一體化數(shù)控接觸器的設計與實現(xiàn)

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、永磁機構，內(nèi)置電源、驅動電路，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)設計電子電路，在保證“強弱電”緊密結合的同時，提高電磁兼容性，其高度集成化的設計，打破了傳統(tǒng)的設計理念。一體化數(shù)控接觸器以高性能為基礎，信息化為主導，兼?zhèn)涔?jié)能環(huán)保的技術特征代表了交流接觸器未來發(fā)展的主要趨勢。
關鍵詞：數(shù)控接觸器、高度集成化，永磁機構，內(nèi)置電源、輸出端及功能擴展模塊，自配合控制系統(tǒng)
中圖分類號：TM572，TP393

0 引言
        低壓電器是指在低壓配電和控制系統(tǒng)中起開關、控制、保護等作用的元件。它的品種、規(guī)格繁多，在工業(yè)過程自動化以及低壓終端供電這兩大領域的應用十分廣泛。交流接觸器有著扎實的市場基礎，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特征；降低運行成本、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發(fā)展的主要趨勢。
        在工業(yè)現(xiàn)場自動化過程控制系統(tǒng)的中存在著大量的局部控制與執(zhí)行機構。在工程設計中常常選用傳感器、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)方法設計的控制系統(tǒng)存在電路結構復雜、運動可控性差、能耗高、元器件易損等問題。本文介紹了根據(jù)文獻[5]所提出一體化數(shù)控接觸器的設計方案能夠解決上述存在的問題。

1 方案實現(xiàn)構思與難點
        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，永磁機構，內(nèi)置電源、驅動電路，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）。
 

圖1

1.1實現(xiàn)目標的構思
（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獨立的電源，分別為驅動電路和控制電路供電。
（2）一體化數(shù)控接觸器動作頻率設計為600次/小時，在間隔時間內(nèi)為儲能電容充電，用儲備電能平緩起動電流的沖擊。
（3）利用儲能電容組中的電場在極短的時間內(nèi)對勵磁線圈放電[1]，形成單脈沖觸動電流激發(fā)脈沖磁場，達到主觸頭閉合，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、電流輸出能力強的特點，使勵磁電流能夠在最短時間內(nèi)達到峰值，以及在到達峰值后快速歸零時及時關斷。
（5）通過“USB”接口及外接功能擴展模塊，連接各類傳感器或可編程邏輯控制器，進行模擬量、位置、順序、時間及遠程控制。
1.2實現(xiàn)方案的難點
（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、控制電路及擴展電路的設計要做到盡可能地簡化。
（2）電路板的安裝空間是密閉的，要嚴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，作為接觸器操動及功能擴展模塊供電的電源。
（4）在接觸器內(nèi)部狹窄的空間內(nèi)設計“強電”與“弱電”緊密結合的產(chǎn)品，電磁兼容的設計有相當?shù)碾y度。

2 項目技術方案
2.1 內(nèi)置電源電路[5]
        電源電路（見圖2）由兩個相對獨立的電源支路構成，分別擔負著向控制電路及擴展接口供電任務。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，儲能電容C3、C4，組成電源VC1和電源VC2。接觸器吸合時由VC2供電，分斷時由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”接口為擴展模塊提供電源VC4。
電源電路的設計要點分析：
（1）小型變壓器有一定的過載能力，空載電壓是標稱值的1.6倍，適用于在接觸器動作間隔時間內(nèi)向儲能電容充電。
（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獨立的電源，接觸器在吸合時VC2電壓值瞬間大幅下降，由于D2、D3的隔離和C1的儲能作用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，避免了接口連接時出現(xiàn)過載或短路損壞電源。

圖2
2.2 驅動電路[5]
 

圖3
        圖3是驅動電路原理圖。其工作過程為：當接通電源后，勵磁線圈KM的兩端經(jīng)切換開關JK1、JK2接地，接觸器處于待命狀態(tài)。在控制端UB-2為“1”時，觸發(fā)二極管D5導通→繼電器J3閉合→繼電器J2閉合，勵磁線圈KM經(jīng)切換開關JK2常開點得電，靠電、永磁力使主觸頭閉合。經(jīng)延時后J2釋放，勵磁線圈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，觸發(fā)二極管D5截止→繼電器J3釋放→繼電器J1閉合，勵磁線圈KM經(jīng)切換開關JK1常開點得電，反向磁場在抵消永磁力的同時靠復位彈簧力使主觸頭分斷，并保持分斷的狀態(tài)[8]。
驅動電路的設計要點分析：
（1）提高能效降低接觸器起動功率
      依據(jù)電磁理論及匝安特性分析[3]，當勵磁線圈的匝數(shù)確定時，電磁場的強度取決于流經(jīng)勵磁線圈的電流值和擺率，也就是說，當勵磁線圈和儲能電容組成的LRC電路，工作在諧振狀態(tài)時其能效值最高。
（2）利用儲能電容組來實現(xiàn)脈沖波[1]
       圖中儲能電容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。電容容量的設定，下限應能滿足勵磁所需能量，上限應能使勵磁電流在到達峰值后快速歸零。
（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、溫升低的優(yōu)勢，能夠滿足觸動電流在最短時間內(nèi)到達峰值的技術要求；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時切換來解決。
2.3 擴展電路[5]
        由內(nèi)置直流電源、驅動電路,“USB”輸出接口，功能擴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。擴展接口UB采用“USB”接口形式，由DC12V(20mA)恒流電源，兩個邏輯控制端口，一個公共地線組成，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                 分斷
1             1                 分斷
0             1                 分斷
注：  邏輯 1（最?。〥C5V；邏輯 0（最大）DC2V。

       在功能擴展方面，可通過運算放大器或比較器（見圖4）連接各類集成傳感器，如：溫度、濕度、壓力、磁（霍爾）、光敏、氣敏等實施模擬量的控制。也可以外接數(shù)字電路、單片機、PLC進行位置、順序、時間控制；或通過現(xiàn)場總線接口模塊與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)連接。
 

圖4
2.4 永磁機構
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