交流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和断开交流电路的低压电器，主要运用于配电网、电动机控制等领域[1-3]。随着电气工艺的不断发展和提高，对交流接触器这一重要的电气开关提出了更高的要求，尤其是在其寿命和性能方面。其中，如何减少电路接通时动静触头的弹跳和铁心间的碰撞力是近年来研究工作的重点[4-6]。这类研究大多集中于理论分析与数值仿真，或者是局限于对接触器触头、铁心等局部动态特性的研究，交流接触器的动态过程涉及电-磁-机械的复杂耦合，触头弹跳、铁心碰撞力、吸合时间、吸合位移等信号对于接触器的动态性能具有重要影响，仅仅依靠数学模型的方法无法准确全面地反映交流接触器的动态过程。为了全面描述接触器的动态特征，需要将多路动态实时信号进行同步采集。由于实时信号中传感器弱电信号与接触器输入强电共存，交流高电压对于传感器输出端的低压直流信号会产生较大干扰，为实现同步采集，需要设计隔离电路，解决同步实时采集过程中强电与弱电之间的干扰问题。

    本文设计了一种基于LabVIEW的带隔离电路的智能交流接触器动态特性测试系统，基于该平台，可以对交流接触器的动态过程进行全面的测试。通过实验测试的方法，实现了智能交流接触器电信号、机械信号在时间上的对应。运用该测试系统，研究了采用三种不同弹簧组合时交流接触器的动态特性。研究结果发现，适当增加主力弹簧的刚度系数，可以减少闭合时动触头的弹跳，同样，动铁心的碰撞速度和加速度有所减小。
1 智能交流接触器
    智能交流接触器是一种新型的基于PWM脉宽控制的智能型交流接触器，其几何模型如图1所示。

    通过内置控制模块，调节线圈电压，从而保证了接触器在闭合时的动能达到合适值。接触器吸合过程中的动能直接影响动静铁心、触头之间的碰撞和弹跳，因此需要对接触器动态闭合过程中的各种特征量进行同步实时测量，建立电信号和机械信号在时间上的对应关系，这对于全面掌握接触器动态特性参数，提高接触器机械寿命和电寿命有着重要意义。

2 测试系统平台
2.1 系统总体设计
    测试系统主要由硬件部分和软件部分组成。硬件部分包括计算机、保护电路、隔离调理电路、传感器、数据采集卡等。软件部分利用基于计算机的虚拟仪器平台软件LabVIEW。
    测试系统的结构如图2所示。实时信号中传感器弱电信号与接触器输入强电共存。为了避免同步采集时交流高电压对传感器输出端的低压直流信号产生干扰，需要在保护电路和接触器输入端之间接入可靠的隔离调理电路。

2.2 硬件电路
2.2.1 隔离调理电路
    本测试系统对高压回路的模拟信号隔离和采样，通过大阻值电阻进行分压，将分压出来的信号通过电流型电压互感器或电流互感器进行变换。环境中的干扰及传输过程均会对输出的电压信号幅值产生衰减，而数据采集卡对输入电压信号的幅值有范围要求，因此需要对电压信号进行调理。本电路采用的方法是将从互感器变换出来的电压信号以差分的方式接入运算放大器，对信号幅值进行调理。电压、电流隔离电路如图3所示。

2.2.2 保护电路
    保护电路主要包括以下几个方面： (1)过压保护：由两个稳压值相同的稳压管D1、D2反向串联组成双向限幅电路。(2)限流保护：在输入端串联电阻R1，增加输入阻抗，限制输入电流。(3)高频滤波：由电阻R1和电容C1构成RC低通滤波电路，抑制高频干扰。保护电路如图4所示。

2.2.3 接口电路
    本文设计的测试系统对智能交流接触器动态过程的输入电压、线圈电压、线圈电流、触头电压以及动铁心的位移、速度和加速度这7路动态参量进行测量。图5是测试系统的整体接口电路图，其中，电压保护和隔离调理电路模块是将保护电路和电压隔离调理电路接在一起，电流保护隔离调理电路模块是将保护电路和电流隔离调理电路接在一起。可见，从接口电路出来的7路信号连接到数据采集卡的端子上，实现同步采集。

2.3 软件设计
2.3.1 程序流程图
    软件部分是整个测试系统的核心，其主要功能是为用户提供一个良好的操作环境，及时响应用户的命令。软件部分由用户操作界面、硬件驱动程序、数据管理三部分组成，程序总体流程图如图6所示。

2.3.2 程序分析
    在LabVIEW中开发的程序均包括程序框图和前面板。程序框图中是实现VI功能的图形化源代码，图7是测试系统的程序框图。

    根据LabVIEW软件的特性，在设计程序时，将其分成4个模块，如图8所示。

    其中,第一个模块是硬件驱动部分，用以选择PCI卡的型号以及设置数据采集通道、采样频率、测量范围等参数。第二和第三个模块是数据管理部分，实现对各通道的模拟信号进行高速采样，并在用户操作界面上实时显示各路信号的波形图，同时将采集回来的数据进行处理后存储在事先定义的Excel表中。
2.4 测试结果分析与验证
    利用该测试系统对智能交流接触器动态过程中的动铁心的位移、速度和加速度进行测试。为了验证该测试系统得出的数据是准确可靠的，本文将本测试系统采集生成的Excel表中保存的数据在Matlab中绘成的曲线图与激光传感器中保存的数据绘成的曲线图进行比较，如图9所示。

    通过观察对比可以发现，测试系统采集的数据与传感器的数据绘制成的曲线图高度吻合，验证了该测试系统采得的数据有相当高的精确度。可见，该测试系统稳定可靠，很好地满足了测试实时性要求，能够应用于交流接触器动态特性的研究。
3 接触器动态过程的实验研究
    采用该测试系统对智能交流接触器吸合过程的动态特性进行全面研究。本实验将三组不同刚度系数的主力弹簧智能交流接触器吸合过程中的各个动态参数进行同步测试，每组分别测试五次。
    图10为用本测试系统测试的主力弹簧刚度系数3 800 N/m的智能交流接触器在吸合过程动态参数变化的波形图。图中输入电压、线圈电压、线圈电流、触头电压以及动铁心的速度、加速度、位移的曲线分别经过归一化处理。根据图中各曲线的关系，可以得到接触器闭合时，动触头的弹跳次数、弹跳时间和动铁心的速度、加速度、位移等信息。表1所示是不同主力弹簧刚度系数下动态参数的变化情况。
    从表1可知，随着主弹簧刚度系数的增大，碰撞时动触头的弹跳时间和弹跳次数减少。这是因为随着主力弹簧刚度系数的增大，动触头对主力弹簧产生的形变减小，即弹簧力变化越小，因此动触头弹跳次数和弹跳时间减少。同时，由于接触器超程一定，主力弹簧刚度系数越大，其反力越大。吸合过程，适当地增加主力弹簧刚度系数可有效降低铁心闭合速度及加速度，提高接触器机械寿命。

    实验结果分析说明，本测试系统所得数据稳定可靠，且测试精度较高。运用该测试系统对智能交流接触器进行测试，真实准确地反应了其动态过程各参数的变化。这对进一步优化智能交流接触器的闭合动态过程，减少触头动铁心碰撞，延长其使用寿命有着重要的意义，并为研究交流接触器的动态特性提供了新的途径。
参考文献
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[2] 何孝发, 戴瑜兴,王卫国,等.基于DSP和Modbus总线的智能断路器控制器设计[J].电子技术应用,2009，35(12):39-46.
[3] 许志红,张培铭.智能交流接触器动态吸合过程研究[J].中国电机工程学报, 2007,27(18):108-113.
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