一体化数控接触器的设计与实现_数控接触器_高度集成化

一体化数控接触器的设计与实现

2008/11/20 10:13:00

摘要：
本文叙述的一体化数控接触器,是一种高度集成化的接触器产品，由主触头、灭弧装置、永磁机构，内置电源、驱动电路，控制电路、输出端口及绝缘基座组成，能够通过“USB”接口、功能扩展模块，直接连接传感器或控制器组成自配合控制系统；并在接触器内部狭窄的空间内设计电子电路，在保证“强弱电”紧密结合的同时，提高电磁兼容性，其高度集成化的设计，打破了传统的设计理念。一体化数控接触器以高性能为基础，信息化为主导，兼备节能环保的技术特征代表了交流接触器未来发展的主要趋势。
关键词：数控接触器、高度集成化，永磁机构，内置电源、输出端及功能扩展模块，自配合控制系统
中图分类号：TM572，TP393

0 引言
低压电器是指在低压配电和控制系统中起开关、控制、保护等作用的元件。它的品种、规格繁多，在工业过程自动化以及低压终端供电这两大领域的应用十分广泛。交流接触器有着扎实的市场基础，尤其是中高端的产品更有发展潜力[2]。能够体现产品的节能环保、信息化及多功能的技术特征；降低运行成本、提高安全可靠性、让产品使用更具人性化是未来交流接触器技术发展的主要趋势。
在工业现场自动化过程控制系统的中存在着大量的局部控制与执行机构。在工程设计中常常选用传感器、控制器、中间继电器及交流接触器组成控制系统，其传统方法设计的控制系统存在电路结构复杂、运动可控性差、能耗高、元器件易损等问题。本文介绍了根据文献[5]所提出一体化数控接触器的设计方案能够解决上述存在的问题。

1 方案实现构思与难点
一体化数控接触器是一种高度集成化的接触器产品，由主触头、灭弧装置，永磁机构，内置电源、驱动电路，控制电路、输出端口及绝缘基座组成；通过“USB”接口、功能扩展模块，连接传感器或可编程逻辑控制器组成自配合控制系统。（见图1）。

图1

1.1实现目标的构思
（1）选用输出电压AC9V×2的小型变压器，采用桥式整流和全波整流方式获取两组相对独立的电源，分别为驱动电路和控制电路供电。
（2）一体化数控接触器动作频率设计为600次/小时，在间隔时间内为储能电容充电，用储备电能平缓起动电流的冲击。
（3）利用储能电容组中的电场在极短的时间内对励磁线圈放电[1]，形成单脉冲触动电流激发脉冲磁场，达到主触头闭合，永磁体充磁的双重目的。
（4）采用继电器控制电路充分发挥其接触阻抗低、电流输出能力强的特点，使励磁电流能够在最短时间内达到峰值，以及在到达峰值后快速归零时及时关断。
（5）通过“USB”接口及外接功能扩展模块，连接各类传感器或可编程逻辑控制器，进行模拟量、位置、顺序、时间及远程控制。
1.2实现方案的难点
（1）控制电路板要安装在接触器内部（体积：60mm×60mm×25mm）直流电源、控制电路及扩展电路的设计要做到尽可能地简化。
（2）电路板的安装空间是密闭的，要严格抑制电路元器件的温升。
（3）受上述条件的限制选用功率3W小型密封变压器，作为接触器操动及功能扩展模块供电的电源。
（4）在接触器内部狭窄的空间内设计“强电”与“弱电”紧密结合的产品，电磁兼容的设计有相当的难度。

2 项目技术方案
2.1 内置电源电路[5]
电源电路（见图2）由两个相对独立的电源支路构成，分别担负着向控制电路及扩展接口供电任务。图2中T1是功率3W 输出电压AC9V×2的小型密封变压器。由变压器T1的3、5输出端，整流桥D1，储能电容C3、C4，组成电源VC1和电源VC2。接触器吸合时由VC2供电，分断时由VC1供电。另一支路由T1的3、4、5输出端，经二极管D2、D3全波整流，电容C1滤波组成电源VC3，经恒流源电路、“USB”接口为扩展模块提供电源VC4。
电源电路的设计要点分析：
（1）小型变压器有一定的过载能力，空载电压是标称值的1.6倍，适用于在接触器动作间隔时间内向储能电容充电。
（2）T1选用输出端有中间抽头的变压器，通过不同整流方式获取两组相对独立的电源，接触器在吸合时VC2电压值瞬间大幅下降，由于D2、D3的隔离和C1的储能作用VC3不受影响，提高了控制电路的稳定性。
（3）VC4采用恒流源电路供电，避免了接口连接时出现过载或短路损坏电源。

图2
2.2 驱动电路[5]

图3
        图3是驱动电路原理图。其工作过程为：当接通电源后，励磁线圈KM的两端经切换开关JK1、JK2接地，接触器处于待命状态。在控制端UB-2为“1”时，触发二极管D5导通→继电器J3闭合→继电器J2闭合，励磁线圈KM经切换开关JK2常开点得电，靠电、永磁力使主触头闭合。经延时后J2释放，励磁线圈KM断电，靠永磁体的磁力保持闭合状态。在控制端UB-2为“0”时，触发二极管D5截止→继电器J3释放→继电器J1闭合，励磁线圈KM经切换开关JK1常开点得电，反向磁场在抵消永磁力的同时靠复位弹簧力使主触头分断，并保持分断的状态[8]。
驱动电路的设计要点分析：
（1）提高能效降低接触器起动功率
      依据电磁理论及匝安特性分析[3]，当励磁线圈的匝数确定时，电磁场的强度取决于流经励磁线圈的电流值和摆率，也就是说，当励磁线圈和储能电容组成的LRC电路，工作在谐振状态时其能效值最高。
（2）利用储能电容组来实现脉冲波[1]
       图中储能电容C4是由多只电解电容并联组成的电容组，旨在降低内阻提高瞬态电流输出能力。电容容量的设定，下限应能满足励磁所需能量，上限应能使励磁电流在到达峰值后快速归零。
（3）选用继电器控制方式[8]
       本电路的功能转换控制选用继电器控制电路，是由于继电器与晶体管相比具有电流输出能力强、温升低的优势，能够满足触动电流在最短时间内到达峰值的技术要求；继电器存在的“触头易损”缺陷，可以通过在电路电流值接近于过零点时切换来解决。
2.3 扩展电路[5]
        由内置直流电源、驱动电路,“USB”输出接口，功能扩展模块及外接传感器组成的一体化控制系统。其中“USB”接口端子起到承上启下的作用。扩展接口UB采用“USB”接口形式，由DC12V(20mA)恒流电源，两个逻辑控制端口，一个公共地线组成，具有短路能力。接口的2、3端的逻辑控制能力见下表：
UB- 2           UB-3             主电路工作状态
1             0                 接通
0             0                 分断
1             1                 分断
0             1                 分断
注：逻辑 1（最小）DC5V；逻辑 0（最大）DC2V。