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(福州大學機械工程及自動化學院，福建 福州 350002)

1 引言

單極交流接觸器在空調(diào)、照明、焊機、電動機能耗制動等單相負荷電路中有著廣泛的應(yīng)用[1]。在利用三個單極接觸器構(gòu)成組合式三相智能接觸器實現(xiàn)三相觸頭系統(tǒng)的零電流分斷控制時，單極接觸器的性能也起著關(guān)鍵性的影響。然而，交流接觸器在運行過程中開斷電路時相位是隨機的，在此過程中接觸器的觸頭之間將產(chǎn)生強烈的電弧，會導致觸頭磨損和觸頭熔焊，是影響接觸器電壽命、通斷能力以及運行可靠性和各項性能指標的主要原因[2]?！傲汶妷何?，零電流分斷”是開關(guān)電器工作的理想狀態(tài)，理論上，如果觸頭在電流零點斷開，并以極高的速度拉開到足以承受恢復電壓而不發(fā)生間隙擊穿的距離，則電弧不再產(chǎn)生[3]。然而，交流接觸器目前的分閘主要靠彈簧的彈力，這使得分閘時速度慢且在短時間內(nèi)對動觸頭施加足夠的動能，加速觸頭的運動，變得比較困難，因此，將單極交流接觸器改造為雙線圈結(jié)構(gòu)，使其擁有電磁反力，并將其運用于分閘中，便可在不影響合閘過程的前提下，加快單極交流接觸器的分閘速度，更有利于快速選相合閘、低壓無聲節(jié)電吸持和微電弧能量分斷。

接觸器分斷過程是一個涉及多種能量轉(zhuǎn)換的復雜的，非線性的動態(tài)過程[4]，僅僅依靠理論分析和數(shù)值計算無法可靠地對其動態(tài)過程進行分析，利用基于單目視覺技術(shù)的智能交流接觸器三維動態(tài)特性測試與分析技術(shù)對其進行實際測試就顯得十分必要[5]。

2 雙線圈單極智能交流接觸器的實現(xiàn)

雙線圈智能交流接觸器系統(tǒng)機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)兩個部分。

2.1 機械系統(tǒng)

如圖1所示，機械系統(tǒng)包括：無剩磁材料的動靜鐵心、反力彈簧、觸頭彈簧、主輔線圈、塑殼以及動靜觸頭部件等。

圖1 雙線圈單極智能交流接觸器機構(gòu)示意圖

2.2 電控系統(tǒng)

如圖2所示，電控系統(tǒng)包括： 控制中樞模塊(以stm32單片機為核心，包括電路過零檢測模塊等)、高壓脈動直流強激磁合閘/分閘控制模塊、直流低壓吸持控制模塊以及運行指示模塊等。

圖2 雙線圈單極智能交流接觸器控制流程圖

雙線圈單極智能交流接觸器系統(tǒng)的控制策略如圖3的流程圖所示，電源上電以后，按下啟動鍵。系統(tǒng)通過采樣電路，對電源電壓進行過零點檢測，如果達到零點，則系統(tǒng)根據(jù)選定的合閘相角，在對應(yīng)的時間通過控制回路1和控制回路2分別控制強激磁起動元件1和吸持元件開關(guān)打開，此時單相電源電壓經(jīng)過整流回路1以后，直接施加在智能接觸器主線圈上(吸合過程輔助線圈不通電，此時，由于只有主線圈通電，將會產(chǎn)生電磁吸力而不會產(chǎn)生電磁斥力)，使接觸器在直流強激磁方式下可靠吸合。當吸合過程完成以后，單片機系統(tǒng)通過控制回路1切斷強激磁起動元件1，使智能接觸器的主線圈斷開強激磁，接觸器轉(zhuǎn)入低壓保持階段。此時實現(xiàn)由一個低電壓、小電流的直流穩(wěn)壓電源提供接觸器吸持磁勢，實現(xiàn)節(jié)能無聲運行。單片機系統(tǒng)在接到分斷信號以后，對觸頭系統(tǒng)的電流經(jīng)行過零點檢測，如果接收到過零點信號，通過整流回路1開啟強激磁起動元件1，單相電源電壓經(jīng)過整流模塊1以后，直接施加在智能接觸器主線圈上，同時通過控制回路2開啟強激磁起動元件2，單相電源電壓經(jīng)過整流回路2以后，直接施加在智能接觸器輔助線圈上，由于主輔線圈流過等量的方向相反的電流，使得主副線圈產(chǎn)生方向不同的磁場，在兩鐵心的工作磁路及工作氣隙中，磁通等量反向，不呈現(xiàn)磁力，而在非工作氣隙中，較強的漏磁通表現(xiàn)為螺線管磁場特征，即在兩鐵心中呈現(xiàn)相斥的磁力，這就是雙線圈單極智能交流接觸器的可控電磁反力的產(chǎn)生過程，即利用同極磁場間產(chǎn)生斥力使接觸器進行分閘。這樣即可實現(xiàn)接觸器的微電弧能量分斷。

圖3 雙線圈單極智能交流接觸器工作流程圖

雙線圈單極智能交流接觸器系統(tǒng)的控制特點為：

(1)高壓脈動直流強激磁實現(xiàn)快速、穩(wěn)定吸合；

(2)低壓直流節(jié)能無聲吸持；

(3)雙線圈產(chǎn)生的電磁反力實現(xiàn)快速微電弧能量分斷。

3 基于高速攝像機的雙線圈單極智能交流接觸器三維動態(tài)特性測試裝置

雙線圈單極智能交流接觸器三維動態(tài)過程測試裝置的原理圖如圖4所示。整個測試模塊主要由PC1200高速攝像機模塊、電流采集模塊、PC機上位機可視化人機界面組成[6-9]。

PC1200S高速攝像機模塊：該模塊自帶的CamWWare圖像接口軟件，可以控制每一個攝像機參數(shù)或設(shè)置，在光源充足的條件下，最高圖像拍攝速率可達320000FPS。

USB7325高速光電隔離型模入數(shù)據(jù)采集模塊：適用于提供了USB 接口的PC系列微機以及專業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)LabVIEW 等軟件環(huán)境，最多可以8路雙端(16路單端)并行采集，總采樣率最高可達100KS/s。

系統(tǒng)上位機主要應(yīng)用IPP圖像處理軟件和Matlab數(shù)據(jù)處理軟件對測試數(shù)據(jù)進行后續(xù)的處理和分析。

圖4 測試裝置控制原理圖

4 雙線圈單極智能交流接觸器三維動態(tài)特性測試與分析

3.1 合閘過程分析

圖5所示為雙線圈單極智能交流接觸器在合閘相角θ=0°時的動態(tài)特性曲線，其中表示動鐵心在X方向的位移信號，xc表示觸頭在X方向的位移信號，i表示電流信號，u表示電壓信號，v表示動鐵心運動速度信號。雙線圈單極智能交流接觸器在合閘相角下的觸動時間為t1,約5.0mm；在動鐵心觸動之前，可以認為;t1之后，吸力大于反力，機構(gòu)開始運動，氣隙逐漸減小，速度v逐漸增大。在合閘的過程中，由于機構(gòu)本身的間隙和誤差導致鐵心和觸頭的運動曲線有細微的偏差；鐵心平穩(wěn)運行，直至到達剛合點時，由于緩沖墊片的存在，鐵心還將繼續(xù)往下運動，但速度大幅減小。在t2時刻(約19.2ms),其位移量達到最大，鐵心開始反彈，速度反向增大，之后呈現(xiàn)減幅震蕩運動，直至穩(wěn)定。

圖5 合閘相角0°下雙線圈單極智能交流接觸器的動態(tài)特性曲線

圖6所示為雙線圈單極智能交流接觸器在合閘相角θ=0°時鐵心的三維運動曲線圖，其中，x,y,z分別是鐵心在三個方向上的位移信號?？梢钥闯觯S著強激磁產(chǎn)生的吸力帶動鐵心在X方向上吸合，在另外兩個Y,Z方向上也有一定的擺動，加工、改造誤差，裝配誤差等多種因素都會造成這種晃動。

圖6 合閘相角0°下雙線圈單極智能交流接觸器鐵心的三維運動曲圖

4.2 分閘過程分析

圖7所示為雙線圈單極智能交流接觸器在自然狀態(tài)下(不施加電磁反力，僅依靠彈簧彈力)分斷的動態(tài)特性圖。圖8所示為雙線圈單極智能交流接觸器在施加電磁反力的狀態(tài)下分斷的動態(tài)特性圖。其中xc表示動鐵心在X方向的位移信號，xc表示觸頭在X方向的位移信號，v表示動鐵心運動速度信號。

圖7 雙線圈單極智能交流接觸器在自然狀態(tài)下分斷的動態(tài)特性圖

圖8 雙線圈單極智能交流接觸器在施加電磁反力狀態(tài)下分斷的動態(tài)特性圖

從圖7和圖8的對比中，不難發(fā)現(xiàn)，在施加了電磁

反力的情況下，由于分斷合力更大，其分斷速度也有了明顯的增加，同時觸頭可以極快地拉開到足以承受恢復電壓而不發(fā)生間隙擊穿的更大距離，這有利于縮短燃弧時間，防止電弧復燃。

5 總結(jié)

本文采用了基于單目視覺技術(shù)的智能交流接觸器三維動態(tài)特性測試與分析技術(shù)對改造后的雙線圈單極智能交流接觸器的動態(tài)過程進行了測試，對其合閘及分閘的測試數(shù)據(jù)進行分析，得出以下結(jié)論：

(1)雙線圈單極智能交流接觸器可以在強激磁產(chǎn)生的電磁力作用下，快速穩(wěn)定合閘；

(2)雙線圈單極智能交流接觸器可以在直流低壓電源下節(jié)能、無聲吸持；

(3)雙線圈單極智能交流接觸器可以利用相反磁場產(chǎn)生的電磁反力，實現(xiàn)快速分閘，有利于微電弧能量分斷；

(4)若要得到更好的動態(tài)特性，可以對觸頭的結(jié)構(gòu)和制造精度，以及樣機尺寸等進行適當?shù)母倪M。本次測試與分析也為三相組合式交流接觸器的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

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