關(guān) 欣， 李文華， 沈江峰， 范新濤

(河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 天津 300130)

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電磁繼電器動作時間參數(shù)測試與計算研究

關(guān) 欣， 李文華， 沈江峰， 范新濤

(河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 天津 300130)

為了檢測電磁繼電器的工作性能， 提高其穩(wěn)定性和可靠性， 在不破壞產(chǎn)品的情況下， 通過電氣參數(shù)的采集和時間參數(shù)的計算來描述機械參數(shù)變化. 采用鐵路繼電器作為試品， 設(shè)計了繼電器參數(shù)測試系統(tǒng)， 完成了繼電器觸點電壓、 線圈電流和線圈電壓的高速數(shù)據(jù)采集， 結(jié)合繼電器動態(tài)特性曲線， 利用分段曲線擬合、 一元線性參數(shù)辨識和數(shù)據(jù)平滑處理的分析方法對數(shù)據(jù)進行處理， 得到了觸動時間、 超程時間、 燃弧時間和開距時間等時間參數(shù). 通過與實測數(shù)據(jù)相對比， 該測試系統(tǒng)的精度達到了設(shè)計要求.

電磁繼電器； 參數(shù)測試； 時間參數(shù)； 數(shù)據(jù)分析

電磁繼電器是實現(xiàn)控制目標、 信號傳遞、 電路隔離的關(guān)鍵設(shè)備， 在現(xiàn)代國防軍事、 工業(yè)自動化、 交通運輸及農(nóng)業(yè)機械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]. 繼電器通過控制電路來控制整個電氣系統(tǒng)的可靠運行， 它的可靠性能夠影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全， 特別是航空航天、 國防、 交通等系統(tǒng)， 一旦發(fā)生故障將造成巨大的經(jīng)濟損失[3-4]. 因此要求其接點系統(tǒng)必須動作一致、 可靠、 準確； 使用壽命長； 有足夠的閉合和斷開電路的功能； 有穩(wěn)定的時間特性和電氣參數(shù)特性[5]， 觸點的磨損退化會導(dǎo)致其表面形貌發(fā)生改變， 引起接觸失效[6]， 隨著觸點表面材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 污染物成分逐漸增多， 將出現(xiàn)有效接觸面積減小， 超程縮短等問題， 進而縮短其電壽命直至失效[7].

繼電器的時間參數(shù)是反映其工作特性及可靠性的一項重要指標， 精確地進行電氣參數(shù)測試和時間參數(shù)分析計算， 不僅有助于分析繼電器失效的機理， 還可為其性能分析和壽命預(yù)測提供重要數(shù)據(jù)支持. 例如， 以超程時間為預(yù)測變量建立回歸模型實現(xiàn)了對單個繼電器產(chǎn)品的壽命預(yù)測[8]； 分析接觸間隙與燃弧時間的關(guān)系， 為接觸間隙的優(yōu)化提供了理論依據(jù)， 并通過進行不同接觸間隙的電弧實驗， 對繼電器的優(yōu)化結(jié)果進行了驗證[9]； 討論直流線圈電流和接觸器電流可以作為潛在故障的診斷參數(shù)， 并且驗證了超程時間、 吸合時間和開距時間是用于診斷繼電器故障的有效參數(shù)[10].

近年來， 科研人員在時間參數(shù)方面進行了大量的研究. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)軍用電氣研究所進行了電磁繼電器時間參數(shù)綜合測試分析系統(tǒng)的研制和開發(fā)[11]. 福州大學(xué)的許志紅等人建立的交流接觸器動態(tài)特性仿真分析系統(tǒng)可以計算和分析線圈電流、 運動速度、 吸合時間等動態(tài)特性， 為分析交流接觸器最佳動作過程提供了依據(jù)[12]. 哈爾濱理工大學(xué)的楊少軍等人提出了一種基于單片CPLD的微型電磁繼電器時間參數(shù)的測試方法， 實現(xiàn)了繼電器多個時間參數(shù)的測量[13]. 翟國富等人為了研究航空航天用電磁繼電器的接觸可靠性， 提出了一種電磁繼電器穩(wěn)定時間的測量方法， 并設(shè)計了相應(yīng)測試設(shè)備， 可高精度測量超程使間、 燃弧時間等時間參數(shù)[14]. 眾多研究表明， 對已經(jīng)裝配好的繼電器， 在不開殼的情況下進行時間參數(shù)的分析和計算具有很重要的研究價值.

本文通過繼電器的參數(shù)檢測系統(tǒng)， 采集了繼電器線圈電流、 線圈電壓、 觸點壓降等電氣參數(shù)， 并以此為依據(jù)， 在研究繼電器時間參數(shù)算法的基礎(chǔ)上， 對一系列時間參數(shù)進行了計算和算法精度檢驗.

1 繼電器參數(shù)測試系統(tǒng)的設(shè)計方案

本文以某型鐵路繼電器作為研究對象， 設(shè)計的系統(tǒng)硬件部分以工控機為主機， 高性能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6024E為核心， 外圍電路主要包括線圈驅(qū)動電路、 信號調(diào)理電路和多通道高速信號采集電路等， 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示.

測試系統(tǒng)的軟件部分通過LabVIEW控制程序， 并對數(shù)據(jù)進行高速采集. 在測試系統(tǒng)的主界面里， 可實時顯示多路被測數(shù)據(jù)和波形， 運行主界面如圖 2 所示. 同時， 在MATLAB中結(jié)合電磁繼電器動態(tài)特性曲線和相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法， 分析計算得到相關(guān)時間參數(shù).

圖 1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of system hardware

圖 2 測試程序運行主界面Fig.2 Main interface of test program

本文設(shè)計的電磁繼電器電氣參數(shù)測試系統(tǒng)的目標測試參數(shù)有線圈電流、 線圈電壓、 觸點壓降以及繼電器相關(guān)時間參數(shù)， 包括觸動時間、 動斷超程時間、 燃弧時間、 開距時間、 觸點回跳時間、 動合超程時間、 吸合時間、 釋放時間.

2 繼電器時間參數(shù)的分析方法

利用高速數(shù)據(jù)采集卡對繼電器試品的一組轉(zhuǎn)換觸點的線圈電流、 線圈電壓和觸點電壓進行高速采樣， 繪制出了電磁繼電器吸合過程中線圈電流、 常開觸點壓降和常閉觸點壓降的波形， 如圖 3 所示.

電磁繼電器的一個完整吸合過程大致可分為三個階段： 第一階段為觸動階段， 第二階段為吸合階段， 第三階段為穩(wěn)定階段. 根據(jù)繼電器動態(tài)特性分析可知， 觸動時刻t1和銜鐵完全閉合時刻t6是繼電器線圈電流波形的特殊時間點， 在這兩個時刻線圈電流發(fā)生了重要的變化. 因此， 時間參數(shù)分析的首要工作就是確定這兩個關(guān)鍵時刻.

圖 3 繼電器吸合過程中線圈電流、 觸點壓降的波形圖Fig.3 Waveform of coil current and contact voltage drop in the closing process of relay

在對觸動時間(從給勵磁回路線圈上電起至繼電器的銜鐵開始動作的時間0～t1)進行計算分析之前， 首先建立觸動階段的觸動電流數(shù)學(xué)模型

式中：Is為線圈電流穩(wěn)定值；τ為觸動階段的時間常數(shù).

采用高斯-牛頓迭代法進行非線性參數(shù)辨識得到未知參數(shù)Is和τ. 具體步驟為先用高斯-牛頓法得到式(1)的法方程

其中，

(3)

線圈電流的穩(wěn)定值Is可以通過測試系統(tǒng)實時采集的線圈電流得到. 此時， 用基于線性最小二乘原理的一元線性參數(shù)辨識法可以求得觸動時間點t1， 以得到未知參數(shù)時間常數(shù)τ.

根據(jù)電磁繼電器動態(tài)特性可知， 觸動點后的線圈電流變化規(guī)律會發(fā)生變化， 據(jù)此預(yù)估t1點的大致位置， 并在這個位置之前取n個點作為參數(shù)辨識的數(shù)據(jù)樣本. 將觸動電流的非線性數(shù)學(xué)模型進行線性化處理， 由式(1)可得

其中， y可以看成是由兩部分疊加而成， 一部分是x的線性函數(shù)τx， 另一部分是隨機因素ε. 對于給定了滿足式(1)的n組數(shù)據(jù)點(tk,ik)， 則有

yk=τxk+εk,k=1,2,…,n.

應(yīng)用線性最小二乘原理， 記

).

于是有

至此就已經(jīng)確定了線圈穩(wěn)定電流Is和時間常數(shù)τ， 設(shè)定合理的偏差范圍， 將通過式(1)計算得到的線圈電流值與擬合值進行比較， 如果在偏差范圍內(nèi)， 就認為仍處于觸動階段， 否則就認為銜鐵開始運動， 從而可以確定觸動時間t1.

超程時間分為動斷超程時間和動合超程時間. 動斷超程時間是指從觸動時刻開始到動靜觸點分離所經(jīng)歷的時間(t1～t2)， 結(jié)合圖 3 可以發(fā)現(xiàn)， 觸點壓降波形是階躍變化， 分離時刻比較好判斷. 動合超程時間則是從繼電器的動觸點與動合靜觸點接觸開始到銜鐵完全吸合所經(jīng)歷的時間(t4～t6)， 確定動合超程時間則還需要找到銜鐵完全吸合的時刻t6. 動合超程時間階段電流波形局部放大圖如圖 4 所示.

圖 4 動合超程時間階段電流波形局部放大圖Fig.4 Partial view of current waveform in super path time

線圈電流波形在下降過程中的最低點即銜鐵的完全吸合時刻. 在確定了觸動時刻t1和銜鐵完全閉合時刻t6之后， 其它的時間參數(shù)都可以結(jié)合線圈電流波形和觸點壓降波形求出.

3 時間參數(shù)的計算和分析

利用本文所設(shè)計的電磁繼電器參數(shù)測試系統(tǒng)對某型號鐵路繼電器試品進行參數(shù)測試. 繼電器線圈激勵電壓為DC24V， 負載選擇DC24V/1A阻性負載， 在LabVIEW平臺開發(fā)控制軟件采集并處理數(shù)據(jù).

3.1 觸動時間分析計算

為了建立觸動階段的數(shù)學(xué)模型， 要先對線圈電流原始數(shù)據(jù)進行曲線擬合處理， 以獲得連續(xù)光滑的曲線. 確定觸動時間t1的大致位置后， 選取零點到t1這段數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)樣本， 采用分段多項式擬合的方法將數(shù)據(jù)樣本分成兩段分別進行曲線擬合. 以1號繼電器的一組轉(zhuǎn)換接點數(shù)據(jù)為例， 根據(jù)線圈電流波形選取0～1ms以內(nèi)的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)樣本， 并分成0～0.56ms和0.54～1ms兩段， 重疊的數(shù)據(jù)部分可以保證兩個分段的連續(xù)性. 然后， 對兩端數(shù)據(jù)樣本分別采用合適的階數(shù)進行曲線擬合， 將兩段擬合數(shù)據(jù)合并后與原始數(shù)據(jù)波形進行對比如圖 5 所示.

圖 5 1號繼電器原始數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)波形對比Fig.5 Waveform comparison of No.1 relay original data and fitting data

在得到了擬合數(shù)據(jù)之后， 就可以用擬合數(shù)據(jù)來確定觸動階段線圈電流數(shù)學(xué)模型. 根據(jù)觸動時間計算原理， 將數(shù)據(jù)代入并進行參數(shù)辨識， 其中1號繼電器的線圈穩(wěn)定電流為0.671 4A.

通過最小二乘原理[15]的Matlab程序計算出時間常數(shù)τ為15.225 4ms， 則觸動階段線圈電流數(shù)學(xué)模型為

將時間數(shù)據(jù)代入式(10)得到線圈電流的計算值y1Cal， 把計算值y1Cal與擬合值y1fitted進行對比， 如圖 6 和表 1 所示.

圖 6 線圈電流擬合值和計算值波形對比Fig.6 Waveform comparison of coil current fitting value and calculated value

時間/ms線圈電流/A擬合值計算值差值比/%0．240．010810．01027-3．310．260．011430．01112-2．780．280．012230．01196-2．220．280．013020．01281-1．630．320．013790．01366-1．020．340．014560．01450-0．390．360．015300．015340．260．380．016040．016190．910．400．016760．017031．580．420．017460．017872．260．440．018150．018702．940．460．018830．019543．640．480．019500．020384．340．500．020140．021225．040．520．020780．022055．760．540．021400．022886．470．560．023180．023727．190．580．022600．024567．920．600．023180．025388．650．620．023750．026219．38

根據(jù)圖6和表1可得， 0.6 ms后計算值和擬合值偏差過大， 可判定觸動時間應(yīng)在0.6 ms之前. 超出6%后就認為繼電器的銜鐵開始運動， 且此時即為觸動時間. 該繼電器的觸動時間為0.54 ms.

對三臺繼電器的三對轉(zhuǎn)換接點觸動時間測試的結(jié)果見表 2， 其誤差結(jié)果滿足設(shè)計要求.

表 2 觸動時間測試結(jié)果誤差比較

3.2 動合超程時間分析計算

觸點回跳及波形中的噪聲干擾信號疊加， 都不利于超程時間的計算分析， 因此要先對此階段的波形數(shù)據(jù)進行平滑處理. 圖 7 是在Matlab中分別用單純移動算術(shù)平均法、 線性加權(quán)移動平滑法和二次加權(quán)移動平滑法對動合超程階段線圈電流數(shù)據(jù)進行平滑處理后的效果對比.

圖 7 3種平滑處理方法效果對比Fig.7 Three kinds of smoothing method effect comparison

圖 8 不同平滑點數(shù)的平滑效果對比Fig.8 Comparison of different smoothing points of the smoothing effect

由圖7中可以看出， 加權(quán)平滑法能在最大限度保證不失真的情況下獲得比較好的平滑效果， 而單純移動平滑法會丟掉部分數(shù)據(jù)點， 對比結(jié)果如圖 8 所示. 同時可以看出， 二次加權(quán)平滑點數(shù)越大， 平滑效果越好， 但同時失真度也會越大.

以1號繼電器為例， 本文選擇了11點二次加權(quán)平滑法對動合階段線圈電流數(shù)據(jù)進行平滑處理， 局部放大圖如圖 9 所示. 波形最低點對應(yīng)的時間點就是該繼電器在吸合過程中銜鐵完全閉合的時刻t6， 為178.72 ms.

圖 9 平滑處理后的動合階段線圈電流波形Fig.9 Dynamic stage coil current waveform after smoothing

本文對三臺繼電器的三對轉(zhuǎn)換接點的銜鐵閉合時刻t6進行了測試， 誤差比較結(jié)果如表 3 所示， 可知誤差結(jié)果均在1%以內(nèi)， 符合設(shè)計要求.

通過如圖 10 所示的常開觸點電壓波形的電壓迅速回落點， 找到動觸點與動合靜觸點接觸的時刻， 即t4為165.3 ms.

圖 10 常開觸點電壓波形局部放大圖Fig.10 Partial view of current waveform in opening contact voltage

動合超程時間就是t4與t6之差， 則1號繼電器的動合超程時間為13.42 ms.

表 3 銜鐵閉合時刻t6時刻測試結(jié)果誤差比較

3.3 其它時間參數(shù)的分析計算

常閉觸點電壓波形局部放大圖如圖 11 所示. 燃弧時間是觸點電壓在開路電壓的10%和90%之間持續(xù)的時間間隔(t2～t3)， 則根據(jù)觸點電壓波形找到對應(yīng)電壓出現(xiàn)的時刻就可以確定燃弧時間. 圖11中的t2和t3時刻分別為出現(xiàn)10%和90%開路電壓的時刻，t2為104.62 ms，t3為107.78 ms， 燃弧時間為3.16 ms.

圖 11 常閉觸點電壓波形局部放大圖Fig.11 Partial view of current waveform in closing contact voltage

動斷超程時間是從銜鐵開始運動起直到動觸點與動斷靜觸點分離的時間， 即為t2與觸動時刻t1之差， 該繼電器的動斷超程時間為104.08 ms. 開距時間是從動觸點與動斷靜觸點分離開始到動觸點與動合靜觸點第一次接觸所需的時間(t2～t4)， 該繼電器的開距時間為60.68 ms.

觸點回跳要滿足電壓值不小于開路電壓的90%且脈寬不小于10 s. 從圖10的常開觸點電壓波形局部放大圖可以找到觸點回跳開始時刻t4和結(jié)束時刻t5. 該繼電器的觸點回跳時間為0.6 ms.

吸合時間是從線圈上電到動觸點第一次與動合靜觸點接觸的時間間隔， 其中不包括回跳時間， 即為從零時刻到t4時刻. 該繼電器的吸合時間為165.3 ms. 釋放時間是從勵磁電路斷電起到動觸點與動合靜觸點第一次接觸的時間間隔. 圖 12 是繼電器斷電過程中線圈電壓和觸點壓降波形， 相鄰兩個采樣點的時間是0.02 ms.a點對應(yīng)線圈斷電時刻，b點對應(yīng)動觸點與動合靜觸點第一次接觸的時刻， 則該繼電器的釋放時間是30.92 ms.

本文對三臺繼電器的三對轉(zhuǎn)換接點進行了參數(shù)測試， 各繼電器分析計算所得的時間參數(shù)統(tǒng)計如表 4 所示.

圖 12 繼電器斷電過程中線圈電壓和觸點壓降波形Fig.12 Waveform of coil current and contact voltage drop in the opening process of relay

繼電器轉(zhuǎn)換接點觸動時間/ms動斷超程時間/ms燃弧時間/ms開距時間/ms回跳時間/ms動合超程時間/ms吸合時間/ms釋放時間/ms110．54104．082．1660．680．6013．42165．3030．9220．58102．075．7268．760．4212．76166．0430．9030．62111．482．2063．920．4612．80166．0629．88210．50111．641．8077．060．6211．96189．7226．8220．56110．661．2678．500．4211．58189．7226．7430．58110．921．2279．540．8010．28191．0626．80310．52106．381．3039．180．5813．70146．6628．7820．60105．300．9238．200．4611．96144．5630．4230．58105．200．5839．640．5613．42146．2829．90

4 結(jié) 論

本文分析了電磁繼電器的動態(tài)特性， 結(jié)合分段曲線擬合和一元線性參數(shù)辨識的方法建立了觸動電流模型， 得到了觸動時間. 采用二次加權(quán)移動平滑法對數(shù)據(jù)進行平滑處理， 得到較準確的銜鐵完全閉合時刻. 最終計算得出了比較完整的時間參數(shù)， 檢測值與實測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果表明系統(tǒng)的精度達到了設(shè)計要求.

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Research on Testing and Calculating of Actuation Time Parameters for Electromagnetic Relay

GUAN Xin, LI Wen-hua, SHEN Jiang-feng, FAN Xin-tao

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

In order to test the working performance of electromagnetic relay and improve its stability and reliability, electrical parameters were collected and time parameters were calculated to describe the variation of mechanical parameters, without destroying the product. By using railway relay as sample, the relay parameter testing system was designed, and completed high-speed data acquisition of the relay contact voltage, coil current and coil voltage. Combined with the relay's dynamic characteristic curve, used piecewise curve fitting, linear parameter identification and data smoothing to process data, the touch time, super path time, arcing time and open time interval time parameters were obtained and verified. Compared with the measured data, the accuracy of the testing system has reached the designed requirements.

electromagnetic relay; parameters test; time parameters; data analysis

1673-3193(2016)06-0593-08

2015-03-21

河北省自然科學(xué)基金資助項目(E2016202206)

關(guān) 欣(1991-)， 女， 碩士生， 主要從事電器可靠性及檢測技術(shù)的研究.

TM581

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2016.06.008