交流接触器寿命试验系统选相控制技术的实现与应用

黄海兰，吴桂初，吴自然，陈 冲，王盼盼（温州大学浙江省低压电器智能技术重点实验室，浙江温州 325035）



交流接触器寿命试验系统选相控制技术的实现与应用

黄海兰，吴桂初，吴自然†，陈 冲，王盼盼
（温州大学浙江省低压电器智能技术重点实验室，浙江温州 325035）

摘 要：在AC-4条件下传统交流接触器的电寿命远小于其机械寿命，主要是由触头分断时产生的电弧对交流接触器触头的烧蚀所致．大量实验表明，触头分断相位不同产生的燃弧能量、燃弧功率不同，即对触头的损害程度也不同．相位控制可以有效减少燃弧能量进而减少触头损耗，所以对交流接触器选相分断控制技术的研究具有重要意义．本文设计了一种交流接触器选相分断控制装置并应用到交流接触器分断特性的研究中．实验表明，该装置能较准确地控制0°到180°的分断相位，选相装置误差小于1°．

关键词：交流接触器；燃弧能量；分断相位

交流接触器是应用在远距离频繁接通和断开交流电路的开关电器，它作为一种低压电器开关被广泛应用于各种领域．随着科学技术的快速发展，对交流接触器提出了更高的要求．智能、节能、长寿命是交流接触器的发展趋势．交流接触器的寿命分为机械寿命和电寿命．一般来说交流接触器的机械寿命远大于其电寿命［1-2］，所以提高交流接触器的电寿命是一个亟待解决的问题．影响交流接触器电寿命的一个重要因素是分断过程中接触器触头间产生的强烈的电弧，电弧会烧蚀触头，缩短接触器的电寿命．国内外已有许多学者对交流接触器的电寿命进行了研究［3-10］．文献［5］通过计算一定数量的电触头两端的电压电流波形，计算燃弧能量分析交流接触器分断特性规律．文献［6］得出电弧能量、电弧功率以及燃弧时间这三个物理量能显著影响交流接触器电寿命的结论．文献［7-10］对分断相位与接触器的寿命及可靠性关系作了研究．由于接触器的开关电弧与开关相位关系密切［11］，因此设计一个精确的选相装置来控制交流接触器的接通和分断相位，对研究交流接触器接通和分断燃弧能量及其电寿命具有十分重要的意义．本文介绍一种用于交流接触器电寿命试验选相控制技术，并设计研制了选相分合闸装置，在实际应用中达到了很好的效果．

1　交流接触器寿命试验系统

交流接触器的电寿命试验有AC-3、AC-4试验等标准［12-13］．AC-4是模拟电机的启动和停止时的重负载情况下交流接触器的使用情况．根据AC-4实验标准，每一个交流接触器在规定电压和规定电流的条件下要做6 000次测试实验，接通和分断的电流均为交流接触器额定电流的6倍，阻抗呈感性，功率因数为0.45．然而在实际操作中，一些交流接触器在AC-4试验条件下，试验次数还没有达到6 000次就已经损坏掉了，所以个别交流接触器最大操作次数被定义为最大试验承受次数．本文将讨论AC-4条件下的试验，交流接触器寿命试验系统如图1所示．该系统由三个部分组成，分别是AC寿命控制部分、1000A端口柜部分以及数据采集系统，其中AC寿命控制部分和1000A端口柜部分是用来进行AC-4类别的交流接触器寿命试验的．数据采集系统用来采集交流接触器接通和分断时的触头两端的电压和电流．控制台的控制核心采用可编程控制器，配合继电器、接触器实现主回路和试验端口的控制功能．控制台配备一台10.4英寸的接触摸屏进行PLC的参数调节以及试验方式、次数等参数的控制和显示．图2给出了该系统的原理，其中虚线所包括的3个触头和线圈为接触器试品，Ur为电压传感器，I为电流传感器，Z为阻抗，J为控制试品接触器分合的开关．本文将在该系统的基础上增加选相装置．

图1　交流接触器寿命试验系统

2　交流接触器寿命试验系统选相装置设计

2.1选相原理

在图2的基础上加上选相电路如图3所示．图3中J1和J2为IGBT，反向串联连接，分别控制交流电的正负半周的导通和关闭，以替代图2中的开关J．J1和J2的导通或关闭时刻，由控制器输出信号确定，控制器的核心是一片ARM处理器STM32F103．试验时预先将分断或闭合的相位值Φ预置到控制器中，控制器将实时测量某相（如C相）电流的相位，当控制器接收到控制台的分或合接触器的信号J时，控制器将控制J1和J2在下一个周期的预置相位Φ分断或闭合接触器，图4给出了分断的时序．

图2　系统原理框图

2.2软件设计

控制器由STM32F103单片机电路组成，主要用于检测主触头上电流的相位、控制台的分合闸信号J以及输出驱动两个IGBT管J1和J2的时序信号．其控制接触器选相分断软件流程如图5所示．

图3　选相电路

3　试验和结果

AC-4试验条件下的交流接触器寿命试验，试验标准要求是6 000次，当主回路电流超过100 A时，试验间隔时间不得小于60 s，所以交流接触器选相分断试验是周期性的试验，试验间隔设定为60 s，试验条件如表1所示．

图4　分断相位控制时序图

表1　交流接触器试验条件

由于触头回路呈感性，闭合时的电流较小，而分断时的电流较大，所以分断电弧对触头烧蚀严重．本文只讨论分断情况．通过选相控制，要求电流相位控制在0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°分断．考虑到接触器存在超程，需要提前超程产生的时间断开接触器线圈电源．经实测，本实验所用接触器超程产生的时间是10 ± 0.4 ms．即提前相角为：

图6给出了0°、60°、90°、120°电流分断相位的波形图．控制分断信号从高电平到低电平突变时刻，接触器线圈断电，电流变到0．再过约半个周期10 ms左右，触头开始分开，触头两端电压从0逐步上升．电压从0开始上升时刻，即为所要求的触头分断时刻，对应的电流相位，就是所要求的分断电流相位Φ．表2给出了在不同预设分断电流相位下，实验得到的触头分断电流相位．相位的误差是由选相控制器和接触器的机械动作误差引起的，选相控制器误差 ≤ 1°，机械动作误差 ≤ 7.2°，因此机械动作误差是主要的．

图5　控制接触器选相分断软件流程

图6　选相控制器选相结果

表2　线圈分断相位误差

4　结 论

本文使用一套交流接触器寿命试验系统，加上相位控制器构成交流接触器选相试验的回路，采用AC-4试验作为试验电流的标准，来模拟重负载情况下交流接触器的使用情况．设计了一种可以精确控制交流接触器线圈分断的选相控制器，该选相控制器可根据测得的交流接触器超程计算出主触头提前分断相位，从而实现了对主触头的精确控制．本文的研究为以后分析不同分断相位下交流接触器特性奠定了基础．

参考文献

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［5］ 许志红， 苏金州， 林抒毅. 交流接触器分断过程电弧能量分析［EB/OL］. ［2015-06-08］. http﹕//wenku.baidu.com/ link？url=LHrB83UJlUcy6-MhfY_1IzUCP-MGOefbpMxloadV1MmDx3YZzGFGTqABxJ30K_UPGNydnGB6zytJr 5DNZZNZ7lbuSLuyaWpv2JQmv_zL4Tq.

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［8］ 许志红， 张培铭. 智能交流接触器全过程动态优化设计［J］. 中国电机工程学报， 2005， 25（17）﹕ 156-161.

［9］ 李文雄， 陆俭国， 刘明生. 交流接触器的可靠性技术［J］. 低压电器， 2005， （8）﹕ 3-5.

［10］ 许志红， 张培铭， 智能交流接触器零电流分断控制技术［J］. 上海电器技术， 2002， （4）﹕ 9-11.

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［12］ 低压开关设备和控制设备﹕ GB 14048.4-2010［S］.

［13］ 低压开关设备和控制设备﹕ GB 14048.1-2006［S］.

（编辑：王一芳）

Realization and Application on AC Contactor Life Testing System Based on Phase-controlled Technology

HUANG Hailan， WU Guichu， WU Ziran， CHEN Chong， WANG Panpan
（The Key Laboratory of Low-voltage Apparatus Intellectual Technology of Zhejiang， Wenzhou University， Wenzhou， China 325035）

Abstract：Under the condition of AC-4， the electrical endurance of a traditional AC contactor is far less than its mechanical endurance， which is mainly caused by the arc erosion generated when the contact is in breaking process. A large number of experiments indicate that different contact breaking phases produce different arc energy and nurning arc power， which cause different extents of damage to the contacts. Since the phase control can effectively reduce arc energy and thus reduce the contact damage， it is significant to the phase selection disjunctiion control technology of AC contactors. The paper designs a breaking phase control device and applies it to the research on AC contactor breaking characteristics. The experiment exposes that the device can relatively control breaking phases precisely between 0° to 180° with errors less than 1°.

Key words：AC Contactor； Arc Energy； Breaking Phase Position

作者简介：黄海兰（1986- ），女，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向：交流接触器寿命研究．† 通讯作者，nature.nano@gmail.com

基金项目：国家自然科学青年基金（51507113）；浙江省自然科学青年基金（LQ16E070004）

收稿日期：2015-09-06

DOI：10.3875/j.issn.1674-3563.2016.02.004 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

中图分类号：TM615

文献标志码：A

文章编号：1674-3563（2016）02-0027-06