摘要：本文敘述的低功耗數(shù)控接觸器，是一種為適應(yīng)新型工業(yè)自動(dòng)化控制、低壓供電控制系統(tǒng)復(fù)雜化而設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)開關(guān)元件，產(chǎn)品通過采用間隔儲(chǔ)能、單脈沖觸動(dòng)電流、永磁機(jī)構(gòu)與程序控制技術(shù)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，操動(dòng)接觸器閉合與分?jǐn)唷＝鉀Q了100A～800A規(guī)格接觸器低功率起動(dòng)、運(yùn)動(dòng)可控、嚴(yán)酷環(huán)境使用的三大技術(shù)難題。其主要技術(shù)特點(diǎn)：（1）起動(dòng)功率4.352 VA；保持功率0.116VA；運(yùn)行耗電量0.0022kW/h；（2）工作電壓DC24V；線圈溫升值6K；閉合噪聲值不大于10dB；（3）在同一元件上實(shí)現(xiàn)了電力與電子的結(jié)合。使產(chǎn)品具有節(jié)能、環(huán)保及信息化的技術(shù)特征。
關(guān)鍵詞：低功耗數(shù)控接觸器、間隔儲(chǔ)能、低功率起動(dòng)、單脈沖觸動(dòng)電流、程序控制驅(qū)動(dòng)電路及永磁機(jī)構(gòu)。
0 引言
交流接觸器在工業(yè)過程自動(dòng)化以及低壓終端供電這兩大領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，有著扎實(shí)的市場(chǎng)基礎(chǔ)[2]。但是現(xiàn)有技術(shù)的交流接觸器在工業(yè)過程自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)存在著：起動(dòng)功率大、運(yùn)動(dòng)可控性差、系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜等主要問題。
附言說明：本產(chǎn)品于2006年12月通過由四川省科技廳主持的科技成果鑒定，（《科技成果鑒定證書》川科鑒字[2006]第451號(hào)，登記號(hào)：9512007Y0011）結(jié)論：達(dá)到國際先進(jìn)水平。
本項(xiàng)目已獲國家發(fā)明專利，專利號(hào)為ZL200510021642.0
尤其是在可編程邏輯控制器件（PLC）驅(qū)動(dòng)大型交流接觸器時(shí)，需要經(jīng)過中間級(jí)放大才能實(shí)現(xiàn)，并且需要專設(shè)控制電路降低吸合時(shí)的功耗，制約了控制系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展。
本文介紹了根據(jù)文獻(xiàn)[5]所提出的低功耗數(shù)控接觸器，是一種為適應(yīng)新型工業(yè)自動(dòng)化控制、低壓供電控制系統(tǒng)復(fù)雜化而設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)開關(guān)元件。低功耗數(shù)控接觸器在秉承交流接觸器基本性能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用編程代碼控制技術(shù)對(duì)主電路電流的接通、承載及分?jǐn)嗖賱?dòng)過程進(jìn)行控制，使得產(chǎn)品的核心技術(shù)性能指標(biāo)得到大幅度提升。
1 技術(shù)方案構(gòu)思
本項(xiàng)目的技術(shù)方案構(gòu)思為：低功耗數(shù)控接觸器的工作頻率為1200次/小時(shí)，間隔時(shí)間為3秒，在間隔時(shí)間內(nèi)為儲(chǔ)能電容充電，用積聚電能平緩起動(dòng)時(shí)的電流沖擊；利用儲(chǔ)能電容對(duì)勵(lì)磁線圈放電形成的單脈沖觸動(dòng)電流，結(jié)合永磁機(jī)構(gòu)，控制電路精確控制觸動(dòng)電流在過零點(diǎn)處切換，完成主觸頭閉合，同時(shí)依靠永磁吸力保持閉合狀態(tài)。通過上述構(gòu)思實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保以及信息化的技術(shù)特征。
產(chǎn)品的主要技術(shù)特點(diǎn)是：
（1）大容量接觸器起動(dòng)功率小于8VA的產(chǎn)品，國內(nèi)外尚屬空白。降低起動(dòng)功率不僅僅是為了節(jié)能，其核心作用在于能夠兼容電子電路，實(shí)現(xiàn)信息化。SD-100低功耗數(shù)控接觸器的起動(dòng)功率實(shí)測(cè)值：4.352 VA
（2）產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入晶體管的設(shè)計(jì)理念，設(shè)置了類似于基極的控制端子，實(shí)現(xiàn)了在同一元件上 “強(qiáng)電”與“弱電”的結(jié)合。接入電子電路的方法及功耗相當(dāng)于一只普通的中功率晶體管，其驅(qū)動(dòng)方式可選擇兼容或隔離的形式，極大地方便了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)信息化搭建了一個(gè)可行的技術(shù)平臺(tái)。
（3）克服交流接觸器與生俱來的“運(yùn)動(dòng)不可控性”。使得接觸器吸合時(shí)間和釋放時(shí)間允許誤差標(biāo)準(zhǔn)值不大于±1ms（實(shí)測(cè)最大時(shí)間誤差值：吸合－0.335ms，釋放－0.124ms）。
（4）產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性有了突破性進(jìn)展。溫度、傾斜、搖擺、振動(dòng)、沖擊及電磁兼容等環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)，均達(dá)到了國際先進(jìn)水平[4]。如：
低溫：工作溫度：-25℃（不間斷工作制），-40℃（1h短時(shí)工作制）。
高溫：工作溫度：55℃（不間斷工作制），70℃（1h短時(shí)工作制）。
下表是本產(chǎn)品和國外GMC系列產(chǎn)品部分特性指標(biāo)對(duì)比：
在進(jìn)行SD-180型低功耗數(shù)控接觸器產(chǎn)品演示時(shí)，僅用了兩節(jié)9V（6LR61）疊層電池為電源操動(dòng)，開創(chuàng)了下一代新型接觸器的新紀(jì)元。
2 項(xiàng)目技術(shù)方案 [5]
低壓電器的技術(shù)創(chuàng)新是在技術(shù)試錯(cuò)的試驗(yàn)中完成的。立足于科學(xué)試驗(yàn)和理性驗(yàn)證，是研究及揭示接觸器的內(nèi)在運(yùn)動(dòng)規(guī)律的有效途經(jīng)。
2.1 內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路[5]
圖1
圖1示出了驅(qū)動(dòng)電路原理圖。驅(qū)動(dòng)電路安裝在低功耗數(shù)控接觸器的基座內(nèi)，與低功耗數(shù)控接觸器構(gòu)成一個(gè)整體。
圖中電源電路有三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電源支路，分別擔(dān)負(fù)著向吸合、分?jǐn)嗉翱刂齐娐饭╇姷娜蝿?wù)。外部電源經(jīng)電阻R1、發(fā)光二極管D1、電容C1、三極管 Q1、電阻R3、電阻R4組成的恒流源電路，向儲(chǔ)能電容C4充電，構(gòu)成吸合電源；外部電源經(jīng)二極管D3、電阻R5向電容C7充電，組成分?jǐn)嚯娫矗煌獠侩?nbsp;源經(jīng)二極管D2向電容C3充電組成控制電源。
圖中勵(lì)磁線圈KIM通過轉(zhuǎn)換開關(guān)JK2和轉(zhuǎn)換開關(guān)JK3切換流經(jīng)勵(lì)磁線圈KM的電流方向，達(dá)到控制低功耗數(shù)控接觸器吸合、保持、分?jǐn)嗟哪康摹ｋ娐饭ぷ鬟^程為：接通電源后，勵(lì)磁線圈KIM的兩端經(jīng)切換開關(guān)JK2和轉(zhuǎn)換開關(guān)JK3的常閉點(diǎn)接地，接觸器處于待命狀態(tài)。當(dāng)控制端C為“0”（低電平）時(shí)，繼電器J1吸合，電容C5的充電電流使繼電器J2吸合，勵(lì)磁線圈KM經(jīng)切換開關(guān)JK2常開點(diǎn)得電，電容C4所儲(chǔ)電能驅(qū)動(dòng)低功耗數(shù)控接觸器吸合。由電容C5、繼電器J2組成的LC電路，經(jīng)延時(shí)后繼電器J2釋放，勵(lì)磁線圈KIM斷電，KM中的殘余電壓經(jīng)JK2的常閉點(diǎn)釋放，低功耗數(shù)控接觸器靠永磁力保持吸合狀態(tài)。當(dāng)控制端C為“1”（高電平）時(shí)，繼電器J1釋放，電容C6的充電電流使繼電器J3吸合，勵(lì)磁線圈KM經(jīng)切換開關(guān)JK3常開點(diǎn)反向得電，電容C7所儲(chǔ)電能驅(qū)動(dòng)低功耗數(shù)控接觸器分?jǐn)唷ｋ娙軨6、繼電器J3組成的LC電路，經(jīng)延時(shí)后繼電器J3釋放，勵(lì)磁線圈KM斷電，分?jǐn)酄顟B(tài)靠支撐彈簧保持。在接口電路中使用繼電器J1，提高了低功耗數(shù)控接觸器的抗干擾能力。繼電器J1可以由集成電路、單片機(jī)、PLD、LOGO、PLC等可編程邏輯控制器件直接驅(qū)動(dòng)，除此之外可以通過接口電路實(shí)現(xiàn)接觸器的過熱保護(hù)、過載保護(hù)、延時(shí)等功能擴(kuò)展，使低功耗數(shù)控接觸器的外掛功能擴(kuò)展模塊電子化。
2.2 單脈沖觸動(dòng)電流
低功耗數(shù)控接觸器的接通與分?jǐn)嗖賱?dòng)，要向勵(lì)磁線圈施加正向，或反向的單脈沖觸動(dòng)電流，其動(dòng)態(tài)過程變化規(guī)律十分復(fù)雜。單脈沖觸動(dòng)電流是指在接觸器的閉合或分?jǐn)鄷r(shí)，流經(jīng)勵(lì)磁線圈的觸動(dòng)電流是一個(gè)脈沖波。圖2～圖5是SD-100低功耗數(shù)控接觸器與國外知名企業(yè)產(chǎn)品觸動(dòng)電流波形圖的對(duì)比。
圖2和圖3分別是SD-100型低功耗數(shù)控接觸器的閉合與分?jǐn)鄷r(shí)，流經(jīng)勵(lì)磁線圈的觸動(dòng)電流波形圖，圖中公示的技術(shù)信息為：（1）流經(jīng)勵(lì)磁線圈的觸動(dòng)電流為單脈沖，脈沖的下降沿趨緩是受到動(dòng)鐵心向靜鐵心運(yùn)動(dòng)過程中生成的反向電動(dòng)勢(shì)的影響。預(yù)示其運(yùn)動(dòng)過程完結(jié)。（2）正、反向觸動(dòng)電流的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)均接近于過零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了“無弧”切換。（3）吸合與分?jǐn)嗟挠|動(dòng)電流波形上升沿陡峭，顯示其運(yùn)動(dòng)可控性能優(yōu)良。
圖4是國外GMC-100交流接觸器的觸動(dòng)電流波形圖，其特征為采用高頻調(diào)制技術(shù)控制觸動(dòng)電流，避免了在吸合時(shí)產(chǎn)生浪涌電流，當(dāng)觸頭完全閉合后自動(dòng)切換到保持狀態(tài)。圖5是國外LC1-D115交流接觸器的觸動(dòng)電流波形圖，其特征為直接采用交流電流起動(dòng)。在觸頭閉合后自動(dòng)切換到保持狀態(tài)。其控制電路設(shè)計(jì)工藝精湛、但存在不能抑制浪涌電流的技術(shù)缺陷。從以上的分析中可以清楚地看出低功耗數(shù)控接觸器驅(qū)動(dòng)方式的技術(shù)優(yōu)勢(shì)所在。
圖2 SD-100吸合波形圖
圖3 SD-100分?jǐn)嗖ㄐ螆D
圖4 GMC-100波形圖
圖5 LC1-D115波形圖
2.3 永磁機(jī)構(gòu)
圖6示出永磁機(jī)構(gòu)[1]鐵心結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1為永磁體；2為靜鐵心；3為勵(lì)磁線圈；4為動(dòng)鐵心。靜鐵心為E型結(jié)構(gòu)，動(dòng)鐵心為I型結(jié)構(gòu)。鐵心由硅鋼片疊成，采用雙永磁體結(jié)構(gòu)，永磁體鑲嵌在“E型”靜鐵心凹槽底部中間位置（如右圖所示）。接觸器在處于“分?jǐn)唷睜顟B(tài)時(shí)，從永磁體的位置到鐵心銜接處各支路的磁阻相近，銜接處之間的靜態(tài)磁場(chǎng)分布均衡。由于永磁體距離動(dòng)鐵心較遠(yuǎn)，對(duì)動(dòng)鐵心的吸力強(qiáng)度相對(duì)較弱，即使在動(dòng)鐵心受到一定程度的外力干擾時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。當(dāng)接觸器吸合時(shí)，又能沿著鐵心閉合時(shí)產(chǎn)生的低磁阻磁路，保持穩(wěn)定的“吸合”狀態(tài)。
圖6
低功耗數(shù)控接觸器主觸頭的閉合與分?jǐn)嗍强縿?dòng)鐵心的運(yùn)動(dòng)來完成的，動(dòng)鐵心是由彈簧支撐的。靜鐵心中嵌入了永磁體，在磁路中新增了一個(gè)磁源，使得低功耗數(shù)控接觸器的吸合、保持、分?jǐn)噙^程有了新的技術(shù)特征。
吸合特征：永磁機(jī)構(gòu)仍然是一種電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu),對(duì)動(dòng)鐵心的磁吸力主要來源于電磁。靜鐵心由硅鋼片組成，其導(dǎo)磁性好于永磁體，依據(jù)永磁體的各向異性將其“鑲嵌”在靜鐵心中，靜鐵心兩側(cè)面的硅鋼片保持完整，在靜鐵心中形成了軟磁路與硬磁路的特殊結(jié)合，通過多磁路的疊加，使動(dòng)態(tài)磁吸力指標(biāo)達(dá)到最佳。配合電容儲(chǔ)能式驅(qū)動(dòng)電路，采用單脈沖觸動(dòng)電流勵(lì)磁方式，使低功耗數(shù)控接觸器的起動(dòng)功率大幅度降低。主觸頭的“吸合”在電磁力和永磁力的共同作用下完成，這種復(fù)合磁力消除了接觸器觸頭抖動(dòng)的弊端。
圖7
圖7是本永磁機(jī)構(gòu)與帶有非磁性夾板的技術(shù)方案的磁路[3]對(duì)比。E型靜鐵心中的多磁路的疊加的技術(shù)特征十分明顯。
保持特征：保持過程分為吸合保持與分?jǐn)啾３帧Ｎ媳３謺r(shí)勵(lì)磁線圈無維持電流，靠永磁體的磁力保持穩(wěn)定的吸合狀態(tài)，要求永磁體磁力盡可能強(qiáng)；而分?jǐn)啾３謺r(shí)為避免產(chǎn)生誤動(dòng)作，則要求其磁力盡可能弱。實(shí)踐證明，經(jīng)磁化的永磁體不但具有剩余磁化強(qiáng)度，而且還能被外磁場(chǎng)磁化產(chǎn)生感應(yīng)磁化強(qiáng)度，低功耗數(shù)控接觸器動(dòng)作時(shí)，永磁體的磁性能會(huì)反復(fù)受到吸合或分?jǐn)鄷r(shí)勵(lì)磁線圈磁場(chǎng)變化的影響。吸合過程中勵(lì)磁線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，與永磁體本身磁場(chǎng)方向相同，由此產(chǎn)生感應(yīng)磁化強(qiáng)度，對(duì)永磁體是一個(gè)充磁的過程，增強(qiáng)了永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)勵(lì)磁電流消除，永磁體仍會(huì)以較強(qiáng)的磁力保持動(dòng)鐵心處于吸合狀態(tài)。分?jǐn)鄷r(shí)勵(lì)磁線圈中產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)于永磁體而言是一個(gè)退磁的過程。去磁動(dòng)勢(shì)使永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度在回復(fù)線的區(qū)間內(nèi)變化。這種充磁、退磁的交替變化不會(huì)改變永磁體的磁穩(wěn)定性，能使永磁體在吸合保持時(shí)具有較強(qiáng)的磁力，而在分?jǐn)啾３謺r(shí)其磁力相對(duì)較弱。
分?jǐn)嗵卣鳎河捎谟来朋w的嵌入，分?jǐn)鄷r(shí)需向勵(lì)磁線圈施加反向電流，以克服永磁體對(duì)動(dòng)鐵心的吸力。采用單脈沖電流的驅(qū)動(dòng)方式，使得接觸器分?jǐn)嗑哂辛己玫目煽匦浴?br/>2.4 三端子接線方式
制圖符號(hào)見圖8 A1-電源端子，A2-公共端子，A3-控制端子。
圖8
所述接線端子分別為電源端子、控制端子和公共端子，類似于晶體管的集電極、基極、發(fā)射極。所述電源端子和公共端子與電源連接，電源接通時(shí)接觸器處于待機(jī)狀態(tài)，控制端子和公共端子與信號(hào)源連接，主電路電流的接通、承載和分?jǐn)嗖賱?dòng)，受控于信號(hào)源的有效電平。由于增設(shè)了類似于晶體管基極的控制端子，大大降低了接觸器的操動(dòng)難度。控制端驅(qū)動(dòng)能力見下表：
3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)[5]
圖9和圖10是低功耗數(shù)控接觸器與晶體管輸出型的PLC組成的工業(yè)控制系統(tǒng)。佐證了其連接方式可以降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度和系統(tǒng)成本，對(duì)提高大型化、復(fù)雜化控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性尤為重要。
圖9
圖9所示的控制系統(tǒng)是本項(xiàng)目低功耗數(shù)控接觸器與開關(guān)電源及控制信號(hào)連接的應(yīng)用實(shí)例。控制系統(tǒng)的開關(guān)電源功率為50W，如果采用國外同規(guī)格的先進(jìn)產(chǎn)品構(gòu)建上述控制系統(tǒng)，其電源功率為1200W，而且PLC控制交流接觸器要經(jīng)過中間繼電器的轉(zhuǎn)換。本項(xiàng)目的可編程邏輯控制器為PLC，輸出端Q0、 Q1、Q2、Q3、分別與4臺(tái)低功耗數(shù)控接觸器的控制端C連接，組成一個(gè)商品化的硬件平臺(tái)。使用時(shí)可根據(jù)具體情況編制相應(yīng)的控制程序，達(dá)到預(yù)期的控制目的。
圖10所示是本低功耗數(shù)控接觸器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用實(shí)例。圖中16臺(tái)低功耗數(shù)控接觸器及PLC－226與一臺(tái)300W開關(guān)電源連接，低功耗數(shù)控接觸器K1至K16的內(nèi)置解碼電路的輸入端，經(jīng)連接線與編碼電路的輸出端連接，編碼電路與PLC的輸出端連接。本實(shí)例的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于：控制系統(tǒng)的構(gòu)成僅使用了三根連接線，連接線的允許長度為200米。采用集中供電方式向多臺(tái)低功耗數(shù)控接觸器供電，充分發(fā)揮了開關(guān)電源安全、高效地技術(shù)優(yōu)勢(shì)。采用了編碼、譯碼控制電路，極大地簡化了控制系統(tǒng)的連接布線，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有重大的現(xiàn)實(shí)意義。配以現(xiàn)場(chǎng)總線接口，總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度可大幅度降低。
圖10
4 結(jié)語
本文給出的低功耗數(shù)控接觸器，成功地解決了100A～800A規(guī)格接觸器低功率起動(dòng)、運(yùn)動(dòng)可控、嚴(yán)酷環(huán)境使用的三大技術(shù)難題。同時(shí)為工業(yè)自動(dòng)化控制、低壓供電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的提供了一種新型基礎(chǔ)開關(guān)元件。基礎(chǔ)元件的更新會(huì)從源頭上改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。隨之而來的產(chǎn)品更新?lián)Q代會(huì)迅速提高我國裝備制造業(yè)的總體水平和下游產(chǎn)品制造企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)了低壓電器行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。
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備案號(hào)B51.1378-2006.成都.
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