電器電磁機構(gòu)動態(tài)特性實驗系統(tǒng)的開發(fā)與教學(xué)實踐

任萬濱, 王天陽, 張 旭

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

“電器理論基礎(chǔ)”課程是電氣工程及自動化專業(yè)的專業(yè)必修課程。課程中的電磁機構(gòu)理論是電器理論范疇的主要組成部分，涉及的電磁-力-運動的綜合理論與電器產(chǎn)品的設(shè)計與性能分析關(guān)系緊密，一直是本門課程的教學(xué)重點[1～2]。然而，其中的機電能量轉(zhuǎn)換理論理解難度較大，這也是教學(xué)中的難點。雖然現(xiàn)有的CAE仿真分析技術(shù)可以將動態(tài)過程中的磁場變化以及機構(gòu)運動過程模擬復(fù)現(xiàn)[3～4]，但與真實電磁機構(gòu)的行為表現(xiàn)還存在一定差異，而且以計算分析的方式讓學(xué)生深入體會機構(gòu)參數(shù)對于動態(tài)特性的影響效果并不理想。由此，本文以電磁繼電器為典型示范對象，創(chuàng)新地開發(fā)了一種用于電器電磁機構(gòu)動態(tài)特性模擬分析的實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可模擬電磁機構(gòu)吸合動作過程，并可實時監(jiān)測線圈電流、觸點電壓(電流)、觸點壓力等參數(shù)變化過程。另外，實驗系統(tǒng)具有設(shè)計型實驗教學(xué)的特點，可滿足學(xué)生深入研究電器電磁機構(gòu)調(diào)整參數(shù)(包括線圈激勵、磁間隙、觸點開距、觸點超行程)對動態(tài)特性的影響。

1 電器電磁機構(gòu)的動態(tài)特性

電器電磁結(jié)構(gòu)相對簡單，一般可分為電磁系統(tǒng)、觸簧系統(tǒng)、傳動和復(fù)原機構(gòu)三部分，如圖1的電磁繼電器所示。其中，電磁系統(tǒng)，即感應(yīng)機構(gòu)，由軟磁材料制成的鐵芯、軛鐵和銜鐵構(gòu)成的磁路系統(tǒng)和線圈組裝而成；接觸系統(tǒng)，即執(zhí)行機構(gòu)，由不同形式的觸點簧片或用作觸點的接觸片以一定的絕緣方式組裝而成；傳動和復(fù)原機構(gòu)，即中間比較機構(gòu)，實現(xiàn)電器動作的傳動機構(gòu)是指當線圈激勵時將銜鐵運動傳遞到觸點簧片上的機構(gòu)。一般是由和銜鐵連接在一起的觸點簧片直接傳動或通過銜鐵的運動間接地推動觸點簧片運動。

圖1 電磁繼電器結(jié)構(gòu)示意圖

以圖1所示的銜鐵轉(zhuǎn)動式電磁機構(gòu)為例，描述其動態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型列于式(1)。該方程組中包括線圈回路電壓平衡方程，運動部件的機構(gòu)平衡方程，角位移與角速度的微分關(guān)系方程以及初始值。

(1)

式中ψ-線圈磁鏈；

U、i、R-線圈電壓、電流和電阻；

α、ω-銜鐵角位移和角速度；

J-運動部分轉(zhuǎn)動慣量；

Mx、Mf-吸力力矩、反力力矩；

ψ0、α0-t=0時刻的線圈磁鏈和銜鐵位移。

式(1)中的反力力矩與觸簧系統(tǒng)的剛度以及電磁機構(gòu)的調(diào)整參數(shù)(動斷超程、自由行程和動合超程)關(guān)系密切，一般可將反力特性表示為式(2)和式(3)。

(2)

(3)

式中δ1，δ2，δ3——銜鐵在動斷超程、自由行程和動合超程階段的旋轉(zhuǎn)角度。

在未考慮鐵心渦流的情況下，i僅為ψ和α的二元函數(shù)，Mx僅為i和α的二元函數(shù)。動態(tài)過程的計算主要有基于靜態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)值求解法和借助商用有限元軟件的聯(lián)合仿真法，過程非常復(fù)雜，對于電氣工程及自動化專業(yè)的本科生來說難度很大。

2 實驗系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 總體設(shè)計方案

如圖2所示，實驗系統(tǒng)主要由可調(diào)機械參數(shù)實驗臺、電控測試箱、工控機和電源組成。實驗臺以典型的拍合式電磁繼電器作為原型，應(yīng)用手動滑臺調(diào)節(jié)機械參數(shù)(包括磁間隙、開距、超程)，調(diào)節(jié)范圍3 mm，調(diào)節(jié)精度10 μm，進而可實現(xiàn)觸點靜壓力調(diào)控，調(diào)節(jié)范圍5N，調(diào)節(jié)精度0.5 mN。該結(jié)構(gòu)既保留了電磁電器的結(jié)構(gòu)特征，還可方便的更換觸點試樣。配備的CCD相機可輔助觸點裝配位置調(diào)整，并可實時觀測電弧行為。

電控測試箱具有控制動作、測試和采集電磁繼電器轉(zhuǎn)換過程中的電參數(shù)波形(包括線圈電流、觸點電壓、觸點電流、觸點壓降)、時間參數(shù)(燃弧時間、回跳時間、超程時間)和力參數(shù)(靜壓力、碰撞力)等功能。工控機內(nèi)的PCI高速數(shù)據(jù)采集卡可將參數(shù)上傳，通過上位機軟件即時顯示采集到的各參數(shù)，并存儲在工控機中方便后期處理分析。實驗中線圈激勵和觸點負載可通過電源模塊調(diào)節(jié)。觸點電壓采樣范圍80 V，觸點壓降采樣范圍1 V，觸點電流采樣范圍20 A，線圈電流采樣范圍3 A，數(shù)據(jù)最高同步采樣率250 kHz，時間參數(shù)測試范圍100 ms，分辨率4 μs。

實驗臺以典型的拍合式電磁繼電器作為原型，應(yīng)用手動滑臺調(diào)節(jié)機械參數(shù)(包括磁間隙、開距、超程)，調(diào)節(jié)范圍3 mm，調(diào)節(jié)精度10 μm，進而可實現(xiàn)觸點靜壓力調(diào)控，調(diào)節(jié)范圍5 N，調(diào)節(jié)精度0.5 mN。該結(jié)構(gòu)既保留了電磁電器的結(jié)構(gòu)特征，還可方便的更換觸點試樣。配備的CCD相機可輔助觸點裝配位置調(diào)整，并可實時觀測電弧行為。

圖2 實驗接線圖

電控測試箱具有控制動作、測試和采集電磁繼電器轉(zhuǎn)換過程中的電參數(shù)波形(包括線圈電流、觸點電壓、觸點電流、觸點壓降)、時間參數(shù)(燃弧時間、回跳時間、超程時間)和力參數(shù)(靜壓力、碰撞力)等功能。工控機內(nèi)的PCI高速數(shù)據(jù)采集卡可將參數(shù)上傳，通過上位機軟件即時顯示采集到的各參數(shù)，并存儲在工控機中方便后期處理分析。實驗中線圈激勵和觸點負載可通過電源模塊調(diào)節(jié)。觸點電壓采樣范圍80 V，觸點壓降采樣范圍1 V，觸點電流采樣范圍20A，線圈電流采樣范圍3A，數(shù)據(jù)最高同步采樣率250 kHz，時間參數(shù)測試范圍100 ms，分辨率4 μs。

2.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3為可調(diào)機械參數(shù)試驗臺。該試驗臺能夠滿足磁間隙、觸點開距、觸點超程調(diào)節(jié)。試驗臺以JT3-12型電磁繼電器為原型，保留了電磁系統(tǒng)、傳動和復(fù)原機構(gòu)。繼電器固定在減震支架上，通過千分尺實現(xiàn)磁間隙調(diào)節(jié)。觸簧系統(tǒng)經(jīng)由轉(zhuǎn)接支架和推動桿改裝，動觸點夾具為柔性機構(gòu)，為觸點開距的大范圍調(diào)節(jié)和測量帶來了便利。力傳感器安裝在靜觸點正下方，應(yīng)用XYZ三維滑臺實現(xiàn)靜觸點空間位置的調(diào)整。

2.3 上位機軟件

實驗系統(tǒng)可視化操作界面如圖4所示，基于LabVIEW軟件開發(fā)了數(shù)據(jù)傳輸通信功能。上位機操作界面由參數(shù)顯示、波形顯示和圖像顯示三部分構(gòu)成。界面左側(cè)為顯示區(qū)域，左上側(cè)為綜合參數(shù)顯示區(qū)域，下方為實驗過程中的原始波形顯示區(qū)域，可對電磁機構(gòu)的動作情況實時監(jiān)測。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 磁間隙

實驗過程中，調(diào)節(jié)設(shè)定電磁機構(gòu)磁間隙，進一步從零開始緩慢增大線圈電壓，當觸點發(fā)生閉合動作時，記錄此時的電壓值，即為吸合電壓，隨后，緩慢減小線圈電壓，當觸點發(fā)生分斷動作時，記錄此時的電壓值，即為釋放電壓。不同磁間隙下，實驗測量得到的電磁機構(gòu)吸合電壓和釋放電壓如表1所示。

圖3 可調(diào)機械參數(shù)實驗臺

圖4 軟件界面

表1 不同磁間隙下的吸合電壓和釋放電壓 (觸點開距:1.5 mm)

由表1可見，磁間隙由2.5 mm增大到6.25 mm，對應(yīng)的吸合電壓從9 V升高到13.8 V，而釋放電壓卻沒有變化，始終保持在3 V左右。這說明，磁間隙的改變會引起吸合電壓的變化，兩者呈正相關(guān)關(guān)系，釋放電壓與磁間隙無關(guān)。如圖1所示，增大磁間隙會導(dǎo)致氣隙磁阻增大，銜鐵吸合所需的電磁力也增強，因此需要更大的吸合電壓提供足夠的電磁力完成閉合動作。在觸點分斷時，在各磁間隙下復(fù)原彈簧的形變量均相同，電磁機構(gòu)的反力相同，故釋放電壓保持不變。

3.2 觸點開距

觸點靜壓力與觸點開距之間的關(guān)系如表2所示。實驗過程中，線圈電壓設(shè)置為20 V，固定磁間隙為3 mm，利用XYZ三維滑臺調(diào)整觸點開距，在不同的觸點開距下，由上位機控制電磁機構(gòu)分斷、閉合。可見，在觸點開距由0增大到4.5 mm的過程中，相應(yīng)的靜壓力從280 mN下降到110 mN，隨著觸點開距的增加，靜壓力逐漸減小。

表2 觸點靜壓力與觸點開距關(guān)系

3.3 觸點閉合過程

閉合過程中觸點電壓和線圈電流的典型波形如圖5所示。圖中橫坐標代表采樣數(shù)據(jù)點，采樣周期為4 μs，總采樣點數(shù)乘以采樣周期即得相關(guān)時間參數(shù)數(shù)值。圖5(a)中，T1對應(yīng)線圈上電時刻，T2對應(yīng)觸點閉合時刻，T3對應(yīng)銜鐵閉合時刻，T4對應(yīng)觸點回跳結(jié)束時刻?？梢?，在線圈上電一段時間后，觸點才會發(fā)生閉合動作，銜鐵完全吸合。由圖5(b)可見，觸點經(jīng)過5次回跳后達到穩(wěn)定閉合。

定義從線圈上電至動靜觸點對第一次接觸的時間間隔為吸合時間，由圖5(a)，吸合時間為T2-T1=9.76 ms。動靜觸點對第一次接觸至銜鐵完全閉合的時間間隔是觸點超程階段移動所需的時間，即超程時間T3-T2=80 μs。觸點回跳階段的電壓波形如圖5(b)所示，定義動靜觸點對第一次接觸至觸點回跳結(jié)束的時間間隔為回跳時間，則回跳時間為T4-T2=1080 μs。

(a) 觸點電壓和線圈電流波形

(b) 觸點電壓波形放大圖5 觸點閉合過程

3.4 觸點分斷過程

觸點分斷過程中的典型電壓波形如圖6所示。圖中，T5對應(yīng)燃弧起始時刻，T6對應(yīng)燃弧結(jié)束時刻。起弧時刻對應(yīng)的電壓值為材料起弧電壓，本實驗中的觸點材料為AgSnO2，起弧電壓在12 V左右。由圖可見，分斷燃弧過程，觸點電壓產(chǎn)生了劇烈的波動，當燃弧電壓波動至24 V左右時電弧熄滅，觸點電壓迅速上升至開路電壓。(任萬濱等文)

圖6 觸點分斷過程

定義從電弧開始燃燒至燃弧結(jié)束的時間間隔為燃弧時間，則燃弧時間為T6-T5=96 μs。

4 結(jié)語

應(yīng)用本文提出的電器電磁機構(gòu)動態(tài)特性實驗系統(tǒng)，可為學(xué)生開設(shè)電磁機構(gòu)繼電特性與控制特性的研究實驗、電磁機構(gòu)時間特性的研究實驗以及電器電弧與電接觸特性的研究實驗。經(jīng)過三年來的教學(xué)實踐應(yīng)用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，學(xué)生可操作性強，對于教學(xué)環(huán)節(jié)知識點的理解更加深刻、明晰，直接有利于后續(xù)電器可靠性與一致性設(shè)計等教學(xué)工作的開展。