HH52P型电磁继电器动态特性监测方法的研究

作者/ 李铁成 姚芳 河北工业大学 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室(天津 300130)

摘要：本文基于LABVIEW开发了一套电磁继电器动态特性监测系统。电磁继电器吸合暂态过程依次为触动阶段、吸动阶段和蓄磁阶段。通过继电器线圈时间常数的动态变化特性可以实现对继电器吸合过程中触动阶段、吸动阶段和蓄磁阶段的辨识。因此，根据时间常数的物理意义，将线圈时间常数和衔铁触动时间的算法嵌入到该监测系统中，达到了对电磁继电器吸合过程动态特性监测的目的。经实际测试，该系统运行稳定，完成了对试品吸合过程动态特性的监测和特性参数的采集分析。

引言

　　电磁继电器一般由电磁系统、弹簧系统、触点系统、支架及外壳组成，电磁、弹簧及触点系统的协同配合是继电器可靠动作的关键。可测性参量中，除了触点电气参量，线圈电气参量中也蕴含能反应整机性能的动静态信息。继电器吸合暂态过程中，线圈电感和线圈时间常数不断变化，其变化规律与衔铁运动和线圈电流的变化紧密相关。

　　在以性能退化规律发现为目的的直流电磁继电器全寿命试验研究中，需实时测录吸合过程线圈和触点的电气参量波形，可从中提取反应继电器整机及子系统性能的性征参数。本文以吸合过程线圈电流和触点电压为电气参量，理论研究从中提取吸合过程动态性征的方法及实现方法。

1 直流电磁继电器吸合过程暂态分析

　　电磁继电器的吸合过程一般持续几毫秒，均很短暂。直流电磁继电器的吸合过程是阶跃响应过程，该过程是从其释放状态过渡的。衔铁吸动后，气隙会减小，影响到磁路、磁链及等效电感，衔铁运动速度会产生反电动势，使得线圈电流在过渡过程呈非线性性征。

1.1 电磁继电器吸合过程暂态建模

　　电磁继电器吸合过程暂态等效电路为一恒定电阻和时变电感的串联模型，如图1所示。根据等效模型可知，直流电磁继电器吸合过程的电压平衡方程为：

1.2.2 吸动阶段

　　BD段以衔铁运动为特征，起于衔铁开始运动时刻，止于衔铁和铁芯稳定闭合时刻，称之为吸合阶段。

　　在吸合阶段，电磁吸力大于弹簧反力，衔铁向铁芯运动，产生反电动势，工作气隙减小，磁路参数改变，磁芯磁场强度随气隙减小而增加。吸合阶段公式(1)所示的电压平衡方程变形为：

(2)

　　式中：V为衔铁吸合速度，x为衔铁行程，L₂为线圈电感。

　　在BC段，衔铁吸动速度慢，反电动势小，直流源U足以支撑线圈储能和衔铁运动所需的能量，此时表现为线圈继续储能(电流i增大)，但储能速度减缓(di/dt减小);在C点，线圈电流i达到极大值点，增速di/dt为0，直流源U仅能支撑衔铁运动v需要的能量;在CD段，衔铁运动速度快，反电动势增加，必须由线圈和直流源共同提供其快速运动需要的能量，di/dt减小为负值，i减小;在D点工作气隙最小，衔铁停止运动，反电动势为0，公式(2)中电感L₂对x的微分项消失。

1.2.3 蓄磁阶段

　　DE段起于衔铁停止运动时刻，止于线圈电流变化率di/dt为0的E点，称之为蓄磁阶段。

　　在蓄磁阶段，工作气隙最小，线圈电感常数，时间常数恒定，公式(1)中对L的微分项不存在，线圈电流指数规律增加，电磁系统储蓄磁场能量，电磁吸力增加，确保衔铁与铁芯处于稳定闭合状态，直至线圈电流等于U/R。由于磁芯气隙的消失，整体磁芯的磁场强度较之触动阶段增加，因此，L₂比L₁大，导致时间常数增大，过渡过程变缓，电路时间常数τ₂=L₂/R恒定。

1.2.4 吸合过程暂态分析的实验验证

　　对同一台直流电磁继电器试品进行线圈电压U的通电试验，之后分别固定衔铁于工作气隙最大位置和最小位置，进行线圈电压U的通电试验。试验过程均测录线圈电流波形，试验结果如图3所示。

　　对图3中的三条线圈电流波形进行拟合，均呈指数规律，时间常数为4.98ms、5.03ms和8.32ms，推算电感分别为3.35H、3.38H和5.59H。

2 继电器吸合过程中的时间参数测试

2.1 基于物理意义的时间常数求解

　　电磁继电器的线圈时间常数在衔铁不同状态下是变化的，下面根据继电器衔铁固定于最大张角时的线圈电流来分析时间常数的意义。图4中P为曲线任意一点，若从P点以tanθ为斜率的直线上升到电流稳态值，所用时间为T₂-T₁=τ，即从曲线任意一点以该点斜率匀速上升到最终稳态值所用的时间就是时间常数τ。

　　将示波器采集的线圈电流数据按时间序列排列，两个点之间的步长为0.25ms，设电流值I_i为I₀，I₁，I₂，I₃…，时间t_i为t₀，t₁，t₂，t₃…。选取公式(3)来计算，线圈电流波形在任意一点处的斜率k：

(3)

　　在获得了线圈电流的斜率后可以进一步求线圈电流在每一刻的时间常数。设在t_i时刻斜率直线的斜截式方程为：

(4)

　　式中：b为以k为斜率的直线的截距。

　　根据上文中求时间常数的方法，设在ti时刻的斜率直线与线圈电流最大值交点为(t_max，I_max)，由于这个交点同样在斜率直线上，故：

(5)

　　在t_i时刻，线圈电流时间常数为：

(6)

　　根据该公式可以求解电磁继电器吸合过程中每个采样点时刻对应的时间常数，最终得到的线圈电流时间常数动态波形如图5。

　　通过线圈电流波形与时间常数波形的比较可以得出以下结论：

　　从T₀时刻开始，在触动阶段，线圈时间常数几乎不变;在T₁时刻，衔铁开始移动，导致时间常数增加，时间常数波形开始呈现明显的波动，由此可以判断衔铁在T₁时刻开始吸合;T2时刻是衔铁闭合的瞬间，由于衔铁及触点的弹跳，时间常数在这一时刻附近存在一定的波动。在触点稳定接触后，吸合过程进入到蓄磁阶段，时间常数趋势线几乎为水平，当电流大致达到稳定值T3时刻后，时间常数接近0。

　　根据吸合过程时间常数的动态波形可以辨识出继电器衔铁的起动时刻，提取衔铁触动时间，在图5中，触动时间t=T₁-T₀，经计算为4.3 ms。

2.2 时间常数及触动时间的测试应用

　　将电磁继电器线圈时间常数的算法嵌入到LABVIEW程序中，以数据采集卡与工控机为平台开发出一套电磁继电器参数测试系统，实现对继电器吸合过程动态特性的监测，最终时间常数检测波形如图6。由于衔铁的移动，在7ms左右可以看到波形发生明显波动，时间常数增大。经计算，波形开始明显波动时，时间常数为7.52ms，触动时间为4.3ms。该测试系统的实际监测波形与上文理论计算的时间常数波形趋势吻合，验证了该测试系统在监测继电器试品时间常数和触动时间动态特性的可靠性和准确性。

　　利用该测试系统采集一个继电器试品全寿命实验(吸合30万次以上)中触动时间的监测数据。由于数据量巨大，为减小数据的不确定性和分散性，采用分段平均法对数据进行预处理，即按照时间序列，每100个数据求取一个平均值。数据波形见图7，随着继电器试品动作次数的增加，衔铁触动时间呈现明显的增长趋势，反映了继电器性能的退化。因此，在继电器吸合过程中，通过监测衔铁触动时间的动态特性，可以实现对继电器的可靠性评估。

3 结论

　　本文分析了直流电磁继电器吸合过程的动态特性，研究了吸合过程中的三个暂态阶段。本文基于时间常数物理意义提取继电器吸合暂态过程中的线圈时间常数，根据时间常数的动态波形实现了对衔铁触动阶段与吸动阶段分界点的辨识，监测触动时间。在电磁继电器参数测试装置中嵌入了时间常数、触动时间的算法，并成功地实现了采集和记录，达到了对电磁继电器吸合过程动态特性的监测和可靠性评估。

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　　本文来源于《电子产品世界》2017年第5期第39页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。