关 欣， 李文华， 沈江峰， 范新涛

(河北工业大学 电气工程学院， 天津 300130)



电磁继电器动作时间参数测试与计算研究

关 欣， 李文华， 沈江峰， 范新涛

(河北工业大学 电气工程学院， 天津 300130)

为了检测电磁继电器的工作性能， 提高其稳定性和可靠性， 在不破坏产品的情况下， 通过电气参数的采集和时间参数的计算来描述机械参数变化. 采用铁路继电器作为试品， 设计了继电器参数测试系统， 完成了继电器触点电压、 线圈电流和线圈电压的高速数据采集， 结合继电器动态特性曲线， 利用分段曲线拟合、 一元线性参数辨识和数据平滑处理的分析方法对数据进行处理， 得到了触动时间、 超程时间、 燃弧时间和开距时间等时间参数. 通过与实测数据相对比， 该测试系统的精度达到了设计要求.

电磁继电器； 参数测试； 时间参数； 数据分析

电磁继电器是实现控制目标、 信号传递、 电路隔离的关键设备， 在现代国防军事、 工业自动化、 交通运输及农业机械等领域应用广泛[1-2]. 继电器通过控制电路来控制整个电气系统的可靠运行， 它的可靠性能够影响整个系统的稳定与安全， 特别是航空航天、 国防、 交通等系统， 一旦发生故障将造成巨大的经济损失[3-4]. 因此要求其接点系统必须动作一致、 可靠、 准确； 使用寿命长； 有足够的闭合和断开电路的功能； 有稳定的时间特性和电气参数特性[5]， 触点的磨损退化会导致其表面形貌发生改变， 引起接触失效[6]， 随着触点表面材料发生化学反应， 污染物成分逐渐增多， 将出现有效接触面积减小， 超程缩短等问题， 进而缩短其电寿命直至失效[7].

继电器的时间参数是反映其工作特性及可靠性的一项重要指标， 精确地进行电气参数测试和时间参数分析计算， 不仅有助于分析继电器失效的机理， 还可为其性能分析和寿命预测提供重要数据支持. 例如， 以超程时间为预测变量建立回归模型实现了对单个继电器产品的寿命预测[8]； 分析接触间隙与燃弧时间的关系， 为接触间隙的优化提供了理论依据， 并通过进行不同接触间隙的电弧实验， 对继电器的优化结果进行了验证[9]； 讨论直流线圈电流和接触器电流可以作为潜在故障的诊断参数， 并且验证了超程时间、 吸合时间和开距时间是用于诊断继电器故障的有效参数[10].

近年来， 科研人员在时间参数方面进行了大量的研究. 哈尔滨工业大学军用电气研究所进行了电磁继电器时间参数综合测试分析系统的研制和开发[11]. 福州大学的许志红等人建立的交流接触器动态特性仿真分析系统可以计算和分析线圈电流、 运动速度、 吸合时间等动态特性， 为分析交流接触器最佳动作过程提供了依据[12]. 哈尔滨理工大学的杨少军等人提出了一种基于单片CPLD的微型电磁继电器时间参数的测试方法， 实现了继电器多个时间参数的测量[13]. 翟国富等人为了研究航空航天用电磁继电器的接触可靠性， 提出了一种电磁继电器稳定时间的测量方法， 并设计了相应测试设备， 可高精度测量超程使间、 燃弧时间等时间参数[14]. 众多研究表明， 对已经装配好的继电器， 在不开壳的情况下进行时间参数的分析和计算具有很重要的研究价值.

本文通过继电器的参数检测系统， 采集了继电器线圈电流、 线圈电压、 触点压降等电气参数， 并以此为依据， 在研究继电器时间参数算法的基础上， 对一系列时间参数进行了计算和算法精度检验.

1 继电器参数测试系统的设计方案

本文以某型铁路继电器作为研究对象， 设计的系统硬件部分以工控机为主机， 高性能数据采集卡PCI-6024E为核心， 外围电路主要包括线圈驱动电路、 信号调理电路和多通道高速信号采集电路等， 系统硬件结构框图如图 1 所示.

测试系统的软件部分通过LabVIEW控制程序， 并对数据进行高速采集. 在测试系统的主界面里， 可实时显示多路被测数据和波形， 运行主界面如图 2 所示. 同时， 在MATLAB中结合电磁继电器动态特性曲线和相关数据处理方法， 分析计算得到相关时间参数.

图 1 系统硬件结构框图Fig.1 Structure diagram of system hardware

图 2 测试程序运行主界面Fig.2 Main interface of test program

本文设计的电磁继电器电气参数测试系统的目标测试参数有线圈电流、 线圈电压、 触点压降以及继电器相关时间参数， 包括触动时间、 动断超程时间、 燃弧时间、 开距时间、 触点回跳时间、 动合超程时间、 吸合时间、 释放时间.

2 继电器时间参数的分析方法

利用高速数据采集卡对继电器试品的一组转换触点的线圈电流、 线圈电压和触点电压进行高速采样， 绘制出了电磁继电器吸合过程中线圈电流、 常开触点压降和常闭触点压降的波形， 如图 3 所示.

电磁继电器的一个完整吸合过程大致可分为三个阶段： 第一阶段为触动阶段， 第二阶段为吸合阶段， 第三阶段为稳定阶段. 根据继电器动态特性分析可知， 触动时刻t1和衔铁完全闭合时刻t6是继电器线圈电流波形的特殊时间点， 在这两个时刻线圈电流发生了重要的变化. 因此， 时间参数分析的首要工作就是确定这两个关键时刻.

图 3 继电器吸合过程中线圈电流、 触点压降的波形图Fig.3 Waveform of coil current and contact voltage drop in the closing process of relay

在对触动时间(从给励磁回路线圈上电起至继电器的衔铁开始动作的时间0～t1)进行计算分析之前， 首先建立触动阶段的触动电流数学模型

式中：Is为线圈电流稳定值；τ为触动阶段的时间常数.

采用高斯-牛顿迭代法进行非线性参数辨识得到未知参数Is和τ. 具体步骤为先用高斯-牛顿法得到式(1)的法方程

其中，

(3)

线圈电流的稳定值Is可以通过测试系统实时采集的线圈电流得到. 此时， 用基于线性最小二乘原理的一元线性参数辨识法可以求得触动时间点t1， 以得到未知参数时间常数τ.

根据电磁继电器动态特性可知， 触动点后的线圈电流变化规律会发生变化， 据此预估t1点的大致位置， 并在这个位置之前取n个点作为参数辨识的数据样本. 将触动电流的非线性数学模型进行线性化处理， 由式(1)可得

其中， y可以看成是由两部分叠加而成， 一部分是x的线性函数τx， 另一部分是随机因素ε. 对于给定了满足式(1)的n组数据点(tk,ik)， 则有

yk=τxk+εk,k=1,2,…,n.

应用线性最小二乘原理， 记

).

于是有

至此就已经确定了线圈稳定电流Is和时间常数τ， 设定合理的偏差范围， 将通过式(1)计算得到的线圈电流值与拟合值进行比较， 如果在偏差范围内， 就认为仍处于触动阶段， 否则就认为衔铁开始运动， 从而可以确定触动时间t1.

超程时间分为动断超程时间和动合超程时间. 动断超程时间是指从触动时刻开始到动静触点分离所经历的时间(t1～t2)， 结合图 3 可以发现， 触点压降波形是阶跃变化， 分离时刻比较好判断. 动合超程时间则是从继电器的动触点与动合静触点接触开始到衔铁完全吸合所经历的时间(t4～t6)， 确定动合超程时间则还需要找到衔铁完全吸合的时刻t6. 动合超程时间阶段电流波形局部放大图如图 4 所示.

图 4 动合超程时间阶段电流波形局部放大图Fig.4 Partial view of current waveform in super path time

线圈电流波形在下降过程中的最低点即衔铁的完全吸合时刻. 在确定了触动时刻t1和衔铁完全闭合时刻t6之后， 其它的时间参数都可以结合线圈电流波形和触点压降波形求出.

3 时间参数的计算和分析

利用本文所设计的电磁继电器参数测试系统对某型号铁路继电器试品进行参数测试. 继电器线圈激励电压为DC24V， 负载选择DC24V/1A阻性负载， 在LabVIEW平台开发控制软件采集并处理数据.

3.1 触动时间分析计算

为了建立触动阶段的数学模型， 要先对线圈电流原始数据进行曲线拟合处理， 以获得连续光滑的曲线. 确定触动时间t1的大致位置后， 选取零点到t1这段数据作为数据样本， 采用分段多项式拟合的方法将数据样本分成两段分别进行曲线拟合. 以1号继电器的一组转换接点数据为例， 根据线圈电流波形选取0～1ms以内的数据作为数据样本， 并分成0～0.56ms和0.54～1ms两段， 重叠的数据部分可以保证两个分段的连续性. 然后， 对两端数据样本分别采用合适的阶数进行曲线拟合， 将两段拟合数据合并后与原始数据波形进行对比如图 5 所示.

图 5 1号继电器原始数据与拟合数据波形对比Fig.5 Waveform comparison of No.1 relay original data and fitting data

在得到了拟合数据之后， 就可以用拟合数据来确定触动阶段线圈电流数学模型. 根据触动时间计算原理， 将数据代入并进行参数辨识， 其中1号继电器的线圈稳定电流为0.671 4A.

通过最小二乘原理[15]的Matlab程序计算出时间常数τ为15.225 4ms， 则触动阶段线圈电流数学模型为

将时间数据代入式(10)得到线圈电流的计算值y1Cal， 把计算值y1Cal与拟合值y1fitted进行对比， 如图 6 和表 1 所示.

图 6 线圈电流拟合值和计算值波形对比Fig.6 Waveform comparison of coil current fitting value and calculated value

时间/ms线圈电流/A拟合值计算值差值比/%0．240．010810．01027-3．310．260．011430．01112-2．780．280．012230．01196-2．220．280．013020．01281-1．630．320．013790．01366-1．020．340．014560．01450-0．390．360．015300．015340．260．380．016040．016190．910．400．016760．017031．580．420．017460．017872．260．440．018150．018702．940．460．018830．019543．640．480．019500．020384．340．500．020140．021225．040．520．020780．022055．760．540．021400．022886．470．560．023180．023727．190．580．022600．024567．920．600．023180．025388．650．620．023750．026219．38

根据图6和表1可得， 0.6 ms后计算值和拟合值偏差过大， 可判定触动时间应在0.6 ms之前. 超出6%后就认为继电器的衔铁开始运动， 且此时即为触动时间. 该继电器的触动时间为0.54 ms.

对三台继电器的三对转换接点触动时间测试的结果见表 2， 其误差结果满足设计要求.

表 2 触动时间测试结果误差比较

3.2 动合超程时间分析计算

触点回跳及波形中的噪声干扰信号叠加， 都不利于超程时间的计算分析， 因此要先对此阶段的波形数据进行平滑处理. 图 7 是在Matlab中分别用单纯移动算术平均法、 线性加权移动平滑法和二次加权移动平滑法对动合超程阶段线圈电流数据进行平滑处理后的效果对比.

图 7 3种平滑处理方法效果对比Fig.7 Three kinds of smoothing method effect comparison

图 8 不同平滑点数的平滑效果对比Fig.8 Comparison of different smoothing points of the smoothing effect

由图7中可以看出， 加权平滑法能在最大限度保证不失真的情况下获得比较好的平滑效果， 而单纯移动平滑法会丢掉部分数据点， 对比结果如图 8 所示. 同时可以看出， 二次加权平滑点数越大， 平滑效果越好， 但同时失真度也会越大.

以1号继电器为例， 本文选择了11点二次加权平滑法对动合阶段线圈电流数据进行平滑处理， 局部放大图如图 9 所示. 波形最低点对应的时间点就是该继电器在吸合过程中衔铁完全闭合的时刻t6， 为178.72 ms.

图 9 平滑处理后的动合阶段线圈电流波形Fig.9 Dynamic stage coil current waveform after smoothing

本文对三台继电器的三对转换接点的衔铁闭合时刻t6进行了测试， 误差比较结果如表 3 所示， 可知误差结果均在1%以内， 符合设计要求.

通过如图 10 所示的常开触点电压波形的电压迅速回落点， 找到动触点与动合静触点接触的时刻， 即t4为165.3 ms.

图 10 常开触点电压波形局部放大图Fig.10 Partial view of current waveform in opening contact voltage

动合超程时间就是t4与t6之差， 则1号继电器的动合超程时间为13.42 ms.

表 3 衔铁闭合时刻t6时刻测试结果误差比较

3.3 其它时间参数的分析计算

常闭触点电压波形局部放大图如图 11 所示. 燃弧时间是触点电压在开路电压的10%和90%之间持续的时间间隔(t2～t3)， 则根据触点电压波形找到对应电压出现的时刻就可以确定燃弧时间. 图11中的t2和t3时刻分别为出现10%和90%开路电压的时刻，t2为104.62 ms，t3为107.78 ms， 燃弧时间为3.16 ms.

图 11 常闭触点电压波形局部放大图Fig.11 Partial view of current waveform in closing contact voltage

动断超程时间是从衔铁开始运动起直到动触点与动断静触点分离的时间， 即为t2与触动时刻t1之差， 该继电器的动断超程时间为104.08 ms. 开距时间是从动触点与动断静触点分离开始到动触点与动合静触点第一次接触所需的时间(t2～t4)， 该继电器的开距时间为60.68 ms.

触点回跳要满足电压值不小于开路电压的90%且脉宽不小于10 s. 从图10的常开触点电压波形局部放大图可以找到触点回跳开始时刻t4和结束时刻t5. 该继电器的触点回跳时间为0.6 ms.

吸合时间是从线圈上电到动触点第一次与动合静触点接触的时间间隔， 其中不包括回跳时间， 即为从零时刻到t4时刻. 该继电器的吸合时间为165.3 ms. 释放时间是从励磁电路断电起到动触点与动合静触点第一次接触的时间间隔. 图 12 是继电器断电过程中线圈电压和触点压降波形， 相邻两个采样点的时间是0.02 ms.a点对应线圈断电时刻，b点对应动触点与动合静触点第一次接触的时刻， 则该继电器的释放时间是30.92 ms.

本文对三台继电器的三对转换接点进行了参数测试， 各继电器分析计算所得的时间参数统计如表 4 所示.

图 12 继电器断电过程中线圈电压和触点压降波形Fig.12 Waveform of coil current and contact voltage drop in the opening process of relay

继电器转换接点触动时间/ms动断超程时间/ms燃弧时间/ms开距时间/ms回跳时间/ms动合超程时间/ms吸合时间/ms释放时间/ms110．54104．082．1660．680．6013．42165．3030．9220．58102．075．7268．760．4212．76166．0430．9030．62111．482．2063．920．4612．80166．0629．88210．50111．641．8077．060．6211．96189．7226．8220．56110．661．2678．500．4211．58189．7226．7430．58110．921．2279．540．8010．28191．0626．80310．52106．381．3039．180．5813．70146．6628．7820．60105．300．9238．200．4611．96144．5630．4230．58105．200．5839．640．5613．42146．2829．90

4 结 论

本文分析了电磁继电器的动态特性， 结合分段曲线拟合和一元线性参数辨识的方法建立了触动电流模型， 得到了触动时间. 采用二次加权移动平滑法对数据进行平滑处理， 得到较准确的衔铁完全闭合时刻. 最终计算得出了比较完整的时间参数， 检测值与实测数据的对比结果表明系统的精度达到了设计要求.

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Research on Testing and Calculating of Actuation Time Parameters for Electromagnetic Relay

GUAN Xin, LI Wen-hua, SHEN Jiang-feng, FAN Xin-tao

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

In order to test the working performance of electromagnetic relay and improve its stability and reliability, electrical parameters were collected and time parameters were calculated to describe the variation of mechanical parameters, without destroying the product. By using railway relay as sample, the relay parameter testing system was designed, and completed high-speed data acquisition of the relay contact voltage, coil current and coil voltage. Combined with the relay's dynamic characteristic curve, used piecewise curve fitting, linear parameter identification and data smoothing to process data, the touch time, super path time, arcing time and open time interval time parameters were obtained and verified. Compared with the measured data, the accuracy of the testing system has reached the designed requirements.

electromagnetic relay; parameters test; time parameters; data analysis

1673-3193(2016)06-0593-08

2015-03-21

河北省自然科学基金资助项目(E2016202206)

关 欣(1991-)， 女， 硕士生， 主要从事电器可靠性及检测技术的研究.

TM581

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2016.06.008