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低功耗數(shù)控接觸器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

時(shí)間:2008-12-16 10:54:48來源:fenghy

導(dǎo)語:?本文敘述的低功耗數(shù)控接觸器,是一種為適應(yīng)新型工業(yè)自動化控制、低壓供電控制系統(tǒng)復(fù)雜化而設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)開關(guān)元件

摘要:本文敘述的低功耗數(shù)控接觸器,是一種為適應(yīng)新型工業(yè)自動化控制、低壓供電控制系統(tǒng)復(fù)雜化而設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)開關(guān)元件,產(chǎn)品通過采用間隔儲能、單脈沖觸動電流、永磁機(jī)構(gòu)與程序控制技術(shù)構(gòu)成的控制系統(tǒng),操動接觸器閉合與分?jǐn)?。解決了100A~800A規(guī)格接觸器低功率起動、運(yùn)動可控、嚴(yán)酷環(huán)境使用的三大技術(shù)難題。其主要技術(shù)特點(diǎn):(1)起動功率4.352 VA;保持功率0.116VA;運(yùn)行耗電量0.0022kW/h;(2)工作電壓DC24V;線圈溫升值6K;閉合噪聲值不大于10dB;(3)在同一元件上實(shí)現(xiàn)了電力與電子的結(jié)合。使產(chǎn)品具有節(jié)能、環(huán)保及信息化的技術(shù)特征。

關(guān)鍵詞:低功耗數(shù)控接觸器、間隔儲能、低功率起動、單脈沖觸動電流、程序控制驅(qū)動電路及永磁機(jī)構(gòu)。

0 引言

交流接觸器在工業(yè)過程自動化以及低壓終端供電這兩大領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛,有著扎實(shí)的市場基礎(chǔ)[2]。但是現(xiàn)有技術(shù)的交流接觸器在工業(yè)過程自動化領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)存在著:起動功率大、運(yùn)動可控性差、系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜等主要問題。 附言說明:本產(chǎn)品于2006年12月通過由四川省科技廳主持的科技成果鑒定,(《科技成果鑒定證書》川科鑒字[2006]第451號,登記號:9512007Y0011)結(jié)論:達(dá)到國際先進(jìn)水平。 本項(xiàng)目已獲國家發(fā)明專利,專利號為ZL200510021642.0 尤其是在可編程邏輯控制器件(PLC)驅(qū)動大型交流接觸器時(shí),需要經(jīng)過中間級放大才能實(shí)現(xiàn),并且需要專設(shè)控制電路降低吸合時(shí)的功耗,制約了控制系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展。 本文介紹了根據(jù)文獻(xiàn)[5]所提出的低功耗數(shù)控接觸器,是一種為適應(yīng)新型工業(yè)自動化控制、低壓供電控制系統(tǒng)復(fù)雜化而設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)開關(guān)元件。低功耗數(shù)控接觸器在秉承交流接觸器基本性能的基礎(chǔ)上,運(yùn)用編程代碼控制技術(shù)對主電路電流的接通、承載及分?jǐn)嗖賱舆^程進(jìn)行控制,使得產(chǎn)品的核心技術(shù)性能指標(biāo)得到大幅度提升。

1 技術(shù)方案構(gòu)思

本項(xiàng)目的技術(shù)方案構(gòu)思為:低功耗數(shù)控接觸器的工作頻率為1200次/小時(shí),間隔時(shí)間為3秒,在間隔時(shí)間內(nèi)為儲能電容充電,用積聚電能平緩起動時(shí)的電流沖擊;利用儲能電容對勵磁線圈放電形成的單脈沖觸動電流,結(jié)合永磁機(jī)構(gòu),控制電路精確控制觸動電流在過零點(diǎn)處切換,完成主觸頭閉合,同時(shí)依靠永磁吸力保持閉合狀態(tài)。通過上述構(gòu)思實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保以及信息化的技術(shù)特征。

產(chǎn)品的主要技術(shù)特點(diǎn)是:

(1)大容量接觸器起動功率小于8VA的產(chǎn)品,國內(nèi)外尚屬空白。降低起動功率不僅僅是為了節(jié)能,其核心作用在于能夠兼容電子電路,實(shí)現(xiàn)信息化。SD-100低功耗數(shù)控接觸器的起動功率實(shí)測值:4.352 VA

(2)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入晶體管的設(shè)計(jì)理念,設(shè)置了類似于基極的控制端子,實(shí)現(xiàn)了在同一元件上 “強(qiáng)電”與“弱電”的結(jié)合。接入電子電路的方法及功耗相當(dāng)于一只普通的中功率晶體管,其驅(qū)動方式可選擇兼容或隔離的形式,極大地方便了自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),為實(shí)現(xiàn)信息化搭建了一個(gè)可行的技術(shù)平臺。

(3)克服交流接觸器與生俱來的“運(yùn)動不可控性”。使得接觸器吸合時(shí)間和釋放時(shí)間允許誤差標(biāo)準(zhǔn)值不大于±1ms(實(shí)測最大時(shí)間誤差值:吸合-0.335ms,釋放-0.124ms)。

(4)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性有了突破性進(jìn)展。溫度、傾斜、搖擺、振動、沖擊及電磁兼容等環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo),均達(dá)到了國際先進(jìn)水平[4]。如: 低溫:工作溫度:-25℃(不間斷工作制),-40℃(1h短時(shí)工作制)。 高溫:工作溫度:55℃(不間斷工作制),70℃(1h短時(shí)工作制)。

下表是本產(chǎn)品和國外GMC系列產(chǎn)品部分特性指標(biāo)對比:

在進(jìn)行SD-180型低功耗數(shù)控接觸器產(chǎn)品演示時(shí),僅用了兩節(jié)9V(6LR61)疊層電池為電源操動,開創(chuàng)了下一代新型接觸器的新紀(jì)元。

2 項(xiàng)目技術(shù)方案 [5]

低壓電器的技術(shù)創(chuàng)新是在技術(shù)試錯(cuò)的試驗(yàn)中完成的。立足于科學(xué)試驗(yàn)和理性驗(yàn)證,是研究及揭示接觸器的內(nèi)在運(yùn)動規(guī)律的有效途經(jīng)。

2.1 內(nèi)置驅(qū)動電路[5]

圖1

圖1示出了驅(qū)動電路原理圖。驅(qū)動電路安裝在低功耗數(shù)控接觸器的基座內(nèi),與低功耗數(shù)控接觸器構(gòu)成一個(gè)整體。 圖中電源電路有三個(gè)相對獨(dú)立的電源支路,分別擔(dān)負(fù)著向吸合、分?jǐn)嗉翱刂齐娐饭╇姷娜蝿?wù)。外部電源經(jīng)電阻R1、發(fā)光二極管D1、電容C1、三極管Q1、電阻R3、電阻R4組成的恒流源電路,向儲能電容C4充電,構(gòu)成吸合電源;外部電源經(jīng)二極管D3、電阻R5向電容C7充電,組成分?jǐn)嚯娫?;外部?源經(jīng)二極管D2向電容C3充電組成控制電源。

圖中勵磁線圈KIM通過轉(zhuǎn)換開關(guān)JK2和轉(zhuǎn)換開關(guān)JK3切換流經(jīng)勵磁線圈KM的電流方向,達(dá)到控制低功耗數(shù)控接觸器吸合、保持、分?jǐn)嗟哪康?。電路工作過程為:接通電源后,勵磁線圈KIM的兩端經(jīng)切換開關(guān)JK2和轉(zhuǎn)換開關(guān)JK3的常閉點(diǎn)接地,接觸器處于待命狀態(tài)。當(dāng)控制端C為“0”(低電平)時(shí),繼電器J1吸合,電容C5的充電電流使繼電器J2吸合,勵磁線圈KM經(jīng)切換開關(guān)JK2常開點(diǎn)得電,電容C4所儲電能驅(qū)動低功耗數(shù)控接觸器吸合。由電容C5、繼電器J2組成的LC電路,經(jīng)延時(shí)后繼電器J2釋放,勵磁線圈KIM斷電,KM中的殘余電壓經(jīng)JK2的常閉點(diǎn)釋放,低功耗數(shù)控接觸器靠永磁力保持吸合狀態(tài)。當(dāng)控制端C為“1”(高電平)時(shí),繼電器J1釋放,電容C6的充電電流使繼電器J3吸合,勵磁線圈KM經(jīng)切換開關(guān)JK3常開點(diǎn)反向得電,電容C7所儲電能驅(qū)動低功耗數(shù)控接觸器分?jǐn)?。電容C6、繼電器J3組成的LC電路,經(jīng)延時(shí)后繼電器J3釋放,勵磁線圈KM斷電,分?jǐn)酄顟B(tài)靠支撐彈簧保持。在接口電路中使用繼電器J1,提高了低功耗數(shù)控接觸器的抗干擾能力。繼電器J1可以由集成電路、單片機(jī)、PLD、LOGO、PLC等可編程邏輯控制器件直接驅(qū)動,除此之外可以通過接口電路實(shí)現(xiàn)接觸器的過熱保護(hù)、過載保護(hù)、延時(shí)等功能擴(kuò)展,使低功耗數(shù)控接觸器的外掛功能擴(kuò)展模塊電子化。

2.2 單脈沖觸動電流

低功耗數(shù)控接觸器的接通與分?jǐn)嗖賱?,要向勵磁線圈施加正向,或反向的單脈沖觸動電流,其動態(tài)過程變化規(guī)律十分復(fù)雜。單脈沖觸動電流是指在接觸器的閉合或分?jǐn)鄷r(shí),流經(jīng)勵磁線圈的觸動電流是一個(gè)脈沖波。圖2~圖5是SD-100低功耗數(shù)控接觸器與國外知名企業(yè)產(chǎn)品觸動電流波形圖的對比。 圖2和圖3分別是SD-100型低功耗數(shù)控接觸器的閉合與分?jǐn)鄷r(shí),流經(jīng)勵磁線圈的觸動電流波形圖,圖中公示的技術(shù)信息為:(1)流經(jīng)勵磁線圈的觸動電流為單脈沖,脈沖的下降沿趨緩是受到動鐵心向靜鐵心運(yùn)動過程中生成的反向電動勢的影響。預(yù)示其運(yùn)動過程完結(jié)。(2)正、反向觸動電流的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)均接近于過零點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了“無弧”切換。(3)吸合與分?jǐn)嗟挠|動電流波形上升沿陡峭,顯示其運(yùn)動可控性能優(yōu)良。

圖4是國外GMC-100交流接觸器的觸動電流波形圖,其特征為采用高頻調(diào)制技術(shù)控制觸動電流,避免了在吸合時(shí)產(chǎn)生浪涌電流,當(dāng)觸頭完全閉合后自動切換到保持狀態(tài)。圖5是國外LC1-D115交流接觸器的觸動電流波形圖,其特征為直接采用交流電流起動。在觸頭閉合后自動切換到保持狀態(tài)。其控制電路設(shè)計(jì)工藝精湛、但存在不能抑制浪涌電流的技術(shù)缺陷。從以上的分析中可以清楚地看出低功耗數(shù)控接觸器驅(qū)動方式的技術(shù)優(yōu)勢所在。

SD-100吸合波形圖
圖2 SD-100吸合波形圖
SD-100分?jǐn)嗖ㄐ螆D
圖3 SD-100分?jǐn)嗖ㄐ螆D
GMC-100波形圖
圖4 GMC-100波形圖
LC1-D115波形圖
圖5 LC1-D115波形圖

2.3 永磁機(jī)構(gòu)

圖6示出永磁機(jī)構(gòu)[1]鐵心結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1為永磁體;2為靜鐵心;3為勵磁線圈;4為動鐵心。靜鐵心為E型結(jié)構(gòu),動鐵心為I型結(jié)構(gòu)。鐵心由硅鋼片疊成,采用雙永磁體結(jié)構(gòu),永磁體鑲嵌在“E型”靜鐵心凹槽底部中間位置(如右圖所示)。接觸器在處于“分?jǐn)?rdquo;狀態(tài)時(shí),從永磁體的位置到鐵心銜接處各支路的磁阻相近,銜接處之間的靜態(tài)磁場分布均衡。由于永磁體距離動鐵心較遠(yuǎn),對動鐵心的吸力強(qiáng)度相對較弱,即使在動鐵心受到一定程度的外力干擾時(shí),也不會產(chǎn)生誤動作。當(dāng)接觸器吸合時(shí),又能沿著鐵心閉合時(shí)產(chǎn)生的低磁阻磁路,保持穩(wěn)定的“吸合”狀態(tài)。

圖6

低功耗數(shù)控接觸器主觸頭的閉合與分?jǐn)嗍强縿予F心的運(yùn)動來完成的,動鐵心是由彈簧支撐的。靜鐵心中嵌入了永磁體,在磁路中新增了一個(gè)磁源,使得低功耗數(shù)控接觸器的吸合、保持、分?jǐn)噙^程有了新的技術(shù)特征。 吸合特征:永磁機(jī)構(gòu)仍然是一種電磁操動機(jī)構(gòu),對動鐵心的磁吸力主要來源于電磁。靜鐵心由硅鋼片組成,其導(dǎo)磁性好于永磁體,依據(jù)永磁體的各向異性將其“鑲嵌”在靜鐵心中,靜鐵心兩側(cè)面的硅鋼片保持完整,在靜鐵心中形成了軟磁路與硬磁路的特殊結(jié)合,通過多磁路的疊加,使動態(tài)磁吸力指標(biāo)達(dá)到最佳。配合電容儲能式驅(qū)動電路,采用單脈沖觸動電流勵磁方式,使低功耗數(shù)控接觸器的起動功率大幅度降低。主觸頭的“吸合”在電磁力和永磁力的共同作用下完成,這種復(fù)合磁力消除了接觸器觸頭抖動的弊端。

圖7

圖7是本永磁機(jī)構(gòu)與帶有非磁性夾板的技術(shù)方案的磁路[3]對比。E型靜鐵心中的多磁路的疊加的技術(shù)特征十分明顯。 保持特征:保持過程分為吸合保持與分?jǐn)啾3?。吸合保持時(shí)勵磁線圈無維持電流,靠永磁體的磁力保持穩(wěn)定的吸合狀態(tài),要求永磁體磁力盡可能強(qiáng);而分?jǐn)啾3謺r(shí)為避免產(chǎn)生誤動作,則要求其磁力盡可能弱。實(shí)踐證明,經(jīng)磁化的永磁體不但具有剩余磁化強(qiáng)度,而且還能被外磁場磁化產(chǎn)生感應(yīng)磁化強(qiáng)度,低功耗數(shù)控接觸器動作時(shí),永磁體的磁性能會反復(fù)受到吸合或分?jǐn)鄷r(shí)勵磁線圈磁場變化的影響。吸合過程中勵磁線圈電流產(chǎn)生的磁場,與永磁體本身磁場方向相同,由此產(chǎn)生感應(yīng)磁化強(qiáng)度,對永磁體是一個(gè)充磁的過程,增強(qiáng)了永磁體的磁場強(qiáng)度。當(dāng)勵磁電流消除,永磁體仍會以較強(qiáng)的磁力保持動鐵心處于吸合狀態(tài)。分?jǐn)鄷r(shí)勵磁線圈中產(chǎn)生的磁場對于永磁體而言是一個(gè)退磁的過程。去磁動勢使永磁體的磁場強(qiáng)度在回復(fù)線的區(qū)間內(nèi)變化。這種充磁、退磁的交替變化不會改變永磁體的磁穩(wěn)定性,能使永磁體在吸合保持時(shí)具有較強(qiáng)的磁力,而在分?jǐn)啾3謺r(shí)其磁力相對較弱。 分?jǐn)嗵卣鳎河捎谟来朋w的嵌入,分?jǐn)鄷r(shí)需向勵磁線圈施加反向電流,以克服永磁體對動鐵心的吸力。采用單脈沖電流的驅(qū)動方式,使得接觸器分?jǐn)嗑哂辛己玫目煽匦浴?/p>

2.4 三端子接線方式

制圖符號見圖8 A1-電源端子,A2-公共端子,A3-控制端子。

圖8

所述接線端子分別為電源端子、控制端子和公共端子,類似于晶體管的集電極、基極、發(fā)射極。所述電源端子和公共端子與電源連接,電源接通時(shí)接觸器處于待機(jī)狀態(tài),控制端子和公共端子與信號源連接,主電路電流的接通、承載和分?jǐn)嗖賱樱芸赜谛盘栐吹挠行щ娖?。由于增設(shè)了類似于晶體管基極的控制端子,大大降低了接觸器的操動難度。控制端驅(qū)動能力見下表:

3 現(xiàn)場工業(yè)控制系統(tǒng)[5]

圖9和圖10是低功耗數(shù)控接觸器與晶體管輸出型的PLC組成的工業(yè)控制系統(tǒng)。佐證了其連接方式可以降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度和系統(tǒng)成本,對提高大型化、復(fù)雜化控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性尤為重要。

圖9

圖9所示的控制系統(tǒng)是本項(xiàng)目低功耗數(shù)控接觸器與開關(guān)電源及控制信號連接的應(yīng)用實(shí)例??刂葡到y(tǒng)的開關(guān)電源功率為50W,如果采用國外同規(guī)格的先進(jìn)產(chǎn)品構(gòu)建上述控制系統(tǒng),其電源功率為1200W,而且PLC控制交流接觸器要經(jīng)過中間繼電器的轉(zhuǎn)換。本項(xiàng)目的可編程邏輯控制器為PLC,輸出端Q0、Q1、Q2、Q3、分別與4臺低功耗數(shù)控接觸器的控制端C連接,組成一個(gè)商品化的硬件平臺。使用時(shí)可根據(jù)具體情況編制相應(yīng)的控制程序,達(dá)到預(yù)期的控制目的。 圖10所示是本低功耗數(shù)控接觸器在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用實(shí)例。圖中16臺低功耗數(shù)控接觸器及PLC-226與一臺300W開關(guān)電源連接,低功耗數(shù)控接觸器K1至K16的內(nèi)置解碼電路的輸入端,經(jīng)連接線與編碼電路的輸出端連接,編碼電路與PLC的輸出端連接。本實(shí)例的技術(shù)優(yōu)勢在于:控制系統(tǒng)的構(gòu)成僅使用了三根連接線,連接線的允許長度為200米。采用集中供電方式向多臺低功耗數(shù)控接觸器供電,充分發(fā)揮了開關(guān)電源安全、高效地技術(shù)優(yōu)勢。采用了編碼、譯碼控制電路,極大地簡化了控制系統(tǒng)的連接布線,對工業(yè)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有重大的現(xiàn)實(shí)意義。配以現(xiàn)場總線接口,總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度可大幅度降低。

圖10

4 結(jié)語

本文給出的低功耗數(shù)控接觸器,成功地解決了100A~800A規(guī)格接觸器低功率起動、運(yùn)動可控、嚴(yán)酷環(huán)境使用的三大技術(shù)難題。同時(shí)為工業(yè)自動化控制、低壓供電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的提供了一種新型基礎(chǔ)開關(guān)元件?;A(chǔ)元件的更新會從源頭上改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。隨之而來的產(chǎn)品更新?lián)Q代會迅速提高我國裝備制造業(yè)的總體水平和下游產(chǎn)品制造企業(yè)的核心競爭力,促進(jìn)了低壓電器行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。

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.

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[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.低功耗數(shù)控接觸器及其組成的控制系統(tǒng)(說明書),中國 ,專利號:ZL2005100216420 授權(quán)日:2006-12-20 LIU Jinping. Low voltage digital controlled contactor and its controlling system: China, ZL2005100216420. 2006-12-20. 劉津平(1952),男,大學(xué),總工程師,研究方向?yàn)閿?shù)控低壓電器。Email:cnrgdq@sina.com 劉昊(1982),男,碩士,工程師,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的穩(wěn)定性及其軟件設(shè)計(jì)。 Email: tremain@sina.com 劉玉潔(1982),女,學(xué)士,從事電子電路設(shè)計(jì)開發(fā)。

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