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                   摘要：本文敘述的低功耗數控接觸器，是一種為適應新型工業自動化控制、低壓供電控制系統復雜化而設計的基礎開關元件，產品通過采用間隔儲能、單脈沖觸動電流、永磁機構與程序控制技術構成的控制系統，操動接觸器閉合與分斷。解決了100A～800A規格接觸器低功率起動、運動可控、嚴酷環境使用的三大技術難題。其主要技術特點：（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）在同一元件上實現了電力與電子的結合。使產品具有節能、環保及信息化的技術特征。
關鍵詞：低功耗數控接觸器、間隔儲能、低功率起動、單脈沖觸動電流、程序控制驅動電路及永磁機構。
0 引言
      交流接觸器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，有著扎實的市場基礎[2]。但是現有技術的交流接觸器在工業過程自動化領域應用時存在著：起動功率大、運動可控性差、系統構成復雜等主要問題。
    附言說明：本產品于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）結論：達到國際先進水平。
    本項目已獲國家發明專利，專利號為ZL200510021642.0
    尤其是在可編程邏輯控制器件（PLC）驅動大型交流接觸器時，需要經過中間級放大才能實現，并且需要專設控制電路降低吸合時的功耗，制約了控制系統的應用與發展。
    本文介紹了根據文獻[5]所提出的低功耗數控接觸器，是一種為適應新型工業自動化控制、低壓供電控制系統復雜化而設計的基礎開關元件。低功耗數控接觸器在秉承交流接觸器基本性能的基礎上，運用編程代碼控制技術對主電路電流的接通、承載及分斷操動過程進行控制，使得產品的核心技術性能指標得到大幅度提升。
1 技術方案構思
    本項目的技術方案構思為：低功耗數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，結合永磁機構，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。通過上述構思實現節能、環保以及信息化的技術特征。
    產品的主要技術特點是：
    （1）大容量接觸器起動功率小于8VA的產品，國內外尚屬空白。降低起動功率不僅僅是為了節能，其核心作用在于能夠兼容電子電路，實現信息化。SD-100低功耗數控接觸器的起動功率實測值：4.352 VA
    （2）產品在結構設計中引入晶體管的設計理念，設置了類似于基極的控制端子，實現了在同一元件上 “強電”與“弱電”的結合。接入電子電路的方法及功耗相當于一只普通的中功率晶體管，其驅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的設計，為實現信息化搭建了一個可行的技術平臺。
    （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準值不大于±1ms（實測最大時間誤差值：吸合－0.335ms，釋放－0.124ms）。
    （4）產品的環境適應性有了突破性進展。溫度、傾斜、搖擺、振動、沖擊及電磁兼容等環境適應性指標，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）。
    下表是本產品和國外GMC系列產品部分特性指標對比：

    在進行SD-180型低功耗數控接觸器產品演示時，僅用了兩節9V（6LR61）疊層電池為電源操動，開創了下一代新型接觸器的新紀元。
2 項目技術方案 [5]
    低壓電器的技術創新是在技術試錯的試驗中完成的。立足于科學試驗和理性驗證，是研究及揭示接觸器的內在運動規律的有效途經。
2.1 內置驅動電路[5]

 圖1

    圖1示出了驅動電路原理圖。驅動電路安裝在低功耗數控接觸器的基座內，與低功耗數控接觸器構成一個整體。
    圖中電源電路有三個相對獨立的電源支路，分別擔負著向吸合、分斷及控制電路供電的任務。外部電源經電阻R1、發光二極管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，構成吸合電源；外部電源經二極管D3、電阻R5向電容C7充電，組成分斷電源；外部電 源經二極管D2向電容C3充電組成控制電源。
    圖中勵磁線圈KIM通過轉換開關JK2和轉換開關JK3切換流經勵磁線圈KM的電流方向，達到控制低功耗數控接觸器吸合、保持、分斷的目的。電路工作過程為：接通電源后，勵磁線圈KIM的兩端經切換開關JK2和轉換開關JK3的常閉點接地，接觸器處于待命狀態。當控制端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經切換開關JK2常開點得電，電容C4所儲電能驅動低功耗數控接觸器吸合。由電容C5、繼電器J2組成的LC電路，經延時后繼電器J2釋放，勵磁線圈KIM斷電，KM中的殘余電壓經JK2的常閉點釋放，低功耗數控接觸器靠永磁力保持吸合狀態。當控制端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經切換開關JK3常開點反向得電，電容C7所儲電能驅動低功耗數控接觸器分斷。電容C6、繼電器J3組成的LC電路，經延時后繼電器J3釋放，勵磁線圈KM斷電，分斷狀態靠支撐彈簧保持。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動，除此之外可以通過接口電路實現接觸器的過熱保護、過載保護、延時等功能擴展，使低功耗數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
    低功耗數控接觸器的接通與分斷操動，要向勵磁線圈施加正向，或反向的單脈沖觸動電流，其動態過程變化規律十分復雜。單脈沖觸動電流是指在接觸器的閉合或分斷時，流經勵磁線圈的觸動電流是一個脈沖波。圖2～圖5是SD-100低功耗數控接觸器與國外知名企業產品觸動電流波形圖的對比。
    圖2和圖3分別是SD-100型低功耗數控接觸器的閉合與分斷時，流經勵磁線圈的觸動電流波形圖，圖中公示的技術信息為：（1）流經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。預示其運動過程完結。（2）正、反向觸動電流的起始點和終止點均接近于過零點，實現了“無弧”切換。（3）吸合與分斷的觸動電流波形上升沿陡峭，顯示其運動可控性能優良。
    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制技術控制觸動電流，避免了在吸合時產生浪涌電流，當觸頭完全閉合后自動切換到保持狀態。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。其控制電路設計工藝精湛、但存在不能抑制浪涌電流的技術缺陷。從以上的分析中可以清楚地看出低功耗數控接觸器驅動方式的技術優勢所在。
  

圖2 SD-100吸合波形圖

圖3 SD-100分斷波形圖

圖4 GMC-100波形圖

圖5 LC1-D115波形圖

2.3 永磁機構
    圖6示出永磁機構[1]鐵心結構示意圖。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型結構，動鐵心為I型結構。鐵心由硅鋼片疊成，采用雙永磁體結構，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“分斷”狀態時，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，也不會產生誤動作。當接觸器吸合時，又能沿著鐵心閉合時產生的低磁阻磁路，保持穩定的“吸合”狀態。

圖6

    低功耗數控接觸器主觸頭的閉合與分斷是靠動鐵心的運動來完成的，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，使得低功耗數控接觸器的吸合、保持、分斷過程有了新的技術特征。
     吸合特征：永磁機構仍然是一種電磁操動機構,對動鐵心的磁吸力主要來源于電磁。靜鐵心由硅鋼片組成，其導磁性好于永磁體，依據永磁體的各向異性將其“鑲嵌”在靜鐵心中，靜鐵心兩側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合，通過多磁路的疊加，使動態磁吸力指標達到最佳。配合電容儲能式驅動電路，采用單脈沖觸動電流勵磁方式，使低功耗數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是本永磁機構與帶有非磁性夾板的技術方案的磁路[3]對比。E型靜鐵心中的多磁路的疊加的技術特征十分明顯。
     保持特征：保持過程分為吸合保持與分斷保持。吸合保持時勵磁線圈無維持電流，靠永磁體的磁力保持穩定的吸合狀態，要求永磁體磁力盡可能強；而分斷保持時為避免產生誤動作，則要求其磁力盡可能弱。實踐證明，經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生感應磁化強度，低功耗數控接觸器動作時，永磁體的磁性能會反復受到吸合或分斷時勵磁線圈磁場變化的影響。吸合過程中勵磁線圈電流產生的磁場，與永磁體本身磁場方向相同，由此產生感應磁化強度，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。分斷時勵磁線圈中產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線的區間內變化。這種充磁、退磁的交替變化不會改變永磁體的磁穩定性，能使永磁體在吸合保持時具有較強的磁力，而在分斷保持時其磁力相對較弱。
    分斷特征：由于永磁體的嵌入，分斷時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動方式，使得接觸器分斷具有良好的可控性。
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，控制端子和公共端子與信號源連接，主電路電流的接通、承載和分斷操動，受控于信號源的有效電平。由于增設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。控制端驅動能力見下表：

3 現場工業控制系統[5]
       圖9和圖10是低功耗數控接觸器與晶體管輸出型的PLC組成的工業控制系統。佐證了其連接方式可以降低了控制系統的復雜程度和系統成本，對提高大型化、復雜化控制系統運行可靠性尤為重要。

圖9

     圖9所示的控制系統是本項目低功耗數控接觸器與開關電源及控制信號連接的應用實例。控制系統的開關電源功率為50W，如果采用國外同規格的先進產品構建上述控制系統，其電源功率為1200W，而且PLC控制交流接觸器要經過中間繼電器的轉換。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。使用時可根據具體情況編制相應的控制程序，達到預期的控制目的。
    圖10所示是本低功耗數控接觸器在工業現場的應用實例。圖中16臺低功耗數控接觸器及PLC－226與一臺300W開關電源連接，低功耗數控接觸器K1至K16的內置解碼電路的輸入端，經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。本實例的技術優勢在于：控制系統的構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控接觸器供電，充分發揮了開關電源安全、高效地技術優勢。采用了編碼、譯碼控制電路，極大地簡化了控制系統的連接布線，對工業現場的控制系統的設計有重大的現實意義。配以現場總線接口，總線系統設計的復雜程度可大幅度降低。

圖10

4 結語
    本文給出的低功耗數控接觸器，成功地解決了100A～800A規格接觸器低功率起動、運動可控、嚴酷環境使用的三大技術難題。同時為工業自動化控制、低壓供電控制系統設計的提供了一種新型基礎開關元件。基礎元件的更新會從源頭上改變傳統的設計理念。隨之而來的產品更新換代會迅速提高我國裝備制造業的總體水平和下游產品制造企業的核心競爭力，促進了低壓電器行業的技術創新和發展。

參考文獻
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[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.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.