黄航宇，陈德为，严俊奇，陈文桂

(福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 350002)



V极面智能交流接触器三维动态特性测试

黄航宇，陈德为，严俊奇，陈文桂

(福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 350002)

介绍了基于高速摄像机的V极面智能交流接触器三维动态特性测试装置。应用该装置对不同合闸相角下的V极面智能交流接触器动态过程进行全方位的测试，在大量测试数据的基础上对V极面智能交流接触器的动态特性进行深入分析，应用ANSYS软件对V极面智能交流接触器的吸力特性进行仿真计算，并与平极面智能交流接触器进行分析比较，得出V极面智能交流接触器性能的优越性。

高速摄像机；V极面智能交流接触器；动态特性

1 引言

智能交流接触器是一种新型的智能化控制电器，采用三相触头不同步并配以智能化控制模块的结构。智能交流接触器采用直流启动、直流吸持的工作状态[1]。在电磁机构接通电源时经历一个合闸过程，动静铁心在电磁吸力的作用下完成闭合过程。这个过程所经历的电磁过程、发热过程、机械过程等均是一个过渡过程，属于动态过程[2]。众所周知，电磁式接触器为了适应频繁操作的需要，动作时间很短，这就要求吸合的过程有较大的速度，但同时会引起碰撞能量的增加，从而对电器和机械寿命产生不利的影响。智能交流接触器电磁系统的动态过程十分复杂，难以完全依靠理论分析和数值计算来分析，因此需要对智能交流接触器的动态特性进行实际测试。

V极面(铁心极面形状由传统的平极面改为V极面)智能交流接触器三维动态特性测试若采用接触式的测量，传感器的安装必然改变V极面智能交流接触器本身运动部件的质量和机构参数，将对测试过程造成影响；若采用非接触式的激光位移传感器测量，由于V极面智能交流接触器的三维动态特性测试需要同时测试动触头和铁心的位移信号，多个传感器的同步问题难以解决。本文采用基于高速摄像机的V极面智能交流接触器三维动态特性测试装置，是一种高精度、高动态响应的非接触式测量。高速摄像机相对于传感器具有不影响V极面智能交流接触器本体的优点，同步问题也得到了保证。

2 基于高速摄像机的V极面智能交流接触器的三维动态特性测试装置

V极面智能交流接触器三维动态过程测试装置原理图如图1所示。整个测试系统主要由PCO1200S高速摄像机模块、数据采集模块、电流传感器模块、STC单片机中央控制模块、强激磁吸合和低压保持回路以及可视化人机界面等组成。

PCO1200S高速摄像机模块：自带图像接口软件，负责控制相机拍摄，可以调整拍摄帧数，每帧图像上能实时显示时标，有利于后续处理，最高图像拍摄速率可达320000fps。

USB-Ver1.0数据采集模块：数据采集卡经USB可直接对它供电，无须外部另外添加。该数据采集卡共四路输入，四路可并行采集，每一路最高采样率可达到20kS/s。

STC单片机模块：具备过零检测、选相合闸、低压保持和分闸的功能。整个控制系统在单片机的控制下实现不同合闸相角下的脉动直流强激磁可靠吸合和低压吸持的节能无声运行等功能。

图1 测试装置控制原理图

3 V极面智能交流接触器动态过程测试

本文采用基于高速摄像机的V极面智能交流接触器三维动态测试装置对V极面智能交流接触器的动态特性进行全方位大量的测试。

图2为基于CJ20-100型的V极面智能交流接触器在30°合闸相角下吸合过程动态特性的测试波形。已知电压平衡方程可写为U=iR+L(di/dt)+iv(dL/dx)，在衔铁未触动之前认为iv(xL/dx)=0，V极面智能交流接触器在30°合闸相角下的触动时间为图2的ab段，约2.2ms；在bc段吸力大于反力，机构开始运动，气隙开始逐渐减小，速度v逐渐增大，这个过程产生反电动势，由于运动速度比较小，所以运行反电动势比较小，电流呈现指数规律增长；cd段随着速度增大，根据电压平衡方程可知运动反电动势的作用开始显著起来，导致电流开始下降；铁心在d点处开始闭合，此时iv(dL/dx)又变为0，由于此时关闭强激磁回路使得电流不再上升。另外，首开相和非首开相动触头分别在刚闭合的时候由于碰撞回弹而产生大幅度弹跳，之后在触头的超程运动过程中，铁心闭合碰撞引起的弹跳导致弹簧的约束力反力减小，导致首开相和非首开相触头产生二次弹跳，这些都是影响V极面智能交流接触器寿命的重要因素。利用ANSYS软件分析30°合闸相角下平极面和V极面智能交流接触器的吸力特性，得到的曲线如图3所示。同时根据仿真得知V极面铁心的磁场强度的方向也是垂直于极面，显然对工作气隙的有效路径变小了，但是力微元的方向也发生了改变。使V极面智能交流接触器在工作气隙缩小至约3mm之前具有更大的平均吸力；后半段的吸力大幅度减少，使得V极面智能交流接触器在吸合过程中积蓄的能量较小(即吸力曲线、机构反力和Y轴所围成的面积大小)，从而让V极面智能交流接触器的铁心在闭合的瞬间具有较小的碰撞初速度，减小了弹跳。尽管吸合过程所积蓄的能量变小了，但整个吸合过程所用的时间仅有13ms左右，相对于平极面型15ms[3]左右的吸合时间得到一定程度的缩短。总体上做到吸合时间短，碰撞弹跳小，同等情况下可以适当加大弹簧刚度以达到更快速分断。

图2 30°合闸相角下V极面智能交流接触器Y方向吸合过程动态特性测试波形

图3 30°合闸相角下V极面智能交流接触器吸反力特性

4 V极面智能交流接触器三维动态特性

V极面智能交流接触器在30°合闸相角下X(三相触头的连线方向)和Z(垂直于X和吸合运动方向)方向的位移信号如图4 所示，图4为触动以后的曲线。x1、z1分别表示铁心在X和Z方向的位移信号；x2、z2分别表示首开相触头在X和Z方向的位移信号；x3、z3分别表示非首开相触头在X和Z方向的位移信号。随着铁心和触头在Y方向的吸合运动，导致不仅沿着X方向左右运动，而且还沿着Z方向前后摇晃。由x3曲线可以看出非首开相触头(A、C相)在吸合过程中的抖动中心是偏向首开相触头(B相)的位置，即在吸合的过程中两侧的触头呈现靠拢的现象。

根据大量的测试与分析，V极面智能交流接触器机构的动作过程是极其复杂的，造成x和z方向抖动的因素有很多，比如加工误差、装配误差以及电磁机构每次吸合过程的不一致。尽管如此，机构在吸合的过程是铁心的运动带动触头的运动，从数理统计角度而言，其运动规律是可寻的，所以能够真实地反应出V极面智能交流接触器的三维动态特性。

图4 吸合过程X跟Z方向的运动轨迹

5 总结

本文采用基于高速摄像机的V极面智能交流接触器三维动态特性测试装置对V极面智能交流接触器的动态过程进行测试。根据大量的测试、分析与仿真，对V极面智能交流接触器的铁心、首开相触头、非首开相触头进行深入分析，最后得到以下结论：

(1)V极面智能交流接触器从线圈上电到铁心闭合过程所用的时间更短，即吸合时间短；

(2)V极面智能交流接触器前半段行程具有更大的吸力，使得触动时间更短，即响应速度快；尽管V极面智能交流接触器后半段行程具有稍小的吸力，但并不影响吸合时间短的特点；

(3)从功能关系的角度分析，V极面智能交流接触器铁心闭合的瞬间具有更小的动能，闭合过程更具有软着陆的效果，从而也能相应减小铁心和触头的弹跳；

(4)V极面智能交流接触器若要达到同等平极面智能交流接触器的动态指标，可以做到适当提高弹簧的刚度(提高分断过程的速度)、减少铁心材料和减少线圈圈数等优点。该测试技术与分析方法为虚拟样机的优化设计奠定基础。

[1] 许志红,张培铭.智能交流接触器全过程动态优化设计[J].中国电机工程学报,2005,25(17):156-161.

[2] 费鸿俊,张冠生.电磁机构动态分析与计算[M].北京:机械工业出版社,1993.

[3] 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.

[4] 张娟,潘建寿,吴亚鹏,等.基于双目视觉的运动目标跟踪与测量[J].计算机工程与应用,2009,45(25):191-194.

[5] 陈德为,张培铭.基于图像测量的智能交流接触器设计技术[J].中国电机工程学报,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，Fuzhou 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

福建省自然科学基金资助项目(2011J01300)

TM572

B

2015-05-11

黄航宇(1989- ),男,在读研究生,研究方向:机电系统控制设计; 陈德为(1962- ),男,教授,博士,研究方向:测控技术与仪器; 严俊奇(1990- ),男,在读研究生,研究方向:机电系统控制设计; 陈文桂(1989- ),男,在读研究生,研究方向:机电系统控制设计。