電磁繼電器二次釋放機理分析及特征研究*

李文華 趙月山 趙正元 盧文將 鄭 杭 李 爽

1.省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點試驗室(河北工業大學)，天津 300130 2.河北省電磁場與電器可靠性重點試驗室(河北工業大學)，天津 300130 3.沈陽鐵路信號有限責任公司，沈陽 110000

電磁繼電器是電磁控制系統中的主要基礎安全器材之一，它的可靠性、安全性是保證各種自控設備正常使用的必要條件，直接影響著整個系統的運行可靠性[1]。電磁繼電器的應用范圍很廣，尤其是在航天領域和鐵路建設上，并且隨著航天和高鐵技術的發展，對繼電器的可靠性及其研究要求也越來越高[2-3]。

時間參數是反映電磁繼電器工作特性及可靠性的一項重要指標，故對其動態過程及其時間參數分析研究，可為繼電器的性能分析和壽命預測提供重要數據支持[4]。多年來，大量研究人員在這方面進行了研究，例如南航測試工程系的李永敏團隊，哈爾濱工業大學的翟國富等人，哈爾濱理工大學的楊少軍團隊等為電磁繼電器時間參數及動態特性測試提供了理論依據和試驗基礎[5-8]。

本文通過自主設計的電磁繼電器低電平運行測試設備控制系統實現對繼電器線圈的通斷電控制，使用PCI-1747和PCI-1716高速數據采集卡采集線圈電壓、線圈電流和觸點電壓等參數數據。通過上述控制系統對該型號電磁繼電器進行壽命試驗，在試驗過程中發現該型號電磁繼電器出現二次釋放過程，即電磁繼電器的動觸點與常開觸點完全斷開之前會有一次釋放過程，但這一次的釋放過程中的斷開并不完全，需銜鐵進一步地運動，才能帶動動觸點徹底與常開觸點斷開，稱此時銜鐵進一步的運動過程為二次釋放過程。參考相關文獻對此過程進行了分析研究[9]。

1 二次釋放波形特征分析

此電磁繼電器低電平運行測試設備控制系統在實際運行時存在著環境噪聲干擾，為了使后續的計算和分析更加準確，對采集到的波形數據進行濾波去噪是必要的。

1.1 小波去噪過程

在小波分析理論中，對含噪聲信號進行小波分解時，信號成分一般集中分布在較大的小波系數中[10]。經過測試并結合電磁繼電器波形數據的特點，發現采用閾值函數方法進行去噪，可以最大限度地減少去噪前后信號之間的誤差[11]。小波分解與重構過程如下：

1)對電磁繼電器的線圈電壓和觸點電壓進行采樣，得到其離散數據f(n)。對此數據進行小波變換。小波變換系數ωf(j,k)為：

(1)

式中，k為平移因子；j為分解尺度數；

2)選擇合適的db5小波基函數對數據f(n)進行小波分解。計算含噪信號f(n)的正交小波分解公式為：

(2)

式中，cj-1為近似小波系數；n是離散采樣點數；dj-1為細節小波系數；h*和g*是一組正交的鏡像濾波器組；

3)對含噪數據進行小波多尺度分解，保留全部的低頻小波系數，設定不同閾值處理高頻系數，處理后可得到各尺度的估計小波系數；

4)重構去噪后的數據估計值可以通過估計小波系數進行逆小波變換處理后得到。重構的小波系數如公式3所示：

(3)

將采集到的電磁繼電器波形數據通過小波閾值去噪得到包含更多有用信息的波形數據，小波去噪效果經信噪比、均方誤差和平滑度綜合驗證，去噪效果良好，達到了本文分析的精度[12]。

1.2 降噪后的電磁繼電器動態特性曲線特征

在試驗過程中，發現該型號電磁繼電器(為便于敘述，稱此型號繼電器為A型繼電器)的線圈電壓有類似線圈電流二次吸合的特征。采集得到的波形數據經小波閾值去噪之后，A型繼電器的線圈電壓波形及特征區域局部放大圖如圖2。

圖1 小波閾值去噪過程

圖2 A型繼電器線圈電壓波形及特征局部放大圖

其中時刻T1為A型繼電器線圈斷電起始時刻，時刻T2為A型繼電器二次釋放特征點時刻，時刻T3為A型繼電器線圈斷電完成時刻，V1為斷電時A型繼電器線圈反向電壓最大值，V2為A型繼電器二次釋放特征點電壓。

表1 A型繼電器特征點時刻及電壓數據

為確定該特點為A型繼電器獨有的特點，還是電磁繼電器的共有特點。繼續測試了其他多種類型的電磁繼電器，選取其中3種其他不同類型的電磁繼電器(本文稱這3種類型繼電器分別為B型、C型和D型)，這3種類型電磁繼電器的測試數據如圖3所示。

圖3 B、C、D 3種類型電磁繼電器釋放過程的線圈電壓波形及特征局部放大圖

根據以上測試結果，可知上述4種類型的電磁繼電器釋放過程中的線圈電壓普遍存在著類似的特征點，我們將此特征點時刻稱為二次釋放時刻。

2 繼電器二次釋放機理分析及其對繼電器動態性能的影響

繼電器的吸合及釋放過程被稱為繼電器的動態過程[8]。本文中針對電磁繼電器釋放過程中的動態特性進行了研究分析，利用電磁繼電器低電平運行設備對A型繼電器的一組轉換觸點的線圈電壓和觸點電壓數據進行實時高速采樣，采集到的波形數據經上述小波去噪后對其動態特性進行分析。

2.1 二次釋放其機理分析

本文研究電磁繼電器的二次釋放機理，根據A型繼電器的線圈電壓波形數據并結合電磁繼電器的工作原理分析二次釋放產生的原因。其線圈電壓波形圖如圖4所示，電磁繼電器電磁系統的工作原理示意圖如圖5所示[13]。

電磁繼電器釋放過程中的回路電壓等效方程式[14 ]為：

(4)

上式中，v表示銜鐵速度、i為線圈電流、L為線圈電感、x為銜鐵位移、r為回路等效電阻。

電磁繼電器二次釋放機理分析如下：

1)開釋過程：線圈斷電之后，線圈電感產生較大的反向電壓，此時磁導體處于飽和狀態，線圈開始按指數方式放電，感應電壓為負值，阻礙電流減小，如圖4中ab段；

2)釋放觸動階段：當線圈電流減小到一定時候，銜鐵吸力小于反力，銜鐵準備動作，如圖4中b點；所以反電動勢突然增大，此時的反電動勢是負方向的。但是此時銜鐵的速度很小，所以反電動勢增大的幅值也較小。與此同時由于簧片的彈性作用，動觸點與常開觸點并未分開，如圖4中bc段；

表2 B、C、D型繼電器特征點時刻及電壓數據

圖4 A型繼電器線圈電壓波形

圖5 電磁繼電器電磁系統的工作原理示意圖

4)二次釋放階段：銜鐵與鐵芯的間隙逐漸增大，此時線圈電流減小較快，銜鐵運動產生的反電動勢較小，所以反電動勢逐漸減小，但是不再按指數規律減小。隨著銜鐵的運動，銜鐵與鐵心的間隙逐漸增大，繼電器的動觸點與常開觸點開始斷開，如圖4中cd段。

2.2 二次釋放對繼電器釋放時間的影響

電磁繼電器由電磁系統和機械系統組成。線圈通電后產生的電流發生電磁效應帶動銜鐵運動，從而帶動觸點接觸[15]，而當線圈斷電后，動觸點與常開觸點分離，此時的銜鐵會二次釋放。本文主要研究的A型電磁繼電器線圈電壓和常開觸點電壓如圖6所示。

圖6 A型繼電器線圈電壓與常開觸點電壓波形

通過對上述4種型號繼電器的測試，分析得到其二次吸合時刻與常開觸點電壓上升時刻數據，如表3所示。

由表3可知，繼電器二次釋放時刻與常開觸點電壓上升時刻為同一時刻，即此時常開觸點與動觸點開始分離，也驗證了本文分析二次釋放機理的正確性。

表3 二次釋放時刻與常開觸點電壓上升時刻數據

為確定二次釋放過程對A型繼電器的影響，本文采用一些方法，希望能減弱繼電器的二次釋放現象，甚至消除二次釋放現象。采取處理方法之后，處理之后與處理之前繼電器的線圈電壓波形如圖7所示。

通過圖7處理之前與處理之后的電壓波形對比可知，A型繼電器的二次釋放現象有所改善。接下來，主要對A型繼電器進行測試，分析A型繼電器在不同工作電壓下二次釋放過程對繼電器的影響。分別用Ts表示釋放時間、T2s表示線圈斷電到二次釋放時刻的時間、Vc表示圖4中c點的電壓幅值、ΔVbc表示圖4中bc兩點之間的電壓差、ΔTs表示處理之后與處理之前的釋放時間差值。分析數據如表4所示：

圖7 處理之前和處理之后線圈電壓波形圖

表4 對A型繼電器的影響分析數據

由表中數據初步得知，A型繼電器二次釋放過程與其釋放時間有一定的聯系。為確定改善A型繼電器的二次釋放過程確實能減小其釋放時間，我們對另外3臺A型繼電器的相關參數進行了測試，得到的結果如表5所示：

通過表4和表5中的數據，可以得知：改善繼電器二次釋放過程，繼電器的ΔVbc幾乎減小為0，即二次釋放時電壓反向增大幾乎為0，使得繼電器的釋放時間比改善之前小了3ms左右。

釋放時間對繼電器的性能影響非常大，在電磁繼電器動作過程中，吸反力之間的大小關系是不斷變化的：當施加的線圈電壓大于動作電壓時，電磁系統所產生的吸力就會大于反力，繼電器的動觸點與動斷靜觸點會斷開，此時的繼電器處于吸合過程；當施加的線圈電壓小于釋放電壓時，反力就會大于吸力，那么繼電器處于釋放行程中。在這兩種情況下，繼電器的觸點運動都是順暢的。然而當繼電器的線圈吸力與機械系統的反力出現交叉時，繼電器的吸合或者釋放就可能會發生遲滯，繼而導致電磁繼電器出現二次釋放的情況，即在電磁繼電器的動作過程中，當吸反力關系處于相等這一零界點附近時，繼電器動作會出現停滯狀態，此時由于銜鐵的運動，簧片會出現抖動情況，甚至導致簧片動作遲滯、將要閉合的觸點又斷開、或將要斷開的觸點又閉合等現象，而這一現象又會導致觸點分斷速度下降、燃弧時間增加。

由本文研究可知，繼電器的二次釋放確實導致了觸點停滯，使得釋放時間增加了至少3ms，導致燃弧時間增加。燃弧時間的增加會增大觸點的腐蝕，使得繼電器的觸點壽命大大減小。

表5 其他3臺A型繼電器的參數測試

3 結論

對電磁繼電器動態特性曲線進行了分析，研究了電磁繼電器二次釋放過程，然后通過對多種型號電磁繼電器的測試，對比分析，得出了電磁繼電器二次釋放的普遍特點，即二次釋放時刻與常開觸點電壓上升時刻為同一時刻；分析二次釋放產生的機理后，采用方法改善其二次釋放過程，分析測試數據得：由于存在二次釋放過程，繼電器的觸點會出現短暫的停滯，使得釋放時間延長，還會導致觸點燃弧時間增加，而燃弧時間的增加使得觸點表面的腐蝕更加嚴重，繼而影響繼電器工作的可靠性，此研究結論對改善繼電器動態性能有較大參考意義。