交流接觸器是一種適用于遠(yuǎn)距離頻繁地接通和斷開交流電路的低壓電器，主要運(yùn)用于配電網(wǎng)、電動(dòng)機(jī)控制等領(lǐng)域[1-3]。隨著電氣工藝的不斷發(fā)展和提高，對(duì)交流接觸器這一重要的電氣開關(guān)提出了更高的要求，尤其是在其壽命和性能方面。其中，如何減少電路接通時(shí)動(dòng)靜觸頭的彈跳和鐵心間的碰撞力是近年來研究工作的重點(diǎn)[4-6]。這類研究大多集中于理論分析與數(shù)值仿真，或者是局限于對(duì)接觸器觸頭、鐵心等局部動(dòng)態(tài)特性的研究，交流接觸器的動(dòng)態(tài)過程涉及電-磁-機(jī)械的復(fù)雜耦合，觸頭彈跳、鐵心碰撞力、吸合時(shí)間、吸合位移等信號(hào)對(duì)于接觸器的動(dòng)態(tài)性能具有重要影響，僅僅依靠數(shù)學(xué)模型的方法無法準(zhǔn)確全面地反映交流接觸器的動(dòng)態(tài)過程。為了全面描述接觸器的動(dòng)態(tài)特征，需要將多路動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行同步采集。由于實(shí)時(shí)信號(hào)中傳感器弱電信號(hào)與接觸器輸入強(qiáng)電共存，交流高電壓對(duì)于傳感器輸出端的低壓直流信號(hào)會(huì)產(chǎn)生較大干擾，為實(shí)現(xiàn)同步采集，需要設(shè)計(jì)隔離電路，解決同步實(shí)時(shí)采集過程中強(qiáng)電與弱電之間的干擾問題。

    本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的帶隔離電路的智能交流接觸器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)，基于該平臺(tái)，可以對(duì)交流接觸器的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行全面的測(cè)試。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法，實(shí)現(xiàn)了智能交流接觸器電信號(hào)、機(jī)械信號(hào)在時(shí)間上的對(duì)應(yīng)。運(yùn)用該測(cè)試系統(tǒng)，研究了采用三種不同彈簧組合時(shí)交流接觸器的動(dòng)態(tài)特性。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增加主力彈簧的剛度系數(shù)，可以減少閉合時(shí)動(dòng)觸頭的彈跳，同樣，動(dòng)鐵心的碰撞速度和加速度有所減小。
1 智能交流接觸器
    智能交流接觸器是一種新型的基于PWM脈寬控制的智能型交流接觸器，其幾何模型如圖1所示。

    通過內(nèi)置控制模塊，調(diào)節(jié)線圈電壓，從而保證了接觸器在閉合時(shí)的動(dòng)能達(dá)到合適值。接觸器吸合過程中的動(dòng)能直接影響動(dòng)靜鐵心、觸頭之間的碰撞和彈跳，因此需要對(duì)接觸器動(dòng)態(tài)閉合過程中的各種特征量進(jìn)行同步實(shí)時(shí)測(cè)量，建立電信號(hào)和機(jī)械信號(hào)在時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這對(duì)于全面掌握接觸器動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，提高接觸器機(jī)械壽命和電壽命有著重要意義。

2 測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)
2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    測(cè)試系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分包括計(jì)算機(jī)、保護(hù)電路、隔離調(diào)理電路、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等。軟件部分利用基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器平臺(tái)軟件LabVIEW。
    測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)時(shí)信號(hào)中傳感器弱電信號(hào)與接觸器輸入強(qiáng)電共存。為了避免同步采集時(shí)交流高電壓對(duì)傳感器輸出端的低壓直流信號(hào)產(chǎn)生干擾，需要在保護(hù)電路和接觸器輸入端之間接入可靠的隔離調(diào)理電路。

2.2 硬件電路
2.2.1 隔離調(diào)理電路
    本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)高壓回路的模擬信號(hào)隔離和采樣，通過大阻值電阻進(jìn)行分壓，將分壓出來的信號(hào)通過電流型電壓互感器或電流互感器進(jìn)行變換。環(huán)境中的干擾及傳輸過程均會(huì)對(duì)輸出的電壓信號(hào)幅值產(chǎn)生衰減，而數(shù)據(jù)采集卡對(duì)輸入電壓信號(hào)的幅值有范圍要求，因此需要對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。本電路采用的方法是將從互感器變換出來的電壓信號(hào)以差分的方式接入運(yùn)算放大器，對(duì)信號(hào)幅值進(jìn)行調(diào)理。電壓、電流隔離電路如圖3所示。

2.2.2 保護(hù)電路
    保護(hù)電路主要包括以下幾個(gè)方面： (1)過壓保護(hù)：由兩個(gè)穩(wěn)壓值相同的穩(wěn)壓管D1、D2反向串聯(lián)組成雙向限幅電路。(2)限流保護(hù)：在輸入端串聯(lián)電阻R1，增加輸入阻抗，限制輸入電流。(3)高頻濾波：由電阻R1和電容C1構(gòu)成RC低通濾波電路，抑制高頻干擾。保護(hù)電路如圖4所示。

2.2.3 接口電路
    本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)智能交流接觸器動(dòng)態(tài)過程的輸入電壓、線圈電壓、線圈電流、觸頭電壓以及動(dòng)鐵心的位移、速度和加速度這7路動(dòng)態(tài)參量進(jìn)行測(cè)量。圖5是測(cè)試系統(tǒng)的整體接口電路圖，其中，電壓保護(hù)和隔離調(diào)理電路模塊是將保護(hù)電路和電壓隔離調(diào)理電路接在一起，電流保護(hù)隔離調(diào)理電路模塊是將保護(hù)電路和電流隔離調(diào)理電路接在一起?？梢?，從接口電路出來的7路信號(hào)連接到數(shù)據(jù)采集卡的端子上，實(shí)現(xiàn)同步采集。

2.3 軟件設(shè)計(jì)
2.3.1 程序流程圖
    軟件部分是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心，其主要功能是為用戶提供一個(gè)良好的操作環(huán)境，及時(shí)響應(yīng)用戶的命令。軟件部分由用戶操作界面、硬件驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)管理三部分組成，程序總體流程圖如圖6所示。

2.3.2 程序分析
    在LabVIEW中開發(fā)的程序均包括程序框圖和前面板。程序框圖中是實(shí)現(xiàn)VI功能的圖形化源代碼，圖7是測(cè)試系統(tǒng)的程序框圖。

    根據(jù)LabVIEW軟件的特性，在設(shè)計(jì)程序時(shí)，將其分成4個(gè)模塊，如圖8所示。

    其中,第一個(gè)模塊是硬件驅(qū)動(dòng)部分，用以選擇PCI卡的型號(hào)以及設(shè)置數(shù)據(jù)采集通道、采樣頻率、測(cè)量范圍等參數(shù)。第二和第三個(gè)模塊是數(shù)據(jù)管理部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)各通道的模擬信號(hào)進(jìn)行高速采樣，并在用戶操作界面上實(shí)時(shí)顯示各路信號(hào)的波形圖，同時(shí)將采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后存儲(chǔ)在事先定義的Excel表中。
2.4 測(cè)試結(jié)果分析與驗(yàn)證
    利用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)智能交流接觸器動(dòng)態(tài)過程中的動(dòng)鐵心的位移、速度和加速度進(jìn)行測(cè)試。為了驗(yàn)證該測(cè)試系統(tǒng)得出的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可靠的，本文將本測(cè)試系統(tǒng)采集生成的Excel表中保存的數(shù)據(jù)在Matlab中繪成的曲線圖與激光傳感器中保存的數(shù)據(jù)繪成的曲線圖進(jìn)行比較，如圖9所示。

    通過觀察對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與傳感器的數(shù)據(jù)繪制成的曲線圖高度吻合，驗(yàn)證了該測(cè)試系統(tǒng)采得的數(shù)據(jù)有相當(dāng)高的精確度?？梢?，該測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，很好地滿足了測(cè)試實(shí)時(shí)性要求，能夠應(yīng)用于交流接觸器動(dòng)態(tài)特性的研究。
3 接觸器動(dòng)態(tài)過程的實(shí)驗(yàn)研究
    采用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)智能交流接觸器吸合過程的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行全面研究。本實(shí)驗(yàn)將三組不同剛度系數(shù)的主力彈簧智能交流接觸器吸合過程中的各個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行同步測(cè)試，每組分別測(cè)試五次。
    圖10為用本測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試的主力彈簧剛度系數(shù)3 800 N/m的智能交流接觸器在吸合過程動(dòng)態(tài)參數(shù)變化的波形圖。圖中輸入電壓、線圈電壓、線圈電流、觸頭電壓以及動(dòng)鐵心的速度、加速度、位移的曲線分別經(jīng)過歸一化處理。根據(jù)圖中各曲線的關(guān)系，可以得到接觸器閉合時(shí)，動(dòng)觸頭的彈跳次數(shù)、彈跳時(shí)間和動(dòng)鐵心的速度、加速度、位移等信息。表1所示是不同主力彈簧剛度系數(shù)下動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化情況。
    從表1可知，隨著主彈簧剛度系數(shù)的增大，碰撞時(shí)動(dòng)觸頭的彈跳時(shí)間和彈跳次數(shù)減少。這是因?yàn)殡S著主力彈簧剛度系數(shù)的增大，動(dòng)觸頭對(duì)主力彈簧產(chǎn)生的形變減小，即彈簧力變化越小，因此動(dòng)觸頭彈跳次數(shù)和彈跳時(shí)間減少。同時(shí)，由于接觸器超程一定，主力彈簧剛度系數(shù)越大，其反力越大。吸合過程，適當(dāng)?shù)卦黾又髁椈蓜偠认禂?shù)可有效降低鐵心閉合速度及加速度，提高接觸器機(jī)械壽命。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析說明，本測(cè)試系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，且測(cè)試精度較高。運(yùn)用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)智能交流接觸器進(jìn)行測(cè)試，真實(shí)準(zhǔn)確地反應(yīng)了其動(dòng)態(tài)過程各參數(shù)的變化。這對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化智能交流接觸器的閉合動(dòng)態(tài)過程，減少觸頭動(dòng)鐵心碰撞，延長(zhǎng)其使用壽命有著重要的意義，并為研究交流接觸器的動(dòng)態(tài)特性提供了新的途徑。
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