专利名称：低功耗数控接触器及其组成的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关装置，特别涉及接触器铁心以及接触器驱动电路。
背景技术：
交流接触器自问市以来，在工业过程控制自动化、低压终端供电两大领域的应用十分广泛，有着扎实的市场基础。交流接触器的吸合、保持、分断过程是一个变化规律十分复杂的动态过程。现有技术的交流接触器的主要缺点是运动可控性差，驱动功率大、能耗高、易造成线圈烧损，使用寿命短；新型智能化接触器的驱动装置，配有先进的电子电路及控制芯片，对整个动态过程实时控制，使其性能有所提高，但仍存在驱动电路复杂，启动功率大等问题。以交流接触器为主体的控制系统，具有控制电路简单、驱动力强、成本低廉的特点，在可编程逻辑控制器件(PLC)驱动大型交流接触器时，需要经过中间级放大才能实现，而且还需专设控制电路降低吸合时的功耗，制约了控制系统的应用与发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种低功耗，易驱动，使用寿命长，内置驱动电路及控制端口的低功耗数控接触器；本发明同时提供了上述接触器组成的控制系统。
本发明的低功耗数控接触器，包括励磁线圈，动铁心和静铁心，所述静铁心由硅钢片叠成；其特征在于所述静铁心中镶嵌有永磁体；所述永磁体镶嵌在距离所述动铁心最远的位置；所述静铁心为E型铁心，所述E型铁心两个凹槽底部分别镶嵌有永磁体；所述静铁心为U型铁心，所述U型铁心凹槽底部镶嵌有永磁体；所述永磁体为钕铁硼永磁体；所述低功耗数控接触器内置驱动电路；所述驱动电路与励磁线圈连接；所述驱动电路用于连接外部电源和控制信号对励磁线圈进行驱动；所述驱动电路以单脉冲方式驱动励磁线圈；所述驱动电路由继电器、电容器及其充/放电回路构成。
本发明的控制系统包括电源、控制器以及至少一台低功耗数控接触器；所述电源与低功耗数控接触器和控制器连接；所述低功耗数控接触器与控制器连接。
所述电源为开关电源；所述控制器为PLC或PLD。
本发明的有益效果是接触器功耗低，易驱动，使用寿命长。低功耗数控接触器可以直接采用标称DC24V开关电源供电，电源适用范围宽AC85～264V，节能效果十分显著，开关电源还可以远距离地(500m)向低功耗数控接触器供电，线路连接灵活方便、操作安全；驱动电路的控制端口可直接由集成电路、单片机、PLD、LOGO、PLC等可编程逻辑控制器件驱动。
图1是实施例1的示意图；图2是图1中静铁心的横向剖视图；图3是实施例2的示意图；图4是图3中静铁心的横向剖视图；图5是实施例3驱动电路原理图；图6是吸合时励磁线圈的电压波形图；图7是分断时励磁线圈的电压波形图；图8是实施例4控制系统结构示意图；图9是实施例5控制系统结构示意图；图10是实施例6供电系统结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明的低功耗数控接触器，选用硅钢片叠成的铁心，并在静铁心中嵌入永磁体，增加了静铁心对动铁心的吸合力，降低了对励磁线圈磁力的要求，减小了励磁线圈驱动电流，降低驱动功率。低功耗数控接触器吸合后，由于永磁体磁场的作用，不需要维持电流，低功耗数控接触器就可以保持接触状态，进一步降低了能耗。
本发明低功耗数控接触器，其内置驱动电路，采用了多种降耗措施及提高可靠性的手段，电路结构巧妙。整个驱动电路全部安装在低功耗数控接触器基座内，与低功耗数控接触器集成在一起，通过三端接口与外部电源及控制信号连接，对励磁线圈进行驱动。低功耗数控接触器励磁线圈的驱动电流，采用单脉冲电流驱动，无论分断吸合，脉冲电流持续时间均≤50ms。
静铁心中嵌入永磁体，在磁路中新增了一个磁源，使得低功耗数控接触器的吸合、保持、分断过程有了新的特征。
吸合特征永磁体的嵌入增加了静铁心对动铁心的吸合力，配合电容储能式驱动电路，采用单脉冲电流励磁方式，使低功耗数控接触器的启动功率大幅度降低。低功耗数控接触器的吸合在电磁力和永磁力的共同作用下完成，这种复合磁力消除了接触器触头抖动的弊端。
保持特征保持过程分为吸合保持与分断保持，吸合保持时励磁线圈无维持电流，靠永磁体的磁力保持稳定的吸合状态，要求永磁体磁力尽可能强；而分断保持时为避免产生误吸合动作，则要求其磁力尽可能弱。实践证明，经磁化的永磁体不但具有剩余磁化强度，而且还能被外磁场磁化产生感应磁化强度，低功耗数控接触器动作时，永磁体的磁性能，会反复受到吸合、分断时励磁线圈磁场变化的影响。吸合过程中励磁线圈电流产生的磁场，与永磁体本身磁场方向相同，使永磁体产生感应磁化强度，对永磁体是一个充磁的过程，增强了永磁体的磁场强度。当励磁电流消除，永磁体仍然以较强的磁力保持动铁心处于吸合状态。分断时励磁线圈中产生的磁场，对于永磁体而言是一个退磁的过程。去磁磁动势使永磁体的磁场强度，在回复线的区间内变化。本发明选用了性能比较稳定的钕铁硼永磁体，这种充磁、退磁的交替变化不会改变永磁体的磁稳定性，却能使永磁体在吸合保持时具有较强的磁力，在分断保持时其磁力相对较弱。
分断特征由于永磁体的嵌入，分断时需向励磁线圈施加反向电流，以克服永磁体对动铁心的吸力。采用单脉冲电流的驱动方式，使得接触器分断时间具有良好的可控性。
钕铁硼是永磁机构的核心部件，其磁性能会受到环境、温度、时间等诸多因素的影响，为了保证永磁机构能长期稳定地运行，我们在充分探索的基础上、制定了完善的制造、加工及装配工艺。
低功耗数控接触器实现低启动功率的技术措施是在预定的时间内，完成对储能电容的充电，由电容提供启动时所需能量，低功耗数控接触器的动作频率在每小时600次、1200次、2400次时，充电电流取值分别为300mA、400mA、500mA，当电源电压为DC24V时，对应启动功耗分别为7.2W、9.6W、12W，吸合时功耗0.12W(内置驱动电路耗电)，同比现有的智能接触器的线圈损耗启动时162W，吸合时9.8W有了很大的改进。低功耗数控接触器的功耗仅相当于一只普通的中功率晶体管，使之完全兼容于低压电子电路，为自动化工程设计提供了一种非常实用的选择。
低功耗数控接触器实现低温升的技术措施是由于铁心、励磁线圈及驱动电路均密闭在低功耗数控接触器基座内，而钕铁硼、电解电容的性能，易受温度的影响，因此对温升的控制极为重要，在低功耗数控接触器中，产生热源的器件有铁心(动、静铁心在闭合时的撞击)、励磁线圈、驱动电路中的限流元件，通过对上述环节的控制，使低功耗数控接触器在不间断工作条件下，动作频率2400次/小时，环境温度30℃时，实测温升≤4℃。
实施例1图1示出了一种EI型铁心结构的示意图。图中1为永磁体；2为静铁心；3为励磁线圈；4为动铁心。静铁心2为E型结构，动铁心4为I型结构。本例低功耗数控接触器铁心由硅钢片叠成，如图2所示。永磁体1选用钕铁硼永磁体，本例采用双永磁体结构。永磁体1镶嵌在E型静铁心2凹槽底部中间位置。永磁体1镶嵌在该位置加工、安装方便，不会因加工静铁心和安装永磁体，而过多影响静铁心的机械强度。在处于分断状态时，从永磁体1的位置到动、静铁心衔接处各支路的磁阻相近，衔接处之间的静态磁场分布均衡。由于永磁体1距离动铁心4较远，对动铁心4的吸力强度相对较弱，即使在动铁心受到一定程度的外力干扰时，也不会产生误吸合动作，当低功耗数控接触器吸合时，又能沿动、静铁心闭合时产生的低磁阻磁路，保持稳定的吸合状态。这样的安装位置，即使永磁体1的磁场强度在较大范围内变化时，仍然能够恰到好处地满足要求，这在工程上具有重要意义。EI型铁心能很好地匹配直流驱动电路，为低功耗数控接触器铁心结构的首选。
实施例2如图3所示，本例的铁心结构为UI型，静铁心2为U型结构，动铁心4为I型结构。永磁体1镶嵌在U型静铁心2的凹槽底部中间位置，图4示出了本例静铁心的横向剖视图。这种低功耗数控接触器采用双励磁线圈。UI型铁心适用于300～800A的大型低功耗数控接触器，本例的单永磁体结构，简化了磁路的设计。双励磁线圈的并联驱动或同步驱动，能够有效地解决大型接触器在采用标称电压DC24V时启动难的问题，凸显其结构的优越性。本例的其他结构特征与实施例1相同。
实施例3图5示出了本例的驱动电路原理图。驱动电路安装在低功耗数控接触器的基座内，与低功耗数控接触器构成一个整体。图5中，励磁线圈KM通过转换开关JK2、转换开关JK3与电源连接。转换开关JK2为继电器J2的触点，转换开关JK3为继电器J3的触点。与继电器J2、继电器J3串联的电容C5、电容C6的充放电由开关JK1-1、开关JK1-2控制，开关JK1-1、开关JK1-2受继电器J1控制，继电器J1由外部控制信号控制。图3中C与外部控制信号连接，Vcc与外部正电源连接，G为公共地。
图5中电源电路有三个相对独立的电源支路，分别担负着向启动、分断及控制电路供电的任务。图5中，外部电源经电阻R1、发光二极管D1、电容C1、三极管Q1、电阻R3、电阻R4组成的恒流源电路，向储能电容C4充电，构成吸合电源；外部电源经二极管D3、电阻R5向电容C7充电，组成分断电源；外部电源经二极管D2向电容C3充电组成控制电源。图5中，电阻R1、电阻R3、三极管Q1、二极管D1组成常规恒流源电路，控制电容C4的充电，恒流电流的取值由电阻R1决定。图中电容C1的作用是当电容C4放电时延缓三极管Q1的导通，电阻R4的作用是使电容C4的电压可充至电源电压，充电过程结束后三极管Q1截止，降低了Q1的损耗；关机时，储能电容C4经电阻R4及外部电源放电。
图5中，励磁线圈KM通过转换开关JK2和转换开关JK3切换流经励磁线圈KM的电流方向，达到控制低功耗数控接触器吸合、保持、分断的目的。电路工作过程为接通电源后，励磁线圈KM的两端经切换开关JK2和转换开关JK3的常闭点接地，接触器处于待命状态。当控制端C为“0”(低电平)时，继电器J1吸合，电容C5的充电电流使继电器J2吸合，励磁线圈KM经切换开关JK2常开点得电，电容C4所储电能驱动低功耗数控接触器吸合。由电容C5、继电器J2组成的LC电路，经延时后继电器J2释放，励磁线圈KM断电，KM中的残余电压经JK2的常闭点释放，低功耗数控接触器靠永磁力保持吸合状态。励磁线圈KM中的电压波形如图6所示，可以看出，电流为一个单脉冲(忽略励磁线圈中的震荡电压)，脉冲持续时间≤50ms。与此同时电容C6经JK1-2的常开点、电阻R6、二极管D5形成的闭合回路放电。当控制端C为“1”(高电平)时，继电器J1释放，电容C6的充电电流使继电器J3吸合，励磁线圈KM经切换开关JK3常开点反向得电，电容C7所储电能驱动低功耗数控接触器分断。电容C6、继电器J3组成的LC电路，经延时后继电器J3释放，励磁线圈KM断电，分断状态靠支撑弹簧保持，分断电流波形如图7所示，也是一个脉冲宽度≤50ms的单脉冲。与此同时电容C5经开关JK1-2的常闭点、电阻R6、二极管D4形成的闭合回路放电。在接口电路中使用继电器J1，提高了低功耗数控接触器的抗干扰能力，电阻R2、电容C2是一种节能接法，能使继电器J1长期稳定地工作。继电器J1可以由集成电路、单片机、PLD、LOGO、PLC等可编程逻辑控制器件直接驱动，除此之外可以通过接口电路实现接触器的过热保护、过载保护、延时等功能扩展，使低功耗数控接触器的外挂功能扩展模块电子化。
图5中，继电器J2、继电器J3的电寿命，直接影响到低功耗数控接触器使用寿命，从继电器的技术参数中得知，该型号继电器的电寿命为10万次、机械寿命1000万次，如果不加任何技术措施，继电器J2的电寿命实测不足8万次，损坏的原因是继电器分断时，触头间隙中产生的电弧造成触头烧损。在采用恒流源充电电路等技术措施后，继电器J2的常开点触头闭合时，电容C4与励磁线圈KM组成的LC回路电流不能突变，不会产生电弧；经约80ms延时触头分断，此时储能电容C4经放电后电压值近似为零(参见图6)，也不会产生电弧，延长了继电器J2触点JK2的电寿命。继电器J3工作过程与此相同。继电器J2及继电器J3的电寿命由10万次提高到了200万次。提高了本发明低功耗数控接触器的使用寿命。
本发明的低功耗数控接触器具有良好的运动可控性，各项技术指标处于国际领先水平，以105A低功耗数控接触器为例，使用寿命≥100万次，动作频率2400次/每小时，启动功耗为12W。本发明的低功耗数控接触器涉及规格为100～800A。
下面结合低功耗数控接触器的应用实例，说明采用本发明的低功耗数控接触器构成的控制系统。
实施例4图8的所示的控制系统是本发明低功耗数控接触器与外部开关电源及控制信号连接的应用实例。图中以一台50W的开关电源，为4台低功耗数控接触器(105A)以及可编程控制器PLC-221供电，开关电源的功率可依据具体任务而增减；本例的可编程逻辑控制器件为PLC，其输入端由开关K1-K6控制，输出端Q0、Q1、Q2、Q3分别与4台低功耗数控接触器的控制端C连接，组成一个商品化的硬件平台。使用时，可根据具体情况扩展相应的功能，编制相应的控制程序，达到预期的控制目的，本例的工业控制系统为传统工业的技术改造提供了一个新的运作模式。
实施例5图9是本发明低功耗数控接触器在工业现场的应用实例。图中16台低功耗数控接触器及PLC-226与一台300W开关电源连接，低功耗数控接触器K1至K16的内置解码电路的输入端，经连接线与编码电路的输出端连接，编码电路与PLC的输出端连接，PLC的输入端，与输入开关连接。本例的亮点在于采用集中供电方式，远距离地(500m)向多台低功耗数控接触器供电，它充分发挥了开关电源安全、高效的技术优势。本例采用了二线制编码、译码控制电路，极大地简化了控制系统的连接布线。本例在展示一个分布式工业控制系统的同时，从另一个侧面揭示了低功耗数控接触器广阔的应用前景。
实施例6图10是本发明低功耗数控接触器在同步关合低压终端供电系统的应用实例。图中，低功耗数控接触器、PLC-222、电子灭弧模块与开关电源连接，低功耗数控接触器、电子灭弧模块的控制端分别与PLC-222的输出端连接，PLC-222的输入端，与控制开关、同步信号检测电路连接，同步信号检测电路与输入电源R、S、T连接，接触器的三极与电子灭弧模块数并联使用，一端分别与输入电源R、S、T连接，另一端分别与输出电源U、V、W连接。本例的技术特征是旨在抑制投入电力系统时产生浪涌电压、电流；避开在产生最大危害相角处关合，达到提高电能质量及接触器自身使用寿命的目的。这种技术方案既能发挥接触器原有灭弧装置的作用，又使驱动电路的控制精确度由微秒级降为毫秒级。本例将低功耗数控接触器的三极并联使用，辅以电子灭弧模块，作为供电系统独立操控的一极，供电系统的同步关合由PLC控制，操控过程如下合闸时开关K1发出的指令与同步信号一起输入给PLC，由PLC控制在指定相角处，依次开通电子灭弧模块，再依次开通低功耗数控接触器，当低功耗数控接触器全部开通后电子灭弧模块关闭；分闸时K2向PLC发出指令，由PLC控制，先开通电子灭弧模块，再分断低功耗数控接触器，在低功耗数控接触器分断后，依次关闭电子灭弧模块；实现同步关合的基础是低功耗数控接触器良好的运动可控性。
本发明的低功耗数控接触器，突破了接触器传统的设计理念，以全新的思维方式以及优异的性能拓展了接触器未来生存与发展的空间。
权利要求
1.低功耗数控接触器，包括励磁线圈，动铁心和静铁心，所述静铁心由硅钢片叠成；其特征在于所述静铁心中镶嵌有永磁体。
2.根据权利要求1所述的低功耗数控接触器，其特征在于所述永磁体镶嵌在距离所述动铁心最远的位置。
3.根据权利要求2所述的低功耗数控接触器，其特征在于所述静铁心为E型铁心，所述E型铁心两个凹槽底部分别镶嵌有永磁体。
4.根据权利要求2所述的低功耗数控接触器，其特征在于所述静铁心为U型铁心，所述U型铁心凹槽底部镶嵌有永磁体。
5.根据权利要求1所述的低功耗数控接触器，其特征在于所述永磁体为钕铁硼永磁体。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的低功耗数控接触器，其特征在于所述低功耗数控接触器内置驱动电路；所述驱动电路与励磁线圈连接；所述驱动电路用于连接外部电源和控制信号对励磁线圈进行驱动。
7.根据权利要求6所述的低功耗数控接触器，其特征在于所述驱动电路以单脉冲方式驱动励磁线圈。
8.根据权利要求7所述的低功耗数控接触器，其特征在于所述驱动电路由继电器、电容器及其充/放电回路构成。
9.由权利要求6所述低功耗数控接触器组成的控制系统，包括电源、控制器以及至少一台低功耗数控接触器；所述电源与低功耗数控接触器和控制器连接；所述低功耗数控接触器与控制器连接。
10.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于所述电源为开关电源；所述控制器为PLC或PLD。
全文摘要
本发明涉及一种开关装置，特别涉及接触器铁心以及接触器驱动电路。本发明解决了现有接触器驱动功率大、能耗高、使用寿命短的缺点，提供了一种内置驱动电路及控制端口的低功耗数控接触器。本发明的低功耗数控接触器，包括励磁线圈，动铁心和静铁心，所述静铁心由硅钢片叠成；所述静铁心中镶嵌有永磁体；所述低功耗数控接触器内置驱动电路；所述驱动电路与励磁线圈连接；所述驱动电路用于连接外部电源和控制信号对励磁线圈进行驱动。本发明同时提供了上述接触器组成的控制系统。本发明的有益效果是接触器功耗低，易驱动，使用寿命长，可以直接采用标称DC24V开关电源供电，节能效果十分显著。
文档编号H01H47/02GK1753127SQ20051002164
公开日2006年3月29日 申请日期2005年9月9日 优先权日2005年9月9日
发明者刘津平, 陈荣高 申请人:刘津平, 陈荣高