0 引言
低壓電器是指在低壓配電和控制系統(tǒng)中起開關(guān)、控制、保護(hù)等作用的元件。它的品種、規(guī)格繁多，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。交流接觸器有著扎實(shí)的市場基礎(chǔ)，尤其是中高端的產(chǎn)品更有發(fā)展?jié)摿ΑＤ軌蝮w現(xiàn)產(chǎn)品的節(jié)能環(huán)保、信息化及多功能的技術(shù)特征；降低運(yùn)行成本、提高安全可靠性、讓產(chǎn)品使用更具人性化是未來交流接觸器技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。
在工業(yè)現(xiàn)場自動(dòng)化過程控制系統(tǒng)的中存在著大量的局部控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在工程設(shè)計(jì)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(tǒng)，其傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)可控性差、能耗高、元器件易損等問題。本文介紹了根據(jù)文獻(xiàn)所提出一體化數(shù)控接觸器的設(shè)計(jì)方案能夠解決上述存在的問題。
1 方案實(shí)現(xiàn)構(gòu)思與難點(diǎn)
一體化數(shù)控接觸器是一種高度集成化的接觸器產(chǎn)品，由主觸頭、滅弧裝置，永磁機(jī)構(gòu)，內(nèi)置電源、驅(qū)動(dòng)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(kuò)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(tǒng)。（見圖1）。
圖1
1.1實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的構(gòu)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(duì)獨(dú)立的電源，分別為驅(qū)動(dòng)電路和控制電路供電。
（2）一體化數(shù)控接觸器動(dòng)作頻率設(shè)計(jì)為600次/小時(shí)，在間隔時(shí)間內(nèi)為儲(chǔ)能電容充電，用儲(chǔ)備電能平緩起動(dòng)電流的沖擊。
（3）利用儲(chǔ)能電容組中的電場在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)勵(lì)磁線圈放電[1]，形成單脈沖觸動(dòng)電流激發(fā)脈沖磁場，達(dá)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(fā)揮其接觸阻抗低、電流輸出能力強(qiáng)的特點(diǎn)，使勵(lì)磁電流能夠在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，以及在到達(dá)峰值后快速歸零時(shí)及時(shí)關(guān)斷。
（5）通過“USB”接口及外接功能擴(kuò)展模塊，連接各類傳感器或可編程邏輯控制器，進(jìn)行模擬量、位置、順序、時(shí)間及遠(yuǎn)程控制。
1.2實(shí)現(xiàn)方案的難點(diǎn)
（1）控制電路板要安裝在接觸器內(nèi)部（體積：60mm×60mm×25mm）直流電源、控制電路及擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)要做到盡可能地簡化。
（2）電路板的安裝空間是密閉的，要嚴(yán)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(dòng)及功能擴(kuò)展模塊供電的電源。
（4）在接觸器內(nèi)部狹窄的空間內(nèi)設(shè)計(jì)“強(qiáng)電”與“弱電”緊密結(jié)合的產(chǎn)品，電磁兼容的設(shè)計(jì)有相當(dāng)?shù)碾y度。
2 項(xiàng)目技術(shù)方案
2.1 內(nèi)置電源電路[5]
電源電路（見圖2）由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電源支路構(gòu)成，分別擔(dān)負(fù)著向控制電路及擴(kuò)展接口供電任務(wù)。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(chǔ)能電容C3、C4，組成電源VC1和電源VC2。接觸器吸合時(shí)由VC2供電，分?jǐn)鄷r(shí)由VC1供電。另一支路由T1的3、4、5輸出端，經(jīng)二極管D2、D3全波整流，電容C1濾波組成電源VC3，經(jīng)恒流源電路、“USB”接口為擴(kuò)展模塊提供電源 VC4。
電源電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析：
（1）小型變壓器有一定的過載能力，空載電壓是標(biāo)稱值的1.6倍，適用于在接觸器動(dòng)作間隔時(shí)間內(nèi)向儲(chǔ)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(duì)獨(dú)立的電源，接觸器在吸合時(shí)VC2電壓值瞬間大幅下降，由于D2、D3的隔離和C1的儲(chǔ)能作用VC3不受影響，提高了控制電路的穩(wěn)定性。
（3）VC4采用恒流源電路供電，避免了接口連接時(shí)出現(xiàn)過載或短路損壞電源。
圖2
2.2 驅(qū)動(dòng)電路[5]
圖3
圖3是驅(qū)動(dòng)電路原理圖。其工作過程為：當(dāng)接通電源后，勵(lì)磁線圈KM的兩端經(jīng)切換開關(guān)JK1、JK2接地，接觸器處于待命狀態(tài)。在控制端UB-2為 “1”時(shí)，觸發(fā)二極管D5導(dǎo)通→繼電器J3閉合→繼電器J2閉合，勵(lì)磁線圈KM經(jīng)切換開關(guān)JK2常開點(diǎn)得電，靠電、永磁力使主觸頭閉合。經(jīng)延時(shí)后J2釋放，勵(lì)磁線圈KM斷電，靠永磁體的磁力保持閉合狀態(tài)。在控制端UB-2為“0”時(shí)，觸發(fā)二極管D5截止→繼電器J3釋放→繼電器J1閉合，勵(lì)磁線圈KM經(jīng)切換開關(guān)JK1常開點(diǎn)得電，反向磁場在抵消永磁力的同時(shí)靠復(fù)位彈簧力使主觸頭分?jǐn)啵⒈３址謹(jǐn)嗟臓顟B(tài)[8]。
驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析：
（1）提高能效降低接觸器起動(dòng)功率
依據(jù)電磁理論及匝安特性分析[3]，當(dāng)勵(lì)磁線圈的匝數(shù)確定時(shí)，電磁場的強(qiáng)度取決于流經(jīng)勵(lì)磁線圈的電流值和擺率，也就是說，當(dāng)勵(lì)磁線圈和儲(chǔ)能電容組成的LRC電路，工作在諧振狀態(tài)時(shí)其能效值最高。
（2）利用儲(chǔ)能電容組來實(shí)現(xiàn)脈沖波[1]
圖中儲(chǔ)能電容C4是由多只電解電容并聯(lián)組成的電容組，旨在降低內(nèi)阻提高瞬態(tài)電流輸出能力。電容容量的設(shè)定，下限應(yīng)能滿足勵(lì)磁所需能量，上限應(yīng)能使勵(lì)磁電流在到達(dá)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(zhuǎn)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(qiáng)、溫升低的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足觸動(dòng)電流在最短時(shí)間內(nèi)到達(dá)峰值的技術(shù)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(diǎn)時(shí)切換來解決。
2.3 擴(kuò)展電路[5]
由內(nèi)置直流電源、驅(qū)動(dòng)電路,“USB”輸出接口，功能擴(kuò)展模塊及外接傳感器組成的一體化控制系統(tǒng)。其中“USB”接口端子起到承上啟下的作用。擴(kuò)展接口UB采用“USB”接口形式，由DC12V（20mA）恒流電源，兩個(gè)邏輯控制端口，一個(gè)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(tài)
1 0 接通
0 0 分?jǐn)?br/>1 1 分?jǐn)?br/>0 1 分?jǐn)?br/>注： 邏輯 1（最小）DC5V；邏輯 0（最大）DC2V。
在功能擴(kuò)展方面，可通過運(yùn)算放大器或比較器（見圖4）連接各類集成傳感器，如：溫度傳感器網(wǎng)" href="http://m.52gongw.cn/category.asp?categoryid=341" target="_blank">溫度傳感器網(wǎng)" href="http://m.52gongw.cn/jscontent.asp?id=56&categoryid=67" target="_blank">溫度傳感器網(wǎng)" href="http://m.52gongw.cn/category.asp?categoryid=341" target="_blank">溫度、濕度傳感器網(wǎng)" href="http://m.52gongw.cn/category.asp?categoryid=342" target="_blank">濕度傳感器網(wǎng)" href="http://m.52gongw.cn/category.asp?categoryid=342" target="_blank">濕度、壓力、磁（霍爾）、光敏、氣敏等實(shí)施模擬量的控制。也可以外接數(shù)字電路、單片機(jī)、PLC進(jìn)行位置、順序、時(shí)間控制；或通過現(xiàn)場總線接口模塊與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)連接。
圖4
2.4 永磁機(jī)構(gòu)
一體化數(shù)控接觸器" href="http://m.52gongw.cn/pinpaishow.asp?categoryid=310&id=831" target="_blank">交流接觸器" href="http://m.52gongw.cn/pinpaishow.asp?categoryid=310&id=830" target="_blank">接觸器的永磁機(jī)構(gòu)與參考文獻(xiàn)[6]中低功耗數(shù)控接觸器的永磁機(jī)構(gòu)相同見圖5，其結(jié)構(gòu)特征不再贅述。
圖5
當(dāng)前，在新型接觸器產(chǎn)品研發(fā)中采用永磁機(jī)構(gòu)方案的很多，各種設(shè)計(jì)方案都有自己獨(dú)到之處。永磁體是永磁機(jī)構(gòu)的核心部件，是磁路中新增加的磁源。接觸器的接通與分?jǐn)酄顟B(tài)對(duì)磁場強(qiáng)度的要求是截然相反的。本方案的技術(shù)特征是通過觸動(dòng)電流在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，及到達(dá)峰值后能快速歸零的單脈沖觸動(dòng)方式，在接觸器通、斷操動(dòng)的同時(shí)，對(duì)永磁體的進(jìn)行充磁與退磁獲取不同的磁性能。經(jīng)實(shí)際檢測，永磁體在經(jīng)過瞬變脈沖磁場（過飽和）充磁后，對(duì)動(dòng)鐵心的吸合力增加值不小于30N。永磁機(jī)構(gòu)仍然是一種電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu),對(duì)動(dòng)鐵心吸引過程的初始動(dòng)力主要來源于電磁。由硅鋼片組成的鐵心導(dǎo)磁率優(yōu)于永磁體，依據(jù)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(gè)側(cè)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(dòng)態(tài)磁吸力指標(biāo)達(dá)到最佳。
3 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)
（1）接觸器電磁理論的應(yīng)用創(chuàng)新
傳統(tǒng)的交流接觸器直接采用AC220V驅(qū)動(dòng)，在主觸頭閉合后大量的電能轉(zhuǎn)化為熱量散布在勵(lì)磁線圈中，新型交流接觸器內(nèi)含電子電路，將起動(dòng)時(shí)間限定在100ms,對(duì)50Hz交流電來說至少需要4個(gè)周期才能完成起動(dòng)過程，勵(lì)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(chǎn)生不但與電流的強(qiáng)度有關(guān)，而且與電流的變化率有關(guān)；也就是說，勵(lì)磁電流能夠在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)峰值，以及在到達(dá)峰值后能快速歸零的波形其有效值是最高的。
據(jù)此，一體化數(shù)控接觸器的設(shè)計(jì)采用了單脈沖驅(qū)動(dòng)方式，以縮短起動(dòng)時(shí)間、提高電能利用率的方式，將大規(guī)格交流接觸器的功率消耗降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了電磁理論的應(yīng)用創(chuàng)新。
（2）接觸器設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新
當(dāng)前業(yè)界在組織新一代接觸器產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，往往立足于提高部分技術(shù)指標(biāo)來縮短與國際先進(jìn)水平的差距。數(shù)控接觸器的設(shè)計(jì)理念則是引領(lǐng)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(shù)控接觸器必須能夠兼容電子電路，為信息化的實(shí)施搭建一個(gè)全新的技術(shù)平臺(tái)[7]。其次，信息化的實(shí)施將導(dǎo)致工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)日趨大型化、復(fù)雜化；作為終端執(zhí)行器件的接觸器必須在功率消耗、運(yùn)動(dòng)可控及環(huán)境適應(yīng)性方面取得突破性進(jìn)展，以全新的理念融入信息化時(shí)代。
（3）接觸器核心技術(shù)指標(biāo)的突破性創(chuàng)新
一體化數(shù)控接觸器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，均優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的交流接觸器，其核心技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)取得了突破性進(jìn)展。結(jié)合SY型（一體化）數(shù)控接觸器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[4]舉例說明如下：
4.結(jié)語
社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)電能的需求和依賴不斷地增大，承擔(dān)電能的傳輸與分配、用電設(shè)備保護(hù)與控制任務(wù)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(fā)展，投入大量的資金進(jìn)行研發(fā)。我國社會(huì)穩(wěn)定、創(chuàng)新盛行，建設(shè)創(chuàng)新型國家已是各級(jí)政府的共識(shí)。隨著新型工業(yè)化步伐的加快，節(jié)能環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，一個(gè)大規(guī)模的設(shè)備和固定資產(chǎn)更新期正在到來，新型電器元件將取代傳統(tǒng)電器元件成為市場主體。一體化數(shù)控接觸器以高性能為基礎(chǔ)，信息化為主導(dǎo)，兼?zhèn)涔?jié)能環(huán)保的技術(shù)特征代表了交流接觸器未來發(fā)展的主要趨勢(shì)，其設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新、技術(shù)性能的優(yōu)勢(shì)將引領(lǐng)交流接觸器步入信息化的未來。
