交流接触器节能运行功能的分析
交流接触器节能运行功能的分析
12航，徐献清
（1.兰州工业高等专科学校电气工程系，甘肃兰州730050；2.上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海200063）
王
1
峰，程
摘要：针对交流接触器运行中存在较大功耗的问题，介绍、分析了3种典型的节
能型交流接触器的工作原理、特点及使用时应注意的问题，并强调交流接触器节能新技术和新产品的推广使用对节约能源、降低生产成本具有的重大意义。
关键词：交流接触器；节能；功能；分析中图分类号：TM572
文献标志码：B
5531（2011）04-0014-05文章编号：1001-王
峰（1966—），
男，副教授，主要从事自动控制和电力系统自动化方面的教学和研究工作。
AnalysisofACContactorwithEnergy-saving
FunctioninOperation
WANGFeng1，CHENGHang1，XUXianqing2
（1.DepartmentofElectronicEngineering，LanzhouPolytechnicCollege，Lanzhou730050，China；2.ShanghaiElectricalApparatusResearchInstitute（Group）Co.，Ltd.，Shanghai200063，China）
Abstract：AimingatexistinglargeenergyconsumptionofACcontactorwhenitwasinoperation，threetypicalenergy-savingACcontactorabouttheworkingprinciple，characteristicsandproblemsintheoperationwereintro-ducedandanalyzed.Attentionmustbepaidtothepromotionanduseofnewtechnologiesandnewproductsaboutenergyconservation，thus，itwasofgreatsignificanceinreducingproductioncostsandsavingenergy.
Keywords：ACcontactor；energy-saving；function；analysis
0引言1
1.1
交流接触器能耗分析
交流接触器的能耗分析
接触器是一个成熟的电气控制执行器件，因
交流接触器广泛应用于低压控制电路中，是
一种使用安全、控制方便、各种性能都较成熟的低压电器。普通的交流接触器在吸合后，由于其线圈中依然存在交流操作电源，故功耗比较大，线圈绝缘层在高温下容易老化，交流接触器的会发热，
寿命会缩短，同时，在运行时还会产生噪声。早在1981年，国务院1981第56号文发布的节电指令第2号文中就指出要实施交流接触器节电措施。目前的节电型交流接触器产品很多，归纳起来主要有节电器、节电线圈和节电型交流接触器等
［1］
节能原因而从根本上改变其工作结构和原理是不
现实的。目前，节能的焦点主要集中在降低运行过程中工作器件的功耗研究上。普通交流接触器
“通电吸合，基于带电保持，断电释放”的工作原理，故交流接触器的节能措施就是采用各种方法来降低其操作电磁系统所消耗的有功、无功功率。交流接触器电磁系统的损耗主要由两部分组成：磁损和铜损。磁损是指铁心在工作磁感应强度时的单位体积损耗，包括磁滞损耗、涡流损耗。
有资料显示：额定电流在63A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在数十至数百W；消耗的无功功率则
。本文从节电型永磁吸持式交流接触器、机
械锁扣式交流接触器及交流接触器直流运行三种典型结构形式的接触器节电原理分析入手，说明交流接触器节能运行的重要性。
程
航（1971—），男，高级工程师，主要从事电力系统自动化和电器制造方面的教学与研究工作。
徐献清（1972—），男，工程师，从事低压电器产品检测工作，并分管交流接触器节能认证的能效检测。
—14—
在数十至数百VA之间；所耗有功功率的分配大致为铁心占65%～75%，短路环占25%～30%，
［1］线圈仅占3%～5%。
1.2交流接触器产生噪声的原因
释放或断电延时释放的目的，使其控制的设备（如电机）免受电网“晃电”而跳停，以保持生产系统的稳定。永磁式交流接触器的合闸保持依靠的是永磁力，不需要电流通过线圈产生的电磁力来仅有电子模块需0.8～1.5mA的工作电进行，流，故能最大程度地节约电能，节电率可达99.8%以上
［3］
动铁心交流接触器的核心结构是由线圈、
（衔铁）和静铁心（铁轭）三部分组成的电磁铁。当线圈中有电流流过时，沿着铁心和气隙形成了磁通的闭合回路，静铁心上产生的磁场吸力的大小为
［2］
。永磁式接触器的工作原理如图1所示
。
N22
F=2I2μ0S0Rm
式中
N———线圈匝数——真空磁导率μ0—
S0———气隙的截面积Rm———磁通总磁阻I———线路中流过的电流
（1）
图1永磁式接触器工作原理示意图
当I为交流时（I=Imsinωt），产生的电磁吸力为
N2222F=2Imsinωt=Fmsinωt2μ0S0Rm
式中
N2Fm=———电磁吸力的最大值
2μ0S0R2m
（2）
以NSFC1智能型延时速断永磁接触器为例，
A2为控制接线及操作方法如下：①接触器A1、
A3、A4为延时、电压接线端，速断切换接线端；②
A2为控制电压输入端，A3、操作步骤：接触器A1、
A4为延时、速断转换开关接线端，如需接触器延
A4接线端上的开关闭合，将A3、接触器的延时，
A1、A2送电，时程序即启动，接触器吸合；失电
后，接触器处于闭合保持状态，当预先设定的时间接触器即刻释放。到，
2.2锁扣式接触器结构及节能机理
锁扣式接触器工作原理如图2所示。图2
US中，虚线部分及元件需用户自行连接和购置，KM2为接额定控制电源电压；KM1为吸引线圈、
FU为熔断器，SB1为起动按钮，SB2为脱扣线圈，
停止按钮，需用户自备；接线端子编号为1～6，供用户接线，主要用于远距离接通和分断电路，并与适当的热继电器或电子保护装置组合成电动机起
以保护可能发生过载的电路。动器，
锁扣式接触器的锁扣机构位于电磁系统的下靠吸引线圈通电；吸引线圈断电后靠锁扣机构方，
保持在锁住位置。当按下起动按钮SB1，吸引线
SB1恢接触器被锁扣在吸合位置，圈KM1断电，
复到原来位置，线圈KM1断电；脱扣时，按下停止
按钮SB2，脱扣线圈KM2接通，锁扣装置工作，锁SB2恢复到原来位接触器即断开，扣杠杆打开，置，线圈KM2断电，接触器恢复到原始状态，准备
—15—
由式（2）可见，电磁吸力是随交流电的周期
变化的，其大小在0～Fm间呈脉动状态，其吸力时而超过、时而低于恢复弹簧的弹力，故产生了强烈震动。而在普通交流接触器中加装短路环装置，目的是为了改善该状况，但震动不能消除，同时短路环上还会产生铁损。
2
2.1
节电型交流接触器节能机理
永磁式接触器结构及原理
永磁式接触器的结构与普通接触器基本相同，利用磁极的同性相斥、异性相吸的原理，用永磁驱动机构取代传统的电磁铁驱动机构而形成的一种微功耗接触器。安装在接触器联动机构上、极性固定不变的永磁铁，与固化在接触器底座上的极性可变的软磁铁相互作用，从而达到吸合、保持与释放的目的。软磁铁的极性可变，是通过与其固化在一起的电子模块产生10～20ms的正、反向脉冲电流而产生的。根据现场需要，通过控制电子模块来控制设定的释放电压值，可延迟一段时间后再发出反向脉冲电流，达到低电压延时
电压为UL2=0.9U2。由于电容C的分压作用，故UL2
［6］
不低于DC15V，就可稳定地保持吸合状态。
图2锁扣式接触器工作原理图
下一次通断操作。由于锁扣接触器消除了带电造成的磁损和铜损，吸引线圈处于无压运行状态，比有压运行延长了使用寿命，且不受电压波动影响，也避免了带电运行时电压降低造成的跳闸和烧
［4］
故节电效果明显，也消除了运行中的噪声。坏，2.3
交流接触器直流运行节能机理
该类接触器可通过对普通交流接触器的改造完成，电路设计非常简单。一般情况下，会用到二极管或由二极管组成的整流电路及接触器本身的
并可分为两种结构：一种是交流起辅助常闭触点，
动，直流维持；另一种是大直流起动，小直流维持。
交流接触器的线圈在通直流电时，由于线圈电流恒定不变，铁心中的磁通也恒定不变，磁滞损耗PH和涡流损耗PL就不存在。线圈只是一个仅有线圈自身铜损PCu存在，故直流纯阻性负载，
运行时能减少功率损耗。因此，该接触器的结构是将其控制电磁系统由原设计的交流控制改为直
可降低铁心和短路环流吸持或无激磁电流吸持，
中占绝大部分的磁损（损耗功率）。一般，有功功
［5］
有的可超过95%。率节电率可高达85%以上，
该接触器可通过普通的交流接触器经一定的改装
而实现，且改装方式多样。为了适宜频繁起动，线路中还设计了浪涌吸收功能，不会发生线圈的开关浪涌，且线路中的电容器还可提高功率因数。交流接触器的直流运行结构可消除稳态噪声，线圈温升低，不易烧损，可大幅度降低损耗，且可靠但不能消除临界弹跳，不能提高分断力和性很高，
分断速度。现以日本三菱公司的交流控制、直流励磁方式的电磁铁为例进行试验，如图3所示。图3中，线圈KM得电瞬间的电压UL1=0.9U1。吸持时，由于其常闭触点打开，加在线圈KM上的—16—
图3
交流接触器直流运行工作原理图
3节能效果分析
由上述分析可知，锁扣式接触器和永磁式交
流接触器工作时的线圈都不带电。交流控制、直流励磁方式的接触器工作时，吸持线圈的电源由交流电整流为电压有效值低很多的直流电。相比前两种接触器运行时的节电效果更明显。较，
3.1永磁式交流接触器节电效果
永磁式交流接触器与普通电磁交流接触器同
［7］
等条件下，在某厂做试验的情况如表1所示。由表1可见，使用节电型交流接触器，节电效果十分明显。3.2
锁扣式交流接触器节电效果
以国产CJ20S型锁扣式交流接触器为例，
10A的接触器线圈的额定工作电压为220V时，额定工作电流1.3A，额定容量500VA，线圈功率因数0.4。若动作一次时间按0.2s计，实际消耗电量=0.5×0.4×0.2/3600≈0.00001kWh，其吸引线圈KM1和脱扣线圈KM2两个线圈共消耗电量=2×0.00001=0.00002kWh，也即动作10万次，其消耗大约2kWh。在整个连续运行期间，线圈不带电，没有功率消耗。3.3
交流接触器直流运行时的节电效果以日本三菱电机公司提供的交流控制、直流励磁方式的接触器S－N50～400为例，与国产CJ20普通接触器试验数据作比较，实际耗电量都在普通接触器的10%以内，结果如表2所示。
表1
普通电磁交流接触器（CJ20）规格1040100400
电压/V[1**********]0
功率/VA21.3433.8873.26185.90
用电量Q1/（kWh·a－1）186.94296.79641.761628.48
表2
普通电磁交流接触器（CJ20）规格40100400
电压/V220220220
功率/VA33.8873.26185.90
用电量Q1/（kWh·a－1）296.79641.761628.48
永磁式交流接触器节能效果
永磁式交流接触器（YDC1）
规格1240115400
电压/V[1**********]0
功率/VA0.3740.3740.3740.374
用电量Q2/（kWh·a－1）
3.283.283.283.28
比较结果Q1－Q2/（kWh·a－1）183.66293.51638.481625.71
交流接触器直流运行节能效果
N50～400）交流控制、直流励磁方式的接触器（S-规格5095400
电压/V220220220
功率/W2.202.806.10
用电量Q2/（kWh·a－1）
19.2724.5353.44
比较结果Q1－Q2/（kWh·a－1）277.52617.231575.04
从全国范围粗略计算，普通交流接触器的功
8
耗是相当大的。假设有10个普通交流接触器，其平均功耗按50VA，功率因数按0.50计算，108个运行中的接触器1天的用电量是
1天用电量=50VA×0.50×108个×24h=
6000万kWh如果使用节电型接触器，节电率按60%计
1年可节电为则改造后，算，
6000万kWh×365天×60%≈130亿kWh
130亿kWh的电量相当于三峡电站年发电量的1/2，也就相当于少用了365万t发电用［8］
煤。事实上，全国安装使用的接触器不少于108个，从粗略计算中就可知使用节电型接触器的重要性。
交流接触器进行节能改造后，其销售成本会增加。有统计表明，一般费用在百元之间。对此，制造商也想出了许多办法来降低改造成本，诸如将原交流接触器的铁心材料改为钢板、取掉短路环、重新设计线圈参数、节约用铜量等，基本上可做到节电型交流接触器与普通交流接触器的价格相近。采用节电技术的交流接触器所需增加的费用，约需1～2年能收回。交流接触器的额定电流
［1］
越大，其回收周期越短。
4节电型接触器的正确应用
具有节电功能的交流接触器在接线方面与普
可能会占用到自身的辅助通接触器会有些区别，
触点及加装控制按钮等，但整体外形与普通交流
接触器一致。使用时，可根据用途，按使用说明书接线即可。
4.1永磁式接触器
永磁式接触器可消除接触器的临界弹跳，无噪声，可提高接触器的分断力和分断速度。但弱点是：接触器的分断状态靠复位弹簧保持，由于复位弹簧的保持力较小，当接触器受到较小外力作用时，可能转换为吸合状态，而这是不允许的。因此，使用永磁式接触器的控制电路，必须经常检查接触器的弹簧，保证控制电路准确、可靠地运行。通过对永磁式接触器中的微电子模块的不断改进，增加相关的逻辑分析电路，就可实现延时释“晃电”放，成功地解决了难题。目前，将此同等条件下，永磁式交流接触器的触头寿命与传统交流接触器触头相比，提高了3～5倍，尤其适合连续生产、不频繁操作的场合。4.2
锁扣式接触器
该结构可消除接触器的临界弹跳，但不能提
—17—
高接触器的分断力和分断速度。其主要弱点是：机械锁扣频繁使用，会导致机械寿命缩短。当电网突然停电时，其接触器不会自动断开，需人工脱扣。因此，选用时应注意，适用于不频繁操作、连续运行的场合。
4.3交流接触器直流运行
该结构在使用时应注意，将接触器的一个辅助的常闭触点接入线路中即可。接触器在运行过程中，应定期检修、检查产品部件是否完好，注意清理进、出线端、铁心极面及运动部分的污垢，清除灭弧罩内的碳化物和金属颗粒，注意查看触头
拧紧所有紧固件等，以保表面有无严重烧伤情况，证接触器的正常工作。
价格便宜、使用简单、功耗接触器具有可靠性高、
较小等优点，在电气控制中仍占有重要的地位。因此，目前正在运行的大中容量交流接触器就超过百万台，如果采用节电型接触器后，其节能的效益是非常可观的。
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收稿日期：2010－12－27
5结语
虽然，低压控制电器产品的技术发展很快，外
但节能型接触器形和性能也在不断改进和提高，
的使用并没有受到应有的重视，这与使用习惯及
节能产品的宣传力度不够有相当大的关系。现有的教科书和产品资料都少有此类产品的介绍，许多人都没有节能型接触器的概念，而普通的交流
檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿（上接第4页
）
之间运行参数的双向通信，并可接收计算机远程通断指令。该交流采样方法计算过程简单，不包含复杂运算，对于应用MCS51单片机语言进行软件设计的编程人员尤为实用。实践证明，该交流精度高，适用于各类可通信电器采样方式误差小、
中的交流电参数采样及其他电信号监控系统中。
【参考文献】
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收稿日期：2010－08－10
2结语
本文采用可通信技术，为交流接触器设计了通信接口，实现了接触器在现场总线中与计算机—18—