交直流继电器电性能测试系统设计

杨帆  ,邵将

贵州振华群英电器有限公司（国营第八九一厂）  贵州省贵阳市    550000

摘要：在交直流控制系统中，继电器被广泛用于自动控制、通信、远程控制、遥测、电力电子设备和机电一体化中，其运行的持续时间对整个设备的可靠度有很大影响。文章总结了当前常见继电器电性能的影响因素、交直流电弧开断的耗能限流方式，并从交直流继电器电性能测试系统硬软件设计方面进行了详细分析，旨在找到继电器设计的一些规律，为以后的继电器研制工作提供帮助。

关键词：交直流；继电器；电性能；测试系统

引言

交直流继电器是一种以很小的电流来实现对大容量电流控制的“自动开关”，其可靠性对电力系统的整体运行起着至关重要的作用。交直流电弧的特征分析是开关的一项关键技术，它可以基于电弧产生、燃烧和熄灭过程中产生的各种问题，找到电弧发展的主要原因和规律，从而为今后的继电器设计工作奠定基础。为研究交直流继电器的电性能，需要搭建一套交直流继电器电性能测试系统。根据实验室的实际情况，本文研制和搭建了一系列能够实现信号采集、存储和监测的试验仪器。

1直流电弧开断分析的研究目的及意义

直流电路的开断存在几个基本问题：①缺乏自然过零点，灭弧比较困难。②回路中电感较大，开断时需吸收的能量大。③回路中电容、电感元件多，开断时易引起电磁能量转换，产生过电压。因此，直流开断相比交流开断更加困难，研究直流电弧的开断对于直流开关的研制有重要的意义。直流继电器实际是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”，它的可靠性直接影响着整个电力系统的可靠性。直流电弧的特性分析是开关的一个重要研究内容，通过对电弧产生、燃烧、熄灭过程中产生的现象进行分析，找出电弧发展的影响因素及规律，为将来继电器的设计提供一定的指导意义。

2直流继电器电性能测试系统的工作原理

2.1负载主回路

直流稳压电源给主回路提供直流电压；负载为电阻箱，控制回路电流；继电器控制回路周期性开断。

2.2继电器触点开合控制回路

小功率直流电源为继电器线圈供电，通过PLC编程控制此回路的通断，从而实现对负载主回路触点开断、闭合的控制。

2.3电压信号采集电路

继电器触点电压信号经过阻容并联分压电路，将幅值转化为小于5V，输入采集卡模拟输入端。

3.交直流继电器电性能测试系统硬软件设计

3.1　交直流继电器电性能测试系统结构及原理简介

交直流继电器电性能测试系统主要由主回路、继电器触点控制回路、信号分压电路和数据的采集存储平台4部分组成。负载主回路由交直流稳压电源E、负载R及继电器触点K构成；继电器触点的开合控制回路由继电器线圈、小功率交直流电源U及可编程控制器PLC构成；信号分压电路由两路阻容分压电路组成；数据的采集存储平台主要有数据采集卡和安装有LabVIEW虚拟仪器软件的PC机构成。

3.2交直流继电器电性能测试系统主要硬件设计

为了研究直流继电器的电性能，需要搭建一套直流继电器电性能测试系统。结合本实验室的设备条件，我们设计搭建了一套满足测试要求的实验装置，包括信号的采集、存储及监测。交直流实验电源。在此项目中采用电池供电形式，无须设置外接电源，全部由电池进行供电，并且整体无额外的负载。本实验系统中采用NIPCI-6133数据采集卡，它采样精度高，而且采样频率也满足实验要求。同时，该采集卡与LabVIEW良好兼容，完全满足直流继电器电性能测试系统数据采集要求。由继电器的工作原理可知，需要通过对继电器线圈进行控制从而达到控制触点的分合。本实验中所有继电器样品的通断周期均为1s通2s断，触点控制回路采用可编程控制器PLC控制。可编程控制器PLC，主要包括电源、输入、逻辑处理和输出四个部分。其中逻辑处理部分可根据用户需要进行编程设计，通过程序来控制存储器内部的逻辑运算、计数、时序控制等[14]。PLC具有类似继电器控制的功能，由于其可编程的灵活性，它具有常用继电器不具备的优点：控制可靠，系统灵活；编程简单，PLC常用编程语言为梯形图，简单、直观；使用方便，维护简单。按照PLC输出开关器件可分为以下三种类型：晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出，下面简单介绍每种类型的特点：1）晶体管输出晶体管输出是利用晶体管作为输出开关，根据晶体管的工作原理，输入电源必须为直流电源，当存储器中收到信号为“1”时，晶体管导通，使输出点上的负载得电工作。该输出形式响应快，一般可达到0.2ms。但是由于晶体管负载功率要求低，一般负载要求比较小。其动作频率可以达到几百kHz，由于无触点，故不存在机械寿命的说法；缺点是只能接直流负载（一般DC30V以下），电流比较小。2）晶闸管输出晶闸管输出方式是利用固体继电器做成的无触点开关作为输出开关，它有四个控制端，两个输入和两个输出端子，当输入端接入一信号后，输出端导通，从而使PLC输出点导通。其响应速度比继电器输出方式快，但比晶体管输出方式慢；带负载能力大于晶体管输出方式，小于继电器输出方式，且一般控制交流电路。特点是动作频率比较高，寿命长，但负载的额定电流也比较小。3）继电器输出继电器输出的工作原理是利用PLC里面自带的线圈，当输入端通入信号后，PLC内部线圈得电，在线圈内产生电流，从而产生磁场和电磁吸力，带动继电器触点接通，从而使PLC输出端接通，带动外部的设备运动。但此输出方式的响应速度较慢，且工作过程中继电器触点产生电弧，会给PLC增加干扰。本实验控制回路采用的PLC是日本三菱FX2N-16MT，晶体管输出。其开合响应迅速，完全满足电性能测试系统对开合时序的精度要求。

3.3交直流继电器电性能测试系统软件设计

波形数据的采集与存储针对交直流继电器电性能实验的需要，采用LabVIEW软件实现的触点电压电流波形采集系统。因为测试系统的软件部分是利用LabVIEW编程，采集的实验数据为波形数据。为了分析燃弧时间的影响因素，需要从保存的波形数据中提取计算燃弧时间。下面以分断燃弧时间的计算为例，对波形数据的分析模块进行简介。交直流继电器电性能测试系统的采集与存储部分满足以下要求：（1）在采集面板显示扫描频率、采样次数、操作周期和存储路线；（2）高速连续采集实验期间的电压、电流信号，保证不会产生畸变；（3）储存各周期电压电流波形，并将相应的工作数进行相应的记录，便于以后的资料分析；（4）具有保护装置，如接触焊接、感应线圈的闭锁等。波形资料的解析。由于本试验的软件采用了LabVIEW语言进行程序设计，所获得的试验资料数据都是以波形形式进行显示。在对电弧产生的各种影响因子进行分析的基础上，通过保留的电弧波形资料数据来进行燃弧时间的计算。本文通过实例介绍了分断式燃烧电弧的计算方法。在不同的周期内，电压的振幅会有不同程度的变化，采用3个点的平均电压来取代单一的电压，从而减少了测量的偏差。

结语

本文重点对建立在虚拟仪器技术的测试平台的交直流继电器电性能测试系统进行研究。该系统装置具有以下特征：（1）交直流电压稳定供电和试验负荷达到试验指标，为试验系统的主电路提供了重要的装置；（2）NIPCI-6133与LabVIEW有很好的兼容性，是以NIPCI-6133为核心的信号采集设备，它具有1M/s、16位的采样频率和分辨率，能够很好地实现对信号的测量；（3）采用可控硅晶体输出式PLC控制器进行精密控制，准确度可达毫秒级；（4）采用LabVIEW程序设计的数据采集和存取触点电压和电流波形，具有故障警报的能力，并运用LabVIEW编制的电波读出和电弧时间的计算机软件，对电波数据进行了快速处理。

参考文献

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