環保節能型節觸器的原理及電路分析

摘 要：環保節能接觸器（專利號：97227133.3），是一種新型接觸器，是傳統接觸器、繼電器的理想換代產品。本產品以節能、長壽、環保為目的，利用硬磁（永磁）材料能、保持、穩定的磁性特點通過內部相關電路對硬磁鐵芯充磁，退磁達到控制觸頭的通斷，與普通接觸器相比，節能90%以上。

關鍵詞：節能；節觸器

1 緒論

接觸器作為構成工業，電力自動控制系統中的主要器件，廣泛應用于工礦企業、交通運輸、農業及國防工業中，它在電力配送，自動控制，電能的分配與應用中起著開關、控制、保護與調節等作用。在實際運用中主要用于實現遠距控制通斷或以小電流、低電壓對大電流、高電壓通道的控制，將微機、可編程控制器的指令轉換為對內、外部負載的控制，是現代化工業電氣控制系統中必不可少的主要控制器件。

2 節能接觸器與普通接觸器的性能比較

普通接觸器主要由電磁線圈，硅鋼片疊裝軟芯組成，其工作原理是通過對線圈供電，產生磁場，使磁芯吸合帶動觸頭接通或斷開。這種方式的缺點是線圈必須長期通電工作，根據控制功率不同，功率消耗通常在8-40瓦左右。不僅耗能大，會產生渦流效應，導致線圈發熱，影響使用壽命。

本節能接觸器（專利號：97227133.3），是一種新型接觸器，是傳統接觸器、繼電器的理想換代產品，其用途廣泛，能廣泛應用于自動化控制，工農業生產及變，配、送電系統的各個環節。本產品以節能、長壽，環保為目的，利用硬磁（永磁）材料能、保持、穩定的磁性特點通過內部相關電路對硬磁鐵芯充磁，退磁達到控制觸頭的通斷。接觸器在整個工作過程中，耗電極少，線圈僅在通電的瞬間消耗外部控制電能，且通過儲能電容將此充磁后的電能儲存，供退磁時使用。在吸合后的保持階段不消耗電能，鐵芯依靠通電時充磁產生的剩磁保持吸合，與普通接觸器相比，節能90%以上。節能接觸器的線圈每次通電一時間小于1秒，故溫升僅為普通產品的一千分之一，沒有因發熱過流等造成損壞現象線圈壽命比普通產品延長1000倍以上，接近自然氧化的極限值。

控制接線方式與普通接觸器一樣，在替換時不必改動任何接線，完全兼容國內外現有接觸器的安裝、使用方式。并且可以采用交流電源控制或直流電源控制的任意方式，適應電壓波動范圍比普通產品寬15%-20%，無交流噪聲與渦流損耗。鐵芯采用澆鑄成型，減少了制造工藝的復雜性，抗干擾能力強。

3 控制原理分析

節能接觸器工作過程包括充磁吸合、保持、退磁復位三個階段。外部控制電路接通時，由相關控制電路對線圈（1）提供充磁電流（2），硬磁靜鐵芯（3）被充磁，建立磁場N.S極，動鐵芯被吸引帶動觸頭壓下復位彈簧吸合，同時，此充磁電能經過線圈后，被儲能電容C2、C3儲存以供退磁時使用。

當外電路關斷時，鐵芯退磁，由相關電路的儲能、濾波電容C，對線圈提供與充磁電流、電壓反相的退磁電流（11），產生與鐵芯剩磁場相反的磁場S.N抵消鐵芯剩磁、鐵芯在磁場消失或減弱的情況下不再吸合，動鐵芯在復位彈簧的作用下帶動觸頭斷開。

節能接觸器內部控制電路，由一個整流電路，一個鉗位電路和一個充、退磁電路（含濾波電路）組成。

3.1 電路分析

3.1.1 橋式整流電路分析

其整流情況根據外部控制電源的情況不同，分為三種：（1）外部以交流方式控制時；（2）外部以脈動直流方式控制時；（3）外部以平穩直流方式控制時。當外部以交流電源方式控制時，電源接通后，在交流電正半周時，控制端1為正電壓，2端電壓為0V。由于整流二極管的單向導通特性D1、D4導通，D2、D3截止，在A、B兩端得到上正下負的電壓，由D4流到控制端2，在交流電過零時，控制端1、2均為零電壓，D1、D2、D3、D4全部截止，無電流通過，要交流電負半周時，控制端1為0電壓，控制端2為負電壓，D1、D4截止，D2、D3導通，電流經過D3供給后面電路，在AB兩端仍然得到上正下負的電壓。見圖3。

正負兩個半周的電壓經過二極管D1、D2、D3、D4整流后成為脈動直流電，該脈動直流電將由后面電路的儲能濾波電容C2、C3濾波為平穩直流電。

3.1.2外部脈動直流電源控制電路分析。當外部以脈動直流電源方式控制時：a.電源正極接1端，負極接2端；b. 電源正極接2端，負極接1端。

a.電源正極接1端，負極接2端時，在直流脈動電流、電壓的脈動期間二極管D2、D3截止，D1、D4導通電流通過D1供給后面電路，在A、B兩端形成上正正負的電壓。b.電源正極接2端，負極接1端時，在直流脈動電壓、電流的脈動期間，二極管D1、D4截止，D2、D3導通，電流通過D2供給后面電路，在A、B兩端同樣形成上正下負的電壓。

3.1.3 外部以平穩直流方式控制時外部以平狠直流方式控制時：a.直流電源正極接1端，負極接2端；b.直流電源正極接2端，負極接1端。a.直流電源正極接1端，負極接2端時，D2、D3截止，D1、D4導通，電流經D1供給后面電路，經D4流回2端，在A、B兩端得到平穩直流電。b.直流電源正極接2端，負極接1端時，D2、D3導通，電流經D3供給后面電路，經D2流回1端，在A、B兩端得到平穩直流電。

3.2 鉗位電路

BG1、R1、C2、C1、R3共同組成鉗位電路中；在磁芯充磁及保持階段時，控制BG2截止，使退磁電路不工作，R1為鉗位管BG1提供正向偏置電流，C1消除交流脈沖，直流脈動脈 沖，及各種干擾脈沖對BG1工作狀態的干擾，R3、C4使鉗位可靠。在保持階段時，C2、C3同時將脈動直流電濾波為平穩的直流電。（見圖5）

在充磁及保持時，A、B兩端行到上正下負的電壓，該電壓經過偏置電阻R1降奪，限流后提供給三極管BG1的基極，BG1飽和導通，電流從BG1的集電極流向發射極，故D點電位降低接近OV，退磁三極管BG2因基極無電壓而截止，退磁電路不工作。BG1導通后，C點電位約為0.6V。電阻R3兩端會產生電壓降，故BG2的基極E點的電位不會高于D點的電位，使鉗位可靠。

在電源接通瞬間，控制電壓分兩路，一路經過二極管D5加在BG2的集電極上，以經過D6、線圈L、電阻R2，加在BG1的集電極上，并通過R3加在BG2的基極上；另一路通過R1加在BG1的基極上，如果不加以控制，將可能出現三種情況：（1）BG1、BG2同時導通，BG1將在BG2尚處于導通后的放大狀態階段將BG2鉗位截止；（2）BG2比BG1提前導通，BG1將在BG2處于導通后的放大狀態階段或飽和導通階段將BG2鉗位截止，（3）BG1比BG2提前導通，BG1將在BG2尚未導通的時候將BG2鉗位截止。

3.3充、退磁電路部分

BG2、R2、R3、C2、C3、C4、D5、D6及線圈L組成充、退磁電路，當外部控制電源斷開時，儲能電容C2、C3經D6、R2、R3為BG2提供偏置電壓、電流，使E點電位迅速升高，BG2飽和導通，C3在充磁時儲存的電能反向流過線圈L，通過BG2釋放，線圈產生與充磁時相反的磁場抵消鐵芯剩磁。鐵芯剩磁迅速減弱及消失，接觸器斷開。此時D5阻止C3向鉗位電路放電，使鉗位電路停止工作；D6阻止C2向線圈L放電，為下一次吸合作好準備。

4 制造工藝要求

4.1 因本專利（97 2 27133.3）的主要技術部分在硬磁鐵芯、充退線圈、相關控制電路。

4.2 鐵芯的材料選擇：永磁鋼：動、靜鐵芯材料。鑄造工藝成型，采用砂模鑄造、金屬模鑄造失蠟澆鑄

4.3 鐵芯的尺寸計算：

可靠磁力=（復位彈簧推力+動鐵芯重量+連接件重量）×（1.5～10）

磁場吸合面磁場強度=可靠磁力×距離對數

截面積（2）=磁場強度/單位面積確定的磁通量

底部和單邊截面積S=中心截面積S/2

4.4 線圈的材料選擇與制作：根據在額定控制電壓下接觸器吸合所需要的可靠吸引力。

4.5 復位彈簧。根據接觸器的不同結構，可選用各種不同形狀的彈簧作復位用，例如：錐狀、柱狀、圈狀等。

4.6整流二極管。根據額定控制電壓剩以1.414為最小電流值選出適用的型號。

4.7 D1-D4及D6，耐壓要求較高，以承受C3時的反沖擊電壓。

4.8 BG1參數確定。根據1.41倍額定控制電壓，確定BG1的最小功率的NPN型硅管或鍺管。對頻率特性。

4.9 抗干擾電容C1、C4。C1的時間常數應小于C4的時間常數，考慮到通斷瞬間的脈沖電壓影響，建議按額定控制電壓值確定C1、C4的耐壓值。

4.10 R1、R2的阻值可取20K～300K左右，在控制電壓為220VAC時，R1取170～200K，R2取170K～200K，R3取500K～10K，的固定電阻，有碳膜電阻、碳質電阻、金屬膜電阻、線繞電阻等，一般選擇1/2W-1W的普通碳膜色環電阻即可。

作者簡介：蔡斌（1964.6-）男，云南人，昭通市煙草公司，研究方向：環保。