永磁接触器节能技术的研究

1永磁接触器节能技术的研究宁玉伟杨一平（许昌职业技术学院，河南许昌461000）摘要：目前，广泛使用的电磁式交流接触器、继电器、电磁阀、牵引电磁铁等低压电器元件，线圈工作时消耗电能，当其保持工作状态时间比较长时，线圈的耗电量就更大。新型节能型永磁接触器成功地将新型永磁材料、电子技术和微机控制技术有机结合一体，采用电磁吸合、永磁保持的原理，工作期间线圈耗能量小，节能效果显著，为传统电磁式接触器替代产品。关键词：电磁式；低压电器；永磁；电磁吸合；永磁保持。ResearchtoPermanentMagneticContactorPower-SavingTechnologyNingYuweiYangYiping(XuchangVocationalTechnicalCollege,XuChangHeNan461000)Abstract：Atpresent,widelyusedlowvoltageelementsarehighenergyconsumingproducts,suchaselectromagneticACcontactor,relay,electromagneticvalve,tractionelectromagnet,etc.Newtypeenergy-savingpermanentmagneticcontactorcombinesnewtypepermanentmaterial,electronictechniqueandcomputercntroltchnologybyadoptingtheelectromagneticoperatingandpermanentmagnetismretaining.Thus,ithastheabilityoflowpowerconsumptionandbethesurrogateproducttoconventionalelectromagneticcontactor.Keyword：Electromagnetic；Low-voltageApparatus；PermanentMagnetism；ElectromagneticOperating；PermanentMagnetismRetaining。1引言随着世界经济的发展，节能减排已被世界各国作为重要议题来研究。我国是个能源消耗大国，交流接触器、继电器、电磁阀、牵引电磁阀等等低压电器的用量很大，据有关部门估计，在线作业的此类低压电器有上亿件之多，平均每件工作电流按2A计算（220V的交流接触器吸引线圈工作电流从0.4A～10A；380V的交流接触器吸引线圈工作电流从0.25～15A；500V的交流接触器吸引线圈工作电流从0.19～15A），那就是一亿安以上个电流，每件节电按50%计算，其全部节电量，相当可观。2普通电磁式接触器的结构和工作原理（以CJ20型为例）2.1通电磁式接触器的结构如图1所示，为CJ20型电磁式接触器的结构。1-动触头2-静触头3-衔铁4-弹簧5-线圈6-铁心7-垫毡8-触头弹簧9-灭弧罩10-触头压力弹簧2图1交流接触器结构示意图2.2普通电磁式接触器的工作原理普通电磁式接触器的原理就是它工作时，靠线圈带电，产生电磁力，维持动、静磁铁吸合，使得接触器主、辅触点闭合，从而使主电路上的负载工作。传统电磁式接触器工作期间，线圈需常时带电来维持吸合状态，不仅线圈耗能，而且电压波动产生震颤噪音，线圈极易烧毁，触点寿命降低等。3永磁接触器的结构和工作原理（以CJ20J型为例）3.1永磁接触器的结构永磁接触器在现有大量应用的各类接触器基础上，将原有硅钢片叠装衔铁，改变为永磁铁，将原电磁线圈改变为有中心抽头电磁线圈，该线圈与电子模块共同组成复合电子模块。如图2所示，为CJ20J永磁接触器的结构图。1-动触头2-静触头3-永磁铁S极4-弹簧5-永磁铁N极6-复合电子模块7-垫毡8-触头弹簧9-灭弧罩10-触头压力弹簧图2永磁接触器结构示意图3.2永磁接触器的工作原理永磁接触器的工作原理就是利用磁极的同性相斥，异性相吸的原理，因安装在接触器联动机构上的永磁体的极性是固定不变的，而固定在接触器底座上的特殊工艺制作的复合电子模块（相当于软铁），在外来控制信号作用下，电子模块产生十几至二十几毫秒的正、反向脉冲电流，使软铁产生不同的极性。相对永磁体面（下端为N极）来说，吸合时软铁上端为S极；保持时软铁无极性；释放时为N极，从而使接触器的主触头达到吸合、保持与释放的目的，由于采用电子模块的控制，可根据现场需要设定释放电压值（断电为零电压），并可延迟一段时间再发出反向脉冲电流，以实现低电压延时释放或断电延时释放的功能，免受网电压大幅度波动的干扰，达到稳定电气控制系统的目的。3.3永磁接触器电磁结构和线圈的工作原理（1）永磁接触器电磁结构吸合瞬间的情况永磁接触器线圈和电磁结构，如图3所示。工作时SB2接通，线圈1-2通电，产生较大的吸合力，改力克服弹簧反力使磁铁瞬间吸合。图3（a）（b）为永磁铁吸合瞬间，线圈的工作情况和电磁结构中磁场的分布情况、磁极的受力情况，在图3（a）中，按下SB2按钮，1-2之间的线圈工作，在上正下负电源作用下，使得图3（b）中的复合电子模块产生上端为S极的磁场，此磁场与永磁铁的N极吸引，吸引力远大于弹簧反力，使得永磁铁和复合电子模块瞬间吸合。同时电源对电容C4进行充电，如图3（a）所示，为电容C4充电情况。3（a）永磁接触器线圈结构（b）永磁接触器电磁结构（c）电容充电情况图3永磁接触器电磁结构和线圈（2）永磁接触器电磁结构的吸合保持情况在图3（a）中，当吸合后，松开按钮SB2，1-2之间的线圈断电，此时，软铁被永磁铁的N极吸引，吸引力大于弹簧反力，使得永磁铁和复合电子模块保持原来的吸合状态（如图4所示）。图4永磁接触器电磁结构的吸合保持情况（3）永磁接触器电磁结构的断电释放情况当需释放时，按下按钮SB1，供给复合电子模块线圈的主电源解除，此时，电容C4作为复合电子模块线圈3-2部分的电源，进行放电，如图5所示，在线圈上产生上负下正的电源，在这个电源作用下，使得图5（b）中的复合电子模块产生上端为N极的磁场，此磁场与永磁铁的N极推斥，小电磁线圈产生反向磁场推斥力和弹簧反力的合力，使得永磁铁和复合电子模块瞬间快速分离，如图5（b）所示。（a）电容放电情况（b）永磁接触器电磁结构图5永磁接触器电磁结构释放和线圈3.4永磁接触器电子模块工作原理（1）永磁接触器复合模块中电子模块的参考电路如图6所示。4图6永磁接触器电子模块的参考电路（2）为永磁接触器电子模块的工作原理按下SB2按钮，复合模块的全部线圈1-2得电，如图3（a）所示。接触器线圈上端在大电流下，产生与永磁铁N极相反的极性S极，这样，永磁铁的N极与复合电子模块的S极相互吸引，克服复位弹簧的弹力，瞬间吸合，同时触点KM自锁，使得电源保持接通；松开SB2，复合模块的全部线圈1-2断电，软铁与永磁铁产生的磁力克服复位弹簧的弹力仍然保持吸合；当按下SB1停止按钮时，主电源断电，电容C4作为复合模块线圈3-2的电源，进行瞬间高电压、大电流放电，使得KM线圈3-2产生反方向的磁场，该磁场力与复位弹簧的合力克服软铁与永磁铁产生的磁力使得接触器瞬间释放。（3）电子模块中各电子元件的作用R1为压敏电阻；二极管D5，电阻R2、R3，电容C1、C2，稳压管D8，MOSTET管Q2组成欠压监视电路，当电压低于设定值时，Q2关断，主电源关断；二极管D6，电容C3，电阻R4、R5，组成分压电路，C3为滤波电容，当通以额定电压时，R5上分得的电压大于0.6V，使三极管Q1饱和导通，Q1的集电极C极被拉成低电位，MOSTET管Q3截止，电阻R7和Q3所在的支路被关断；二极管D7、电容C4、复合模块线圈KM构成充电主回路，如图4（a）所示。电压为额定值时，电解电容C4两端电压高于额定电压，电容C4充电时：①线圈中的电流形成磁场，保持永磁铁与复合电子模块处于吸合位置；②充好电的电容在断电时，作为电源，为保持永磁铁与复合电子模块排斥分开提供动力准备。当欠压(在额定值10%-70%范围内)或失压时，Q1截止，C4两端的电压通过电阻R6加在Q3的栅源极，Q3导通，并联的稳压管D9对Q3进行保护；由C4、Q3、复合模块线圈KM构成放电回路，如图5（a）所示线圈产生的磁势上端为N极，正好与永磁磁势下端N极相反，弹簧反力和电磁力排斥力推动动永磁铁与复合模块分离，实现接触器动静触点分离功能。4普通电磁式接触器和永磁接触器性能比较以CJ20和CJ20J型为例进行比较（1）不受网电压干扰，不打颤在额定电压30％到130％电压波动范围内，仍然能可靠的吸合，触头没有颤动现象。（2）节电率大于99.8％举例说明：超级节能的永磁式交流接触器CJ20J-40工作电流是0.8mA，年耗电量是2.66KW.h。传统接触器CJ20--40工作电流是90mA，年耗电量是296.26KW.h（3）可选择释放电压在电网波动剧烈，超出规定标准时，传统接触器电磁吸合系统在额定电压下降到70％仍然长期保持吸合，直到额定电压50％才跳开。这对于工矿企业电气负载多属于电动机的情况下，接触器自身没有起到应该有的保护负载的作用，只有在二次回路继电控制系统中必须添加专用的失压保护继电控制元器件配合使用达到负载保护释放。而永磁式接触器采用的是复合电子模块控制吸合系统，在释放电压上可以做到精确控制，并且可以还可以做到欠压、过压、二次保护断相、过流等，具备了“智能型”控制系统二次开发平台。5（4）独特的延时释放功能在工矿企业电气控制中，因生产工艺的特殊要求需要电气设备有延时功能控制，那么传统的接触器因为其原理和自身结构无法二次开发，必须需要借助外围延时电气控制元件，配套完成生产工艺的特殊要求；而永磁式交流接触器能够在自身电子模块里设计延时释放功能。大大降低设备投资成本和维护成本。（5）无噪音、无温升传统接触器工作状态下的交变电磁噪音较大，工作状态下电磁线圈的自身温升为85℃永磁式交流接触器，加上自然环境温度（常规取值为环境温度30℃），那么传统接触器工作状态的实际温度为115℃，如此之高的温度工作下电气绝缘材料更加加速老化直至于烧毁。永磁式交流接触器因为电子模块内选用的是微功耗电子元件，所以永磁式交流接触器在稳定工作状态的维持电流一般在微安级，最多达到毫安级。而且数值都是维持在相当低的状态下，稳定性能非常可靠，模块没有自身温度，更谈不上噪音了。5.结论我们对永磁式接触器电磁结构和工作原理进行了分析，在分析过程中，我们可以看到永磁式接触器是一种大电流电磁结构吸合，触点导通；小电流电磁结构保持吸合，触点导通；高电压、大电流电磁结构瞬间释放，触点断开的电器元件。具有工作可靠，节电、无噪声，结构简单等特点，为我国节能减排工程重点推广的节能产品。参考文献[1]SatoJ，SakaguchiO，KubotaN，etal。Newtechnologyformediumvoltagesolidinsulatedswitchgear[C]．ProceedingsoftheIEEEPowerEngineeringSocietyTransmissionandDistributionConference，Yokahama，Japan，2002。[2]马少华，王季梅。72.5kV高压真空断路器永磁操动机构的研究与设计[J]。中国电机工程学报，2001，21(12)：109-114．[3]林莘，徐建源，高会军。永磁操动机构动态特性计算与分析[J]。中[4]房淑华，林鹤云等。永磁接触器磁场有限元分析及控制单元设计，2006年11月，26卷22期[5]河南松峰电子实验室数据作者简介：宁玉伟（1963-7），男，河南许昌市人，硕士，副教授。通讯地址：河南、许昌市新兴路东段，联系电话：[phone]邮编：461000邮箱：[e-mail]杨一平（1965-3），男，河南许昌市人，大学，工程师。通讯地址：河南、许昌市新兴路东段，联系电话：[phone]邮编：