交流勵磁接觸器吸合動態過程的仿真研究

杜太行，王進立，孫小祿，李 娜，肖 娜

（河北工業大學 天津 300130）

隨著工業自動化水平的進一步提高，對接觸器產品的性能和壽命要求越來越高。交流接觸器在接通電路時，動觸頭與靜觸頭在達到穩定接觸前會產生彈跳，不僅影響系統的性能而且產生的電弧對觸頭的燒蝕作用會降低接觸器的電壽命，尤其是當接觸器用在AC3使用類別下，閉合的起動電流達到6倍的額定電流。因而，研究交流接觸器接通電路的整個動態過程，對于接觸器的優化設計和提高整體性能具有重要的意義和實用價值。

文中利用接觸器閉合過程的動態方程，通過LabVIEW軟件可視化的圖形編程語言和平臺，以在計算機屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規的傳統儀器面板建立了接觸器模型，對接觸器閉合動態過程進行了仿真分析；最后，基于建立的模型在不同線圈電壓和不同合閘相角情況下，仿真分析了其線圈電流、勵磁電壓、電磁系統吸反力及線圈得電后鐵心運動速度等因素，對接觸器的設計研究具有非常重要的意義。

1 動態過程

1.1 動作原理

文中的研究對象為一額定電壓為220 V，額定電流為100 A的交流接觸器；線圈通電以后，電磁系統產生電磁吸力fx，當fx大于反力彈簧C1的反力f1時，動鐵心和動觸頭開始運動。當動觸頭與靜觸頭碰撞時，動觸頭的動能部分損失在觸頭形變及觸頭彈簧的能量吸收上，剩余部分的動能使動觸頭向相反方向運動。同時，動鐵心繼續向前運動。動觸頭的反方向運動和動鐵心的向前運動，再加上主觸頭彈簧的預壓縮彈簧力，均影響動觸頭的反向運動，動觸頭由碰撞后的反方向運動逐漸變為向前運動，再碰撞、再彈開，直到彈跳停止為止（所謂一次彈跳）。

和觸頭碰撞類似，在動鐵心和靜鐵心的碰撞中，鐵心形變和消振裝置（消振墊片等）的作用消耗了動鐵心的部分動能，剩余部分的動能驅動動鐵心向相反方向運動。這時，當電磁吸力大于作用在鐵心上的總反向力之和時，動靜鐵心不分離；當電磁吸力小于總反方向力之和時，動靜鐵心分離。當動觸頭反方向運動的位移大于主觸頭的超程時，已經閉合的主觸頭又重新打開，電弧燃燒（所謂二次彈跳）。

1.2 動態方程

當電磁線圈剛激磁時，產生的電磁吸力不足以超過動鐵心所受的反力，在這段過程動鐵心處于靜止狀態。隨著電磁線圈電流以及磁鏈的增加，電磁吸力逐漸增加直至超過動鐵心所受反力，此時動鐵心開始運動。根據電壓平衡方程以及達朗貝爾運動方程，此時交流接觸器電磁機構吸合過程動態方程組應為:

2 模型分析及方法

一般來說，交流接觸器吸合過程的動態特性包括交流接觸器吸合過程的線圈電流—時間特性i=f（t）、電磁吸力—時間特性 Fx=f（t）、動鐵心—位移時間特性 x=f（t）以及動鐵心速度—時間特性v=f（t）。交流接觸器吸合過程的動態特性的計算就是通過建立適當的吸合過程動態微分方程來求解吸合過程的動態特性。

接觸器勵磁線圈電壓平衡方程為：

其中U為外加的勵磁電壓；R為勵磁回路的電阻；ψ為磁鏈；i為勵磁電流。ψ為氣隙δ與電流i的函數，可以表示為公式：

K0、K1為常數，而 j（i）可以用公式（5）進行擬合。

其中A，B，C為擬合參數。擬合曲線為：

圖1 擬合后的勵磁電流特性曲線Fig.1 Curve of current characteristic after fitting

將公式（7）代入公式（2）可得

從公式（5）可以求得：

因為 F=K2ψ2，設接觸器的反力為 P=P（δ），則鐵心運動時的加速度表示為：

根據以上特性關系式建立接觸器模型，LabVIEW后面板是程序框圖結構，前面板是可視化界面可以清晰的觀察到接觸器閉合的動態狀態，并且在界面上以特性曲線的方式表示出了線圈電流、鐵心運動間距、鐵心運動速度、勵磁電壓以及鐵心運動時所受的反力等特性在接觸器閉合的動態過程當中變化規律，對研究接觸器的動態過程有很大的實用價值。

3 仿真分析及討論

3.1 不同線圈電壓下的仿真分析

國標14048.4-93中規定了，75%～110%的額定電壓下，AC接觸器的動作電磁鐵應該能夠可靠閉合。利用本文第2節中所述的方法，對接觸器閉合的動態過程進行了仿真；當線圈電壓為220 V的時候，接觸器鐵心及觸頭完全閉合瞬間及其特性曲線如圖2所示。

圖2 閉合特性曲線Fig.2 Curve of closing characteristic

運行模型以后可以分析得出，隨著電壓從0 V開始逐漸增大，銜鐵向下運動的趨勢越來越明顯；剛開始的時候銜鐵和動觸頭不會有任何動作，當電壓達到一定的值時銜鐵開始運動并且有帶動觸頭運動的趨勢，但是銜鐵與觸頭并不能完全閉合，動鐵心在與靜鐵心接觸以后會分開，這是因為線圈電壓達不到額定電壓造成接觸器不能完全可靠的閉合。可以看到仿真結果如圖3所示。

圖3 電壓為50 V時短暫閉合的情況Fig.3 Curve for 50 V voltage of closing characteristic

圖4 電壓為50 V時Fig.4 Cure for 50 V voltage of closing characterisitc

當線圈電壓為50 V時，由圖3和圖4比較根據時間軸的顯示可以看到，在50 ms時銜鐵首先和靜鐵心接觸并且帶動動觸頭與靜觸頭閉合，但是稍后的一段時間大約到70 ms以后它們就會分開并不能達到完全的閉合。比較圖2和圖3，當鐵心間距與鐵心速度為零的瞬間可以看出，線圈電壓在220 V時接觸器閉合的時間比線圈電壓在50 V時閉合所需的時間遠遠要小，并且在220 V時接觸器閉合后不會再分開能達到完全可靠的閉合狀態。

由此從模型的仿真結果可以得出結論：隨著電壓的升高，接觸器銜鐵和觸頭的運動的狀態隨時在發生變化，銜鐵運動的速度也越來越大，因此其閉合所需的時間也大大的減小；接觸器在閉合的瞬間會產生觸頭彈跳的情況，吸力與反力合理的配合可以減弱觸頭彈跳，而且在吸反力配合的研究上，弄懂銜鐵的運動狀態及其特性變化是很重要的一方面，另外不同勵磁電壓與其施加方式對如何減小觸頭彈跳都有很大的研究價值。

3.2 合閘相角對閉合過程的影響

圖5所示為線圈電壓為220 V，接觸器閉合時不同合閘相角所對應的時間軸曲線；第一個時間軸是合閘相角為30°時接觸器從通電到閉合所需的時間，下面的時間軸是同等條件下合閘相角為120°時接觸器閉合所需的時間。

圖5 不同合閘相角下的閉合情況Fig.5 Closing characterisitic of different closing phase

由圖可見鐵心速度與鐵心間距為零瞬間時合閘相角為30°時觸頭閉合時間最短，只需約19.5 ms；合閘相角為120°時觸頭閉合時間最長，需要27.5 ms才能閉合，閉合時間相差了約 8ms。

4 結束語

文中以交流接觸器的動態過程為研究重點，應用LabVIEW軟件建立了接觸器和電磁機構的模型，研究其動態過程的變化并且仿真分析了一系列動態過程中的參數，對研究接觸器閉合過程的彈跳情況及智能化控制具有指導意義。

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