基于LabVIEW的開關電器觸頭電壽命試驗系統的設計

熊顯名+朱文博+楊志偉

摘 要： 傳統的開關電器觸頭電壽命試驗設備一般無法對失效原因進行全面、精確的記錄，無法進行試驗數據的存儲和回訪。為此，研制一種結合LabVIEW軟件和數據采集卡等硬件的試驗系統，該系統以實現電磁繼電器和接觸器的電壽命檢測試驗，同時在系統軟件的控制下，自動對試驗過程中失效情況進行判斷和記錄。該系統測量的電壓、電流數據精度約為0.5%，與傳統的設備相比，它能更加準確和直觀地反映出試品電壽命的相關指標，為觸頭設計人員提供可靠的判斷依據。

關鍵詞： LabVIEW； 數據采集卡； 電磁繼電器； 交流接觸器； 觸頭電壽命； 開關電器

中圖分類號： TN916.424?34； TM581 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）06?0133?04

Abstract： The traditional contact electrical endurance test equipment for switching devices generally cannot make comprehensive and accurate record of contact failure causes to carry out the test data storage and a return visit. Therefore， a test system combining with LabVIEW software， data acquisition card and other hardware is developed in this paper. In the system， the electrical endurance detection test for electromagnetic relay and contactor is achieved. The failure conditions in the test process are automatically judged and recorded under the control of system software. The voltage and current data precision measured by the system is about 0.5%. In comparison with the traditional equipment， the system can reflect the relevant indicators of test objects′ electrical endurance more accurately and intuitively， and provide reliable judgment basis for contact design personnel.

Keywords： LabVIEW； data acquisition card； electromagnetic relay； AC contactor； contact electrical endurance； switching device

0 引 言

繼電器和接觸器都是用于遠距離頻繁地接通或分段電路的低壓電器，其主要控制對象是電動機或其他電力負載[1?2]。為了保證電路可靠的接通和分斷，采用使用壽命進行衡量。通常情況下，使用壽命可分為機械壽命和電壽命，機械壽命是指繼電器和接觸器所承受機械磨損的能力，用不通電的情況下的操作次數表示，電壽命是指在額定條件下帶電操作的極限次數[3?4]。一般繼電器和接觸器的機械壽命基本都可以達到百萬次甚至一千萬次以上，但是電壽命按照不同的使用類別和不同的機械壽命級別，通常為機械壽命[5]的5%～20%。所以電壽命才是真正決定它們的使用壽命。

在繼電器和接觸器電壽命的試驗中，一般都是測量試驗觸頭兩端的電壓、主電路電流等瞬態信號的波形，通過這些波形及數據得出結論[6?7]。傳統的測量方式主要是利用光線示波器把試驗波形記錄在感光紙上面，其缺點是光線示波器振子采用懸線結構，機械慣性比較大，測量所得結果和理論分析誤差較大（約為5%），難以滿足有關低壓電器試驗標準的要求[8?9]，且無法得到功率因數、時間常數、接觸電阻等試驗參數。本論文提出使用NI公司的高速數據采集卡USB?6259 BNC對觸點電壓進行測量，測量結果與依據電源電壓設定的門限電壓比較的方法進行可靠性判斷[10?11]，在電壓判斷錯誤的情況下可以根據吸合時間和釋放時間進行判斷。該新型設備能夠按順序對獨立的9組交、直流繼電器或3組交流接觸器進行測量，在計算機屏幕上顯示指定的實時電壓、負載電流波形。對出現失效的試品能夠自動地記錄失效試品號、失效觸點號、失效時間、失效類型、失效次數、失效時電壓太小、失效電流大小以及根據設定的間隔次數記錄接觸電阻、吸合時間和釋放時間等信息，所記錄的失效信息涵蓋面較廣。試驗硬件系統配有可調節的交、直流電壓源、三種類型（分別為阻性、容性、感性）的負載柜，在測試不同類型的試品時可供方便的調節，本文只對阻性負載試驗進行探討。

1 系統硬件設計

該檢測系統以工控機為控制中心，由電壓、電流傳感器隔離模塊、驅動電路，直流開關電源等外圍電路組成，其結構框圖如圖1所示。它的結構自上而下主要分為工控機；多功能高速數據采集卡，包括數據采集、數字I/O輸出等功能；用于驅動試品的固態繼電器（SSR）和電壓、電流傳感器隔離模塊；被測繼電器、接觸器試品架、負載接入端口以及電源模塊共4 層。

高速數據采集電路包括USB?6259 BNC數據采集卡、外圍信號調理電路和供電電源。其中USB?6259 BNC數據采集卡為該部分的核心部件，具有16路差分BNC模擬輸入（16位）；單通道1.25 MSPS采樣率；4路BNC模擬輸出（16位，2.8 MSPS）；48條數字I/O，該試驗裝置采用其中的A/D轉換通道作為采樣通道，多通道采樣時最大采樣速率為1 MSPS，設備參數達到所需采集要求，可以對繼電器和接觸器吸合與分斷的整個過程進行檢測，并將采集到的模擬信號通過A/D轉換功能變為數字信號，送入工控機進行處理。endprint

電路原理圖如圖2所示，圖2表示9個通道中的1個通道，其余通道類似。根據試品線圈激勵種類，由直流固體繼電器組JGX?16FA和交流固體繼電器組JGX?16F進行驅動，驅動信號都來自數據采集卡USB?6259 BNC的數字I/O輸出端。負載回路由輔助接觸器控制，驅動控制使用第二個交流固體繼電器組JGX?16F，負載回路穿過霍爾電流傳感器 CHB?200A，以此測量觸點閉合時負載電流。試品觸點兩端并聯霍爾電壓傳感器CHV?200VS和三端口電壓輸出隔離端子WS1521，分別測量觸點斷開與閉合壓降。經過試驗測試發現，這樣的做法使用時間一長就會燒壞WS1521，因為斷開電壓遠遠高出它的輸入額定范圍。因此，在本文提出了一種新的電路設計方法，使用一個兩開兩閉觸頭的轉換繼電器G2R?2?5VDC DC 5 V，常閉觸頭接大電壓傳感器，將測量得出的電壓有效值和設定的閾值進行比較，若小于此閾值則采集卡輸出一個高電平使轉換繼電器線圈吸合，切換到常開觸頭同時電壓輸入端也切換到了小量程電壓傳感器，此時采集的電壓值為WS1521測量出的壓降值（觸點正常吸合過程），測量完成后采集卡輸出一個低電平使轉換繼電器線圈斷電，恢復原狀態使用CHV?200VS測量大電壓（觸點正常斷開過程），照此步驟循環進行。此設計方案優點為：

1） 兩個輸入電壓共用一個采集卡的輸入通道，達到節省通道的目的；

2） 小量程電壓傳感器WS1521測量的電壓值不會超過自身量程，有效保護了器件的使用壽命；

3） 因為CHV?200VS傳感器的失調電壓約為50 mV，繼電器閉合電壓壓降也是毫伏級，如果用它來測量閉合的電壓值則會造成測量誤差太大，不能正確的計算出接觸電阻。

當檢測試驗開始后，USB?6259 BNC數字輸出端發出高電平，驅動對應試品的負載回路動作，固態繼電器導通驅動輔助接觸器動作，使負載形成通路。如所測試品為直流線圈，則對直流固體繼電器組發出驅動信號，如果是交流線圈，則對交流固體繼電器組發出驅動信號，控制試品按設置的操作頻率開始通斷。

2 系統軟件設計

該試驗裝置的軟件開發是基于LabVIEW虛擬儀器所設計的，本系統軟件使用的是LabVIEW 2014版。軟件功能主要包含試驗初始化、參數設置、開始試驗、生成報表等。軟件的程序流程圖如圖3所示。

2.1 試驗初始化及參數設置

每次開始試驗之前需要進行初始化操作，程序會自動創建帶時間戳的新文件及儲存路徑，以免覆蓋上次試驗保存的數據。通過初始化操作對試驗進行的所有參數進行賦初值，其中包括采集卡的采樣率、采樣數、采樣輸入范圍；線圈、負載線圈控制字；程序中所設置的全局變量等。參數設置是根據本次試驗所需條件進行設置，其中包括試驗類型、采集參數、試驗基本參數、觸點類型、負載條件、試驗人員及單位信息等，在試驗類型中需要選擇相應的類型，不同的試驗類型所對應的試驗條件可能不同。

2.2 開始試驗

試驗初始化及參數設置操作完成之后，點擊開始試驗，程序立即進入“開始試驗”事件中，按照設置的操作頻率依次循環執行。若沒有達到設置的允許失效次數，則循環進行分斷操作直到試驗次數達到設置的試驗總操作次數，程序自動暫停并保存試驗數據；若達到允許失效次數，程序暫停并保存失效數據，以供試驗人員進行后期的分析和判斷。

2.3 生成報表

試驗完成后，程序會自動生成此次試驗的試驗報表，存儲在本地硬盤中。試驗報表內容主要包括生成報表原因、參與試驗的試品個數、試驗起始時間、試品通道信息、試驗設置的參數情況、試品失效信息、分斷動作時間檢測統計、試品接觸電阻檢測統計等信息，試驗報表能夠對試驗結果有一個比較直觀的數據展示，是對該次試驗的整體總結。存儲的報表為以后查看某個型號的試品試驗情況提供了參考依據。

3 實驗結果與數據分析

圖4為某時刻截取的試驗運行時的前面板，圖中所看到的電壓、電流和失效數據等僅為A1通道試品的實時顯示情況。該面板采用選項卡的方式對各通道實時數據進行查看。圖5所示的波形圖分別為常開觸頭的一次正常通斷的波形圖。從理論角度分析，對于常開觸頭，若觸點吸合，則電壓是從負載電源電壓跳變到0 V。若觸點斷開，則電壓是從0 V通過多次跳變到達負載電源電壓。為了消除外界雜波，軟件設計中還添加了濾波程序。作為電壽命檢測，所設參數已經達到所需要求。

為了反映出完整的一次通斷過程的圖形，這里將吸合和斷開電壓、電流波形圖放在一幅圖中，從波形圖可以看出，斷開過程電壓依然處在0 V附近，電流經過幾毫秒跳變繼續穩定在25 A左右，該波形圖表明，觸頭發生了熔焊失效。值得注意的是，觸頭的熔焊是指兩電極接觸區域靠金屬溶化而結合在一起的一種現象。通過對試驗結果的分析，驗證了系統的可靠性。

4 結 語

電磁繼電器和交流接觸器作為重要的工業控制元件，它們的使用壽命情況一直深受國內外學術界及其生產廠商所關注。本文提出一套基于LabVIEW軟件開發平臺的交、直流繼電器和交流接觸器電壽命試驗裝置。該裝置通過LabVIEW軟件程序對試品的每一個觸點電壓、電流波形、操作頻率、動作時間、接觸電阻等數據進行實時顯示；其測量最大電壓范圍為：DC 0～50 V，AC 0～400 V；電流范圍為：0～200 A（AC/DC），測量精度約為0.5%，且可以在測試繼電器和交流接觸器之間靈活的切換，具有可靠性較高、成本低、性能相對穩定等優點，同時還具有強大的數據采集處理功能和硬件控制能力。endprint

注：本文通訊作者為楊志偉。

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