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                   摘要：本文敘述的一體化數控接觸器,是一種高度集成化的接觸器產品，由主觸頭、滅弧裝置、永磁機構，內置電源、驅動電路，控制電路、輸出端口及絕緣基座組成，能夠通過“USB”接口、功能擴展模塊，直接連接傳感器或控制器組成自配合控制系統；并在接觸器內部狹窄的空間內設計電子電路，在保證“強弱電”緊密結合的同時，提高電磁兼容性，其高度集成化的設計，打破了傳統的設計理念。一體化數控接觸器以高性能為基礎，信息化為主導，兼備節能環保的技術特征代表了交流接觸器未來發展的主要趨勢。
關鍵詞：數控接觸器、高度集成化，永磁機構，內置電源、輸出端及功能擴展模塊，自配合控制系統
0 引言
    低壓電器是指在低壓配電和控制系統中起開關、控制、保護等作用的元件。它的品種、規格繁多，在工業過程自動化以及低壓終端供電這兩大領域的應用十分廣泛。交流接觸器有著扎實的市場基礎，尤其是中高端的產品更有發展潛力[2]。能夠體現產品的節能環保、信息化及多功能的技術特征；降低運行成本、提高安全可靠性、讓產品使用更具人性化是未來交流接觸器技術發展的主要趨勢。
    在工業現場自動化過程控制系統的中存在著大量的局部控制與執行機構。在工程設計中常常選用傳感器、控制器、中間繼電器及交流接觸器組成控制系統，其傳統方法設計的控制系統存在電路結構復雜、運動可控性差、能耗高、元器件易損等問題。本文介紹了根據文獻[5]所提出一體化數控接觸器的設計方案能夠解決上述存在的問題。
1 方案實現構思與難點
     一體化數控接觸器是一種高度集成化的接觸器產品，由主觸頭、滅弧裝置，永磁機構，內置電源、驅動電路，控制電路、輸出端口及絕緣基座組成；通過“USB”接口、功能擴展模塊，連接傳感器或可編程邏輯控制器組成自配合控制系統。（見圖1）。

圖1

1.1實現目標的構思 
    （1）選用輸出電壓AC9V×2的小型變壓器，采用橋式整流和全波整流方式獲取兩組相對獨立的電源，分別為驅動電路和控制電路供電。
    （2）一體化數控接觸器動作頻率設計為600次/小時，在間隔時間內為儲能電容充電，用儲備電能平緩起動電流的沖擊。
    （3）利用儲能電容組中的電場在極短的時間內對勵磁線圈放電[1]，形成單脈沖觸動電流激發脈沖磁場，達到主觸頭閉合，永磁體充磁的雙重目的。
    （4）采用繼電器控制電路充分發揮其接觸阻抗低、電流輸出能力強的特點，使勵磁電流能夠在最短時間內達到峰值，以及在到達峰值后快速歸零時及時關斷。
    （5）通過“USB”接口及外接功能擴展模塊，連接各類傳感器或可編程邏輯控制器，進行模擬量、位置、順序、時間及遠程控制。
    1.2實現方案的難點
    （1）控制電路板要安裝在接觸器內部（體積：60mm×60mm×25mm）直流電源、控制電路及擴展電路的設計要做到盡可能地簡化。
    （2）電路板的安裝空間是密閉的，要嚴格抑制電路元器件的溫升。
    （3）受上述條件的限制選用功率3W小型密封變壓器，作為接觸器操動及功能擴展模塊供電的電源。
    （4）在接觸器內部狹窄的空間內設計“強電”與“弱電”緊密結合的產品，電磁兼容的設計有相當的難度。
2 項目技術方案
2.1 內置電源電路[5]
    電源電路（見圖2）由兩個相對獨立的電源支路構成，分別擔負著向控制電路及擴展接口供電任務。圖2中T1是功率3W 輸出電壓AC9V×2的小型密封變壓器。由變壓器T1的3、5輸出端，整流橋D1，儲能電容C3、C4，組成電源VC1和電源VC2。接觸器吸合時由VC2供電，分斷時由VC1供電。另一支路由T1的3、4、5輸出端，經二極管D2、D3全波整流，電容C1濾波組成電源VC3，經恒流源電路、“USB”接口為擴展模塊提供電源 VC4。
    電源電路的設計要點分析：
    （1）小型變壓器有一定的過載能力，空載電壓是標稱值的1.6倍，適用于在接觸器動作間隔時間內向儲能電容充電。
    （2）T1選用輸出端有中間抽頭的變壓器，通過不同整流方式獲取兩組相對獨立的電源，接觸器在吸合時VC2電壓值瞬間大幅下降，由于D2、D3的隔離和C1的儲能作用VC3不受影響，提高了控制電路的穩定性。
    （3）VC4采用恒流源電路供電，避免了接口連接時出現過載或短路損壞電源。

圖2

2.2 驅動電路[5]

圖3

    圖3是驅動電路原理圖。其工作過程為：當接通電源后，勵磁線圈KM的兩端經切換開關JK1、JK2接地，接觸器處于待命狀態。在控制端UB-2為 “1”時，觸發二極管D5導通→繼電器J3閉合→繼電器J2閉合，勵磁線圈KM經切換開關JK2常開點得電，靠電、永磁力使主觸頭閉合。經延時后J2釋放，勵磁線圈KM斷電，靠永磁體的磁力保持閉合狀態。在控制端UB-2為“0”時，觸發二極管D5截止→繼電器J3釋放→繼電器J1閉合，勵磁線圈KM經切換開關JK1常開點得電，反向磁場在抵消永磁力的同時靠復位彈簧力使主觸頭分斷，并保持分斷的狀態[8]。
    驅動電路的設計要點分析：
    （1）提高能效降低接觸器起動功率
    依據電磁理論及匝安特性分析[3]，當勵磁線圈的匝數確定時，電磁場的強度取決于流經勵磁線圈的電流值和擺率，也就是說，當勵磁線圈和儲能電容組成的LRC電路，工作在諧振狀態時其能效值最高。
    （2）利用儲能電容組來實現脈沖波[1]
    圖中儲能電容C4是由多只電解電容并聯組成的電容組，旨在降低內阻提高瞬態電流輸出能力。電容容量的設定，下限應能滿足勵磁所需能量，上限應能使勵磁電流在到達峰值后快速歸零。
    （3）選用繼電器控制方式[8]
    本電路的功能轉換控制選用繼電器控制電路，是由于繼電器與晶體管相比具有電流輸出能力強、溫升低的優勢，能夠滿足觸動電流在最短時間內到達峰值的技術要求；繼電器存在的“觸頭易損”缺陷，可以通過在電路電流值接近于過零點時切換來解決。
2.3 擴展電路[5]
    由內置直流電源、驅動電路,“USB”輸出接口，功能擴展模塊及外接傳感器組成的一體化控制系統。其中“USB”接口端子起到承上啟下的作用。擴展接口UB采用“USB”接口形式，由DC12V（20mA）恒流電源，兩個邏輯控制端口，一個公共地線組成，具有短路能力。接口的2、3端的邏輯控制能力見下表：
UB- 2           UB-3             主電路工作狀態
1             0                 接通
0             0                 分斷
1             1                 分斷
0             1                 分斷
注：  邏輯 1（最小）DC5V；邏輯 0（最大）DC2V。

    在功能擴展方面，可通過運算放大器或比較器（見圖4）連接各類集成傳感器，如：溫度、濕度、壓力、磁（霍爾）、光敏、氣敏等實施模擬量的控制。也可以外接數字電路、單片機、PLC進行位置、順序、時間控制；或通過現場總線接口模塊與現場總線控制系統連接。

圖4

2.4 永磁機構
 一體化數控接觸器的永磁機構與參考文獻[6]中低功耗數控接觸器的永磁機構相同見圖5，其結構特征不再贅述。

圖5

    當前，在新型接觸器產品研發中采用永磁機構方案的很多，各種設計方案都有自己獨到之處。永磁體是永磁機構的核心部件，是磁路中新增加的磁源。接觸器的接通與分斷狀態對磁場強度的要求是截然相反的。本方案的技術特征是通過觸動電流在最短的時間內達到峰值，及到達峰值后能快速歸零的單脈沖觸動方式，在接觸器通、斷操動的同時，對永磁體的進行充磁與退磁獲取不同的磁性能。經實際檢測，永磁體在經過瞬變脈沖磁場（過飽和）充磁后，對動鐵心的吸合力增加值不小于30N。永磁機構仍然是一種電磁操動機構,對動鐵心吸引過程的初始動力主要來源于電磁。由硅鋼片組成的鐵心導磁率優于永磁體，依據磁性材料的各向異性將永磁體鑲嵌在靜鐵心中，靜鐵心兩個側面的硅鋼片保持完整，在鐵心中形成了軟磁路與硬磁路的特殊組合，通過多磁路的疊加，使動態磁吸力指標達到最佳。
3 主要技術創新點
    （1）接觸器電磁理論的應用創新
    傳統的交流接觸器直接采用AC220V驅動，在主觸頭閉合后大量的電能轉化為熱量散布在勵磁線圈中，新型交流接觸器內含電子電路，將起動時間限定在100ms,對50Hz交流電來說至少需要4個周期才能完成起動過程，勵磁電流的變化率（擺率）取決于交流電頻率。
    從電磁理論分析得知脈沖磁場的產生不但與電流的強度有關，而且與電流的變化率有關；也就是說，勵磁電流能夠在最短的時間內到達峰值，以及在到達峰值后能快速歸零的波形其有效值是最高的。
    據此，一體化數控接觸器的設計采用了單脈沖驅動方式，以縮短起動時間、提高電能利用率的方式，將大規格交流接觸器的功率消耗降低了兩個數量級，實現了電磁理論的應用創新。
    （2）接觸器設計理念的創新
    當前業界在組織新一代接觸器產品開發時，往往立足于提高部分技術指標來縮短與國際先進水平的差距。數控接觸器的設計理念則是引領交流接觸器步入 “信息化”的快車道。其特征如下：首先，信息化的載體是電子電路，數控接觸器必須能夠兼容電子電路，為信息化的實施搭建一個全新的技術平臺[7]。其次，信息化的實施將導致工業現場控制系統日趨大型化、復雜化；作為終端執行器件的接觸器必須在功率消耗、運動可控及環境適應性方面取得突破性進展，以全新的理念融入信息化時代。
    （3）接觸器核心技術指標的突破性創新
    一體化數控接觸器的各項技術指標，均優于現有技術的交流接觸器，其核心技術指標和環境適應性指標取得了突破性進展。結合SY型（一體化）數控接觸器的技術標準[4]舉例說明如下：

4.結語
    社會經濟的發展對電能的需求和依賴不斷地增大，承擔電能的傳輸與分配、用電設備保護與控制任務的低壓電器顯得更為重要。世界各國十分重視低壓電器的發展，投入大量的資金進行研發。我國社會穩定、創新盛行，建設創新型國家已是各級政府的共識。隨著新型工業化步伐的加快，節能環保標準的提高，一個大規模的設備和固定資產更新期正在到來，新型電器元件將取代傳統電器元件成為市場主體。一體化數控接觸器以高性能為基礎，信息化為主導，兼備節能環保的技術特征代表了交流接觸器未來發展的主要趨勢，其設計理念的創新、技術性能的優勢將引領交流接觸器步入信息化的未來。

參考文獻
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[3] 蔡元宇. 電路及磁路. 北京:高等教育出版社， 1992. 
CAI Yuanyu. Electrical circuit and magnetic circuit. Beijing: High Education Press, 1992.
[4] 《四川榮高數控電器有限公司企業標準》Q/78014280-X.2-2006.
備案號B51.1378-2006.成都.
    “The enterprise standard of Sichuan RongGao electrical corporation” Q/78014280-X.2-2006.serial number: B51.1378-2006.Chengdu.
[5] 劉津平. 一體化數控接觸器，中國 ,專利號：ZL2005100209164  授權日：2005-12-24.
LIU Jinping. integrated digital controlled contactor: China,  ZL2005100209164. 2005-12-24.
[6] 劉津平.低功耗數控接觸器及其組成的控制系統（說明書），中國 ,專利號：ZL2005100216420  授權日：2006-12-20
LIU Jinping. Low voltage digital controlled contactor and its  controlling system: China,  ZL2005100216420. 2006-12-20.
 [7]郭銀程，呂文紅.電磁兼容原理及應用.北京:清華大學出版社,2004.
GUO Yincheng，Lv Wenhong.The principle of EMC and its appliction.Beijing: Tsinghua University Press,2004.
[8] 楊幫文.新型繼電器實用手冊.北京:人民郵電出版社,2004.
 YANG Bangwen.Application manual of new type relays.Beijing:Posts And Telecom Press.