不同触点开距下交流接触器吸合过程的研究*

杨春恩, 郑 哲, 任万滨

(哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院)

0 引 言

交流接触器作为一种频繁控制大电流负载回路的主要电器元件,广泛应用于工业控制、轨道交通和航空航天等各个领域[1-3]。许多自动控制系统要求交流接触器每小时内数千次分、合动作,不仅要求接触器单次的动作响应快速,而且要求其具有长期稳定可靠工作的能力[4-5]。接触器响应速度和可靠性与其电磁机构的吸合过程密切相关。因此通过分析其动铁心位移响应和触点位移响应,进而掌握接触器吸合特性的调控方法具有工程实用价值。

交流接触器的吸合过程由机械反力和电磁吸力的配合决定,电磁与机械的耦合使得吸合运动过程十分复杂。为此,人们借助模型开关的实验方法研究了触头弹簧刚度、线圈匝数等参数对交流接触器吸合特性的影响,并通过优化上述参数有效降低了接触器的吸合时间,改善了吸合特性[6-7]。通过建立直流接触器碰撞弹跳动力学模型,分析了触点开距、线圈励磁电压对接触器触点回跳和铁心回跳的影响[8]。借助于接触器有限元仿真模型,计算了接触器瞬态和稳态响应,通过优化传动比降低了吸合碰撞能量,从而抑制了触点弹跳现象[9-10]。触点开距作为交流接触器的重要设计参数,其不仅与触点熄弧特性有关,而且与触点弹跳和动铁心吸合过程直接相关。然而,触点开距对接触器吸合特性影响的研究工作还不够全面。

本文介绍一种可调整触点开距的交流接触器实验系统,实验过程中同步实时采集了接触器动作过程中的触点电压、动铁心位移和线圈电流等波形,进而确定了交流接触器吸合过程的电气特性。最后讨论了触点开距对于吸合特性的影响。

1 实验

1.1 实验方法

本文应用的实验系统可以模拟交流接触器在不同触点开距下的吸合动作和释放动作,并可同步实时记录触点电压、触点电流、线圈电流以及触点压降等波形。实验系统主要包括:机械结构部分、信号测量部分以及数据处理部分。实验装置的原理图如图1所示,动触桥以及动铁心由T形连接件连接。T形连接件内的接触弹簧可实现动触桥和静触点间的弹性接触。本实验装置通过加装Z轴滑台(LTS)、L形连接件和千分头调整触点开距,最小调整位移为10 μm。为避免交流接触器线圈的合闸相角对吸合过程的影响,实验系统将线圈合闸相角稳定控制在2.9°～4.4°。

图1 实验装置原理图

动触桥的位移响应由激光位移传感器(ILD2220)测量,其采样频率上限为20 kHz,分辨率为30 nm。触点电压的测量分辨率为30 mV,触点电流的测量分辨率为80 mA。以上所有信号,包括线圈电流、触点电压和触点电流等,均由高速数据采集卡(PCI1706)采集,其采样频率最高为250 kHz,测量分辨率为16位。通过LabVIEW软件编程实现数据自动采集、存储和处理。

1.2 实验条件

在AC 380 V/8 A的负载条件下,通过改变触点开距完成了交流接触器的吸合动作特性测试实验。实验环境温度为19～22 ℃,湿度为22%RH。触点材料为AgSnO2,触头类型为桥式触头,触头开距调整范围为0.4～3.9 mm。动、静触头的三维效果图如图2所示。两个弧面触头铆接在桥式结构上,平面触头铆接在静触头支架上。桥式结构动触头和静触头支架均由黄铜制成。实验样品在超声波清洗机中依次使用酒精和蒸馏水清洗,自然晾干后安装在动触桥和静触头支架上。

图2 动、静触头的三维效果图

2 吸合过程的理论分析

在忽略铁心磁阻抗和漏磁通的情况下,接触器的电磁吸力F可根据式(1)计算,即

(1)

式中:I——线圈电流;

N——线圈匝数;

Λδ——气隙磁导;

δ——气隙长度;

Φδ——气隙磁通;

Rδ——气隙磁阻。

气隙磁导随气隙长度变化情况如图3所示[11]。

图3 气隙磁导随气隙长度变化情况

在图3上A、B点分别作切线,显然有

(2)

因此,随着动铁心向下运动,气隙δ逐渐减小,dΛδ/dδ逐渐增大,动铁心所受电磁吸力呈逐渐增大的趋势。

接触器吸合过程中力和距离随动铁心位移变化如图4所示。

图4 接触器吸合过程中力和位移距离随动铁心位移变化

图4(a)中,随着动铁心的触动,磁间隙和触点开距分别由初始值Smg0和Scg0一并减小,铁心弹簧被压缩,触桥弹簧压缩量为0时,则

Smd=ΔSmg=ΔScg

(3)

式中:Smd——动铁心位移量;

ΔSmg——磁间隙变化量;

ΔScg——触点开距变化量。

当触点开距减小至0时,触桥弹簧开始被压缩,此后的动铁心位移量与触桥弹簧的压缩量相等,即

Smd-Scg0=ΔSsc

(4)

式中: ΔSsc——触桥弹簧压缩量。

由式(3)和式(4)可知,吸合过程中动铁心位移与磁间隙、触点开距和触桥弹簧压缩量的关系可表示为

Smd=ΔSmg=ΔScg+ΔSsc

(5)

图4(b)中,由于铁心弹簧采用的是塔形弹簧,随着动铁心的向下运动,弹簧的反力特性呈现非线性的增大趋势,但其增长速率通常远小于电磁力的增长速率。

3 实验结果分析

3.1 典型吸合过程

触点开距为3.4 mm,负载电流为8 A条件下,在接触器吸合过程中,触点电压、线圈电流和动铁心速度的典型波形如图5所示。其中t1为线圈的上电时刻,此时的电磁力不足以克服铁心弹簧的预压缩力,因此动铁心保持静止。直到t2时刻,电磁吸力与弹簧反力大小相等方向相反,动铁心开始运动,此时的线圈电流称为触动电流。动、静触点在t3时刻开始接触,此时触点电压发生突变,触点回跳开始发生。直至t4时刻,触点电压稳定在0 V,触点回跳结束,t3～t4所用时间为回跳时间。之后,在t5时刻动、静铁心发生首次碰撞,动铁心速度陡降,并由于电磁吸力发生了较明显的第二、第三次碰撞。t5时刻的动铁心速度定义为首次碰撞速度。在最后一次较明显的碰撞后,动、静铁心表现为有阻尼自由振动形式。本文认为吸合过程在t6时刻结束,t5～t6所用时间定义为稳定时间,t1～t6所用时间定义为吸合时间。

图5 触点电压、线圈电流和动铁心速度的典型波形

同样在8 A的负载电流条件下,当触点开距为1.9 mm时,在接触器吸合过程中,触点电压、动铁心位移和动铁心速度的典型波形如图6所示。由图6可见,在8.55 ms动铁心速度发生了第一次陡降,由1.561 m/s降到了0.923 m/s,速度变化量Δv为0.638 m/s,其产生原因如前文所述为动、静铁心碰撞。在10.40 ms动铁心速度又

图6 触点电压、动铁心位移和动铁心速度的典型波形

发生了第二次陡降,对比动铁心位移波形可知,此时动铁心位移过大,超过了动铁心的最大位移长度7.66 mm,使得静铁心与接触器外壳发生了碰撞,引发了动铁心速度的第二次陡降,直至13.10 ms动铁心速度不再发生明显突变,吸合过程结束。相对于图5波形的稳定时间3.30 ms,图6波形的稳定时间为4.55 ms,可见动铁心速度的第二次陡降将会增大稳定时间。在静铁心与外壳碰撞后,触点电压由0 V增大到了起弧电压12 V,触点发生了回跳现象,本文称这种现象为触点的二次回跳。触点二次回跳的出现将增加回跳时间,恶化触点接通情况。

3.2 不同触点开距下的吸合过程

使用本文所述实验装置调整触点开距时,磁间隙和铁心弹簧反力等参数也会随之改变,由式(3)可知,触点开距和磁间隙的变化量相等。由图4可知,铁心弹簧反力随着触点开距的减小而呈现非线性增大的趋势。因此,本文所述不同触点开距下交流接触器的吸合特性,指的是触点开距以及相关参数变化情况下交流接触器的吸合特性。不同开距下的动铁心速度如图7所示。触点开距分别为0.4 mm,1.4 mm,1.9 mm,2.4 mm,2.9 mm和3.9 mm。由图7可见,在不同开距下动铁心速度均呈现先增大后减小的趋势。当触点开距大于2.9 mm时,动铁心速度波形如图5,当触点开距小于2.9 mm时,动铁心速度波形如图6。随着开距的减小,在首次碰撞点前的动铁心速度逐渐增大意味着动铁心的行程缩减以及运动速度增大,实现了接触器体积和吸合时间的减小。

图7 不同开距下的动铁心速度

为了进一步研究不同触点开距下交流接触器的吸合过程,提取动铁心速度波形中的特征参数。动铁心首次碰撞速度、吸合时间、稳定时间和回跳时间随开距变化的趋势如图8所示。

图8 动铁心首次碰撞速度、吸合时间、稳定时间和回跳时间随开距变化的趋势

依据稳定时间和首次碰撞速度,可将其分为两个阶段。在第一阶段内,首次碰撞速度和稳定时间呈正相关关系,随着开距的增加,吸合时间呈缓慢增长的趋势,由于该阶段静铁心会与外壳发生碰撞,会对动、静铁心的振动过程产生扰动,将该阶段定义为受扰动阶段。在开距为0.4～1.9 mm时,吸合时间、稳定时间以及首次碰撞速度几乎保持不变。当开距增加至1.9～2.9 mm时,吸合时间、稳定时间快速减小,回跳时间出现极大值。随着开距的进一步增大,稳定时间快速增长,而首次碰撞前动铁心速度变化不大,动、静铁心在碰撞过程中不会受到接触器外壳的扰动,将该阶段定义为自由振动阶段。在该阶段内,吸合时间和稳定时间快速增长至相应的最大值,回跳时间逐渐减小。

综上,当开距超过2.9 mm时,吸合时间显著增加,回跳时间快速减小,这有利于改善触点因回跳而引发的触点烧蚀,对于接触器电寿命和可靠性要求较高的场合,可以选择较大触点开距。当开距小于1.9 mm时,稳定时间以及回跳时间基本不随着开距变化而变化,而吸合时间随着开距的减小而减小,因此可以选择较小的开距减小接触器体积,同时可获得相似的电性能以及更快的响应速度。

4 结 语

本文主要研究了在触点开距为0.4～3.9 mm、负载电流为8 A以及负载电压为380 V的工况下交流接触器的吸合特性。当触点开距小于1.9 mm时,首次碰撞速度、稳定时间和回跳时间呈现正相关。当触点开距小于2.9 mm时,静铁心将与外壳发生碰撞,从而引起动铁心速度的二次陡降,这将增加稳定时间,并可能导致二次回跳,恶化触点接通情况,增大回跳时间。当触点开距大于2.9 mm时,吸合时间将快速增加,回跳时间显著减小。若对交流接触器的可靠性要求较高,则可选择较大触点开距作为工作点;若对交流接触器的体积和响应速度有较高要求,在触点开距0.4～1.9 mm之间进行选择时,可以选择较小的触点开距作为工作点。触点开距对交流接触器电寿命影响为后续研究方向。