HH52P型電磁繼電器動(dòng)態(tài)特性監(jiān)測(cè)方法的研究

作者/ 李鐵成 姚芳 河北工業(yè)大學(xué) 河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津 300130)

摘要：本文基于LABVIEW開發(fā)了一套電磁繼電器動(dòng)態(tài)特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。電磁繼電器吸合暫態(tài)過(guò)程依次為觸動(dòng)階段、吸動(dòng)階段和蓄磁階段。通過(guò)繼電器線圈時(shí)間常數(shù)的動(dòng)態(tài)變化特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器吸合過(guò)程中觸動(dòng)階段、吸動(dòng)階段和蓄磁階段的辨識(shí)。因此，根據(jù)時(shí)間常數(shù)的物理意義，將線圈時(shí)間常數(shù)和銜鐵觸動(dòng)時(shí)間的算法嵌入到該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，達(dá)到了對(duì)電磁繼電器吸合過(guò)程動(dòng)態(tài)特性監(jiān)測(cè)的目的。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，完成了對(duì)試品吸合過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的監(jiān)測(cè)和特性參數(shù)的采集分析。

引言

　　電磁繼電器一般由電磁系統(tǒng)、彈簧系統(tǒng)、觸點(diǎn)系統(tǒng)、支架及外殼組成，電磁、彈簧及觸點(diǎn)系統(tǒng)的協(xié)同配合是繼電器可靠動(dòng)作的關(guān)鍵。可測(cè)性參量中，除了觸點(diǎn)電氣參量，線圈電氣參量中也蘊(yùn)含能反應(yīng)整機(jī)性能的動(dòng)靜態(tài)信息。繼電器吸合暫態(tài)過(guò)程中，線圈電感和線圈時(shí)間常數(shù)不斷變化，其變化規(guī)律與銜鐵運(yùn)動(dòng)和線圈電流的變化緊密相關(guān)。

　　在以性能退化規(guī)律發(fā)現(xiàn)為目的的直流電磁繼電器全壽命試驗(yàn)研究中，需實(shí)時(shí)測(cè)錄吸合過(guò)程線圈和觸點(diǎn)的電氣參量波形，可從中提取反應(yīng)繼電器整機(jī)及子系統(tǒng)性能的性征參數(shù)。本文以吸合過(guò)程線圈電流和觸點(diǎn)電壓為電氣參量，理論研究從中提取吸合過(guò)程動(dòng)態(tài)性征的方法及實(shí)現(xiàn)方法。

1 直流電磁繼電器吸合過(guò)程暫態(tài)分析

　　電磁繼電器的吸合過(guò)程一般持續(xù)幾毫秒，均很短暫。直流電磁繼電器的吸合過(guò)程是階躍響應(yīng)過(guò)程，該過(guò)程是從其釋放狀態(tài)過(guò)渡的。銜鐵吸動(dòng)后，氣隙會(huì)減小，影響到磁路、磁鏈及等效電感，銜鐵運(yùn)動(dòng)速度會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，使得線圈電流在過(guò)渡過(guò)程呈非線性性征。

1.1 電磁繼電器吸合過(guò)程暫態(tài)建模

　　電磁繼電器吸合過(guò)程暫態(tài)等效電路為一恒定電阻和時(shí)變電感的串聯(lián)模型，如圖1所示。根據(jù)等效模型可知，直流電磁繼電器吸合過(guò)程的電壓平衡方程為：

1.2.2 吸動(dòng)階段

　　BD段以銜鐵運(yùn)動(dòng)為特征，起于銜鐵開始運(yùn)動(dòng)時(shí)刻，止于銜鐵和鐵芯穩(wěn)定閉合時(shí)刻，稱之為吸合階段。

　　在吸合階段，電磁吸力大于彈簧反力，銜鐵向鐵芯運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，工作氣隙減小，磁路參數(shù)改變，磁芯磁場(chǎng)強(qiáng)度隨氣隙減小而增加。吸合階段公式(1)所示的電壓平衡方程變形為：

(2)

　　式中：V為銜鐵吸合速度，x為銜鐵行程，L₂為線圈電感。

　　在BC段，銜鐵吸動(dòng)速度慢，反電動(dòng)勢(shì)小，直流源U足以支撐線圈儲(chǔ)能和銜鐵運(yùn)動(dòng)所需的能量，此時(shí)表現(xiàn)為線圈繼續(xù)儲(chǔ)能(電流i增大)，但儲(chǔ)能速度減緩(di/dt減小);在C點(diǎn)，線圈電流i達(dá)到極大值點(diǎn)，增速di/dt為0，直流源U僅能支撐銜鐵運(yùn)動(dòng)v需要的能量;在CD段，銜鐵運(yùn)動(dòng)速度快，反電動(dòng)勢(shì)增加，必須由線圈和直流源共同提供其快速運(yùn)動(dòng)需要的能量，di/dt減小為負(fù)值，i減小;在D點(diǎn)工作氣隙最小，銜鐵停止運(yùn)動(dòng)，反電動(dòng)勢(shì)為0，公式(2)中電感L₂對(duì)x的微分項(xiàng)消失。

1.2.3 蓄磁階段

　　DE段起于銜鐵停止運(yùn)動(dòng)時(shí)刻，止于線圈電流變化率di/dt為0的E點(diǎn)，稱之為蓄磁階段。

　　在蓄磁階段，工作氣隙最小，線圈電感常數(shù)，時(shí)間常數(shù)恒定，公式(1)中對(duì)L的微分項(xiàng)不存在，線圈電流指數(shù)規(guī)律增加，電磁系統(tǒng)儲(chǔ)蓄磁場(chǎng)能量，電磁吸力增加，確保銜鐵與鐵芯處于穩(wěn)定閉合狀態(tài)，直至線圈電流等于U/R。由于磁芯氣隙的消失，整體磁芯的磁場(chǎng)強(qiáng)度較之觸動(dòng)階段增加，因此，L₂比L₁大，導(dǎo)致時(shí)間常數(shù)增大，過(guò)渡過(guò)程變緩，電路時(shí)間常數(shù)τ₂=L₂/R恒定。

1.2.4 吸合過(guò)程暫態(tài)分析的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　對(duì)同一臺(tái)直流電磁繼電器試品進(jìn)行線圈電壓U的通電試驗(yàn)，之后分別固定銜鐵于工作氣隙最大位置和最小位置，進(jìn)行線圈電壓U的通電試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程均測(cè)錄線圈電流波形，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

　　對(duì)圖3中的三條線圈電流波形進(jìn)行擬合，均呈指數(shù)規(guī)律，時(shí)間常數(shù)為4.98ms、5.03ms和8.32ms，推算電感分別為3.35H、3.38H和5.59H。

2 繼電器吸合過(guò)程中的時(shí)間參數(shù)測(cè)試

2.1 基于物理意義的時(shí)間常數(shù)求解

　　電磁繼電器的線圈時(shí)間常數(shù)在銜鐵不同狀態(tài)下是變化的，下面根據(jù)繼電器銜鐵固定于最大張角時(shí)的線圈電流來(lái)分析時(shí)間常數(shù)的意義。圖4中P為曲線任意一點(diǎn)，若從P點(diǎn)以tanθ為斜率的直線上升到電流穩(wěn)態(tài)值，所用時(shí)間為T₂-T₁=τ，即從曲線任意一點(diǎn)以該點(diǎn)斜率勻速上升到最終穩(wěn)態(tài)值所用的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)τ。

　　將示波器采集的線圈電流數(shù)據(jù)按時(shí)間序列排列，兩個(gè)點(diǎn)之間的步長(zhǎng)為0.25ms，設(shè)電流值I_i為I₀，I₁，I₂，I₃…，時(shí)間t_i為t₀，t₁，t₂，t₃…。選取公式(3)來(lái)計(jì)算，線圈電流波形在任意一點(diǎn)處的斜率k：

(3)

　　在獲得了線圈電流的斜率后可以進(jìn)一步求線圈電流在每一刻的時(shí)間常數(shù)。設(shè)在t_i時(shí)刻斜率直線的斜截式方程為：

(4)

　　式中：b為以k為斜率的直線的截距。

　　根據(jù)上文中求時(shí)間常數(shù)的方法，設(shè)在ti時(shí)刻的斜率直線與線圈電流最大值交點(diǎn)為(t_max，I_max)，由于這個(gè)交點(diǎn)同樣在斜率直線上，故：

(5)

　　在t_i時(shí)刻，線圈電流時(shí)間常數(shù)為：

(6)

　　根據(jù)該公式可以求解電磁繼電器吸合過(guò)程中每個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)，最終得到的線圈電流時(shí)間常數(shù)動(dòng)態(tài)波形如圖5。

　　通過(guò)線圈電流波形與時(shí)間常數(shù)波形的比較可以得出以下結(jié)論：

　　從T₀時(shí)刻開始，在觸動(dòng)階段，線圈時(shí)間常數(shù)幾乎不變;在T₁時(shí)刻，銜鐵開始移動(dòng)，導(dǎo)致時(shí)間常數(shù)增加，時(shí)間常數(shù)波形開始呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)，由此可以判斷銜鐵在T₁時(shí)刻開始吸合;T2時(shí)刻是銜鐵閉合的瞬間，由于銜鐵及觸點(diǎn)的彈跳，時(shí)間常數(shù)在這一時(shí)刻附近存在一定的波動(dòng)。在觸點(diǎn)穩(wěn)定接觸后，吸合過(guò)程進(jìn)入到蓄磁階段，時(shí)間常數(shù)趨勢(shì)線幾乎為水平，當(dāng)電流大致達(dá)到穩(wěn)定值T3時(shí)刻后，時(shí)間常數(shù)接近0。

　　根據(jù)吸合過(guò)程時(shí)間常數(shù)的動(dòng)態(tài)波形可以辨識(shí)出繼電器銜鐵的起動(dòng)時(shí)刻，提取銜鐵觸動(dòng)時(shí)間，在圖5中，觸動(dòng)時(shí)間t=T₁-T₀，經(jīng)計(jì)算為4.3 ms。

2.2 時(shí)間常數(shù)及觸動(dòng)時(shí)間的測(cè)試應(yīng)用

　　將電磁繼電器線圈時(shí)間常數(shù)的算法嵌入到LABVIEW程序中，以數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)為平臺(tái)開發(fā)出一套電磁繼電器參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器吸合過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的監(jiān)測(cè)，最終時(shí)間常數(shù)檢測(cè)波形如圖6。由于銜鐵的移動(dòng)，在7ms左右可以看到波形發(fā)生明顯波動(dòng)，時(shí)間常數(shù)增大。經(jīng)計(jì)算，波形開始明顯波動(dòng)時(shí)，時(shí)間常數(shù)為7.52ms，觸動(dòng)時(shí)間為4.3ms。該測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際監(jiān)測(cè)波形與上文理論計(jì)算的時(shí)間常數(shù)波形趨勢(shì)吻合，驗(yàn)證了該測(cè)試系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)繼電器試品時(shí)間常數(shù)和觸動(dòng)時(shí)間動(dòng)態(tài)特性的可靠性和準(zhǔn)確性。

　　利用該測(cè)試系統(tǒng)采集一個(gè)繼電器試品全壽命實(shí)驗(yàn)(吸合30萬(wàn)次以上)中觸動(dòng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量巨大，為減小數(shù)據(jù)的不確定性和分散性，采用分段平均法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即按照時(shí)間序列，每100個(gè)數(shù)據(jù)求取一個(gè)平均值。數(shù)據(jù)波形見圖7，隨著繼電器試品動(dòng)作次數(shù)的增加，銜鐵觸動(dòng)時(shí)間呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，反映了繼電器性能的退化。因此，在繼電器吸合過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)銜鐵觸動(dòng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的可靠性評(píng)估。

3 結(jié)論

　　本文分析了直流電磁繼電器吸合過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，研究了吸合過(guò)程中的三個(gè)暫態(tài)階段。本文基于時(shí)間常數(shù)物理意義提取繼電器吸合暫態(tài)過(guò)程中的線圈時(shí)間常數(shù)，根據(jù)時(shí)間常數(shù)的動(dòng)態(tài)波形實(shí)現(xiàn)了對(duì)銜鐵觸動(dòng)階段與吸動(dòng)階段分界點(diǎn)的辨識(shí)，監(jiān)測(cè)觸動(dòng)時(shí)間。在電磁繼電器參數(shù)測(cè)試裝置中嵌入了時(shí)間常數(shù)、觸動(dòng)時(shí)間的算法，并成功地實(shí)現(xiàn)了采集和記錄，達(dá)到了對(duì)電磁繼電器吸合過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的監(jiān)測(cè)和可靠性評(píng)估。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第39頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。