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机电式控制电路电器试验技术研究

文档作者：黄少坡1 李奎1 王洋1 王丽丽1 温金鑫2 文档来源： 1. 河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 2. 天津电气科学研究院有限公司		点击数：	更新时间： 2020年12月30日
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电气传动2016年第46卷第5期
机电式控制电路电器试验技术研究
黄少坡1，李奎1，王洋1，王丽丽1，温金鑫2
（1. 河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津300130；
2. 天津电气科学研究院有限公司，天津300180）
摘要：研究了机电式控制电路电器试验技术，包括正常和非正常条件下接通分断能力、电气耐久性试验
等。根据试验条件不同，将考核触头接通能力和分断能力的试验分为恒载、变载和无载3 种试验模式。以接
触器辅助触头为研究对象，设计了基于计算机控制的试验装置，实现了交直流通用和各试验模式兼容，自动控
制试验进程并实时监测和显示试验电压电流，提高了触头接通分断状态判断的精度和接触器辅助触头试验的
自动化水平。
关键词：控制电路电器；试验技术；试验模式；波形显示；状态监测
中图分类号：TM572 文献标识码：A
Test Technology of Electromechanical Control Circuit Devices
HUANG Shaopo1，LI Kui1，WANG Yang 1，WANG Lili1，WEN Jinxin2
（1. Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical
Apparatus Reliability，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；
2. Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）
Abstract: Test technology of electromechanical control circuit devices was studied such as the making and
breaking capacities under normal load conditions and abnormal load conditions，the electrical durability，etc.
According to different test conditions，the tests for verification of making and breaking capacities were classified into
three test types，constant-load test，different-load test and no-load test. In fact，a test device for auxiliary contact of
contactor was designed to automatically control test process and accurately monitor the condition of contacts by
detecting test current and test voltage. With AC supply or DC supply，samples are tested in the three test types.
Key words: control circuit devices；test technology；test type；wave display；condition monitoring
基金项目：国家自然科学基金（51377043）；河北省自然科学基金（E2015202109）
作者简介：黄少坡（1986-），男，博士研究生，Email：shaopo0303@163.com
在低压开关设备和控制设备范畴，机电式控
制电路电器起着信号、控制、连锁等功能，保证控
制系统的稳定、可靠运行。
机电式控制电路电器发生故障，将危及整个
控制系统的安全运行。文献［1］中降压启动接触
器的常闭触点接触不良，导致被控55 kV·A风机
在由降压启动转换到全压运转瞬间瞬时停车而
后马上启动，相当于电机直接启动，启动电流巨
大，造成总屏低压断路器跳闸，全车间停机事
故。文献［2］中控制非全相保护时间继电器动作
的常闭触点断开不良，设备振动导致断开的常闭
触点接通，从而引起时间继电器线圈得电而发生
误保护、开关跳闸。可见，研究控制电路电器试
验技术、提高其质量水平，对降低系统故障发生
率、减少经济损失有着重要意义。
1 使用类别及试验模式划分
1.1 使用类别［3］
正常条件下和非正常条件下的接通与分断
能力是控制电路电器型式试验的重要项目，是产
品必须满足的性能指标；为了研究产品的寿命水
平或来自用户的质量需求，还需进行机械耐久性
ELECTRIC DRIVE 2016 Vol.46 No.5
93
电气传动2016年第46卷第5期
和电气耐久性的验证试验。根据控制对象的不
同，国家标准（GB 14048.5）规定了几种机电式控
制电路电器的使用类别，见表1。
接通和分断能力指能在产品标准规定的条
件下接通和分断正常负载电流和过载电流而不
发生故障的能力。根据GB 14048.5，正常条件
下，工作电压为Ue ; 非正常条件下，工作电压为
1.1Ue 。两种条件下对应于不同使用类别的接通
电流和分断电流有的相同有的不同，如正常条件
下对应于不同使用类别下的接通分断电流如表2
所示。其中，6×P是经验值，代表大多数直流电磁
铁负载的上限为P=50 W，即6×P=300 ms 的经验
关系中求得，对于功率消耗大于50 W的负载，可
假定由较小负载并联组成，因此，300 ms 可作为
上限值；T0.95为达到95%稳态电流的时间，ms。
电气耐久性是指在规定的正常条件下，不需
要维修或更换零件而能承受的负载操作循环次
数，GB 14048.5 规定电气耐久性试验中应有90%
及以上的被试电器达到或超过该操作循环次
数。每个操作循环应包括1 次试验电流的接通和
1 次试验电流的分断，操作循环的通电时间应不
小于操作循环周期的10%，也不大于周期的
50%。
作为接通和分断能力的一种特殊情况，交流
电气耐久性试验时，按正常条件下使用类别为
AC-15 的接通分断能力试验进行，但接通时功率
因数应为0.7，分断时功率因数应为0.4；直流电气
耐久性试验时，按正常条件下使用类别为DC-13
的接通分断能力试验进行。
1.2 试验模式分类
通过以上分析，根据控制对象、验证性能指
标不同，考核控制电路电器的试验被分为若干个
使用类别，且对于电气耐久性试验，虽然参考其
中某些使用类别但试验条件不完全相同。通过
归纳可将以上所有试验情况分为以下几种试验
模式［4］：
1）恒载试验。试品接通和分断负载电流，接
通和分断的负载电流相同，如AC-12，DC-12；
2）变载试验。试品接通和分断负载电流，接
通和分断的负载电流不同，如AC-13，DC-14；
3）无载试验。试品只进行机械的闭合和断
开，无需加载电压和电流，如机械耐久性试验。
2 接触器辅助触头试验技术研究
2.1 试验主回路设计
由以上分析，考核控制电路电器接通和分断
能力的试验类别较多，且有的接通和分断条件不
同（电压不同、电流不同等），这对试验装置的自
动化水平提出了更高的要求。为了兼顾电源类
型（AC/DC）、恒载接通分断及变载接通分断，并
同时考虑提高试验效率，以接触器辅助触头为研
究对象，设计了如图1 所示的接触器辅助触头接
通分断能力试验装置主回路。
表1 机电式控制电路电器使用类别
Tab.1 Utilization categories for electromechanical
control circuit devices
类别
AC-12
AC-13
AC-14
AC-15
DC-12
DC-13
DC-14
典型用途
控制电阻性负载和光电耦合器隔离的固态负载
控制有变压器隔离的固态负载
控制小容量电磁铁负载（≤72 V·A）
控制交流电磁铁负载（＞72 V·A）
控制电阻性负载和光电耦合器隔离的固态负载
控制电磁铁负载
控制电路中有经济电阻的电磁铁负载
表2 正常条件下接通分断能力（U=Ue）
Tab.2 Making and breaking capacities under
normal conditions（U=Ue）
使用
类别
AC-12
AC-13
AC-14
AC-15
DC-12
DC-13
DC-14
接通
I/Ie
126
10
11
10
分断
I/Ie
1111111
cos φ / T0.95
0.9
0.65
0.3
0.3
1
6×P
15
最小通电时间
周波（AC）/ms（DC）
2222
25
T0.95
25
图1 试验装置主回路
Fig.1 Main circuit of test device
黄少坡，等：机电式控制电路电器试验技术研究
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电气传动2016年第46卷第5期
图1 中，QF1和QF2分别为交、直流主电路电
源断路器，KM1，KM2 和KM3，KM4 分别为回路1
和回路2 的电源选择接触器，KM5，KM6和KM7，
KM8分别为回路1 和回路2 的负载选择接触器。
可分别提供AC 或DC 额定电压或1.1 倍额定电
压，满足了正常条件下和非正常条件下进行接通
和分断能力试验的电源要求。以回路1 为例，恒
载试验时，可指定负载1 或负载2；变载试验时，
可选择负载1 或负载2 作为接通负载而另一个作
为分断负载，通过控制KM5或KM6不同的动作时
序，可实现不同的试验模式。
工位1 和工位2 可同时对分别与2 台接触
器同时动作的2 个辅助触头试品进行试验，也
可同时对与一台接触器同时动作的2 个辅助触
头试品（同常开或同常闭）进行试验，工位1 和
工位2 的位置可分别同时并联3 个辅助触头，并
分别对其进行试验，这种设计最大化地提高了
试验效率。
2.2 动作时序
通过控制电源选择接触器和负载选择接触
器，可实现恒载、变载及无载3 种试验模式。工位
1 和工位2 可分别或同时进行恒载、变载试验，也
可分别或同时进行无载试验，这里重点对恒载和
变载的试验动作时序进行分析。
由于2 个工位上的辅助触头可能由同一台接
触器控制，也可能分别由各自的接触器控制，所
以这2 种条件下的动作时序是不同的。对于工位
1 和工位2，有“两恒载”、“两变载”及“一恒载一变
载”3 种动作时序，再基于以上考虑，共有6 种动
作时序。这里重点分析较为复杂的2 种动作时
序：两工位上辅助触头由各自的接触器控制、一
恒载一变载，记为时序1，见图2；两工位上辅助触
头由同一接触器控制、一恒载一变载，记为时序
2，见图3。
动作时序图中曲线低表示接触器释放状
态、曲线高表示吸合状态，斜线表示吸合或释放
的过程［5］。时序1 中，工位1 完成承载电流（t4）
后即可将工位1 接触器释放来分断负载；通过
KM7 和KM8 的负载转换，实现工位2 接通和分
断的负载电流不同。时序2 中，由于两工位由
同一台接触器控制，工位1 需在工位2 完成承载
分断电流（t8）后和工位2 同时释放。根据接触器
的实际吸合释放时间和标准要求的接通时间，
通过设置各阶段的时间参数，可完成整个试验
进程的自动控制。对于时序2，正常条件或非正
常条件下接通与分断能力试验时，由于标准只
规定了通电时间下限值，所以工位1 通电时间亦
满足要求；电气耐久性试验时，通过合理设定各
阶段时间参数，也可保证工位1 通电时间不大于
操作循环周期的50%。时序2 使用1 台接触器控
制2 个辅助触头，减少了接触器用量，提高了试
验效率。
2.3 基于计算机控制的采集系统
文献［6］所述试验系统对接触器辅助触头回
路施加DC 24 V电压，可通过采集触头压降并于
门限值比较来判断触头的接触状态，但并未采集
触头回路电流，不能准确反映触头接通和分断中
的动态过程。为了提高触头接通分断状态监测
的精度，设计了基于计算机控制的采集系统，并
选用研华高速数据采集卡PCL-818HG进行数据
采集。
进行辅助触头恒载试验或变载试验时，需在
整个接通和分断过程中检测电源电压U、触头间
电压u 和主电路电流I［7］，试验过程中记录的电压
电流波形如图4所示。
PCL-818HG数据采集卡可提供12 位AD采
样、最高100 kHz（DMA数据传输方式）的采样速
率，保证数据采集可以真实还原原始信号［8］。试
图2 时序1动作时序图
Fig.2 Operation sequence chart of sequence 1
图3 时序2动作时序图
Fig.3 Operation sequence chart of sequence 2
黄少坡，等：机电式控制电路电器试验技术研究
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电气传动2016年第46卷第5期
验时，将0~450 V电压信号转化为0~4.5 mA的电
流信号，再经5 mA/20 mA霍耳传感器、放大电路
转换为0~4.5 V 的电压信号，供AD 采样。使用
1 A/20 mA和5 A/20 mA 2 种霍耳传感器，对不同
电平的电流信号进行转换和采集，再经放大电路
转换为最大5 V的电压信号，供AD采样，提高了
电流采样精度。考虑一定的过压、过流系数，设
置电压电流采样通道的电压输入范围均为±10 V。
本采集系统采用中断传输方式的多通道模拟量
AD采样，单通道采样频率为2 kHz。
记试验电压为U0、试验电流为I0，接通时，若
u≥10%U0或I≤90%I0，则记为接通故障；分断时，
若u≤90%U0或I≥10%I0，则记为分断故障。10%
或90%为保护限，用户可自定义。试验装置可显
示电压电流波形，通过波形分析，可精确得出接
通和分断时间、燃弧时间等触头特征参数。
3 结论
本文研究了机电式控制电路电器试验技术，
并以接触器辅助触头为研究对象开发了基于计
算机控制的试验装置，提高了接触器辅助触头试
验自动控制水平。
1）总结分析了考核控制电路电器接通和分
断能力的各种试验类别及试验条件，将各试验类
别归纳为恒载、变载和无载3种试验模式；
2）以接触器辅助触头为研究对象设计了试
验装置，可满足交直流通用、各试验模式兼容的
要求，并重点分析了两工位2 台接触器控制和两
工位1 台接触器控制下的一恒载一变载试验动作
时序；
3）开发了基于计算机控制的采集系统，实现
电压电流采集和显示，提高了触头状态监测和特
征参数提取的精度。
参考文献
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收稿日期：2015-09-16
修改稿日期：2015-12-06
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图4 试验电压电流波形面
Fig.4 Display interface of voltage and current
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