電磁線圈過(guò)壓保護(hù)問(wèn)題，介紹了RC阻容型、二極管型、變阻器型保護(hù)電路，RC阻容型電路適合交流/直流接觸器；二極管型電路適合直流接觸器；變阻器型電路適合交流/直流接觸器。過(guò)壓吸收組件是一種典型的直流接觸器線圈過(guò)壓保護(hù)電路，在機(jī)車(chē)中得到了很好的運(yùn)用，合適的線圈保護(hù)電路可以有效延長(zhǎng)接觸器的使用壽命。