摘要：本文敘述的一體化數(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，能夠通過“USB”接口、功能擴(kuò)展模塊，直接連接傳感器或控制器組成自配合控制系統(tǒng)；并在接觸器內(nèi)部狹窄的空間內(nèi)設(shè)計(jì)電子電路，在保證“強(qiáng)弱電”緊密結(jié)合的同時(shí)，提高電磁兼容性，其高度集成化的設(shè)計(jì)，打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。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)。 關(guān)鍵詞：數(shù)控接觸器、高度集成化，永磁機(jī)構(gòu)，內(nèi)置電源、輸出端及功能擴(kuò)展模塊，自配合控制系統(tǒng) 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(chǎng)基礎(chǔ)，尤其是中高端的產(chǎn)品更有發(fā)展?jié)摿2]。能夠體現(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(chǎng)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)[5]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）。 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(chǎng)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(chǎng)，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(jiǎn)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。 2.2 驅(qū)動(dòng)電路[5] 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(chǎng)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(chǎng)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)? 1 1 分?jǐn)? 0 1 分?jǐn)? 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、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(chǎng)總線接口模塊與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)連接。 2.4 永磁機(jī)構(gòu) 一體化數(shù)控接觸器的永磁機(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。 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(chǎng)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(cè)，永磁體在經(jīng)過瞬變脈沖磁場(chǎng)（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(chǎng)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(guó)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(chǎng)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(guó)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(guó)社會(huì)穩(wěn)定、創(chuàng)新盛行，建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)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(chǎng)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。 參考文獻(xiàn) [1] 林莘. 永磁機(jī)構(gòu)與真空斷路器. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2002. LIN Xin. Permanentmagnet and vacuum breaker. Beijing:China Machine Press, 2002. [2] 王仁祥.常用低壓電器原理及其控制技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001. WANG Renxiang. Common low-voltage apparatus and its controlling. Beijing:China Machine Press, 2001. [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(shù)控電器有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》Q/78014280-X.2-2006. 備案號(hào)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(shù)控接觸器，中國(guó) ,專利號(hào)：ZL2005100209164 授權(quán)日：2005-12-24. LIU Jinping. integrated digital controlled contactor: China, ZL2005100209164. 2005-12-24. [6] 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(guó) ,專利號(hào)：ZL2005100216420 授權(quán)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(yīng)用.北京:清華大學(xué)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(shí)用手冊(cè).北京:人民郵電出版社,2004. YANG Bangwen.Application manual of new type relays.Beijing:Posts And Telecom Press. 劉昊（1982），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)控低壓電器及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Email: tremain@sina.com 劉津平（1952），男，大學(xué)，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)控低壓電器。Email：cnrgdq@sina.com 劉玉潔（1982），女，學(xué)士，助理工程師，從事電子電路設(shè)計(jì)開發(fā)。Email：Jellyberryliu@yahoo.com.cn Integrated digital controlled contactor