基于机械自锁装置的节能接触器设计方法

张鲁江，姜培刚，朱慧强，张慧慧

（青岛理工大学 机械工程学院，山东 青岛266033）

1 引言

接触器是一种应用广泛的低压控制电器，主要用于控制电动机等用电负荷的运行和停止，也可用于控制其他电力负载，如电热器、照明、电焊机、电容器组等。普通的接触器在吸合后，接触器依靠本身电磁线圈通过电流维持吸合而一直得电消耗电能。长时间运行，不仅浪费电能，而且会引起线圈发热现象，使得线圈的绝缘层在高温下容易老化而使接触器的寿命缩短，并会引起系统运行不稳定。

目前市场上存在很多关于接触器的节能技术：恒磁保持交流接触器和节能微弧接触器等，不过这些产品由于改装比较复杂、成本高、安装不方便等原因而没有得到大量的推广使用。对于接触器的节能改造，很早以前有人提出并且推出过不少有节能效果的技术方案，但是到目前为止，接触器的节能技术并未得到大量的推广和使用。目前工厂里广泛使用的大量接触器都没有附加任何节能装置，有关节能的接触器并没有受到各大企业和工厂的过多青睐，以前研究过的接触器的节能技术没有得到大范围推广使用其原因是多方面的，但归纳起来，主要有以下几个方面：节能装置是否可靠和安全，安装是否简单，接线是否方便以及人们对于节能观念上的认识问题。

2 方案设计

2.1 设计要求

当开关接通时，中间继电器线圈通电之后，接触器线圈接通，安装在接触器上的电磁铁顶杆弹出，恰好压住接触器的按钮，此时接触器线圈断电，由于电磁铁顶杆的机械自锁，即接触器仍然处于接通状态，从而达到了在接触器线圈断电的情况下仍然保持工作状态。当开关断开时，电磁铁线圈通电，处吸合状态，从而使接触器的按钮弹出，此时接触器的工作停止。考虑到节能接触器在工作状态时工厂突然停电，接触器仍然保持闭合状态，因而存在安全隐患，为此增加停电自动复位系统，停电时电容放电电磁铁吸合，使接触器恢复断开状态。

2.2 控制原理

系统上电的同时电容在充电储能，接通开关Q时，中间继电器K得电，其触点动作，常闭触点断开，常开触点闭合，接触器KM得电吸合，开始被压缩的电磁铁YA顶杆受弹簧力弹出，电磁铁YA上的辅助触点断开，切断接触器线圈电流接触器KM断电，但此时电磁铁依靠顶杆的机械力压住接触器按钮使得接触器处于接通状态，从而达到接触器线圈在断电的情况下还保持在工作状态。当断开开关Q时，中间继电器K断电，触点恢复常态，电磁铁YA得电吸合，接触器KM断开。如果工厂突然断电，此时电容放电，电磁铁YA得电吸合，使接触器KM恢复断开状态（图1）。

图1 节能型接触器控制原理

2.3 外观设计

笔者利用外部结构的特点来控制电磁铁的行程，当接触器在断开状态时，接触器的按钮压缩电磁铁顶杆，储备一定的弹性势能，当接触器接通工作时，接触器的按钮瞬间吸合，电磁铁上的弹簧释放弹性势能，使电磁铁的顶杆向外弹出压住接触器的按钮，实现自锁。铁皮架两侧槽的设计控制电磁铁的行程，避免行程过长吸力不够出现顶杆无法吸回的情况。铁皮架上端两侧将电磁铁牢牢固定住，使接触器的触点完全接通，从而保证系统的稳定（图2）。

图2 铁皮架外形

3 可行性分析

3.1 受力分析

接触器线圈断开时，电磁铁靠机械力压住接触器的按钮使得接触器还处于闭合状态，从而达到接触器线圈在断电的情况下还保持在接通状态，继续工作。

电磁铁的主要参数如表1。

表1 电磁铁的主要参数

电磁铁的行程控制在0～3mm以内，所以电磁铁的吸力在7.84～9.8N之间。

查表可得，电磁铁与塑料的摩擦系数μ＝0.20用测力器测得的接触器线圈断开时往上给电磁铁的支持力为FN＝30.05N，故电磁铁受到的摩擦力为：

因此，电磁铁有足够吸力将电磁铁的顶杆吸回来使接触器断开。

3.2 节能分析

根据笔者设计的原理，节能型接触器主要是消耗中间继电器工作时线圈消耗的电能，而停电自动复位系统所消耗的电量只是给电容充电时所消耗的电能，可以忽略不计。

交流接触器（CJX1－22）的主要参数如表2。

表2 交流接触器的主要参数

中间继电器（SJ2S－05B）的主要参数如表3。

表3 中间接触器的主要参数

我们按一天一班制（8h），一年工作350d计算，一只普通型接触器消耗的电量为：

一只节能型接触器消耗的电量为：

所以一只节能型接触器一年可以节省的电量为：

根据工业用电的价格（1.0元/k W·h）计算，一只接触器一年可以节省费用：

产品成本 ：一个中间继电器＋一个电磁铁＋元器件＋铁皮外壳＋其他费用

此节能型接触器节能装置生产成本由节省的电费得到回收，节能改造的投入在短时间内得到完全回收之后，一只接触器一年节省费用：296.7元，1000万只接触器可以节省29.67亿元，可见节能装置可以为企业创造很大的经济效益（表4）。

表4 节能型接触器节约比较

据估计我国目前至少有一亿只各种类型的接触器，假设接触器的平均功率为100W，一千万只运行中的接触器一天工作8h的耗电量就是800万k W·h。假设这一千万只接触器全部采用了此节能装置，节电率按99%计算，一天就可以省电792万k W·h，一年可以省电27.72亿k W·h，相当150万t发电用煤，工业电价1.0元/k W·h，一年可以节省27.72亿元，况且我国不止一千万只接触器在运行，如果都采用此节能型接触器，无疑给国家节省下很大一部分能源。而且此节能型接触器节能装置成本只需52元，可见此节能装置可以为企业创造很大的经济效益。

4 创新点及应用

本设计方法创新之处在于利用继电器本身的动作特性、机械自锁和自解锁的功能、停电自动复位系统、稳定的控制接触器的开断电状态，从而达到节能的目的。

①机械自锁和自解锁控制接触器开断状态，故无噪音，低温升。

②考虑到如果接触器在工作状态时工厂突然停电，接触器仍然保持接通状态，因而存在安全隐患，故增加停电自动复位系统，停电时电容依靠自身储能放电使电磁铁线圈得电将顶杆吸回，使接触器恢复断开状态。

③不论接触器的型号是什么，与现有普通接触器相比，节能型接触器功耗仅为其1/500～1/3000，节能效果非常显著。

④安全可靠，在使用中，如不送一个起动信号（按起动按钮）本接触器拒绝工作。

⑤生产成本低，安装方便，接线简单。

⑥对于不同类型的接触器，只需要对现有的节能装置外观进行稍微改进，便可在另种型号接触器上安装使用。

5 结语

本文通过对中间继电器的控制及其触点接通断开、电磁铁机械自锁装置设计和自解锁控制电路设计，用机械力代替电磁力，使得接触器接通的瞬间本身的电磁线圈同时断电，此时接触器仍处于接通状态，从而达到节能的目的。

[1]杨家军.机械原理[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[2]吴昌林.机械设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[3]张万忠.电器与PLC控制技术[M].北京：化学工业出版社，2003.