交流勵(lì)磁接觸器吸合動(dòng)態(tài)過(guò)程的仿真研究

杜太行，王進(jìn)立，孫小祿，李 娜，肖 娜

（河北工業(yè)大學(xué) 天津 300130）

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的進(jìn)一步提高，對(duì)接觸器產(chǎn)品的性能和壽命要求越來(lái)越高。交流接觸器在接通電路時(shí)，動(dòng)觸頭與靜觸頭在達(dá)到穩(wěn)定接觸前會(huì)產(chǎn)生彈跳，不僅影響系統(tǒng)的性能而且產(chǎn)生的電弧對(duì)觸頭的燒蝕作用會(huì)降低接觸器的電壽命，尤其是當(dāng)接觸器用在AC3使用類別下，閉合的起動(dòng)電流達(dá)到6倍的額定電流。因而，研究交流接觸器接通電路的整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)于接觸器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高整體性能具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。

文中利用接觸器閉合過(guò)程的動(dòng)態(tài)方程，通過(guò)LabVIEW軟件可視化的圖形編程語(yǔ)言和平臺(tái)，以在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的軟面板來(lái)替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板建立了接觸器模型，對(duì)接觸器閉合動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析；最后，基于建立的模型在不同線圈電壓和不同合閘相角情況下，仿真分析了其線圈電流、勵(lì)磁電壓、電磁系統(tǒng)吸反力及線圈得電后鐵心運(yùn)動(dòng)速度等因素，對(duì)接觸器的設(shè)計(jì)研究具有非常重要的意義。

1 動(dòng)態(tài)過(guò)程

1.1 動(dòng)作原理

文中的研究對(duì)象為一額定電壓為220 V，額定電流為100 A的交流接觸器；線圈通電以后，電磁系統(tǒng)產(chǎn)生電磁吸力fx，當(dāng)fx大于反力彈簧C1的反力f1時(shí)，動(dòng)鐵心和動(dòng)觸頭開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。當(dāng)動(dòng)觸頭與靜觸頭碰撞時(shí)，動(dòng)觸頭的動(dòng)能部分損失在觸頭形變及觸頭彈簧的能量吸收上，剩余部分的動(dòng)能使動(dòng)觸頭向相反方向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，動(dòng)鐵心繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。動(dòng)觸頭的反方向運(yùn)動(dòng)和動(dòng)鐵心的向前運(yùn)動(dòng)，再加上主觸頭彈簧的預(yù)壓縮彈簧力，均影響動(dòng)觸頭的反向運(yùn)動(dòng)，動(dòng)觸頭由碰撞后的反方向運(yùn)動(dòng)逐漸變?yōu)橄蚯斑\(yùn)動(dòng)，再碰撞、再?gòu)楅_(kāi)，直到彈跳停止為止（所謂一次彈跳）。

和觸頭碰撞類似，在動(dòng)鐵心和靜鐵心的碰撞中，鐵心形變和消振裝置（消振墊片等）的作用消耗了動(dòng)鐵心的部分動(dòng)能，剩余部分的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)動(dòng)鐵心向相反方向運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，當(dāng)電磁吸力大于作用在鐵心上的總反向力之和時(shí)，動(dòng)靜鐵心不分離；當(dāng)電磁吸力小于總反方向力之和時(shí)，動(dòng)靜鐵心分離。當(dāng)動(dòng)觸頭反方向運(yùn)動(dòng)的位移大于主觸頭的超程時(shí)，已經(jīng)閉合的主觸頭又重新打開(kāi)，電弧燃燒（所謂二次彈跳）。

1.2 動(dòng)態(tài)方程

當(dāng)電磁線圈剛激磁時(shí)，產(chǎn)生的電磁吸力不足以超過(guò)動(dòng)鐵心所受的反力，在這段過(guò)程動(dòng)鐵心處于靜止?fàn)顟B(tài)。隨著電磁線圈電流以及磁鏈的增加，電磁吸力逐漸增加直至超過(guò)動(dòng)鐵心所受反力，此時(shí)動(dòng)鐵心開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。根據(jù)電壓平衡方程以及達(dá)朗貝爾運(yùn)動(dòng)方程，此時(shí)交流接觸器電磁機(jī)構(gòu)吸合過(guò)程動(dòng)態(tài)方程組應(yīng)為:

2 模型分析及方法

一般來(lái)說(shuō)，交流接觸器吸合過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性包括交流接觸器吸合過(guò)程的線圈電流—時(shí)間特性i=f（t）、電磁吸力—時(shí)間特性 Fx=f（t）、動(dòng)鐵心—位移時(shí)間特性 x=f（t）以及動(dòng)鐵心速度—時(shí)間特性v=f（t）。交流接觸器吸合過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算就是通過(guò)建立適當(dāng)?shù)奈线^(guò)程動(dòng)態(tài)微分方程來(lái)求解吸合過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。

接觸器勵(lì)磁線圈電壓平衡方程為：

其中U為外加的勵(lì)磁電壓；R為勵(lì)磁回路的電阻；ψ為磁鏈；i為勵(lì)磁電流。ψ為氣隙δ與電流i的函數(shù)，可以表示為公式：

K0、K1為常數(shù)，而 j（i）可以用公式（5）進(jìn)行擬合。

其中A，B，C為擬合參數(shù)。擬合曲線為：

圖1 擬合后的勵(lì)磁電流特性曲線Fig.1 Curve of current characteristic after fitting

將公式（7）代入公式（2）可得

從公式（5）可以求得：

因?yàn)?F=K2ψ2，設(shè)接觸器的反力為 P=P（δ），則鐵心運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度表示為：

根據(jù)以上特性關(guān)系式建立接觸器模型，LabVIEW后面板是程序框圖結(jié)構(gòu)，前面板是可視化界面可以清晰的觀察到接觸器閉合的動(dòng)態(tài)狀態(tài)，并且在界面上以特性曲線的方式表示出了線圈電流、鐵心運(yùn)動(dòng)間距、鐵心運(yùn)動(dòng)速度、勵(lì)磁電壓以及鐵心運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的反力等特性在接觸器閉合的動(dòng)態(tài)過(guò)程當(dāng)中變化規(guī)律，對(duì)研究接觸器的動(dòng)態(tài)過(guò)程有很大的實(shí)用價(jià)值。

3 仿真分析及討論

3.1 不同線圈電壓下的仿真分析

國(guó)標(biāo)14048.4-93中規(guī)定了，75%～110%的額定電壓下，AC接觸器的動(dòng)作電磁鐵應(yīng)該能夠可靠閉合。利用本文第2節(jié)中所述的方法，對(duì)接觸器閉合的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了仿真；當(dāng)線圈電壓為220 V的時(shí)候，接觸器鐵心及觸頭完全閉合瞬間及其特性曲線如圖2所示。

圖2 閉合特性曲線Fig.2 Curve of closing characteristic

運(yùn)行模型以后可以分析得出，隨著電壓從0 V開(kāi)始逐漸增大，銜鐵向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)越來(lái)越明顯；剛開(kāi)始的時(shí)候銜鐵和動(dòng)觸頭不會(huì)有任何動(dòng)作，當(dāng)電壓達(dá)到一定的值時(shí)銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)并且有帶動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但是銜鐵與觸頭并不能完全閉合，動(dòng)鐵心在與靜鐵心接觸以后會(huì)分開(kāi)，這是因?yàn)榫€圈電壓達(dá)不到額定電壓造成接觸器不能完全可靠的閉合?？梢钥吹椒抡娼Y(jié)果如圖3所示。

圖3 電壓為50 V時(shí)短暫閉合的情況Fig.3 Curve for 50 V voltage of closing characteristic

圖4 電壓為50 V時(shí)Fig.4 Cure for 50 V voltage of closing characterisitc

當(dāng)線圈電壓為50 V時(shí)，由圖3和圖4比較根據(jù)時(shí)間軸的顯示可以看到，在50 ms時(shí)銜鐵首先和靜鐵心接觸并且?guī)?dòng)動(dòng)觸頭與靜觸頭閉合，但是稍后的一段時(shí)間大約到70 ms以后它們就會(huì)分開(kāi)并不能達(dá)到完全的閉合。比較圖2和圖3，當(dāng)鐵心間距與鐵心速度為零的瞬間可以看出，線圈電壓在220 V時(shí)接觸器閉合的時(shí)間比線圈電壓在50 V時(shí)閉合所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)要小，并且在220 V時(shí)接觸器閉合后不會(huì)再分開(kāi)能達(dá)到完全可靠的閉合狀態(tài)。

由此從模型的仿真結(jié)果可以得出結(jié)論：隨著電壓的升高，接觸器銜鐵和觸頭的運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)隨時(shí)在發(fā)生變化，銜鐵運(yùn)動(dòng)的速度也越來(lái)越大，因此其閉合所需的時(shí)間也大大的減??；接觸器在閉合的瞬間會(huì)產(chǎn)生觸頭彈跳的情況，吸力與反力合理的配合可以減弱觸頭彈跳，而且在吸反力配合的研究上，弄懂銜鐵的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其特性變化是很重要的一方面，另外不同勵(lì)磁電壓與其施加方式對(duì)如何減小觸頭彈跳都有很大的研究?jī)r(jià)值。

3.2 合閘相角對(duì)閉合過(guò)程的影響

圖5所示為線圈電壓為220 V，接觸器閉合時(shí)不同合閘相角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間軸曲線；第一個(gè)時(shí)間軸是合閘相角為30°時(shí)接觸器從通電到閉合所需的時(shí)間，下面的時(shí)間軸是同等條件下合閘相角為120°時(shí)接觸器閉合所需的時(shí)間。

圖5 不同合閘相角下的閉合情況Fig.5 Closing characterisitic of different closing phase

由圖可見(jiàn)鐵心速度與鐵心間距為零瞬間時(shí)合閘相角為30°時(shí)觸頭閉合時(shí)間最短，只需約19.5 ms；合閘相角為120°時(shí)觸頭閉合時(shí)間最長(zhǎng)，需要27.5 ms才能閉合，閉合時(shí)間相差了約 8ms。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以交流接觸器的動(dòng)態(tài)過(guò)程為研究重點(diǎn)，應(yīng)用LabVIEW軟件建立了接觸器和電磁機(jī)構(gòu)的模型，研究其動(dòng)態(tài)過(guò)程的變化并且仿真分析了一系列動(dòng)態(tài)過(guò)程中的參數(shù)，對(duì)研究接觸器閉合過(guò)程的彈跳情況及智能化控制具有指導(dǎo)意義。

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