周 亮，吴桂初，谢文彬

(温州大学浙江省低压电器智能技术重点实验室，浙江温州 325035)

基于激光位移器的交流接触器动态测试与分析

周 亮，吴桂初†，谢文彬

(温州大学浙江省低压电器智能技术重点实验室，浙江温州 325035)

通过分析接触器的动态过程建立数学模型．针对接触器动态过程的研究，设计了一个基于激光位移器的交流接触器动态测试系统．该系统能对接触器动态过程的位移、速度、弹跳和电压等参量进行同步采集，具有高速和高精度等特点．通过该动态测试系统可得到合闸相角、输入电压与接触器动态过程的关系，为优化接触器动态过程提供依据，可以减小合闸末速度，减少触头弹跳，提高接触器工作性能，延长其使用寿命．

交流接触器；动态过程；激光位移器；动态测试

交流接触器是一种重要的低压电器，广泛应用于电力系统，其数量巨大，市场保有量数以亿计[1-2]．随着我国经济和电力系统的不断发展，接触器的需求量不断增加，对接触器工作性能和使用寿命的要求也在不断提高．动态特性反映了接触器工作过程变化情况，是提高接触器工作性能和使用寿命的关键指标[3-4]，因此，对接触器动态特性的研究也越来越多．目前，对接触器动态特性的研究主要有动态特性实验、理论计算和仿真分析等，数学模型与仿真结果能否真实地反映接触器复杂的动态过程需要通过实验进行验证与分析[5-6]．在实验研究中，接触器动态测试系统的实验装置性能是接触器动态过程测试的关键．为此，本文给出一种基于激光位移器的动态测试系统，该系统具有精度高、速度快、同步性好等特点，通过该动态测试系统可得到合闸相角、输入电压与接触器动态过程的关系，这有利于接触器的优化设计．

1 交流接触器的动态过程

交流接触器是一种电磁式电器，由电磁机构和机械运动机构两部分组成（见图1）．接触器动态过程主要包括吸合过程与释放过程．交电流通过线圈，电磁机构产生交变磁场，在电磁场作用下，接触器动铁心受到一个向下的电磁力，当电磁力大于反力时，动铁心向下运动，接触器开始吸合，当接触器的主触头闭合，主回路通路，动铁心受到电磁力继续向下运动，当动铁心与衔铁碰撞，可靠闭合后，接触器进入吸合保持阶段．当控制回路交流电断开，电磁吸力迅速降为零，动铁心和触头在反力的作用下开始向上运动，接触器进入释放过程．本文主要对接触器吸合过程进行研究．根据电压平衡方程、达朗贝尔运动方程及麦克斯韦方程，得到接触器吸合过程的方程组：

其中，Ψ为磁路中的磁链，Um为电源电压幅值，φ为电源电压角频率，ω为初相角，i为线圈电流，R为电阻，Fx为电磁吸力，Ff为反力，v为铁心速度，x为位移．

分析式（1）可知，在接触器吸合过程中，铁心位移、输入电压与电流不断变化，电磁耦合，使得吸合方程组无法得到确切的解析解，需要通过离散解建立网格并仿真计算得到．但建立仿真时间较长，且仿真计算结果的准确性需要接触器动态测试实验验证．由此可见，设计一个具有高速、高精度、同步数据采集的动态测试系统对于接触器动态过程的研究至关重要．

图1 交流接触器结构图

2 基于激光位移器的接触器动态测试系统

基于激光位移器的接触器动态测试系统是集激光位移传感、触头弹跳、电压及电流测试为一体的同步动态测试系统．本系统采用LK-G500系列激光位移传感器同步测试交流接触器吸合和释放过程的触头和铁心的位移、速度及加速度变化情况．接触器的动态测试系统框图见图2．整个系统主要由接触器样机、测试装置、数据采集系统、上位机、数据显示与存储系统等构成．通过系统可同步测试接触器的触头和铁心的位移和速度、触头弹跳、线圈电压和电流．下面介绍各个模块的功能及原理.

图2 接触器动态测试系统框图

2.1 激光位移测试装置

激光位移测试装置采用LK-G500系列激光位移传感器对接触器触头和动铁心的位移变化进行实时采集，并通过信号调理与运算单元对位移信号进行调理、转化与运算，其中，运算主要是对位移信号进行归一化及微分计算，得到相应的速度和加速度信号．LK-G500系列激光位移传感器是一种基于激光三角测试法的位移测试装置，通过检测RS-CMOS反射光的位置变化来测量目标物体的位移变化，测试原理见图3．

激光位移传感器在测试位移过程中，通过线性准直物镜聚焦光点，同时消除不规则的光束，使光点大小始终不变，由圆柱形物镜形成十分规则的椭圆形光点，在整个测量范围，使光点的宽度始终保持不变，这对精确测量粗糙物体具有重要作用．HDE物镜和Delta cut技术将光点畸变对测试的影响降到最小，使光点保持对称，实现0.02%的F.S线性．采用RS-CMOS技术将CMOS中的像素宽度和像素数翻倍，实现了极高的精确度，因此，激光位移传感器具有高速、高重复精度等特点．ABLE（动态平衡激光控制引擎）通过平衡放光时间、激光功率和增益智能优化RS-COMS功能，使发光时间的分辨率得到进一步改进，光量调整更为敏感，这使得传感器具备了高速追踪能力．接触器吸合过程吸合时间短、铁心运动速度快，激光位移传感器高速、高精度的特点对交流接触器动态特性的研究具有重要意义．通过上位机软件可方便地对采样频率、转换倍率及信号运算进行设置，这使系统的可操作性得到了提高．

图3 激光位移传感器测试原理图

图4 弹跳测试原理图

2.2 触头弹跳测试装置

触头弹跳测试原理见图4．在触头两端建立一个直流回路，通过测试回路中电阻两端的电压变化来反映接触器在合闸过程中的弹跳情况．当触头断开时，电阻两端电压为0 V；当触头闭合后，形成一个直流回路，电阻两端电压等于电源电压．

2.3 电参量测量装置

电参量测量装置主要由互感器、调理与隔离保护电路构成．图5和图6分别给出了线圈电压与线圈电流的测试电路．

图5 电压测试电路图

图6 电流测试电路图

图5中，采用电流型电压互感器对线圈输入电压进行转换．电流型电压互感器的输入与输出端电流大小相等，通过Ri将输入电压变化转换为电流变化，与运放、R1、R2、R3构成电压倍率转换电路．同理，在图6中，R1、R2和R3将电流变化转换成电压的变化，通过微调R2的值补偿温度变化的影响．通过C2与r来实现相位补偿．R4为输出电阻，与C1、C3构成信号滤波电路，抑制噪声干扰；D1和D2是两个对称连接的稳压二极管，起过压保护的作用．

2.4 数据采集、存储与显示系统

采用NI同步数据采集卡对多路数据进行同步采集，并通过PC机建立一个基于labview的接触器同步数据采集系统对接触器的动态信号进行实时采集、存储、处理与显示．图7给出了CJ40-315交流接触器吸合动态过程的测试结果（输入电压为380 V）．

图7 接触器动态过程测试图

3 接触器吸合过程的测试与分析

3.1 不同合闸相角下动态特性的测试与分析

本节将通过基于激光位移器的交流接触器动态测试装置来研究不同相位下交流接触器的动态特性．通过分析接触器动态特性方程组可知，不同的合闸相角可使线圈输入电流的变化规律发生变化，从而导致吸合过程动态特性发生变化．下面通过实验来研究合闸相角与铁心合闸末速度的关系．以CJ40-500接触器为实验对象，通过合闸相角控制装置控制使接触器在设定的相角下合闸，以0°、30°、60°、90°、120°、150°的合闸相角进行分组，每组进行10次，实验后取平均值．图8和图9给出了实验结果．

图8 合闸相角与末速度

图9 合闸相角与弹跳时间

由实验结果可以看出，合闸相角为0° – 30°时，合闸末速度较大，弹跳时间长；合闸相角为90° – 150°时，合闸末速度较小，弹跳时间短。由此可见，选择适当的相角合闸能降低合闸末速度，减小弹跳，提高接触器机械寿命和电寿命．

3.2 不同电压下的动态特性测试与分析

以额定电压为380V的CJ40-500接触器为实验对象，以输入电压340 V、350 V、360 V、370 V、380 V、390 V、400 V、410 V、420 V进行分组实验，每组10次，实验取平均值．图10和图11给出了实验结果．由实验结果可以看出，适当降低输入电压能有效降低合闸末速度，减小触头弹跳．

图10 输入电压与末速度

图11 输入电压与弹跳时间

4 结 论

本文给出的基于激光位移器的动态测试系统能高速、高精度地同步采集接触器动态过程的位移、速度、电流和电压等参数，准确地反映接触器的动态过程．同时，通过该研究还得到了合闸相角、输入电压与动态过程的关系，为优化接触器动态过程及接触器智能化研究提供了科学依据．

[1] 陈德桂. 低压电器智能化的新技术[J]. 低压电器, 2008, (1): 1-5.

[2] 卜浩民. 交流接触器的现状与发展趋势[J]. 低压电器, 2011, (6): 1-5.

[3] 纽春萍, 陈德桂, 李兴文, 等. 交流接触器触头弹跳的仿真及影响因素[J]. 电工技术学报, 2007, 22(5): 85-90.

[4] 许志红, 张培铭, 戴小梅. 智能交流接触器电磁机构动态分析[J]. 福州大学学报: 自然科学版, 2005, 33(4): 468-476.

[5] 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): 58-61.

[6] 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.

The Dynamic Testing and Analysis on Contactors Based on Laser Probing Displacement

ZHOU Liang, WU Guichu, XIE Wenbin
(The Key Laboratory of Low-Voltage Apparatus Intellectual Technology of Zhejiang, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

The mathematical model of the dynamic closing process is established by analyzing the dynamic process of contactors. A dynamic testing system of AC contactors based on Laser Probing Displacement Sensor is designed to study the dynamic process of contactors. The Parameters of contactors’ displacement, speed, current and voltage can be obtained simultaneously by this high-speed and high-precision testing system. The relation among closing phase angle，voltage and dynamic process of contactors can be obtained by this testing system as well to provide the basis for optimizing contactors’ dynamic process, thereby being able to reduce the end speed of closing armature, shorten contact bounce, improve the working performance of contactors, and prolong their working lives.

AC Contactor; Dynamic Process; Laser Probing Displacement Sensor; Dynamic Testing

TM572

A

1674-3563(2013)03-0032-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2013.03.006 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

(编辑：王一芳)

2013-02-25

浙江省重大科技专项(2011C11086)；温州市重大科技专项(G201000147)；浙江省大学生科技创新活动(新苗人才计划)(2012R424050)

周亮(1986- )，男，湖南永州人，硕士研究生，研究方向：电器智能化．† 通讯作者，wgc@wzu.edu.cn