CN110146808A - 适用于大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置，所述装置包括底座、绝缘脚垫、支撑柱、上梁、激光量具部件、静触头安装部件、三爪卡盘、转接盘、三维滑台、可调滑块，其中：底座的下部设置有绝缘脚垫；底座和上梁之间设置有支撑柱；支撑柱为上细下粗结构；可调滑块设置在支撑柱的粗细结构交界处；上梁设置有滑槽A和滑槽B；滑槽A内设置有静触头安装部件；滑槽B内设置有激光量具部件；静触头安装部件采用悬臂结构，由悬臂梁和支撑杆构成，支撑杆的上端位于滑槽A内，下端与悬臂梁连接；三爪卡盘的卡具与三维滑台之间采用转接盘连接；三维滑台设置在底座上。本发明具有通用性、多参数测量、高测量精度、造价低的优点。

Description

适用于大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置

技术领域

本发明涉及一种专用于大功率接触器的触头碰撞弹跳模拟测试***，具体涉及一种能够对大功率接触器触头动作过程模拟的测试分析装置。

背景技术

接触器是电器设备的重要组成部分。近年来，电网供电***及全电电器的发展迫使大功率接触器的需求激增。为了更好地评估大功率接触器触头***的设计参数、激励和负载情况对其动作过程的影响，研究和设计一种专用于大功率接触器的触头碰撞弹跳模拟测试***对完善接触器触头***设计、提高接触器使用寿命、保障电力***及电力设备的稳定性至关重要。

目前，理论研究和工程应用普遍采用“测电压法”来间接反映接触器触头碰撞弹跳过程。测电压法测量接触器碰撞弹跳过程简单，但仅能得到触头碰撞弹跳的时间，而无法获取碰撞弹跳的完整的运动学参数包括：触头运动位移、速度、碰撞力，因此该方法对于接触器触头碰撞弹跳理论模型验证缺乏说服力。另外，对于现存的辅助接触器触头碰撞弹跳研究的测试装置其设计普遍存在普适性低、空载设计、测试精度低、缺乏完善的数据实时显示、保存、分析且与实验装置相对应的上位机控制***设计弊端。

发明内容

本发明提供了一种适用于大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置，其发明目的主要包括以下几方面：

（1）完成模拟测试装置的硬件测试结构设计。实现对被测大功率接触器固定、位置调整和测试，同时模拟测试装置设计应考虑各部件间的绝缘性、结构稳定性和测试通用性。

（2）完成模拟测试装置的控制分析上位机软件设计。实现对模拟测试装置的硬件测试部分控制、数据通讯。

（3）完成模拟测试装置的外接控制电路设计。实现对被测接触器线圈、硬件测试结构、控制分析上位机软件的电源控制。

（4）完成测试装置的调试。实现任何情况下模拟测试装置的测试精度控制在15μm以下。

基于以上设计，本发明的模拟测试装置能够对不同规格的大功率接触器进行空载和带载测试，并能获取接触器运动学参数和电参数。该模拟测试装置能够为揭示大功率接触器的触头碰撞弹跳机理提供数据支持；为触头碰撞弹跳的理论计算模型提供验证数据；为接触器弹跳抑制设计提供依据。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适用于大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置，包括底座、绝缘脚垫、支撑柱、上梁、激光量具部件、静触头安装部件、三爪卡盘、转接盘、三维滑台、可调滑块，其中：

所述底座的下部设置有绝缘脚垫；

所述底座和上梁之间设置有2根支撑柱；

所述支撑柱为上细下粗结构；

所述可调滑块设置在支撑柱上，且可调滑块的内径与支撑柱的细结构位置内径一致，可调滑块根据需要设置在支撑柱的粗细结构交界处，即上梁设置在支撑柱位置的位置处；

所述上梁设置有滑槽A和滑槽B；

所述滑槽A内设置有静触头安装部件；

所述滑槽B内设置有激光量具部件；

所述静触头安装部件采用悬臂结构，由悬臂梁和支撑杆构成，支撑杆的上端位于滑槽A内，下端与悬臂梁连接；

所述三爪卡盘的卡具与三维滑台之间采用转接盘连接；

所述三维滑台设置在底座上。

一种利用上述模拟测试装置实现大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试的方法，包括如下步骤：

步骤一、控制分析上位机软件设计：

第一步、编程语言选择：采用LabVIEW软件作为模拟测试装置的控制上位机界面设计语言；

第二步、上位机接口设计：选用LabVIEW2016版中银色系列界面与接口设计；

第三步、上位机测量通道分配：将各通道分别设计为位移测量、速度测量、加速度测量三个区，并在上位机程序中调整通道数即可同时采集被测物体的位移、速度、加速度值；

第四步、上位机界面设计：一个警报区与三个测量区；

步骤二、测试：

（1）将待测大功率接触器静触头固定在静触头安装部件结构处，电磁结构及其它结构固定在三爪卡盘上；

（2）将激光位移传感器固定在激光量具部件上；

（3）将待测大功率接触器线圈引出端接入水银开关，以控制接触器电路的通断；

（4）将动触头与静触头间通路中接入采样电阻，利用示波器获取采样电阻电压以断定待测大功率接触器触头是否接通；

（5）启动模拟测试装置的上位机控制程序，打开激光位移传感器，按下控制开关，上位机控制程序界面显示待测大功率接触器运动曲线，调整待测大功率接触器高度，获得不同触头开距的触头碰撞弹跳情况、不同弹簧压缩量的触头碰撞弹跳情况、不同线圈电压的触头碰撞弹跳情况、不同负载电流下的触头碰撞弹跳情况。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

（1）通用性：模拟测试结构的不同位置设计了卡具、位置调节、开孔，能够测量不同尺寸及形状的大功率接触器，保证了模拟测试装置的通用性。

（2）多参数测量：设计了能安装多种传感器包括激光位移传感器、力传感器的安装结构，即激光量具部件的设计、静触头安装部件的悬臂结构设计。在激光量具部件、静触头安装部件的悬臂梁结构处安装上激光位移传感器、力传感器可实现位移、接触力的测量，通过与外加电路结合可同时获得被测接触器的电参数。

（3）带载设计：设计了三层夹心绝缘柱结构，满足被测接触器带载测试的绝缘性要求。

（4）高测量精度：模拟测试装置的测试精度能控制在15μm以内。

（5）造价低：设计了双柱支撑结构，保证结构稳定性的同时节省材料成本。

（6）人机友好的控制分析上位机设计：选用LabVIEW编写了精确显示位移、速度、加速度三者数值以及波形的多功能上位机，能允许更多数据型式输入、输出。根据测试结构测得的数据插值拟合出动触头位移曲线、速度曲线和加速度曲线。

（7）实验验证：利用传统测电压法测量大功率接触器动静触头间电压与本发明的实测大功率接触器动触头位移作对比验证模拟测试装置的精确性，电压法测试与模拟测试装置测试触头碰撞弹跳波形如图3。从图3可以发现两者测试得到接触器动触头弹跳情况一致。

附图说明

图1为模拟测试装置结构图，图中：1-绝缘脚垫、2-底座、3-三维滑台、4-转接盘、5-三爪卡盘、6-静触头安装部件、7-上梁、8-激光量具部件、9-支撑柱；

图2为模拟测试装置的俯视结构图；

图3为上梁设置滑槽具体结构图；

图4为模拟测试装置的控制分析软件界面图；

图5为电压法测试与模拟测试装置测试触头碰撞弹跳波形；

图6为不同触头开距的触头碰撞弹跳情况；

图7为不同弹簧压缩量的触头碰撞弹跳情况；

图8为不同线圈电压的触头碰撞弹跳情况；

图9为不同负载电流下的触头碰撞弹跳情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供的大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置基于非接触式测量原理和上位机分析控制，能实现大功率接触器的带载测试、部件更换、尺寸调整、运动参数包括动触头位移、速度及加速度采集，同时可与外电路结合完成大功率接触器电信号采集，对深入研究大功率接触器碰撞弹跳机理、提高其接触可靠性具有重要的理论和工程价值。该测试装置的设计主要包括硬件测试结构设计、控制分析上位机软件设计和测试装置的调试三部分。具体执行步骤如下：

1、硬件测试结构设计。具体操作过程如下：

第一步：整体结构设计。采用双柱支撑立体结构设计，2根支撑柱9的下方为底座2，并在底座下部用四个绝缘脚垫1加强稳定性与绝缘性。

第二步：测试仪器选择。由于接触式测量对触头运动影响较大，而且大功率接触器结构相对紧凑，不允许在其内部添加过多的构件，因此选择非接触式测量方法，以减小测试时外界对测试结果带来的影响。激光位移传感器选择LK-G5000系列的LK-H055型感测头激光位移传感器，该系列的激光位移传感器由主控制器与感测头模块构成，是目前精度及速度最高的传感器之一，其分辨率分别为0.025μm，被测对象的参考距离为50mm。

第三步：固定、夹持结构设计。考虑到测试装置的通用性，由于三爪卡盘5为工业批量成品，夹持精度与紧固程度优秀，充分满足实验要求。基于此，选择可更换卡具的三爪卡盘5，卡具与三维滑台3之间采用转接盘4连接。其中：卡具可夹持的范围为2~80mm，能够满足多尺寸接触器的测试需求，通过更换不同的卡具，实现不同尺寸接触器的测试。

第四步：位置调节结构设计。为能够满足更多接触器的测试需求即保证被测接触器在测试装置上能够可调，设计的模拟测试装置需满足在高度上能够三维可调。基于此，对模拟测试装置设计了粗调和微调位置两种方式：粗调设计通过内径和外径分别为10mm和14mm不同高度的可调滑块实现，包括高度为5mm（2个）、10mm（2个）、20mm（3个）环状垫块，位置粗调范围能达到90mm；微调设计通过三维滑台的Z轴千分头完成，其调节范围可达20mm，精度可达0.001mm。同时为了能够实现接触器横向调节，在模拟装置的上梁7结构进行了开槽设计，使静触头安装部件在滑槽A内可动，从而实现调节静触头间距的目的，调节范围达70mm。激光量具部件8的调节则通过滑槽B进行，通过调节激光量具部件8左右位置来保证激光束完全照射在动触头表面而不产生干涉。滑槽A和滑槽B的位置及方向如图3所示。

第五步：静触头安装部件结构。静触头安装部件部分采用悬臂结构。考虑到测量的稳定性，设计时尽量减小悬臂梁的长度，同时增加支撑杆结构，以快速确定静触头的间距。该结构在兼顾稳定性的同时充分解放了激光位移传感器在静触头安装部件中的测量空间。

第六步：静触头安装部件的绝缘设计。为满足被测接触器的带载测试，绝缘对于实验的安全性极其重要。因此，通过设计三层夹心结构设计，确保模拟测试装置的绝缘设计满足稳定性和绝缘性要求。该三层夹心结构通过两层金属结构夹一层绝缘层设计来减小绝缘部件的厚度，增强其机械特性。在金属部分设计上，使用铜制保证电流流过与散热，绝缘部分使用聚酰亚胺制作，聚酰亚胺是绝缘材料中质地较硬的一种，满足实验需求。铜制部分与聚酰亚胺部分使用M3沉头螺钉连接，增强其稳定性。

第七步：材料选择。通过综合考虑成本、重量、稳定性等因素，各部件的材料选择为：支撑柱9采用轴承钢，垫块采用304不锈钢，底座、上梁、转接盘、静触点悬臂梁采用硬质铝。

第八步：结构组装。按图1和图2所示模拟测试装置结构图完成组合连接，其中各组件间的连接使用销钉连接和螺钉螺母连接，以保证上梁与底座之间的平行度及整体结构的稳定性。

2、控制分析上位机软件设计。具体操作过程如下：

第一步：编程语言选择。目前在上位机设计方面，普遍采用的是使用C语言程序设计，这种方法可靠性、稳定性以及可维护性比较差，并且设计过程比较繁琐。因此设计时采用方便、灵活、稳定的LabVIEW软件作为模拟测试装置的控制上位机界面设计语言。而且LabVIEW拥有丰富的接口，允许多类型输入与输出。通过上位机程序设计可以实现将主控制器传回来的接触器动态特性数据进行简单处理，动态拟合出位移-时间曲线、速度-时间曲线、加速度-时间曲线等，为理论分析和优化设计接触器的动态特性提供验证工具。

第二步：上位机接口设计。为实现控制上位机对测试装置硬件测量部分的控制通讯、动态获取实验数据，并对数据进行简单的处理，且使得上位机界面的设计更加友好化，在对上位机设计时，选用LabVIEW2016版中银色系列界面与接口设计。选用Labview程序设计中的控制函数LKIF2_GetCalcDataSingle(IN int OutNo,OUT LKIF_FLOATVALUE_OUT*CalcData)，实现通过输入所需选择的通道数来输出相应通道的测量值。其中OutNo为输入变量，即所需通道的标号，它是int型变量；CalcData是测量值，为结构体型变量，这个结构体中包括了所选的通道数，测量错误代码及测量值三个变量。另外，LabVIEW设计语言中结构体对应结构为簇类型，故将控制分析上位机的输出连接到簇类型结构。

第三步：上位机测量通道分配。激光位移传感器采用的是LK-G5001型控制器，它可以同时测量多组数据（最多12组通道）。基于此，在上位机的设计中将各通道分别设计为位移测量、速度测量、加速度测量三个区，并在上位机程序中调整通道数即可同时采集被测物体的位移、速度、加速度值。

第四步：上位机界面设计。为了观测更直观，在界面设计中增加了判断错误的指示灯设计。因此，大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置的整个上位机设计分为一个警报区与三个测量区，其中警报区备有指示灯设计，用于提醒用户目前的被测接触器测试状态；测量区又分为数值显示和波形显示，能够兼顾数据存储和临时分析等功能。设计的大模拟测试装置的控制分析软件界面如图4。

3、测试装置的调试。具体操作过程如下：

第一步：结构稳定性分析。模拟测试装置的整体结构不稳定性和测试误差主要取决于接触器运动过程中，可动部件发生冲击碰撞作用时的冲击力对上梁结构造成的形变和应力情况能否满足其承受范围。因此，需要对模拟测试装置的上梁结构进行应力、应变分析来确定其形变量以及稳定性，以此保证整体结构的设计精度要求。

现利用SolidWorks对上梁结构进行应力、应变分析。压力设置为预想最大压力150N，通过最大形变量来确定结构稳定性，得到模拟测试结构的形变量在12μm以下。

第二步：实际测量校正。实际测量时，为检测整体结构的实际形变量为多少。检测时使用电压法，在两静触头之间接10V电压，使用示波器观察采样电阻波形，调节动触头上升直到动、静触头间产生电压波形，此时认为动静触头刚接触，弹簧没有压缩量，可以对调零激光位移传感器。将触头开距调节到初始开距之后，给接触器线圈通电，吸合动静触点，此时检测动触头的最大上升高度与调零时差值，即为静触头移动距离。经过传感器实测，模拟测试装置各结构形变量在10μm以下。压法测试与模拟测试装置测试触头碰撞弹跳波形如图5。

本发明中，硬件测试结构采用双柱支撑结构设计，保证结构稳定性的同时节省材料成本。静触头安装部件结构采用悬臂梁结构设计，同时设计了支撑杆结构辅助确定被测接触器静触头间距。

本发明中，通过对模拟测试装置完成卡具、位置调节、开孔设计满足对不同尺寸、不同形状的接触器进行测量。

本发明中，设计三层夹心绝缘柱结构，满足机械特性要求的同时减小绝缘部件厚度。

本发明中，选用LabVIEW编写上位机控制程序，能允许更多数据型式输入、输出，并能根据测试结构测得的数据插值拟合出动触头位移曲线、速度曲线和加速度曲线。

实施例：

1、测试实例

利用大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置对某型号大功率直动式接触器进行触头碰撞弹跳模拟实测，并获得了被测接触器的触头运动曲线。

2、测试过程

（1）将被测接触器静触头固定在硬件测试结构的静触头安装部件结构处，电磁结构及其它结构固定在三爪卡盘上；

（2）将激光位移传感器固定在激光量具部件上；

（3）将被测接触器线圈引出端接入水银开关，以控制接触器电路的通断；

（4）将被测动触头与静触头间通路中接入采样电阻，利用示波器获取采样电阻电压以断定被测接触器触头是否接通；

（5）启动模拟测试装置的上位机控制程序，打开测试结构的激光位移传感器，按下控制开关，上位机控制程序界面显示被测接触器运动曲线，调整被测接触器高度，可以获得不同触头开距的触头碰撞弹跳情况如图6、不同弹簧压缩量的触头碰撞弹跳情况如图7、不同线圈电压的触头碰撞弹跳情况如图8、不同负载电流下的触头碰撞弹跳情况如图9。

3、计算收益

模拟测试装置对大功率接触器不同状态包括：不同开距、预压力、线圈安匝数及不同负载等级情况下的触头碰撞弹跳情况进行测试时，其均在形变量在10μm以内。

Claims (9)

1.一种适用于大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置，其特征在于所述模拟测试装置包括底座、绝缘脚垫、支撑柱、上梁、激光量具部件、静触头安装部件、三爪卡盘、转接盘、三维滑台、可调滑块，其中：

所述底座的下部设置有绝缘脚垫；

所述底座和上梁之间设置有2根支撑柱；

所述支撑柱为上细下粗结构；

所述可调滑块设置在支撑柱的粗细结构交界处，即上梁设置在支撑柱位置的位置处；

所述上梁设置有滑槽A和滑槽B；

所述滑槽A内设置有静触头安装部件；

所述滑槽B内设置有激光量具部件；

所述静触头安装部件采用悬臂结构，由悬臂梁和支撑杆构成，支撑杆的上端位于滑槽A内，下端与悬臂梁连接；

所述三爪卡盘的卡具与三维滑台之间采用转接盘连接；

所述三维滑台设置在底座上。

2.根据权利要求1所述的适用于大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置，其特征在于所述可调滑块的内径与支撑柱的细结构位置内径一致。

3.根据权利要求1或2所述的适用于大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置，其特征在于所述可调滑块由2个高度为5mm、2个高度为10mm、3个高度为20mm的内径和外径分别为10mm和14mm环状垫块构成。

4.根据权利要求1所述的适用于大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置，其特征在于所述卡具可夹持的范围为2~80mm。

5.根据权利要求1所述的适用于大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置，其特征在于所述静触头安装部件采用两层金属结构夹一层绝缘层的结构设计。

6.根据权利要求5所述的适用于大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置，其特征在于所述金属结构使用铜制作，绝缘层使用聚酰亚胺制作。

7.根据权利要求1所述的适用于大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试装置，其特征在于所述支撑柱采用轴承钢，可调滑块采用304不锈钢，底座、上梁、转接盘、悬臂梁采用硬质铝。

8.一种利用权利要求1-7任一权利要求所述模拟测试装置实现大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、控制分析上位机软件设计：

第一步、编程语言选择：采用LabVIEW软件作为模拟测试装置的控制上位机界面设计语言；

第二步、上位机接口设计：选用LabVIEW2016版中银色系列界面与接口设计；

第三步、上位机测量通道分配：将各通道分别设计为位移测量、速度测量、加速度测量三个区，并在上位机程序中调整通道数即可同时采集被测物体的位移、速度、加速度值；

第四步、上位机界面设计：一个警报区与三个测量区；

步骤二、测试：

（1）将待测大功率接触器静触头固定在静触头安装部件结构处，电磁结构及其它结构固定在三爪卡盘上；

（2）将激光位移传感器固定在激光量具部件上；

（3）将待测大功率接触器线圈引出端接入水银开关，以控制接触器电路的通断；

（4）将动触头与静触头间通路中接入采样电阻，利用示波器获取采样电阻电压以断定待测大功率接触器触头是否接通；

（5）启动模拟测试装置的上位机控制程序，打开激光位移传感器，按下控制开关，上位机控制程序界面显示待测大功率接触器运动曲线，调整待测大功率接触器高度，获得不同触头开距的触头碰撞弹跳情况、不同弹簧压缩量的触头碰撞弹跳情况、不同线圈电压的触头碰撞弹跳情况、不同负载电流下的触头碰撞弹跳情况。

9.根据权利要求8所述的大功率接触器的高精度触头碰撞弹跳模拟测试的方法，其特征在于激光位移传感器选择LK-G5000系列的LK-H055型感测头激光位移传感器。