一种新型节能交流接触器的设计与实现

吴坤霖　张国忠

【摘 要】交流接触器是一种常用低压电器，它广泛应用于工农业，国防等领域。本文以交流接触器节能为主要研究目标，借助三维寻迹轨道的机械自锁原理，实现交流接触器在工作的同时进行自锁定，可使其工作线圈几乎做到趋近于无耗能。此外，还设计了交流接触器控制电路，可将厂区内所有接触器连入工厂的无线局域网中，可实现全厂区的远程监控、断路自检、异常报警等功能。

【关键词】交流接触器;控制电路;软件设计

中图分类号： TM572.2文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）26-0028-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.26.013

0 引言

接触器的工作原理就是通过控制接在控制电路的辅助触点的通断来控制接在主电路的主触点的通断以达到控制电路的要求，它被广泛应用于工业、农业、电力生产等领域。现有的各种类型的交流接触器，为保证受电设备的可靠工作电压和电流，对接触器的电磁线圈必须提供足够大的功率确保其可靠闭合;但当接触器的触点可靠闭合后，仅维持其铁芯的闭合状态就能工作。而现有的交流接触器在其铁芯闭合后，仍然一直向其电磁线圈提供较大的功率，形成了较多能源的浪费，这是至今为止尚未解决的弊端。

每支交流接触器自身消耗的工作电流约为5A-1000A的不等，中国每年使用量约1亿支，节能前景非常可观。

目前对接触器节能改造的方法和措施有多种，本文采用了内置式设计方法，在传统交流接触器内部，通过增加三维寻迹轨道机构，实现与交流接触器的联动，以达到新型节能交流接触器的机械自锁，在解除交流接触器线圈的供电下，也能保持其触点的锁定状态。

1 机械锁扣式交流接触器设计

一种三维寻迹轨道的自锁机构的机械锁扣式交流接触器工作时，该自锁机构与交流接触器的电磁机构一起联动，实现交流接触器触点状态的自锁定功能，使其交流接触器的线圈几乎达到了无耗能，而且可以延长交流接触器使用寿命。

接触器动触点连接器的设计需要满足下列要求： 1）起到导轨的作用;2）需能够牢固的固定动铁心和线圈;3）要有合适的位置安装动触头，且两者的连接是有效的;4）动触头间的间距需要满足电特性要求，间距不可以过小，防止引起电容效应;5）接触器的动触点连接器在接触位置需要嵌入一层耐磨材料，且要求耐磨材料有减小摩擦力的功能，以提高接触器的寿命;6）连接部位要可靠，可以承受住动静部件间的撞击力;7）具有一定的吸收撞击力的功能，防止合闸或者分断时撞击引起接触器过大的抖动;8）动触点连接器两侧设置有三维寻迹轨道。三维寻迹轨道如图1所示，它是实现接触器机械自锁的关键部分。

三维寻迹轨道由蓝色（A-B段），深红色（C-D段），绿色（E-F段），浅红色（G-H段）四种轨道组成。四种轨道的具体设计要求如下：1）蓝色轨道：从A点到B点组成蓝色轨道，此轨道是上坡，B点位置比A点高。2）深红色轨道：从C点到D点组成红色軌道，当深红色轨道是水平时，即D与C高度一样;当C点位置比B点高，即深红色轨道的位置比蓝色轨道高，可保证挂针不会退回上一轨道。3）绿色轨道：从E点到F点组成绿色轨道，当绿色轨道是水平时，即E与F点高度一样;当E点高度比F点高时，即绿色轨道的位置比深红色轨道高，可保证挂针不会退回上一轨道。4）浅红色轨道：从G点到H点组成浅红色轨道，G点位置比F点高，即浅红色轨道的位置比绿色轨道高，从而保证挂针不会退回上一轨道。5）式（1）中，表示挂针所经过的几个关键点位置高度关系：

A

挂针在三维寻迹轨道运转流程：1）接触器得电，挂针通过蓝色轨道，从初始点运动到自锁中继点。2）接触器失电，挂针通过深红色轨道，从自锁中继点运动到自锁点。3）流接触器再次得电，挂针通过绿色轨道，从自锁点运动到解锁中继点。4）接触器再次失电，挂针通过浅红色轨道，从解锁中继点运动到解锁点（初始点）。

2 控制电路设计

为适应互联网+和人工智能的应用，本项目进行了节能交流接触器的智能控制电路设计，如图2所示。它以单片机为控制核心，配有分合闸执行机构，检测电路，显示电路，按键电路，晶振电路，通信电路，报警电路和电源电路。可实现将厂区内所有接触器连入工厂的无线局域网中，将检测到的闭合或断开的信号上传至服务器端，再传输到PC和手机APP中，通过将权限开放给APP用户（检修人员），即可实现全厂区的远程监控、断路自检、异常报警等功能。

在三相检测电路中，电路传感器使用LA28-NP型传感器，该电路传感器可以根据实际需要而改变，改变输出电流与电压的大小。通过MCU的A/D转换功能，将该传感器输出的模拟信号被转换成数字信号，实现对三相电流的检测。

由于新型节能交流接触器在运行过程中，会产生比较复杂的电磁环境，MCU的电源模块必须要满足以下几个要求，其电路原理图如5所示：1）要保证供电电压的稳定性，从而确保不会因为电压不足，导致控制系统出现运行故障;2）PCB板所需要的空间较少，为其他功能的设计留有足够的空间;3）需要拥有比较强的抗干扰能力，能够在高温和强磁场环境下正常运行;4）需要具备足够的工作电流，来确保控制系统能够正常运行。

蓝牙芯片采用Blue2.0，适合于嵌入式传输无线的新模块。蓝牙芯片的工作电压为3.3V，而MCU的工作电压为5V。在设计中，芯片通过电平转换，输出3.3V电压。蓝牙和MCU之间的连通过电平的限制作用，以确保蓝牙模块可以正常操作。通过模块的接口可方便地将数据通过蓝牙无线传输给手机APP上的服务器实现数据在以太网上的传送。

3 软件设计

接触器的控制系统的相关软件设计主要包括两大部分：一是对接触器的工作过程进行智能控制;二是通过蓝牙模块，实现对新型节能交流接触器进行远程监控作用。控制的目的是对新型节能交流接触器的工作过程进行动态优化和异常保护，不仅要对接触器的合闸、保持及分断过程进行动态优化控制，还要对主电路的数据进行实时检测以便在系统出现异常时进行保护，与此同时还要将数据传到本地显示器进行实时显示等。

正常情况下，新一代智能交流接触器在接收到按钮或手机APP发出的合闸命令，接触器主触点吸合，此时接触器将检测被控装置是否存在缺相、过载，如若正常，则接触器保持运行，否则断开且将信息发送至手机客户端。当用户需要停止装置工作时，可通过按下控制按钮或手机APP发出分闸命令，此时接触器将断开主电路。自动记忆检测模块在整个智能接触器运行过程工作，如果外界故障或电力停电导致接触器失电，则智能接触器将记录断电情况。当系统恢复供电时，智能接触器将读取上一次停断电情况，并结合接触器当前处于吸合情形，智能接触器将自动发出分闸命令，跳开接触器主触点。

4 测试

基于以上机械与电气设计，经安装调试后对交流接触器的整机进行了测试。测试项目主要包括节电率测试、噪音测试、寿命测试和远程监控试验等。其测试结果：节能率测试，通过大量的试验得出，新型节能交流接触器与传统交流接触器相比可节能80%左右;寿命测试，新型节能交流接触器相对于传统交流接触器寿命有所提高;噪音测试，传统的交流接触器的噪声20-40db，新型的交流接触器的噪音6-10db，降噪非常明显;远程监控测试，可以通过手机APP轻松直接控制接触器的运行，并可以对其异常工作状态进行及时报警处。

【参考文献】

[1]王峰，程航，徐献清.交流接触器节能运行功能的分析.低压电器，2011（4）：14-18.