摘要：本文叙述的低功耗数控接触器，是一种为适应新型工业自动化控制、低压供电控制系统复杂化而设计的基础开关元件，产品通过采用间隔储能、单脉冲触动电流、永磁机构与程序控制技术构成的控制系统，操动接触器闭合与分断。解决了100A～800A规格接触器低功率起动、运动可控、严酷环境使用的三大技术难题。其主要技术特点：（1）起动功率4.352 VA；保持功率0.116VA；运行耗电量0.0022kW/h；（2）工作电压DC24V；线圈温升值6K；闭合噪声值不大于10dB；（3）在同一元件上实现了电力与电子的结合。使产品具有节能、环保及信息化的技术特征。
关键词：低功耗数控接触器、间隔储能、低功率起动、单脉冲触动电流、程序控制驱动电路及永磁机构。
0 引言
      交流接触器在工业过程自动化以及低压终端供电这两大领域的应用十分广泛，有着扎实的市场基础[2]。但是现有技术的交流接触器在工业过程自动化领域应用时存在着：起动功率大、运动可控性差、系统构成复杂等主要问题。
    附言说明：本产品于2006年12月通过由四川省科技厅主持的科技成果鉴定，（《科技成果鉴定证书》川科鉴字[2006]第451号，登记号：9512007Y0011）结论：达到国际先进水平。
    本项目已获国家发明专利，专利号为ZL200510021642.0
    尤其是在可编程逻辑控制器件（PLC）驱动大型交流接触器时，需要经过中间级放大才能实现，并且需要专设控制电路降低吸合时的功耗，制约了控制系统的应用与发展。
    本文介绍了根据文献[5]所提出的低功耗数控接触器，是一种为适应新型工业自动化控制、低压供电控制系统复杂化而设计的基础开关元件。低功耗数控接触器在秉承交流接触器基本性能的基础上，运用编程代码控制技术对主电路电流的接通、承载及分断操动过程进行控制，使得产品的核心技术性能指标得到大幅度提升。
1 技术方案构思
    本项目的技术方案构思为：低功耗数控接触器的工作频率为1200次/小时，间隔时间为3秒，在间隔时间内为储能电容充电，用积聚电能平缓起动时的电流冲击；利用储能电容对励磁线圈放电形成的单脉冲触动电流，结合永磁机构，控制电路精确控制触动电流在过零点处切换，完成主触头闭合，同时依靠永磁吸力保持闭合状态。通过上述构思实现节能、环保以及信息化的技术特征。
    产品的主要技术特点是：
    （1）大容量接触器起动功率小于8VA的产品，国内外尚属空白。降低起动功率不仅仅是为了节能，其核心作用在于能够兼容电子电路，实现信息化。SD-100低功耗数控接触器的起动功率实测值：4.352 VA
    （2）产品在结构设计中引入晶体管的设计理念，设置了类似于基极的控制端子，实现了在同一元件上 “强电”与“弱电”的结合。接入电子电路的方法及功耗相当于一只普通的中功率晶体管，其驱动方式可选择兼容或隔离的形式，极大地方便了自动化控制系统的设计，为实现信息化搭建了一个可行的技术平台。
    （3）克服交流接触器与生俱来的“运动不可控性”。使得接触器吸合时间和释放时间允许误差标准值不大于±1ms（实测最大时间误差值：吸合－0.335ms，释放－0.124ms）。
    （4）产品的环境适应性有了突破性进展。温度、倾斜、摇摆、振动、冲击及电磁兼容等环境适应性指标，均达到了国际先进水平[4]。如：
    低温：工作温度：-25℃（不间断工作制），-40℃（1h短时工作制）。
    高温：工作温度：55℃（不间断工作制），70℃（1h短时工作制）。
    下表是本产品和国外GMC系列产品部分特性指标对比：

    在进行SD-180型低功耗数控接触器产品演示时，仅用了两节9V（6LR61）叠层电池为电源操动，开创了下一代新型接触器的新纪元。
2 项目技术方案 [5]
    低压电器的技术创新是在技术试错的试验中完成的。立足于科学试验和理性验证，是研究及揭示接触器的内在运动规律的有效途经。
2.1 内置驱动电路[5]

 图1

    图1示出了驱动电路原理图。驱动电路安装在低功耗数控接触器的基座内，与低功耗数控接触器构成一个整体。
    图中电源电路有三个相对独立的电源支路，分别担负着向吸合、分断及控制电路供电的任务。外部电源经电阻R1、发光二极管D1、电容C1、三极管 Q1、电阻R3、电阻R4组成的恒流源电路，向储能电容C4充电，构成吸合电源；外部电源经二极管D3、电阻R5向电容C7充电，组成分断电源；外部电 源经二极管D2向电容C3充电组成控制电源。
    图中励磁线圈KIM通过转换开关JK2和转换开关JK3切换流经励磁线圈KM的电流方向，达到控制低功耗数控接触器吸合、保持、分断的目的。电路工作过程为：接通电源后，励磁线圈KIM的两端经切换开关JK2和转换开关JK3的常闭点接地，接触器处于待命状态。当控制端C为“0”（低电平）时，继电器J1吸合，电容C5的充电电流使继电器J2吸合，励磁线圈KM经切换开关JK2常开点得电，电容C4所储电能驱动低功耗数控接触器吸合。由电容C5、继电器J2组成的LC电路，经延时后继电器J2释放，励磁线圈KIM断电，KM中的残余电压经JK2的常闭点释放，低功耗数控接触器靠永磁力保持吸合状态。当控制端C为“1”（高电平）时，继电器J1释放，电容C6的充电电流使继电器J3吸合，励磁线圈KM经切换开关JK3常开点反向得电，电容C7所储电能驱动低功耗数控接触器分断。电容C6、继电器J3组成的LC电路，经延时后继电器J3释放，励磁线圈KM断电，分断状态靠支撑弹簧保持。在接口电路中使用继电器J1，提高了低功耗数控接触器的抗干扰能力。继电器J1可以由集成电路、单片机、PLD、LOGO、PLC等可编程逻辑控制器件直接驱动，除此之外可以通过接口电路实现接触器的过热保护、过载保护、延时等功能扩展，使低功耗数控接触器的外挂功能扩展模块电子化。
2.2 单脉冲触动电流
    低功耗数控接触器的接通与分断操动，要向励磁线圈施加正向，或反向的单脉冲触动电流，其动态过程变化规律十分复杂。单脉冲触动电流是指在接触器的闭合或分断时，流经励磁线圈的触动电流是一个脉冲波。图2～图5是SD-100低功耗数控接触器与国外知名企业产品触动电流波形图的对比。
    图2和图3分别是SD-100型低功耗数控接触器的闭合与分断时，流经励磁线圈的触动电流波形图，图中公示的技术信息为：（1）流经励磁线圈的触动电流为单脉冲，脉冲的下降沿趋缓是受到动铁心向静铁心运动过程中生成的反向电动势的影响。预示其运动过程完结。（2）正、反向触动电流的起始点和终止点均接近于过零点，实现了“无弧”切换。（3）吸合与分断的触动电流波形上升沿陡峭，显示其运动可控性能优良。
    图4是国外GMC-100交流接触器的触动电流波形图，其特征为采用高频调制技术控制触动电流，避免了在吸合时产生浪涌电流，当触头完全闭合后自动切换到保持状态。图5是国外LC1-D115交流接触器的触动电流波形图，其特征为直接采用交流电流起动。在触头闭合后自动切换到保持状态。其控制电路设计工艺精湛、但存在不能抑制浪涌电流的技术缺陷。从以上的分析中可以清楚地看出低功耗数控接触器驱动方式的技术优势所在。
  

图2 SD-100吸合波形图

图3 SD-100分断波形图

图4 GMC-100波形图

图5 LC1-D115波形图

2.3 永磁机构
    图6示出永磁机构[1]铁心结构示意图。图中：1为永磁体；2为静铁心；3为励磁线圈；4为动铁心。静铁心为E型结构，动铁心为I型结构。铁心由硅钢片叠成，采用双永磁体结构，永磁体镶嵌在“E型”静铁心凹槽底部中间位置（如右图所示）。接触器在处于“分断”状态时，从永磁体的位置到铁心衔接处各支路的磁阻相近，衔接处之间的静态磁场分布均衡。由于永磁体距离动铁心较远，对动铁心的吸力强度相对较弱，即使在动铁心受到一定程度的外力干扰时，也不会产生误动作。当接触器吸合时，又能沿着铁心闭合时产生的低磁阻磁路，保持稳定的“吸合”状态。

图6

    低功耗数控接触器主触头的闭合与分断是靠动铁心的运动来完成的，动铁心是由弹簧支撑的。静铁心中嵌入了永磁体，在磁路中新增了一个磁源，使得低功耗数控接触器的吸合、保持、分断过程有了新的技术特征。
     吸合特征：永磁机构仍然是一种电磁操动机构,对动铁心的磁吸力主要来源于电磁。静铁心由硅钢片组成，其导磁性好于永磁体，依据永磁体的各向异性将其“镶嵌”在静铁心中，静铁心两侧面的硅钢片保持完整，在静铁心中形成了软磁路与硬磁路的特殊结合，通过多磁路的叠加，使动态磁吸力指标达到最佳。配合电容储能式驱动电路，采用单脉冲触动电流励磁方式，使低功耗数控接触器的起动功率大幅度降低。主触头的“吸合”在电磁力和永磁力的共同作用下完成，这种复合磁力消除了接触器触头抖动的弊端。  

图7

    图7是本永磁机构与带有非磁性夹板的技术方案的磁路[3]对比。E型静铁心中的多磁路的叠加的技术特征十分明显。
     保持特征：保持过程分为吸合保持与分断保持。吸合保持时励磁线圈无维持电流，靠永磁体的磁力保持稳定的吸合状态，要求永磁体磁力尽可能强；而分断保持时为避免产生误动作，则要求其磁力尽可能弱。实践证明，经磁化的永磁体不但具有剩余磁化强度，而且还能被外磁场磁化产生感应磁化强度，低功耗数控接触器动作时，永磁体的磁性能会反复受到吸合或分断时励磁线圈磁场变化的影响。吸合过程中励磁线圈电流产生的磁场，与永磁体本身磁场方向相同，由此产生感应磁化强度，对永磁体是一个充磁的过程，增强了永磁体的磁场强度。当励磁电流消除，永磁体仍会以较强的磁力保持动铁心处于吸合状态。分断时励磁线圈中产生的磁场对于永磁体而言是一个退磁的过程。去磁动势使永磁体的磁场强度在回复线的区间内变化。这种充磁、退磁的交替变化不会改变永磁体的磁稳定性，能使永磁体在吸合保持时具有较强的磁力，而在分断保持时其磁力相对较弱。
    分断特征：由于永磁体的嵌入，分断时需向励磁线圈施加反向电流，以克服永磁体对动铁心的吸力。采用单脉冲电流的驱动方式，使得接触器分断具有良好的可控性。
2.4 三端子接线方式
    制图符号见图8 A1-电源端子，A2-公共端子，A3-控制端子。

图8

    所述接线端子分别为电源端子、控制端子和公共端子，类似于晶体管的集电极、基极、发射极。所述电源端子和公共端子与电源连接，电源接通时接触器处于待机状态，控制端子和公共端子与信号源连接，主电路电流的接通、承载和分断操动，受控于信号源的有效电平。由于增设了类似于晶体管基极的控制端子，大大降低了接触器的操动难度。控制端驱动能力见下表：

3 现场工业控制系统[5]
       图9和图10是低功耗数控接触器与晶体管输出型的PLC组成的工业控制系统。佐证了其连接方式可以降低了控制系统的复杂程度和系统成本，对提高大型化、复杂化控制系统运行可靠性尤为重要。

图9

     图9所示的控制系统是本项目低功耗数控接触器与开关电源及控制信号连接的应用实例。控制系统的开关电源功率为50W，如果采用国外同规格的先进产品构建上述控制系统，其电源功率为1200W，而且PLC控制交流接触器要经过中间继电器的转换。本项目的可编程逻辑控制器为PLC，输出端Q0、 Q1、Q2、Q3、分别与4台低功耗数控接触器的控制端C连接，组成一个商品化的硬件平台。使用时可根据具体情况编制相应的控制程序，达到预期的控制目的。
    图10所示是本低功耗数控接触器在工业现场的应用实例。图中16台低功耗数控接触器及PLC－226与一台300W开关电源连接，低功耗数控接触器K1至K16的内置解码电路的输入端，经连接线与编码电路的输出端连接，编码电路与PLC的输出端连接。本实例的技术优势在于：控制系统的构成仅使用了三根连接线，连接线的允许长度为200米。采用集中供电方式向多台低功耗数控接触器供电，充分发挥了开关电源安全、高效地技术优势。采用了编码、译码控制电路，极大地简化了控制系统的连接布线，对工业现场的控制系统的设计有重大的现实意义。配以现场总线接口，总线系统设计的复杂程度可大幅度降低。

图10

4 结语
    本文给出的低功耗数控接触器，成功地解决了100A～800A规格接触器低功率起动、运动可控、严酷环境使用的三大技术难题。同时为工业自动化控制、低压供电控制系统设计的提供了一种新型基础开关元件。基础元件的更新会从源头上改变传统的设计理念。随之而来的产品更新换代会迅速提高我国装备制造业的总体水平和下游产品制造企业的核心竞争力，促进了低压电器行业的技术创新和发展。

参考文献
[1] 林莘. 永磁机构与真空断路器. 北京:机械工业出版社, 2002.
LIN Xin. Permanentmagnet and vacuum breaker. Beijing:China Machine Press, 2002.
[2] 王仁祥.常用低压电器原理及其控制技术.北京:机械工业出版社,2001.
WANG Renxiang. Common low-voltage apparatus and its controlling. Beijing:China Machine Press, 2001.
[3] 蔡元宇. 电路及磁路. 北京:高等教育出版社， 1992. 
CAI Yuanyu. Electrical circuit and magnetic circuit. Beijing: High Education Press, 1992.
[4] 《四川荣高数控电器有限公司企业标准》Q/78014280-X.2-2006.
备案号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] 刘津平.低功耗数控接触器及其组成的控制系统（说明书），中国 ,专利号：ZL2005100216420  授权日：2006-12-20
LIU Jinping. Low voltage digital controlled contactor and its  controlling system: China,  ZL2005100216420. 2006-12-20.