基于機械自鎖裝置的節能接觸器設計方法

張魯江，姜培剛，朱慧強，張慧慧

（青島理工大學 機械工程學院，山東 青島266033）

1 引言

接觸器是一種應用廣泛的低壓控制電器，主要用于控制電動機等用電負荷的運行和停止，也可用于控制其他電力負載，如電熱器、照明、電焊機、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電流維持吸合而一直得電消耗電能。長時間運行，不僅浪費電能，而且會引起線圈發熱現象，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，并會引起系統運行不穩定。

目前市場上存在很多關于接觸器的節能技術：恒磁保持交流接觸器和節能微弧接觸器等，不過這些產品由于改裝比較復雜、成本高、安裝不方便等原因而沒有得到大量的推廣使用。對于接觸器的節能改造，很早以前有人提出并且推出過不少有節能效果的技術方案，但是到目前為止，接觸器的節能技術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有附加任何節能裝置，有關節能的接觸器并沒有受到各大企業和工廠的過多青睞，以前研究過的接觸器的節能技術沒有得到大范圍推廣使用其原因是多方面的，但歸納起來，主要有以下幾個方面：節能裝置是否可靠和安全，安裝是否簡單，接線是否方便以及人們對于節能觀念上的認識問題。

2 方案設計

2.1 設計要求

當開關接通時，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，此時接觸器線圈斷電，由于電磁鐵頂桿的機械自鎖，即接觸器仍然處于接通狀態，從而達到了在接觸器線圈斷電的情況下仍然保持工作狀態。當開關斷開時，電磁鐵線圈通電，處吸合狀態，從而使接觸器的按鈕彈出，此時接觸器的工作停止。考慮到節能接觸器在工作狀態時工廠突然停電，接觸器仍然保持閉合狀態，因而存在安全隱患，為此增加停電自動復位系統，停電時電容放電電磁鐵吸合，使接觸器恢復斷開狀態。

2.2 控制原理

系統上電的同時電容在充電儲能，接通開關Q時，中間繼電器K得電，其觸點動作，常閉觸點斷開，常開觸點閉合，接觸器KM得電吸合，開始被壓縮的電磁鐵YA頂桿受彈簧力彈出，電磁鐵YA上的輔助觸點斷開，切斷接觸器線圈電流接觸器KM斷電，但此時電磁鐵依靠頂桿的機械力壓住接觸器按鈕使得接觸器處于接通狀態，從而達到接觸器線圈在斷電的情況下還保持在工作狀態。當斷開開關Q時，中間繼電器K斷電，觸點恢復常態，電磁鐵YA得電吸合，接觸器KM斷開。如果工廠突然斷電，此時電容放電，電磁鐵YA得電吸合，使接觸器KM恢復斷開狀態（圖1）。

圖1 節能型接觸器控制原理

2.3 外觀設計

筆者利用外部結構的特點來控制電磁鐵的行程，當接觸器在斷開狀態時，接觸器的按鈕壓縮電磁鐵頂桿，儲備一定的彈性勢能，當接觸器接通工作時，接觸器的按鈕瞬間吸合，電磁鐵上的彈簧釋放彈性勢能，使電磁鐵的頂桿向外彈出壓住接觸器的按鈕，實現自鎖。鐵皮架兩側槽的設計控制電磁鐵的行程，避免行程過長吸力不夠出現頂桿無法吸回的情況。鐵皮架上端兩側將電磁鐵牢牢固定住，使接觸器的觸點完全接通，從而保證系統的穩定（圖2）。

圖2 鐵皮架外形

3 可行性分析

3.1 受力分析

接觸器線圈斷開時，電磁鐵靠機械力壓住接觸器的按鈕使得接觸器還處于閉合狀態，從而達到接觸器線圈在斷電的情況下還保持在接通狀態，繼續工作。

電磁鐵的主要參數如表1。

表1 電磁鐵的主要參數

電磁鐵的行程控制在0～3mm以內，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μ＝0.20用測力器測得的接觸器線圈斷開時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使接觸器斷開。

3.2 節能分析

根據筆者設計的原理，節能型接觸器主要是消耗中間繼電器工作時線圈消耗的電能，而停電自動復位系統所消耗的電量只是給電容充電時所消耗的電能，可以忽略不計。

交流接觸器（CJX1－22）的主要參數如表2。

表2 交流接觸器的主要參數

中間繼電器（SJ2S－05B）的主要參數如表3。

表3 中間接觸器的主要參數

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

一只節能型接觸器消耗的電量為：

所以一只節能型接觸器一年可以節省的電量為：

根據工業用電的價格（1.0元/k W·h）計算，一只接觸器一年可以節省費用：

產品成本 ：一個中間繼電器＋一個電磁鐵＋元器件＋鐵皮外殼＋其他費用

此節能型接觸器節能裝置生產成本由節省的電費得到回收，節能改造的投入在短時間內得到完全回收之后，一只接觸器一年節省費用：296.7元，1000萬只接觸器可以節省29.67億元，可見節能裝置可以為企業創造很大的經濟效益（表4）。

表4 節能型接觸器節約比較

據估計我國目前至少有一億只各種類型的接觸器，假設接觸器的平均功率為100W，一千萬只運行中的接觸器一天工作8h的耗電量就是800萬k W·h。假設這一千萬只接觸器全部采用了此節能裝置，節電率按99%計算，一天就可以省電792萬k W·h，一年可以省電27.72億k W·h，相當150萬t發電用煤，工業電價1.0元/k W·h，一年可以節省27.72億元，況且我國不止一千萬只接觸器在運行，如果都采用此節能型接觸器，無疑給國家節省下很大一部分能源。而且此節能型接觸器節能裝置成本只需52元，可見此節能裝置可以為企業創造很大的經濟效益。

4 創新點及應用

本設計方法創新之處在于利用繼電器本身的動作特性、機械自鎖和自解鎖的功能、停電自動復位系統、穩定的控制接觸器的開斷電狀態，從而達到節能的目的。

①機械自鎖和自解鎖控制接觸器開斷狀態，故無噪音，低溫升。

②考慮到如果接觸器在工作狀態時工廠突然停電，接觸器仍然保持接通狀態，因而存在安全隱患，故增加停電自動復位系統，停電時電容依靠自身儲能放電使電磁鐵線圈得電將頂桿吸回，使接觸器恢復斷開狀態。

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

④安全可靠，在使用中，如不送一個起動信號（按起動按鈕）本接觸器拒絕工作。

⑤生產成本低，安裝方便，接線簡單。

⑥對于不同類型的接觸器，只需要對現有的節能裝置外觀進行稍微改進，便可在另種型號接觸器上安裝使用。

5 結語

本文通過對中間繼電器的控制及其觸點接通斷開、電磁鐵機械自鎖裝置設計和自解鎖控制電路設計，用機械力代替電磁力，使得接觸器接通的瞬間本身的電磁線圈同時斷電，此時接觸器仍處于接通狀態，從而達到節能的目的。

[1]楊家軍.機械原理[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.

[2]吳昌林.機械設計[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.

[3]張萬忠.電器與PLC控制技術[M].北京：化學工業出版社，2003.