摘要：本文叙述的一体化数控接触器,是一种高度集成化的接触器产品，由主触头、灭弧装置、永磁机构，内置电源、驱动电路，控制电路、输出端口及绝缘基座组成，能够通过“USB”接口、功能扩展模块，直接连接传感器或控制器组成自配合控制系统；并在接触器内部狭窄的空间内设计电子电路，在保证“强弱电”紧密结合的同时，提高电磁兼容性，其高度集成化的设计，打破了传统的设计理念。一体化数控接触器以高性能为基础，信息化为主导，兼备节能环保的技术特征代表了交流接触器未来发展的主要趋势。
关键词：数控接触器、高度集成化，永磁机构，内置电源、输出端及功能扩展模块，自配合控制系统
0 引言
    低压电器是指在低压配电和控制系统中起开关、控制、保护等作用的元件。它的品种、规格繁多，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。交流接触器有着扎实的市场基础，尤其是中高端的产品更有发展潜力[2]。能够体现产品的节能环保、信息化及多功能的技术特征；降低运行成本、提高安全可靠性、让产品使用更具人性化是未来交流接触器技术发展的主要趋势。
    在工业现场自动化过程控制系统的中存在着大量的局部控制与执行机构。在工程设计中常常选用传感器、控制器、中间继电器及交流接触器组成控制系统，其传统方法设计的控制系统存在电路结构复杂、运动可控性差、能耗高、元器件易损等问题。本文介绍了根据文献[5]所提出一体化数控接触器的设计方案能够解决上述存在的问题。
1 方案实现构思与难点
     一体化数控接触器是一种高度集成化的接触器产品，由主触头、灭弧装置，永磁机构，内置电源、驱动电路，控制电路、输出端口及绝缘基座组成；通过“USB”接口、功能扩展模块，连接传感器或可编程逻辑控制器组成自配合控制系统。（见图1）。

图1

1.1实现目标的构思 
    （1）选用输出电压AC9V×2的小型变压器，采用桥式整流和全波整流方式获取两组相对独立的电源，分别为驱动电路和控制电路供电。
    （2）一体化数控接触器动作频率设计为600次/小时，在间隔时间内为储能电容充电，用储备电能平缓起动电流的冲击。
    （3）利用储能电容组中的电场在极短的时间内对励磁线圈放电[1]，形成单脉冲触动电流激发脉冲磁场，达到主触头闭合，永磁体充磁的双重目的。
    （4）采用继电器控制电路充分发挥其接触阻抗低、电流输出能力强的特点，使励磁电流能够在最短时间内达到峰值，以及在到达峰值后快速归零时及时关断。
    （5）通过“USB”接口及外接功能扩展模块，连接各类传感器或可编程逻辑控制器，进行模拟量、位置、顺序、时间及远程控制。
    1.2实现方案的难点
    （1）控制电路板要安装在接触器内部（体积：60mm×60mm×25mm）直流电源、控制电路及扩展电路的设计要做到尽可能地简化。
    （2）电路板的安装空间是密闭的，要严格抑制电路元器件的温升。
    （3）受上述条件的限制选用功率3W小型密封变压器，作为接触器操动及功能扩展模块供电的电源。
    （4）在接触器内部狭窄的空间内设计“强电”与“弱电”紧密结合的产品，电磁兼容的设计有相当的难度。
2 项目技术方案
2.1 内置电源电路[5]
    电源电路（见图2）由两个相对独立的电源支路构成，分别担负着向控制电路及扩展接口供电任务。图2中T1是功率3W 输出电压AC9V×2的小型密封变压器。由变压器T1的3、5输出端，整流桥D1，储能电容C3、C4，组成电源VC1和电源VC2。接触器吸合时由VC2供电，分断时由VC1供电。另一支路由T1的3、4、5输出端，经二极管D2、D3全波整流，电容C1滤波组成电源VC3，经恒流源电路、“USB”接口为扩展模块提供电源 VC4。
    电源电路的设计要点分析：
    （1）小型变压器有一定的过载能力，空载电压是标称值的1.6倍，适用于在接触器动作间隔时间内向储能电容充电。
    （2）T1选用输出端有中间抽头的变压器，通过不同整流方式获取两组相对独立的电源，接触器在吸合时VC2电压值瞬间大幅下降，由于D2、D3的隔离和C1的储能作用VC3不受影响，提高了控制电路的稳定性。
    （3）VC4采用恒流源电路供电，避免了接口连接时出现过载或短路损坏电源。

图2

2.2 驱动电路[5]

图3

    图3是驱动电路原理图。其工作过程为：当接通电源后，励磁线圈KM的两端经切换开关JK1、JK2接地，接触器处于待命状态。在控制端UB-2为 “1”时，触发二极管D5导通→继电器J3闭合→继电器J2闭合，励磁线圈KM经切换开关JK2常开点得电，靠电、永磁力使主触头闭合。经延时后J2释放，励磁线圈KM断电，靠永磁体的磁力保持闭合状态。在控制端UB-2为“0”时，触发二极管D5截止→继电器J3释放→继电器J1闭合，励磁线圈KM经切换开关JK1常开点得电，反向磁场在抵消永磁力的同时靠复位弹簧力使主触头分断，并保持分断的状态[8]。
    驱动电路的设计要点分析：
    （1）提高能效降低接触器起动功率
    依据电磁理论及匝安特性分析[3]，当励磁线圈的匝数确定时，电磁场的强度取决于流经励磁线圈的电流值和摆率，也就是说，当励磁线圈和储能电容组成的LRC电路，工作在谐振状态时其能效值最高。
    （2）利用储能电容组来实现脉冲波[1]
    图中储能电容C4是由多只电解电容并联组成的电容组，旨在降低内阻提高瞬态电流输出能力。电容容量的设定，下限应能满足励磁所需能量，上限应能使励磁电流在到达峰值后快速归零。
    （3）选用继电器控制方式[8]
    本电路的功能转换控制选用继电器控制电路，是由于继电器与晶体管相比具有电流输出能力强、温升低的优势，能够满足触动电流在最短时间内到达峰值的技术要求；继电器存在的“触头易损”缺陷，可以通过在电路电流值接近于过零点时切换来解决。
2.3 扩展电路[5]
    由内置直流电源、驱动电路,“USB”输出接口，功能扩展模块及外接传感器组成的一体化控制系统。其中“USB”接口端子起到承上启下的作用。扩展接口UB采用“USB”接口形式，由DC12V（20mA）恒流电源，两个逻辑控制端口，一个公共地线组成，具有短路能力。接口的2、3端的逻辑控制能力见下表：
UB- 2           UB-3             主电路工作状态
1             0                 接通
0             0                 分断
1             1                 分断
0             1                 分断
注：  逻辑 1（最小）DC5V；逻辑 0（最大）DC2V。

    在功能扩展方面，可通过运算放大器或比较器（见图4）连接各类集成传感器，如：温度、湿度、压力、磁（霍尔）、光敏、气敏等实施模拟量的控制。也可以外接数字电路、单片机、PLC进行位置、顺序、时间控制；或通过现场总线接口模块与现场总线控制系统连接。

图4

2.4 永磁机构
 一体化数控接触器的永磁机构与参考文献[6]中低功耗数控接触器的永磁机构相同见图5，其结构特征不再赘述。

图5

    当前，在新型接触器产品研发中采用永磁机构方案的很多，各种设计方案都有自己独到之处。永磁体是永磁机构的核心部件，是磁路中新增加的磁源。接触器的接通与分断状态对磁场强度的要求是截然相反的。本方案的技术特征是通过触动电流在最短的时间内达到峰值，及到达峰值后能快速归零的单脉冲触动方式，在接触器通、断操动的同时，对永磁体的进行充磁与退磁获取不同的磁性能。经实际检测，永磁体在经过瞬变脉冲磁场（过饱和）充磁后，对动铁心的吸合力增加值不小于30N。永磁机构仍然是一种电磁操动机构,对动铁心吸引过程的初始动力主要来源于电磁。由硅钢片组成的铁心导磁率优于永磁体，依据磁性材料的各向异性将永磁体镶嵌在静铁心中，静铁心两个侧面的硅钢片保持完整，在铁心中形成了软磁路与硬磁路的特殊组合，通过多磁路的叠加，使动态磁吸力指标达到最佳。
3 主要技术创新点
    （1）接触器电磁理论的应用创新
    传统的交流接触器直接采用AC220V驱动，在主触头闭合后大量的电能转化为热量散布在励磁线圈中，新型交流接触器内含电子电路，将起动时间限定在100ms,对50Hz交流电来说至少需要4个周期才能完成起动过程，励磁电流的变化率（摆率）取决于交流电频率。
    从电磁理论分析得知脉冲磁场的产生不但与电流的强度有关，而且与电流的变化率有关；也就是说，励磁电流能够在最短的时间内到达峰值，以及在到达峰值后能快速归零的波形其有效值是最高的。
    据此，一体化数控接触器的设计采用了单脉冲驱动方式，以缩短起动时间、提高电能利用率的方式，将大规格交流接触器的功率消耗降低了两个数量级，实现了电磁理论的应用创新。
    （2）接触器设计理念的创新
    当前业界在组织新一代接触器产品开发时，往往立足于提高部分技术指标来缩短与国际先进水平的差距。数控接触器的设计理念则是引领交流接触器步入 “信息化”的快车道。其特征如下：首先，信息化的载体是电子电路，数控接触器必须能够兼容电子电路，为信息化的实施搭建一个全新的技术平台[7]。其次，信息化的实施将导致工业现场控制系统日趋大型化、复杂化；作为终端执行器件的接触器必须在功率消耗、运动可控及环境适应性方面取得突破性进展，以全新的理念融入信息化时代。
    （3）接触器核心技术指标的突破性创新
    一体化数控接触器的各项技术指标，均优于现有技术的交流接触器，其核心技术指标和环境适应性指标取得了突破性进展。结合SY型（一体化）数控接触器的技术标准[4]举例说明如下：

4.结语
    社会经济的发展对电能的需求和依赖不断地增大，承担电能的传输与分配、用电设备保护与控制任务的低压电器显得更为重要。世界各国十分重视低压电器的发展，投入大量的资金进行研发。我国社会稳定、创新盛行，建设创新型国家已是各级政府的共识。随着新型工业化步伐的加快，节能环保标准的提高，一个大规模的设备和固定资产更新期正在到来，新型电器元件将取代传统电器元件成为市场主体。一体化数控接触器以高性能为基础，信息化为主导，兼备节能环保的技术特征代表了交流接触器未来发展的主要趋势，其设计理念的创新、技术性能的优势将引领交流接触器步入信息化的未来。

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. 一体化数控接触器，中国 ,专利号：ZL2005100209164  授权日：2005-12-24.
LIU Jinping. integrated digital controlled contactor: China,  ZL2005100209164. 2005-12-24.
[6] 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.
 [7]郭银程，吕文红.电磁兼容原理及应用.北京:清华大学出版社,2004.
GUO Yincheng，Lv Wenhong.The principle of EMC and its appliction.Beijing: Tsinghua University Press,2004.
[8] 杨帮文.新型继电器实用手册.北京:人民邮电出版社,2004.
 YANG Bangwen.Application manual of new type relays.Beijing:Posts And Telecom Press.