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)自動化控制、低壓供電控制系統(tǒng)復(fù)雜化而設(shè)計的基礎(chǔ)開關(guān)元件，產(chǎn)品通過采用間隔儲能、單脈沖觸動電流、永磁機構(gòu)與程序控制技術(shù)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，操動接觸器閉合與分?jǐn)唷＝鉀Q了100A～800A規(guī)格接觸器低功率起動、運動可控、嚴(yán)酷環(huán)境使用的三大技術(shù)難題。其主要技術(shù)特點：（1）起動功率4.352 VA；保持功率0.116VA；運行耗電量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、間隔儲能、低功率起動、單脈沖觸動電流、程序控制驅(qū)動電路及永磁機構(gòu)。
中圖分類號：TM572
0 引言
交流接觸器在工業(yè)過程自動化以及低壓終端供電這兩大領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，有著扎實的市場基礎(chǔ)[2]。但是現(xiàn)有技術(shù)的交流接觸器在工業(yè)過程自動化領(lǐng)域應(yīng)用時存在著：起動功率大、運動可控性差、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，登記號：9512007Y0011）結(jié)論：達到國際先進水平。
本項目已獲國家發(fā)明專利，專利號為ZL200510021642.0
尤其是在可編程邏輯控制器件（PLC）驅(qū)動大型交流接觸器時，需要經(jīng)過中間級放大才能實現(xiàn)，并且需要專設(shè)控制電路降低吸合時的功耗，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[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)自動化控制、低壓供電控制系統(tǒng)復(fù)雜化而設(shè)計的基礎(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，運用編程代碼控制技術(shù)對主電路電流的接通、承載及分?jǐn)嗖賱舆^程進行控制，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，間隔時間為3秒，在間隔時間內(nèi)為儲能電容充電，用積聚電能平緩起動時的電流沖擊；利用儲能電容對勵磁線圈放電形成的單脈沖觸動電流，結(jié)合永磁機構(gòu)，控制電路精確控制觸動電流在過零點處切換，完成主觸頭閉合，同時依靠永磁吸力保持閉合狀態(tài)。通過上述構(gòu)思實現(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)特點是：
（1）大容量接觸器起動功率小于8VA的產(chǎn)品，國內(nèi)外尚屬空白。降低起動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，實現(xiàn)信息化。SD-100低功耗數(shù)控接觸器的起動功率實測值：4.352 VA
（2）產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入晶體管的設(shè)計理念，設(shè)置了類似于基極的控制端子，實現(xiàn)了在同一元件上 “強電”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)動方式可選擇兼容或隔離的形式，極大地方便了自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計，為實現(xiàn)信息化搭建了一個可行的技術(shù)平臺。
（3）克服交流接觸器與生俱來的“運動不可控性”。使得接觸器吸合時間和釋放時間允許誤差標(biāo)準(zhǔn)值不大于±1ms（實測最大時間誤差值：吸合－0.335ms，釋放－0.124ms）。
（4）產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性有了突破性進展。溫度、傾斜、搖擺、振動、沖擊及電磁兼容等環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)，均達到了國際先進水平[4]。如：
低溫：工作溫度：-25℃（不間斷工作制），-40℃（1h短時工作制）。
高溫：工作溫度：55℃（不間斷工作制），70℃（1h短時工作制）。
下表是本產(chǎn)品和國外GMC系列產(chǎn)品部分特性指標(biāo)對比：
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特 性 指 標(biāo) 項 目 |
SD-100型 低功耗數(shù)控接觸器 |
GMC-100型 交流接觸器 |
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標(biāo)稱電壓 （DC） |
24V |
24V |
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起動功率 （VA） |
8 |
298 |
|
保持功率 （VA） |
0.2 |
8.4 |
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工作溫度 （℃） |
－25～55 |
－25～40 |
|
儲存溫度 （℃） |
/ |
－30～65 |
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短時工作溫度（℃） |
－40～70 |
/ |
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線圈溫升 （K） |
15 |
/ |
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安裝傾斜角 （O） |
±60 |
±30 |
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運動可控性 （ms） |
±1 |
/ |
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遠距離供電能力（m） |
200 |
/ |
低壓電器的技術(shù)創(chuàng)新是在技術(shù)試錯的試驗中完成的。立足于科學(xué)試驗和理性驗證，是研究及揭示接觸器的內(nèi)在運動規(guī)律的有效途經(jīng)。
2.1 內(nèi)置驅(qū)動電路[5]
圖1
圖1示出了驅(qū)動電路原理圖。驅(qū)動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)成一個整體。
圖中電源電路有三個相對獨立的電源支路，分別擔(dān)負著向吸合、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?；外部?源經(jīng)二極管D2向電容C3充電組成控制電源。
圖中勵磁線圈KIM通過轉(zhuǎn)換開關(guān)JK2和轉(zhuǎn)換開關(guān)JK3切換流經(jīng)勵磁線圈KM的電流方向，達到控制低功耗數(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的常閉點接地，接觸器處于待命狀態(tài)。當(dāng)控制端C為“0”(低電平)時，繼電器J1吸合，電容C5的充電電流使繼電器J2吸合，勵磁線圈KM經(jīng)切換開關(guān)JK2常開點得電，電容C4所儲電能驅(qū)動低功耗數(shù)控接觸器吸合。由電容C5、繼電器J2組成的LC電路，經(jīng)延時后繼電器J2釋放，勵磁線圈KIM斷電，KM中的殘余電壓經(jīng)JK2的常閉點釋放，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，繼電器J1釋放，電容C6的充電電流使繼電器J3吸合，勵磁線圈KM經(jīng)切換開關(guān)JK3常開點反向得電，電容C7所儲電能驅(qū)動低功耗數(shù)控接觸器分?jǐn)?。電容C6、繼電器J3組成的LC電路，經(jīng)延時后繼電器J3釋放，勵磁線圈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、PLD、LOGO、PLC等可編程邏輯控制器件直接驅(qū)動，除此之外可以通過接口電路實現(xiàn)接觸器的過熱保護、過載保護、延時等功能擴展，使低功耗數(shù)控接觸器的外掛功能擴展模塊電子化。
2.2 單脈沖觸動電流
低功耗數(shù)控接觸器的接通與分?jǐn)嗖賱樱騽畲啪€圈施加正向，或反向的單脈沖觸動電流，其動態(tài)過程變化規(guī)律十分復(fù)雜。單脈沖觸動電流是指在接觸器的閉合或分?jǐn)鄷r，流經(jīng)勵磁線圈的觸動電流是一個脈沖波。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)品觸動電流波形圖的對比。
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，流經(jīng)勵磁線圈的觸動電流波形圖，圖中公示的技術(shù)信息為：（1）流經(jīng)勵磁線圈的觸動電流為單脈沖，脈沖的下降沿趨緩是受到動鐵心向靜鐵心運動過程中生成的反向電動勢的影響。預(yù)示其運動過程完結(jié)。（2）正、反向觸動電流的起始點和終止點均接近于過零點，實現(xiàn)了“無弧”切換。（3）吸合與分?jǐn)嗟挠|動電流波形上升沿陡峭，顯示其運動可控性能優(yōu)良。
圖4是國外GMC-100交流接觸器的觸動電流波形圖，其特征為采用高頻調(diào)制技術(shù)控制觸動電流，避免了在吸合時產(chǎn)生浪涌電流，當(dāng)觸頭完全閉合后自動切換到保持狀態(tài)。圖5是國外LC1-D115交流接觸器的觸動電流波形圖，其特征為直接采用交流電流起動。在觸頭閉合后自動切換到保持狀態(tài)。其控制電路設(shè)計工藝精湛、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)動方式的技術(shù)優(yōu)勢所在。
圖2 SD-100吸合波形圖
圖4 GMC-100波形圖
2.3 永磁機構(gòu)
圖6示出永磁機構(gòu)[1]鐵心結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1為永磁體；2為靜鐵心；3為勵磁線圈；4為動鐵心。靜鐵心為E型結(jié)構(gòu)，動鐵心為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，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)磁場分布均衡。由于永磁體距離動鐵心較遠，對動鐵心的吸力強度相對較弱，即使在動鐵心受到一定程度的外力干擾時，也不會產(chǎn)生誤動作。當(dāng)接觸器吸合時，又能沿著鐵心閉合時產(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)嗍强縿予F心的運動來完成的，動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：永磁機構(gòu)仍然是一種電磁操動機構(gòu),對動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，使動態(tài)磁吸力指標(biāo)達到最佳。配合電容儲能式驅(qū)動電路，采用單脈沖觸動電流勵磁方式，使低功耗數(shù)控接觸器的起動功率大幅度降低。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的弊端。
圖7
圖7是本永磁機構(gòu)與帶有非磁性夾板的技術(shù)方案的磁路[3]對比。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勵磁線圈無維持電流，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；而分?jǐn)啾３謺r為避免產(chǎn)生誤動作，則要求其磁力盡可能弱。實踐證明，經(jīng)磁化的永磁體不但具有剩余磁化強度，而且還能被外磁場磁化產(chǎn)生感應(yīng)磁化強度，低功耗數(shù)控接觸器動作時，永磁體的磁性能會反復(fù)受到吸合或分?jǐn)鄷r勵磁線圈磁場變化的影響。吸合過程中勵磁線圈電流產(chǎn)生的磁場，與永磁體本身磁場方向相同，由此產(chǎn)生感應(yīng)磁化強度，對永磁體是一個充磁的過程，增強了永磁體的磁場強度。當(dāng)勵磁電流消除，永磁體仍會以較強的磁力保持動鐵心處于吸合狀態(tài)。分?jǐn)鄷r勵磁線圈中產(chǎn)生的磁場對于永磁體而言是一個退磁的過程。去磁動勢使永磁體的磁場強度在回復(fù)線的區(qū)間內(nèi)變化。這種充磁、退磁的交替變化不會改變永磁體的磁穩(wěn)定性，能使永磁體在吸合保持時具有較強的磁力，而在分?jǐn)啾３謺r其磁力相對較弱。
分?jǐn)嗵卣鳎河捎谟来朋w的嵌入，分?jǐn)鄷r需向勵磁線圈施加反向電流，以克服永磁體對動鐵心的吸力。采用單脈沖電流的驅(qū)動方式，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，電源接通時接觸器處于待機狀態(tài)，控制端子和公共端子與信號源連接，主電路電流的接通、承載和分?jǐn)嗖賱?，受控于信號源的有效電平。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難度。控制端驅(qū)動能力見下表：
|
觸發(fā)方式 |
接通 |
分?jǐn)?/SPAN> | ||
|
電壓 V |
電流 mA |
電壓 V |
電流 mA | |
|
高電平有效 DC |
18～24 |
10 |
0～3 |
1 |
|
低電平有效 DC |
0～3 |
18～24 | ||
3 現(xiàn)場工業(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，對提高大型化、復(fù)雜化控制系統(tǒng)運行可靠性尤為重要。
圖9
圖9所示的控制系統(tǒng)是本項目低功耗數(shù)控接觸器與開關(guān)電源及控制信號連接的應(yīng)用實例?？刂葡到y(tǒng)的開關(guān)電源功率為50W，如果采用國外同規(guī)格的先進產(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。本項目的可編程邏輯控制器為PLC，輸出端Q0、Q1、Q2、Q3、分別與4臺低功耗數(shù)控接觸器的控制端C連接，組成一個商品化的硬件平臺。使用時可根據(jù)具體情況編制相應(yīng)的控制程序，達到預(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)場的應(yīng)用實例。圖中16臺低功耗數(shù)控接觸器及PLC－226與一臺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。本實例的技術(shù)優(yōu)勢在于：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。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，對工業(yè)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的設(shè)計有重大的現(xiàn)實意義。配以現(xiàn)場總線接口，總線系統(tǒng)設(shè)計的復(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、運動可控、嚴(yán)酷環(huán)境使用的三大技術(shù)難題。同時為工業(yè)自動化控制、低壓供電控制系統(tǒng)設(shè)計的提供了一種新型基礎(chǔ)開關(guān)元件?；A(chǔ)元件的更新會從源頭上改變傳統(tǒng)的設(shè)計理念。隨之而來的產(chǎn)品更新?lián)Q代會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)的核心競爭力，促進了低壓電器行業(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.低功耗數(shù)控接觸器及其組成的控制系統(tǒng)（說明書），中國 ,專利號：ZL2005100216420 授權(quán)日：2006-12-20
LIU Jinping. Low voltage digital controlled contactor and its controlling system: China, ZL2005100216420. 2006-12-20.
劉津平（1952），男，大學(xué)，總工程師，研究方向為數(shù)控低壓電器。Email：cnrgdq@sina.com
劉昊（1982），男，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其軟件設(shè)計。
Email: tremain@sina.com
劉玉潔（1982），女，學(xué)士，從事電子電路設(shè)計開發(fā)。
Low-consumption digital controlled (LCDC) contactor
LIU Jinping 1 LIU Hao 1,2 LIU Yujie 3
(1. Sichuan RongGao electrical corporation, Chengdu, Sichuan 610016;
(2. Beihang university software academy, Beijing 100083;
(3. Xi’an institute of space radio technology, Xian 710100)
Abstract：This paper presents a Low-consumption digital controlled (LCDC) contactor. It is a foundational switch designed for the complex industrial controlling systems and low voltage supply controlling system, which has dealt with the current problems existing in characteristics of movement uncontrolled, high starting power, high consumption, coil burning and short service life. The product is operating the contact to switch by adopting innovational technology of controlling system consisting of interval energy storing, single-impulse trigger current, programme-controlled driving circuit and permanent magnet unit. The main technical characteristics as follows: 1, Saving energy resulted from 4.352 VA operating voltage, 0.116VA keeping power and power consumption 0.0022kW/h;2, Protecting enviroment resulted from DC24V operating voltage, 6k increasing in temperature of coil, and less than 10dB closing noise;3, Integrating electrics with electronics in a single apparatus realizes a feasible platbbbb of inbbbbational construction;4, Conquering the disadvantages of coil-burning and contact quivering, and uncontrolled movement.
Key words: LCDC contactor、interval energy storing、 low starting power、single-impulse trigger current 、programme-controlled driving circuit and permanent magnetic unit
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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