黃海蘭，吳桂初，吳自然，陳 沖，王盼盼（溫州大學(xué)浙江省低壓電器智能技術(shù)重點(diǎn)實驗室，浙江溫州 325035）

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交流接觸器壽命試驗系統(tǒng)選相控制技術(shù)的實現(xiàn)與應(yīng)用

黃海蘭，吳桂初，吳自然?，陳 沖，王盼盼
（溫州大學(xué)浙江省低壓電器智能技術(shù)重點(diǎn)實驗室，浙江溫州 325035）

摘 要：在AC-4條件下傳統(tǒng)交流接觸器的電壽命遠(yuǎn)小于其機(jī)械壽命，主要是由觸頭分?jǐn)鄷r產(chǎn)生的電弧對交流接觸器觸頭的燒蝕所致．大量實驗表明，觸頭分?jǐn)嘞辔徊煌a(chǎn)生的燃弧能量、燃弧功率不同，即對觸頭的損害程度也不同．相位控制可以有效減少燃弧能量進(jìn)而減少觸頭損耗，所以對交流接觸器選相分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)的研究具有重要意義．本文設(shè)計了一種交流接觸器選相分?jǐn)嗫刂蒲b置并應(yīng)用到交流接觸器分?jǐn)嗵匦缘难芯恐校畬嶒灡砻?，該裝置能較準(zhǔn)確地控制0°到180°的分?jǐn)嘞辔唬x相裝置誤差小于1°．

關(guān)鍵詞：交流接觸器；燃弧能量；分?jǐn)嘞辔?/p>

交流接觸器是應(yīng)用在遠(yuǎn)距離頻繁接通和斷開交流電路的開關(guān)電器，它作為一種低壓電器開關(guān)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域．隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對交流接觸器提出了更高的要求．智能、節(jié)能、長壽命是交流接觸器的發(fā)展趨勢．交流接觸器的壽命分為機(jī)械壽命和電壽命．一般來說交流接觸器的機(jī)械壽命遠(yuǎn)大于其電壽命［1-2］，所以提高交流接觸器的電壽命是一個亟待解決的問題．影響交流接觸器電壽命的一個重要因素是分?jǐn)噙^程中接觸器觸頭間產(chǎn)生的強(qiáng)烈的電弧，電弧會燒蝕觸頭，縮短接觸器的電壽命．國內(nèi)外已有許多學(xué)者對交流接觸器的電壽命進(jìn)行了研究［3-10］．文獻(xiàn)［5］通過計算一定數(shù)量的電觸頭兩端的電壓電流波形，計算燃弧能量分析交流接觸器分?jǐn)嗵匦砸?guī)律．文獻(xiàn)［6］得出電弧能量、電弧功率以及燃弧時間這三個物理量能顯著影響交流接觸器電壽命的結(jié)論．文獻(xiàn)［7-10］對分?jǐn)嘞辔慌c接觸器的壽命及可靠性關(guān)系作了研究．由于接觸器的開關(guān)電弧與開關(guān)相位關(guān)系密切［11］，因此設(shè)計一個精確的選相裝置來控制交流接觸器的接通和分?jǐn)嘞辔?，對研究交流接觸器接通和分?jǐn)嗳蓟∧芰考捌潆妷勖哂惺种匾囊饬x．本文介紹一種用于交流接觸器電壽命試驗選相控制技術(shù)，并設(shè)計研制了選相分合閘裝置，在實際應(yīng)用中達(dá)到了很好的效果．

1　交流接觸器壽命試驗系統(tǒng)

交流接觸器的電壽命試驗有AC-3、AC-4試驗等標(biāo)準(zhǔn)［12-13］．AC-4是模擬電機(jī)的啟動和停止時的重負(fù)載情況下交流接觸器的使用情況．根據(jù)AC-4實驗標(biāo)準(zhǔn)，每一個交流接觸器在規(guī)定電壓和規(guī)定電流的條件下要做6 000次測試實驗，接通和分?jǐn)嗟碾娏骶鶠榻涣鹘佑|器額定電流的6倍，阻抗呈感性，功率因數(shù)為0.45．然而在實際操作中，一些交流接觸器在AC-4試驗條件下，試驗次數(shù)還沒有達(dá)到6 000次就已經(jīng)損壞掉了，所以個別交流接觸器最大操作次數(shù)被定義為最大試驗承受次數(shù)．本文將討論AC-4條件下的試驗，交流接觸器壽命試驗系統(tǒng)如圖1所示．該系統(tǒng)由三個部分組成，分別是AC壽命控制部分、1000A端口柜部分以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中AC壽命控制部分和1000A端口柜部分是用來進(jìn)行AC-4類別的交流接觸器壽命試驗的．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來采集交流接觸器接通和分?jǐn)鄷r的觸頭兩端的電壓和電流．控制臺的控制核心采用可編程控制器，配合繼電器、接觸器實現(xiàn)主回路和試驗端口的控制功能．控制臺配備一臺10.4英寸的接觸摸屏進(jìn)行PLC的參數(shù)調(diào)節(jié)以及試驗方式、次數(shù)等參數(shù)的控制和顯示．圖2給出了該系統(tǒng)的原理，其中虛線所包括的3個觸頭和線圈為接觸器試品，Ur為電壓傳感器，I為電流傳感器，Z為阻抗，J為控制試品接觸器分合的開關(guān)．本文將在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加選相裝置．

圖1　交流接觸器壽命試驗系統(tǒng)

2　交流接觸器壽命試驗系統(tǒng)選相裝置設(shè)計

2.1選相原理

在圖2的基礎(chǔ)上加上選相電路如圖3所示．圖3中J1和J2為IGBT，反向串聯(lián)連接，分別控制交流電的正負(fù)半周的導(dǎo)通和關(guān)閉，以替代圖2中的開關(guān)J．J1和J2的導(dǎo)通或關(guān)閉時刻，由控制器輸出信號確定，控制器的核心是一片ARM處理器STM32F103．試驗時預(yù)先將分?jǐn)嗷蜷]合的相位值Φ預(yù)置到控制器中，控制器將實時測量某相（如C相）電流的相位，當(dāng)控制器接收到控制臺的分或合接觸器的信號J時，控制器將控制J1和J2在下一個周期的預(yù)置相位Φ分?jǐn)嗷蜷]合接觸器，圖4給出了分?jǐn)嗟臅r序．

圖2　系統(tǒng)原理框圖

2.2軟件設(shè)計

控制器由STM32F103單片機(jī)電路組成，主要用于檢測主觸頭上電流的相位、控制臺的分合閘信號J以及輸出驅(qū)動兩個IGBT管J1和J2的時序信號．其控制接觸器選相分?jǐn)嘬浖鞒倘鐖D5所示．

圖3　選相電路

3　試驗和結(jié)果

AC-4試驗條件下的交流接觸器壽命試驗，試驗標(biāo)準(zhǔn)要求是6 000次，當(dāng)主回路電流超過100 A時，試驗間隔時間不得小于60 s，所以交流接觸器選相分?jǐn)嘣囼炇侵芷谛缘脑囼?，試驗間隔設(shè)定為60 s，試驗條件如表1所示．

圖4　分?jǐn)嘞辔豢刂茣r序圖

表1　交流接觸器試驗條件

由于觸頭回路呈感性，閉合時的電流較小，而分?jǐn)鄷r的電流較大，所以分?jǐn)嚯娀τ|頭燒蝕嚴(yán)重．本文只討論分?jǐn)嗲闆r．通過選相控制，要求電流相位控制在0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°分?jǐn)啵紤]到接觸器存在超程，需要提前超程產(chǎn)生的時間斷開接觸器線圈電源．經(jīng)實測，本實驗所用接觸器超程產(chǎn)生的時間是10 ± 0.4 ms．即提前相角為：

圖6給出了0°、60°、90°、120°電流分?jǐn)嘞辔坏牟ㄐ螆D．控制分?jǐn)嘈盘枏母唠娖降降碗娖酵蛔儠r刻，接觸器線圈斷電，電流變到0．再過約半個周期10 ms左右，觸頭開始分開，觸頭兩端電壓從0逐步上升．電壓從0開始上升時刻，即為所要求的觸頭分?jǐn)鄷r刻，對應(yīng)的電流相位，就是所要求的分?jǐn)嚯娏飨辔沪担?給出了在不同預(yù)設(shè)分?jǐn)嚯娏飨辔幌拢瑢嶒灥玫降挠|頭分?jǐn)嚯娏飨辔唬辔坏恼`差是由選相控制器和接觸器的機(jī)械動作誤差引起的，選相控制器誤差 ≤ 1°，機(jī)械動作誤差 ≤ 7.2°，因此機(jī)械動作誤差是主要的．

圖5　控制接觸器選相分?jǐn)嘬浖鞒?/p>

圖6　選相控制器選相結(jié)果

表2　線圈分?jǐn)嘞辔徽`差

4　結(jié) 論

本文使用一套交流接觸器壽命試驗系統(tǒng)，加上相位控制器構(gòu)成交流接觸器選相試驗的回路，采用AC-4試驗作為試驗電流的標(biāo)準(zhǔn)，來模擬重負(fù)載情況下交流接觸器的使用情況．設(shè)計了一種可以精確控制交流接觸器線圈分?jǐn)嗟倪x相控制器，該選相控制器可根據(jù)測得的交流接觸器超程計算出主觸頭提前分?jǐn)嘞辔?，從而實現(xiàn)了對主觸頭的精確控制．本文的研究為以后分析不同分?jǐn)嘞辔幌陆涣鹘佑|器特性奠定了基礎(chǔ)．

參考文獻(xiàn)

［1］ 張阿南. 接觸器通斷交流的相位研究［J］. 湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報， 1995， 10（3）﹕ 47-52.

［2］ 邱祖述. 提高小容量交流接觸器機(jī)械及電氣壽命的研究［J］. 低壓電器， 1986， （2）﹕ 20-26.

［3］ 許志紅， 張培銘. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能交流接觸器分?jǐn)噙^程設(shè)計模型的建立［J］. 電工電能新技術(shù)， 2005， （10）﹕22-29.

［4］ 鄭昕， 許志紅， 張培銘. 智能交流接觸器自適應(yīng)零電流分?jǐn)嗟姆治雠c實現(xiàn)［J］. 電工電能新技術(shù)， 2005， （7）﹕77-80.

［5］ 許志紅， 蘇金州， 林抒毅. 交流接觸器分?jǐn)噙^程電弧能量分析［EB/OL］. ［2015-06-08］. http﹕//wenku.baidu.com/ link？url=LHrB83UJlUcy6-MhfY_1IzUCP-MGOefbpMxloadV1MmDx3YZzGFGTqABxJ30K_UPGNydnGB6zytJr 5DNZZNZ7lbuSLuyaWpv2JQmv_zL4Tq.

［6］ Al-Amayreh M， Hofmann H， Nilsson O， et al. Arc Movement Inside an AC/DC Circuit Breaker Working With a Novel Method of Arc Guiding﹕ Part II—Optical Imaging Method and Numerical Analysis ［J］. IEEE Transactions on Plasma Science， 2012， 40（8）﹕ 2035-2044.

［7］ 鮑光海， 張培銘. 智能交流接觸器零電流分?jǐn)嗉夹g(shù)［J］. 電工技術(shù)學(xué)報， 2012， 27（5）﹕ 199-204.

［8］ 許志紅， 張培銘. 智能交流接觸器全過程動態(tài)優(yōu)化設(shè)計［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2005， 25（17）﹕ 156-161.

［9］ 李文雄， 陸儉國， 劉明生. 交流接觸器的可靠性技術(shù)［J］. 低壓電器， 2005， （8）﹕ 3-5.

［10］ 許志紅， 張培銘， 智能交流接觸器零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)［J］. 上海電器技術(shù)， 2002， （4）﹕ 9-11.

［11］ Zhou X， Theisen P. Investigation of Arcing Effects During Contact Blow Open Process ［J］. Components and Packaging Technologies， IEEE Transactions on， 2000， 23（2）﹕ 271-277.

［12］ 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備﹕ GB 14048.4-2010［S］.

［13］ 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備﹕ GB 14048.1-2006［S］.

（編輯：王一芳）

Realization and Application on AC Contactor Life Testing System Based on Phase-controlled Technology

HUANG Hailan， WU Guichu， WU Ziran， CHEN Chong， WANG Panpan
（The Key Laboratory of Low-voltage Apparatus Intellectual Technology of Zhejiang， Wenzhou University， Wenzhou， China 325035）

Abstract：Under the condition of AC-4， the electrical endurance of a traditional AC contactor is far less than its mechanical endurance， which is mainly caused by the arc erosion generated when the contact is in breaking process. A large number of experiments indicate that different contact breaking phases produce different arc energy and nurning arc power， which cause different extents of damage to the contacts. Since the phase control can effectively reduce arc energy and thus reduce the contact damage， it is significant to the phase selection disjunctiion control technology of AC contactors. The paper designs a breaking phase control device and applies it to the research on AC contactor breaking characteristics. The experiment exposes that the device can relatively control breaking phases precisely between 0° to 180° with errors less than 1°.

Key words：AC Contactor； Arc Energy； Breaking Phase Position

作者簡介：黃海蘭（1986- ），女，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向：交流接觸器壽命研究．? 通訊作者，nature.nano@gmail.com

基金項目：國家自然科學(xué)青年基金（51507113）；浙江省自然科學(xué)青年基金（LQ16E070004）

收稿日期：2015-09-06

DOI：10.3875/j.issn.1674-3563.2016.02.004 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

中圖分類號：TM615

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-3563（2016）02-0027-06