一種新型節(jié)能交流接觸器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳坤霖　張國忠

【摘 要】交流接觸器是一種常用低壓電器，它廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)，國防等領(lǐng)域。本文以交流接觸器節(jié)能為主要研究目標(biāo)，借助三維尋跡軌道的機(jī)械自鎖原理，實(shí)現(xiàn)交流接觸器在工作的同時(shí)進(jìn)行自鎖定，可使其工作線圈幾乎做到趨近于無耗能。此外，還設(shè)計(jì)了交流接觸器控制電路，可將廠區(qū)內(nèi)所有接觸器連入工廠的無線局域網(wǎng)中，可實(shí)現(xiàn)全廠區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、斷路自檢、異常報(bào)警等功能。

【關(guān)鍵詞】交流接觸器;控制電路;軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TM572.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）26-0028-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.26.013

0 引言

接觸器的工作原理就是通過控制接在控制電路的輔助觸點(diǎn)的通斷來控制接在主電路的主觸點(diǎn)的通斷以達(dá)到控制電路的要求，它被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力生產(chǎn)等領(lǐng)域?，F(xiàn)有的各種類型的交流接觸器，為保證受電設(shè)備的可靠工作電壓和電流，對(duì)接觸器的電磁線圈必須提供足夠大的功率確保其可靠閉合;但當(dāng)接觸器的觸點(diǎn)可靠閉合后，僅維持其鐵芯的閉合狀態(tài)就能工作。而現(xiàn)有的交流接觸器在其鐵芯閉合后，仍然一直向其電磁線圈提供較大的功率，形成了較多能源的浪費(fèi)，這是至今為止尚未解決的弊端。

每支交流接觸器自身消耗的工作電流約為5A-1000A的不等，中國每年使用量約1億支，節(jié)能前景非?？捎^。

目前對(duì)接觸器節(jié)能改造的方法和措施有多種，本文采用了內(nèi)置式設(shè)計(jì)方法，在傳統(tǒng)交流接觸器內(nèi)部，通過增加三維尋跡軌道機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與交流接觸器的聯(lián)動(dòng)，以達(dá)到新型節(jié)能交流接觸器的機(jī)械自鎖，在解除交流接觸器線圈的供電下，也能保持其觸點(diǎn)的鎖定狀態(tài)。

1 機(jī)械鎖扣式交流接觸器設(shè)計(jì)

一種三維尋跡軌道的自鎖機(jī)構(gòu)的機(jī)械鎖扣式交流接觸器工作時(shí)，該自鎖機(jī)構(gòu)與交流接觸器的電磁機(jī)構(gòu)一起聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)交流接觸器觸點(diǎn)狀態(tài)的自鎖定功能，使其交流接觸器的線圈幾乎達(dá)到了無耗能，而且可以延長交流接觸器使用壽命。

接觸器動(dòng)觸點(diǎn)連接器的設(shè)計(jì)需要滿足下列要求： 1）起到導(dǎo)軌的作用;2）需能夠牢固的固定動(dòng)鐵心和線圈;3）要有合適的位置安裝動(dòng)觸頭，且兩者的連接是有效的;4）動(dòng)觸頭間的間距需要滿足電特性要求，間距不可以過小，防止引起電容效應(yīng);5）接觸器的動(dòng)觸點(diǎn)連接器在接觸位置需要嵌入一層耐磨材料，且要求耐磨材料有減小摩擦力的功能，以提高接觸器的壽命;6）連接部位要可靠，可以承受住動(dòng)靜部件間的撞擊力;7）具有一定的吸收撞擊力的功能，防止合閘或者分?jǐn)鄷r(shí)撞擊引起接觸器過大的抖動(dòng);8）動(dòng)觸點(diǎn)連接器兩側(cè)設(shè)置有三維尋跡軌道。三維尋跡軌道如圖1所示，它是實(shí)現(xiàn)接觸器機(jī)械自鎖的關(guān)鍵部分。

三維尋跡軌道由藍(lán)色（A-B段），深紅色（C-D段），綠色（E-F段），淺紅色（G-H段）四種軌道組成。四種軌道的具體設(shè)計(jì)要求如下：1）藍(lán)色軌道：從A點(diǎn)到B點(diǎn)組成藍(lán)色軌道，此軌道是上坡，B點(diǎn)位置比A點(diǎn)高。2）深紅色軌道：從C點(diǎn)到D點(diǎn)組成紅色軌道，當(dāng)深紅色軌道是水平時(shí)，即D與C高度一樣;當(dāng)C點(diǎn)位置比B點(diǎn)高，即深紅色軌道的位置比藍(lán)色軌道高，可保證掛針不會(huì)退回上一軌道。3）綠色軌道：從E點(diǎn)到F點(diǎn)組成綠色軌道，當(dāng)綠色軌道是水平時(shí)，即E與F點(diǎn)高度一樣;當(dāng)E點(diǎn)高度比F點(diǎn)高時(shí)，即綠色軌道的位置比深紅色軌道高，可保證掛針不會(huì)退回上一軌道。4）淺紅色軌道：從G點(diǎn)到H點(diǎn)組成淺紅色軌道，G點(diǎn)位置比F點(diǎn)高，即淺紅色軌道的位置比綠色軌道高，從而保證掛針不會(huì)退回上一軌道。5）式（1）中，表示掛針?biāo)?jīng)過的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位置高度關(guān)系：

A

掛針在三維尋跡軌道運(yùn)轉(zhuǎn)流程：1）接觸器得電，掛針通過藍(lán)色軌道，從初始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到自鎖中繼點(diǎn)。2）接觸器失電，掛針通過深紅色軌道，從自鎖中繼點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到自鎖點(diǎn)。3）流接觸器再次得電，掛針通過綠色軌道，從自鎖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到解鎖中繼點(diǎn)。4）接觸器再次失電，掛針通過淺紅色軌道，從解鎖中繼點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到解鎖點(diǎn)（初始點(diǎn)）。

2 控制電路設(shè)計(jì)

為適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)+和人工智能的應(yīng)用，本項(xiàng)目進(jìn)行了節(jié)能交流接觸器的智能控制電路設(shè)計(jì)，如圖2所示。它以單片機(jī)為控制核心，配有分合閘執(zhí)行機(jī)構(gòu)，檢測(cè)電路，顯示電路，按鍵電路，晶振電路，通信電路，報(bào)警電路和電源電路。可實(shí)現(xiàn)將廠區(qū)內(nèi)所有接觸器連入工廠的無線局域網(wǎng)中，將檢測(cè)到的閉合或斷開的信號(hào)上傳至服務(wù)器端，再傳輸?shù)絇C和手機(jī)APP中，通過將權(quán)限開放給APP用戶（檢修人員），即可實(shí)現(xiàn)全廠區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、斷路自檢、異常報(bào)警等功能。

在三相檢測(cè)電路中，電路傳感器使用LA28-NP型傳感器，該電路傳感器可以根據(jù)實(shí)際需要而改變，改變輸出電流與電壓的大小。通過MCU的A/D轉(zhuǎn)換功能，將該傳感器輸出的模擬信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電流的檢測(cè)。

由于新型節(jié)能交流接觸器在運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生比較復(fù)雜的電磁環(huán)境，MCU的電源模塊必須要滿足以下幾個(gè)要求，其電路原理圖如5所示：1）要保證供電電壓的穩(wěn)定性，從而確保不會(huì)因?yàn)殡妷翰蛔?，?dǎo)致控制系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障;2）PCB板所需要的空間較少，為其他功能的設(shè)計(jì)留有足夠的空間;3）需要擁有比較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在高溫和強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下正常運(yùn)行;4）需要具備足夠的工作電流，來確?？刂葡到y(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

藍(lán)牙芯片采用Blue2.0，適合于嵌入式傳輸無線的新模塊。藍(lán)牙芯片的工作電壓為3.3V，而MCU的工作電壓為5V。在設(shè)計(jì)中，芯片通過電平轉(zhuǎn)換，輸出3.3V電壓。藍(lán)牙和MCU之間的連通過電平的限制作用，以確保藍(lán)牙模塊可以正常操作。通過模塊的接口可方便地將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙無線傳輸給手機(jī)APP上的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)上的傳送。

3 軟件設(shè)計(jì)

接觸器的控制系統(tǒng)的相關(guān)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩大部分：一是對(duì)接觸器的工作過程進(jìn)行智能控制;二是通過藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)新型節(jié)能交流接觸器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控作用。控制的目的是對(duì)新型節(jié)能交流接觸器的工作過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化和異常保護(hù)，不僅要對(duì)接觸器的合閘、保持及分?jǐn)噙^程進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，還要對(duì)主電路的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)以便在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行保護(hù)，與此同時(shí)還要將數(shù)據(jù)傳到本地顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示等。

正常情況下，新一代智能交流接觸器在接收到按鈕或手機(jī)APP發(fā)出的合閘命令，接觸器主觸點(diǎn)吸合，此時(shí)接觸器將檢測(cè)被控裝置是否存在缺相、過載，如若正常，則接觸器保持運(yùn)行，否則斷開且將信息發(fā)送至手機(jī)客戶端。當(dāng)用戶需要停止裝置工作時(shí)，可通過按下控制按鈕或手機(jī)APP發(fā)出分閘命令，此時(shí)接觸器將斷開主電路。自動(dòng)記憶檢測(cè)模塊在整個(gè)智能接觸器運(yùn)行過程工作，如果外界故障或電力停電導(dǎo)致接觸器失電，則智能接觸器將記錄斷電情況。當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)供電時(shí)，智能接觸器將讀取上一次停斷電情況，并結(jié)合接觸器當(dāng)前處于吸合情形，智能接觸器將自動(dòng)發(fā)出分閘命令，跳開接觸器主觸點(diǎn)。

4 測(cè)試

基于以上機(jī)械與電氣設(shè)計(jì)，經(jīng)安裝調(diào)試后對(duì)交流接觸器的整機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目主要包括節(jié)電率測(cè)試、噪音測(cè)試、壽命測(cè)試和遠(yuǎn)程監(jiān)控試驗(yàn)等。其測(cè)試結(jié)果：節(jié)能率測(cè)試，通過大量的試驗(yàn)得出，新型節(jié)能交流接觸器與傳統(tǒng)交流接觸器相比可節(jié)能80%左右;壽命測(cè)試，新型節(jié)能交流接觸器相對(duì)于傳統(tǒng)交流接觸器壽命有所提高;噪音測(cè)試，傳統(tǒng)的交流接觸器的噪聲20-40db，新型的交流接觸器的噪音6-10db，降噪非常明顯;遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試，可以通過手機(jī)APP輕松直接控制接觸器的運(yùn)行，并可以對(duì)其異常工作狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)報(bào)警處。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王峰，程航，徐獻(xiàn)清.交流接觸器節(jié)能運(yùn)行功能的分析.低壓電器，2011（4）：14-18.