谈谈宽电压接触器的电压宽度设置

本文仅对使用最广泛的电磁式宽电压交流接触器的额定控制电压的宽度范围进行讨论。

一.什么是宽电压:

当今在电器行业中常常可以听到“宽电压”电器的说法,并以此作为自己产品的卖点。但是当仔细追问什么是“宽电压”时,却很少有人说得清楚。

从字面看,“宽电压”电器就是在较宽的电压范围内可以正常工作的电器。

事实也是如此,宽是相对于常规范围而言的,是根据需求而定的,对于不同的使用场合、不同的需求范围,宽电压的“宽”度是不相同的。

我们在网络和报刊杂志上经常可以看到“宽电压”、“超宽电压”、“全宽电压”等这样的名词,这样的称呼无非是在炫耀自己比他人或现有产品适用范围更宽。

我国对于电网供电电压的偏差有这样的规定:20kV及以下三相供电电压的偏差为标称电压的±7%,220V单相供电电压偏差为标称电压的+7%,-10%。而接触器标准规定:电磁式接触器在其额定控制电源电压的85%～110%之间任何值应可靠地闭合。显然,对于电网供电电压的偏差,电磁式接触器的动作电压范围就是宽电压。

有过这样的例子:当交流接触器的动作电压在其额定控制电源电压的70%～110%之间能可靠地工作时,我们曾称它为宽电压接触器;后来,当有交流接触器可以在额定控制电源电压100V到220V间可靠工作时,我们称它为超宽电压接触器;再后来,当交流接触器适用于额定控制电源电压24V到380V时,我们称它为全宽电压接触器。再再后来……。

二.宽电压接触器的由来:

1、 使交流接触器的电压工作范围具有一定宽度,是客观的需要。如上所述,电磁接触器的动作电压范围要比电网供电电压的偏差范围宽,这样才可以保证接触器在供电线路上可靠地工作。

在接触器的实际运用中,除了供电电压的波动,还存在交流接触器启动时控制线路的压降、供电电源容量的不足导致电压下降、工作场所大负荷电器动作造成的电压下降等等造成接触器不能可靠动作的因素。因此,人们希望接触器有一个足够宽的工作电压范围,使接触器能够安全运行。那么接触器动作电压范围是否越宽越好呢?当然不是,因为扩大接触器动作电压范围必然要提高产品的成本,电压越宽成本越高,特别是在仅采用优化电磁系统来增加电压宽度时。因此,宽电压电器的电压宽度的设置需要进行综合考虑,以求得最大的社会效益。只有在特殊需要的情况下才采用指定电压宽度的电器产品。

2、农网改造前,农村电网的质量相当差,到达农电用户处的电压偏差远远大于国家标准对于电网供电电压偏差的规定,因此十分容易造成用电电器的损坏。农村迫切希望有一种工作电压范围更宽的电器来满足他们的要求。此外,在港口、大型建筑工地、采矿、采油行业,用电设备到配电设备的距离很远,设备运行时产生的电压降很大,他们也迫切希望提高用电电器的工作电压范围。

这就是当初宽电压的概念,人们采用优化电磁系统的方法,尽可能扩大接触器的动作电压范围,工作电压范围从85%降到75%,甚至65%,以提高接触器在恶劣条件下工作的可靠性。

3、进入地球村时代,在经济全球化过程中,商品在世界范围内流通。有远见的电器制造商必须考虑所生产的电器适应世界各国的需要。

IEC标准在考虑各国利益的基础上,提出了希望的电压标准,如交流100-1000V之间的电压标称值为50Hz:230/400V、400/690V、1000V;60Hz:120/208V、120/240V、240V、277/480V、480V、347/600V。对于,低于 120V的交流电,提出了(5V)、6V、12V、(15V)、24、(36V)、(42V)、48V、(60V)、(100V)、110V。

目前,由于使用习惯和改造成本的原因,世界各国的供电电压标准还远不能如IEC专家们希望的那样采用一个统一的标准,而是各行其道。

比如常用单相电压,日本为100V50/60Hz;北美为120V60Hz;巴西为127/220V60Hz;中国为220V50Hz;印度为230V50Hz;欧洲为:230V50Hz;英国为230V50Hz;瑞士为230V50Hz;澳大利亚为240V50Hz等。

要满足上述各国的要求,生产商开始考虑电器的额定电压同时适用于100到240V,频率50-60Hz以及直流。这就提出了一个新的宽电压要求。

那么,对于更高的三相电压380V～500V、要求安全性更高的更低电压24V～100V范围是否需要和上述范围合并,或者另行分段呢?容我下面再谈。

接触器要满足如此宽度的范围,依靠常规的优化电磁系统的方法已经无能为力,必须采用更先进电子控制系统。

4、在提倡低碳生活的今天,作为清洁能源的风力发电和光伏发电得到迅猛的发展,但是风电和光电目前还存在发电量不稳的缺点。因此,对发配电电器提出了一些特殊的要求,要求电器能在宽电压下可靠工作。比如,接触器既能在48V的直流电压下工作,又能在110V的交流电压下工作。

对于这一类接触器,可以采用通用的宽电压接触器;也可以根据其特殊需要,进行特殊设计、特殊制造。

5、如上所述,人们对电器的可靠工作电压范围的认识有一个发展过程,随着科技的发展,一些原来无法实现的要求正在逐步实现,宽电压电器的适用宽度也变得更宽。随着宽电压电器的生产成本和使用成本的不断下降,电器按电压区分的规格必将更少。

三.常用电压的宽电压范围:

1、 交流接触器的适用电压范围在扩大,但是否越宽越好呢,现阶段当然不是。

1) 首先,从生产成本来讲,产品适用电压范围越宽,其研发制造成本也越高。使用者的一次性投入也大。因此,只要能可靠使用,使用者并不会无限制的追求电压的宽度;只有在某些特殊情况下,才会提出适用像24V～380V这样宽度的电压范围。

2) 其次,采用电子线路的宽电压接触器其实质就是一台普通的接触器外加一个控制电源稳压器。稳压器输入端的电压波动范围愈大,其能量损耗也愈大,效率就愈低。因此,从使用的经济性来看,也非电压愈宽愈好。只要适用即可。

3) 再次,从交流接触器的使用安全考虑,接触器标准中除了规定接触器的动作电压,还规定了接触器的释放电压。如上文,电磁式接触器,在其额定控制电源电压的85%～110%之间任何值应可靠地闭合;同时,在20%～75%(交流)和10%～75%(直流)之间必须释放和完全断开。对于一台宽电压交流接触器,上述规定适用于电压宽度范围内的所有额定电源电压,既适用于最高电压Us max和也适用于最低电压Us min。

根据电磁式接触器的特点,对于动作电压,宽电压接触器应该在不大于85% Usmin的电压下可靠动作;对于释放电压,宽电压交流控制接触器应该在20% Usmin～75% Usmin和20% Usmax～75% Usmax范围的交集内可靠释放,即释放电压不得高于75% Usmix,又不得低于20% Usmax。当20% Usmax大于75% Usmin时,动作要求和释放要求就产生了矛盾,这种情况在电压宽度大到一定宽度时发生。那么,多少电压宽度时不会发生矛盾呢?

考虑到设计生产制造的原因,假设我们可以将接触器的释放电压误差控制在50%的允许范围内,就要求

20% Us max *(100+50)%≤75% Us min

30% Us max≤75% Us min

Usmax≤2.5 Usmin

当释放电压绝对稳定(这是理论的),误差达到零时,

Usmax≤3.75 Usmin

2、如何合理将常用低压用电范围进行分段:

一种宽电压接触器不可能包括低电压的全部范围,而必须采用有限数量的规格来达到覆盖全部电压的目的,这就需要对全部电压范围进行合理分段。

在进行分段时,我们要考虑如下因素:1)在经济上是合理的;2)符合接触器标准;3)段与段之间有适当交叉;4)电压范围方便使用;5)能覆盖全部常用的低压用电范围。

根据供电电压标准,我们取24V～1000V作为宽电压接触器电压宽度的总范围。取25%作为段与段之间的电压交叉。

设段数为n,每段电压的宽度系数为K,总电压范围系数为M,则

M = 1000V/24V = 41.67

Kn = M×1.25n-1

求得

当n=2～3时,不符合接触器的基本要求,n=7分段过多,失去宽电压意义,取n=4、n=5和n=6继续进行分析。每段的电压范围为:

n	K	1	2	3	4	5	6
4	3	24-72	58-173	138-415	332-996
5	2.52	24-60	48-122	98-246	197-496	397-1000
6	2.24	24-54	43-97	78-173	138-310	248-557	446-1000

对上表数据进行圆整化处理,以便于实际运用

n	K	1	2	3	4	5	6
4	3	24-70	60-170	140-440	330-1000
5	2.52	24-60	48-130	100-250	200-500	400-1000
6	2.24	24-55	45-100	80-170	140-310	250-560	450-1000

从实用性看,将24～1000V分为5个宽电压段显得更合理,每一段分别包含了各运用特点的主要电压,用户更便于选用。从生产实践来看,采用2.52倍的电压宽度方案是能够做到的,在生产成本和运行成本上与分6段基本相当。

对于2.52倍的电压分段,我们还可以继续向下延伸,延伸出6V～15V、12V～30V两段,这样的电压范围就覆盖了IEC规定的全部交流低电压范围。

3、根据上述分析,在宽电压接触器的电压宽度的设置中,建议优先采用24V～60V、48V～130V、100V～250V、200V～500V、400V～1000V的宽电压分段方案。补充6V～15V、12V～30V电压段。

一般用户可根据需要进行选择。风电、光电用户应尽量按此选用,特殊需要时,可设计更宽电压产品或专用电压宽度范围,但可能无法保证在所有电压范围内的接触器动作性能。

四.产品的动作特性:

根据接触器的动作要求和释放要求,我们可以画出符合交流接触器标准的宽电压接触器的动作特性图。`

其中,“接触器(必须)闭合范围”为接触器施加该范围内的电压时,接触器必须闭合;其范围为0.85 Us min～1.1 Us max。

“接触器(必须)释放范围”为接触器必须在此电压范围内释放;其范围为0.2 Us max～0.75 Us min。

“接触器(允许)闭合范围”为接触器在该电压范围内必须闭合是允许的;其范围大于“接触器(必须)闭合范围”,为大于Q1。

“接触器(允许)释放范围”为接触器必须在该电压范围内释放是允许的;其范围小于“接触器(必须)释放范围”,为0.2 Us max～小于Q2。

其中:0.2 Us max≤Q2≤Q≤Q1≤0.85 Us min

0.2 Us max ≤Q≤0.75 Us min。

制造厂应制定Q2、Q1的具体值,为确保接触器释放的可靠性,应提高产品制造精度和稳定性,使接触器释放区间0.2Usmax～Q2适当缩小。

当Us max/ Us min=2.5时,

0.2 Us max = 0.2×2.5×Us min = 0.5 Us min

上述范围中的0.2 Us max可用0.5 Us min替代。

建议宽电压交流接触器的最低吸合电压不低于0.75 Us min,释放电压规定为0.50 Us min～0.65 Us min。

在采用电子线路进行控制时,释放电压可以做得很准,通常控制在0.55(1±5%) Us min范围内。

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