V極面智能交流接觸器三維動態(tài)特性測試

黃航宇，陳德為，嚴俊奇，陳文桂

(福州大學機械工程及自動化學院，福建 福州 350002)

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V極面智能交流接觸器三維動態(tài)特性測試

黃航宇，陳德為，嚴俊奇，陳文桂

(福州大學機械工程及自動化學院，福建 福州 350002)

介紹了基于高速攝像機的V極面智能交流接觸器三維動態(tài)特性測試裝置。應用該裝置對不同合閘相角下的V極面智能交流接觸器動態(tài)過程進行全方位的測試，在大量測試數(shù)據(jù)的基礎上對V極面智能交流接觸器的動態(tài)特性進行深入分析，應用ANSYS軟件對V極面智能交流接觸器的吸力特性進行仿真計算，并與平極面智能交流接觸器進行分析比較，得出V極面智能交流接觸器性能的優(yōu)越性。

高速攝像機；V極面智能交流接觸器；動態(tài)特性

1 引言

智能交流接觸器是一種新型的智能化控制電器，采用三相觸頭不同步并配以智能化控制模塊的結構。智能交流接觸器采用直流啟動、直流吸持的工作狀態(tài)[1]。在電磁機構接通電源時經(jīng)歷一個合閘過程，動靜鐵心在電磁吸力的作用下完成閉合過程。這個過程所經(jīng)歷的電磁過程、發(fā)熱過程、機械過程等均是一個過渡過程，屬于動態(tài)過程[2]。眾所周知，電磁式接觸器為了適應頻繁操作的需要，動作時間很短，這就要求吸合的過程有較大的速度，但同時會引起碰撞能量的增加，從而對電器和機械壽命產(chǎn)生不利的影響。智能交流接觸器電磁系統(tǒng)的動態(tài)過程十分復雜，難以完全依靠理論分析和數(shù)值計算來分析，因此需要對智能交流接觸器的動態(tài)特性進行實際測試。

V極面(鐵心極面形狀由傳統(tǒng)的平極面改為V極面)智能交流接觸器三維動態(tài)特性測試若采用接觸式的測量，傳感器的安裝必然改變V極面智能交流接觸器本身運動部件的質量和機構參數(shù)，將對測試過程造成影響；若采用非接觸式的激光位移傳感器測量，由于V極面智能交流接觸器的三維動態(tài)特性測試需要同時測試動觸頭和鐵心的位移信號，多個傳感器的同步問題難以解決。本文采用基于高速攝像機的V極面智能交流接觸器三維動態(tài)特性測試裝置，是一種高精度、高動態(tài)響應的非接觸式測量。高速攝像機相對于傳感器具有不影響V極面智能交流接觸器本體的優(yōu)點，同步問題也得到了保證。

2 基于高速攝像機的V極面智能交流接觸器的三維動態(tài)特性測試裝置

V極面智能交流接觸器三維動態(tài)過程測試裝置原理圖如圖1所示。整個測試系統(tǒng)主要由PCO1200S高速攝像機模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電流傳感器模塊、STC單片機中央控制模塊、強激磁吸合和低壓保持回路以及可視化人機界面等組成。

PCO1200S高速攝像機模塊：自帶圖像接口軟件，負責控制相機拍攝，可以調(diào)整拍攝幀數(shù)，每幀圖像上能實時顯示時標，有利于后續(xù)處理，最高圖像拍攝速率可達320000fps。

USB-Ver1.0數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)USB可直接對它供電，無須外部另外添加。該數(shù)據(jù)采集卡共四路輸入，四路可并行采集，每一路最高采樣率可達到20kS/s。

STC單片機模塊：具備過零檢測、選相合閘、低壓保持和分閘的功能。整個控制系統(tǒng)在單片機的控制下實現(xiàn)不同合閘相角下的脈動直流強激磁可靠吸合和低壓吸持的節(jié)能無聲運行等功能。

圖1 測試裝置控制原理圖

3 V極面智能交流接觸器動態(tài)過程測試

本文采用基于高速攝像機的V極面智能交流接觸器三維動態(tài)測試裝置對V極面智能交流接觸器的動態(tài)特性進行全方位大量的測試。

圖2為基于CJ20-100型的V極面智能交流接觸器在30°合閘相角下吸合過程動態(tài)特性的測試波形。已知電壓平衡方程可寫為U=iR+L(di/dt)+iv(dL/dx)，在銜鐵未觸動之前認為iv(xL/dx)=0，V極面智能交流接觸器在30°合閘相角下的觸動時間為圖2的ab段，約2.2ms；在bc段吸力大于反力，機構開始運動，氣隙開始逐漸減小，速度v逐漸增大，這個過程產(chǎn)生反電動勢，由于運動速度比較小，所以運行反電動勢比較小，電流呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律增長；cd段隨著速度增大，根據(jù)電壓平衡方程可知運動反電動勢的作用開始顯著起來，導致電流開始下降；鐵心在d點處開始閉合，此時iv(dL/dx)又變?yōu)?，由于此時關閉強激磁回路使得電流不再上升。另外，首開相和非首開相動觸頭分別在剛閉合的時候由于碰撞回彈而產(chǎn)生大幅度彈跳，之后在觸頭的超程運動過程中，鐵心閉合碰撞引起的彈跳導致彈簧的約束力反力減小，導致首開相和非首開相觸頭產(chǎn)生二次彈跳，這些都是影響V極面智能交流接觸器壽命的重要因素。利用ANSYS軟件分析30°合閘相角下平極面和V極面智能交流接觸器的吸力特性，得到的曲線如圖3所示。同時根據(jù)仿真得知V極面鐵心的磁場強度的方向也是垂直于極面，顯然對工作氣隙的有效路徑變小了，但是力微元的方向也發(fā)生了改變。使V極面智能交流接觸器在工作氣隙縮小至約3mm之前具有更大的平均吸力；后半段的吸力大幅度減少，使得V極面智能交流接觸器在吸合過程中積蓄的能量較小(即吸力曲線、機構反力和Y軸所圍成的面積大小)，從而讓V極面智能交流接觸器的鐵心在閉合的瞬間具有較小的碰撞初速度，減小了彈跳。盡管吸合過程所積蓄的能量變小了，但整個吸合過程所用的時間僅有13ms左右，相對于平極面型15ms[3]左右的吸合時間得到一定程度的縮短。總體上做到吸合時間短，碰撞彈跳小，同等情況下可以適當加大彈簧剛度以達到更快速分斷。

圖2 30°合閘相角下V極面智能交流接觸器Y方向吸合過程動態(tài)特性測試波形

圖3 30°合閘相角下V極面智能交流接觸器吸反力特性

4 V極面智能交流接觸器三維動態(tài)特性

V極面智能交流接觸器在30°合閘相角下X(三相觸頭的連線方向)和Z(垂直于X和吸合運動方向)方向的位移信號如圖4 所示，圖4為觸動以后的曲線。x1、z1分別表示鐵心在X和Z方向的位移信號；x2、z2分別表示首開相觸頭在X和Z方向的位移信號；x3、z3分別表示非首開相觸頭在X和Z方向的位移信號。隨著鐵心和觸頭在Y方向的吸合運動，導致不僅沿著X方向左右運動，而且還沿著Z方向前后搖晃。由x3曲線可以看出非首開相觸頭(A、C相)在吸合過程中的抖動中心是偏向首開相觸頭(B相)的位置，即在吸合的過程中兩側的觸頭呈現(xiàn)靠攏的現(xiàn)象。

根據(jù)大量的測試與分析，V極面智能交流接觸器機構的動作過程是極其復雜的，造成x和z方向抖動的因素有很多，比如加工誤差、裝配誤差以及電磁機構每次吸合過程的不一致。盡管如此，機構在吸合的過程是鐵心的運動帶動觸頭的運動，從數(shù)理統(tǒng)計角度而言，其運動規(guī)律是可尋的，所以能夠真實地反應出V極面智能交流接觸器的三維動態(tài)特性。

圖4 吸合過程X跟Z方向的運動軌跡

5 總結

本文采用基于高速攝像機的V極面智能交流接觸器三維動態(tài)特性測試裝置對V極面智能交流接觸器的動態(tài)過程進行測試。根據(jù)大量的測試、分析與仿真，對V極面智能交流接觸器的鐵心、首開相觸頭、非首開相觸頭進行深入分析，最后得到以下結論：

(1)V極面智能交流接觸器從線圈上電到鐵心閉合過程所用的時間更短，即吸合時間短；

(2)V極面智能交流接觸器前半段行程具有更大的吸力，使得觸動時間更短，即響應速度快；盡管V極面智能交流接觸器后半段行程具有稍小的吸力，但并不影響吸合時間短的特點；

(3)從功能關系的角度分析，V極面智能交流接觸器鐵心閉合的瞬間具有更小的動能，閉合過程更具有軟著陸的效果，從而也能相應減小鐵心和觸頭的彈跳；

(4)V極面智能交流接觸器若要達到同等平極面智能交流接觸器的動態(tài)指標，可以做到適當提高彈簧的剛度(提高分斷過程的速度)、減少鐵心材料和減少線圈圈數(shù)等優(yōu)點。該測試技術與分析方法為虛擬樣機的優(yōu)化設計奠定基礎。

[1] 許志紅,張培銘.智能交流接觸器全過程動態(tài)優(yōu)化設計[J].中國電機工程學報,2005,25(17):156-161.

[2] 費鴻俊,張冠生.電磁機構動態(tài)分析與計算[M].北京:機械工業(yè)出版社,1993.

[3] 陳德為,張培銘.基于高速攝像機的智能交 流接觸器動態(tài)測試與分析技術[J].儀器儀表學報,2010,31(4):878-884.

[4] 張娟,潘建壽,吳亞鵬,等.基于雙目視覺的運動目標跟蹤與測量[J].計算機工程與應用,2009,45(25):191-194.

[5] 陳德為,張培銘.基于圖像測量的智能交流接觸器設計技術[J].中國電機工程學報,2009,29(36):108-112.

Three-dimensional Dynamic Characteristics Testing for V Pole Face Intelligent AC Contactor

HUANGHang-yu，CHENDe-wei，YANJun-qi，CHENWen-gui

(Mechanical Engineering Institute of Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350002，China)

Introduced the three dynamic characteristics testing device of a V pole face intelligent AC contactor which was based on a high-speed camera.Applied the device to test comprehensive dynamic processes of the V pole face intelligent AC contactor under different closing phase angle，the in-depth analysis on the dynamic characteristics of V pole face of intelligent AC contactor was based on a large number of testing data.Application of ANSYS software to simulate the suction of the V pole face intelligent AC contactor and then analyzed with the flat pole face intelligent AC contactor,the superiority of the V pole face intelligent AC contactor was cocluded.

high-speed camera；V pole face intelligent AC contactor；dynamic characteristic

1004-289X(2015)04-0012-03

福建省自然科學基金資助項目(2011J01300)

TM572

B

2015-05-11

黃航宇(1989- ),男,在讀研究生,研究方向:機電系統(tǒng)控制設計; 陳德為(1962- ),男,教授,博士,研究方向:測控技術與儀器; 嚴俊奇(1990- ),男,在讀研究生,研究方向:機電系統(tǒng)控制設計; 陳文桂(1989- ),男,在讀研究生,研究方向:機電系統(tǒng)控制設計。