熊顯名+朱文博+楊志偉

摘 要： 傳統(tǒng)的開關(guān)電器觸頭電壽命試驗設(shè)備一般無法對失效原因進(jìn)行全面、精確的記錄，無法進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的存儲和回訪。為此，研制一種結(jié)合LabVIEW軟件和數(shù)據(jù)采集卡等硬件的試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)以實現(xiàn)電磁繼電器和接觸器的電壽命檢測試驗，同時在系統(tǒng)軟件的控制下，自動對試驗過程中失效情況進(jìn)行判斷和記錄。該系統(tǒng)測量的電壓、電流數(shù)據(jù)精度約為0.5%，與傳統(tǒng)的設(shè)備相比，它能更加準(zhǔn)確和直觀地反映出試品電壽命的相關(guān)指標(biāo)，為觸頭設(shè)計人員提供可靠的判斷依據(jù)。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； 數(shù)據(jù)采集卡； 電磁繼電器； 交流接觸器； 觸頭電壽命； 開關(guān)電器

中圖分類號： TN916.424?34； TM581 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）06?0133?04

Abstract： The traditional contact electrical endurance test equipment for switching devices generally cannot make comprehensive and accurate record of contact failure causes to carry out the test data storage and a return visit. Therefore， a test system combining with LabVIEW software， data acquisition card and other hardware is developed in this paper. In the system， the electrical endurance detection test for electromagnetic relay and contactor is achieved. The failure conditions in the test process are automatically judged and recorded under the control of system software. The voltage and current data precision measured by the system is about 0.5%. In comparison with the traditional equipment， the system can reflect the relevant indicators of test objects′ electrical endurance more accurately and intuitively， and provide reliable judgment basis for contact design personnel.

Keywords： LabVIEW； data acquisition card； electromagnetic relay； AC contactor； contact electrical endurance； switching device

0 引 言

繼電器和接觸器都是用于遠(yuǎn)距離頻繁地接通或分段電路的低壓電器，其主要控制對象是電動機(jī)或其他電力負(fù)載[1?2]。為了保證電路可靠的接通和分?jǐn)?，采用使用壽命進(jìn)行衡量。通常情況下，使用壽命可分為機(jī)械壽命和電壽命，機(jī)械壽命是指繼電器和接觸器所承受機(jī)械磨損的能力，用不通電的情況下的操作次數(shù)表示，電壽命是指在額定條件下帶電操作的極限次數(shù)[3?4]。一般繼電器和接觸器的機(jī)械壽命基本都可以達(dá)到百萬次甚至一千萬次以上，但是電壽命按照不同的使用類別和不同的機(jī)械壽命級別，通常為機(jī)械壽命[5]的5%～20%。所以電壽命才是真正決定它們的使用壽命。

在繼電器和接觸器電壽命的試驗中，一般都是測量試驗觸頭兩端的電壓、主電路電流等瞬態(tài)信號的波形，通過這些波形及數(shù)據(jù)得出結(jié)論[6?7]。傳統(tǒng)的測量方式主要是利用光線示波器把試驗波形記錄在感光紙上面，其缺點是光線示波器振子采用懸線結(jié)構(gòu)，機(jī)械慣性比較大，測量所得結(jié)果和理論分析誤差較大（約為5%），難以滿足有關(guān)低壓電器試驗標(biāo)準(zhǔn)的要求[8?9]，且無法得到功率因數(shù)、時間常數(shù)、接觸電阻等試驗參數(shù)。本論文提出使用NI公司的高速數(shù)據(jù)采集卡USB?6259 BNC對觸點電壓進(jìn)行測量，測量結(jié)果與依據(jù)電源電壓設(shè)定的門限電壓比較的方法進(jìn)行可靠性判斷[10?11]，在電壓判斷錯誤的情況下可以根據(jù)吸合時間和釋放時間進(jìn)行判斷。該新型設(shè)備能夠按順序?qū)Κ毩⒌?組交、直流繼電器或3組交流接觸器進(jìn)行測量，在計算機(jī)屏幕上顯示指定的實時電壓、負(fù)載電流波形。對出現(xiàn)失效的試品能夠自動地記錄失效試品號、失效觸點號、失效時間、失效類型、失效次數(shù)、失效時電壓太小、失效電流大小以及根據(jù)設(shè)定的間隔次數(shù)記錄接觸電阻、吸合時間和釋放時間等信息，所記錄的失效信息涵蓋面較廣。試驗硬件系統(tǒng)配有可調(diào)節(jié)的交、直流電壓源、三種類型（分別為阻性、容性、感性）的負(fù)載柜，在測試不同類型的試品時可供方便的調(diào)節(jié)，本文只對阻性負(fù)載試驗進(jìn)行探討。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該檢測系統(tǒng)以工控機(jī)為控制中心，由電壓、電流傳感器隔離模塊、驅(qū)動電路，直流開關(guān)電源等外圍電路組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。它的結(jié)構(gòu)自上而下主要分為工控機(jī)；多功能高速數(shù)據(jù)采集卡，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)字I/O輸出等功能；用于驅(qū)動試品的固態(tài)繼電器（SSR）和電壓、電流傳感器隔離模塊；被測繼電器、接觸器試品架、負(fù)載接入端口以及電源模塊共4 層。

高速數(shù)據(jù)采集電路包括USB?6259 BNC數(shù)據(jù)采集卡、外圍信號調(diào)理電路和供電電源。其中USB?6259 BNC數(shù)據(jù)采集卡為該部分的核心部件，具有16路差分BNC模擬輸入（16位）；單通道1.25 MSPS采樣率；4路BNC模擬輸出（16位，2.8 MSPS）；48條數(shù)字I/O，該試驗裝置采用其中的A/D轉(zhuǎn)換通道作為采樣通道，多通道采樣時最大采樣速率為1 MSPS，設(shè)備參數(shù)達(dá)到所需采集要求，可以對繼電器和接觸器吸合與分?jǐn)嗟恼麄€過程進(jìn)行檢測，并將采集到的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換功能變?yōu)閿?shù)字信號，送入工控機(jī)進(jìn)行處理。endprint

電路原理圖如圖2所示，圖2表示9個通道中的1個通道，其余通道類似。根據(jù)試品線圈激勵種類，由直流固體繼電器組JGX?16FA和交流固體繼電器組JGX?16F進(jìn)行驅(qū)動，驅(qū)動信號都來自數(shù)據(jù)采集卡USB?6259 BNC的數(shù)字I/O輸出端。負(fù)載回路由輔助接觸器控制，驅(qū)動控制使用第二個交流固體繼電器組JGX?16F，負(fù)載回路穿過霍爾電流傳感器 CHB?200A，以此測量觸點閉合時負(fù)載電流。試品觸點兩端并聯(lián)霍爾電壓傳感器CHV?200VS和三端口電壓輸出隔離端子WS1521，分別測量觸點斷開與閉合壓降。經(jīng)過試驗測試發(fā)現(xiàn)，這樣的做法使用時間一長就會燒壞WS1521，因為斷開電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出它的輸入額定范圍。因此，在本文提出了一種新的電路設(shè)計方法，使用一個兩開兩閉觸頭的轉(zhuǎn)換繼電器G2R?2?5VDC DC 5 V，常閉觸頭接大電壓傳感器，將測量得出的電壓有效值和設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，若小于此閾值則采集卡輸出一個高電平使轉(zhuǎn)換繼電器線圈吸合，切換到常開觸頭同時電壓輸入端也切換到了小量程電壓傳感器，此時采集的電壓值為WS1521測量出的壓降值（觸點正常吸合過程），測量完成后采集卡輸出一個低電平使轉(zhuǎn)換繼電器線圈斷電，恢復(fù)原狀態(tài)使用CHV?200VS測量大電壓（觸點正常斷開過程），照此步驟循環(huán)進(jìn)行。此設(shè)計方案優(yōu)點為：

1） 兩個輸入電壓共用一個采集卡的輸入通道，達(dá)到節(jié)省通道的目的；

2） 小量程電壓傳感器WS1521測量的電壓值不會超過自身量程，有效保護(hù)了器件的使用壽命；

3） 因為CHV?200VS傳感器的失調(diào)電壓約為50 mV，繼電器閉合電壓壓降也是毫伏級，如果用它來測量閉合的電壓值則會造成測量誤差太大，不能正確的計算出接觸電阻。

當(dāng)檢測試驗開始后，USB?6259 BNC數(shù)字輸出端發(fā)出高電平，驅(qū)動對應(yīng)試品的負(fù)載回路動作，固態(tài)繼電器導(dǎo)通驅(qū)動輔助接觸器動作，使負(fù)載形成通路。如所測試品為直流線圈，則對直流固體繼電器組發(fā)出驅(qū)動信號，如果是交流線圈，則對交流固體繼電器組發(fā)出驅(qū)動信號，控制試品按設(shè)置的操作頻率開始通斷。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該試驗裝置的軟件開發(fā)是基于LabVIEW虛擬儀器所設(shè)計的，本系統(tǒng)軟件使用的是LabVIEW 2014版。軟件功能主要包含試驗初始化、參數(shù)設(shè)置、開始試驗、生成報表等。軟件的程序流程圖如圖3所示。

2.1 試驗初始化及參數(shù)設(shè)置

每次開始試驗之前需要進(jìn)行初始化操作，程序會自動創(chuàng)建帶時間戳的新文件及儲存路徑，以免覆蓋上次試驗保存的數(shù)據(jù)。通過初始化操作對試驗進(jìn)行的所有參數(shù)進(jìn)行賦初值，其中包括采集卡的采樣率、采樣數(shù)、采樣輸入范圍；線圈、負(fù)載線圈控制字；程序中所設(shè)置的全局變量等。參數(shù)設(shè)置是根據(jù)本次試驗所需條件進(jìn)行設(shè)置，其中包括試驗類型、采集參數(shù)、試驗基本參數(shù)、觸點類型、負(fù)載條件、試驗人員及單位信息等，在試驗類型中需要選擇相應(yīng)的類型，不同的試驗類型所對應(yīng)的試驗條件可能不同。

2.2 開始試驗

試驗初始化及參數(shù)設(shè)置操作完成之后，點擊開始試驗，程序立即進(jìn)入“開始試驗”事件中，按照設(shè)置的操作頻率依次循環(huán)執(zhí)行。若沒有達(dá)到設(shè)置的允許失效次數(shù)，則循環(huán)進(jìn)行分?jǐn)嗖僮髦钡皆囼灤螖?shù)達(dá)到設(shè)置的試驗總操作次數(shù)，程序自動暫停并保存試驗數(shù)據(jù)；若達(dá)到允許失效次數(shù)，程序暫停并保存失效數(shù)據(jù)，以供試驗人員進(jìn)行后期的分析和判斷。

2.3 生成報表

試驗完成后，程序會自動生成此次試驗的試驗報表，存儲在本地硬盤中。試驗報表內(nèi)容主要包括生成報表原因、參與試驗的試品個數(shù)、試驗起始時間、試品通道信息、試驗設(shè)置的參數(shù)情況、試品失效信息、分?jǐn)鄤幼鲿r間檢測統(tǒng)計、試品接觸電阻檢測統(tǒng)計等信息，試驗報表能夠?qū)υ囼灲Y(jié)果有一個比較直觀的數(shù)據(jù)展示，是對該次試驗的整體總結(jié)。存儲的報表為以后查看某個型號的試品試驗情況提供了參考依據(jù)。

3 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

圖4為某時刻截取的試驗運行時的前面板，圖中所看到的電壓、電流和失效數(shù)據(jù)等僅為A1通道試品的實時顯示情況。該面板采用選項卡的方式對各通道實時數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。圖5所示的波形圖分別為常開觸頭的一次正常通斷的波形圖。從理論角度分析，對于常開觸頭，若觸點吸合，則電壓是從負(fù)載電源電壓跳變到0 V。若觸點斷開，則電壓是從0 V通過多次跳變到達(dá)負(fù)載電源電壓。為了消除外界雜波，軟件設(shè)計中還添加了濾波程序。作為電壽命檢測，所設(shè)參數(shù)已經(jīng)達(dá)到所需要求。

為了反映出完整的一次通斷過程的圖形，這里將吸合和斷開電壓、電流波形圖放在一幅圖中，從波形圖可以看出，斷開過程電壓依然處在0 V附近，電流經(jīng)過幾毫秒跳變繼續(xù)穩(wěn)定在25 A左右，該波形圖表明，觸頭發(fā)生了熔焊失效。值得注意的是，觸頭的熔焊是指兩電極接觸區(qū)域靠金屬溶化而結(jié)合在一起的一種現(xiàn)象。通過對試驗結(jié)果的分析，驗證了系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié) 語

電磁繼電器和交流接觸器作為重要的工業(yè)控制元件，它們的使用壽命情況一直深受國內(nèi)外學(xué)術(shù)界及其生產(chǎn)廠商所關(guān)注。本文提出一套基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺的交、直流繼電器和交流接觸器電壽命試驗裝置。該裝置通過LabVIEW軟件程序?qū)υ嚻返拿恳粋€觸點電壓、電流波形、操作頻率、動作時間、接觸電阻等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示；其測量最大電壓范圍為：DC 0～50 V，AC 0～400 V；電流范圍為：0～200 A（AC/DC），測量精度約為0.5%，且可以在測試?yán)^電器和交流接觸器之間靈活的切換，具有可靠性較高、成本低、性能相對穩(wěn)定等優(yōu)點，同時還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集處理功能和硬件控制能力。endprint

注：本文通訊作者為楊志偉。

參考文獻(xiàn)

[1] 侯月賓，蒙建洲，李耀林.繼電器電壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用[J].電工材料，2012（3）：33?37.

HOU Yuebin， MENG Jianzhou， LI Yaolin. Development and application of online monitoring system for relay tests [J]. Electrical engineering materials， 2012（3）： 33?37.

[2] 何瑞華.我國新一代低壓電器發(fā)展與展望[J].低壓電器，2012（1）：1?6.

HE Ruihua. Development and prospect of new low voltage apparatus in China [J]. Low voltage apparatus， 2012（1）： 1?6.

[3] 劉剛.AC?4條件下交流接觸器分?jǐn)嚯娏飨辔豢刂婆c電氣壽命的研究[D].溫州：溫州大學(xué)，2015.

LIU Gang. Study on phase control and electrical life of AC contactor breaking current under AC?4 [D]. Wenzhou： Wenzhou University， 2015.

[4] 陸儉國，王景芹，陸賓.電器可靠性工作概況與發(fā)展前景[J].低壓電器，2014（2）：1?7.

LU Jianguo， WANG Jingqin， LU Bin. Overview and development prospect of reliability of electrical apparatus [J]. Low voltage apparatus， 2014（2）： 1?7.

[5] HUANG X G， JING Z R. The collection system of relay electrical endurance based on LabVIEW [J]. Applied mechanics & materials， 2012， 148/149： 1154?1157.

[6] ZENG X， LI X， LU X， et al. Study on reliability test system for miniature circuit breaker based on virtual instrument technology [J]. Electrotechnics electric， 2012（7）： 4.

[7] OPPERMANN M， ALBRECHT O， KLEMM A， et al. Low?cost electrical measurement systems for reliability testing [C]// Proceedings of Electronics System?Integration Technology Conference. Helsinki： IEEE， 2014： 1?5.

[8] 葉子，吳桂初，舒亮.基于LabVIEW的智能交流接觸器動態(tài)性能測試系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（3）：88?91.

YE Zi， WU Guichu， SHU Liang. Dynamic characteristic test?system for intelligent AC contactor based on LabVIEW [J]. Application of electronic technique， 2013， 39（3）： 88?91.

[9] 張敬帥，張丕狀，白雪萍.基于虛擬儀器的多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37（4）：74?76.

ZHANG Jingshuai， ZHANG Pizhuang， BAI Xueping. Design of multi channel data analysis system based on virtual instrument [J]. Application of electronic technology， 2011， 37（4）： 74?76.

[10] 狄美華，李震彪，吳細(xì)秀.開關(guān)電器觸頭電壽命診斷方法綜述[J].高壓電器，2004，40（3）：201?204.

DI Meihua， LI Zhenbiao， WU Xixiu. An overview of the diagnosis of electrical life of switch contacts [J]. High voltage apparatus， 2004， 40（3）： 201?204.

[11] 謝冰，陳昌鑫，鄭賓.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（14）：173?175.

XIE Bing， CHEN Changxin， ZHENG Bin. Design of data acquisition and signal processing system based on LabVIEW [J]. Modern electronics technique， 2011， 34（14）： 173?175.endprint