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，實現(xiàn)交流接觸器在工作的同時進(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，可實現(xiàn)全廠區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、斷路自檢、異常報警等功能。

【關(guān)鍵詞】交流接觸器;控制電路;軟件設(shè)計

中圖分類號： TM572.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 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的通斷來控制接在主電路的主觸點的通斷以達(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。現(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，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)，實現(xiàn)與交流接觸器的聯(lián)動，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，也能保持其觸點的鎖定狀態(tài)。

1 機(jī)械鎖扣式交流接觸器設(shè)計

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，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，實現(xiàn)交流接觸器觸點狀態(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。

接觸器動觸點連接器的設(shè)計需要滿足下列要求： 1）起到導(dǎo)軌的作用;2）需能夠牢固的固定動鐵心和線圈;3）要有合適的位置安裝動觸頭，且兩者的連接是有效的;4）動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）接觸器的動觸點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撞擊引起接觸器過大的抖動;8）動觸點連接器兩側(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)計要求如下：1）藍(lán)色軌道：從A點到B點組成藍(lán)色軌道，此軌道是上坡，B點位置比A點高。2）深紅色軌道：從C點到D點組成紅色軌道，當(dāng)深紅色軌道是水平時，即D與C高度一樣;當(dāng)C點位置比B點高，即深紅色軌道的位置比藍(lán)色軌道高，可保證掛針不會退回上一軌道。3）綠色軌道：從E點到F點組成綠色軌道，當(dāng)綠色軌道是水平時，即E與F點高度一樣;當(dāng)E點高度比F點高時，即綠色軌道的位置比深紅色軌道高，可保證掛針不會退回上一軌道。4）淺紅色軌道：從G點到H點組成淺紅色軌道，G點位置比F點高，即淺紅色軌道的位置比綠色軌道高，從而保證掛針不會退回上一軌道。5）式（1）中，表示掛針?biāo)?jīng)過的幾個關(guān)鍵點位置高度關(guān)系：

A

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

2 控制電路設(shè)計

為適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)+和人工智能的應(yīng)用，本項目進(jìn)行了節(jié)能交流接觸器的智能控制電路設(shè)計，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)，檢測電路，顯示電路，按鍵電路，晶振電路，通信電路，報警電路和電源電路?？蓪崿F(xiàn)將廠區(qū)內(nèi)所有接觸器連入工廠的無線局域網(wǎng)中，將檢測到的閉合或斷開的信號上傳至服務(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），即可實現(xiàn)全廠區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、斷路自檢、異常報警等功能。

在三相檢測電路中，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被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，實現(xiàn)對三相電流的檢測。

由于新型節(jié)能交流接觸器在運行過程中，會產(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，從而確保不會因為電壓不足，導(dǎo)致控制系統(tǒng)出現(xiàn)運行故障;2）PCB板所需要的空間較少，為其他功能的設(shè)計留有足夠的空間;3）需要擁有比較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在高溫和強(qiáng)磁場環(huán)境下正常運行;4）需要具備足夠的工作電流，來確保控制系統(tǒng)能夠正常運行。

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)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)上的傳送。

3 軟件設(shè)計

接觸器的控制系統(tǒng)的相關(guān)軟件設(shè)計主要包括兩大部分：一是對接觸器的工作過程進(jìn)行智能控制;二是通過藍(lán)牙模塊，實現(xiàn)對新型節(jié)能交流接觸器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控作用?？刂频哪康氖菍π滦凸?jié)能交流接觸器的工作過程進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化和異常保護(hù)，不僅要對接觸器的合閘、保持及分?jǐn)噙^程進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化控制，還要對主電路的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時檢測以便在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時進(jìn)行保護(hù)，與此同時還要將數(shù)據(jù)傳到本地顯示器進(jìn)行實時顯示等。

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，接觸器主觸點吸合，此時接觸器將檢測被控裝置是否存在缺相、過載，如若正常，則接觸器保持運行，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，可通過按下控制按鈕或手機(jī)APP發(fā)出分閘命令，此時接觸器將斷開主電路。自動記憶檢測模塊在整個智能接觸器運行過程工作，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，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，智能接觸器將自動發(fā)出分閘命令，跳開接觸器主觸點。

4 測試

基于以上機(jī)械與電氣設(shè)計，經(jīng)安裝調(diào)試后對交流接觸器的整機(jī)進(jìn)行了測試。測試項目主要包括節(jié)電率測試、噪音測試、壽命測試和遠(yuǎn)程監(jiān)控試驗等。其測試結(jié)果：節(jié)能率測試，通過大量的試驗得出，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;壽命測試，新型節(jié)能交流接觸器相對于傳統(tǒng)交流接觸器壽命有所提高;噪音測試，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)控測試，可以通過手機(jī)APP輕松直接控制接觸器的運行，并可以對其異常工作狀態(tài)進(jìn)行及時報警處。

【參考文獻(xiàn)】

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