張 星, 劉向軍

(福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院, 福建 福州 350108)

0 引 言

小型拍合式功率繼電器廣泛應(yīng)用于各種類型的家用電器中,主要負(fù)責(zé)開斷交流負(fù)載,在分?jǐn)噙^程中會產(chǎn)生高能量的交流電弧。小型拍合式功率繼電器結(jié)構(gòu)簡單,體積較小,無滅弧裝置,主要依靠交流電流過零熄弧,因此燃弧時(shí)間普遍較長,電弧對觸點(diǎn)具有較強(qiáng)的燒蝕作用,當(dāng)燒蝕量累積到一定程度時(shí)就會發(fā)生觸點(diǎn)失效;此外電弧運(yùn)動不規(guī)律,時(shí)常跑出觸點(diǎn)燒蝕簧片,使簧片變形彎曲,進(jìn)而影響功率繼電器的電壽命和可靠性。由于電弧的產(chǎn)生時(shí)間極短,溫度極高,不可能對其進(jìn)行直接觀察,因此長久以來如何對電弧進(jìn)行可視化研究,理解其燃弧機(jī)理和電弧特性一直是很多學(xué)者研究的方向。

開關(guān)電器電弧是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象,傳熱、氣體流動、電場和磁場都是影響電弧的重要因素[1]。目前,人們對電弧的研究主要有兩種手段:實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)值仿真。電弧測試的方法主要有光纖陣列法、光譜測量法和高速攝像法等[2]。光纖陣列法主要用于測試電弧等離子體的動態(tài)過程,如文獻(xiàn)[3]利用二維光纖陣列測量了大電流開關(guān)電弧附近發(fā)現(xiàn)的等離子體流動,研究了單次大電流放電過程中電極和電弧表面的變化。光譜測量法用于測試等離子體中的原子密度和分子溫度、等離子體化學(xué)組成及電場強(qiáng)度分布等參數(shù),如文獻(xiàn)[4,5]利用光譜測量法分別測量長間隙空氣電弧等離子體和焊接電弧的溫度場分布。文獻(xiàn)[6]利用彩色攝像機(jī)和光譜儀進(jìn)行聯(lián)合測溫,實(shí)現(xiàn)了燃弧過程不同時(shí)刻電弧溫度場空間分布的測量,并應(yīng)用該方法研究了不同電流下的穩(wěn)態(tài)電弧溫度場分布。高速攝像法可以拍攝電弧的燃燒過程,得到高清晰度的圖像,如文獻(xiàn)[7-9]利用電荷耦合元件(Charge Coupled Devices,CCD)對電弧運(yùn)動過程進(jìn)行影像捕捉,分析了電弧燃燒過程的形態(tài)特點(diǎn);文獻(xiàn)[10-12]利用高速攝像機(jī)拍攝電器分?jǐn)噙^程產(chǎn)生的電弧,采集并處理電弧圖像,分析電弧的形態(tài)特征和運(yùn)動特性。此外,文獻(xiàn)[13-16]采用高速攝像機(jī)對電器機(jī)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)測試,深入分析了電磁機(jī)構(gòu)或觸頭系統(tǒng)的三維動作過程。以上研究在電弧測試和電器動作機(jī)構(gòu)動態(tài)特性方面取得了一定成果,但均未將電弧和機(jī)構(gòu)動作聯(lián)系起來研究動作機(jī)構(gòu)對電弧的影響。

由于電弧的產(chǎn)生和熄滅與電器動作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動存在緊密的關(guān)系,對電弧與機(jī)構(gòu)運(yùn)動的相互關(guān)系進(jìn)行研究,可以了解電弧運(yùn)動特性和觸頭侵蝕機(jī)理,從而有助于改進(jìn)繼電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高動作可靠性[17]。小型拍合式功率繼電器主要由電磁機(jī)構(gòu)、推動塊、動簧片、靜簧片以及底座組成,體積小,結(jié)構(gòu)簡單。由于簧片的剛度較小,觸頭分?jǐn)鄷r(shí)簧片在反力的作用下左右振動,同時(shí),電弧也隨著簧片的振動在觸頭表面上下運(yùn)動。因此,本文提出一種測試方法,利用高速攝像機(jī)測試系統(tǒng),在盡量保持產(chǎn)品原狀態(tài)下,實(shí)現(xiàn)對繼電器簧片和電弧的非接觸式同步測試,利用MATLAB和 Image-Pro Plus 圖像處理軟件進(jìn)行處理,得到簧片振動與觸頭電弧弧根位移的關(guān)系曲線,通過對動、靜簧片進(jìn)行處理,分析影響簧片剛度對電弧運(yùn)動的影響,為繼電器結(jié)構(gòu)改進(jìn),提高電壽命與可靠性提供參考。

1 同步測試系統(tǒng)

簧片與電弧的同步測試系統(tǒng)框圖如圖1所示。該測試系統(tǒng)主要由高速攝像機(jī)、選相分閘模塊、照明裝置、繼電器固定平臺和計(jì)算機(jī)等組成。

本文使用Phantom M310高速攝像機(jī),最大分辨率為1 280×800,最小曝光時(shí)間為2 μs,最高拍攝速率為650 000幀/s,與計(jì)算機(jī)組成圖像采集與處理系統(tǒng),記錄繼電器接通/分?jǐn)噙^程中簧片和電弧的圖像。同時(shí),采用數(shù)字示波器記錄電弧電壓和電流波形。采用Image-Pro Plus軟件提取簧片上所貼的標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)值,并轉(zhuǎn)化為實(shí)際位移,得出簧片位移隨時(shí)間變化的曲線。利用MATLAB對電弧圖像進(jìn)行處理,提取電弧弧根的坐標(biāo)值,繪制弧根運(yùn)動曲線。

選相分閘模塊的作用是控制繼電器的分?jǐn)鄷r(shí)刻,從而控制燃弧時(shí)間。在進(jìn)行測試時(shí),選相分閘模塊的檢零電路通過電流互感器檢測主回路電流,并將電流的正弦信號轉(zhuǎn)換為方波信號(正弦信號的過零點(diǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘柕纳仙睾拖陆笛?輸出給單片機(jī)模塊。當(dāng)單片機(jī)檢測到方波信號的上升沿時(shí),便會控制觸頭在1 ms后斷開,因此每組實(shí)驗(yàn)均在交流電流的正半周相同時(shí)刻分?jǐn)?各組的實(shí)驗(yàn)條件保持一致,從而有利于對比分析不同簧片振動特性下繼電器的電弧運(yùn)動特性,探索簧片振動與電弧運(yùn)動之間的關(guān)系。

為了便于拍攝繼電器機(jī)構(gòu)和電弧圖像,又不影響電弧的運(yùn)動特性,拆除繼電器的外殼,以有機(jī)玻璃封裝。為了精確測量繼電器動作過程中簧片的瞬時(shí)位置,本文通過在動、靜簧片的頂部各貼上一片白色薄紙,大小僅1 mm×1 mm,通過高速攝像機(jī)采集薄紙上的黑色標(biāo)記點(diǎn)圖像,經(jīng)過圖像處理后獲取標(biāo)記點(diǎn)的位置信息。拍合式繼電器的觸簧系統(tǒng)如圖2所示,其中觸點(diǎn)直徑為2.8 mm,開距為0.5 mm。

2 測試結(jié)果與處理

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

本文研究的小型拍合式繼電器線圈額定電壓為12 V DC,主回路工頻電壓為240 V AC,電流為10 A,負(fù)載為阻感性,功率因數(shù)為0.75。對同一型號的10只繼電器樣品分別進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn):

(1)不作任何處理,作為對照實(shí)驗(yàn);

(2)用剛度較大的金屬薄片固定靜簧片,在不影響繼電器分?jǐn)嗟那闆r下減弱靜簧片的振動;

(3)用同一種方式加固動簧片,同時(shí)減弱動簧片和靜簧片的振動。

在上述實(shí)驗(yàn)條件下分別拍攝電弧從產(chǎn)生到熄滅的過程。測試現(xiàn)場圖如圖3所示。

為保證完整清晰地拍攝電弧和觸簧系統(tǒng)的運(yùn)動過程,拍攝前調(diào)節(jié)拍攝畫面的分辨率和曝光時(shí)間以及相機(jī)鏡頭的焦距和光圈等參數(shù),以達(dá)到最佳成像效果。所拍攝的分?jǐn)噙^程簧片和觸頭電弧運(yùn)動的部分圖像如圖4所示。圖片分辨率為128×128,曝光時(shí)間為3.02 μs,拍攝速率為90 000幀/s。

圖4 分?jǐn)噙^程簧片和觸頭電弧運(yùn)動的部分圖像

通過觀察電弧燃燒的視頻發(fā)現(xiàn),在電弧運(yùn)動最劇烈或電弧運(yùn)動范圍最大的情況下,弧根始終停留在觸點(diǎn)表面上,沒有離開觸點(diǎn),但有離開觸點(diǎn)表面的趨勢,弧根在觸點(diǎn)的頂部和底部如圖5所示。

2.2 圖像處理與參數(shù)提取

采用圖像處理軟件Image-Pro Plus對采集到的標(biāo)記點(diǎn)圖像進(jìn)行處理,取得各個(gè)時(shí)刻對應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)的二維坐標(biāo),再將該坐標(biāo)數(shù)值乘以一個(gè)標(biāo)定值(該標(biāo)定值為簧片上兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的實(shí)際距離與經(jīng)圖像處理所得的這兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的像素距離之比),從而得到簧片位移特性曲線。

本文采用Image-Pro Plus軟件的高斯高通濾波器進(jìn)行圖像濾波,并利用MATLAB軟件的灰度變換函數(shù)對電弧進(jìn)行灰度增強(qiáng),可有效抑制電弧的光暈和背景區(qū)域,突出電弧邊緣,達(dá)到改善圖像質(zhì)量的效果。經(jīng)過上述步驟處理得到的部分電弧圖像如圖6所示。

圖6 處理后得到的部分電弧圖像

考慮到本文研究的具體對象是電弧的弧根部分,弧根位于動觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)的平面上,通過Canny算子對電弧圖像進(jìn)行邊緣檢測,提取電弧的邊界位置,區(qū)分電弧和背景區(qū)域。Canny算子邊緣檢測結(jié)果如圖7所示。

圖7 Canny算子邊緣檢測結(jié)果

弧根位于動觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)的平面上,即電弧圖像中的左側(cè)弧根和右側(cè)弧根。用MATLAB編程自動提取弧根位置的算法如下:

(1) 讀入邊緣檢測后的電弧圖像,用find函數(shù)尋找電弧邊緣點(diǎn)的像素點(diǎn)坐標(biāo),存入數(shù)組。

(2) 將該數(shù)組按照橫坐標(biāo)排序。

(3) 橫坐標(biāo)為最小值的像素點(diǎn)即為電弧左側(cè)弧根的像素點(diǎn),橫坐標(biāo)為最大值的像素點(diǎn)即為右側(cè)弧根的像素點(diǎn)。

(4) 將弧根中心處像素點(diǎn)坐標(biāo)作為弧根像素點(diǎn)坐標(biāo),得到弧根各個(gè)時(shí)刻對應(yīng)位置點(diǎn)的二維坐標(biāo),同樣地將該數(shù)值乘以標(biāo)定值,從而得到弧根的運(yùn)動特性曲線。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 簧片與電弧運(yùn)動的關(guān)系曲線

本文將電弧與動觸頭表面接觸的弧根作為左弧根,與靜觸點(diǎn)接觸的弧根作為右弧根,左右弧根始終在觸點(diǎn)表面做上下運(yùn)動,因此本文以豎直方向的位移來表征弧根的運(yùn)動特性。根據(jù)電弧的起始時(shí)刻將弧根的運(yùn)動曲線添加到簧片的位移特性曲線上,得到隨時(shí)間變化的簧片位移與電弧運(yùn)動之間的關(guān)系曲線。由于篇幅的限制,10只繼電器樣品的試驗(yàn)結(jié)果無法逐一列出,而且多只繼電器樣品的試驗(yàn)結(jié)果具有相似性,因此本文列出了3只具有代表性的繼電器樣品的試驗(yàn)結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析,分別如圖8～圖10所示(每條曲線均由800多幀圖片對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)描繪而成)。其中圖8列出了各組實(shí)驗(yàn)的電弧電壓和電流的波形。對于動簧片和靜簧片,水平向右是正方向;對于弧根,豎直向下是正方向。

如圖8～圖10所示,觸點(diǎn)分離后動簧片和靜簧片仍然持續(xù)地左右振動,由于兩者振動不同步,導(dǎo)致觸點(diǎn)間距持續(xù)變化。隨著動/靜簧片的振動,弧根也在觸點(diǎn)表面不停地運(yùn)動,直到電流過零熄滅,燃弧時(shí)間均為9 ms。

圖8所示為繼電器a在3種條件下拍攝后處理得到的動/靜簧片與弧根之間的運(yùn)動曲線,動簧片的初始振幅分別為0.15、0.20、0.13 mm,熄弧時(shí)刻振幅分別為0.02、0.03、0 mm,靜簧片的初始振幅分別為0.18、0.08、0.07 mm,熄弧時(shí)刻振幅分別為0.14、0、0 mm?；「?～3 ms內(nèi)最大位移分別為1.12、1.29、1.25 mm,在3～9 ms最大位移分別為1.05、0.91、0.47 mm。繼電器a在不作任何處理的條件下電弧運(yùn)動有一個(gè)明顯特征:弧根在動/靜簧片相互靠近時(shí)運(yùn)動范圍增大,上下運(yùn)動較為劇烈;靜簧片加固后,其振幅明顯減小,且衰減較快,靜簧片加固后由于反力增大,導(dǎo)致動/靜簧片分離后動簧片振幅增加?；「?～3 ms的運(yùn)動范圍增大,在3～9 ms的運(yùn)動范圍減小,并出現(xiàn)兩段較為平穩(wěn)的燃燒時(shí)間段;動/靜簧片均加固后,動/靜簧片的振幅均減小并且衰減極快,弧根在0～3 ms的運(yùn)動范圍較大,弧根最大位移1.25 mm,在3～9 ms的運(yùn)動范圍明顯減小,弧根最大位移0.47 mm,電弧燃燒較為平穩(wěn)。當(dāng)簧片振動幅度較大時(shí),電弧運(yùn)動較為劇烈,與此同時(shí)電弧電壓的波形也波動較大;當(dāng)簧片振幅較小時(shí),電弧運(yùn)動較穩(wěn)定,電弧電壓的波形也較為平滑。導(dǎo)致電弧電壓呈波浪形的原因是隨著動/靜簧片的非同步振動,觸頭開距不斷發(fā)生變化,弧長也相應(yīng)變化,引起電弧電壓變化。

圖9所示為繼電器b在3種試驗(yàn)條件下拍攝后處理得到的動/靜簧片與弧根之間的運(yùn)動曲線,動簧片的初始振幅分別為0.19、0.25、0.18 mm,熄弧時(shí)刻振幅分別為0.04、0.05、0 mm,靜簧片的初始振幅分別為0.18、0.07、0.06 mm,熄弧時(shí)刻振幅分別為0.05、0、0 mm?；「淖畲笪灰品謩e為1.75、1.42、1.36 mm。繼電器b在不作任何處理的條件下電弧上下運(yùn)動較為劇烈,弧根的運(yùn)動范圍較大;靜簧片加固后,靜簧片的振幅明顯減小,且衰減較快,靜簧片加固后反力增大,導(dǎo)致動簧片的振幅增加,電弧的上下運(yùn)動仍比較劇烈,但電弧的運(yùn)動范圍減小;動/靜簧片均加固后,動簧片的振幅沒有明顯減小但衰減極快,動簧片振動一次便恢復(fù)靜止,電弧的上下運(yùn)動沒有得到進(jìn)一步的改善,但電弧的運(yùn)動范圍有所減小。

圖10所示為繼電器c在3種試驗(yàn)條件下拍攝后處理得到的動/靜簧片與弧根之間的運(yùn)動曲線,動簧片的初始振幅分別為0.08、0.09、0.08 mm,熄弧時(shí)刻振幅分別為0、0.02、0 mm,靜簧片的初始振幅分別為0.09、0.09、0.08 mm,熄弧時(shí)刻振幅分別為0.04、0、0 mm。弧根的最大位移分別為1.22、1.12、1.03 mm。繼電器c在不作任何處理的條件下動簧片的振幅較小,衰減也較快,電弧運(yùn)動的規(guī)律性不強(qiáng);靜簧片加固后,靜簧片的振幅明顯減小,且衰減較快,電弧的運(yùn)動范圍減小,出現(xiàn)兩段較為穩(wěn)定的燃燒時(shí)間段;動/靜簧片均加固后,動簧片的振幅沒有明顯減小但衰減極快,電弧在0～3 ms運(yùn)動范圍較大,弧根最大位移1.03 mm,在3～9 ms運(yùn)動范圍較小,弧根最大位移0.19 mm,電弧燃燒相對平穩(wěn)。

3.2 結(jié)果討論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,繼電器a和c觸頭分離后產(chǎn)生的電弧在0～3 ms內(nèi)運(yùn)動范圍較大,此時(shí)的簧片振動幅度也較大,在觸頭分離的3～9 ms內(nèi)運(yùn)動范圍較小,此時(shí)簧片振動幅度也較小。靜簧片加固后,靜簧片振動減弱,動簧片振動增強(qiáng),電弧在0～3 ms內(nèi)運(yùn)動范圍增加,在3～9 ms內(nèi)運(yùn)動范圍減小,并出現(xiàn)2 ms以上的平穩(wěn)燃弧。動/靜簧片均加固后,動簧片的振動幅度衰減變快,在0～3 ms簧片振動的幅度較大,電弧的運(yùn)動范圍也較大,但在3～9 ms內(nèi),簧片接近靜止?fàn)顟B(tài),弧根運(yùn)動范圍大大減小,電弧燃燒相對平穩(wěn)。繼電器b的電弧運(yùn)動范圍最大,弧根上下運(yùn)動也最為劇烈,在動簧片與靜簧片加固后,簧片的振動減弱,并且衰減極快,電弧的運(yùn)動范圍減小。由上述分析可以看出,動/靜簧片的振動對電弧運(yùn)動的影響極大。

繼電器分?jǐn)鄷r(shí),簧片在反力的初始激勵作用后,僅靠其本身的彈性恢復(fù)力自由地振動,由于受到空氣阻力,在振動過程中不斷克服阻力做功,消耗能量,振幅會隨時(shí)間逐漸衰減,因此觸簧系統(tǒng)在分?jǐn)噙^程是一個(gè)有阻尼的自由振動系統(tǒng)。當(dāng)物體以較低速度在空氣中運(yùn)動,可認(rèn)為阻尼與速度成正比。取簧片的靜止位置為坐標(biāo)原點(diǎn),選x軸水平向右為正,根據(jù)牛頓第二定律,有阻尼的自由振動微分方程如下:

-mx″=cx′+kx

(1)

化為二階常系數(shù)齊次線性微分方程:

x″+2nx′+p2x=0

(2)

式中:m——簧片的質(zhì)量;

x——簧片質(zhì)心的位移;

x′——位移x對時(shí)間t的一階微分;

x″——位移x對時(shí)間t的二階微分;

c——阻尼系數(shù);

k——簧片的彈性常量。

特征根和運(yùn)動微分方程的通解形式與阻尼大小有關(guān),引入阻尼比ζ=n/p,其是阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)的比值。

在過阻尼(ζ>1)和臨界阻尼(ζ=1)這兩種情況下簧片位移x是按負(fù)指數(shù)衰減的非周期性運(yùn)動,不符合簧片的衰減振動過程。因此本文只分析欠阻尼的情況,而欠阻尼(ζ<1)時(shí)的特征根與通解分別為

x=e-nt(C1cosp′t+C2sinp′t)

(3)

式中:C1、C2——積分常數(shù),由簧片運(yùn)動的初始條件確定。

設(shè)t=0時(shí),x=x0,x′=x′0,解得

(4)

將式(4)代入式(3)得到:

x=Ae-ntsin(p′t+α)

(5)

由式(5)可知,x的解有兩個(gè)因子,一個(gè)是衰減的指數(shù)函數(shù)Ae-nt,將使振幅越來越小,直至振動完全停止;另一個(gè)是正弦函數(shù)sin(p′t+α),表示系統(tǒng)以相同的周期通過平衡位置。因此,在欠阻尼情況下,簧片的自由振動不是等幅的簡諧運(yùn)動,而是按負(fù)指數(shù)衰減的衰減振動,衰減振動的頻率為p′,衰減速度取決于ζp。阻尼比ζ與簧片的形狀、尺寸及介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān),參數(shù)p與簧片的質(zhì)量和材料性質(zhì)有關(guān),ζp越大,振動衰減得越快。因此,可以通過改變簧片的形狀、尺寸和材料參數(shù)來改變簧片的振動特性。

4 結(jié) 語

本文針對小型拍合式功率繼電器的簧片振動導(dǎo)致電弧時(shí)常跑出觸頭燒蝕簧片的問題,搭建基于高速攝像機(jī)的同步測試系統(tǒng),通過控制變量法依次改變繼電器靜簧片和動簧片的剛度,拍攝繼電器分?jǐn)噙^程中電弧運(yùn)動和機(jī)構(gòu)動作圖像,進(jìn)而處理圖像得到簧片的振動特性和電弧運(yùn)動的關(guān)系曲線。通過對比3種條件下的簧片振動特性與電弧運(yùn)動之間的關(guān)系曲線,得出以下結(jié)論:

(1)簧片經(jīng)過加固后,靜簧片初始振幅明顯減小,動簧片因反力增大而初始振幅變化不大,但動/靜簧片的振動衰減速度均變快,電弧的運(yùn)動范圍減小,燃燒相對平穩(wěn)。

(2)減弱簧片的振動幅度、加快簧片振幅的衰減對電弧的運(yùn)動范圍有明顯的改善,其中減小動簧片的振動幅度對電弧運(yùn)動有著更加顯著的影響。

(3)繼電器觸頭分?jǐn)嗪?簧片在反力的初始激勵后做欠阻尼的自由振動,可以通過改變簧片的形狀、尺寸和材料來改變簧片的振動特性,從而改變電弧運(yùn)動特性。