交流接觸器壽命試驗系統(tǒng)選相控制技術的實現(xiàn)與應用

黃海蘭，吳桂初，吳自然，陳 沖，王盼盼（溫州大學浙江省低壓電器智能技術重點實驗室，浙江溫州 325035）

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交流接觸器壽命試驗系統(tǒng)選相控制技術的實現(xiàn)與應用

黃海蘭，吳桂初，吳自然?，陳 沖，王盼盼
（溫州大學浙江省低壓電器智能技術重點實驗室，浙江溫州 325035）

摘 要：在AC-4條件下傳統(tǒng)交流接觸器的電壽命遠小于其機械壽命，主要是由觸頭分斷時產(chǎn)生的電弧對交流接觸器觸頭的燒蝕所致．大量實驗表明，觸頭分斷相位不同產(chǎn)生的燃弧能量、燃弧功率不同，即對觸頭的損害程度也不同．相位控制可以有效減少燃弧能量進而減少觸頭損耗，所以對交流接觸器選相分斷控制技術的研究具有重要意義．本文設計了一種交流接觸器選相分斷控制裝置并應用到交流接觸器分斷特性的研究中．實驗表明，該裝置能較準確地控制0°到180°的分斷相位，選相裝置誤差小于1°．

關鍵詞：交流接觸器；燃弧能量；分斷相位

交流接觸器是應用在遠距離頻繁接通和斷開交流電路的開關電器，它作為一種低壓電器開關被廣泛應用于各種領域．隨著科學技術的快速發(fā)展，對交流接觸器提出了更高的要求．智能、節(jié)能、長壽命是交流接觸器的發(fā)展趨勢．交流接觸器的壽命分為機械壽命和電壽命．一般來說交流接觸器的機械壽命遠大于其電壽命［1-2］，所以提高交流接觸器的電壽命是一個亟待解決的問題．影響交流接觸器電壽命的一個重要因素是分斷過程中接觸器觸頭間產(chǎn)生的強烈的電弧，電弧會燒蝕觸頭，縮短接觸器的電壽命．國內外已有許多學者對交流接觸器的電壽命進行了研究［3-10］．文獻［5］通過計算一定數(shù)量的電觸頭兩端的電壓電流波形，計算燃弧能量分析交流接觸器分斷特性規(guī)律．文獻［6］得出電弧能量、電弧功率以及燃弧時間這三個物理量能顯著影響交流接觸器電壽命的結論．文獻［7-10］對分斷相位與接觸器的壽命及可靠性關系作了研究．由于接觸器的開關電弧與開關相位關系密切［11］，因此設計一個精確的選相裝置來控制交流接觸器的接通和分斷相位，對研究交流接觸器接通和分斷燃弧能量及其電壽命具有十分重要的意義．本文介紹一種用于交流接觸器電壽命試驗選相控制技術，并設計研制了選相分合閘裝置，在實際應用中達到了很好的效果．

1　交流接觸器壽命試驗系統(tǒng)

交流接觸器的電壽命試驗有AC-3、AC-4試驗等標準［12-13］．AC-4是模擬電機的啟動和停止時的重負載情況下交流接觸器的使用情況．根據(jù)AC-4實驗標準，每一個交流接觸器在規(guī)定電壓和規(guī)定電流的條件下要做6 000次測試實驗，接通和分斷的電流均為交流接觸器額定電流的6倍，阻抗呈感性，功率因數(shù)為0.45．然而在實際操作中，一些交流接觸器在AC-4試驗條件下，試驗次數(shù)還沒有達到6 000次就已經(jīng)損壞掉了，所以個別交流接觸器最大操作次數(shù)被定義為最大試驗承受次數(shù)．本文將討論AC-4條件下的試驗，交流接觸器壽命試驗系統(tǒng)如圖1所示．該系統(tǒng)由三個部分組成，分別是AC壽命控制部分、1000A端口柜部分以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中AC壽命控制部分和1000A端口柜部分是用來進行AC-4類別的交流接觸器壽命試驗的．數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來采集交流接觸器接通和分斷時的觸頭兩端的電壓和電流．控制臺的控制核心采用可編程控制器，配合繼電器、接觸器實現(xiàn)主回路和試驗端口的控制功能．控制臺配備一臺10.4英寸的接觸摸屏進行PLC的參數(shù)調節(jié)以及試驗方式、次數(shù)等參數(shù)的控制和顯示．圖2給出了該系統(tǒng)的原理，其中虛線所包括的3個觸頭和線圈為接觸器試品，Ur為電壓傳感器，I為電流傳感器，Z為阻抗，J為控制試品接觸器分合的開關．本文將在該系統(tǒng)的基礎上增加選相裝置．

圖1　交流接觸器壽命試驗系統(tǒng)

2　交流接觸器壽命試驗系統(tǒng)選相裝置設計

2.1選相原理

在圖2的基礎上加上選相電路如圖3所示．圖3中J1和J2為IGBT，反向串聯(lián)連接，分別控制交流電的正負半周的導通和關閉，以替代圖2中的開關J．J1和J2的導通或關閉時刻，由控制器輸出信號確定，控制器的核心是一片ARM處理器STM32F103．試驗時預先將分斷或閉合的相位值Φ預置到控制器中，控制器將實時測量某相（如C相）電流的相位，當控制器接收到控制臺的分或合接觸器的信號J時，控制器將控制J1和J2在下一個周期的預置相位Φ分斷或閉合接觸器，圖4給出了分斷的時序．

圖2　系統(tǒng)原理框圖

2.2軟件設計

控制器由STM32F103單片機電路組成，主要用于檢測主觸頭上電流的相位、控制臺的分合閘信號J以及輸出驅動兩個IGBT管J1和J2的時序信號．其控制接觸器選相分斷軟件流程如圖5所示．

圖3　選相電路

3　試驗和結果

AC-4試驗條件下的交流接觸器壽命試驗，試驗標準要求是6 000次，當主回路電流超過100 A時，試驗間隔時間不得小于60 s，所以交流接觸器選相分斷試驗是周期性的試驗，試驗間隔設定為60 s，試驗條件如表1所示．

圖4　分斷相位控制時序圖

表1　交流接觸器試驗條件

由于觸頭回路呈感性，閉合時的電流較小，而分斷時的電流較大，所以分斷電弧對觸頭燒蝕嚴重．本文只討論分斷情況．通過選相控制，要求電流相位控制在0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°分斷．考慮到接觸器存在超程，需要提前超程產(chǎn)生的時間斷開接觸器線圈電源．經(jīng)實測，本實驗所用接觸器超程產(chǎn)生的時間是10 ± 0.4 ms．即提前相角為：

圖6給出了0°、60°、90°、120°電流分斷相位的波形圖．控制分斷信號從高電平到低電平突變時刻，接觸器線圈斷電，電流變到0．再過約半個周期10 ms左右，觸頭開始分開，觸頭兩端電壓從0逐步上升．電壓從0開始上升時刻，即為所要求的觸頭分斷時刻，對應的電流相位，就是所要求的分斷電流相位Φ．表2給出了在不同預設分斷電流相位下，實驗得到的觸頭分斷電流相位．相位的誤差是由選相控制器和接觸器的機械動作誤差引起的，選相控制器誤差 ≤ 1°，機械動作誤差 ≤ 7.2°，因此機械動作誤差是主要的．

圖5　控制接觸器選相分斷軟件流程

圖6　選相控制器選相結果

表2　線圈分斷相位誤差

4　結 論

本文使用一套交流接觸器壽命試驗系統(tǒng)，加上相位控制器構成交流接觸器選相試驗的回路，采用AC-4試驗作為試驗電流的標準，來模擬重負載情況下交流接觸器的使用情況．設計了一種可以精確控制交流接觸器線圈分斷的選相控制器，該選相控制器可根據(jù)測得的交流接觸器超程計算出主觸頭提前分斷相位，從而實現(xiàn)了對主觸頭的精確控制．本文的研究為以后分析不同分斷相位下交流接觸器特性奠定了基礎．

參考文獻

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（編輯：王一芳）

Realization and Application on AC Contactor Life Testing System Based on Phase-controlled Technology

HUANG Hailan， WU Guichu， WU Ziran， CHEN Chong， WANG Panpan
（The Key Laboratory of Low-voltage Apparatus Intellectual Technology of Zhejiang， Wenzhou University， Wenzhou， China 325035）

Abstract：Under the condition of AC-4， the electrical endurance of a traditional AC contactor is far less than its mechanical endurance， which is mainly caused by the arc erosion generated when the contact is in breaking process. A large number of experiments indicate that different contact breaking phases produce different arc energy and nurning arc power， which cause different extents of damage to the contacts. Since the phase control can effectively reduce arc energy and thus reduce the contact damage， it is significant to the phase selection disjunctiion control technology of AC contactors. The paper designs a breaking phase control device and applies it to the research on AC contactor breaking characteristics. The experiment exposes that the device can relatively control breaking phases precisely between 0° to 180° with errors less than 1°.

Key words：AC Contactor； Arc Energy； Breaking Phase Position

作者簡介：黃海蘭（1986- ），女，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向：交流接觸器壽命研究．? 通訊作者，nature.nano@gmail.com

基金項目：國家自然科學青年基金（51507113）；浙江省自然科學青年基金（LQ16E070004）

收稿日期：2015-09-06

DOI：10.3875/j.issn.1674-3563.2016.02.004 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

中圖分類號：TM615

文獻標志碼：A

文章編號：1674-3563（2016）02-0027-06