HH52P型電磁繼電器動態(tài)特性監(jiān)測方法的研究

作者/ 李鐵成 姚芳 河北工業(yè)大學(xué) 河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室(天津 300130)

摘要：本文基于LABVIEW開發(fā)了一套電磁繼電器動態(tài)特性監(jiān)測系統(tǒng)。電磁繼電器吸合暫態(tài)過程依次為觸動階段、吸動階段和蓄磁階段。通過繼電器線圈時間常數(shù)的動態(tài)變化特性可以實現(xiàn)對繼電器吸合過程中觸動階段、吸動階段和蓄磁階段的辨識。因此，根據(jù)時間常數(shù)的物理意義，將線圈時間常數(shù)和銜鐵觸動時間的算法嵌入到該監(jiān)測系統(tǒng)中，達到了對電磁繼電器吸合過程動態(tài)特性監(jiān)測的目的。經(jīng)實際測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，完成了對試品吸合過程動態(tài)特性的監(jiān)測和特性參數(shù)的采集分析。

引言

　　電磁繼電器一般由電磁系統(tǒng)、彈簧系統(tǒng)、觸點系統(tǒng)、支架及外殼組成，電磁、彈簧及觸點系統(tǒng)的協(xié)同配合是繼電器可靠動作的關(guān)鍵。可測性參量中，除了觸點電氣參量，線圈電氣參量中也蘊含能反應(yīng)整機性能的動靜態(tài)信息。繼電器吸合暫態(tài)過程中，線圈電感和線圈時間常數(shù)不斷變化，其變化規(guī)律與銜鐵運動和線圈電流的變化緊密相關(guān)。

　　在以性能退化規(guī)律發(fā)現(xiàn)為目的的直流電磁繼電器全壽命試驗研究中，需實時測錄吸合過程線圈和觸點的電氣參量波形，可從中提取反應(yīng)繼電器整機及子系統(tǒng)性能的性征參數(shù)。本文以吸合過程線圈電流和觸點電壓為電氣參量，理論研究從中提取吸合過程動態(tài)性征的方法及實現(xiàn)方法。

1 直流電磁繼電器吸合過程暫態(tài)分析

　　電磁繼電器的吸合過程一般持續(xù)幾毫秒，均很短暫。直流電磁繼電器的吸合過程是階躍響應(yīng)過程，該過程是從其釋放狀態(tài)過渡的。銜鐵吸動后，氣隙會減小，影響到磁路、磁鏈及等效電感，銜鐵運動速度會產(chǎn)生反電動勢，使得線圈電流在過渡過程呈非線性性征。

1.1 電磁繼電器吸合過程暫態(tài)建模

　　電磁繼電器吸合過程暫態(tài)等效電路為一恒定電阻和時變電感的串聯(lián)模型，如圖1所示。根據(jù)等效模型可知，直流電磁繼電器吸合過程的電壓平衡方程為：

1.2.2 吸動階段

　　BD段以銜鐵運動為特征，起于銜鐵開始運動時刻，止于銜鐵和鐵芯穩(wěn)定閉合時刻，稱之為吸合階段。

　　在吸合階段，電磁吸力大于彈簧反力，銜鐵向鐵芯運動，產(chǎn)生反電動勢，工作氣隙減小，磁路參數(shù)改變，磁芯磁場強度隨氣隙減小而增加。吸合階段公式(1)所示的電壓平衡方程變形為：

(2)

　　式中：V為銜鐵吸合速度，x為銜鐵行程，L₂為線圈電感。

　　在BC段，銜鐵吸動速度慢，反電動勢小，直流源U足以支撐線圈儲能和銜鐵運動所需的能量，此時表現(xiàn)為線圈繼續(xù)儲能(電流i增大)，但儲能速度減緩(di/dt減小);在C點，線圈電流i達到極大值點，增速di/dt為0，直流源U僅能支撐銜鐵運動v需要的能量;在CD段，銜鐵運動速度快，反電動勢增加，必須由線圈和直流源共同提供其快速運動需要的能量，di/dt減小為負值，i減小;在D點工作氣隙最小，銜鐵停止運動，反電動勢為0，公式(2)中電感L₂對x的微分項消失。

1.2.3 蓄磁階段

　　DE段起于銜鐵停止運動時刻，止于線圈電流變化率di/dt為0的E點，稱之為蓄磁階段。

　　在蓄磁階段，工作氣隙最小，線圈電感常數(shù)，時間常數(shù)恒定，公式(1)中對L的微分項不存在，線圈電流指數(shù)規(guī)律增加，電磁系統(tǒng)儲蓄磁場能量，電磁吸力增加，確保銜鐵與鐵芯處于穩(wěn)定閉合狀態(tài)，直至線圈電流等于U/R。由于磁芯氣隙的消失，整體磁芯的磁場強度較之觸動階段增加，因此，L₂比L₁大，導(dǎo)致時間常數(shù)增大，過渡過程變緩，電路時間常數(shù)τ₂=L₂/R恒定。

1.2.4 吸合過程暫態(tài)分析的實驗驗證

　　對同一臺直流電磁繼電器試品進行線圈電壓U的通電試驗，之后分別固定銜鐵于工作氣隙最大位置和最小位置，進行線圈電壓U的通電試驗。試驗過程均測錄線圈電流波形，試驗結(jié)果如圖3所示。

　　對圖3中的三條線圈電流波形進行擬合，均呈指數(shù)規(guī)律，時間常數(shù)為4.98ms、5.03ms和8.32ms，推算電感分別為3.35H、3.38H和5.59H。

2 繼電器吸合過程中的時間參數(shù)測試

2.1 基于物理意義的時間常數(shù)求解

　　電磁繼電器的線圈時間常數(shù)在銜鐵不同狀態(tài)下是變化的，下面根據(jù)繼電器銜鐵固定于最大張角時的線圈電流來分析時間常數(shù)的意義。圖4中P為曲線任意一點，若從P點以tanθ為斜率的直線上升到電流穩(wěn)態(tài)值，所用時間為T₂-T₁=τ，即從曲線任意一點以該點斜率勻速上升到最終穩(wěn)態(tài)值所用的時間就是時間常數(shù)τ。

　　將示波器采集的線圈電流數(shù)據(jù)按時間序列排列，兩個點之間的步長為0.25ms，設(shè)電流值I_i為I₀，I₁，I₂，I₃…，時間t_i為t₀，t₁，t₂，t₃…。選取公式(3)來計算，線圈電流波形在任意一點處的斜率k：

(3)

　　在獲得了線圈電流的斜率后可以進一步求線圈電流在每一刻的時間常數(shù)。設(shè)在t_i時刻斜率直線的斜截式方程為：

(4)

　　式中：b為以k為斜率的直線的截距。

　　根據(jù)上文中求時間常數(shù)的方法，設(shè)在ti時刻的斜率直線與線圈電流最大值交點為(t_max，I_max)，由于這個交點同樣在斜率直線上，故：

(5)

　　在t_i時刻，線圈電流時間常數(shù)為：

(6)

　　根據(jù)該公式可以求解電磁繼電器吸合過程中每個采樣點時刻對應(yīng)的時間常數(shù)，最終得到的線圈電流時間常數(shù)動態(tài)波形如圖5。

　　通過線圈電流波形與時間常數(shù)波形的比較可以得出以下結(jié)論：

　　從T₀時刻開始，在觸動階段，線圈時間常數(shù)幾乎不變;在T₁時刻，銜鐵開始移動，導(dǎo)致時間常數(shù)增加，時間常數(shù)波形開始呈現(xiàn)明顯的波動，由此可以判斷銜鐵在T₁時刻開始吸合;T2時刻是銜鐵閉合的瞬間，由于銜鐵及觸點的彈跳，時間常數(shù)在這一時刻附近存在一定的波動。在觸點穩(wěn)定接觸后，吸合過程進入到蓄磁階段，時間常數(shù)趨勢線幾乎為水平，當(dāng)電流大致達到穩(wěn)定值T3時刻后，時間常數(shù)接近0。

　　根據(jù)吸合過程時間常數(shù)的動態(tài)波形可以辨識出繼電器銜鐵的起動時刻，提取銜鐵觸動時間，在圖5中，觸動時間t=T₁-T₀，經(jīng)計算為4.3 ms。

2.2 時間常數(shù)及觸動時間的測試應(yīng)用

　　將電磁繼電器線圈時間常數(shù)的算法嵌入到LABVIEW程序中，以數(shù)據(jù)采集卡與工控機為平臺開發(fā)出一套電磁繼電器參數(shù)測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對繼電器吸合過程動態(tài)特性的監(jiān)測，最終時間常數(shù)檢測波形如圖6。由于銜鐵的移動，在7ms左右可以看到波形發(fā)生明顯波動，時間常數(shù)增大。經(jīng)計算，波形開始明顯波動時，時間常數(shù)為7.52ms，觸動時間為4.3ms。該測試系統(tǒng)的實際監(jiān)測波形與上文理論計算的時間常數(shù)波形趨勢吻合，驗證了該測試系統(tǒng)在監(jiān)測繼電器試品時間常數(shù)和觸動時間動態(tài)特性的可靠性和準(zhǔn)確性。

　　利用該測試系統(tǒng)采集一個繼電器試品全壽命實驗(吸合30萬次以上)中觸動時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量巨大，為減小數(shù)據(jù)的不確定性和分散性，采用分段平均法對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，即按照時間序列，每100個數(shù)據(jù)求取一個平均值。數(shù)據(jù)波形見圖7，隨著繼電器試品動作次數(shù)的增加，銜鐵觸動時間呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，反映了繼電器性能的退化。因此，在繼電器吸合過程中，通過監(jiān)測銜鐵觸動時間的動態(tài)特性，可以實現(xiàn)對繼電器的可靠性評估。

3 結(jié)論

　　本文分析了直流電磁繼電器吸合過程的動態(tài)特性，研究了吸合過程中的三個暫態(tài)階段。本文基于時間常數(shù)物理意義提取繼電器吸合暫態(tài)過程中的線圈時間常數(shù)，根據(jù)時間常數(shù)的動態(tài)波形實現(xiàn)了對銜鐵觸動階段與吸動階段分界點的辨識，監(jiān)測觸動時間。在電磁繼電器參數(shù)測試裝置中嵌入了時間常數(shù)、觸動時間的算法，并成功地實現(xiàn)了采集和記錄，達到了對電磁繼電器吸合過程動態(tài)特性的監(jiān)測和可靠性評估。

參考文獻:

　　[1]王淑娟,余瓊,翟國富.電磁繼電器接觸失效機理判別方法[J].電工技術(shù)學(xué)報,2010,08:38-44.

　　[2]李宏義.電磁繼電器線圈時間常數(shù)的檢測研究[D].河北工業(yè)大學(xué),2012.

　　[3]Monica Popa.Numerical Modelling of the Transient Regime for a DC Electromagnetic Relay[C].2015 13th International Conference on Engineering of Modern Electric Systems (EMES),2015:1-4.

　　[4]史純義.電磁繼電器時間參數(shù)的測量方法探討[J]. 機電元件,2009,03:38-47

　　[5]Stringer, Norman T. Dynamic Testing of Frequency Relays[J].IEEE Transactions on Industry Applications. 1996, (32): 766~777.

　　[6]魏梅芳,陽靖,李震彪,等.繼電器電壽命測試系統(tǒng)設(shè)計[J].低壓電器,2008,03:26-28+32.

　　[7]何惠英,王小宇,紀(jì)蕾,等.繼電器動作特性的虛擬儀器測試方法研究[J].電子設(shè)計工程,2011,07:50-52.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第39頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。