雙線圈單極智能交流接觸器的實(shí)現(xiàn)及動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析

，，，

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350002)

1 引言

單極交流接觸器在空調(diào)、照明、焊機(jī)、電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)等單相負(fù)荷電路中有著廣泛的應(yīng)用[1]。在利用三個(gè)單極接觸器構(gòu)成組合式三相智能接觸器實(shí)現(xiàn)三相觸頭系統(tǒng)的零電流分?jǐn)嗫刂茣r(shí)，單極接觸器的性能也起著關(guān)鍵性的影響。然而，交流接觸器在運(yùn)行過程中開斷電路時(shí)相位是隨機(jī)的，在此過程中接觸器的觸頭之間將產(chǎn)生強(qiáng)烈的電弧，會(huì)導(dǎo)致觸頭磨損和觸頭熔焊，是影響接觸器電壽命、通斷能力以及運(yùn)行可靠性和各項(xiàng)性能指標(biāo)的主要原因[2]?！傲汶妷何?，零電流分?jǐn)唷笔情_關(guān)電器工作的理想狀態(tài)，理論上，如果觸頭在電流零點(diǎn)斷開，并以極高的速度拉開到足以承受恢復(fù)電壓而不發(fā)生間隙擊穿的距離，則電弧不再產(chǎn)生[3]。然而，交流接觸器目前的分閘主要靠彈簧的彈力，這使得分閘時(shí)速度慢且在短時(shí)間內(nèi)對(duì)動(dòng)觸頭施加足夠的動(dòng)能，加速觸頭的運(yùn)動(dòng)，變得比較困難，因此，將單極交流接觸器改造為雙線圈結(jié)構(gòu)，使其擁有電磁反力，并將其運(yùn)用于分閘中，便可在不影響合閘過程的前提下，加快單極交流接觸器的分閘速度，更有利于快速選相合閘、低壓無聲節(jié)電吸持和微電弧能量分?jǐn)唷?/p>

接觸器分?jǐn)噙^程是一個(gè)涉及多種能量轉(zhuǎn)換的復(fù)雜的，非線性的動(dòng)態(tài)過程[4]，僅僅依靠理論分析和數(shù)值計(jì)算無法可靠地對(duì)其動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行分析，利用基于單目視覺技術(shù)的智能交流接觸器三維動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與分析技術(shù)對(duì)其進(jìn)行實(shí)際測(cè)試就顯得十分必要[5]。

2 雙線圈單極智能交流接觸器的實(shí)現(xiàn)

雙線圈智能交流接觸器系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)兩個(gè)部分。

2.1 機(jī)械系統(tǒng)

如圖1所示，機(jī)械系統(tǒng)包括：無剩磁材料的動(dòng)靜鐵心、反力彈簧、觸頭彈簧、主輔線圈、塑殼以及動(dòng)靜觸頭部件等。

圖1 雙線圈單極智能交流接觸器機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 電控系統(tǒng)

如圖2所示，電控系統(tǒng)包括： 控制中樞模塊(以stm32單片機(jī)為核心，包括電路過零檢測(cè)模塊等)、高壓脈動(dòng)直流強(qiáng)激磁合閘/分閘控制模塊、直流低壓吸持控制模塊以及運(yùn)行指示模塊等。

圖2 雙線圈單極智能交流接觸器控制流程圖

雙線圈單極智能交流接觸器系統(tǒng)的控制策略如圖3的流程圖所示，電源上電以后，按下啟動(dòng)鍵。系統(tǒng)通過采樣電路，對(duì)電源電壓進(jìn)行過零點(diǎn)檢測(cè)，如果達(dá)到零點(diǎn)，則系統(tǒng)根據(jù)選定的合閘相角，在對(duì)應(yīng)的時(shí)間通過控制回路1和控制回路2分別控制強(qiáng)激磁起動(dòng)元件1和吸持元件開關(guān)打開，此時(shí)單相電源電壓經(jīng)過整流回路1以后，直接施加在智能接觸器主線圈上(吸合過程輔助線圈不通電，此時(shí)，由于只有主線圈通電，將會(huì)產(chǎn)生電磁吸力而不會(huì)產(chǎn)生電磁斥力)，使接觸器在直流強(qiáng)激磁方式下可靠吸合。當(dāng)吸合過程完成以后，單片機(jī)系統(tǒng)通過控制回路1切斷強(qiáng)激磁起動(dòng)元件1，使智能接觸器的主線圈斷開強(qiáng)激磁，接觸器轉(zhuǎn)入低壓保持階段。此時(shí)實(shí)現(xiàn)由一個(gè)低電壓、小電流的直流穩(wěn)壓電源提供接觸器吸持磁勢(shì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能無聲運(yùn)行。單片機(jī)系統(tǒng)在接到分?jǐn)嘈盘?hào)以后，對(duì)觸頭系統(tǒng)的電流經(jīng)行過零點(diǎn)檢測(cè)，如果接收到過零點(diǎn)信號(hào)，通過整流回路1開啟強(qiáng)激磁起動(dòng)元件1，單相電源電壓經(jīng)過整流模塊1以后，直接施加在智能接觸器主線圈上，同時(shí)通過控制回路2開啟強(qiáng)激磁起動(dòng)元件2，單相電源電壓經(jīng)過整流回路2以后，直接施加在智能接觸器輔助線圈上，由于主輔線圈流過等量的方向相反的電流，使得主副線圈產(chǎn)生方向不同的磁場(chǎng)，在兩鐵心的工作磁路及工作氣隙中，磁通等量反向，不呈現(xiàn)磁力，而在非工作氣隙中，較強(qiáng)的漏磁通表現(xiàn)為螺線管磁場(chǎng)特征，即在兩鐵心中呈現(xiàn)相斥的磁力，這就是雙線圈單極智能交流接觸器的可控電磁反力的產(chǎn)生過程，即利用同極磁場(chǎng)間產(chǎn)生斥力使接觸器進(jìn)行分閘。這樣即可實(shí)現(xiàn)接觸器的微電弧能量分?jǐn)唷?/p>

圖3 雙線圈單極智能交流接觸器工作流程圖

雙線圈單極智能交流接觸器系統(tǒng)的控制特點(diǎn)為：

(1)高壓脈動(dòng)直流強(qiáng)激磁實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定吸合；

(2)低壓直流節(jié)能無聲吸持；

(3)雙線圈產(chǎn)生的電磁反力實(shí)現(xiàn)快速微電弧能量分?jǐn)唷?/p>

3 基于高速攝像機(jī)的雙線圈單極智能交流接觸器三維動(dòng)態(tài)特性測(cè)試裝置

雙線圈單極智能交流接觸器三維動(dòng)態(tài)過程測(cè)試裝置的原理圖如圖4所示。整個(gè)測(cè)試模塊主要由PC1200高速攝像機(jī)模塊、電流采集模塊、PC機(jī)上位機(jī)可視化人機(jī)界面組成[6-9]。

PC1200S高速攝像機(jī)模塊：該模塊自帶的CamWWare圖像接口軟件，可以控制每一個(gè)攝像機(jī)參數(shù)或設(shè)置，在光源充足的條件下，最高圖像拍攝速率可達(dá)320000FPS。

USB7325高速光電隔離型模入數(shù)據(jù)采集模塊：適用于提供了USB 接口的PC系列微機(jī)以及專業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)LabVIEW 等軟件環(huán)境，最多可以8路雙端(16路單端)并行采集，總采樣率最高可達(dá)100KS/s。

系統(tǒng)上位機(jī)主要應(yīng)用IPP圖像處理軟件和Matlab數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的處理和分析。

圖4 測(cè)試裝置控制原理圖

4 雙線圈單極智能交流接觸器三維動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與分析

3.1 合閘過程分析

圖5所示為雙線圈單極智能交流接觸器在合閘相角θ=0°時(shí)的動(dòng)態(tài)特性曲線，其中表示動(dòng)鐵心在X方向的位移信號(hào)，xc表示觸頭在X方向的位移信號(hào)，i表示電流信號(hào)，u表示電壓信號(hào)，v表示動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)。雙線圈單極智能交流接觸器在合閘相角下的觸動(dòng)時(shí)間為t1,約5.0mm；在動(dòng)鐵心觸動(dòng)之前，可以認(rèn)為;t1之后，吸力大于反力，機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)，氣隙逐漸減小，速度v逐漸增大。在合閘的過程中，由于機(jī)構(gòu)本身的間隙和誤差導(dǎo)致鐵心和觸頭的運(yùn)動(dòng)曲線有細(xì)微的偏差；鐵心平穩(wěn)運(yùn)行，直至到達(dá)剛合點(diǎn)時(shí)，由于緩沖墊片的存在，鐵心還將繼續(xù)往下運(yùn)動(dòng)，但速度大幅減小。在t2時(shí)刻(約19.2ms),其位移量達(dá)到最大，鐵心開始反彈，速度反向增大，之后呈現(xiàn)減幅震蕩運(yùn)動(dòng)，直至穩(wěn)定。

圖5 合閘相角0°下雙線圈單極智能交流接觸器的動(dòng)態(tài)特性曲線

圖6所示為雙線圈單極智能交流接觸器在合閘相角θ=0°時(shí)鐵心的三維運(yùn)動(dòng)曲線圖，其中，x,y,z分別是鐵心在三個(gè)方向上的位移信號(hào)?？梢钥闯?，隨著強(qiáng)激磁產(chǎn)生的吸力帶動(dòng)鐵心在X方向上吸合，在另外兩個(gè)Y,Z方向上也有一定的擺動(dòng)，加工、改造誤差，裝配誤差等多種因素都會(huì)造成這種晃動(dòng)。

圖6 合閘相角0°下雙線圈單極智能交流接觸器鐵心的三維運(yùn)動(dòng)曲圖

4.2 分閘過程分析

圖7所示為雙線圈單極智能交流接觸器在自然狀態(tài)下(不施加電磁反力，僅依靠彈簧彈力)分?jǐn)嗟膭?dòng)態(tài)特性圖。圖8所示為雙線圈單極智能交流接觸器在施加電磁反力的狀態(tài)下分?jǐn)嗟膭?dòng)態(tài)特性圖。其中xc表示動(dòng)鐵心在X方向的位移信號(hào)，xc表示觸頭在X方向的位移信號(hào)，v表示動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)。

圖7 雙線圈單極智能交流接觸器在自然狀態(tài)下分?jǐn)嗟膭?dòng)態(tài)特性圖

圖8 雙線圈單極智能交流接觸器在施加電磁反力狀態(tài)下分?jǐn)嗟膭?dòng)態(tài)特性圖

從圖7和圖8的對(duì)比中，不難發(fā)現(xiàn)，在施加了電磁

反力的情況下，由于分?jǐn)嗪狭Ω?，其分?jǐn)嗨俣纫灿辛嗣黠@的增加，同時(shí)觸頭可以極快地拉開到足以承受恢復(fù)電壓而不發(fā)生間隙擊穿的更大距離，這有利于縮短燃弧時(shí)間，防止電弧復(fù)燃。

5 總結(jié)

本文采用了基于單目視覺技術(shù)的智能交流接觸器三維動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與分析技術(shù)對(duì)改造后的雙線圈單極智能交流接觸器的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)其合閘及分閘的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)雙線圈單極智能交流接觸器可以在強(qiáng)激磁產(chǎn)生的電磁力作用下，快速穩(wěn)定合閘；

(2)雙線圈單極智能交流接觸器可以在直流低壓電源下節(jié)能、無聲吸持；

(3)雙線圈單極智能交流接觸器可以利用相反磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁反力，實(shí)現(xiàn)快速分閘，有利于微電弧能量分?jǐn)啵?/p>

(4)若要得到更好的動(dòng)態(tài)特性，可以對(duì)觸頭的結(jié)構(gòu)和制造精度，以及樣機(jī)尺寸等進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。本次測(cè)試與分析也為三相組合式交流接觸器的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

[1] 袁曉琴,高平.淺談交流接觸器的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用及其發(fā)展[J].電氣制造,2008(1):34-36.

[2] Xuerong YE,Huimin LIANG,Guofu ZHAI.Optimization design method of contact bounce and breakaway initial velocity for aerospace electromagnetic relay [J].Journal of Harbin Institute(New Series),2011,5(18):130-136.

[3] 許志紅.電器理論基礎(chǔ)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[4] Gollee R,Gerlach G.An FEM-Based method for analysis of the dynamic behavior of AC contactors[J].IEEE Transactions on agnetics,2000,36(4):1337-1340.

[5] 黃航宇,陳德為.V極面智能交流接觸器三維動(dòng)態(tài)特性測(cè)試[J].電氣開關(guān),2015,53(4):12-14.

[6] 陳德為,張培銘.基于圖像測(cè)量的智能交流接觸器設(shè)計(jì)技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009(36):108-112.

[7] 陳德為,張培銘.基于高速攝像機(jī)的智能交流接觸器動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析技術(shù)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2010,31(4):878-884.

[8] 陳德為，莊煜祺.基于單目視覺技術(shù)的智能交流接觸器三維動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(12):1931-1937.

[9] 陳德為，張培銘.采用高速攝像機(jī)的智能交流接觸器控制及其測(cè)試裝置的研制[J].電工電能新技術(shù),2009,28(3):58-72.