HH52P型電磁繼電器動態特性監測方法的研究

作者/ 李鐵成 姚芳 河北工業大學 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開發了一套電磁繼電器動態特性監測系統。電磁繼電器吸合暫態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的動態變化特性可以實現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，根據時間常數的物理意義，將線圈時間常數和銜鐵觸動時間的算法嵌入到該監測系統中，達到了對電磁繼電器吸合過程動態特性監測的目的。經實際測試，該系統運行穩定，完成了對試品吸合過程動態特性的監測和特性參數的采集分析。

引言

　　電磁繼電器一般由電磁系統、彈簧系統、觸點系統、支架及外殼組成，電磁、彈簧及觸點系統的協同配合是繼電器可靠動作的關鍵。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整機性能的動靜態信息。繼電器吸合暫態過程中，線圈電感和線圈時間常數不斷變化，其變化規律與銜鐵運動和線圈電流的變化緊密相關。

　　在以性能退化規律發現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，可從中提取反應繼電器整機及子系統性能的性征參數。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性征的方法及實現方法。

1 直流電磁繼電器吸合過程暫態分析

　　電磁繼電器的吸合過程一般持續幾毫秒，均很短暫。直流電磁繼電器的吸合過程是階躍響應過程，該過程是從其釋放狀態過渡的。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建模

　　電磁繼電器吸合過程暫態等效電路為一恒定電阻和時變電感的串聯模型，如圖1所示。根據等效模型可知，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，產生反電動勢，工作氣隙減小，磁路參數改變，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，此時表現為線圈繼續儲能(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，時間常數恒定，公式(1)中對L的微分項不存在，線圈電流指數規律增加，電磁系統儲蓄磁場能量，電磁吸力增加，確保銜鐵與鐵芯處于穩定閉合狀態，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，導致時間常數增大，過渡過程變緩，電路時間常數τ₂=L₂/R恒定。

1.2.4 吸合過程暫態分析的實驗驗證

　　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，均呈指數規律，時間常數為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測試

2.1 基于物理意義的時間常數求解

　　電磁繼電器的線圈時間常數在銜鐵不同狀態下是變化的，下面根據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態值，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態值所用的時間就是時間常數τ。

　　將示波器采集的線圈電流數據按時間序列排列，兩個點之間的步長為0.25ms，設電流值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。設在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。

　　根據上文中求時間常數的方法，設在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，線圈電流時間常數為：

(6)

　　根據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的時間常數，最終得到的線圈電流時間常數動態波形如圖5。

　　通過線圈電流波形與時間常數波形的比較可以得出以下結論：

　　從T₀時刻開始，在觸動階段，線圈時間常數幾乎不變;在T₁時刻，銜鐵開始移動，導致時間常數增加，時間常數波形開始呈現明顯的波動，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，時間常數在這一時刻附近存在一定的波動。在觸點穩定接觸后，吸合過程進入到蓄磁階段，時間常數趨勢線幾乎為水平，當電流大致達到穩定值T3時刻后，時間常數接近0。

　　根據吸合過程時間常數的動態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，經計算為4.3 ms。

2.2 時間常數及觸動時間的測試應用

　　將電磁繼電器線圈時間常數的算法嵌入到LABVIEW程序中，以數據采集卡與工控機為平臺開發出一套電磁繼電器參數測試系統，實現對繼電器吸合過程動態特性的監測，最終時間常數檢測波形如圖6。由于銜鐵的移動，在7ms左右可以看到波形發生明顯波動，時間常數增大。經計算，波形開始明顯波動時，時間常數為7.52ms，觸動時間為4.3ms。該測試系統的實際監測波形與上文理論計算的時間常數波形趨勢吻合，驗證了該測試系統在監測繼電器試品時間常數和觸動時間動態特性的可靠性和準確性。

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

3 結論

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

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