環(huán)保節(jié)能型節(jié)觸器的原理及電路分析

摘 要：環(huán)保節(jié)能接觸器（專利號(hào)：97227133.3），是一種新型接觸器，是傳統(tǒng)接觸器、繼電器的理想換代產(chǎn)品。本產(chǎn)品以節(jié)能、長(zhǎng)壽、環(huán)保為目的，利用硬磁（永磁）材料能、保持、穩(wěn)定的磁性特點(diǎn)通過內(nèi)部相關(guān)電路對(duì)硬磁鐵芯充磁，退磁達(dá)到控制觸頭的通斷，與普通接觸器相比，節(jié)能90%以上。

關(guān)鍵詞：節(jié)能；節(jié)觸器

1 緒論

接觸器作為構(gòu)成工業(yè)，電力自動(dòng)控制系統(tǒng)中的主要器件，廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)及國(guó)防工業(yè)中，它在電力配送，自動(dòng)控制，電能的分配與應(yīng)用中起著開關(guān)、控制、保護(hù)與調(diào)節(jié)等作用。在實(shí)際運(yùn)用中主要用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距控制通斷或以小電流、低電壓對(duì)大電流、高電壓通道的控制，將微機(jī)、可編程控制器的指令轉(zhuǎn)換為對(duì)內(nèi)、外部負(fù)載的控制，是現(xiàn)代化工業(yè)電氣控制系統(tǒng)中必不可少的主要控制器件。

2 節(jié)能接觸器與普通接觸器的性能比較

普通接觸器主要由電磁線圈，硅鋼片疊裝軟芯組成，其工作原理是通過對(duì)線圈供電，產(chǎn)生磁場(chǎng)，使磁芯吸合帶動(dòng)觸頭接通或斷開。這種方式的缺點(diǎn)是線圈必須長(zhǎng)期通電工作，根據(jù)控制功率不同，功率消耗通常在8-40瓦左右。不僅耗能大，會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，導(dǎo)致線圈發(fā)熱，影響使用壽命。

本節(jié)能接觸器（專利號(hào)：97227133.3），是一種新型接觸器，是傳統(tǒng)接觸器、繼電器的理想換代產(chǎn)品，其用途廣泛，能廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及變，配、送電系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。本產(chǎn)品以節(jié)能、長(zhǎng)壽，環(huán)保為目的，利用硬磁（永磁）材料能、保持、穩(wěn)定的磁性特點(diǎn)通過內(nèi)部相關(guān)電路對(duì)硬磁鐵芯充磁，退磁達(dá)到控制觸頭的通斷。接觸器在整個(gè)工作過程中，耗電極少，線圈僅在通電的瞬間消耗外部控制電能，且通過儲(chǔ)能電容將此充磁后的電能儲(chǔ)存，供退磁時(shí)使用。在吸合后的保持階段不消耗電能，鐵芯依靠通電時(shí)充磁產(chǎn)生的剩磁保持吸合，與普通接觸器相比，節(jié)能90%以上。節(jié)能接觸器的線圈每次通電一時(shí)間小于1秒，故溫升僅為普通產(chǎn)品的一千分之一，沒有因發(fā)熱過流等造成損壞現(xiàn)象線圈壽命比普通產(chǎn)品延長(zhǎng)1000倍以上，接近自然氧化的極限值。

控制接線方式與普通接觸器一樣，在替換時(shí)不必改動(dòng)任何接線，完全兼容國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有接觸器的安裝、使用方式。并且可以采用交流電源控制或直流電源控制的任意方式，適應(yīng)電壓波動(dòng)范圍比普通產(chǎn)品寬15%-20%，無交流噪聲與渦流損耗。鐵芯采用澆鑄成型，減少了制造工藝的復(fù)雜性，抗干擾能力強(qiáng)。

3 控制原理分析

節(jié)能接觸器工作過程包括充磁吸合、保持、退磁復(fù)位三個(gè)階段。外部控制電路接通時(shí)，由相關(guān)控制電路對(duì)線圈（1）提供充磁電流（2），硬磁靜鐵芯（3）被充磁，建立磁場(chǎng)N.S極，動(dòng)鐵芯被吸引帶動(dòng)觸頭壓下復(fù)位彈簧吸合，同時(shí)，此充磁電能經(jīng)過線圈后，被儲(chǔ)能電容C2、C3儲(chǔ)存以供退磁時(shí)使用。

當(dāng)外電路關(guān)斷時(shí)，鐵芯退磁，由相關(guān)電路的儲(chǔ)能、濾波電容C，對(duì)線圈提供與充磁電流、電壓反相的退磁電流（11），產(chǎn)生與鐵芯剩磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)S.N抵消鐵芯剩磁、鐵芯在磁場(chǎng)消失或減弱的情況下不再吸合，動(dòng)鐵芯在復(fù)位彈簧的作用下帶動(dòng)觸頭斷開。

節(jié)能接觸器內(nèi)部控制電路，由一個(gè)整流電路，一個(gè)鉗位電路和一個(gè)充、退磁電路（含濾波電路）組成。

3.1 電路分析

3.1.1 橋式整流電路分析

其整流情況根據(jù)外部控制電源的情況不同，分為三種：（1）外部以交流方式控制時(shí)；（2）外部以脈動(dòng)直流方式控制時(shí)；（3）外部以平穩(wěn)直流方式控制時(shí)。當(dāng)外部以交流電源方式控制時(shí)，電源接通后，在交流電正半周時(shí)，控制端1為正電壓，2端電壓為0V。由于整流二極管的單向?qū)ㄌ匦訢1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止，在A、B兩端得到上正下負(fù)的電壓，由D4流到控制端2，在交流電過零時(shí)，控制端1、2均為零電壓，D1、D2、D3、D4全部截止，無電流通過，要交流電負(fù)半周時(shí)，控制端1為0電壓，控制端2為負(fù)電壓，D1、D4截止，D2、D3導(dǎo)通，電流經(jīng)過D3供給后面電路，在AB兩端仍然得到上正下負(fù)的電壓。見圖3。

正負(fù)兩個(gè)半周的電壓經(jīng)過二極管D1、D2、D3、D4整流后成為脈動(dòng)直流電，該脈動(dòng)直流電將由后面電路的儲(chǔ)能濾波電容C2、C3濾波為平穩(wěn)直流電。

3.1.2外部脈動(dòng)直流電源控制電路分析。當(dāng)外部以脈動(dòng)直流電源方式控制時(shí)：a.電源正極接1端，負(fù)極接2端；b. 電源正極接2端，負(fù)極接1端。

a.電源正極接1端，負(fù)極接2端時(shí)，在直流脈動(dòng)電流、電壓的脈動(dòng)期間二極管D2、D3截止，D1、D4導(dǎo)通電流通過D1供給后面電路，在A、B兩端形成上正正負(fù)的電壓。b.電源正極接2端，負(fù)極接1端時(shí)，在直流脈動(dòng)電壓、電流的脈動(dòng)期間，二極管D1、D4截止，D2、D3導(dǎo)通，電流通過D2供給后面電路，在A、B兩端同樣形成上正下負(fù)的電壓。

3.1.3 外部以平穩(wěn)直流方式控制時(shí)外部以平狠直流方式控制時(shí)：a.直流電源正極接1端，負(fù)極接2端；b.直流電源正極接2端，負(fù)極接1端。a.直流電源正極接1端，負(fù)極接2端時(shí)，D2、D3截止，D1、D4導(dǎo)通，電流經(jīng)D1供給后面電路，經(jīng)D4流回2端，在A、B兩端得到平穩(wěn)直流電。b.直流電源正極接2端，負(fù)極接1端時(shí)，D2、D3導(dǎo)通，電流經(jīng)D3供給后面電路，經(jīng)D2流回1端，在A、B兩端得到平穩(wěn)直流電。

3.2 鉗位電路

BG1、R1、C2、C1、R3共同組成鉗位電路中；在磁芯充磁及保持階段時(shí)，控制BG2截止，使退磁電路不工作，R1為鉗位管BG1提供正向偏置電流，C1消除交流脈沖，直流脈動(dòng)脈 沖，及各種干擾脈沖對(duì)BG1工作狀態(tài)的干擾，R3、C4使鉗位可靠。在保持階段時(shí)，C2、C3同時(shí)將脈動(dòng)直流電濾波為平穩(wěn)的直流電。（見圖5）

在充磁及保持時(shí)，A、B兩端行到上正下負(fù)的電壓，該電壓經(jīng)過偏置電阻R1降奪，限流后提供給三極管BG1的基極，BG1飽和導(dǎo)通，電流從BG1的集電極流向發(fā)射極，故D點(diǎn)電位降低接近OV，退磁三極管BG2因基極無電壓而截止，退磁電路不工作。BG1導(dǎo)通后，C點(diǎn)電位約為0.6V。電阻R3兩端會(huì)產(chǎn)生電壓降，故BG2的基極E點(diǎn)的電位不會(huì)高于D點(diǎn)的電位，使鉗位可靠。

在電源接通瞬間，控制電壓分兩路，一路經(jīng)過二極管D5加在BG2的集電極上，以經(jīng)過D6、線圈L、電阻R2，加在BG1的集電極上，并通過R3加在BG2的基極上；另一路通過R1加在BG1的基極上，如果不加以控制，將可能出現(xiàn)三種情況：（1）BG1、BG2同時(shí)導(dǎo)通，BG1將在BG2尚處于導(dǎo)通后的放大狀態(tài)階段將BG2鉗位截止；（2）BG2比BG1提前導(dǎo)通，BG1將在BG2處于導(dǎo)通后的放大狀態(tài)階段或飽和導(dǎo)通階段將BG2鉗位截止，（3）BG1比BG2提前導(dǎo)通，BG1將在BG2尚未導(dǎo)通的時(shí)候?qū)G2鉗位截止。

3.3充、退磁電路部分

BG2、R2、R3、C2、C3、C4、D5、D6及線圈L組成充、退磁電路，當(dāng)外部控制電源斷開時(shí)，儲(chǔ)能電容C2、C3經(jīng)D6、R2、R3為BG2提供偏置電壓、電流，使E點(diǎn)電位迅速升高，BG2飽和導(dǎo)通，C3在充磁時(shí)儲(chǔ)存的電能反向流過線圈L，通過BG2釋放，線圈產(chǎn)生與充磁時(shí)相反的磁場(chǎng)抵消鐵芯剩磁。鐵芯剩磁迅速減弱及消失，接觸器斷開。此時(shí)D5阻止C3向鉗位電路放電，使鉗位電路停止工作；D6阻止C2向線圈L放電，為下一次吸合作好準(zhǔn)備。

4 制造工藝要求

4.1 因本專利（97 2 27133.3）的主要技術(shù)部分在硬磁鐵芯、充退線圈、相關(guān)控制電路。

4.2 鐵芯的材料選擇：永磁鋼：動(dòng)、靜鐵芯材料。鑄造工藝成型，采用砂模鑄造、金屬模鑄造失蠟澆鑄

4.3 鐵芯的尺寸計(jì)算：

可靠磁力=（復(fù)位彈簧推力+動(dòng)鐵芯重量+連接件重量）×（1.5～10）

磁場(chǎng)吸合面磁場(chǎng)強(qiáng)度=可靠磁力×距離對(duì)數(shù)

截面積（2）=磁場(chǎng)強(qiáng)度/單位面積確定的磁通量

底部和單邊截面積S=中心截面積S/2

4.4 線圈的材料選擇與制作：根據(jù)在額定控制電壓下接觸器吸合所需要的可靠吸引力。

4.5 復(fù)位彈簧。根據(jù)接觸器的不同結(jié)構(gòu)，可選用各種不同形狀的彈簧作復(fù)位用，例如：錐狀、柱狀、圈狀等。

4.6整流二極管。根據(jù)額定控制電壓剩以1.414為最小電流值選出適用的型號(hào)。

4.7 D1-D4及D6，耐壓要求較高，以承受C3時(shí)的反沖擊電壓。

4.8 BG1參數(shù)確定。根據(jù)1.41倍額定控制電壓，確定BG1的最小功率的NPN型硅管或鍺管。對(duì)頻率特性。

4.9 抗干擾電容C1、C4。C1的時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于C4的時(shí)間常數(shù)，考慮到通斷瞬間的脈沖電壓影響，建議按額定控制電壓值確定C1、C4的耐壓值。

4.10 R1、R2的阻值可取20K～300K左右，在控制電壓為220VAC時(shí)，R1取170～200K，R2取170K～200K，R3取500K～10K，的固定電阻，有碳膜電阻、碳質(zhì)電阻、金屬膜電阻、線繞電阻等，一般選擇1/2W-1W的普通碳膜色環(huán)電阻即可。

作者簡(jiǎn)介：蔡斌（1964.6-）男，云南人，昭通市煙草公司，研究方向：環(huán)保。