交流接触器电寿命试验平台设计

陆伟 颜世灿

【摘 要】接触器是一种典型的控制型电器元件，安装使用方便简单，其价格相对其他控制器件较低，在很多领域有广泛应用，适用于各种自动控制系统。有些电气系统对可靠性与安全性要求较高，所以要求系统内的各种低压器件必须具备高可靠性。电寿命试验是检验接触器是否可靠的非常重要的试验项目之一，也是检验交流接触器可靠性的一种高效简便的试验方法，可以用于分析接触器失效的原因，可以作为接触器设计修改的重要依据。因此，开发一款功能齐全、成本低廉的电寿命实验平台意义重大。文章介绍了电寿命试验的标准和要求、电寿命的试验方案、试验参数的计算、试验系统的设计过程及元器件选型要求，对电寿命试验平台的工作原理和设计思路做了详细分析，并且选择一款典型产品验证了设计的电寿命试验平台的可操作性。

【关键词】交流接触器;电寿命试验;可靠性检验

【中图分类号】TM572.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）04-0018-04

0 引言

接触器根据其应用可分为交流接触器和直流接触器，其工作原理是线圈接通流过电流，电磁感应生成磁场，磁芯吸合带动联动机构使主触头闭合，通过调节线圈的控制电压就能达到控制主电路的目的，可以快速且频繁地接通分断主线路，广泛应用于控制厂矿设备、配电系统等场合。随着工业制造水平的提高，交流接触器的外形和尺寸不断变化、工作性能不断提高。交流接触器工作的环境和工作特性要求其必须不停地导通断开，接触器的电寿命特性是影响整个用电控制系统可靠性的关键，决定了整个系统的可靠性和安全性[1]。

电寿命是指电器在不需要维修或更换零部件的条件下，按照标准规定进行接通和分断试验，在保证试品不损坏的情况下能承受的载荷操作次数[2];交流接触器的电寿命试验是根据国家标准《低压开关设备和控制设备第4-1部分：接触器和电动机起动器机电式接触器和电动机起动器》（GB/T 14048.4）[3]要求的试验条件测试其能不能满足电动合分次数。就目前的电寿命检验检测测试情况看，通常只能给出一个最终是否通过检测的试验结果，对于试验过程中的相关检测数据无法采集，也就无法判断在试验过程中接触器的状态和不合格接触器失效的原因。本研究介绍了交流接触器的电寿命试验系统的原理，建立了实验平台，并且在试验过程中不间断地采集监测接触器电压、电流等状态，采集到的试验波形信号可以直观地显示接触器的状态，对接触器状态的评价提供了充足的数据支持，可对设计和改进产品提供依据，并以某交流接触器为例进行电寿命试验，验证设计方案的可行性。

1 交流接触器電寿命试验条件

根据国家标准GB/T 14048.4的规定，交流接触器按使用类别可分为AC-1、AC-2、AC-3、AC-4等。不同的工作制对应不同的应用场合，工作制AC-1主要是应用在无感或微感负载场合，如白炽灯、电阻炉等;工作制AC-2主要应用于小电感负载，如控制绕线式异步电动机的启动和停止;工作制AC-3主要应用是控制鼠笼型异步电动机的启动、停止分断;工作制AC-4主要应用于控制笼型异步电动机的启动、反转和点动[4];国家标准GB/T 14048.4中规定了不同工作制的接触器的电寿命检测条件（见表1）。

2 电寿命试验的系统研究

根据国家标准中对交流接触器电寿命试验的要求和被试品的实际情况，不同类型交流接触器电寿命试验的测试要求也不尽相同，该系统根据不同的试验情况，应该具有如下功能：①根据被试品的不同工作制，要求的试验电压、电流和功率因数不同，系统需要可以设置试验电路中电压、电流和功率因数的值，试验系统可以根据试验参数调整电压。②试验系统适用于AC-1～AC-4的交流接触器的测试试验，针对不同的工作制，可以直接在试验系统中设置。③试验系统可以根据不同产品、不同的工作制设置试验参数，例如试验电压、试验电流、功率因数、接通分断时间等，同时能够直观显示试验波形，直接读取试验数据。④试验系统有多个输出端口，能够满足多个产品同时测试，提高检测效率[5]。

交流接触器寿命试验系统的硬件主要包括试验电源、负载、数据采样电路和控制部分。试验电源是变压器输出的交流电;负载用功率电阻和空心电抗器制作，可以任意调节功率因数，适用于各类工作制交流接触器;试验电路可以分为主电路、电压电流数据采样部分和控制部分电路。主回路主要有供电电源、真空接触器和模拟负载。电压电流数据采样部分有电流采样互感器、电压采样传感器、数据采集器、上位机。控制部分电路为试验控制台，可以远程控制试品通断。设置完成各项参数，系统可以自动完成测试，采集电压电流波形并显示相关数据。试验主线路如图1所示。

2.1 电源部分

据国家标准GB/T 14048.4中对AC-3、AC-3e交流接触器电寿命试验的规定，接通电流是分断电流的6倍，实际试验过程中无法瞬间改变阻抗，所以需要瞬间切换试验电压，使分断电压为导通电压的1/6，这样就能满足标准要求，因此试验系统主电路中需要有调压和电压切换的功能。

试验电源是50 Hz正弦波交流电，电压有效值要稳定在95%～105%。试验用电源的原理如图2所示，F1和F2为熔断器，发生故障时起到保护作用;Q为万能式断路器;T1为带隔离的升压变压器;T2为自耦式变压器，用于实现Ue和1/6的Ue。K1和K2为真空交流接触器，作为试验陪试品，接收控制信号闭合时，被试品上得到Ue或1/6的Ue。

2.2 负载部分

负载部分为RL阻感负载，使用空心电感和电阻器串联，可以实现标准要求的各种功率因数，负载功率因素可设定为±0.3～1.0，电阻调节范围为12～7 760 mΩ，调节精度为12 mΩ，调节范围为12～9 204 mΩ，调节精度为12 mΩ，能够满足上述各种类别的电寿命试验的条件，负载原理图如图3所示。

2.3 检测电路

电寿命试验时需要采集的信号包括额定电压Ue（K1开关控制）、额定电压（K2开关控制）、试品接触器触点电压Uc（K3端口电压）及回路电流I（电流互感器）4个参数。检测点示意图如图4所示。这些电压、电流信号需要隔离放大处理，以适应A/D量程。共采集三相电路的电流、电压等6个信号。其中，电压是指试品触头的断口电压，电流是指接通时流过接触器主触头的电流。采样频率为800 K/s，保证采样数据的精度和速度，其模数转换器的量程为-10～10 V。

2.4 电压传感器与电流互感器

电压传感器采用具有隔离功能的交流电压传感器，能够实时测量试验电路中的交流电压，实时输出相应电压，电压采样高达1 500 V，输出电压最高为5 V，输入输出比为100∶1，精度等级为0.2 s，冲击耐受电压为2.5 kV，需要直流12 V供电，可实现高精度采样，具有隔离功能，安全性高，抗干扰能力强，响应速度快。电流互感器使用霍尔型电流互感器，额定电压为500 V，额定频率为50 Hz。根据试验参数，电流传感器有不同的变比可以选择，有多个电流量程可以选择，可以提高采样精度，输出电流为0～5 A。

控制电路原理图如图5所示，K1和K2分别控制接通Ue与1/6Ue。K1和K2互锁，可以防止同时导通导致电源短路。有些接触器线圈是直流供电，所以增加整流桥提供直流电压，提高设备的通用性。

控制器采用“西门子”CPU224，具有24个数字量输入/输出点，连接7个扩展模块后最多可達到168个数字量输入/输出点。该控制器存储空间最高可达20 kB，试验用控制台直接控制，通过控制台可以设置试验工作次数、接通分断时间、功率因数等参数，多台产品可同时进行测试，适用于交流接触器批量试验。

3 试验验证

交流接触器的基本参数主要包括额定工作电压、额定工作电流、工频耐受电压、冲击耐受电压、线圈控制电压、线圈额定电流、工作制、操作频率、机械寿命和电寿命。其中，接触器额定电压的值应该等于主触点的额定工作电压或负载的额定电压，通常根据应用的环境选择。最大的导通电流是接触器导通时能承受的最大电流，大于这个电流会导致触点熔焊。最大分断电流是接触器能不发生拉弧而分断的最大电流，当大于最大分断电流时接触器有可能发生拉弧甚至无法完成分断。线圈控制电压是线圈正常工作时的额定电压，有交流电压和直流电压，根据不同的应用场景选择合适的额定电压值。接触器工作制在前文已有介绍。操作频率是每小时接触器接通分断的最大次数，超过这个次数有可能导致接触器损坏。国家标准GB/T 14048.4—2020中推荐了接触器机械寿命次数，生产研制接触器时可以根据这个参数优选值设定，即0.1万次、0.3万次、1万次、3万次、10万次、30万次、100万次、300万次、1 000万次，接触器的电寿命由制造商设定，一般值是机械寿命的1%～10%[2];试验检验方法由单八制和双三制，单八制试验是8台接触器同时试验，不做修理直接按电寿命次数工作。如果合格产品大于6台，就能认定产品是符合要求的。双三制试验是3台接触器同时试验，试验中不做修理直接按次数工作。若都没有出现故障，则认定产品是符合要求的，如果有1台以上产品不合格，可判定产品不合格。如果其中1台出现故障，则重新选3台重复试验，若3台全部正常，可判定产品合格。整个试验过程中如果只出现2台或2台以上的故障产品，则判定产品不合格。

根据以上参数，本试验中选取的交流接触器试品为“德力西”品牌，额定工作电压为380 V，额定工作电流为25 A，线圈电压为220 V，工作制为AC-3，标称电寿命为50万次，接通分断频率为600次/h。

在接触器的接通和分断试验中，接通分断电压和接通分断电流的波形是重要的试验参数。本试验数据采集的要求与流程、数据处理与电源频率、功率因数、燃弧时间等参数，是本试验系统的关键技术之一，这些参数可以精确地反映被试品的状态。

4 结束语

本文论述了接触器电寿命的概念及寿命试验的目的，查阅了低压电器国家标准GB/T 14048.4，确定了试验系统的参数和条件。经过计算分析，确定试验系统的供电电路、阻抗负载、万能式断路器、真空接触器、控制器、数据采集器和显示装置，研制出高性能的计算机控制的接触器电寿命试验平台。该平台可以进行多种工作方式的电寿命试验，具有多个独立的试验通道，每个通道可同时进行多个试品试验;具有实时显示接触器接通、分断电压和电流波形的功能，可以读取导通时间，根据波形判定是否存在拉弧或黏连等现象。该平台已经应用到实际的低压电器质量检验检测工作中，显著提高了接触器的检测能力和检测水平，缩短了检验检测时间，提高了检测效率。对于客户来说，通过该平台能够详细了解接触器试验过程中的状态和各项参数指标，对提高接触器的产品质量及后续改进产品设计有重要的作用。

参 考 文 献

[1]焦通.交流接触器电寿命监测研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2015.

[2]陆俭国，张乃宽，李奎.低压电器的试验与检测[M].北京：中国电力出版社，2007.

[3]GB/T 14048.4—2020，低压开关设备和控制设备第4-1部分：接触器和电动机起动器机电式接触器和电动机起动器[S].

[4]王丽丽，李奎，黄少坡，等.交流接触器电气操作试验测控技术的研究[J].电器与能效管理技术，2015（10）：1-5，21.

[5]黄少坡，李奎，王洋，等.机电式控制电路电器试验技术研究[J].电气传动，2016（5）：93-96.