双线圈单极智能交流接触器的实现及动态测试与分析

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(福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 350002)

1 引言

单极交流接触器在空调、照明、焊机、电动机能耗制动等单相负荷电路中有着广泛的应用[1]。在利用三个单极接触器构成组合式三相智能接触器实现三相触头系统的零电流分断控制时，单极接触器的性能也起着关键性的影响。然而，交流接触器在运行过程中开断电路时相位是随机的，在此过程中接触器的触头之间将产生强烈的电弧，会导致触头磨损和触头熔焊，是影响接触器电寿命、通断能力以及运行可靠性和各项性能指标的主要原因[2]。“零电压吸合，零电流分断”是开关电器工作的理想状态，理论上，如果触头在电流零点断开，并以极高的速度拉开到足以承受恢复电压而不发生间隙击穿的距离，则电弧不再产生[3]。然而，交流接触器目前的分闸主要靠弹簧的弹力，这使得分闸时速度慢且在短时间内对动触头施加足够的动能，加速触头的运动，变得比较困难，因此，将单极交流接触器改造为双线圈结构，使其拥有电磁反力，并将其运用于分闸中，便可在不影响合闸过程的前提下，加快单极交流接触器的分闸速度，更有利于快速选相合闸、低压无声节电吸持和微电弧能量分断。

接触器分断过程是一个涉及多种能量转换的复杂的，非线性的动态过程[4]，仅仅依靠理论分析和数值计算无法可靠地对其动态过程进行分析，利用基于单目视觉技术的智能交流接触器三维动态特性测试与分析技术对其进行实际测试就显得十分必要[5]。

2 双线圈单极智能交流接触器的实现

双线圈智能交流接触器系统机械系统和电控系统两个部分。

2.1 机械系统

如图1所示，机械系统包括：无剩磁材料的动静铁心、反力弹簧、触头弹簧、主辅线圈、塑壳以及动静触头部件等。

图1 双线圈单极智能交流接触器机构示意图

2.2 电控系统

如图2所示，电控系统包括： 控制中枢模块(以stm32单片机为核心，包括电路过零检测模块等)、高压脉动直流强激磁合闸/分闸控制模块、直流低压吸持控制模块以及运行指示模块等。

图2 双线圈单极智能交流接触器控制流程图

双线圈单极智能交流接触器系统的控制策略如图3的流程图所示，电源上电以后，按下启动键。系统通过采样电路，对电源电压进行过零点检测，如果达到零点，则系统根据选定的合闸相角，在对应的时间通过控制回路1和控制回路2分别控制强激磁起动元件1和吸持元件开关打开，此时单相电源电压经过整流回路1以后，直接施加在智能接触器主线圈上(吸合过程辅助线圈不通电，此时，由于只有主线圈通电，将会产生电磁吸力而不会产生电磁斥力)，使接触器在直流强激磁方式下可靠吸合。当吸合过程完成以后，单片机系统通过控制回路1切断强激磁起动元件1，使智能接触器的主线圈断开强激磁，接触器转入低压保持阶段。此时实现由一个低电压、小电流的直流稳压电源提供接触器吸持磁势，实现节能无声运行。单片机系统在接到分断信号以后，对触头系统的电流经行过零点检测，如果接收到过零点信号，通过整流回路1开启强激磁起动元件1，单相电源电压经过整流模块1以后，直接施加在智能接触器主线圈上，同时通过控制回路2开启强激磁起动元件2，单相电源电压经过整流回路2以后，直接施加在智能接触器辅助线圈上，由于主辅线圈流过等量的方向相反的电流，使得主副线圈产生方向不同的磁场，在两铁心的工作磁路及工作气隙中，磁通等量反向，不呈现磁力，而在非工作气隙中，较强的漏磁通表现为螺线管磁场特征，即在两铁心中呈现相斥的磁力，这就是双线圈单极智能交流接触器的可控电磁反力的产生过程，即利用同极磁场间产生斥力使接触器进行分闸。这样即可实现接触器的微电弧能量分断。

图3 双线圈单极智能交流接触器工作流程图

双线圈单极智能交流接触器系统的控制特点为：

(1)高压脉动直流强激磁实现快速、稳定吸合；

(2)低压直流节能无声吸持；

(3)双线圈产生的电磁反力实现快速微电弧能量分断。

3 基于高速摄像机的双线圈单极智能交流接触器三维动态特性测试装置

双线圈单极智能交流接触器三维动态过程测试装置的原理图如图4所示。整个测试模块主要由PC1200高速摄像机模块、电流采集模块、PC机上位机可视化人机界面组成[6-9]。

PC1200S高速摄像机模块：该模块自带的CamWWare图像接口软件，可以控制每一个摄像机参数或设置，在光源充足的条件下，最高图像拍摄速率可达320000FPS。

USB7325高速光电隔离型模入数据采集模块：适用于提供了USB 接口的PC系列微机以及专业数据采集分析系统LabVIEW 等软件环境，最多可以8路双端(16路单端)并行采集，总采样率最高可达100KS/s。

系统上位机主要应用IPP图像处理软件和Matlab数据处理软件对测试数据进行后续的处理和分析。

图4 测试装置控制原理图

4 双线圈单极智能交流接触器三维动态特性测试与分析

3.1 合闸过程分析

图5所示为双线圈单极智能交流接触器在合闸相角θ=0°时的动态特性曲线，其中表示动铁心在X方向的位移信号，xc表示触头在X方向的位移信号，i表示电流信号，u表示电压信号，v表示动铁心运动速度信号。双线圈单极智能交流接触器在合闸相角下的触动时间为t1,约5.0mm；在动铁心触动之前，可以认为;t1之后，吸力大于反力，机构开始运动，气隙逐渐减小，速度v逐渐增大。在合闸的过程中，由于机构本身的间隙和误差导致铁心和触头的运动曲线有细微的偏差；铁心平稳运行，直至到达刚合点时，由于缓冲垫片的存在，铁心还将继续往下运动，但速度大幅减小。在t2时刻(约19.2ms),其位移量达到最大，铁心开始反弹，速度反向增大，之后呈现减幅震荡运动，直至稳定。

图5 合闸相角0°下双线圈单极智能交流接触器的动态特性曲线

图6所示为双线圈单极智能交流接触器在合闸相角θ=0°时铁心的三维运动曲线图，其中，x,y,z分别是铁心在三个方向上的位移信号。可以看出，随着强激磁产生的吸力带动铁心在X方向上吸合，在另外两个Y,Z方向上也有一定的摆动，加工、改造误差，装配误差等多种因素都会造成这种晃动。

图6 合闸相角0°下双线圈单极智能交流接触器铁心的三维运动曲图

4.2 分闸过程分析

图7所示为双线圈单极智能交流接触器在自然状态下(不施加电磁反力，仅依靠弹簧弹力)分断的动态特性图。图8所示为双线圈单极智能交流接触器在施加电磁反力的状态下分断的动态特性图。其中xc表示动铁心在X方向的位移信号，xc表示触头在X方向的位移信号，v表示动铁心运动速度信号。

图7 双线圈单极智能交流接触器在自然状态下分断的动态特性图

图8 双线圈单极智能交流接触器在施加电磁反力状态下分断的动态特性图

从图7和图8的对比中，不难发现，在施加了电磁

反力的情况下，由于分断合力更大，其分断速度也有了明显的增加，同时触头可以极快地拉开到足以承受恢复电压而不发生间隙击穿的更大距离，这有利于缩短燃弧时间，防止电弧复燃。

5 总结

本文采用了基于单目视觉技术的智能交流接触器三维动态特性测试与分析技术对改造后的双线圈单极智能交流接触器的动态过程进行了测试，对其合闸及分闸的测试数据进行分析，得出以下结论：

(1)双线圈单极智能交流接触器可以在强激磁产生的电磁力作用下，快速稳定合闸；

(2)双线圈单极智能交流接触器可以在直流低压电源下节能、无声吸持；

(3)双线圈单极智能交流接触器可以利用相反磁场产生的电磁反力，实现快速分闸，有利于微电弧能量分断；

(4)若要得到更好的动态特性，可以对触头的结构和制造精度，以及样机尺寸等进行适当的改进。本次测试与分析也为三相组合式交流接触器的设计奠定了基础。

[1] 袁晓琴,高平.浅谈交流接触器的结构、应用及其发展[J].电气制造,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] 许志红.电器理论基础[M].机械工业出版社,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] 黄航宇,陈德为.V极面智能交流接触器三维动态特性测试[J].电气开关,2015,53(4):12-14.

[6] 陈德为,张培铭.基于图像测量的智能交流接触器设计技术[J].中国电机工程学报,2009(36):108-112.

[7] 陈德为,张培铭.基于高速摄像机的智能交流接触器动态测试与分析技术[J].仪器仪表学报,2010,31(4):878-884.

[8] 陈德为，庄煜祺.基于单目视觉技术的智能交流接触器三维动态测试与分析技术[J].中国电机工程学报,2014,34(12):1931-1937.

[9] 陈德为，张培铭.采用高速摄像机的智能交流接触器控制及其测试装置的研制[J].电工电能新技术,2009,28(3):58-72.