交流接觸器電壽命試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

陸偉 顏世燦

【摘 要】接觸器是一種典型的控制型電器元件，安裝使用方便簡(jiǎn)單，其價(jià)格相對(duì)其他控制器件較低，在很多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，適用于各種自動(dòng)控制系統(tǒng)。有些電氣系統(tǒng)對(duì)可靠性與安全性要求較高，所以要求系統(tǒng)內(nèi)的各種低壓器件必須具備高可靠性。電壽命試驗(yàn)是檢驗(yàn)接觸器是否可靠的非常重要的試驗(yàn)項(xiàng)目之一，也是檢驗(yàn)交流接觸器可靠性的一種高效簡(jiǎn)便的試驗(yàn)方法，可以用于分析接觸器失效的原因，可以作為接觸器設(shè)計(jì)修改的重要依據(jù)。因此，開發(fā)一款功能齊全、成本低廉的電壽命實(shí)驗(yàn)平臺(tái)意義重大。文章介紹了電壽命試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)和要求、電壽命的試驗(yàn)方案、試驗(yàn)參數(shù)的計(jì)算、試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程及元器件選型要求，對(duì)電壽命試驗(yàn)平臺(tái)的工作原理和設(shè)計(jì)思路做了詳細(xì)分析，并且選擇一款典型產(chǎn)品驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的電壽命試驗(yàn)平臺(tái)的可操作性。

【關(guān)鍵詞】交流接觸器;電壽命試驗(yàn);可靠性檢驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】TM572.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）04-0018-04

0 引言

接觸器根據(jù)其應(yīng)用可分為交流接觸器和直流接觸器，其工作原理是線圈接通流過(guò)電流，電磁感應(yīng)生成磁場(chǎng)，磁芯吸合帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)使主觸頭閉合，通過(guò)調(diào)節(jié)線圈的控制電壓就能達(dá)到控制主電路的目的，可以快速且頻繁地接通分?jǐn)嘀骶€路，廣泛應(yīng)用于控制廠礦設(shè)備、配電系統(tǒng)等場(chǎng)合。隨著工業(yè)制造水平的提高，交流接觸器的外形和尺寸不斷變化、工作性能不斷提高。交流接觸器工作的環(huán)境和工作特性要求其必須不停地導(dǎo)通斷開，接觸器的電壽命特性是影響整個(gè)用電控制系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵，決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性[1]。

電壽命是指電器在不需要維修或更換零部件的條件下，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行接通和分?jǐn)嘣囼?yàn)，在保證試品不損壞的情況下能承受的載荷操作次數(shù)[2];交流接觸器的電壽命試驗(yàn)是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第4-1部分：接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器》（GB/T 14048.4）[3]要求的試驗(yàn)條件測(cè)試其能不能滿足電動(dòng)合分次數(shù)。就目前的電壽命檢驗(yàn)檢測(cè)測(cè)試情況看，通常只能給出一個(gè)最終是否通過(guò)檢測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于試驗(yàn)過(guò)程中的相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法采集，也就無(wú)法判斷在試驗(yàn)過(guò)程中接觸器的狀態(tài)和不合格接觸器失效的原因。本研究介紹了交流接觸器的電壽命試驗(yàn)系統(tǒng)的原理，建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并且在試驗(yàn)過(guò)程中不間斷地采集監(jiān)測(cè)接觸器電壓、電流等狀態(tài)，采集到的試驗(yàn)波形信號(hào)可以直觀地顯示接觸器的狀態(tài)，對(duì)接觸器狀態(tài)的評(píng)價(jià)提供了充足的數(shù)據(jù)支持，可對(duì)設(shè)計(jì)和改進(jìn)產(chǎn)品提供依據(jù)，并以某交流接觸器為例進(jìn)行電壽命試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 交流接觸器電壽命試驗(yàn)條件

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14048.4的規(guī)定，交流接觸器按使用類別可分為AC-1、AC-2、AC-3、AC-4等。不同的工作制對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，工作制AC-1主要是應(yīng)用在無(wú)感或微感負(fù)載場(chǎng)合，如白熾燈、電阻爐等;工作制AC-2主要應(yīng)用于小電感負(fù)載，如控制繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止;工作制AC-3主要應(yīng)用是控制鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止分?jǐn)?工作制AC-4主要應(yīng)用于控制籠型異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和點(diǎn)動(dòng)[4];國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14048.4中規(guī)定了不同工作制的接觸器的電壽命檢測(cè)條件（見表1）。

2 電壽命試驗(yàn)的系統(tǒng)研究

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)交流接觸器電壽命試驗(yàn)的要求和被試品的實(shí)際情況，不同類型交流接觸器電壽命試驗(yàn)的測(cè)試要求也不盡相同，該系統(tǒng)根據(jù)不同的試驗(yàn)情況，應(yīng)該具有如下功能：①根據(jù)被試品的不同工作制，要求的試驗(yàn)電壓、電流和功率因數(shù)不同，系統(tǒng)需要可以設(shè)置試驗(yàn)電路中電壓、電流和功率因數(shù)的值，試驗(yàn)系統(tǒng)可以根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整電壓。②試驗(yàn)系統(tǒng)適用于AC-1～AC-4的交流接觸器的測(cè)試試驗(yàn)，針對(duì)不同的工作制，可以直接在試驗(yàn)系統(tǒng)中設(shè)置。③試驗(yàn)系統(tǒng)可以根據(jù)不同產(chǎn)品、不同的工作制設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，例如試驗(yàn)電壓、試驗(yàn)電流、功率因數(shù)、接通分?jǐn)鄷r(shí)間等，同時(shí)能夠直觀顯示試驗(yàn)波形，直接讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。④試驗(yàn)系統(tǒng)有多個(gè)輸出端口，能夠滿足多個(gè)產(chǎn)品同時(shí)測(cè)試，提高檢測(cè)效率[5]。

交流接觸器壽命試驗(yàn)系統(tǒng)的硬件主要包括試驗(yàn)電源、負(fù)載、數(shù)據(jù)采樣電路和控制部分。試驗(yàn)電源是變壓器輸出的交流電;負(fù)載用功率電阻和空心電抗器制作，可以任意調(diào)節(jié)功率因數(shù)，適用于各類工作制交流接觸器;試驗(yàn)電路可以分為主電路、電壓電流數(shù)據(jù)采樣部分和控制部分電路。主回路主要有供電電源、真空接觸器和模擬負(fù)載。電壓電流數(shù)據(jù)采樣部分有電流采樣互感器、電壓采樣傳感器、數(shù)據(jù)采集器、上位機(jī)?？刂撇糠蛛娐窞樵囼?yàn)控制臺(tái)，可以遠(yuǎn)程控制試品通斷。設(shè)置完成各項(xiàng)參數(shù)，系統(tǒng)可以自動(dòng)完成測(cè)試，采集電壓電流波形并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)主線路如圖1所示。

2.1 電源部分

據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14048.4中對(duì)AC-3、AC-3e交流接觸器電壽命試驗(yàn)的規(guī)定，接通電流是分?jǐn)嚯娏鞯?倍，實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法瞬間改變阻抗，所以需要瞬間切換試驗(yàn)電壓，使分?jǐn)嚯妷簽閷?dǎo)通電壓的1/6，這樣就能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此試驗(yàn)系統(tǒng)主電路中需要有調(diào)壓和電壓切換的功能。

試驗(yàn)電源是50 Hz正弦波交流電，電壓有效值要穩(wěn)定在95%～105%。試驗(yàn)用電源的原理如圖2所示，F(xiàn)1和F2為熔斷器，發(fā)生故障時(shí)起到保護(hù)作用;Q為萬(wàn)能式斷路器;T1為帶隔離的升壓變壓器;T2為自耦式變壓器，用于實(shí)現(xiàn)Ue和1/6的Ue。K1和K2為真空交流接觸器，作為試驗(yàn)陪試品，接收控制信號(hào)閉合時(shí)，被試品上得到Ue或1/6的Ue。

2.2 負(fù)載部分

負(fù)載部分為RL阻感負(fù)載，使用空心電感和電阻器串聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的各種功率因數(shù)，負(fù)載功率因素可設(shè)定為±0.3～1.0，電阻調(diào)節(jié)范圍為12～7 760 mΩ，調(diào)節(jié)精度為12 mΩ，調(diào)節(jié)范圍為12～9 204 mΩ，調(diào)節(jié)精度為12 mΩ，能夠滿足上述各種類別的電壽命試驗(yàn)的條件，負(fù)載原理圖如圖3所示。

2.3 檢測(cè)電路

電壽命試驗(yàn)時(shí)需要采集的信號(hào)包括額定電壓Ue（K1開關(guān)控制）、額定電壓（K2開關(guān)控制）、試品接觸器觸點(diǎn)電壓Uc（K3端口電壓）及回路電流I（電流互感器）4個(gè)參數(shù)。檢測(cè)點(diǎn)示意圖如圖4所示。這些電壓、電流信號(hào)需要隔離放大處理，以適應(yīng)A/D量程。共采集三相電路的電流、電壓等6個(gè)信號(hào)。其中，電壓是指試品觸頭的斷口電壓，電流是指接通時(shí)流過(guò)接觸器主觸頭的電流。采樣頻率為800 K/s，保證采樣數(shù)據(jù)的精度和速度，其模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量程為-10～10 V。

2.4 電壓傳感器與電流互感器

電壓傳感器采用具有隔離功能的交流電壓傳感器，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量試驗(yàn)電路中的交流電壓，實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)電壓，電壓采樣高達(dá)1 500 V，輸出電壓最高為5 V，輸入輸出比為100∶1，精度等級(jí)為0.2 s，沖擊耐受電壓為2.5 kV，需要直流12 V供電，可實(shí)現(xiàn)高精度采樣，具有隔離功能，安全性高，抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快。電流互感器使用霍爾型電流互感器，額定電壓為500 V，額定頻率為50 Hz。根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)，電流傳感器有不同的變比可以選擇，有多個(gè)電流量程可以選擇，可以提高采樣精度，輸出電流為0～5 A。

控制電路原理圖如圖5所示，K1和K2分別控制接通Ue與1/6Ue。K1和K2互鎖，可以防止同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致電源短路。有些接觸器線圈是直流供電，所以增加整流橋提供直流電壓，提高設(shè)備的通用性。

控制器采用“西門子”CPU224，具有24個(gè)數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)，連接7個(gè)擴(kuò)展模塊后最多可達(dá)到168個(gè)數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)。該控制器存儲(chǔ)空間最高可達(dá)20 kB，試驗(yàn)用控制臺(tái)直接控制，通過(guò)控制臺(tái)可以設(shè)置試驗(yàn)工作次數(shù)、接通分?jǐn)鄷r(shí)間、功率因數(shù)等參數(shù)，多臺(tái)產(chǎn)品可同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，適用于交流接觸器批量試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

交流接觸器的基本參數(shù)主要包括額定工作電壓、額定工作電流、工頻耐受電壓、沖擊耐受電壓、線圈控制電壓、線圈額定電流、工作制、操作頻率、機(jī)械壽命和電壽命。其中，接觸器額定電壓的值應(yīng)該等于主觸點(diǎn)的額定工作電壓或負(fù)載的額定電壓，通常根據(jù)應(yīng)用的環(huán)境選擇。最大的導(dǎo)通電流是接觸器導(dǎo)通時(shí)能承受的最大電流，大于這個(gè)電流會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)熔焊。最大分?jǐn)嚯娏魇墙佑|器能不發(fā)生拉弧而分?jǐn)嗟淖畲箅娏鳎?dāng)大于最大分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)接觸器有可能發(fā)生拉弧甚至無(wú)法完成分?jǐn)?。線圈控制電壓是線圈正常工作時(shí)的額定電壓，有交流電壓和直流電壓，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的額定電壓值。接觸器工作制在前文已有介紹。操作頻率是每小時(shí)接觸器接通分?jǐn)嗟淖畲蟠螖?shù)，超過(guò)這個(gè)次數(shù)有可能導(dǎo)致接觸器損壞。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14048.4—2020中推薦了接觸器機(jī)械壽命次數(shù)，生產(chǎn)研制接觸器時(shí)可以根據(jù)這個(gè)參數(shù)優(yōu)選值設(shè)定，即0.1萬(wàn)次、0.3萬(wàn)次、1萬(wàn)次、3萬(wàn)次、10萬(wàn)次、30萬(wàn)次、100萬(wàn)次、300萬(wàn)次、1 000萬(wàn)次，接觸器的電壽命由制造商設(shè)定，一般值是機(jī)械壽命的1%～10%[2];試驗(yàn)檢驗(yàn)方法由單八制和雙三制，單八制試驗(yàn)是8臺(tái)接觸器同時(shí)試驗(yàn)，不做修理直接按電壽命次數(shù)工作。如果合格產(chǎn)品大于6臺(tái)，就能認(rèn)定產(chǎn)品是符合要求的。雙三制試驗(yàn)是3臺(tái)接觸器同時(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)中不做修理直接按次數(shù)工作。若都沒有出現(xiàn)故障，則認(rèn)定產(chǎn)品是符合要求的，如果有1臺(tái)以上產(chǎn)品不合格，可判定產(chǎn)品不合格。如果其中1臺(tái)出現(xiàn)故障，則重新選3臺(tái)重復(fù)試驗(yàn)，若3臺(tái)全部正常，可判定產(chǎn)品合格。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中如果只出現(xiàn)2臺(tái)或2臺(tái)以上的故障產(chǎn)品，則判定產(chǎn)品不合格。

根據(jù)以上參數(shù)，本試驗(yàn)中選取的交流接觸器試品為“德力西”品牌，額定工作電壓為380 V，額定工作電流為25 A，線圈電壓為220 V，工作制為AC-3，標(biāo)稱電壽命為50萬(wàn)次，接通分?jǐn)囝l率為600次/h。

在接觸器的接通和分?jǐn)嘣囼?yàn)中，接通分?jǐn)嚯妷汉徒油ǚ謹(jǐn)嚯娏鞯牟ㄐ问侵匾脑囼?yàn)參數(shù)。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的要求與流程、數(shù)據(jù)處理與電源頻率、功率因數(shù)、燃弧時(shí)間等參數(shù)，是本試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，這些參數(shù)可以精確地反映被試品的狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了接觸器電壽命的概念及壽命試驗(yàn)的目的，查閱了低壓電器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14048.4，確定了試驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù)和條件。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，確定試驗(yàn)系統(tǒng)的供電電路、阻抗負(fù)載、萬(wàn)能式斷路器、真空接觸器、控制器、數(shù)據(jù)采集器和顯示裝置，研制出高性能的計(jì)算機(jī)控制的接觸器電壽命試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)可以進(jìn)行多種工作方式的電壽命試驗(yàn)，具有多個(gè)獨(dú)立的試驗(yàn)通道，每個(gè)通道可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)試品試驗(yàn);具有實(shí)時(shí)顯示接觸器接通、分?jǐn)嚯妷汉碗娏鞑ㄐ蔚墓δ?，可以讀取導(dǎo)通時(shí)間，根據(jù)波形判定是否存在拉弧或黏連等現(xiàn)象。該平臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際的低壓電器質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)工作中，顯著提高了接觸器的檢測(cè)能力和檢測(cè)水平，縮短了檢驗(yàn)檢測(cè)時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。對(duì)于客戶來(lái)說(shuō)，通過(guò)該平臺(tái)能夠詳細(xì)了解接觸器試驗(yàn)過(guò)程中的狀態(tài)和各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，對(duì)提高接觸器的產(chǎn)品質(zhì)量及后續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)有重要的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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