CN101487877B - 开关电器触头分断电弧试验方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种性能指标均匀、试验效率高、试验结果可靠、为电弧理论研究提供有效保证的开关电器触头分断电弧试验方法及其装置。它是由机械***和电路***组成的;机械***连接电路***。本发明一种开关电器触头分断电弧试验方法及其装置,包括继电器电弧试验和模拟电弧试验。本发明解决了电弧理论研究过程中理论分析或计算结果难以验证的难题。提出了一种继电器电弧试验方法和一种模拟继电器电弧试验方法。满足了电弧试验过程中对各种试验条件的要求,解决了试验效率低、试验结果可信度差的问题。为深入理解燃弧机理、分析电弧特性,进而提出快速灭弧的方法以提高继电器性能和可靠性提供有效支持。
Description
(一)技术领域
本发明涉及电弧试验技术,具体说就是一种开关电器触头分断电弧试验方法及其装置
(二)背景技术
继电器作为一种自动控制元件目前已广泛应用于军事和国民经济各部门,是国防尖端技术、先进的工业和民用设备所不可缺少的基本元件之一。继电器失效往往给***带来重大的影响,因此继电器寿命成为人们研究的焦点。影响继电器寿命的一个重要因素是触点分断时产生的电弧烧蚀。研究触点电弧燃烧带来的烧蚀情况,根据烧蚀情况分析影响寿命的因素、预测继电器的寿命具有重大的理论意义和实用价值。然而,电弧燃烧过程是流场、热场、电场及磁场等多场耦合问题,具有求解难度大,计算结果难以验证等难题。因此,电弧试验装置的研究可以为深入理解燃弧机理、分析电弧特性,进而提出快速灭弧的方法以提高继电器性能和可靠性提供有效支持。
由于影响电弧试验的因素很多,电弧试验的内容也就相当丰富。试验环境气体成分(如空气、氮气、惰性气体以及它们按不同比例的混合气体)、试验环境压强、触点分断速度、电弧功率等,都属于影响电弧燃烧的因素,因此需要大量的试验来研究它们对电弧燃烧产生的影响。国内外各电弧理论研究机构都展开了对电弧试验装置的开发,但现有的装置都只能进行以上一项或几项影响因素的试验,而且装置性能指标参差不齐,试验效率低,试验结果可信度无法保证,无法为电弧理论研究提供有效保证。为此,研究一套功能完善、高效可靠的电弧试验装置是十分必要的。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种性能指标均匀、试验效率高、试验结果可靠、为电弧理论研究提供有效保证的开关电器触头分断电弧试验方法及其装置。
本发明的目的是这样实现的:它是由机械***1和电路***2组成的;机械***1连接电路***2。
本发明开关电器触头分断电弧试验方法及其装置,还有以下技术特征:
(1)所述的机械***1包括传动单元3、试验环境控制单元4、密封罩5和底座6;密封罩5和底座6通过螺钉连接,传动单元3置于密封罩5和底座6构成的密封环境内,试验环境控制单元4连接底座6。
(2)所述的传动单元3包括步进电机7、滚珠丝杠8、动触头装卡机构9、静触头装卡机构10、滚动导轨11、滑块12和弹簧13;步进电机7连接滚珠丝杠8,动触头装卡机构9连接滚动导轨11,静触头装卡机构10连接底座6,滚动导轨11连接滚珠丝杠8,滑块12连接滚珠丝杠8,弹簧13连接动触头装卡机构9。
(3)所述的试验环境控制单元4包括可调吹弧永磁体14、抽真空机15、充气机16和真空表17;可调吹弧永磁体14连接底座6,抽真空机16连接底座6,充气机16连接底座6,真空表17连接底座6。
(4)所述的电路***2包括信号调理电路18、数据采集存储电路19、电机控制电路20、电弧控制电路21、微处理器22和工控机23;信号调理电路18连接数据采集存储电路19,数据采集存储电路19连接工控机23,电机控制电路20连接微处理器22,电弧控制电路21连接微处理器22,微处理器22连接工控机23。
本发明一种开关电器触头分断电弧试验方法,包括继电器电弧试验和模拟电弧试验。
本发明一种开关电器触头分断电弧试验方法,还有以下技术特征:(1)所述的继电器电弧试验,步骤如下:
步骤一:将继电器固定于静触头装卡机构10;
步骤二:***初始化,根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14)位置;
步骤三:将密封罩5与底座6紧密连接,先用抽真空机15抽尽密封***内空气,并用真空表17监测***内气压;再利用充气机16按本次试验要求的气体成分和比例充入气体;
步骤四:微处理器22发出控制信号给电弧控制电路21,供电电路闭合;
步骤五:微处理器22控制继电器断开,同时开始采集触点电压和电流信号,信号经过信号调理电路18后送入数据采集存储电路19;
步骤六:微处理器22发出控制信号给电弧控制电路21,供电电路断开,试验结束。
(2)所述的模拟电弧试验,步骤如下:
步骤一:将静触头固定于静触头装卡机构10,将动触头固定于动触头装卡机构9;
步骤二:***初始化,根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14)位置;
步骤三:工控机23向微处理器22发送信号,设定触点分断速度以及电弧供电电压和电流;
步骤四:将密封罩5与底座6紧密连接,先用抽真空机15抽尽密封***内空气,并用真空表17监测***内气压;再利用充气机16按本次试验要求的气体成分和比例充入气体;
步骤五:微处理器22发出控制信号给电弧控制电路21,供电电路闭合;
步骤六:微处理器22控制步进电机7开始转动,滑块12先加速运动至预定速度,再匀速运动直至与动触头装卡机构9碰撞;
步骤七:滑块12与动触头装卡机构9共同以原速度匀速向前运动,同时在微控制器22控制下开始采集触点电压和电流信号,信号经过信号调理电路18后送入数据采集存储电路19;
步骤八:滑块12与动触头装卡机构9共同匀速运动一段距离直至电弧熄灭后开始减速,并最终停止运动,微处理器22发出控制信号给电弧控制电路21,供电电路断开;
步骤九:微处理器22控制步进电机7反转,滑块12返回初始位置,动触头装卡机构9在弹簧13推力作用下回到初始位置。
本发明开关电器触头分断电弧试验方法,解决了电弧理论研究过程中理论分析或计算结果难以验证的难题。本发明提出了一种继电器电弧试验方法和一种模拟继电器电弧试验方法。利用装置可以测试不同气压、保护气体、分断速度、触点电压和触点电流以及在三维空间存在不同强度的磁场吹弧情况下的电弧电特性,满足了电弧试验过程中对各种试验条件的要求,解决了试验效率低、试验结果可信度差的问题。本发明可以为深入理解燃弧机理、分析电弧特性,进而提出快速灭弧的方法以提高继电器性能和可靠性提供有效支持。
(四)附图说明
图1为本发的机械***结构示意图;
图2为本发明的电路***结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1,结合图1、图2,本发明开关电器触头分断电弧试验装置,它是由机械***(1)和电路***(2)组成的;机械***(1)连接电路***(2)。
所述的机械***(1)包括传动单元(3)、试验环境控制单元(4)、密封罩(5)和底座(6);密封罩(5)和底座(6)通过螺钉连接,传动单元(3)置于密封罩(5)和底座(6)构成的密封环境内,试验环境控制单元(4)连接底座(6)。
所述的传动单元(3)包括步进电机(7)、滚珠丝杠(8)、动触头装卡机构(9)、静触头装卡机构(10)、滚动导轨(11)、滑块(12)和弹簧(13);步进电机(7)连接滚珠丝杠(8),动触头装卡机构(9)连接滚动导轨(11),静触头装卡机构(10)连接底座(6),滚动导轨(11)连接滚珠丝杠(8),滑块(12)连接滚珠丝杠(8),弹簧(13)连接动触头装卡机构(9)。
所述的试验环境控制单元(4)包括可调吹弧永磁体(14)、抽真空机(15)、充气机(16)和真空表(17);可调吹弧永磁体(14)连接底座(6),抽真空机(16)连接底座(6),充气机(16)连接底座(6),真空表(17)连接底座(6)。
所述的电路***(2)包括信号调理电路(18)、数据采集存储电路(19)、电机控制电路(20)、电弧控制电路(21)、微处理器(22)和工控机(23);信号调理电路(18)连接数据采集存储电路(19),数据采集存储电路(19)连接工控机(23),电机控制电路(20)连接微处理器(22),电弧控制电路(21)连接微处理器 (22),微处理器(22)连接工控机(23)。
实施例2,结合图1、图2,本发明开关电器触头分断电弧试验方法,包括继电器电弧试验和模拟电弧试验。
所述的继电器电弧试验,步骤如下:
步骤一:将继电器固定于静触头装卡机构(10);
步骤二:***初始化,根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14)位置;
步骤三:将密封罩(5)与底座(6)紧密连接,先用抽真空机(15)抽尽密封***内空气,并用真空表(17)监测***内气压;再利用充气机(16)按本次试验要求的气体成分和比例充入气体;
步骤四:微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21),供电电路闭合;
步骤五:微处理器(22)控制继电器断开,同时开始数据采集触点电压和电流信号,信号经过信号调理电路(18)后送入数据采集存储电路(19);
步骤六:微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21),供电电路断开,试验结束。
所述的模拟电弧试验,步骤如下:
步骤一:将静触头固定于静触头装卡机构(10),将动触头固定于动触头装卡机构(9);
步骤二:***初始化,根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14)位置;
步骤三:工控机(23)向微处理器(22)发送信号,设定触点分断速度以及电弧供电电压和电流;
步骤四:将密封罩(5)与底座(6)紧密连接,先用抽真空机(15)抽尽密封***内空气,并用真空表(17)监测***内气压;再利用充气机(16)按本次试验要求的气体成分和比例充入气体;
步骤五:微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21),供电电路闭合;
步骤六:微处理器(22)控制步进电机(7)开始转动,滑块(12)先加速运动至预定速度,再匀速运动直至与动触头装卡机构(9)碰撞;
步骤七:滑块(12)与动触头装卡机构(9)共同以原速度匀速向前运动,同时在微控制器(22)控制下开始采集触点电压和电流信号,信号经过信号调理电路(18)后送入数据采集存储电路(19);
步骤八:滑块(12)与动触头装卡机构(9)共同匀速运动一段距离直至电弧熄灭后开始减速,并最终停止运动,微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21),供电电路断开;
步骤九:微处理器(22)控制步进电机(7)反转,滑块(12)返回初始位置,动触头装卡机构(9)在弹簧(13)推力作用下回到初始位置。
实施例3,本发明所述的开关电器触头分断电弧试验装置,可以进行不同触点材料(金、银等)、电弧室气体成分(空气、氮气、氦气、氩气等)和压强、触点分断速度(1~50cm/s)、分断功率(最大电压:270V,最大电流:250A)以及存在各种磁吹情况下的电弧试验。总体来说,装置有两项功能:一是进行继电器燃弧试验,即将继电器置于电弧室内,在可控的环境下进行燃弧试验;二是模拟电弧试验,即将一组触头(静触头和动触头)放在电弧室内,通过电机带动二者发生相对运动来模拟电弧燃烧过程。
当进行继电器电弧试验时工作步骤如下:
步骤一:将继电器固定于静触头装卡机构(10);
步骤二:***初始化,根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14)位置;
步骤三:将密封罩(5)与底座(6)紧密连接,先用抽真空机(15)抽尽密封***内空气,并用真空表(17)监测***内气压;再利用充气机(16)按本次试验要求的气体成分和比例充入气体;
步骤四:微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21),供电电路闭合;
步骤五:微处理器(22)控制继电器断开,同时开始数据采集触点电压和电流信号,信号经过信号调理电路(18)后送入数据采集存储电路(19);
步骤六:微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21),供电电路断开,试验结束。
当进行模拟电弧试验时工作步骤如下:
步骤一:将静触头固定于静触头装卡机构(10),将动触头固定于动触头装卡机构(9);
步骤二:***初始化,根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14)位置;
步骤三:工控机(23)向微处理器(22)发送信号,设定触点分断速度以及电弧供电电压和电流;
步骤四:将密封罩(5)与底座(6)紧密连接,先用抽真空机(1 5)抽尽密封***内空气,并用真空表(17)监测***内气压;再利用充气机(16)按本次试验要求的气体成分和比例充入气体;
步骤五:微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21),供电电路闭合;
步骤六:微处理器(22)控制步进电机(7)开始转动,滑块(12)先加速运动至预定速度,再匀速运动直至与动触头装卡机构(9)碰撞;
步骤七:滑块(12)与动触头装卡机构(9)共同以原速度匀速向前运动,同时在微控制器(22)控制下开始采集触点电压和电流信号,信号经过信号调理电路(18)后送入数据采集存储电路(19);
步骤八:滑块(12)与动触头装卡机构(9)共同匀速运动一段距离直至电弧熄灭后开始减速,并最终停止运动,微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21),供电电路断开;
步骤九:微处理器(22)控制步进电机(7)反转,滑块(12)返回初始位置,动触头装卡机构(9)在弹簧(13)推力作用下回到初始位置。
实施例4,结合图1,本实施方式由密封罩(5)、底座(6)、步进电机(7)、滚珠丝杠(8)、动触头装卡机构(9)、静触头装卡机构(10)、滚动导轨(11)、滑块(12)、弹簧(13)、可调吹弧永磁体(14)、抽真空机(15)、充气机(16)和真空表(17)组成。电弧试验过程中,燃弧气体环境通过抽真空机(15)、真空表(17)和充气机(16)进行控制。为了保证试验过程的可视性,密封罩(5)材料采用有机玻璃。密封罩(5)与底座(6)采用螺钉连接,且两者之间夹有垫片以保证密封性。为了减少运动机构的摩擦阻力,传动丝杠采用滚珠丝杠(8),导轨采用滚动导轨(11)。滚珠丝杠(8)、滚动导轨(11)通过紧固件连接在一起并固定在底座(6)上。为了保证滑块(12)与动触头装卡机构(9)碰撞后速度不变或基本不变,滑块(12)的质量远远大于动触头装卡机构(9)的质量,并且电机能够提供足够大的转矩。可调吹弧永磁体共有三个,置于三维坐标空间中两两互相垂直,并且每个永磁体在一个方向上位置可调,调节方式为手动调节,调节范围2~10cm。弹簧(13)的作用在于保证滑块(12)与动触头装卡机构(9)发生完全非弹性碰撞,即碰撞后二者速度一致,并且碰撞后可以利用弹簧推力使动触头装卡机构(9)自动回到初始位置。底座(6)上装有密封插头,整个机械***(1)通过插头与电路***(2)通过密封插头连接,电路***引出的信号线通过密封插头引入机械***内。
实施例5,结合图2,本实施方式包括信号调理电路(18)、数据采集存储电路(19)、电机控制电路(20)、电弧控制电路(21)、微处理器(22)和工控机(23)。为了可以获得燃弧过程中触点两端的电压波形和流经触点的电流波形,利用数据采集存储电路(19)实时采集存储触点电压和电流波形数据。由于触点电压和电流幅值较大,为了满足数据采集卡对输入信号的要求同时保证采样精度,利用信号调理电路(18)分别将触点电压和电流信号幅值调整到0~±5V范围内。对于触点电压信号(0~270V),采用分压方法进行信号调理。对于触点电流信号(0~250A),利用采样电阻将电流信号转换为电压信号,再根据信号幅值的大小将电压信号经自动增益电路调理,然后送入数据采集存储电路(19)中。通过数据采集存储电路(19)得到每次试验过程中的触点电压和电流数据。数据采集存储电路(19)采用PCI总线技术,整个电路集成于一块板卡***工控机(23)的PCI总线插槽中。该数据采集卡主控芯片采用PCI9054,最高采样率1MSPS,模拟输入信号电压范围±5V,分辨率2mV,支持内、外两种触发模式。为了保证信号采集与电弧燃弧的同步性,本装置采用外触发模式。微处理器(22)由IO口引出脉冲信号、方向控制信号和脱机信号送入电机控制电路(20)中来控制步进电机的启停、转速和方向。为了保证电弧供电回路的可控性,在电路中串入电力MOSFET,通过电弧控制电路(21)控制电力MOSFET的通断从而控制整个电弧供电回路的通断。
Claims (6)
1.一种开关电器触头分断电弧试验装置,它是由机械***(1)和电路***(2)组成的;其特征在于:机械***(1)连接电路***(2),所述的机械***(1)包括传动单元(3)、试验环境控制单元(4)、密封罩(5)和底座(6),密封罩(5)和底座(6)通过螺钉连接,传动单元(3)置于密封罩(5)和底座(6)构成的密封环境内,试验环境控制单元(4)连接底座(6)。
2.根据权利要求1所述的一种开关电器触头分断电弧试验装置,所述的传动单元(3)包括步进电机(7)、滚珠丝杠(8)、动触头装卡机构(9)、静触头装卡机构(10)、滚动导轨(11)、滑块(12)和弹簧(13);其特征在于:步进电机(7)连接滚珠丝杠(8),动触头装卡机构(9)连接滚动导轨(11),静触头装卡机构(10)连接底座(6),滚动导轨(11)连接滚珠丝杠(8),滑块(12)连接滚珠丝杠(8),弹簧(13)连接动触头装卡机构(9)。
3.根据权利要求1所述的一种开关电器触头分断电弧试验装置,所述的试验环境控制单元(4)包括可调吹弧永磁体(14)、抽真空机(15)、充气机(16)和真空表(17);其特征在于:可调吹弧永磁体(14)连接底座(6),抽真空机(15)连接底座(6),充气机(16)连接底座(6),真空表(17)连接底座(6)。
4.根据权利要求1所述的一种开关电器触头分断电弧试验装置,所述的电路***(2)包括信号调理电路(18)、数据采集存储电路(19)、电机控制电路(20)、电弧控制电路(21)、微处理器(22)和工控机(23);其特征在于:信号调理电路(18)连接数据采集存储电路(19),数据采集存储电路(19)连接工控机(23),电机控制电路(20)连接微处理器(22),电弧控制电路(21)连接微处理器(22),微处理器(22)连接工控机(23)。
5.一种使用权利要求1所述的一种开关电器触头分断电弧试验装置得出的一种开关电器触头分断电弧试验方法,其特征在于:开关电器触头分断电弧试验方法包括继电器电弧试验和模拟电弧试验,所述的继电器电弧试验,步骤如下:
步骤一:将继电器固定于静触头装卡机构(10);
步骤二:***初始化,根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14)位置;
步骤三:将密封罩(5)与底座(6)紧密连接,先用抽真空机(15)抽尽密封***内空气,并用真空表(17)监测***内气压;再利用充气机(16)按本次试验要求的气体成分和比例充入气体;
步骤四:微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21),供电电路闭合;
步骤五:微处理器(22)控制继电器断开,同时开始数据采集触点电压和电流信号,信号经过信号调理电路(18)后送入数据采集存储电路(19);
步骤六:微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21),供电电路断开,试验结束。
6.根据权利要求5所述的一种使用权利要求1所述的一种开关电器触头分断电弧试验装置得出的一种开关电器触头分断电弧试验方法,其特征在于:所述的模拟电弧试验,步骤如下:
步骤一:将静触头固定于静触头装卡机构(10),将动触头固定于动触头装卡机构(9);
步骤二:***初始化,根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14)位置;
步骤三:工控机(23)向微处理器(22)发送信号,设定触点分断速度以及电弧供电电压和电流;
步骤四:将密封罩(5)与底座(6)紧密连接,先用抽真空机(15)抽尽密封***内空气,并用真空表(17)监测***内气压;再利用充气机(16)按本次试验要求的气体成分和比例充入气体;
步骤五:微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21),供电电路闭合;
步骤六:微处理器(22)控制步进电机(7)开始转动,滑块(12)先加速运动至预定速度,再匀速运动直至与动触头装卡机构(9)碰撞;
步骤七:滑块(12)与动触头装卡机构(9)共同以原速度匀速向前运动,同时在微处理器(22)控制下开始采集触点电压和电流信号,信号经过信号调理电路(18)后送入数据采集存储电路(19);
步骤八:滑块(12)与动触头装卡机构(9)共同匀速运动一段距离直至电弧熄灭后开始减速,并最终停止运动,微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21),供电电路断开;
步骤九:微处理器(22)控制步进电机(7)反转,滑块(12)返回初始位置,动触头装卡机构(9)在弹簧(13)推力作用下回到初始位置。
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