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高压直流电源工程师也谈继电器和接触器的区别和应用

   昨天有高压直流电源工程师在挑战,分清楚继电器和接触器(Relay Contactor),同时也在挑战不同流派的设计方向,想要把这些每个进行测定、拆解,特别是不同型号的弄出不同应用的最优解还是个大工程呢。

甚至有兄弟提点一些基本的机理区分。

高压直流电源工程师也谈继电器和接触器的区别和应用

我严格意义上也是同意选取这些关键点来对直流继电器将开展失效模式研究,这里有好几种办法:

一种是通过通过模拟实际使用环境(如温度、气压、湿度盐雾、冲击、振动、外部使用电流条件特别是充放电曲线冲击),筛选主要失效环境因素。

还有一种是通过对其关键组成材料如触点材料、接触点设计面积、壳体材料的成分分析验证,从本征上考虑材料因子的原理性方面的特性,结合这些数据对售后的故障率数据进行分析。

外部的扰动因素其实也有的:包括接触器的不同灭弧仓结构、驱动线圈的结构(现在都是两级线圈结构)和驱动控制方式,外部的驱动电路的差异,某些带节能驱动电路的。

这些都是我们长期做研究和积累数据,然后不断积累的。

      言归正传,接触器和继电器之间的主要区别在于断开的负载情况

接触器用于具有高电压,高电流或两者兼有的负载类型。 一般而言用于通过超过15安培或超过3kW负载的设备。 

对于较低的数量,使用普通继电器。

备注:其实我们用接触器和继电器也是看自己的爱好,你不信看看日本人是怎么用的:卷首是这么写的,这个系列不都是contactor么?

高压直流电源工程师也谈继电器和接触器的区别和应用

从国内设计上主要有这些区别,我们严谨点还是要区分下的

1)触点带动电流的差异

    一般厂家会给出一个导通电阻的出厂值,我们根据这个数值来评估整个触点的长期发热模型。这点也是需要我们仔细去探讨的,触点的实际温度到底是多少?触点的对仓体的加热特别是外部密封结构的情况是否有影响? 实际触点的大小、材料和接触情况会对以下类似的绝对特性造成较大的影响。

    实际我们拆开接触器看,触点都不小。有些接触器虽然以不同的电流与不同接触尺寸来区隔,我们在这个地方就需要建立一个真实的数据库,选样品来进行线圈老化=》触点电阻监控和触点温度监控

高压直流电源工程师也谈继电器和接触器的区别和应用

   这个发热,主要还是上面进行螺栓连接的连接阻抗和动静触点连接阻抗两部分发热。

2)接触器配有电弧抑制机构,而继电器通常不具备

 在非常高的功率负载下,当开关转换时,电流很可能跨接触点。 触电可能对接触点造成重大损害,导致接触点的故障早于其预期寿命。 通常使用继电器的较低电压下,电弧不太可能发生。这点基本特定决定了区别就是在分断的特性上面:

高压直流电源工程师也谈继电器和接触器的区别和应用

图1 触点材料的性能就显得很关键了


这个分断图,与整个整车动力系统紧急下电的安全分析有关,我们一方面在分断考虑的时候,需要直接记录和考虑整车安全在哪些状态真要这么干,比如碰撞、比如发现电压跌落、温度急剧上升,无法输出功率等热失控条件的时候。

3)接触器和继电器之间区别是维持导通状态下消耗的功率

 接触器需要设计执行机构切换较大的触点,因此需要相对大得多的电磁线圈,这个线圈在启动和维持过程中需要消耗更多的电流。相比之下,继电器中较小的电磁铁更容易切换,不需要太多的电流。

在考虑不同的接触器的时候,需要评估线圈的特性,特别是电压特性、启动电流和维持电流,我们设计PWM上下桥的时候需要考虑这个事。

表1 典型的线圈电流和功率情况

高压直流电源工程师也谈继电器和接触器的区别和应用

在车载状态下,我们需要考虑一系列环境因素对整个线圈的状况变化。如果考虑不好,可能会导致在低温下对于线圈的冷态电阻考虑不足,本身12V铅酸电池电压就低,这个时候吸合不上就尴尬了。一方面需要考虑电压,一方面考虑整个驱动端的电流需求。

高压直流电源工程师也谈继电器和接触器的区别和应用

图 温度对电压特性的影响

 在国标GB60948里,有一种定义叫接触器式继电器,我们现在在电动汽车,储能和充电桩行业里用的高压直流电源继电器用这个叫法更准确,接触器和高压直流电源继电器在工作原理,灭弧方式等方面都有很多类似的地方,很难完全区分开,如果硬要提出差异,主要在于接触器体积大,主要利用空间灭弧,磁灭弧次之,在高压直流电源和交流领域均有应用;高压直流电源继电器体积小,动触点与静触点间的距离小,利用空间很难灭弧,主要利用磁和混合气体进行灭弧,基本都是用在直流领域。个人觉得作者提到的很多其实是接触器和低压继电器之间的区别。咱们国内技术人员这几年对高压直流电源继电器的应用,选型已经很成熟,并不比日本,美国差。


 高压直流电源继电器里面充的灭弧气体,不是混合气体,是纯的,而且是纯度越高越好。

个别厂家会混入一点氦气,目的不是因为氦气灭弧性能好,而是充入氦气就可以用氦质谱检漏仪检验产品是否存在气体泄露。

不要相信产品说明书,上面很多内容都是不真实的。涉及到核心技术,不管哪个厂家都不会写在说明书里。

有H2和氦气比例混合的,这点我们可以探讨下^_^,LS路线和松下路线在同等条件下惰性气体的区别

 高压直流电源继电器为什么要充气体?气体的灭弧原理是什么?陶瓷封装的(松下)为什么充氢气,而环氧封装的(TE)为什么充氮气?

直流电和交流电的区别主要在于直流电没有过零点,一旦形成电弧,不会自己熄灭,会持续燃弧,这对触点是致命的损伤!而电弧的本质是什么?是电子在电场力作用下的逸出,是极端放电。因而灭弧有两种方法,其中一种方法是加大触点间隙(磁吹灭弧的本质是利用洛伦茨力改变电弧的通路,可以理解为加大了触点间隙,如果只是物理上加大触点间隙,而不用磁吹灭弧,相应的继电器磁间隙也要很大,那同样的负载能力下,体积和重量大的无法想象),另外一种方法就是在触点之间有一种物质,可以阻断电子的路径,能想到的最好的方法就是充气体了~

充气就很讲究了,第一要求气体很活跃,气体活跃就更容易与电弧逸出的电子碰撞,从而产生阻断效应,并且更容易带走热量。第二要求气体本身的分子结构很稳定,本身自带的电子不容易逃逸。根据以上两个要求,自然而然想到氢气是灭弧的首选气体,氢气分子量在所有气体里面最小,也最活跃,分子结构也足够稳定。所以这是松下,宏发电力,国力的技术路线,因为他们走的是陶瓷封装的路线。TE,LS,YM为什么不充氢气,而是充氮气,因为他们是环氧树脂封装。刚才讲了,氢气是最好的灭弧气体,但他分子量小,要封住使之不泄露,环氧树脂做不到,只能退而求其次选择氮气,但即使选了氮气,


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