技术详细介绍
一 项目申请的立项背景与依据
（一）本项目符合《2014年山西省科学研究与技术开发计划课题申报指南》支持要求。
（二）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、各种性能较成熟的低压电器。存在的缺点是：吸持状态有90%以上的吸持功率白白浪费，而且是容易引起故障的发热功；释放电压≤70%Us的控制特性，是电网晃电发生时引起跳闸断电的主要原因。
（三）为了解决上述缺点，已有的接触器节电产品和抗晃电产品只是市场的一个补充，不具有替代传统交流接触器的优势和优点，没有被成套设备选用，没有被广泛应用于国民经济的各个领域；
（四）已有的抗晃电控制器也没有一种被用户公认确定下，不能满足市场的要求；
（五）接触器晃电跳闸后，有的成套设备采取（维持流体压力不变的）机械方法来减少经济损失，这种另辟蹊径的方法，破坏了生产的连续性，又带来了重新启动生产流水线的麻烦，这从另一个侧面说明抗晃电问题还没有找到一种有效的解决方案。
综上所述，因此在保持传统交流接触器产品优势优点基础上，克服其缺点、提高其性能、延长其寿命仍是一个重要课题。
二 项目研究的主要内容与要解决的关键技术
（一）项目研究的主要内容：包括技术产品的发展史，现状及预期发展分析；国内外新技术、新产品现状及优劣势分析；现有知识产权及研究动态分析；现有同类产品质量、技术标准、市场竟争优劣势、优缺点分析及改进方向、发展趋势、技术路线、新技术新产品研发方案、市场前景和竟争优势分析；
（二）项目主要开发内容和解决的关键技术（1）US电压反时限脉动全压起动、脉宽调制（PWM）电、磁电、能量转换的宽电压输入，低电压直流恒功率输出技术（2）起动和吸持的强电控制和弱电控制的一体化技术；（3）晃电失电跳闸自动分时分批再启动技术。
三 创新点及可能获得的成果和知识产权
（一）项目的创新点：（1）在保持传统产品优势优点的基础上，解决了交流接触器的节能和抗晃电问题，创新了强电控制和弱电控制的一体化技术；
（2）改传统产品电磁线圈通电情况下的的模拟工作特性，通过控制器改变为有回滞的开关工作特性。
（二） 项目预计成果：
（1）项目实施第一年，提供用户工业运行的大、中容量交流接触器用电子节能抗晃电控制器200件，实现销售和服务收入20万元，利税5万元。项目实施第二年，累计提供用户工业运行的大、中容量交流接触器用抗晃电节能控制器1000件，累计实现销售和服务收入100万元，利税25万元；项目实施第三年，累计提供用户工业运行的大、中容量交流接触器用节能抗晃电控制器5000件，累计实现销售和服务收入500万元，利税125万元。
（2）“一种接触器节能抗晃电控制器电路”的发明专利申请资料已在2014年7月3日前提交国家专利局；题目为“接触器节能抗晃电控制器产品的开发”论文于2014年7月3日投稿成功《电器与能效管理技术》编辑部。
四 项目已有的研究基础与条件（与本项目有关的研究工作积累和已取得的阶段研究成果）
（一）有关的研究工作积累：
（1）课题于2003年以来和天水二一三电器有限公司技术中心进行了新产品测试试验和应用开发工作。
（2）其中的GSG3-0911EC/3811EC电子控制交流接触器还全面进行了“动作性能试验，温升试验，接通和分断试验，约定操作性能、电寿命试验，节电测试和工业运行试验”。
（3）产品经送天水锻压机床厂、天水星火机床厂等单位试运行，用户一致反应产品技术指标高，宽电压运行可靠、节能、噪音低、质量可靠等特点，具体见鉴定资料《工业运行报告》。
（4）于2008年1月14日通过天水二一三电器有限公司组织的新产品鉴定验收，见“GSC3-0911/3811EC电子控制交流接触器研制报告”和《新产品鉴定验收证书》。
（5）GSC3系列交流接触器还被列为2007年度国家火炬计划项目。2010年以来，在天水试验测试的产品已扩大到150A以上规格；
（6）6A-630A规格的产品于2011年6月以来在长治市霍家工业有限公司进行工业运行试验，并检验其抗晃电功能。
（二）已取得的阶段研究成果：
（1）“接触器用电子节能模块”项目相关技术已经获得国家发明专利5项；
（2）“接触器用电子节能模块设计”的论文发表在全国中文核心期刊《低压电器》2011年16期“新产品介绍”专栏。
（3）6A-630A系列产品小试、中试、工业运行试验全部成功.
五、国内外技术现状、专利等知识产权情况分析和国内现有的工作基础
（一）国内外技术现状
1）国际方面：低压电器》（2008N01）〈综述〉专栏“低压电器智能化新技术”文中有关“智能接触器的新技术”论述：“从新世纪开始，通过电流和电压反馈，采用脉冲调制方式（PWM）给接触器线圈供电，实现接触器的铁心软着陆，从而大幅度提高AC3工作任务下的电寿命，这种类型的智能接触器已得到广泛应用”。文章通过对德国穆勒公司的DILM系列大于100A的接触器、美国GE公司的Advantage系列智能接触器和施耐德公司控制与保护电器新系列TesysU接触器的分析：由于采用了闭环控制技术，反馈“取信号比较困难”，同时因为它改变了原产品电磁结构和参数，因此上述已有技术仅适用于大框架电流产品（185A以上）。要想“解决智能模块的尺寸问题”只能“采取24DC控制电源”，这又和目前国内外普遍采用的控制电压Us（110V、220V、380V；50-50HZ）相悖， 这就大大限制此种交流接触器的使用范围。因此这些产品因通用性差，国内市场上很难见到。
国外大公司在中国生产销售的电子控制交流接触器有金钟—穆勒公司开发的“新一代DIL M（185A以上）智能控制型交流接触器”它有显著的节能效果（节电率95%）。“不同规格的接触器，（185A-450A）其电磁系统截面积几何尺寸一致，这给生产带来了极大的方便和节约”[4]。同时，这也表明该技术方案需要改变传统交流接触器的电磁结构和线圈参数，没有通用性且不覆盖全系列产品。事实上，由于该产品在性能和功能上显示的优势优点不明显，在十多年中国市场销售中，没有显示出其市场竞争优势。
日本富士SC—8N180A/220V交直流接触器是同样的市场效果，在市场上昙花一现。
施耐德公司的LC1-D170-C产品是最近在进口设备上发现的，其特点是双线圈+电子电路控制板。经原理分析和实际运行发现：由于该电子电路采用线性电阻降压提供吸持电压，保持阶段其损耗很大一部分转化为电路板的发热功，电路板极易发热损坏，从而导致整个产品报废，应用推广受到限制。
这里顺及提到的是2012年之春，我国正泰电器公司，在平面媒体广告中新推出的“CJX1-630、820交流真空接触器”，据其介绍：它在电磁技术方面是采用与上述同样的双线圈+电子电路技术方案，因此同样存在电路易损坏，从而导致整个产品报废的缺点。由于其同时还采用了“真空触头”技术，才能完成较大电流的通断控制。
这里还应提及的是：目前，电力电子器件发展很快，已在弱电控制强电领域发挥积极作用。但正如德国DegussaAG公司K-H.shroder教授关于对有触点与无触点开关的发展趋势的研究结果所论述：“在目前的条件下，由于体积和价格的差距，用无触点开关全面取代有触点开关是不可能的”。事实上，根据理论分析：由双极型三极管组成的电力电子器件与其他固体电力电子器件相比，是具有低导通饱和压降优势的电子器件，1W以下小功率晶体管导通饱和压降最小值为0.3V，其数值随着不同功率器件的饱和电流额定值的增大而增大。这与有触点开关几乎为零的导通压降相比，显然不在一个数量级。IGBT等大功率器件的饱和压降大至5V-15V及以上，因此，固体电路电力电子器件的散热问题或体积问题是其在开关领域全面推广的瓶颈。
2）国内方面：《第一届电器装备及其智能化学术会议论文集》（2007年10月）西安交大和陕西工业研究院论文《交流接触器智能控制芯片的设计与测试》代表了我国的领先水平，有待产业化、市场化。
（1)早在的2000年之前，北京海淀科友机电研究所就成功研制出“智能型接触器节电控制模块AJ2-1产品”。其特点是：“节电率90%以上，线圈可节铜50%，不需要短路环，磁系统可用铁片取代硅钢片，低噪声和低温升”[5]，但由于它的应用同样需要改造传统交流接触器的电磁结构和线圈参数，在传统产品强大优势面前，十多年过去了，由于优势优点不明显，最终在市场上没有得到广泛地推广应用。
（2)最近十年，以西安交通大学为代表的学者和教授“提出了一种带反馈控制的智能交流接触器，利用反馈系统的自动调压，使吸合过程的动态吸力与反力合理配合，大幅度提高AC3工作条件下的电寿命，电磁铁闭合后，使线圈激磁保持低电压以节约电能，是以人民电器厂的交流接触器CJ20-160为控制对象进行实验，此接触器电压为交流220V[6]。西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室和陕西工业技术研究院，根据同样原理进行了“智能交流接触器专用芯片的开发” [7]选取CJ20-400型接触器进行智能控制芯片的整体实验，经过试验和仿真证明可使用CJ20-160的铁芯来代替CJ20-400的铁芯进行实验，避免了重新设计电磁铁，并针对此电磁铁机构重新设计线圈，经过实际测量，优化后的电磁系统和原有的电磁系统的原材料使用量对比如表f所示[8]。
这种基于CJ20-160为控制对象进行实验或使用CJ20-160的铁芯代替CJ20-400进行试验的自动调压原理，是通过智能电路[9]控制一支[11]或两支功率管[10]完成智能合闸操作功能，又使线圈激磁保持低电压吸持的技术方案同样需要改变传统交流接触器的线圈结构和参数，因此与传统产品没有兼容性。同时，这种小马拉大车的实验还需经过实践和市场的检验。我们对此方案的研究结论是：上述自动调压方案仅适于线圈匝数较多、线径较细、线圈电阻较大的小功率传统电磁交流接触器或如上所述的：“用小铁芯代替大铁芯”的应用。我们作出此判断的原理依据是：能量转换要求电磁参数的相互匹配和对电路的精心设计。整流后的直流脉动电压不再经过储能变换，不再经过直-交-直变频，不再经过电-磁-电能量转换的脉宽调制（PWM）斩波自动调压[23]，如同可控硅调压一样，有功功率损耗较大，其转换效率很难提高，发热问题是模块体积减小和功率（电流）增大的克星，因此本技术的应用推广受到限制。事实上目前还没有见到按此方案设计的产品有成功的应用案例及相关报导。我们认为：文件[6]-[11]及[23]所叙述的理论，由于具有权威性而严谨性不够，是导致近十年来根据这一理论设计的类同产品多而没有被市场认可的主要原因。因此我们希望通过申请国家预备项目，对话权威，以验证我们的认识和看法？以有利于交流接触器的节电措施的更好更快实施。
（3)同济大学的基于晶闸管的电磁系统节能方案[12]与王晓杰，王宝君等.CCS-1接触器等电磁铁类产品的电子控制模块的研究结论:“可控硅用于切换几乎断送了ECS[13] ”相互冲突，同样缺乏成功的实践依据。
（4)浙江大学“交流接触器节能芯片的研发与应用”[24]同样需要解决全系列接触器产品实际应用节能电路的设计问题，这是本课题难点。
(5)福州大学课题组专门从事“交流接触器智能化技术研究”：文献1中提出了智能交流接触器吸合过程动态控制的概念，这和西安交通大学的理念是一致的。文献2中通过改变交流接触器触头系统的结构，使三相触头系统有不同的开距，实现了传统交流接触器无法实现的零分断的控制技术。文献3中采用蚁群算法和人工神经网络的智能交流接触器全过程动态优化设计方案，利用线圈感应电势来预测交接触器磁路中磁通的变化规律。研究的样机是基于CJ40-100交流接触器结构形式的触头不同步智能交流接触器[14]。这种全新设计的交流接触器，还仅仅处于小容量产品的实验室小试阶段，产业化的过程还较长。
总之，目前国内外研究的智能交流接触器，不论是已上市的或正处于研发中的，都存在这样那样的问题，目前还不具备取代传统产品的优势。
（二）国内外技术发展趋势
综上分析，在传统电磁交流接触器目前仍在市场上占主导地位，并在长期的应用中已形成固定的应用模式被广泛应用于各个领域；在与之配套使用的带有智能控制单元的万能式断路器已具有通讯和多种保护功能，“智能电力监控与电能管理系统”、“电动机保护控制器”、空气开关等配套产品在市场上得到广泛推广应用的前题条件下；在智能交流接触器的研制还存在很多不确定因素和竞争优势没有显现出来的情况下；新一代交流接触器的定位应从实际出来，首先以克服传统交流接触器在吸持阶段有90%以上的功耗白白浪费，而且是引起故障的发热功；克服其在交流电网出现晃电情况时自行跳闸断电，给连续生产不允许跳闸断电的大中型企业造成巨大经济损失的缺点为主攻方向；从而提高其性能、增加其功能、延长其寿命、以适应节能环保、低碳经济和信息化时代（智能电网）的要求。
六、效益分析
（1）经济效益分析
单价以1000元/台计，年产10万件，可实现销售和服务收入1.0亿元；若仅以国内外使用大、中容量的交流接触器5000万/年台计，采用我公司的接触器用节能抗晃电控制器产品，以每台销售和服务收入1000元/台计，市场规模为500亿元/年，可增加利税200亿元/年。
（2）社会效益分析
①销售推广5000万台，年节电1040.25亿度（0.25kw×24h×365天×5000万×95%=1040.25亿度）；销售推广1000万台/年，年节电（0.25kw×24h×365天×1000万×95%=208.05亿度）；销售推广100万台/年，年节电（0.25kw×24h×365天×100万×95%=20.80亿度） ②抗晃电避免企业的损失以数十亿元、数百亿元计；（3）
（3）对社会进步和长远发展的作用
① 本项目有利于社会持续发展。本技术的实施有望使我国的交流接触器产品处于世界先进水平，从而提高我国相关产品的竞争力。本技术方案的成功实施有望成为交流接触器发展史上标志性的创新.
② 本项目属CCS范畴，系英文“CONTACTOR CONTROLLERFOR SAVINGENERGY AND MATERIAL”的缩写，意思是：接触器的节能节材控制器。技术本质是：接触器产品中的电磁铁部分经与现代电子技术相结合后，获得了高效节能节材、消除了噪声，提高寿命等效果，技术核心是电磁铁的节能节材，故可称为：电磁铁节能节材控制器，其英文是ELECTRO—MAGNET CONTROLLER FOR SAVINGENERGYAND MATERIAL，缩写为ECS[13]。具有普遍推广应用意义，经过进一步研发和工业运行试验，本技术产品可应用于电磁阀、电磁制动器、电磁离合器、电磁推动器、牵引电磁铁等，因此有望形成绿色制造的节能环保战略性新兴产业
③本项目同时符合《关于征集山西省科技重大专项增补项目的通知》中的“（三）电子信息领域关键技术：立足我省实际，支持各重点产业升级改造所急需的关键性应用电子产品及技术集成的研制；电子领域关键装备制造技术；”的要求，适应我省我国转型发展的需要。 我省煤炭大省，化工、钢铁、发电企业多，是受晃电影响的重灾区，建立防晃电应用开发及集成示范基地，对全国有引领示范作用。