直流接触器低压差接通及零电压关断技术的应用

直流接触器低压差接通及零电压关断技术的应用

王燕玲 张红

合肥同智机电控制技术有限公司，安徽 合肥230088

摘要：复合式配电控制器主要由充电电路、固态配电电路、接触器控制电流及电流、电压等采集电路构成，通过充电电路实现低压差接通降低冲击电流、固态配电电路实现零电压关断两个关键技术的应用提供了接触器使用寿命，同时控制器具备过压、过载、短路保护等故障诊断功能，降低设备损坏风险。

关键词：低压差、零电压、固态配电

0 序言

随着多电、全电化的发展，对装备的电源要求越来越高，装备上用电设备的增加和自动化程度的提高，尤其要求电源大幅度提高容量，低压直流的容量小、电流大、电缆重的弱点日益暴露。在此基础上，需要大幅度提高直流电源的电压，从而提出了高压直流电源系统。270VDC高压直流电源是20世纪70年代发展起来的一种新型电源；目前特种车辆上也逐渐对高压直流电源系统提出了更多的需求，同时具有28VDC、270VDC、600VDC、800VDC供电电源。固态配电开关解决了机械式开关的灭弧问题，且上述优点使得其得到了快速的发展，但受到半导体器件发展的影响，其存在导通损耗大的问题，使得其只能适用于小电流负载。而在多电、全电装备上，其主发电机输出功率达到1000KW以上，该情形下固态配电开关已不再适用。复合式配电控制器通态电阻小，导通时损耗以及发热小，其极适合用于大电流情形。

复合式配电控制器在国外亦很早就开展了广泛的研究，主要对复合式配电控制器的结构以及反向过流的保护进行了深入的研究，荷兰研究了应用于航海领域的混合式功率控制器，适用于600V／6KW场合。目前国内很多大学以及研究所也开展了研究，福州大学研究的高压混合式功率控制器，采用单个IGBT与接触器并联的结构；桂林航天电子有限公司已开发出负载为130VDC/l50A的混合式功率控制器和为65VDC/250A的混合式功率控制器：南京航空航天大学研究了270V高压混合式功率控制器。虽然国内很多单位跟随国外步伐研究了混合式功率控制器，并且也取得了很多成果，但是与国外相比仍有些差距，不能满足某些特定场合的需求。对复合式配电控制器的关键性技术并未进行深入研究或者解决方法效果不明显等，如容性负载开通过程抑制冲击电流、短路保护等问题。针对以上存在的问题，研究一款复合式配电控制器。

1 总体设计方案

复合式配电控制器总体构成：充电电路、固态配电电路、高压直流接触器、电流传感器和熔断器。充电电路实现负载电容充电，固态配电电路实现高压直流接触器零电压关断，高压直流接触器实现负载大功率配电。复合式配电控制器方案框图如下图1所示。

图1 复合式配电控制器组成框图

复合式配电控制器控制逻辑如下：

a）控制器接收到接通指令后，先进行充电，负载电容电压充电至接近输入电压。

b）充电完成后，将高压直流接触器打开，此时接触器在输入输出压降较小的情况打开，冲击电流较小，不会导致接触器触点损伤。再将配电电路打开。该过程就实现对负载的正常配电。

c）控制器接收关断指令后，先将高压直流接触器关断，持续一定时间（持续时间不低于接触器断开时间）后，再将配电电路关闭。此时若是在负载未断开情况下关断，则实现零电压关断，高压直流接触器触点不会产生电弧。

d）控制器出现过流、过压等故障时，关断的过程也是先将高压直流接触器关断，再将配电电路关断。

2 详细原理方案

复合式配电控制器中充电电路、固态配电电路、低压差接通和零电压关断等详细电路实现的原理如下：

a）充电电路：采用PID调节控制BUCK电路，实现恒流充电，当负载为容性，通过恒定电流对其充电。

b）配电电路：采用多MOS管并联实现大功率配电控制，其中MOS管采用SIC MOS，具有低导通电阻，高耐压的特点。

c）低压差接通和零电压关断：控制器接收到接通指令后，先进行充电，负载电容电压充电至接近输入电压，再打开接触器，此时输入和输出电压差较小，冲击电流小，再将固态配电支路打开；控制器接收到关断指令后，先将接触器关断，断开时由于固态配电支路持续打开的，输入和输出电压降为0V，待接触器完全断开后，再断开固态配电支路。通过以上方式实现低压差接通和零电压关断。

复合式配电控制器中保护功能如下：

a）过压保护：控制器具有电压采集电路，可实时采集输入、输出端电压，电压超过设置的安全阈值及时间判定过压故障，则切断接触器及固态配电支路。

过载保护：控制器具有电流采集电路，可实时采集输出端电流，采集的电流与超过设定的安全阈值及时间则判定过载故障，则切断接触器及固态配电支路。微处理器中设置的电流阈值与时间可采用线性比例公式进行计算，

b）熔断器保护电路

短路存在两种工况条件：配电打开前输出已短路；配电过程中输出发生短路。

配电打开前输出已短路可通过充电电路中的充电异常短路进行故障诊断，若诊断为短路，则不执行接通指令。若配电过程中出现短路，由于主回路中有接触器，接触器关断时间较长，不能实现快速关断，同时考虑到该类大功率负载存在短路的可能性较小，因此考虑通过熔断器进行保护。熔断器根据实际工况进行选择。熔断器的工作曲线需要与反时限保护曲线进行匹配，超过反时限电流处理范围后，则通过熔断器进行保护，熔断器保护前先通过反时限进行过载保护，同时考虑接触器工作曲线。以昆山国力的高压直流接触器JGXA26TAA为例，额定电流为600A，负载电流曲线如下图3所示。从曲线可看出超过额定电流后，持续工作时间不断缩短。过载保护曲线的设置应在该曲线范围内，熔断器参考过载保护设置曲线和熔断器负载电流曲线进行选型。

图3 接触器负载与时间关系曲线

3 结论

本文复合式配电控制器具有两个创新点：控制器采用充电技术对高压负载电容先进行充电，再打开接触器，降低了接触器吸合瞬间的冲击电流；利用固态配电无机械触点，实现了接触器在零电压下关断，使得接触器断开时不产生电弧。结合以上两个技术方案，提高了接触器的使用寿命，同时解决了大功率电机驱动器配电问题。

参考文献

1、陈兆磊、李霞  机电混合式功率控制器的研究与设计[J]. 电测与仪表，2013 (08)：125-128.

2、杨善水, 王莉, 马双伟. 一种新型结构机电混合式功率控制器技术研究[J]. 航空学报, 2007, 28(5): 1195-1199.

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