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機電式控制電路電器試驗技術(shù)研究

文檔作者：黃少坡1 李奎1 王洋1 王麗麗1 溫金鑫2 文檔來源： 1. 河北工業(yè)大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室 2. 天津電氣科學研究院有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年12月30日
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電氣傳動2016年第46卷第5期
機電式控制電路電器試驗技術(shù)研究
黃少坡1，李奎1，王洋1，王麗麗1，溫金鑫2
（1. 河北工業(yè)大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津300130；
2. 天津電氣科學研究院有限公司，天津300180）
摘要：研究了機電式控制電路電器試驗技術(shù)，包括正常和非正常條件下接通分斷能力、電氣耐久性試驗
等。根據(jù)試驗條件不同，將考核觸頭接通能力和分斷能力的試驗分為恒載、變載和無載3 種試驗模式。以接
觸器輔助觸頭為研究對象，設計了基于計算機控制的試驗裝置，實現(xiàn)了交直流通用和各試驗模式兼容，自動控
制試驗進程并實時監(jiān)測和顯示試驗電壓電流，提高了觸頭接通分斷狀態(tài)判斷的精度和接觸器輔助觸頭試驗的
自動化水平。
關(guān)鍵詞：控制電路電器；試驗技術(shù)；試驗模式；波形顯示；狀態(tài)監(jiān)測
中圖分類號：TM572 文獻標識碼：A
Test Technology of Electromechanical Control Circuit Devices
HUANG Shaopo1，LI Kui1，WANG Yang 1，WANG Lili1，WEN Jinxin2
（1. Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical
Apparatus Reliability，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；
2. Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）
Abstract: Test technology of electromechanical control circuit devices was studied such as the making and
breaking capacities under normal load conditions and abnormal load conditions，the electrical durability，etc.
According to different test conditions，the tests for verification of making and breaking capacities were classified into
three test types，constant-load test，different-load test and no-load test. In fact，a test device for auxiliary contact of
contactor was designed to automatically control test process and accurately monitor the condition of contacts by
detecting test current and test voltage. With AC supply or DC supply，samples are tested in the three test types.
Key words: control circuit devices；test technology；test type；wave display；condition monitoring
基金項目：國家自然科學基金（51377043）；河北省自然科學基金（E2015202109）
作者簡介：黃少坡（1986-），男，博士研究生，Email：shaopo0303@163.com
在低壓開關(guān)設備和控制設備范疇，機電式控
制電路電器起著信號、控制、連鎖等功能，保證控
制系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行。
機電式控制電路電器發(fā)生故障，將危及整個
控制系統(tǒng)的安全運行。文獻［1］中降壓啟動接觸
器的常閉觸點接觸不良，導致被控55 kV·A風機
在由降壓啟動轉(zhuǎn)換到全壓運轉(zhuǎn)瞬間瞬時停車而
后馬上啟動，相當于電機直接啟動，啟動電流巨
大，造成總屏低壓斷路器跳閘，全車間停機事
故。文獻［2］中控制非全相保護時間繼電器動作
的常閉觸點斷開不良，設備振動導致斷開的常閉
觸點接通，從而引起時間繼電器線圈得電而發(fā)生
誤保護、開關(guān)跳閘?？梢?，研究控制電路電器試
驗技術(shù)、提高其質(zhì)量水平，對降低系統(tǒng)故障發(fā)生
率、減少經(jīng)濟損失有著重要意義。
1 使用類別及試驗模式劃分
1.1 使用類別［3］
正常條件下和非正常條件下的接通與分斷
能力是控制電路電器型式試驗的重要項目，是產(chǎn)
品必須滿足的性能指標；為了研究產(chǎn)品的壽命水
平或來自用戶的質(zhì)量需求，還需進行機械耐久性
ELECTRIC DRIVE 2016 Vol.46 No.5
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電氣傳動2016年第46卷第5期
和電氣耐久性的驗證試驗。根據(jù)控制對象的不
同，國家標準（GB 14048.5）規(guī)定了幾種機電式控
制電路電器的使用類別，見表1。
接通和分斷能力指能在產(chǎn)品標準規(guī)定的條
件下接通和分斷正常負載電流和過載電流而不
發(fā)生故障的能力。根據(jù)GB 14048.5，正常條件
下，工作電壓為Ue ; 非正常條件下，工作電壓為
1.1Ue 。兩種條件下對應于不同使用類別的接通
電流和分斷電流有的相同有的不同，如正常條件
下對應于不同使用類別下的接通分斷電流如表2
所示。其中，6×P是經(jīng)驗值，代表大多數(shù)直流電磁
鐵負載的上限為P=50 W，即6×P=300 ms 的經(jīng)驗
關(guān)系中求得，對于功率消耗大于50 W的負載，可
假定由較小負載并聯(lián)組成，因此，300 ms 可作為
上限值；T0.95為達到95%穩(wěn)態(tài)電流的時間，ms。
電氣耐久性是指在規(guī)定的正常條件下，不需
要維修或更換零件而能承受的負載操作循環(huán)次
數(shù)，GB 14048.5 規(guī)定電氣耐久性試驗中應有90%
及以上的被試電器達到或超過該操作循環(huán)次
數(shù)。每個操作循環(huán)應包括1 次試驗電流的接通和
1 次試驗電流的分斷，操作循環(huán)的通電時間應不
小于操作循環(huán)周期的10%，也不大于周期的
50%。
作為接通和分斷能力的一種特殊情況，交流
電氣耐久性試驗時，按正常條件下使用類別為
AC-15 的接通分斷能力試驗進行，但接通時功率
因數(shù)應為0.7，分斷時功率因數(shù)應為0.4；直流電氣
耐久性試驗時，按正常條件下使用類別為DC-13
的接通分斷能力試驗進行。
1.2 試驗模式分類
通過以上分析，根據(jù)控制對象、驗證性能指
標不同，考核控制電路電器的試驗被分為若干個
使用類別，且對于電氣耐久性試驗，雖然參考其
中某些使用類別但試驗條件不完全相同。通過
歸納可將以上所有試驗情況分為以下幾種試驗
模式［4］：
1）恒載試驗。試品接通和分斷負載電流，接
通和分斷的負載電流相同，如AC-12，DC-12；
2）變載試驗。試品接通和分斷負載電流，接
通和分斷的負載電流不同，如AC-13，DC-14；
3）無載試驗。試品只進行機械的閉合和斷
開，無需加載電壓和電流，如機械耐久性試驗。
2 接觸器輔助觸頭試驗技術(shù)研究
2.1 試驗主回路設計
由以上分析，考核控制電路電器接通和分斷
能力的試驗類別較多，且有的接通和分斷條件不
同（電壓不同、電流不同等），這對試驗裝置的自
動化水平提出了更高的要求。為了兼顧電源類
型（AC/DC）、恒載接通分斷及變載接通分斷，并
同時考慮提高試驗效率，以接觸器輔助觸頭為研
究對象，設計了如圖1 所示的接觸器輔助觸頭接
通分斷能力試驗裝置主回路。
表1 機電式控制電路電器使用類別
Tab.1 Utilization categories for electromechanical
control circuit devices
類別
AC-12
AC-13
AC-14
AC-15
DC-12
DC-13
DC-14
典型用途
控制電阻性負載和光電耦合器隔離的固態(tài)負載
控制有變壓器隔離的固態(tài)負載
控制小容量電磁鐵負載（≤72 V·A）
控制交流電磁鐵負載（＞72 V·A）
控制電阻性負載和光電耦合器隔離的固態(tài)負載
控制電磁鐵負載
控制電路中有經(jīng)濟電阻的電磁鐵負載
表2 正常條件下接通分斷能力（U=Ue）
Tab.2 Making and breaking capacities under
normal conditions（U=Ue）
使用
類別
AC-12
AC-13
AC-14
AC-15
DC-12
DC-13
DC-14
接通
I/Ie
126
10
11
10
分斷
I/Ie
1111111
cos φ / T0.95
0.9
0.65
0.3
0.3
1
6×P
15
最小通電時間
周波（AC）/ms（DC）
2222
25
T0.95
25
圖1 試驗裝置主回路
Fig.1 Main circuit of test device
黃少坡，等：機電式控制電路電器試驗技術(shù)研究
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電氣傳動2016年第46卷第5期
圖1 中，QF1和QF2分別為交、直流主電路電
源斷路器，KM1，KM2 和KM3，KM4 分別為回路1
和回路2 的電源選擇接觸器，KM5，KM6和KM7，
KM8分別為回路1 和回路2 的負載選擇接觸器。
可分別提供AC 或DC 額定電壓或1.1 倍額定電
壓，滿足了正常條件下和非正常條件下進行接通
和分斷能力試驗的電源要求。以回路1 為例，恒
載試驗時，可指定負載1 或負載2；變載試驗時，
可選擇負載1 或負載2 作為接通負載而另一個作
為分斷負載，通過控制KM5或KM6不同的動作時
序，可實現(xiàn)不同的試驗模式。
工位1 和工位2 可同時對分別與2 臺接觸
器同時動作的2 個輔助觸頭試品進行試驗，也
可同時對與一臺接觸器同時動作的2 個輔助觸
頭試品（同常開或同常閉）進行試驗，工位1 和
工位2 的位置可分別同時并聯(lián)3 個輔助觸頭，并
分別對其進行試驗，這種設計最大化地提高了
試驗效率。
2.2 動作時序
通過控制電源選擇接觸器和負載選擇接觸
器，可實現(xiàn)恒載、變載及無載3 種試驗模式。工位
1 和工位2 可分別或同時進行恒載、變載試驗，也
可分別或同時進行無載試驗，這里重點對恒載和
變載的試驗動作時序進行分析。
由于2 個工位上的輔助觸頭可能由同一臺接
觸器控制，也可能分別由各自的接觸器控制，所
以這2 種條件下的動作時序是不同的。對于工位
1 和工位2，有“兩恒載”、“兩變載”及“一恒載一變
載”3 種動作時序，再基于以上考慮，共有6 種動
作時序。這里重點分析較為復雜的2 種動作時
序：兩工位上輔助觸頭由各自的接觸器控制、一
恒載一變載，記為時序1，見圖2；兩工位上輔助觸
頭由同一接觸器控制、一恒載一變載，記為時序
2，見圖3。
動作時序圖中曲線低表示接觸器釋放狀
態(tài)、曲線高表示吸合狀態(tài)，斜線表示吸合或釋放
的過程［5］。時序1 中，工位1 完成承載電流（t4）
后即可將工位1 接觸器釋放來分斷負載；通過
KM7 和KM8 的負載轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)工位2 接通和分
斷的負載電流不同。時序2 中，由于兩工位由
同一臺接觸器控制，工位1 需在工位2 完成承載
分斷電流（t8）后和工位2 同時釋放。根據(jù)接觸器
的實際吸合釋放時間和標準要求的接通時間，
通過設置各階段的時間參數(shù)，可完成整個試驗
進程的自動控制。對于時序2，正常條件或非正
常條件下接通與分斷能力試驗時，由于標準只
規(guī)定了通電時間下限值，所以工位1 通電時間亦
滿足要求；電氣耐久性試驗時，通過合理設定各
階段時間參數(shù)，也可保證工位1 通電時間不大于
操作循環(huán)周期的50%。時序2 使用1 臺接觸器控
制2 個輔助觸頭，減少了接觸器用量，提高了試
驗效率。
2.3 基于計算機控制的采集系統(tǒng)
文獻［6］所述試驗系統(tǒng)對接觸器輔助觸頭回
路施加DC 24 V電壓，可通過采集觸頭壓降并于
門限值比較來判斷觸頭的接觸狀態(tài)，但并未采集
觸頭回路電流，不能準確反映觸頭接通和分斷中
的動態(tài)過程。為了提高觸頭接通分斷狀態(tài)監(jiān)測
的精度，設計了基于計算機控制的采集系統(tǒng)，并
選用研華高速數(shù)據(jù)采集卡PCL-818HG進行數(shù)據(jù)
采集。
進行輔助觸頭恒載試驗或變載試驗時，需在
整個接通和分斷過程中檢測電源電壓U、觸頭間
電壓u 和主電路電流I［7］，試驗過程中記錄的電壓
電流波形如圖4所示。
PCL-818HG數(shù)據(jù)采集卡可提供12 位AD采
樣、最高100 kHz（DMA數(shù)據(jù)傳輸方式）的采樣速
率，保證數(shù)據(jù)采集可以真實還原原始信號［8］。試
圖2 時序1動作時序圖
Fig.2 Operation sequence chart of sequence 1
圖3 時序2動作時序圖
Fig.3 Operation sequence chart of sequence 2
黃少坡，等：機電式控制電路電器試驗技術(shù)研究
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電氣傳動2016年第46卷第5期
驗時，將0~450 V電壓信號轉(zhuǎn)化為0~4.5 mA的電
流信號，再經(jīng)5 mA/20 mA霍耳傳感器、放大電路
轉(zhuǎn)換為0~4.5 V 的電壓信號，供AD 采樣。使用
1 A/20 mA和5 A/20 mA 2 種霍耳傳感器，對不同
電平的電流信號進行轉(zhuǎn)換和采集，再經(jīng)放大電路
轉(zhuǎn)換為最大5 V的電壓信號，供AD采樣，提高了
電流采樣精度?？紤]一定的過壓、過流系數(shù)，設
置電壓電流采樣通道的電壓輸入范圍均為±10 V。
本采集系統(tǒng)采用中斷傳輸方式的多通道模擬量
AD采樣，單通道采樣頻率為2 kHz。
記試驗電壓為U0、試驗電流為I0，接通時，若
u≥10%U0或I≤90%I0，則記為接通故障；分斷時，
若u≤90%U0或I≥10%I0，則記為分斷故障。10%
或90%為保護限，用戶可自定義。試驗裝置可顯
示電壓電流波形，通過波形分析，可精確得出接
通和分斷時間、燃弧時間等觸頭特征參數(shù)。
3 結(jié)論
本文研究了機電式控制電路電器試驗技術(shù)，
并以接觸器輔助觸頭為研究對象開發(fā)了基于計
算機控制的試驗裝置，提高了接觸器輔助觸頭試
驗自動控制水平。
1）總結(jié)分析了考核控制電路電器接通和分
斷能力的各種試驗類別及試驗條件，將各試驗類
別歸納為恒載、變載和無載3種試驗模式；
2）以接觸器輔助觸頭為研究對象設計了試
驗裝置，可滿足交直流通用、各試驗模式兼容的
要求，并重點分析了兩工位2 臺接觸器控制和兩
工位1 臺接觸器控制下的一恒載一變載試驗動作
時序；
3）開發(fā)了基于計算機控制的采集系統(tǒng)，實現(xiàn)
電壓電流采集和顯示，提高了觸頭狀態(tài)監(jiān)測和特
征參數(shù)提取的精度。
參考文獻
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收稿日期：2015-09-16
修改稿日期：2015-12-06
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黃少坡，等：機電式控制電路電器試驗技術(shù)研究
圖4 試驗電壓電流波形面
Fig.4 Display interface of voltage and current
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