新一代智能型节能接触器研究及实现

1、新一代智能型节能接触器研究及实现可行性研究报告一、立项的背景和意义交流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和分断交流主电路及大容量控制电路的低压电器，是低压电气系统中使用最广泛的设备之一，生产和应用市场非常成熟。国内主要生产厂家有正泰、德力西及我们的合作单位等，国际生产厂家有ABB、西门子、施耐德、富士等，目前国内厂家生产的绝大部分是传统电磁式交流接触器，07年总产值为47.6亿元，现场工作的保有量超亿台。本项目研究的“新一代节能交流接触器”比传统交流接触器节电95以上，其节能效果非常明显。表1 CJ20 系列交流接触器吸持功率和年耗电量型 号CJ20-63CJ20-100CJ20-160CJ2

2、0-250CJ20-400CJ20-630吸持电流(mA)120.0132.5212.5272.5295.0610.0吸持功率(VA)45.650.480.8103.6112.1231.8年耗电量(度)109.4130.0193.9248.6269.0556.3注:年耗电量按1天工作8 h，1年工作300 天计算一台大、中容量的传统交流接触器的吸持功率为几十伏安至几百伏安，年耗电量为数百度，如表1所示。采用本项目研究的节能技术的新一代交流接触器，吸持功率为几伏安，如表2所示。按照现场工作的保有量1亿台、每台年可节省电能按100度计算，每年可节省电量100亿度，直接经济价值50亿元，间接经济价值

3、、环保意义和社会价值就更大了。表2 新一代节能型交流接触器吸持功率和年耗电量相应容量63A100A160A250A400A630A吸持电流(mA)6.06.010.010.015.020.0吸持功率(VA)2.282.283.803.805.707.60年耗电量(度)5.475.479.129.1213.6818.24节电率(%)95.095.595.396.395.096.7另外，本项目研究的新一代交流接触器除节能效率高外，还有如下优点：具有寿命长、可靠性高以及无声的特点；体积小、重量轻，比同规格的传统交流接触器重量减轻1/2，对应体积也大大缩小，硅钢片等黑色金属消耗量减少45%左右；同时，

4、能耗的降低带来的电磁系统优化设计以及吸反力特性的最佳配合降低了触头烧损量，可使铜、银有色金属消耗量减少44%左右；采用先进的电子控制技术，两个临界电压接触器动作无抖动，控制过程不占用任何辅助触头，模块性强，接触器动作特性可靠, 吸合、释放动作迅速；智能化功能，由于采用了微电子技术，增添一些对接触器主电路的保护功能，包括欠电压保护、过电压保护、相序保护、缺相保护和漏电保护等，以及动作电压阈值可调及网络通讯及控制等功能；预计批量推广后，新一代节能接触器的市场价格仅为国外同等产品的2050(国外相同节能型产品的市场价格为国内同等规格的传统接触器的46倍)。温州是“中国电器之都”，占全国低压电器产量的

5、60以上，本项目的主持单位为市级行业技术研究中心，合作单位为全国生产交流接触器的知名大厂。该项目研究成果将填补了国内脉宽调制式节能交流接触器的空白，达到国外先进水平，它的实施和推广，无疑对提升我国低压电器产业结构起着领头羊的作用，它将从根本上改变传统的交流接触器产业结构，给传统低压电器产品注入高新技术，使低压电器产品功能发生质的飞跃。总之，从节能环保、高性能、高可靠性、小型化、电子化、智能化、国际市场价格及区域产业结构等各方面来看，我们研究新一代节能交流接触器具有重要意义。二、国内外研究现状和发展趋势2.1 交流接触器的研究现状和发展趋势我国交流接触器及低压电器的发展大致可分为以下几个阶段：2

6、0世纪50年代的全面仿苏，20世纪6070年代在模仿基础上统一设计的第一代产品；7080年代在更新换代和引进国外先进技术制造的第二代产品；90年代跟踪国外新技术自行开发的第三代智能化产品；最近正在研发的第四代产品，第四代产品具有节能环保、高效灭弧或零弧、智能化程度高、可通讯、性能优良、工作可靠、体积小、组合化、模块化的特点。第四代产品交流接触器的诸多功能，都得益于当今飞速发展的电子技术和智能化技术在交流接触器中的充分应用，以及相关行业新技术、新材料开发和应用。随着低压电器行业的不断发展和新标准的出台，至2010年，我国第一代产品将面临全面淘汰，第二代产品将成低档产品，第三代产品降为中档产品。从

7、产品发展和不同层次市场需求考虑，必须发展第四代低压电器产品。目前正在加速研发和推广第三代产品，第三代产品正逐步成为市场的主力军，随着我国第三代产品的开发与应用，我国低压电器产品与国外先进水平差距已缩短至十年。在第三代产品研发过程中，引入新技术，加入一些第四代产品的技术，使之达到第四代产品的部分特征，谓之新一代产品（也叫新生代产品），本项目研究的接触器就属于新一代的概念。目前交流接触器研究的热门课题是灭弧和节能。灭弧研究包括：电接触材料方面的研究；电磁铁触头实现闭环控制，以达到智能合闸操作，调节吸力与反力的配合，电磁铁吸合冲击力降至最小，减少了触头振动；触头零电弧侵蚀研究；过零接触研究（即电压过

8、零吸合，电流过零分断）；以及电子灭弧研究（即电子器件辅助导通实现零电弧）。下面重点介绍交流接触器节能方面的研究状况。2.2、交流接触器节电技术的国内外研究现状和发展趋势2.2.1 概述交流接触器的操作电磁系统一般采用交流控制电源。我国现生产的额定电流在63 A及以上的大、中容量交流接触器，其操作电磁系统在吸持时消耗的有功功率和无功功率在数十瓦至数百瓦之间。所耗有功功率的分配大致为：铁心65%75%，短路环25%30%，线圈仅占3%5%。大、中容量交流接触器的操作电磁系统采用节电技术，将其操作电磁系统由原设计的交流操作改为直流吸持或无激磁电流吸持，可节省铁心和短路环中占绝大部分的损耗功率，可取得

9、较高的节电效益。一般有功功率节电率可高达85%以上，有的竟可超过95%。交流接触器采用节电技术具有较高的节电效益，还可降低和消除噪声，降低线圈的温升和延长其使用寿命。2.2.2 交流接触器节电器标准的编制和修订传统交流接触器是基于“通电吸合，带电保持，断电释放”的工作原理，运行过程中，能耗的90% 以上集中在铁心的磁滞损耗和涡流损耗及短路环损耗，且功率因数低，噪声大，线圈温升高，降低了接触器线圈的使用寿命。为改善这种运行状况，国家先后多次发布了交流接触器节电方面的文件和标准，早在1981年国务院(1981)56号文发布的节电指令第二号中就指令要实施交流接触器节电措施，当时使用一种交流接触器的外

10、加装置节电器。随着节电器在实际使用中出现不少质量问题, 主要表现为接触器不能可靠闭合、节电线路中二极管击穿、电容器爆炸等等。节电器故障导致接触器故障, 致使电动机等三相负载烧毁。节电器的频繁事故引起有关部门的重视, 为了更好地贯彻国务院年发布的节能指令第二号文件，统一交流接触器节电产品的技术性能和试验要求，确保其经济合理和安全运行，由全国能源基础与管理标准化技术委员会提出和归口，机电部上海电器科学研究所和中国标准化综合研究所共同负责起草了国家标准交流接触器节电器及其应用技术条件，后来就成了国家标准GB88711988。为了进一步适应我国能源结构的需要，2001年我国颁布GB88712001交流

11、接触器节电器取代GB88711998，在新标准中，除对应用节电器的节电率、节电器寿命以及电磁兼容性做出规定外，还对温升、保护性能、噪声等性能参数做了硬性要求。2008年我国颁布GB215182008交流接触器能效限定值及能效等级，规定了交流接触器能效限定值、节能评价值、能效等级和试验方法。这些标准对交流接触器节电及无噪声运行技术的研究和应用起到了积极的促进作用。2.2.3 交流接触器节电技术的发展交流接触器节电技术的发展分三个阶段：交流接触器节电器、交流接触器节电线圈和节电型交流接触器。下面介绍每个阶段的各种节电技术。1、交流接触器节电器交流接触器节电器为外附产品, 它的使用通常不需要改变接触

12、器的电磁系统，安装在所配用的交流接触器上或其附近，通过简单的接线就可使交流接触器的操作电磁系统达到节电、无噪声和低温升的目的。二十世纪七十年代我国第一台交流接触器电容器式无声节电器在技术革新中诞生，很快在全国推广开来，受到国家的重视和支持。1981年国务院国发文公布的国务院关于节约用电指令节能指令第二号中要求“额定电流63安以上的交流接触器应采用无声节电运行”。节电器的主要方案和产品有电容器式、变压器式和改变占空比自转换式三种类型。电容器式节电器可分为交流起动、直流吸持型和直流起动、直流吸持型二种。交流起动、直流吸持型结构简单, 成本低。但它的致命缺点是：在交流起动后，转换成直流吸持时，在较长

13、时间(数毫秒)的电磁吸力处于较低值，会导致衔铁吸力不够而释放, 致使闭合操作失效。理论分析和实验结果证明其闭合操作失效率约为20，虽然提出过诸多的解决闭合操作失效率的线路方案, 但线路较复杂。很快，直流起动、直流吸持型的出现就取代了前者。电容器式节电器都是利用接触器常闭辅助触头的分断, 电容串入电路, 起到降低线圈电流的作用，吸持时线圈中流过的电流为脉动直流，减少了铁心和短路环中损耗。缺点是占用接触器常闭辅助触头，功率因数很低。变压器式节电器也是利用接触器常闭辅助触头的分断,由变压器的次级输出低电压经整流后为操作线圈提供脉动直流电流，功率因数有所提高，但仍占用接触器辅助触头，而且变压器比较笨重

14、，体积大。 改变占空比自转换式节电器无需接触器辅助触头的帮助，在接触器起动状态占空比为100，相当于全短路, 电源经桥式流后直接供给操作线圈, 使接触器电磁系统强激磁吸动。其后经自动延时，调节改变占空比为10，由变换器自动转换为直流低电压，以达到吸持状态低电能消耗的目的。该节电器与负载及接触器操作线圈间的参数配合是很重要的, 如适当地改变线圈的参数则可取得更好的配合效果，于是20世纪80年代中期出现了既节电又节材的交流接触器节电线圈。由于节电器的可靠性差、体积大，节电器的应用不大，仅局限于技术改造。交流接触器节电措施还需依靠接触器本身的改进，如将交流接触器的操作线圈换成节电线圈。2、交流接触器

15、节电线圈交流接触器节电线圈可分为：双绕组节电线圈，限流电阻式节电线圈，双绕组自转换节电线圈以及定位磁转换节电线圈。双绕组节电线圈及双绕组自转换节电线圈都是由一个特殊设计的双绕组线圈，并将接触器的铁心巧妙地兼作为变压器铁心之用，变压器的负载为半波整流，在绕组和绕组的合成磁动势作用下，铁心中产生脉动直流的磁通和电磁吸力, 使衔铁吸持于闭合位置上。前者利用接触器辅助触头的分断来切换吸持节能状态，后者利用可控硅来自动转换成吸持节能状态。磁转换节电线圈的原理是节电线圈内置一只磁转换继电器，其铁心为拍合式，常闭触头为单断点式，继电器的铁心与接触器操作电磁铁的铁心共用一个线圈，磁转换继电器是利用接触器的衔铁

16、吸合处于不同的吸合位置时, 磁系统的磁场强度发生变化, 继电器铁心中磁场也随之改变而动作的。继电器的常闭触头断开后，降压电容和电阻即串入线圈电路中，降低了线圈电流，从而达到节电运行的目的。限流电阻式节电线圈的原理是，由桥式全波整流提供较大直流磁势使接触器吸动, 然后通过接触器的常闭触头的断开转换到单相半波整流, 并串入限流电阻使线圈得到较小的磁势维持吸合。在设计上线圈采用匝数多、线径细和微电流的方案, 吸持电流仅为数十毫安。3、节电型交流接触器节电型交流接触器是指交流接触器的操作电磁系统采用节电技术进行更改设计和改造而成为一体的交流接触器。节电型交流接触器中较多的是将非节电型交流接触器的操作线

17、圈更换上述的各种节电线圈构成的。由于节电线圈的吸持电流为直流，使铁心的磁滞损耗和涡流损耗减少甚至消失。有的节电型交流接触器除将其操作线圈更换为节电线圈外，还将其操作电磁铁的材料由硅钢叠片改为普通钢叠片或铸钢，并取消短路环。但是节电线圈线径细、匝数过多、体积大，制作难度大，在实际应用中难已在交流接触器内部实现。为此，国外一些直流操作的节电型交流接触器采用脉宽调制技术(PWM)来控制交流接触器操作线圈的直流电压，以达到吸持状态的低电压工作，使节电操作线圈匝数大大减少、体积小，达到了既节电又节材的目的。此外, 节电型交流接触器还有机械锁扣式和剩磁或永磁吸持式。机械锁扣式节电型交流接触器，分励脱扣和失

18、压脱扣两种方式。分励脱扣式当其操作电磁线圈通电使衔铁吸持后, 线圈就断电, 借助于机械锁扣使接触器保持于闭合位置上, 故此时线圈已断电而不再需要消耗电能, 要使接触器断开, 只需附装的分励脱扣器通电, 由其衔铁动作致使机械锁扣解扣即可。为了避免分励脱扣器的电源失电而无法使接触器断开，通常分励脱扣器的线圈需用独立的备用电源或由一个容量足够大、充好电的电容器放电激磁, 使机械锁扣解扣。失压脱扣方式具有失压脱扣动作特性, 既有保留原交流接触器动作性能, 又有不需要独立备用电源或加装电容器的优点。由于失压脱扣器所需锁扣吸持力较小, 故其电磁系统所耗的电功率也较小, 因而可获得节电效益，同时失压脱扣器也

19、容易受到机械震动等的干扰而误脱扣。机械寿命短、锁扣和脱扣的可靠性低，是机械锁扣式节电型交流接触器的致命软肋。剩磁或永磁吸持式节电型交流接触器，在操作电磁铁通电闭合后，操作线圈即断电，其操作衔铁借助于铁心的剩磁或永磁吸持，使接触器不需要耗电而保持在闭合位置上。要使接触器断开，则需使其操作电磁系统的剩磁或永磁反向祛磁。为了避免祛磁电源失电而无法使接触器断开，通常需要有独立用电源或由一个电容量足够大的电容放电来祛磁，祛磁能量为平时吸合时的35倍。剩磁或永磁吸持式节电型交流接触器具有不受网电压干扰、无振颤、节电率高、无声、无温升、可选阈值电压、可选延时释放等优点。同时也存在如下缺点：控制电路比较复杂、

20、抗干扰问题突出。控制电路工作于微电流方式对节能来说是优点，对抗干扰性差来说就成了缺点。在几百安培大电流的通断冲击下，以及永磁操作机构本身的瞬间电流很大，控制电路的抗干扰性和可靠性就成为首要问题；欠压和失压的检测问题，对电压的检测要求可靠迅速，在不同情况下做出正确的判断并予以执行，否则容易导致储能电容的储能不足（电容的储能与电压的平方正比），释放失败；永磁式交流接触器要求磁屏蔽，对产品的密封要求高，对内部衔铁产生的铁屑无能为力，工艺有待进一步成熟；对操作人员要求高，如果操作人员长时间按合接触器的吸合按钮，则接触器的吸合线圈就会长时间通电，吸合线圈会有烧毁的可能。因为这种线圈设计的工作状态是只能通

21、过脉冲电流的，几秒、几十秒的大电流，会导致烧毁线圈。剩磁吸持式节能接触器的电磁铁铁心材料是半硬磁材料，其优缺点和永磁吸持式类似。总之，节电型交流接触器有机械锁扣式、剩磁或永磁式和脉宽调制直流操作式，其性能比较见下表。三种节电型交流接触器性能比较表节能方式优 点缺 点产 品机械锁扣式节能效率高，无需吸持电流，无声机械寿命短，可靠性差，一致性差，工艺复杂无相应产品剩磁或永磁式节能效率高，无需吸持电流，无声，适合于大中小电流规格的交流接触器电路复杂，抗干扰能力差，可靠性一般，成本高，磁屏蔽和密封性要求高，工艺复杂国内外均有产品，规格齐全脉宽调制直流操作式节能效率高，无声，体积小，可靠性高，抗干扰能力

22、强、一致性好，节省材料，工艺成熟仍有毫安级吸持电流，电路复杂，不适合于小电流规格的交流接触器国外有中大电流规格产品，国内无2.2.4 国内节电型交流接触器产品及市场占有率1、机械锁扣式：工艺不成熟，无相应产品；2、剩磁或永磁式：有十几年历史，约占国内交流接触器市场份额的23；3、脉宽调制直流操作式：国外新产品，国内尚无相应产品，将来可替代传统交流接触器，市场前景好。三、研究开发内容和技术关键交流接触器按吸持时的运行性质划分，其节能运行方式主要包括：直流吸持方式、剩磁或永磁吸持方式和机械锁扣吸持方式。本项目研究的节电交流接触器采用直流吸持式节电方案，直流电压的控制采用脉宽调制控制技术。1、项目主

23、要研究内容本项目研究的内容是：利用直流吸持式节电方案，采用脉宽调制技术控制吸持电压，进而研制新一代的一体化节电型智能交流接触器，具有高效节能、低温升、长寿命、无声，耐电压波动、体积小、可靠性高、抗干扰能力强、一致性好、工艺成熟等功能特点。同时利用智能控制技术，增添对接触器主电路的各种保护，包括欠电压保护、过电压保护、相序保护、缺相保护和漏电保护等，以及动作电压阈值可调及网络通讯及控制等功能，成为新一代智能型节能交流接触器。380VEMCAC/DC电磁系统主触头部分智能系统开关电源PWM电流检测DC/DC基本控制相序保护欠压保护过压保护缺相保护漏电保护阈值调节通讯控制电压检测新一代智能型节能交流

24、接触器理框图新一代智能型节能交流接触器，需解决下列关键技术及工艺：(1) 节能技术，包括直流吸持和电源变换两方面节能技术；(2) 电磁系统的统一设计与优化；(3) 信号检测与智能控制技术；(4) 电磁兼容(EMC)设计；(5) 机械结构设计与材料研究。2、关键技术(1) 节能技术 交流接触器节能技术，包括直流吸持节能技术和电源变换节能技术。首先，介绍直流吸持节能技术。交流接触器的交流电磁操作机构，改为直流操作有许多好处，例如节能、噪音低、不容易烧线圈等。实现直流操作的方式也有很多种，例如双线圈、使用变压器、电阻限流、电容限流等等。这些方式看起来容易实现，但是有难以克服的缺点，主要就是直流操作系

25、统体积大、需要机械转换开关，难以直接安装在接触器的内部，不易进行大批量生产，只能作为小范围的技术改进，难以和现有接触器的壳架直接配合。其次是大部分技术没有解决直流操作部分的寿命问题，很多技术要用到转换开关，这些转换开关的使用寿命很难比接触器100万次的电寿命长(继电器的寿命是10万次)。但是，利用脉宽调制方式控制操作线圈的直流电压，可以很好的克服了节能线圈体积大和需要机械转换开关这两大难题。该方式基本的原理是用一个定时电子转换开关，使电路一开始得电时，控制电压全部加到电磁线圈上（即PWM波的占空比为100），使电磁系统强激磁，执行吸合动作。一段时间后（时间的具体长度根据接触器的不同型号而定，一

26、般约几百毫秒），这个电子开关自动转换为保持状态。在保持状态，调整PWM波的占空比，电子开关处于窄脉宽状态，它对脉动直流进行斩波，从而得到操作线圈的直流低电压，保持电磁铁吸合的小功率状态。这种直流斩波相当于一个无铜的直流电子变压器，转换效率和功率因数高，能最大限度降低吸合的有功功率和无功功率，是交流接触器节能电路的关键，可谓是关键中的关键。这种节电方式操作线圈电压低，因此线圈匝数比节电线圈大大减少，体积很小，无需机械转换开关。因此，可以比较容易的和现在的接触器配合，适合在现有接触器壳架的基础上批量生产。 下面介绍电源变换节能技术。 节电型交流接触器不仅电磁系统要求高效率节电，对电源变换同样要求节

27、电。控制电路的电源采用高效率高功率因数的半桥式开关电源技术；对于DC/DC斩波电路，采用MOS管，以减少驱动功率。DC/DC斩波电路等效于直流变压器，是交流接触器节能电路的关键。操作线圈的平均直流电压 UO = 380*0.9*D D为占空比操作线圈的平均直流电流 IO = UO/R R为操作线圈直流电阻。操作线圈平均直流电压和电流是设计电磁系统的关键。操作线圈瞬时电流 iO DiO1+(1-D)iO2iO1为操作线圈的在占空为高电平结束时的瞬时电流 iO1 = |Ui|/R + (iO20 - |Ui|/R)e-RT1/L Ui为外加瞬时电压，iO20为上一个脉冲低电平结束时的瞬时电流，R和

28、L为操作线圈直流电阻和磁路闭合时的电感，T1为脉冲高电平时间。iO2为操作线圈的在占空为低电平结束时的瞬时电流 iO2 = iO1e-(R+Rf)T2/L Rf为续流电路电阻，T2为脉冲低电平时间。(2) 电磁系统的统一设计与优化节能型交流接触器既要接触器动作可靠，又要使吸持能耗小，必须对电磁系统进行重新设计和优化。 交流接触器采用节电技术将其操作电磁系统的电流由交流改为直流，交、直流吸力特性的有较大的差异，直流静态吸力特性要比交流的陡些，如图所示。因此，对电磁系统进行重新设计和优化是必不可少的。如果吸力特性曲线与反力特性曲线相交，如下图(b)，在主触头刚接触时, 静态吸力要小于反力, 但由于

29、接触器运动系统的惯性力, 当满足图的吸力阴影面积s1>s2时，接触器仍可以完全闭合，但一般不采用这种吸力特性与反力特性相交的设计方案，而是设计成静态吸力特性处处高于反力特性。显然, 如果静态吸力特性比反力特性高出太多了, 如图(a)，对应于阴影面积的那部分能量将使接触器的可动系统加速和撞击，这就会造成铁芯的损磨加剧并增大主触头的振动时间，这对交流接触器的接通和分断以及寿命的性能是很不利的。图(c)的吸力特性和反力特性是较理想的配合，阴影面积较小。吸力特性反力特性吸力特性吸力特性吸力特性吸力特性吸力特性OOOD反力特性反力特性 (a) (b) (c)此外，还应分析节电操作由吸动到吸持不同的

30、转换情况对交流接触器闭合性能的影响。节电操作交流接触器在吸合过程中要从吸动状态转换到吸持状态, 在转换过程中, 由于电路中有电感, 操作线圈中的电流不会突变, 而是有一个衰减的过渡过程，如图所示。 操作电磁系统的电流由交流改为直流，直流静态吸力要比交流的大，因此在对电磁系统进行重新设计时，运用ANSYS、ADMAS等计算机辅助仿真分析软件，设计和优化电磁机构系统，使吸力特性和反力特性配合良好，减少触头、铁心接通过程中的弹跳和碰撞，降低电弧对触头的烧损，提高产品电寿命和机械寿命性能。电磁系统的研究与设计中还包含磁材料的研究，使电磁系统达到最佳的性能。(3) 信号检测与智能控制技术智能系统是交流接

31、触器的控制中心，承担三大任务：一是产生DC/DC变换用的PWM波；二是各种信号的检测和处理；三是系统控制，完成各种智能化的功能。交流接触器得电后，智能系统需产生吸动PWM信号，延时相应时间后，转换到吸持状态，产生吸持PWM信号，检测到各种故障后，停止PWM信号，实现各种保护功能。可见，PWM信号就是智能系统发出的指令信号，PWM信号及时序的设计是至关重要的。完成各种智能化的功能，必须依赖于各种电压和电流信号的检测结果。采样和滤波处理是信号检测的基本步骤。采样频率s是采样结果能使原始信号复现的重要参数，也是影响数字测量准确度的重要因素之一。香农（C.E.Shnnon）采样定理指出：只有采样频率大

32、于原始信号频谱中最高频率的两倍，采样结果才能复现原始信号的特征。因此要保证控制器对现场参量的测量精度，采样频率必须满足香农采样定理。本项目在选择控制器中的A/D转换的采样频率时，先对被测信号进行分析，确定信号中的最高次谐波次数（c），再根据s2c确定采样频率。c越高，越能真实地反应被测参量的原貌，测量精度就越高。 交流接触器的保护功能类型很多，这些保护功能都依赖于对应信号的采样和检测结果，对信号检测的快速性和有效性要求高。在大电流系统中，采样的信号的电流噪声大，都需要快速有效的滤波算法。 电源电压信号经分压和电路滤波后，可直接采样，电源电压信号的检测结果决定临界动作电压防抖动、欠电压保护、过电

33、压保护的动作。主触头的电流信号采样由三相电流互感器和剩余电流互感器完成，三相电压和电流信号的检测结果决定相序保护、缺相保护的动作，剩余电流的检测结果决定漏电保护的动作。可见，信号的检测必须快速有效，同时智能控制系统必须由快速的计算机来承担各种多任务的处理，智能控制系统的健壮性是保证交流接触器可靠性的关键。(4) 电磁兼容(EMC)设计在产品的研制过程中进行电磁兼容性EMC设计也是保证智能控制器可靠性的关键。在智能控制器的设计中，最关心的是如何降低电磁敏感性（EMS），提高其外部环境电磁干扰（EMI）的能力。智能控制器受到的主要干扰来自以下几个方面：低频干扰，高频干扰，静电放电抑制和磁场干扰。本

34、项目的电磁兼容性设计，从硬件电路和软件设计上采取措施，一方面抑制这些干扰，另一方面提高控制器自身的抗干扰能力。硬件的抗干扰设计有：选取合理的接地措施来抑制静电干扰；采用具有宽输入电压范围并带有储能电容和电感的开关电源为控制器供电，并增设对电源供电质量的监控，减小电网电压跌落和短暂中断的影响；设置电源线路滤波器和在模拟量输入通道中接入高频磁环来抑制差模干扰（Vcd）和共模干扰（Vcm）；用瞬态电压抑制器（TVS）吸收过电压能量；采用金属氧化物压敏电阻的浪涌吸收器和过压抑制器来吸收电压、电流的浪涌信号；PCB板的数字电路与模拟电路分开布置，分开供电；加宽PCB板中的电源线和地线；PCB板的强电区域

35、与弱电区域严格分离；PCB板中的通信部分采用与中央控制模块完全隔离的独立电源供电；智能控制器软件的抗干扰措施：增加了看门狗（Watchdog）监视程序，当控制器程序跑飞时，Watchdog不能定时复位而产生溢出，迫使中央处理器自复位，使控制器恢复正常工作。采用指令冗余和软件陷阱方法。无扰动的重恢复技术(5) 机械结构设计与材料研究 由于智能型节能交流接触器的体积缩小和重量减轻，要求机械结构重新设计与优化，包含总体框架设计和灭弧设计。研究绝缘材料具有高的耐弧能力，在高温下具有良好的机械性能和电气性能，必须对绝缘材料和电器结构的研究。如使用机械强度高、表面光泽、耐高温、能抑制金属粒子堆积的绝缘材料

36、，加适量稀有添加剂的新型银合金触头；VJC（电弧蒸气喷射控制）技术，三维磁场集中驱弧技术等。研究触头材料及工艺，要求有良好导电性能和机械性能，有高的耐弧能力。另外，对系列化的智能型节能交流接触器的各模块的通用性进行规划设计，机械件、电路模块、电磁模块、互感器的系列化、通用化和组合化设计，有利于电器结构紧凑，使部件尺寸规范化，便于安装和组合。3、主要创新点和创新方式本项目融合现代电子技术、电磁技术、计算机技术、智能技术、现代检测技术、控制技术和通信技术，研究新一代交流接触器的节电技术、智能化技术和方法，设计开发具有自主知识产权的智能化节电型交流接触器，填补国内在脉宽调制直流吸持式的一体化节电型交

37、流接触器方面的空白，同时有效解决了交流接触器智能化的技术难题，其主要创新点：(1) 本项目研发的新一代节能型交流接触器，采用脉宽调制技术来控制直流操作电压，具有高效节能、体积小、可靠性高、工艺成熟的优点，完全可以替代传统的交流接触器。传统的大、中型交流接触器的吸持功率需几十伏安至几百伏安，而本项目研发的新一代节能型交流接触器的吸持功率仅几伏安，节电率高达95以上。采用脉宽调制技术来控制直流操作电压，使接触器的铁心和线圈的体积大大减小，工艺成熟，可靠性高。机械锁扣式和永磁式交流接触器的节电率也很高，但由于机械寿命和抗干扰能力的限制，这两种节能型交流接触器的可靠性不高，同时工艺复杂，成本也高。因此

38、，这两种节能型交流接触器无法替代传统的交流接触器。而本项目研发的新一代节能型交流接触器，不仅可靠性高，而且工艺和成本与传统的交流接触器接近，因此完全可以替代传统的交流接触器。 目前，国内厂家尚未掌握这种交流接触器的关键技术，本项目研发成果将填补国内脉宽调制直流操作式交流接触器的空白。该产品的研发具有国内领先性，拥有完全自主知识产权。 (2) 本项目有效地解决了交流接触器智能化的技术难题，智能化程度达到了第四代交流接触器的特征。 本项目研发的交流接触器为智能型，具有耐电压波动、临界电压触头无抖动的基本功能，同时还具有欠电压保护、过电压保护、相序保护、缺相保护和漏电保护、动作电压阈值可调及网络通讯

39、和控制等功能，成为新一代智能型节能交流接触器。 本项目的研究过程中，在对国外先进技术进行消化吸收的基础上，采用产、学、研相结合的自主开发技术创新方式。充分利用研究所、高等院校和企业各自的优势，在国内已取得成果的基础上，积极消化吸收国外的先进技术，加速本项目的研发。四、预期目标（主要技术经济指标、知识产权申请情况、应用前景）；1、主要技术指标 能耗：有功功率和视在功率均为同规格普通交流接触器5； 吸合阈值电压(热态)：77%Us±1%；释放阈值电压(热态)：55%Us±1%；运行极限电压范围：77%120%Us(普通接触器为85%110%)；临界电压，触头不振颤，消除吸合和释

40、放的临界状态。 满足最大1200次/h的极限操作频率(机械寿命200万次)； 自带浪涌吸收功能； 通过EMC抗扰度试验和发射试验； 接触器可以由独立逻辑信号控制(如PLC)，也可以直接由A1及A2控制； 电子电路失效后的保护：一旦电子电路失效，内部的监视电路可确保主触头从接通状态安全转至到断开状态。 20ms失电保护，主触头不会斥开；满足国际标准SEMI-47-0200； 保护功能：欠电压保护、过电压保护、相序保护、缺相保护和漏电保护。2、主要经济指标和应用或产业化前景本项目完成后使节能型交流接触器的技术水平达到国内领先水平，市场价格仅为国外同等产品的2050，国外相同节能型产品的市场价格为国

41、内同等规格的普通接触器的46倍，可与国外著名电气公司的产品竞争，替代国外进口产品。合作企业正在积极筹建新一代节能型交流接触器等关键器件的产业化基地，增加新一代节能型交流接触器整机生产线和测试设备，准备产业化生产。预计本项目完成后，合作企业将新一代节能型交流接触器陆续投产，第1年占大、中型交流接触器产量的20，计年产量20万台、年产值6000万元、利税总额1000万元；第2年占大、中型交流接触器产量的50；第3年将大、中型交流接触器全部替换成新一代节能型交流接触器，历时年产量达100多万台、年产值3亿元、利税总额6000万元。新一代节能型交流接触器价格与普通交流接触器接近，进一步推广后，全国年销

42、售量可达1000万台，年销售额可达30亿元，利税总额可达6亿元。然而，间接经济价值、环保意义和社会价值就更大了，按照新一代节能型交流接触器节能率95%来计算，每台年可节省电量100度，市场保有量1亿台，每年可节省电量100亿度，相当于年节省404万吨标准煤、4000万吨淡水，少排放1000万吨二氧化碳，其环保意义和社意义是显而易见的。本项目研究成果将大幅度增加合作企业交流接触器的市场份额，实际产值数据将远远大于上述数据。同时，本项目研制完成将进一步改变我国低压电器发展落后于国外的状况，加快利用微电子、计算机、通信等高新技术对传统低压电器产业的改造的步伐，满足电网技术进步的需要。本项目的开发还将

43、在行业中产生示范性作用，指导低压电器行业的产品开发，技术改造，避免低水平重复生产竞争，带动整个行业技术进步，具有显著的经济效益和社会效益。3、新一代节能型交流接触器具有的完全自主知识产权（1）独特的电路设计（2）电磁系统和机械结构（3）实现各种智能化功能的算法和代码（4）外观设计五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解1、项目研究实施方案本项目采用产、学、研相结合，校企合作，由高校和企业共同研发的模式。高校负责节能、电路、电磁系统方面的研究与设计，企业负责主回路、结构、机械材料方面的研究与设计，以充分发挥高校与企业的优势。研发完成后，由企业实现产业化。2、技术路线本项目由七大部分组成：直流变

44、换主电路、电源电路、电磁系统、信号检测、智能系统、电磁兼容、机械结构。其中直流变换主电路、电磁系统、电源电路涉及接触器的节能效率，信号检测、智能系统涉及接触器的智能化程度。（1）电磁系统电磁系统的研究和设计是接触器设计的重点，电磁操作系统的“电与力”的关系是如何取决节电性与可靠性达到平衡的关键，电磁系统的设计最为复杂。吸合吸持调试电源设计铁心(含衔铁)改为软磁铸铁取消短路环设计磁路(截面大、闭合磁路短)磁路不闭合的B-H特性估算吸合电流及匝数磁路闭合的B-H特性估算吸持电流及匝数线圈优化吸力特性与反力特性电磁系统优化电磁系统的设计流程图将电磁系统改为直流吸持，铁心的涡流损耗和磁滞损耗很小（可以

45、忽略），铁心（含衔铁）的材料由硅钢改为软磁铸铁，节省黑色金属。直流吸持时吸力稳定，取消短路环。直流吸持可提高电磁吸力，设计磁路是要求截面大、闭合磁路短，以获得最大吸力。在衔铁吸合前，磁路不闭合（气隙1.1-1.2cm），测试B-H特性，由于磁路固定，磁场强度H用安匝表征。由于气隙大，此时的B-H特性应接近线性。在衔铁吸合后，磁路闭合（气隙0.1mm），测试B-H特性，此时的B-H特性是非线性。根据磁路不闭合的B-H特性，估算出吸合电流及线圈匝数，根据磁路闭合的B-H特性，估算出吸持电流及线圈匝数，然后对线圈的线径和匝数进行优化。然后，设计吸合调试电源和吸持调试电源，测试吸力特性与反力特性，为使

46、吸力特性与反力特性的最佳配合，对电磁系统进行总体优化，包括磁路、材料、操作线圈、规划吸合与吸持的激磁电流等。另外，软磁铸铁适当的小剩磁也能增加节电的效果。（2）直流变换电路直流变换电路为操作线圈的提供吸合电流及吸持电流，直流变换电路输出直流电压UO由PWM的脉宽控制，使交流接触器的吸合和吸持既可靠又节能。来至智能系统的PWM信号直流电子变压器操作线圈驱动电路整流电路输入交流控制电压直流变换电路框图操作线圈的操作线圈的平均直流电流 IO = 0.9Ui*D/RD为PWM信号的占空比，R为操作线圈直流电阻，Ui 为输入交流电压，额定值为380V和220V两个规格。直流变换电路的脉宽调制采用两级控制

47、策略，吸合动作的占空比D =1，吸持状态的占空比很小。PWM的频率固定，设为超音频，以达到无声目的。因此，操作线圈的吸合平均直流电流为0.9Ui/R，Ui规划为额定的0.771.2倍，另外还要考虑吸合电流的暂态过程。吸合过程的暂态有两部分组成，吸动前操作线圈电感量小，吸动后电感量明显变大，吸合电流的暂态过程参见下图。吸合电流的暂态过程操作线圈的吸合电流取决于线圈的电阻、电感量变化及吸动时间，与PWM的占空比无关。而操作线圈的吸持电流在设计电磁系统时已规划好，因此吸持占空比规划依据为 D = IO吸持R/(0.9*0.55*Ui额定)在Ui为额定的0.55倍时，接触器仍保持吸持可靠。直流变换主电

48、路（直流电子变压器）采用CUK电路，脉宽调制PWM信号由智能控制系统提供，经驱动后直接控制高耐压高速MOS管，经续流电路的调整，使操作线圈的电流达到要求设计要求。驱动电路要考虑驱动电压匹配问题和MOS管栅极电容的充放电问题。直流变换的效率是接触器节能的关键。（3）电源电路系统控制电路电源的效率也是接触器节能的关键技术之一。系统控制电路的电源采用半桥式开关电源技术；半桥式开关电源具有高效率高功率因数和低耐压的特点，技术成熟。同样重要的是，要减少系统控制电路本身的功耗，系统电路我们采用CMOS型微功耗电路，工作电流为微安级。（4）信号检测信号检测是接触器实现智能化的关键，可靠的信号检测结果是智能系

49、统的决策依据。在大电流、强干扰的工业环境中，要可靠、有效、高速地获取各种采样信号，需要良好的传感器。检测信号的处理和决策由智能系统完成，下面是各种电压、电流信号采样的技术线路。欠电压保护、过电压保护特性欠压、过压保护特性参见上图，欠压保护、过压保护需要采样控制电压。控制电压经电阻分压，低通滤波，送智能系统的A/D口，由智能系统根据欠压、过电压保护特性来决策，通过PWM信号控制接触器的动作，以达到保护目的。三相相序缺相检测电路TC783A相序和缺相检测可采样三相主静触头的输入端电压，由三相相序缺相检测电路TC783A来完成相序和缺相判定，开关量输出送智能系统的数据口，但需考虑电源及信号电位的隔离

50、问题。该方案对负载缺相无法判断，考虑负载缺相需要采样三相主静触头电流，这对星形电流互感器的要求很高，此时相序检测参见下图。节点123为三相主静触头的电压输入端，相序比较、整流后经光耦，输出判定开关量。后一种方案的优点是不需考虑电源及信号电位的隔离问题，负载缺相也可判定，但电路复杂。相序检测电路漏电保护需要采样三相主静触头的剩余电流，剩余电流传感器信号比较判断，开关量送智能系统的数据口，也不需考虑电源及信号电位的隔离问题。（5）智能控制系统智能系统要完成三大任务：产生DC/DC变换用的PWM信号、各种检测信号的处理和智能化决策。智能化功能包括欠电压保护、过电压保护、相序保护、缺相保护和漏电保护等

51、，以及动作电压阈值可调及网络通讯及控制等功能。因此，智能系统的多任务、实时性和快速性，都需要强大的计算机及优秀的算法来支持，同时还要保证系统的低功耗。基本控制相序保护缺相保护漏电保护欠压过压处理决策、阈值调节通讯界面智能控制系统三相主静触头控制电压采样剩余电流检测相序检测缺相检测PWM信号新一代节能交流接触器的智能控制系统框图（6）电磁兼容(EMC) 电磁兼容(EMC)的设计也是保证智能控制器可靠性的关键。在智能控制器的设计中，最关心的是如何降低电磁敏感性（EMS），提高其外部环境电磁干扰（EMI）的能力。智能控制器受到的主要干扰来自以下几个方面：低频干扰，高频干扰，静电放电抑制和磁场干扰。本

52、项目的电磁兼容性设计，从硬件电路和软件设计上采取措施，一方面抑制这些干扰，另一方面提高控制器自身的抗干扰能力。硬件的抗干扰设计有：选取合理的接地措施来抑制静电干扰、采用具有宽输入电压范围并带有储能电容和电感的开关电源、设置电源线路滤波器和在模拟量输入通道中接入高频磁环来抑制差模干扰（Vcd）和共模干扰（Vcm）、用瞬态电压抑制器（TVS）吸收过电压能量、采用金属氧化物压敏电阻的浪涌吸收器和过压抑制器来吸收电压电流的浪涌、PCB板的数字电路与模拟电路分开布置和供电、PCB板的强电区域与弱电区域严格分离、PCB板中的通信部分采用与中央控制模块完全电隔离。软件的抗干扰措施：增加了看门狗（Watchd

53、og）监视程序、采用指令冗余和软件陷阱方法、无扰动的重恢复技术。（7）机械结构与材料研究在机械结构设计与材料研究方面，与普通接触器相同，但智能型节能交流接触器具有体积小和重量轻的特点。机械结构还包括灭弧设计、绝缘材料的耐弧能力和机械性能的研究和设计。机械结构设计还考虑各模块的系列化、通用化和组合化的设计问题，使电器结构紧凑，部件尺寸规范化，便于安装和组合。3、组织方式与课题分解项目课题分解为节能电路研究与设计、智能化研究与设计、电磁系统研究与设计、机械结构设计与材料研究、电磁兼容研究与设计五个子课题。研发人员分为四个小组：节能电路及电磁兼容研发组、智能化研发组、电磁系统研发组和机械结构与材料研

54、发组，整个项目设立项目总负责人一名，每组分别设立组长一名，设计成员四到六名。每组分别完成子课题设计，定期由子课题组长向项目总负责人汇报进度情况。组次组 别成 员任 务1节能电路及电磁兼容研发组组长：1人成员：5人节能电路和电磁兼容研究与设计、系统总设计、系统总体测试2智能化研发组组长：1人成员：4人智能化研究与设计、电路失效保护设计及相关测试3电磁系统研发组组长：1人成员：3人电磁系统研究与设计及相关测试4机械结构与材料研发组组长：1人成员：3人机械结构设计、灭弧设计、材料研究及相关测试六、计划进度安排；计划进度安排如下表：起始年月进度目标要求（每栏限80字）2010年1月3月在项目要求分析和

55、生产过程调研的基础上，根据生产技术指标以及原来研究的基础上，进行系统方案设计，相关设备和器件的优选，确定改进的设计方案。 2010年3月9月对各方面的关键技术和技术难题进行攻关，同时对各种研究结果进行分析、改进。2010年9月12月完成节能电路的设计定型，试制电路模块，在主要规格的电磁系统上试验，达到节能指标；完成电磁系统、机械结构的设计定型，试制样机，达到电学和力学各方面的性能指标。2011年1月3月完成智能化的设计，完成各种信号的采集和处理，初步完成各种智能化功能的实现；完成电磁兼容(EMC)的设计，达到EMC试验要求；整体装机投入试运行，测试各种性能和功能；对部分规格节能型交流接触器投入

56、小批量试产。2011年4月9月总结各种技术问题和设计问题，进行有效的改进，整体性能指标达到要求；收集所开发设备的使用信息，改进信息，同时通过所研发设备的生产应用统计分析产品失效原因，提出提高产品可靠性的指导性建议。2011年10月12月完成课题，组织专家鉴定、验收、申报专利；整机投入小批量生产。七、现有工作基础和条件；1、申报单位概况为高校智能电子电器重点实验室智能电子电器重点实验室于2005年成立，2006年7月市政府发文同意在智能电子电器重点实验室的基础上成立“市智能电子电器行业技术研究中心”，市科学技术局也给予了很大的支持，2009年将申报浙江省的低压电器与智能电器科技创新平台。该中心主要依托高校的人才资源优势和仪器设备优势，是一个以工业科技创新为研究对象的科研平台，研究内容包括科技创新和社会服务两个方面。目前，本研究中心在电力、电器方面的研究的纵向项目有：电子组件板高温加电老化智能检测系统的研究与实现（浙江省科技厅项目重大专项，资助经费50万元）、自动化强激光眼镜加工平台的研制与开发（省科技厅重点项目，资助经费25万元）、低压塑壳断路器