摘要：
       本文敘述的一體化數控接觸器,是一種高度集成化的接觸器產品，由主觸頭、滅弧裝置、永磁機構，內置電源、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；并在接觸器內部狹窄的空間內設計電子電路，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，打破了傳統的設計理念。一體化數控接觸器以高性能為基礎，信息化為主導，兼備節能環保的技術特征代表了交流接觸器未來發展的主要趨勢。
關鍵詞：數控接觸器、高度集成化，永磁機構，內置電源、輸出端及功能擴展模塊，自配合控制系統
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中起開關、控制、保護等作用的元件。它的品種、規格繁多，在工業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，尤其是中高端的產品更有發展潛力[2]。能夠體現產品的節能環保、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、讓產品使用更具人性化是未來交流接觸器技術發展的主要趨勢。
        在工業現場自動化過程控制系統的中存在著大量的局部控制與執行機構。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，其傳統方法設計的控制系統存在電路結構復雜、運動可控性差、能耗高、元器件易損等問題。本文介紹了根據文獻[5]所提出一體化數控接觸器的設計方案能夠解決上述存在的問題。

1 方案實現構思與難點
        一體化數控接觸器是一種高度集成化的接觸器產品，由主觸頭、滅弧裝置，永磁機構，內置電源、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。（見圖1）。
 

圖1

1.1實現目標的構思
（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）一體化數控接觸器動作頻率設計為600次/小時，在間隔時間內為儲能電容充電，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對勵磁線圈放電[1]，形成單脈沖觸動電流激發脈沖磁場，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實現方案的難點
（1）控制電路板要安裝在接觸器內部（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）在接觸器內部狹窄的空間內設計“強電”與“弱電”緊密結合的產品，電磁兼容的設計有相當的難度。

2 項目技術方案
2.1 內置電源電路[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，經二極管D2、D3全波整流，電容C1濾波組成電源VC3，經恒流源電路、“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定性。
（3）VC4采用恒流源電路供電，避免了接口連接時出現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的兩端經切換開關JK1、JK2接地，接觸器處于待命狀態。在控制端UB-2為“1”時，觸發二極管D5導通→繼電器J3閉合→繼電器J2閉合，勵磁線圈KM經切換開關JK2常開點得電，靠電、永磁力使主觸頭閉合。經延時后J2釋放，勵磁線圈KM斷電，靠永磁體的磁力保持閉合狀態。在控制端UB-2為“0”時，觸發二極管D5截止→繼電器J3釋放→繼電器J1閉合，勵磁線圈KM經切換開關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[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
      依據電磁理論及匝安特性分析[3]，當勵磁線圈的匝數確定時，電磁場的強度取決于流經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，工作在諧振狀態時其能效值最高。
（2）利用儲能電容組來實現脈沖波[1]
       圖中儲能電容C4是由多只電解電容并聯組成的電容組，旨在降低內阻提高瞬態電流輸出能力。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、溫升低的優勢，能夠滿足觸動電流在最短時間內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。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
1             0                 接通
0             0                 分斷
1             1                 分斷
0             1                 分斷
注：  邏輯 1（最小）DC5V；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。也可以外接數字電路、單片機、PLC進行位置、順序、時間控制；或通過現場總線接口模塊與現場總線控制系統連接。
 

圖4
2.4 永磁機構
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