星载天线驱动器磁保持继电器触点保护技术

陈伟

（上海航天八O五所,上海　201109）



星载天线驱动器磁保持继电器触点保护技术

陈伟

（上海航天八O五所,上海201109）

摘要：磁保持继电器在星载天线驱动器中广泛使用。但是,在驱动器加断电的过程中,由于容性负载的存在,浪涌电流会对磁保持继电器的触点的可靠性产生较大的影响。给出了型号上继电器失效的具体案例和相关分析,并提出了一种有效的继电器触点保护技术。

关键词：星载天线驱动器；磁保持继电器；失效；触点；保护技术

0　引言

磁保持继电器只在其转换工作瞬间消耗能量,在状态保持时不耗能,因此,其在对能源消耗有特殊限制的场合得到了广泛的应用,例如:卫星和空间站等。天线驱动器（以下简称机构驱动器）作为卫星天线机构驱动部件,也大量地采用磁保持继电器来控制其一次母线加断电、主备线路切换和主备电机绕组切换等过程。该类继电器在实际使用的过程中,由于需要驱动电动机负载,因此,如果未采用恰当的消浪涌电路,则可能会出现由于浪涌电流过大而引起继电器触点电弧并使触点烧蚀等恶性故障,因此,本文对星载天线驱动器磁保护继电器的触点的保护技术进行了探讨。

1　某型号上的继电器失效案例

1.1失效案例

某星载天线驱动器在一次执行加断电遥控指令时,出现了遥控指令无法正常响应的异常现象。机构驱动器驱动线路的供电原理图如图1所示,电动机绕组等效模型为电阻R串接电感L,由于感性负载在切换过程中会产生很大的反电动势,因此为了泄放该反电动势,在驱动输出端并接了较大的容性负载C。

图1　机构驱动器驱动线路供电原理图

经排查,定位出现上述故障现象的原因为加断电磁保持继电器M212-J2A-563出现异常。该继电器为两组转换自保持继电器,其电路图如图2所示,单机使用了其中的动合触点（2-1和5-4触点）,正常情况下发送开机指令后（X1-X2线圈激励）, 2-3和5-6触点断开, 2-1和5-4触点导通；发送关机指令后（Y1-Y2线圈激励）, 2-1和5-4触点断开, 2-3和5-6触点导通。故障时发送开机指令后触点状态正常,但发送关机指令后继电器不动作,触点处于开机指令状态。

图2　M212底视线路图

用X射线检测仪对继电器进行检查,发现与正常样品对比,失效继电器衔铁左侧未贴合到位。对Y1-Y2线圈激励,继电器无动作声音,衔铁状态未发生变化；对X1-X2线圈激励,听到动作的声音,衔铁左侧贴合到位；对Y1-Y2线圈激励,听到动作声音,衔铁正常转动到位。失效件和比对件的X射线照片如表1所示,左侧为失效品X射线照片,右侧为对比样品X射线照片。

用机械方法将继电器启封,然后将其放在显微镜下观察,发现继电器的内部未出现可动多余物,衔铁也未出现异常,对线圈缓慢加电,衔铁转动也未见异常,但观察到两付动合触点有明显的金属转移后形成的一面有凹坑,一面有堆积物的现象,继电器触点目视图如图3所示。

图3　继电器触点目视

表1　衔铁位置

1.2理论分析

1.2.1继电器常见失效模式及机理

电磁继电器的失效模式主要有以下7种[1]。

a）机械卡死

其失效机理为: 1）机械变形使得机械系统运动受阻；2）机械系统混入杂物使得系统运动受阻；3）装配时运动桥一侧与主体支架之间的间隙过小,挤压塑料填片产生过大的阻力。

b）触点行程不够

其失效机理为: 1）推杆变形使得推杆与动触点之间的距离过大,进而造成动触点的实际行程过短；2）动触簧或静触簧变形使得有效接触需要的行程变长或者不能正常复位。

c）线圈或引线断裂

其失效机理为: 1）线圈受到机械损伤,从而使得导线的截面积变小,导电性能变差,最终因过热而熔断；2）振动环境下线圈松动,并随着振动产生径向位移,反复拉动线圈和引线,线圈或引线因应力作用而疲劳断裂；3）电阻丝过细且缠绕过紧,材料的热膨胀系数不同,温度升高时内芯体和电阻丝产生内应力发生脆断；4）线圈通电电流过大,从而导致线圈因过热而熔断。

d）触点上产生融化圆坑或针刺

其失效机理为:分合电路时,发生电弧放电,产生高温,从而使触点表面融化。

e）触点表面污染,接触压降过大

其失效机理为:触点表面受到污染,形成微粒污染膜、无机化学膜和有机化学膜等。

f）密封失效

其失效机理为:常闭点玻璃绝缘子破裂,引线松动。

g）虚焊

其失效机理为:线圈内部引线焊接不牢。

利用高倍放大镜对开盖后的失效继电器进行观察,发现触点产生了金属转移现象,因而可以判断,该继电器的失效模式属于上述第4种失效模式,其失效机理为分合电路时发生了电弧放电,产生了高温,从而导致了触点表面融化。

1.2.2电弧放电对触点电接触失效的影响

磁保持继电器的触点在闭合的过程中,由于簧片自身具有一定的弹性,因而触点处会产生短时间的回跳。当两边触点之间的距离较小而两端电压较大时容易出现击穿电弧（燃弧）现象。触点动作包括吸合过程和释放过程。其中,吸合过程分为静合触点分断过程、动触点自由运动过程和动合触点闭合过程；释放过程分为动合触点分断过程、动触点自由运动过程和静合触点闭合过程。因此,触点转换一次即相当于线圈的一次吸合和释放过程,会出现4次燃弧过程和至少2次回跳[2]。触点转换的过程中会出现触点间隙预击穿和回跳现象,回跳产生的电弧会造成触点材料的侵蚀,最终导致磁保持继电器电接触失效。

在电感负载中,特别是电动机中,通常驱动线路中会并接泄放反电动势的电容,开始通电时,电动机启动转矩最大,因而启动电流就大。一般情况下,启动瞬态电流应是平均电流的5～15倍。如果选用的磁保持继电器降额过小,启动产生的瞬态启动电流则会大大地超出继电器的接触电流的范围。此外,磁保持继电器动作吸合过程中,由于触点刚接触时簧片的弹性,会产生短时间的同跳现象,此时瞬态接触电流会达到最大,但是,由于触点之间的接触面积又很小,因而会产生接触电弧,电弧又会产生高温,最终使得接触点周围的金属熔化[3]。

在触点接触瞬间由于触点表面金属熔化而且触点紧密接触,触点间会被熔化的金属焊接住,也就是发生动熔焊现象。触点间发生动熔焊后若分断时机械系统提供的分断力过小,则会出现分断失效,两个触点无法正常被分开。回跳过程中熔化的表层金属会在触点间发生转移,从而形成针刺或者圆坑[4]。另外,发生动熔焊现象的触点分断瞬间,熔焊金属也会附着在某个触点表面并再次电弧放电,从而导致触点表面粗糙,下次无法正常接触。

在电弧放电的过程中,若环境中氧气的浓度较大,还会导致触头表面因被氧化而形成氧化膜,进而影响触点的电接触性能甚至导致触点因性能不符合要求而失效[5]。

1.2.3浪涌电流分析

机构驱动器线路模型图如图4所示。

图4　机构驱动器驱动线路供电原理图

图4中: K——磁保持继电器触点；

R0——供电线路印制线等等效限流电阻；

C——绕组并联泄放电容；

rc——电容等效串联电阻。

代入R0实测值为1.2 Ω, rc电容等效串联电阻手册值为100 mΩ,浪涌电流理论计算值为21.5 A。

采用电流钳对供电线路浪涌电流进行了实际测试,得到峰值电流接近20 A,到达峰值的时间约为10 μs,与理论计算值基本一致,测试结果如图5所示。

图5　浪涌电流

1.2.4继电器触点回跳波形监测

用Agillent DSO7014B数字示波器对失效继电器动合触点回跳波形进行监测,监测结果如图6所示。从图6可以看出,动合触点闭合到第一次断开的时间约为8 μs,与浪涌电流到达峰值所需要的时间接近。

图6　触点回跳波形图

1.2.5综合分析

继电器加电不动作一般与线圈故障、活动部件的卡滞和触点粘连有关。该继电器失效后线圈电阻的阻值正常,施加额定工作电压后,工作电流正常但故障保持,因而可以排除线圈故障。内部目检未发现可动多余物,衔铁、转轴等活动部件也未见异常,因而可以排除活动部件的卡滞故障。内部目检观察到使用的两付动合触点均有明显的金属物转移现象,因而可以判断该继电器的失效与触点粘连有关。

对使用线路的浪涌电流进行了实际测试,得到峰值电流接近20 A,到达峰值的时间约10 μs；对失效继电器触点回跳波形进行了监测,得到触点闭合到第一次断开的时间约为8 μs,这表明失效继电器触点在第一次断开时是对一个较大的电流进行了分断,而磁保持继电器的触点在分断较大的电流时会产生熔化,从而使触点发生粘连,一旦触点粘连后所需的分断力超过了继电器驱动部分所能提供的分断力,继电器就会出现线圈激励后无法动作的故障。

该继电器出现线圈激励后无法动作的故障是由于动合触点闭合时存在回跳,且回跳过程中第一次断开的时间接近浪涌电流的峰值时间,从而使触点产生粘连所致。

1.3解决方案

1.3.1解决方案1

在驱动线路供电端采用消浪涌电路,如图7所示。在上电瞬间,利用C1、C2电容两端的电位差为0的特性,保证PMOS管处于关断状态,之后电容通过R3进行放电,在电容放电的过程中, MOS管栅源级电压差会逐渐地增大,当栅源电压差为-10 V左右时, PMOS管完全导通。因此,选取适合的C1、C2和R2、R3值便可以有效地控制浪涌电流的幅值。

图7　消浪涌电路

1.3.2解决方案2

采用在电容端串接电阻的方式降低浪涌电流,由于驱动线路并联的固体钽电容的正向耐压值为63 V,而反向耐压值仅为1 V,因而将其连接在一次母线电源+29 V端时会存在可靠性问题。实际中,可以把两串两并钽电容（CAK-63 V-10 uF±10％）更改为10 Ω电阻串接两个瓷介电容器（CT4L-3-2C1-100 V-474-K。）,更改后的驱动线路串电阻电路图如图8所示。对改进后的供电线路的浪涌电流进行测试,测试结果如图9所示,从图9可以看出,更改后的供电线图的浪涌电流峰值为4 A左右,上升时间为2 μs。

图8　驱动线路串电阻电路图

图9　浪涌电流

1.3.3方案比较

解决方案1可以最大限度地减小浪涌电流,但是需要增加一部分电路,考虑到驱动线路过流大,因而需要采用MOSFET串接在供电母线上,这样风险较大,因此不建议采用；解决方案2简单、易实施,仅需要在电机驱动路滤波电容上串接合适的限流电阻即可,并且经产品实际验证,此方案能够有效地降低浪涌幅值,使得磁保持继电器的触点不被烧蚀。

2　结束语

实际案例的理论分析和实际测试均表明,在使用磁保持继电器的过程中,必须仔细地考虑天线驱动器加断电过程中浪涌电流对触点的影响。通过对解决方案进行比较,发现采用驱动线路端串接限流电阻的方案,可以有效地降低浪涌电流的影响,降低触点被烧蚀的风险。

参考文献：

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[4] NEUHAUS A R, RIEDER W F. The influence of kinetic parameters on failure mechanisms caused by material transfer [ C] // Proceedings of the 50th IEEE Holm Conference on Electri-cal Contacts, 2004: 528-534.

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Protection Technology of the Contact of Magnetic Latching Relays Used in Spaceborne Antenna Driver

CHEN Wei
（No.805 Research Institute of SAST, Shanghai 201109, China）

Abstract:Magnetic latching relay is widely used in spaceborne antenna driver. But in the process of power outage and power-up of the driver, surge current will have a great impact on the reliability of the contact of magnetic latching relay due to the existence of capacitive load. A specific failure case of the magnetic latching relay used in a spaceborne antenna driver and the correlation analysis are given, and an effective protection technology of the contact of magnetic latching relay is proposed.

Key words:spaceborne antenna driver；magnetic latching relay；failure；contact；protection technology

作者简介：陈伟（1982-），男，福建漳平人，上海航天八院八O五所工程设计中心工程师，硕士，从事星载机构驱动器的研制开发工作。

收稿日期：2015-09-07

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.01.006

中图分类号：V 443；TM 581.3

文献标志码：A

文章编号：1672-5468（2016）01-0026-04