李 奎 張國(guó)盼 鄭淑梅 黃少坡 趙成晨

（1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)） 天津 300130 2. 河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)） 天津 300130 3. 中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心 天津 300180）

0 引言

交流接觸器是一種應(yīng)用廣泛的低壓控制電器，主要用于遠(yuǎn)距離頻繁接通和斷開交流主電路和大容量的控制電路[1-2]。通常交流接觸器的機(jī)械壽命遠(yuǎn)高于電壽命，分?jǐn)噙^程中電弧侵蝕引起的觸頭磨損是造成交流接觸器失效的主要原因[3]。許多學(xué)者在抑制電弧侵蝕和提升接觸器壽命方面進(jìn)行了大量研究。

文獻(xiàn)[4]在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)分?jǐn)噙^程中燃弧時(shí)間、電弧能量、起弧相角（Arc Starting Phase Angle, ASPA）、觸頭質(zhì)量損失進(jìn)行研究，分析得出電弧電流和燃弧時(shí)間是決定電弧侵蝕量大小的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[5]借鑒斷路器觸頭磨損機(jī)理，給出了交流接觸器觸頭電弧侵蝕量的計(jì)算方法。在文獻(xiàn)[5]基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[6]通過分析接觸器三相觸頭的燃弧電流和電弧侵蝕量計(jì)算方法建立了交流接觸器電壽命模型。文獻(xiàn)[7-10]基于上述模型研究交流接觸器電壽命的分布，并運(yùn)用多種方法對(duì)交接觸器的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。零電流分?jǐn)嗉夹g(shù)是減小電弧侵蝕、提升交流接觸器壽命的有效手段[11-12]。但是由于交流接觸器分?jǐn)噙^程中三相電流不同時(shí)過零，導(dǎo)致三相零電流分?jǐn)噍^難實(shí)現(xiàn)[13]。有學(xué)者提出使用可獨(dú)立控制的三臺(tái)小規(guī)格單相接觸器組合成為三相交流接觸器，通過分別控制各臺(tái)單相接觸器來實(shí)現(xiàn)三相零電流分?jǐn)郲14]。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一種三相觸頭開距不同的接觸器結(jié)構(gòu)，使三相零電流分?jǐn)嘧優(yōu)榭赡?。文獻(xiàn)[16]基于統(tǒng)計(jì)方法對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分?jǐn)嚯娀√匦赃M(jìn)行研究，提出可以通過控制起弧相角降低分?jǐn)噙^程中的燃弧能量。由于多種因素的影響，從線圈斷電時(shí)刻到觸頭剛剛分離時(shí)刻的時(shí)間間隔具有隨機(jī)性，導(dǎo)致很難通過控制線圈斷電時(shí)刻實(shí)現(xiàn)起弧相角的精確控制[17]。文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)了一種接觸器控制拓?fù)洌萌ゴ烹娐房s短接觸器吸持到分?jǐn)嗟膭?dòng)作時(shí)間，以減小釋放時(shí)間波動(dòng)性對(duì)分?jǐn)噙^程的影響。文獻(xiàn)[19]應(yīng)用小波能量譜分析觸頭電壓與電弧重燃的關(guān)聯(lián)，探討了抑制分?jǐn)嚯娀『椭厝嫉淖罴逊謹(jǐn)鄥^(qū)域。

本文在不改變交流接觸器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于觸頭電弧侵蝕量和觸頭累積損傷理論，提出一種交流接觸器電壽命最大化的分?jǐn)嗫刂撇呗?。同時(shí)，考慮交流接觸器釋放時(shí)間的隨機(jī)性以及運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)服役參數(shù)的變化，進(jìn)行控制參數(shù)的實(shí)時(shí)修正，實(shí)現(xiàn)交流接觸器電壽命的最大化控制，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基于電弧侵蝕的交流接觸器電壽命分析

1.1 起弧相角對(duì)觸頭電弧侵蝕的影響

綜合考慮電弧電流和燃弧時(shí)間的影響，用電弧電流對(duì)燃弧時(shí)間的積分來反映觸頭電弧侵蝕量，其計(jì)算式為[5]

式中，q為電弧侵蝕量；α為電弧侵蝕常數(shù)；ts為起弧時(shí)刻，即接觸器觸頭開始分離的時(shí)刻；tx為熄弧時(shí)刻，即電弧電流過零熄滅的時(shí)刻；ih(t)為燃弧期間的電弧電流。

起弧相角示意圖如圖1 所示，將起弧時(shí)刻前最近的一個(gè)負(fù)載電流周期起點(diǎn)作為參考零點(diǎn)，如圖中t0所示。從參考零點(diǎn)到起弧時(shí)刻經(jīng)過的相角記為起弧相角φs，從參考零點(diǎn)到熄弧時(shí)刻經(jīng)過的相角記為熄弧相角φx。

圖1 起弧相角示意圖Fig.1 Schematic diagram of ASPA

電弧侵蝕量計(jì)算公式可表示為電弧電流對(duì)燃弧相角的積分，即

式中，ω為電源角頻率。對(duì)于設(shè)計(jì)和制造工藝成熟的同型號(hào)接觸器，可認(rèn)為電弧侵蝕常數(shù)α相同，一般可以通過測(cè)量觸頭質(zhì)量隨操作次數(shù)變化關(guān)系獲得。相同工作條件下電源角頻率ω也相同，則由式（2）可知，電弧侵蝕量的大小由起弧相角?s、熄弧相角x?和電弧電流ih(φ)三個(gè)量決定。由于三相電流的相位差為120°，交流接觸器分?jǐn)噙^程中某相觸頭的電流會(huì)先于其他兩相電流過零，則該相觸頭的電弧首先熄滅。交流接觸器在控制電機(jī)類負(fù)載時(shí)，負(fù)載中性點(diǎn)與電源中性線不連接。以A相觸頭電流相角為基準(zhǔn)，將起弧相角分為[0,π/3]、[π/3,2π/3]、[2π/3,π]三個(gè)區(qū)域，三相的燃弧電流如圖2 所示。

圖2 起弧相角在不同區(qū)域的電弧電流Fig.2 Arcing currents at different ASPA

圖2 中粗線為電弧電流，虛線表示起弧時(shí)刻，點(diǎn)畫線表示首開相熄弧時(shí)刻。由圖2 分析可得各相觸頭的熄弧相角，將熄弧相角分別代入式（2）可得各相觸頭電弧侵蝕量的表達(dá)式。相同工作條件下，負(fù)載電流的有效值I不變，選取αI2作為基準(zhǔn)值對(duì)電弧侵蝕量進(jìn)行標(biāo)幺化，觸頭電弧侵蝕量標(biāo)幺值q*隨起弧相角的變化規(guī)律如圖3 所示。

圖3 電弧侵蝕量隨起弧相角的變化規(guī)律Fig.3 Arc erosions at different ASPA

由圖3 可得，在[0,π/3]、[π/3,2π/3]、[2π/3,π]三個(gè)區(qū)域內(nèi)，各相觸頭的電弧侵蝕量均單調(diào)遞減，磨損最嚴(yán)重相依次為B 相、A 相、C 相。

1.2 控制方式對(duì)交流接觸器電壽命的影響

根據(jù)電弧侵蝕的損傷累積效應(yīng)可知，隨著分?jǐn)啻螖?shù)的增加，電弧侵蝕對(duì)觸頭的磨損量也不斷累積。當(dāng)觸頭的磨損量達(dá)到其磨損閾值Q時(shí)觸頭失效，此時(shí)的操作次數(shù)即為其壽命值。若交流接觸器每相觸頭的磨損閾值Q相同，則三相交流接觸器電壽命由磨損最嚴(yán)重相觸頭的壽命決定。如圖3 所示，起弧相角在[0,π/3]內(nèi)B 相觸頭的電弧侵蝕量最大，則B相觸頭的壽命即為交流接觸器的壽命。交流接觸器在不同分?jǐn)嗫刂品绞较拢溆|頭的電弧侵蝕不同。一般情況下，分?jǐn)嗫刂品绞娇梢苑譃椋弘S機(jī)起弧相角分?jǐn)唷⒐潭ㄆ鸹∠嘟欠謹(jǐn)?、三相均勻磨損分?jǐn)嗳N方式。

1.2.1 隨機(jī)起弧相角分?jǐn)喾绞?/p>

一般情況下，交流接觸器釋放命令是隨機(jī)的，因此起弧相角也是隨機(jī)的，稱之為隨機(jī)起弧相角分?jǐn)喾绞健Ｔ谶@種方式下，可以認(rèn)為起弧相角在[0,π]內(nèi)服從均勻分布，因此三相觸頭在[0,π]內(nèi)的累積磨損量相同，任意相觸頭的平均電弧侵蝕量為

交流接觸器的電壽命可以用平均電壽命表示為

隨機(jī)起弧相角分?jǐn)喾绞较?，三相觸頭累積磨損量基本相等。為分析不同控制方式對(duì)交流接觸器電壽命的影響，可以將其他控制方式下的電壽命與平均電壽命進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2.2 固定起弧相角分?jǐn)喾绞?/p>

固定起弧相角分?jǐn)喾绞较拢看畏謹(jǐn)嗟钠鸹∠嘟窍嗤?，觸頭的電弧侵蝕量也相同。在用固態(tài)繼電器控制時(shí)，由于固態(tài)繼電器是電流過零關(guān)斷，因此交流接觸器線圈也過零斷電，若忽略隨機(jī)影響因素，可以認(rèn)為其分?jǐn)嗫刂品绞綖楣潭ㄆ鸹∠嘟欠謹(jǐn)喾绞健Ｓ蓤D3 可知，起弧相角在[0,π/3]、[π/3,2π/3]、[2π/3,π]三個(gè)區(qū)域內(nèi)交流接觸器電壽命的變化規(guī)律相同。固定起弧相角分?jǐn)喾绞较陆涣鹘佑|器電壽命記為Tg，則

式中，qm為磨損最嚴(yán)重相觸頭的電弧侵蝕量。根據(jù)式（5）可得固定起弧相角分?jǐn)喾绞较码妷勖黅g與隨機(jī)分?jǐn)喾绞较缕骄妷勖谋戎等鐖D4 所示。

圖4 固定起弧相角分?jǐn)嗟南鄬?duì)壽命Fig.4 Electrical life under the fixed ASPA control

由圖4 可知，固定起弧相角分?jǐn)喾绞较拢S著起弧相角的增大，電壽命增加。起弧相角為0°時(shí)，電壽命Tgmin為

起弧相角為60°時(shí)，電壽命Tgmax為

綜上所述，固定起弧相角分?jǐn)喾绞较?，相?duì)壽命的最小值約為0.42，最大值約為1.11。

1.2.3 三相均勻磨損分?jǐn)喾绞?/p>

三相均勻磨損分?jǐn)嗖捎幂喠骺刂品绞?，使交流接觸器各相觸頭的平均磨損相同。在該方式下將6次分?jǐn)嘧鳛橐粋€(gè)控制周期，6 次分?jǐn)嗟钠鸹∠嘟欠謩e記為?1～?6。使一個(gè)控制周期中的?1～?6分別在[0,π/3]、[π/3,2π/3]、[2π/3,π]、[π,4π/3]、[4π/3,5π/3]、[5π/3,2π]六個(gè)區(qū)域內(nèi)且依次相差60°，則可實(shí)現(xiàn)每個(gè)控制周期后三相觸頭的累積磨損量相等，即三相觸頭磨損均勻。

三相均勻磨損分?jǐn)喾绞较拢粋€(gè)控制周期內(nèi)任意相觸頭6 次分?jǐn)嗟睦鄯e電弧侵蝕量用qk表示為

則三相均勻磨損分?jǐn)喾绞较陆佑|器電壽命Tk為

根據(jù)式（8）和式（9）可得三相均勻磨損分?jǐn)喾绞较碌南鄬?duì)壽命，如圖5 所示。

圖5 三相均勻磨損分?jǐn)嗟南鄬?duì)壽命Fig.5 Electrical life under three-phase uniform wear control

由圖5 可知，三相均勻磨損分?jǐn)喾绞较?，隨1?增大電壽命增加，當(dāng)1?為30°時(shí)交流接觸器的電壽命與隨機(jī)起弧相角分?jǐn)喾绞较碌钠骄妷勖嗤?/p>

1?為0°時(shí)電壽命記為Tkmin，為

φ1為60°時(shí)電壽命記為Tkmax，為

三相均勻磨損分?jǐn)喾绞较?，相?duì)壽命的最小值約為0.71，最大值約為1.67。當(dāng)1?＞30°時(shí)，電壽命大于隨機(jī)起弧相角分?jǐn)喾绞较碌碾妷勖?，且每個(gè)控制周期后三相觸頭磨損均勻，接觸器失效時(shí)三相觸頭的累積磨損量相同。

2 交流接觸器壽命最大化控制

2.1 最佳起弧相角的分析

將線圈斷電時(shí)刻主回路的電源電壓的相角記為釋放相角，用?r表示。線圈斷電時(shí)刻到觸頭開始分離時(shí)刻經(jīng)過的時(shí)間記為釋放時(shí)間，用trs表示。釋放相角、釋放時(shí)間和起弧相角對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6 所示。

圖6 釋放時(shí)間與釋放相角對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Schematic of release time and release phase angle

由圖6 分析可知，起弧相角?s由釋放相角?r、釋放時(shí)間trs和功率因數(shù)角?決定，則?s可以表示為

式中，T為電源周期k取值為可以使?s在[0,2π]內(nèi)的任意整數(shù)?，F(xiàn)有控制技術(shù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以精確控制釋放相角?r，且相同工作條件下功率因數(shù)角?不變。但是由于受各種因素的影響，相同釋放相角下的釋放時(shí)間trs具有隨機(jī)性。根據(jù)大數(shù)定律，可以用正態(tài)分布描述相同釋放相角下釋放時(shí)間的規(guī)律。由式（12）可知，釋放時(shí)間與起弧相角是線性關(guān)系，因此相同釋放相角下的起弧相角也服從正態(tài)分布，可以用起弧相角的標(biāo)準(zhǔn)差σs表征起弧相角的分散程度。由于起弧相角具有隨機(jī)性，無法通過控制釋放相角使起弧相角精確地保持在60°、120°、180°、240°、300°和360°處。由前面分析可知，電弧侵蝕量最小點(diǎn)屬于不穩(wěn)定點(diǎn)。因此在釋放時(shí)間有分散性的情況下，為避免觸頭磨損最大，應(yīng)確保觸頭在電流過零點(diǎn)前分離，且盡可能靠近零點(diǎn)。

2.2 基于電弧侵蝕的交流接觸器電壽命仿真分析

根據(jù)電弧侵蝕模型和觸頭累積損傷效應(yīng)，采用Monte-Carlo 法對(duì)交流接觸器三相均勻磨損分?jǐn)喾绞较碌倪\(yùn)行情況進(jìn)行仿真，仿真流程如圖7 所示，在仿真中考慮了起弧相角隨機(jī)性的影響。

若交流接觸器平均電壽命取36 000 次，則觸頭磨損閾值Q可由式（5）計(jì)算獲得，試品數(shù)p設(shè)為1 000 臺(tái)，N(j)表示第j臺(tái)交流接觸器的電壽命值。其中，起弧相角均值μs以1°為間隔從0°遞增至60°；起弧相角標(biāo)準(zhǔn)差σs以3°為間隔從0°遞增至27°。按照上述仿真條件進(jìn)行電壽命仿真，對(duì)壽命仿真結(jié)果進(jìn)行分析，將1 000 臺(tái)試品的壽命平均值繪制成曲線，如圖8 所示。

圖7 交流接觸器電壽命仿真流程Fig.7 Flow chart of electrical life simulation

圖8 壽命仿真結(jié)果Fig.8 Results of electrical life simulation

圖8 中各條曲線分別表示起弧相角標(biāo)準(zhǔn)差σs為0°～27°的平均壽命仿真結(jié)果。平均壽命曲線左側(cè)的谷值為最小平均壽命；右側(cè)的峰值為最大平均壽命，對(duì)應(yīng)的起弧相角均值為μmax。由圖8 可得，起弧相角分散性不同則曲線的峰值不同，且峰值的位置也不同。隨著起弧相角分散性增大，壽命均值曲線峰值降低且峰值位置向左移動(dòng)，相關(guān)比較見表1。

表1 不同起弧相角標(biāo)準(zhǔn)差下的電壽命Tab.1 Electrical life at different standard deviations of ASPA

圖9 最大和最小相對(duì)壽命變化規(guī)律Fig.9 Variation of maximum and minimum life

從表1 和圖9 可以看出，當(dāng)σs＞15°時(shí)，使電壽命最大的起弧相角均值為45°；當(dāng)σs≤15°時(shí)，最佳起弧相角均值μmax在45°～60°間，且隨σs變化而變化；當(dāng)σs≤9°時(shí)，最大平均壽命可提高20%左右。通過觀察σs≤15°時(shí)μmax隨σs的變化趨勢(shì)，在Matlab 中利用非線性最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，獲得σs≤15°時(shí)μmax關(guān)于σs的近似表達(dá)式為

由圖8 可知，在三相均勻磨損分?jǐn)嗫刂浦校瑹o論起弧相角標(biāo)準(zhǔn)差σs是多少，將起弧相角均值控制在30°～60°之間，則交流接觸器平均壽命均高于隨機(jī)控制方式下的平均壽命。σs較小時(shí)，應(yīng)將起弧相角均值控制在45°～60°之間，并可由表1 或式（13）確定平均壽命最大時(shí)的起弧相角期望值。同時(shí)，由表1 和圖9 可以看出，σs＜10°時(shí)，交流接觸器的壽命提升比較明顯，才能體現(xiàn)壽命最大化控制優(yōu)勢(shì)。

2.3 交流接觸器電壽命的最大化控制方法

隨著分?jǐn)啻螖?shù)增加，交流接觸器性能的變化會(huì)引起釋放時(shí)間的變化，相應(yīng)起弧相角的分布情況也隨之變化。因此，以起弧相角標(biāo)準(zhǔn)差σs為參考依據(jù)，以運(yùn)行過程中起弧相角的統(tǒng)計(jì)量為反饋參量，實(shí)時(shí)修正釋放相角?r，進(jìn)行電壽命最大化控制。電壽命最大化控制策略流程如圖10 所示。

圖10 電壽命最大化控制策略流程Fig.10 Flow chart of the maximum life control

首先通過實(shí)驗(yàn)方法或者根據(jù)同類產(chǎn)品的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)建立起弧相角初始數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)初始數(shù)據(jù)庫(kù)的起弧相角標(biāo)準(zhǔn)差確定第一個(gè)控制循環(huán)內(nèi)6 次分?jǐn)嗟钠鸹∠嘟悄繕?biāo)均值，選擇對(duì)應(yīng)的釋放相角。當(dāng)起弧相角的標(biāo)準(zhǔn)差σs≤15°時(shí)，先根據(jù)式（13）確定可以使電壽命最長(zhǎng)的起弧相角均值μmax，再選擇μmax對(duì)應(yīng)的釋放相角控制接觸器分?jǐn)?；?dāng)起弧相角的標(biāo)準(zhǔn)差σs＞15°時(shí)，選擇起弧相角均值μs為45°+k×60°k對(duì)應(yīng)的釋放相角控制接觸器分?jǐn)?。其中，k依次取從0 到5 的整數(shù)，對(duì)應(yīng)一個(gè)控制循環(huán)內(nèi)的六次分?jǐn)唷?/p>

運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)采集交流接觸器每次分?jǐn)嗟尼尫畔嘟?r和起弧相角?s，并將其添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)重新計(jì)算起弧相角的均值σs和標(biāo)準(zhǔn)差μs。以實(shí)時(shí)更新的起弧相角統(tǒng)計(jì)量為參考，修正下一個(gè)控制循環(huán)的釋放相角，提高控制的準(zhǔn)確性。若實(shí)時(shí)采集的起弧相角與數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的起弧相角均值相差超過其3 倍標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，則可以判定其為無效數(shù)據(jù)，不對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新，從而減小干擾引起的數(shù)據(jù)大幅度波動(dòng)對(duì)控制的影響。

3 實(shí)例分析

3.1 電壽命實(shí)驗(yàn)條件

為驗(yàn)證電壽命最大化控制策略的有效性，在AC4 實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)六臺(tái)CJX2-18 型交流接觸器進(jìn)行電壽命對(duì)比實(shí)驗(yàn)，負(fù)載中性點(diǎn)與電源中性線不連接。其中編號(hào)為1 和2 的兩臺(tái)試品采用固定相角控制方式；編號(hào)為3 號(hào)和4 號(hào)的兩臺(tái)試品采用隨機(jī)相角控制方式，其釋放相角在0°～360°內(nèi)均勻分布，直至接觸器失效。編號(hào)為5 號(hào)和6 號(hào)的兩臺(tái)試品采用電壽命最大化控制策略。電壽命實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 電壽命實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Parameters of electrical life experiment

3.2 控制參量的獲取與更新

實(shí)現(xiàn)電壽命的最大化控制，需要根據(jù)起弧相角數(shù)據(jù)庫(kù)中起弧相角標(biāo)準(zhǔn)差σs選擇最佳起弧相角均值，確定釋放相角?r與起弧相角均值μs之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝成熟的交流接觸器，可認(rèn)為同批次同型號(hào)交流接觸器的釋放時(shí)間trs隨釋放相角?r的變化趨勢(shì)相同，則在相同實(shí)驗(yàn)條件下通過一定數(shù)量的測(cè)試并根據(jù)式（12）計(jì)算建立起弧相角初始數(shù)據(jù)庫(kù)。

對(duì)三臺(tái)CJX2-18 型交流接觸器進(jìn)行分?jǐn)嗖僮鲗?shí)驗(yàn)，測(cè)量不同釋放相角下的釋放時(shí)間，從而建立起弧相角初始數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)起弧相角初始數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算起弧相角均值μs和標(biāo)準(zhǔn)差σs，得到不同釋放相角?r下起弧相角的統(tǒng)計(jì)量，見表3。

由于交流電源具有周期性，起弧相角超過360°時(shí)數(shù)值發(fā)生突變，如表3 中釋放相角為160°時(shí)起弧相角均值所示。應(yīng)用時(shí)，在突變點(diǎn)通過增加或減去360°來保證起弧相角數(shù)據(jù)的連續(xù)性。因此，可以根據(jù)相鄰釋放相角處的起弧相角均值進(jìn)行線性模擬獲得任意釋放相角的起弧相角。

表3 不同釋放相角下起弧相角統(tǒng)計(jì)量Tab.3 Statistics of arc starting phase angle at different release phase angles（單位：°）

3.3 釋放相角的調(diào)整與控制效果

隨著分?jǐn)啻螖?shù)增加，交流接觸器的性能發(fā)生變化。與起弧相角初始數(shù)據(jù)庫(kù)相比，實(shí)時(shí)的起弧相角數(shù)據(jù)能夠更好地表征接觸器當(dāng)前的性能狀態(tài)，并且能在一定程度上體現(xiàn)接觸器性能未來的變化趨勢(shì)。因此，實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)采集起弧相角更新數(shù)據(jù)庫(kù)，并重新計(jì)算起弧相角均值μs和標(biāo)準(zhǔn)差σs，實(shí)時(shí)更新表3 中數(shù)據(jù)，并以實(shí)時(shí)更新的起弧相角統(tǒng)計(jì)量為參考調(diào)整釋放相角?r，減小分?jǐn)噙^程中的電弧侵蝕。

實(shí)驗(yàn)中，按照數(shù)據(jù)庫(kù)中起弧相角標(biāo)準(zhǔn)差由小到大順序依次獲得最佳起弧相角均值μmax。結(jié)合表3數(shù)據(jù)選擇sσ較小且μmax盡可能接近60°及其整數(shù)倍角度對(duì)應(yīng)的釋放相角。根據(jù)選定的釋放相角，由計(jì)算機(jī)程序設(shè)置釋放命令，控制交流接觸器進(jìn)行分?jǐn)嗖僮鳌D11 為采用電壽命最大化控制的6 號(hào)試品某次分?jǐn)噙^程主回路電壓和電流波形。

圖11 實(shí)驗(yàn)過程6 號(hào)試品主回路電壓和電流波形Fig.11 Voltage and current of No.6 contactor in the experiment

UA、UB、UC表示三相的電源電壓；Ua、Ub、Uc分別表示主回路三相觸頭兩端的電壓，與三相的電源電壓相同；IA、IB、IC表示主回路三相的電流。虛線位置表示釋放時(shí)刻，即接觸器線圈斷電時(shí)刻。圖中A 相起弧相角為174.1°，B 相起弧相角為56.4°，C 相起弧相角為312.4°，實(shí)現(xiàn)了A 相電弧侵蝕最小控制。采用同樣方法即可以依次使A 相、B 相、C相的電弧侵蝕最小，使各相觸頭的電弧侵蝕均勻且侵蝕率最小，實(shí)現(xiàn)接觸器電壽命最大化控制。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照上述方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，定期導(dǎo)出三種分?jǐn)喾绞较陆涣鹘佑|器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算各相觸頭的累積電弧侵蝕量。圖12 所示為動(dòng)作29 400 次后六臺(tái)接觸器試品各相觸頭的累積電弧侵蝕量。其中，1 號(hào)和2 號(hào)試品采用固定相角分?jǐn)嗫刂品绞剑? 號(hào)和4號(hào)試品采用隨機(jī)相角分?jǐn)嗫刂品绞剑? 號(hào)和6 號(hào)試品采用電壽命最大化控制策略。由圖12 可知，1 號(hào)和 2 號(hào)接觸器各相觸頭的累積電弧侵蝕量互不相等，并且某相觸頭的電弧侵蝕量遠(yuǎn)大于其他兩相；3 號(hào)和4 號(hào)接觸器各相觸頭的累積電弧侵蝕量互不相等的情況有所改善，但仍有明顯的差距；5 號(hào)和6號(hào)接觸器各相觸頭的累積電弧侵蝕量基本一致。此外，5 號(hào)和6 號(hào)接觸器的累積電弧侵蝕量明顯小于其他四臺(tái)接觸器的累積電弧侵蝕量最大值。綜上所述，經(jīng)過相同操作次數(shù)后，采用電壽命最大化控制策略的接觸器試品三相觸頭累積磨損量較小，且三相觸頭磨損均勻。最終六臺(tái)交流接觸器試品的電壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖12 動(dòng)作29 400 次后觸頭的累積電弧侵蝕量Fig.12 Arc erosions of contacts after 29 400 breaks

表4 交流接觸器電壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of the electrical life experiment

由表4 可得，采用電壽命最大化控制的接觸器壽命均大于采用其他控制方式的接觸器壽命。5 號(hào)和6 號(hào)試品的壽命均值為53 086 次，3 號(hào)和4 號(hào)試品的壽命均值為41 435 次，兩者比值為1.28，證明電壽命最大化控制策略可以使交流接觸器電壽命更長(zhǎng)。該比值與表1 仿真結(jié)果中起弧相角標(biāo)準(zhǔn)差為6°時(shí)的值接近，分析表3 中根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算所得起弧相角標(biāo)準(zhǔn)差可以看出，大部分起弧相角標(biāo)準(zhǔn)差在6°附近范圍內(nèi)。因此，以表3 中數(shù)據(jù)為參考進(jìn)行電壽命最大化控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與表1 中仿真分析的結(jié)果基本一致。

另外，通過本文的研究可以解釋在交流接觸器實(shí)驗(yàn)和實(shí)際使用中出現(xiàn)的一些特殊現(xiàn)象。主要分析如下：

（1）交流接觸器實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)同一試品的各相觸頭磨損程度不一致，甚至出現(xiàn)有的觸頭完全燒蝕而有的觸頭完好無損的現(xiàn)象。通過前面分析可知，出現(xiàn)這種情況，相當(dāng)于在固定起弧相角控制方式下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，燒蝕很少的觸頭是在電流過零前分?jǐn)嗟?，燒蝕越少觸頭的起弧相角越靠近電流零點(diǎn)。

（2）在交流接觸器電壽命對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，同批產(chǎn)品在不同實(shí)驗(yàn)室得到電壽命相差較大。一般在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，人們比較關(guān)注電源電壓及質(zhì)量、負(fù)載大小、功率因數(shù)和操作頻率等指標(biāo)，沒有關(guān)注交流接觸器實(shí)驗(yàn)的控制方式及接觸器的本身特征。由于控制方式和接觸器本身特征的共同作用，導(dǎo)致起弧相角不同，造成同批產(chǎn)品表現(xiàn)出來的電壽命相差較大，如圖4、圖5、圖8 所示。

（3）交流接觸器線圈的實(shí)際控制方式對(duì)其電壽命的影響。在實(shí)際使用中，一般采用有觸點(diǎn)的電磁繼電器或無觸點(diǎn)的固態(tài)繼電器來控制交流接觸器，在這兩種控制方式下，交流接觸器線圈電流過零斷電，相當(dāng)于交流接觸器固定相角釋放。若釋放時(shí)間穩(wěn)定，就相當(dāng)于起弧相角固定的控制方式。由圖8可知，當(dāng)起弧相角在0°～30°間交流接觸器電壽命較短，在30°～60°間壽命較長(zhǎng)。因此，在實(shí)際使用中，交流接觸器釋放時(shí)間的隨機(jī)性反而有利于提升其最小使用壽命。

4 結(jié)論

文中通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)交流接觸器最佳起弧相角和控制策略進(jìn)行了研究，通過釋放相角實(shí)現(xiàn)起弧相角的控制，可以提升交流接觸器的電壽命。本文主要結(jié)論如下：

1）分析了隨機(jī)起弧相角、固定起弧相角、三相均勻磨損三種控制方式下交流接觸器電壽命變化規(guī)律，理想情況下三相交流接觸器在起弧相角為60°及其整數(shù)倍角度處輪流分?jǐn)嗫梢允谷嘤|頭磨損均勻，并且有利于減小觸頭的電弧侵蝕速度。

2）釋放時(shí)間波動(dòng)造成起弧相角的隨機(jī)性，起弧相角的標(biāo)準(zhǔn)差越小，電壽命最大化控制策略下交流接觸器壽命越長(zhǎng)，并利用軟件仿真分析了不同起弧相角標(biāo)準(zhǔn)差下電壽命分布特征。

3）以實(shí)時(shí)起弧相角均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為交流接觸器電壽命最大化控制的反饋參量，可減小實(shí)際運(yùn)行過程中交流接觸器性能參數(shù)變化的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用電壽命最大化的控制策略可以有效提升交流接觸器的電壽命。