基于機(jī)械自鎖裝置的節(jié)能接觸器設(shè)計(jì)方法

張魯江，姜培剛，朱慧強(qiáng)，張慧慧

（青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島266033）

1 引言

接觸器是一種應(yīng)用廣泛的低壓控制電器，主要用于控制電動(dòng)機(jī)等用電負(fù)荷的運(yùn)行和停止，也可用于控制其他電力負(fù)載，如電熱器、照明、電焊機(jī)、電容器組等。普通的接觸器在吸合后，接觸器依靠本身電磁線圈通過(guò)電流維持吸合而一直得電消耗電能。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，不僅浪費(fèi)電能，而且會(huì)引起線圈發(fā)熱現(xiàn)象，使得線圈的絕緣層在高溫下容易老化而使接觸器的壽命縮短，并會(huì)引起系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。

目前市場(chǎng)上存在很多關(guān)于接觸器的節(jié)能技術(shù)：恒磁保持交流接觸器和節(jié)能微弧接觸器等，不過(guò)這些產(chǎn)品由于改裝比較復(fù)雜、成本高、安裝不方便等原因而沒(méi)有得到大量的推廣使用。對(duì)于接觸器的節(jié)能改造，很早以前有人提出并且推出過(guò)不少有節(jié)能效果的技術(shù)方案，但是到目前為止，接觸器的節(jié)能技術(shù)并未得到大量的推廣和使用。目前工廠里廣泛使用的大量接觸器都沒(méi)有附加任何節(jié)能裝置，有關(guān)節(jié)能的接觸器并沒(méi)有受到各大企業(yè)和工廠的過(guò)多青睞，以前研究過(guò)的接觸器的節(jié)能技術(shù)沒(méi)有得到大范圍推廣使用其原因是多方面的，但歸納起來(lái)，主要有以下幾個(gè)方面：節(jié)能裝置是否可靠和安全，安裝是否簡(jiǎn)單，接線是否方便以及人們對(duì)于節(jié)能觀念上的認(rèn)識(shí)問(wèn)題。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

當(dāng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)，中間繼電器線圈通電之后，接觸器線圈接通，安裝在接觸器上的電磁鐵頂桿彈出，恰好壓住接觸器的按鈕，此時(shí)接觸器線圈斷電，由于電磁鐵頂桿的機(jī)械自鎖，即接觸器仍然處于接通狀態(tài)，從而達(dá)到了在接觸器線圈斷電的情況下仍然保持工作狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電磁鐵線圈通電，處吸合狀態(tài)，從而使接觸器的按鈕彈出，此時(shí)接觸器的工作停止。考慮到節(jié)能接觸器在工作狀態(tài)時(shí)工廠突然停電，接觸器仍然保持閉合狀態(tài)，因而存在安全隱患，為此增加停電自動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)，停電時(shí)電容放電電磁鐵吸合，使接觸器恢復(fù)斷開(kāi)狀態(tài)。

2.2 控制原理

系統(tǒng)上電的同時(shí)電容在充電儲(chǔ)能，接通開(kāi)關(guān)Q時(shí)，中間繼電器K得電，其觸點(diǎn)動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接觸器KM得電吸合，開(kāi)始被壓縮的電磁鐵YA頂桿受彈簧力彈出，電磁鐵YA上的輔助觸點(diǎn)斷開(kāi)，切斷接觸器線圈電流接觸器KM斷電，但此時(shí)電磁鐵依靠頂桿的機(jī)械力壓住接觸器按鈕使得接觸器處于接通狀態(tài)，從而達(dá)到接觸器線圈在斷電的情況下還保持在工作狀態(tài)。當(dāng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)Q時(shí)，中間繼電器K斷電，觸點(diǎn)恢復(fù)常態(tài)，電磁鐵YA得電吸合，接觸器KM斷開(kāi)。如果工廠突然斷電，此時(shí)電容放電，電磁鐵YA得電吸合，使接觸器KM恢復(fù)斷開(kāi)狀態(tài)（圖1）。

圖1 節(jié)能型接觸器控制原理

2.3 外觀設(shè)計(jì)

筆者利用外部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來(lái)控制電磁鐵的行程，當(dāng)接觸器在斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，接觸器的按鈕壓縮電磁鐵頂桿，儲(chǔ)備一定的彈性勢(shì)能，當(dāng)接觸器接通工作時(shí)，接觸器的按鈕瞬間吸合，電磁鐵上的彈簧釋放彈性勢(shì)能，使電磁鐵的頂桿向外彈出壓住接觸器的按鈕，實(shí)現(xiàn)自鎖。鐵皮架兩側(cè)槽的設(shè)計(jì)控制電磁鐵的行程，避免行程過(guò)長(zhǎng)吸力不夠出現(xiàn)頂桿無(wú)法吸回的情況。鐵皮架上端兩側(cè)將電磁鐵牢牢固定住，使接觸器的觸點(diǎn)完全接通，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定（圖2）。

圖2 鐵皮架外形

3 可行性分析

3.1 受力分析

接觸器線圈斷開(kāi)時(shí)，電磁鐵靠機(jī)械力壓住接觸器的按鈕使得接觸器還處于閉合狀態(tài)，從而達(dá)到接觸器線圈在斷電的情況下還保持在接通狀態(tài)，繼續(xù)工作。

電磁鐵的主要參數(shù)如表1。

表1 電磁鐵的主要參數(shù)

電磁鐵的行程控制在0～3mm以內(nèi)，所以電磁鐵的吸力在7.84～9.8N之間。

查表可得，電磁鐵與塑料的摩擦系數(shù)μ＝0.20用測(cè)力器測(cè)得的接觸器線圈斷開(kāi)時(shí)往上給電磁鐵的支持力為FN＝30.05N，故電磁鐵受到的摩擦力為：

因此，電磁鐵有足夠吸力將電磁鐵的頂桿吸回來(lái)使接觸器斷開(kāi)。

3.2 節(jié)能分析

根據(jù)筆者設(shè)計(jì)的原理，節(jié)能型接觸器主要是消耗中間繼電器工作時(shí)線圈消耗的電能，而停電自動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)所消耗的電量只是給電容充電時(shí)所消耗的電能，可以忽略不計(jì)。

交流接觸器（CJX1－22）的主要參數(shù)如表2。

表2 交流接觸器的主要參數(shù)

中間繼電器（SJ2S－05B）的主要參數(shù)如表3。

表3 中間接觸器的主要參數(shù)

我們按一天一班制（8h），一年工作350d計(jì)算，一只普通型接觸器消耗的電量為：

一只節(jié)能型接觸器消耗的電量為：

所以一只節(jié)能型接觸器一年可以節(jié)省的電量為：

根據(jù)工業(yè)用電的價(jià)格（1.0元/k W·h）計(jì)算，一只接觸器一年可以節(jié)省費(fèi)用：

產(chǎn)品成本 ：一個(gè)中間繼電器＋一個(gè)電磁鐵＋元器件＋鐵皮外殼＋其他費(fèi)用

此節(jié)能型接觸器節(jié)能裝置生產(chǎn)成本由節(jié)省的電費(fèi)得到回收，節(jié)能改造的投入在短時(shí)間內(nèi)得到完全回收之后，一只接觸器一年節(jié)省費(fèi)用：296.7元，1000萬(wàn)只接觸器可以節(jié)省29.67億元，可見(jiàn)節(jié)能裝置可以為企業(yè)創(chuàng)造很大的經(jīng)濟(jì)效益（表4）。

表4 節(jié)能型接觸器節(jié)約比較

據(jù)估計(jì)我國(guó)目前至少有一億只各種類型的接觸器，假設(shè)接觸器的平均功率為100W，一千萬(wàn)只運(yùn)行中的接觸器一天工作8h的耗電量就是800萬(wàn)k W·h。假設(shè)這一千萬(wàn)只接觸器全部采用了此節(jié)能裝置，節(jié)電率按99%計(jì)算，一天就可以省電792萬(wàn)k W·h，一年可以省電27.72億k W·h，相當(dāng)150萬(wàn)t發(fā)電用煤，工業(yè)電價(jià)1.0元/k W·h，一年可以節(jié)省27.72億元，況且我國(guó)不止一千萬(wàn)只接觸器在運(yùn)行，如果都采用此節(jié)能型接觸器，無(wú)疑給國(guó)家節(jié)省下很大一部分能源。而且此節(jié)能型接觸器節(jié)能裝置成本只需52元，可見(jiàn)此節(jié)能裝置可以為企業(yè)創(chuàng)造很大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

本設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新之處在于利用繼電器本身的動(dòng)作特性、機(jī)械自鎖和自解鎖的功能、停電自動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)、穩(wěn)定的控制接觸器的開(kāi)斷電狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

①機(jī)械自鎖和自解鎖控制接觸器開(kāi)斷狀態(tài)，故無(wú)噪音，低溫升。

②考慮到如果接觸器在工作狀態(tài)時(shí)工廠突然停電，接觸器仍然保持接通狀態(tài)，因而存在安全隱患，故增加停電自動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)，停電時(shí)電容依靠自身儲(chǔ)能放電使電磁鐵線圈得電將頂桿吸回，使接觸器恢復(fù)斷開(kāi)狀態(tài)。

③不論接觸器的型號(hào)是什么，與現(xiàn)有普通接觸器相比，節(jié)能型接觸器功耗僅為其1/500～1/3000，節(jié)能效果非常顯著。

④安全可靠，在使用中，如不送一個(gè)起動(dòng)信號(hào)（按起動(dòng)按鈕）本接觸器拒絕工作。

⑤生產(chǎn)成本低，安裝方便，接線簡(jiǎn)單。

⑥對(duì)于不同類型的接觸器，只需要對(duì)現(xiàn)有的節(jié)能裝置外觀進(jìn)行稍微改進(jìn)，便可在另種型號(hào)接觸器上安裝使用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)中間繼電器的控制及其觸點(diǎn)接通斷開(kāi)、電磁鐵機(jī)械自鎖裝置設(shè)計(jì)和自解鎖控制電路設(shè)計(jì)，用機(jī)械力代替電磁力，使得接觸器接通的瞬間本身的電磁線圈同時(shí)斷電，此時(shí)接觸器仍處于接通狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

[1]楊家軍.機(jī)械原理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

[2]吳昌林.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

[3]張萬(wàn)忠.電器與PLC控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.