一種高壓繼電器壽命測試系統(tǒng)設計

朱彩霞

（江蘇電子信息職業(yè)學院，江蘇淮安，223003）

0 引言

電動汽車和充電樁中使用大量的高壓電磁繼電器，這些繼電器性能的好壞將直接影響電動汽車使用的安全性和壽命[1-2]。電磁繼電器最主要性能表現(xiàn)在觸點通斷過程中的接觸電阻和觸點壓力，接觸電阻和壓力的狀況會通過繼電器帶負載通斷過程中的電流、電壓波形信號表現(xiàn)出來。本文設計了一種通過采集和監(jiān)測繼電器觸點電流和觸點電壓繼電器試驗裝置，用于高壓繼電器的性能測試[3]。

1 系統(tǒng)設計方案及測控原理

■1.1 系統(tǒng)方案

繼電器測試系統(tǒng)總體方案如圖1所示，包括PC機、數(shù)據(jù)采集控制模塊、測試電源和試驗電路。其中試驗電路中的Z1是被測試繼電器的動觸點，Z2是充電回路控制繼電器動觸點，C是儲能電容[4]，R1是放電回路電阻，電流霍爾傳感器串接在放電回路中，用于測量繼電器觸點電流，R2是充電回路電阻，R3～R5是電壓信號取樣電阻，R5上電壓與電容C上放電電壓Uc成比例，R4上的電壓與Z2吸合時充電電壓U2成比例，通過電壓變送器將高電壓轉換為數(shù)據(jù)采集模塊的測量信號[5]。

■1.2 測試控制原理

圖1 繼電器測試系統(tǒng)總體方案

通過PC的操控界面向數(shù)據(jù)采集控制模塊發(fā)送試驗的參數(shù)：試驗電壓、試驗電流、試驗次數(shù)、試驗周期等。數(shù)據(jù)采集控制模塊控制充電電源輸出試驗電壓和試驗電流（充電電流），控制Z2接通對儲能電容C充電一段時間后斷開Z2，斷開Z2后接通Z1，則儲能電容電壓Uc加到Z1的觸點上，通過功率電阻R1放電，經(jīng)過一段時間后斷開Z1，完成一次測試過程。根據(jù)設置的試驗時間交替接通、斷開Z2和Z1，完成老化試驗過程。在試驗過程中由電流傳感器、電壓變送器將信號送給數(shù)據(jù)采集控制板監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳送給PC機進行數(shù)據(jù)記錄與管理，作為分析繼電器觸點性能的依據(jù)。

圖1中的R1是由5個阻值20mΩ功率6kW電阻和兩個阻值1Ω功率1kW的電阻構成的負載電阻網(wǎng)絡，R1的電阻網(wǎng)絡如圖2所示。試驗時根據(jù)試驗電流、試驗電壓的大小要求調(diào)整，接入到放電回路中[6]。

圖2 R1電阻網(wǎng)絡

2 硬件設計

■2.1 測試電源

高壓繼電器試驗要求觸點承受的電壓和電流都比額定標稱值大許多，而且不同用途繼電器試驗要求也不盡相同，本設計采用ST1500-20CQ程控電源模塊，輸入380V交流電，輸出電壓0～1500V直流可控，電流 0～20A可控，控制信號0～5V直流電壓，方便用D/A轉換信號實現(xiàn)電源輸出功率控制[7]。

■2.2 試驗電路及傳感器選取

設計試驗觸點最高電壓1500V，電流10000A（瞬時）。圖1中，C采用2000μf/2000V的高壓電容，電阻R1根據(jù)試驗要求由圖2的電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)，充電回路最大電流20A，電阻R2采用75Ω3kW的功率電阻，霍爾電流互感器采用安科瑞AHKC-HB，量程0～10000A，輸出電壓0～5V，電壓變送器采用0～5V/0～5V，主要起強電弱電信號隔離作用。R3、R6取100kΩ/100W，R4、R5取300Ω/20W，使U2、Uc在5V內(nèi)。

■2.3 數(shù)據(jù)采集控制模塊

數(shù)據(jù)采集控制模塊是測試系統(tǒng)的核心，主要包括STM32F103C8T6微控制器芯片、A/D信號處理電路、D/A轉換接口電路和RS-485接口電路等，圖3是數(shù)據(jù)采集模塊的原理框圖。

圖3 數(shù)據(jù)采集控制模塊原理框圖

STM32F103C8T6芯片是意法半導體公司的一款32微控制器芯片，內(nèi)部含有A/D、D/A、UART、TIM、DMA及26個快速I/O端口。D/A信號從PA4、PA5端口輸出，通過信號處理電路將0～3.3V信號轉換為0～5V，作為程控電源的控制信號。3路0～5V采集信號通過信號處理電路轉換為0～3.3V，從PA0、PA1、PA2端口輸入，由內(nèi)部A/D模塊采樣轉換。驅動電路由端口PC0、PC1控制固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器控制圖1中的Z1和Z2。RS-485接口由微控制器內(nèi)部的UART1控制RS-485芯片實現(xiàn)，接收信息從PA10端口，輸出信息從PA9端口，PA6端口控制RS-485芯片接收/發(fā)送轉換。A/D、D/A的信號處理電路采用運放構成的線性處理電路[8-9]。

3 軟件設計

■3.1 系統(tǒng)功能要求

（1）遠程操控。通過PC機進行啟動和停止操作，設置試驗參數(shù)：電壓、電流、次數(shù)等。

（2）實時采集。實時測量試驗電壓、試驗電流，數(shù)據(jù)傳送給上位機。

（3）記錄并顯示波形功能。試驗過程中顯示試驗電壓、試驗電流波形。記錄的數(shù)據(jù)與試驗周期操作過程一一對應，并以文件形式保存。

（4）信息回看功能。在試驗停止后，可以回看任一測試周期波形數(shù)據(jù)，分析測試對象的性能。

（5）故障保護報警功能。實時監(jiān)測Z1、Z2吸合與分斷狀態(tài)，異常保護切斷試驗電源輸出。

■3.2 上位機軟件設計

上位機在Windows操作系統(tǒng)上用.NET軟件編寫，實現(xiàn)遠程操控人機交互界面和數(shù)據(jù)處理，采用模塊化設計，上位軟件由參數(shù)設置、試驗操控、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)波形狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊構成。上位機通過RS-485接口和下位機進行數(shù)據(jù)通信，完成指令下傳、測量信息上傳，由上位機完成數(shù)據(jù)顯示、保存等系統(tǒng)功能，整個系統(tǒng)軟件結構框圖如圖4所示。

■3.3 下位機軟件設計

下位機采用C語言編程，實現(xiàn)現(xiàn)場試驗過程控制和數(shù)據(jù)采集，同樣采用模塊化設計，由系統(tǒng)初始化、串口通信、D/A、A/D和輸出控制模塊構成。下位機接收上位機的指令，根據(jù)設定的試驗電壓、試驗電流控制D/A輸出，根據(jù)試驗周期、試驗次數(shù)等控制固態(tài)繼電器動作實現(xiàn)對Z1、Z2的通斷控制。在試驗過程中檢測繼電器觸點電壓和電流信號，并實時通過RS-485接口將測量結果系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)送給上位機，判斷試驗過程中的異常信號及時停止試驗，保護系統(tǒng)安全。下位機軟件流程圖如圖5所示。系統(tǒng)參數(shù)波特率設置為230400bps，A/D轉換速率分時段設置，在Z1吸合期間，放電電流很大，電流信號持續(xù)時間短，只有幾個毫秒，變化率也快，設置A/D采集速率0.1ms一次，其余時間段電壓、電流變化緩慢，持續(xù)時間長，A/D采集速率設置10ms一次。

圖4 系統(tǒng)軟件結構框圖

圖5 下位機軟件流程圖

4 試驗與試驗結果

■4.1 試驗時間條件

由于充電回路電流比放電回路電流小很多，為保證達到設定的試驗電壓，設定試驗時間參數(shù)時，Z2的吸合時間應遠大于Z1的吸合時間，且Z2由吸合轉斷開至Z1吸合的時間寬度要大于繼電器動作時間，圖6為試驗的周期信號，其中虛線是Z1的控制信號，實線是Z2的控制信號，兩者的周期相同，交替分合。

■4.2 采集的電壓、電流波形

圖6 試驗周期信號

圖7為阻性負載試驗繼電器觸頭分合過程中電流、電壓波形，從上位機試驗中記錄截取。圖7(a)為觸點電流波形，圖中的放電曲線跳變是由于觸點吸合過程中抖動照成的。圖7(b)～(e)是觸點電壓波形，圖7 (b)是正常狀態(tài)觸點電壓波形，圖7 (c)～(e)是繼電器故障時的觸點電壓波形。試驗記錄和信號波形為分析繼電器性能的提供了重要依據(jù)。

圖7 阻性負載試驗觸頭分合過程中的電流、電壓波形

5 結束語

本文設計的高壓繼電器壽命測試系統(tǒng)采用遠程操控，上、下位機協(xié)同完成高壓繼電器的老化試驗，實時記錄并顯示繼電器觸頭分合過程的電壓和電流波形，為分析繼電器的性能提供了基礎數(shù)據(jù)。采用本文設計方案的試驗裝置已經(jīng)在比亞迪投入使用，效果良好。