基于激光位移器的交流接觸器動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析

周 亮，吳桂初，謝文彬

(溫州大學(xué)浙江省低壓電器智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州 325035)

基于激光位移器的交流接觸器動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析

周 亮，吳桂初?，謝文彬

(溫州大學(xué)浙江省低壓電器智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州 325035)

通過分析接觸器的動(dòng)態(tài)過程建立數(shù)學(xué)模型．針對(duì)接觸器動(dòng)態(tài)過程的研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于激光位移器的交流接觸器動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)．該系統(tǒng)能對(duì)接觸器動(dòng)態(tài)過程的位移、速度、彈跳和電壓等參量進(jìn)行同步采集，具有高速和高精度等特點(diǎn)．通過該動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)可得到合閘相角、輸入電壓與接觸器動(dòng)態(tài)過程的關(guān)系，為優(yōu)化接觸器動(dòng)態(tài)過程提供依據(jù)，可以減小合閘末速度，減少觸頭彈跳，提高接觸器工作性能，延長(zhǎng)其使用壽命．

交流接觸器；動(dòng)態(tài)過程；激光位移器；動(dòng)態(tài)測(cè)試

交流接觸器是一種重要的低壓電器，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，其數(shù)量巨大，市場(chǎng)保有量數(shù)以億計(jì)[1-2]．隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，接觸器的需求量不斷增加，對(duì)接觸器工作性能和使用壽命的要求也在不斷提高．動(dòng)態(tài)特性反映了接觸器工作過程變化情況，是提高接觸器工作性能和使用壽命的關(guān)鍵指標(biāo)[3-4]，因此，對(duì)接觸器動(dòng)態(tài)特性的研究也越來(lái)越多．目前，對(duì)接觸器動(dòng)態(tài)特性的研究主要有動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算和仿真分析等，數(shù)學(xué)模型與仿真結(jié)果能否真實(shí)地反映接觸器復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證與分析[5-6]．在實(shí)驗(yàn)研究中，接觸器動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置性能是接觸器動(dòng)態(tài)過程測(cè)試的關(guān)鍵．為此，本文給出一種基于激光位移器的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有精度高、速度快、同步性好等特點(diǎn)，通過該動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)可得到合閘相角、輸入電壓與接觸器動(dòng)態(tài)過程的關(guān)系，這有利于接觸器的優(yōu)化設(shè)計(jì)．

1 交流接觸器的動(dòng)態(tài)過程

交流接觸器是一種電磁式電器，由電磁機(jī)構(gòu)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成（見圖1）．接觸器動(dòng)態(tài)過程主要包括吸合過程與釋放過程．交電流通過線圈，電磁機(jī)構(gòu)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在電磁場(chǎng)作用下，接觸器動(dòng)鐵心受到一個(gè)向下的電磁力，當(dāng)電磁力大于反力時(shí)，動(dòng)鐵心向下運(yùn)動(dòng)，接觸器開始吸合，當(dāng)接觸器的主觸頭閉合，主回路通路，動(dòng)鐵心受到電磁力繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)動(dòng)鐵心與銜鐵碰撞，可靠閉合后，接觸器進(jìn)入吸合保持階段．當(dāng)控制回路交流電斷開，電磁吸力迅速降為零，動(dòng)鐵心和觸頭在反力的作用下開始向上運(yùn)動(dòng)，接觸器進(jìn)入釋放過程．本文主要對(duì)接觸器吸合過程進(jìn)行研究．根據(jù)電壓平衡方程、達(dá)朗貝爾運(yùn)動(dòng)方程及麥克斯韋方程，得到接觸器吸合過程的方程組：

其中，Ψ為磁路中的磁鏈，Um為電源電壓幅值，φ為電源電壓角頻率，ω為初相角，i為線圈電流，R為電阻，F(xiàn)x為電磁吸力，F(xiàn)f為反力，v為鐵心速度，x為位移．

分析式（1）可知，在接觸器吸合過程中，鐵心位移、輸入電壓與電流不斷變化，電磁耦合，使得吸合方程組無(wú)法得到確切的解析解，需要通過離散解建立網(wǎng)格并仿真計(jì)算得到．但建立仿真時(shí)間較長(zhǎng)，且仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性需要接觸器動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．由此可見，設(shè)計(jì)一個(gè)具有高速、高精度、同步數(shù)據(jù)采集的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于接觸器動(dòng)態(tài)過程的研究至關(guān)重要．

圖1 交流接觸器結(jié)構(gòu)圖

2 基于激光位移器的接觸器動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)

基于激光位移器的接觸器動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)是集激光位移傳感、觸頭彈跳、電壓及電流測(cè)試為一體的同步動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)．本系統(tǒng)采用LK-G500系列激光位移傳感器同步測(cè)試交流接觸器吸合和釋放過程的觸頭和鐵心的位移、速度及加速度變化情況．接觸器的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)框圖見圖2．整個(gè)系統(tǒng)主要由接觸器樣機(jī)、測(cè)試裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機(jī)、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)系統(tǒng)等構(gòu)成．通過系統(tǒng)可同步測(cè)試接觸器的觸頭和鐵心的位移和速度、觸頭彈跳、線圈電壓和電流．下面介紹各個(gè)模塊的功能及原理.

圖2 接觸器動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)框圖

2.1 激光位移測(cè)試裝置

激光位移測(cè)試裝置采用LK-G500系列激光位移傳感器對(duì)接觸器觸頭和動(dòng)鐵心的位移變化進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過信號(hào)調(diào)理與運(yùn)算單元對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、轉(zhuǎn)化與運(yùn)算，其中，運(yùn)算主要是對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行歸一化及微分計(jì)算，得到相應(yīng)的速度和加速度信號(hào)．LK-G500系列激光位移傳感器是一種基于激光三角測(cè)試法的位移測(cè)試裝置，通過檢測(cè)RS-CMOS反射光的位置變化來(lái)測(cè)量目標(biāo)物體的位移變化，測(cè)試原理見圖3．

激光位移傳感器在測(cè)試位移過程中，通過線性準(zhǔn)直物鏡聚焦光點(diǎn)，同時(shí)消除不規(guī)則的光束，使光點(diǎn)大小始終不變，由圓柱形物鏡形成十分規(guī)則的橢圓形光點(diǎn)，在整個(gè)測(cè)量范圍，使光點(diǎn)的寬度始終保持不變，這對(duì)精確測(cè)量粗糙物體具有重要作用．HDE物鏡和Delta cut技術(shù)將光點(diǎn)畸變對(duì)測(cè)試的影響降到最小，使光點(diǎn)保持對(duì)稱，實(shí)現(xiàn)0.02%的F.S線性．采用RS-CMOS技術(shù)將CMOS中的像素寬度和像素?cái)?shù)翻倍，實(shí)現(xiàn)了極高的精確度，因此，激光位移傳感器具有高速、高重復(fù)精度等特點(diǎn)．ABLE（動(dòng)態(tài)平衡激光控制引擎）通過平衡放光時(shí)間、激光功率和增益智能優(yōu)化RS-COMS功能，使發(fā)光時(shí)間的分辨率得到進(jìn)一步改進(jìn)，光量調(diào)整更為敏感，這使得傳感器具備了高速追蹤能力．接觸器吸合過程吸合時(shí)間短、鐵心運(yùn)動(dòng)速度快，激光位移傳感器高速、高精度的特點(diǎn)對(duì)交流接觸器動(dòng)態(tài)特性的研究具有重要意義．通過上位機(jī)軟件可方便地對(duì)采樣頻率、轉(zhuǎn)換倍率及信號(hào)運(yùn)算進(jìn)行設(shè)置，這使系統(tǒng)的可操作性得到了提高．

圖3 激光位移傳感器測(cè)試原理圖

圖4 彈跳測(cè)試原理圖

2.2 觸頭彈跳測(cè)試裝置

觸頭彈跳測(cè)試原理見圖4．在觸頭兩端建立一個(gè)直流回路，通過測(cè)試回路中電阻兩端的電壓變化來(lái)反映接觸器在合閘過程中的彈跳情況．當(dāng)觸頭斷開時(shí)，電阻兩端電壓為0 V；當(dāng)觸頭閉合后，形成一個(gè)直流回路，電阻兩端電壓等于電源電壓．

2.3 電參量測(cè)量裝置

電參量測(cè)量裝置主要由互感器、調(diào)理與隔離保護(hù)電路構(gòu)成．圖5和圖6分別給出了線圈電壓與線圈電流的測(cè)試電路．

圖5 電壓測(cè)試電路圖

圖6 電流測(cè)試電路圖

圖5中，采用電流型電壓互感器對(duì)線圈輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換．電流型電壓互感器的輸入與輸出端電流大小相等，通過Ri將輸入電壓變化轉(zhuǎn)換為電流變化，與運(yùn)放、R1、R2、R3構(gòu)成電壓倍率轉(zhuǎn)換電路．同理，在圖6中，R1、R2和R3將電流變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，通過微調(diào)R2的值補(bǔ)償溫度變化的影響．通過C2與r來(lái)實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償．R4為輸出電阻，與C1、C3構(gòu)成信號(hào)濾波電路，抑制噪聲干擾；D1和D2是兩個(gè)對(duì)稱連接的穩(wěn)壓二極管，起過壓保護(hù)的作用．

2.4 數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與顯示系統(tǒng)

采用NI同步數(shù)據(jù)采集卡對(duì)多路數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集，并通過PC機(jī)建立一個(gè)基于labview的接觸器同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)接觸器的動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、處理與顯示．圖7給出了CJ40-315交流接觸器吸合動(dòng)態(tài)過程的測(cè)試結(jié)果（輸入電壓為380 V）．

圖7 接觸器動(dòng)態(tài)過程測(cè)試圖

3 接觸器吸合過程的測(cè)試與分析

3.1 不同合閘相角下動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試與分析

本節(jié)將通過基于激光位移器的交流接觸器動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置來(lái)研究不同相位下交流接觸器的動(dòng)態(tài)特性．通過分析接觸器動(dòng)態(tài)特性方程組可知，不同的合閘相角可使線圈輸入電流的變化規(guī)律發(fā)生變化，從而導(dǎo)致吸合過程動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化．下面通過實(shí)驗(yàn)來(lái)研究合閘相角與鐵心合閘末速度的關(guān)系．以CJ40-500接觸器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過合閘相角控制裝置控制使接觸器在設(shè)定的相角下合閘，以0°、30°、60°、90°、120°、150°的合閘相角進(jìn)行分組，每組進(jìn)行10次，實(shí)驗(yàn)后取平均值．圖8和圖9給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果．

圖8 合閘相角與末速度

圖9 合閘相角與彈跳時(shí)間

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，合閘相角為0° – 30°時(shí)，合閘末速度較大，彈跳時(shí)間長(zhǎng)；合閘相角為90° – 150°時(shí)，合閘末速度較小，彈跳時(shí)間短。由此可見，選擇適當(dāng)?shù)南嘟呛祥l能降低合閘末速度，減小彈跳，提高接觸器機(jī)械壽命和電壽命．

3.2 不同電壓下的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與分析

以額定電壓為380V的CJ40-500接觸器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以輸入電壓340 V、350 V、360 V、370 V、380 V、390 V、400 V、410 V、420 V進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，每組10次，實(shí)驗(yàn)取平均值．圖10和圖11給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果．由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，適當(dāng)降低輸入電壓能有效降低合閘末速度，減小觸頭彈跳．

圖10 輸入電壓與末速度

圖11 輸入電壓與彈跳時(shí)間

4 結(jié) 論

本文給出的基于激光位移器的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)能高速、高精度地同步采集接觸器動(dòng)態(tài)過程的位移、速度、電流和電壓等參數(shù)，準(zhǔn)確地反映接觸器的動(dòng)態(tài)過程．同時(shí)，通過該研究還得到了合閘相角、輸入電壓與動(dòng)態(tài)過程的關(guān)系，為優(yōu)化接觸器動(dòng)態(tài)過程及接觸器智能化研究提供了科學(xué)依據(jù)．

[1] 陳德桂. 低壓電器智能化的新技術(shù)[J]. 低壓電器, 2008, (1): 1-5.

[2] 卜浩民. 交流接觸器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 低壓電器, 2011, (6): 1-5.

[3] 紐春萍, 陳德桂, 李興文, 等. 交流接觸器觸頭彈跳的仿真及影響因素[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2007, 22(5): 85-90.

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The Dynamic Testing and Analysis on Contactors Based on Laser Probing Displacement

ZHOU Liang, WU Guichu, XIE Wenbin
(The Key Laboratory of Low-Voltage Apparatus Intellectual Technology of Zhejiang, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

The mathematical model of the dynamic closing process is established by analyzing the dynamic process of contactors. A dynamic testing system of AC contactors based on Laser Probing Displacement Sensor is designed to study the dynamic process of contactors. The Parameters of contactors’ displacement, speed, current and voltage can be obtained simultaneously by this high-speed and high-precision testing system. The relation among closing phase angle，voltage and dynamic process of contactors can be obtained by this testing system as well to provide the basis for optimizing contactors’ dynamic process, thereby being able to reduce the end speed of closing armature, shorten contact bounce, improve the working performance of contactors, and prolong their working lives.

AC Contactor; Dynamic Process; Laser Probing Displacement Sensor; Dynamic Testing

TM572

A

1674-3563(2013)03-0032-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2013.03.006 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：王一芳)

2013-02-25

浙江省重大科技專項(xiàng)(2011C11086)；溫州市重大科技專項(xiàng)(G201000147)；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)(新苗人才計(jì)劃)(2012R424050)

周亮(1986- )，男，湖南永州人，碩士研究生，研究方向：電器智能化．? 通訊作者，wgc@wzu.edu.cn