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，主要運用于配電網(wǎng)、電動機(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動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[4-6]。這類研究大多集中于理論分析與數(shù)值仿真，或者是局限于對接觸器觸頭、鐵心等局部動態(tài)特性的研究，交流接觸器的動態(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、吸合時間、吸合位移等信號對于接觸器的動態(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態(tài)過程。為了全面描述接觸器的動態(tài)特征，需要將多路動態(tài)實時信號進(jìn)行同步采集。由于實時信號中傳感器弱電信號與接觸器輸入強(qiáng)電共存，交流高電壓對于傳感器輸出端的低壓直流信號會產(chǎn)生較大干擾，為實現(xiàn)同步采集，需要設(shè)計隔離電路，解決同步實時采集過程中強(qiáng)電與弱電之間的干擾問題。

    本文設(shè)計了一種基于LabVIEW的帶隔離電路的智能交流接觸器動態(tài)特性測試系統(tǒng)，基于該平臺，可以對交流接觸器的動態(tài)過程進(jìn)行全面的測試。通過實驗測試的方法，實現(xiàn)了智能交流接觸器電信號、機(jī)械信號在時間上的對應(yīng)。運用該測試系統(tǒng)，研究了采用三種不同彈簧組合時交流接觸器的動態(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)，可以減少閉合時動觸頭的彈跳，同樣，動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的動能達(dá)到合適值。接觸器吸合過程中的動能直接影響動靜鐵心、觸頭之間的碰撞和彈跳，因此需要對接觸器動態(tài)閉合過程中的各種特征量進(jìn)行同步實時測量，建立電信號和機(jī)械信號在時間上的對應(yīng)關(guān)系，這對于全面掌握接觸器動態(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 測試系統(tǒng)平臺
2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    測試系統(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算機(jī)的虛擬儀器平臺軟件LabVIEW。
    測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。實時信號中傳感器弱電信號與接觸器輸入強(qiáng)電共存。為了避免同步采集時交流高電壓對傳感器輸出端的低壓直流信號產(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
    本測試系統(tǒng)對高壓回路的模擬信號隔離和采樣，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對輸出的電壓信號幅值產(chǎn)生衰減，而數(shù)據(jù)采集卡對輸入電壓信號的幅值有范圍要求，因此需要對電壓信號進(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以差分的方式接入運算放大器，對信號幅值進(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方面： (1)過壓保護(hù)：由兩個穩(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)計的測試系統(tǒng)對智能交流接觸器動態(tài)過程的輸入電壓、線圈電壓、線圈電流、觸頭電壓以及動鐵心的位移、速度和加速度這7路動態(tài)參量進(jìn)行測量。圖5是測試系統(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。可見，從接口電路出來的7路信號連接到數(shù)據(jù)采集卡的端子上，實現(xiàn)同步采集。

2.3 軟件設(shè)計
2.3.1 程序流程圖
    軟件部分是整個測試系統(tǒng)的核心，其主要功能是為用戶提供一個良好的操作環(huán)境，及時響應(yīng)用戶的命令。軟件部分由用戶操作界面、硬件驅(qū)動程序、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。程序框圖中是實現(xiàn)VI功能的圖形化源代碼，圖7是測試系統(tǒng)的程序框圖。

    根據(jù)LabVIEW軟件的特性，在設(shè)計程序時，將其分成4個模塊，如圖8所示。

    其中,第一個模塊是硬件驅(qū)動部分，用以選擇PCI卡的型號以及設(shè)置數(shù)據(jù)采集通道、采樣頻率、測量范圍等參數(shù)。第二和第三個模塊是數(shù)據(jù)管理部分，實現(xiàn)對各通道的模擬信號進(jìn)行高速采樣，并在用戶操作界面上實時顯示各路信號的波形圖，同時將采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后存儲在事先定義的Excel表中。
2.4 測試結(jié)果分析與驗證
    利用該測試系統(tǒng)對智能交流接觸器動態(tài)過程中的動鐵心的位移、速度和加速度進(jìn)行測試。為了驗證該測試系統(tǒng)得出的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可靠的，本文將本測試系統(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。

    通過觀察對比可以發(fā)現(xiàn)，測試系統(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，驗證了該測試系統(tǒng)采得的數(shù)據(jù)有相當(dāng)高的精確度。可見，該測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，很好地滿足了測試實時性要求，能夠應(yīng)用于交流接觸器動態(tài)特性的研究。
3 接觸器動態(tài)過程的實驗研究
    采用該測試系統(tǒng)對智能交流接觸器吸合過程的動態(tài)特性進(jìn)行全面研究。本實驗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動態(tài)參數(shù)進(jìn)行同步測試，每組分別測試五次。
    圖10為用本測試系統(tǒng)測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，動觸頭的彈跳次數(shù)、彈跳時間和動鐵心的速度、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，碰撞時動觸頭的彈跳時間和彈跳次數(shù)減少。這是因為隨著主力彈簧剛度系數(shù)的增大，動觸頭對主力彈簧產(chǎn)生的形變減小，即彈簧力變化越小，因此動觸頭彈跳次數(shù)和彈跳時間減少。同時，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。

    實驗結(jié)果分析說明，本測試系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，且測試精度較高。運用該測試系統(tǒng)對智能交流接觸器進(jìn)行測試，真實準(zhǔn)確地反應(yīng)了其動態(tài)過程各參數(shù)的變化。這對進(jìn)一步優(yōu)化智能交流接觸器的閉合動態(tài)過程，減少觸頭動鐵心碰撞，延長其使用壽命有著重要的意義，并為研究交流接觸器的動態(tài)特性提供了新的途徑。
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