電磁繼電器二次吸合電壓的研究和測量
1引言
電磁繼電器（本文中均指直流勵(lì)磁的電磁繼電器）由于其電磁機(jī)構(gòu)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的特性，在閉合過程中，會出現(xiàn)兩次吸合的現(xiàn)象。當(dāng)繼電器發(fā)生一次吸合時(shí)，動(dòng)靜觸頭雖然已經(jīng)閉合,但閉合不緊密,容易受到外界干擾而發(fā)生誤動(dòng)作。另外，繼電器觸頭的接觸電阻在一次吸合時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二次吸合時(shí)的接觸電阻，大大削弱了繼電器的帶載能力。因此，二次吸合電壓是繼電器制造與應(yīng)用中非常重要的一項(xiàng)電氣指標(biāo)。
2二次吸合現(xiàn)象
當(dāng)電磁繼電器線圈上電，隨勵(lì)磁線圈電流的增大，首先出現(xiàn)一次動(dòng)靜觸頭的不實(shí)閉合（如圖1a），此時(shí)彈簧拉力、電磁引力和動(dòng)觸頭彈簧片彈力達(dá)到平衡。隨著勵(lì)磁電流繼續(xù)增大到某一值，電磁力使連接動(dòng)觸頭的簧片發(fā)生彈性變形，銜鐵繼續(xù)向電磁線圈鐵心移動(dòng)并最大限度緊密接觸，形成的動(dòng)靜觸頭的更可靠接觸，稱之為二次吸合。
當(dāng)改變繼電器勵(lì)磁電壓時(shí)，使繼電器發(fā)生觸頭初次閉合時(shí)（不實(shí)閉合）的勵(lì)磁線圈兩端電壓稱為一次吸合電壓，發(fā)生二次吸合時(shí)的電壓稱為二次吸合電壓。以前,二次吸合電壓的測量只限于軍品，隨著對繼電器要求的提高,許多民用場合也要求標(biāo)定電磁繼電器二次吸合電壓。因此,一些繼電器生產(chǎn)廠的企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)將繼電器二次吸合電壓作為出廠檢驗(yàn)的考核指標(biāo)之一。由河北工業(yè)大學(xué)電器研究所與廈門宏發(fā)電聲有限公司聯(lián)合研制的115F型繼電器自動(dòng)檢測線中的第十工位為二次吸合電壓檢測工位。如圖2。
電磁繼電器（本文中均指直流勵(lì)磁的電磁繼電器）由于其電磁機(jī)構(gòu)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的特性，在閉合過程中，會出現(xiàn)兩次吸合的現(xiàn)象。當(dāng)繼電器發(fā)生一次吸合時(shí)，動(dòng)靜觸頭雖然已經(jīng)閉合,但閉合不緊密,容易受到外界干擾而發(fā)生誤動(dòng)作。另外，繼電器觸頭的接觸電阻在一次吸合時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二次吸合時(shí)的接觸電阻，大大削弱了繼電器的帶載能力。因此，二次吸合電壓是繼電器制造與應(yīng)用中非常重要的一項(xiàng)電氣指標(biāo)。
2二次吸合現(xiàn)象
當(dāng)電磁繼電器線圈上電，隨勵(lì)磁線圈電流的增大，首先出現(xiàn)一次動(dòng)靜觸頭的不實(shí)閉合（如圖1a），此時(shí)彈簧拉力、電磁引力和動(dòng)觸頭彈簧片彈力達(dá)到平衡。隨著勵(lì)磁電流繼續(xù)增大到某一值，電磁力使連接動(dòng)觸頭的簧片發(fā)生彈性變形，銜鐵繼續(xù)向電磁線圈鐵心移動(dòng)并最大限度緊密接觸，形成的動(dòng)靜觸頭的更可靠接觸，稱之為二次吸合。
當(dāng)改變繼電器勵(lì)磁電壓時(shí)，使繼電器發(fā)生觸頭初次閉合時(shí)（不實(shí)閉合）的勵(lì)磁線圈兩端電壓稱為一次吸合電壓，發(fā)生二次吸合時(shí)的電壓稱為二次吸合電壓。以前,二次吸合電壓的測量只限于軍品，隨著對繼電器要求的提高,許多民用場合也要求標(biāo)定電磁繼電器二次吸合電壓。因此,一些繼電器生產(chǎn)廠的企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)將繼電器二次吸合電壓作為出廠檢驗(yàn)的考核指標(biāo)之一。由河北工業(yè)大學(xué)電器研究所與廈門宏發(fā)電聲有限公司聯(lián)合研制的115F型繼電器自動(dòng)檢測線中的第十工位為二次吸合電壓檢測工位。如圖2。
PLC控制機(jī)械手將待檢測的繼電器放到檢測生產(chǎn)線，并控制傳送帶運(yùn)行，到位后停車并向計(jì)算機(jī)發(fā)送檢測信號，計(jì)算機(jī)控制檢測設(shè)備檢測并紀(jì)錄數(shù)據(jù)，判斷是否合格，并將合格信號送到PLC，最后由PLC分檢合格與不合格產(chǎn)品。
3繼電器吸合時(shí)勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)過程分析
直流勵(lì)磁繼電器的電磁機(jī)構(gòu)主要是直流電磁鐵。當(dāng)線圈中通入勵(lì)磁電流，電磁鐵回路中產(chǎn)生密集的磁通。該磁通作用于銜鐵，使銜鐵受到電磁吸力的作用而產(chǎn)生位移。圖3為直流電磁鐵簡易模型。
根據(jù)磁路歐姆定律：
Φ——磁通量，Rm——磁阻，l——磁路長度，μ——磁導(dǎo)率，S——磁路截面積，F(xiàn)=NI——安匝數(shù)
圖3電磁鐵磁路可分為3段，電磁鐵心、銜鐵和氣隙，磁阻
。繼電器閉合過程中，只有氣隙段磁路的長度改變，即Rmx,Rmt為常數(shù)， Rmq改變，其中
，μq為氣隙磁導(dǎo)系數(shù)。所以
隨著勵(lì)磁電壓的升高，繼電器勵(lì)磁電流的動(dòng)態(tài)變化如下：
（1）當(dāng)電磁鐵的電磁力增加到足以克服釋放彈簧拉力時(shí)，銜鐵快速向電磁鐵心移動(dòng)，此時(shí)氣隙l迅速減小，使Rm減小，從而磁通量Φ增大，使
<0，勵(lì)磁電流i產(chǎn)生突降。如圖4ab段。（2）動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸，阻礙了銜鐵運(yùn)動(dòng)，氣隙不能繼續(xù)減小，
減小，勵(lì)磁電流又上升。如圖4bc段。（3）勵(lì)磁電流繼續(xù)增大，當(dāng)電磁力足以克服釋放彈簧拉力與連接動(dòng)觸頭的彈簧片彈力之和時(shí)，彈簧片彎曲，銜鐵繼續(xù)向電磁鐵移動(dòng)，使勵(lì)磁電流又一次產(chǎn)生突降。如圖4cd段。
（4）銜鐵與鐵心緊密接觸，氣隙長度達(dá)最小值，
減小，勵(lì)磁電流上升，最終勵(lì)磁回路平衡，方程式變?yōu)閁=iR。如圖4de段。根據(jù)上述分析，繼電器的兩次吸合對應(yīng)勵(lì)磁電流的兩次突然下降，通過檢測勵(lì)磁電流的兩次下降，可以檢測繼電器的二次吸合電壓。
4繼電器二次吸合電壓測量系統(tǒng)原理
本系統(tǒng)分為計(jì)算機(jī)、可調(diào)電源和信號處理電路三部分。可調(diào)電源的電壓輸出可由計(jì)算機(jī)控制。可調(diào)電源給繼電器勵(lì)磁線圈供電，通過檢流電路將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。電壓信號經(jīng)過信號處理電路處理。信號處理包括：信號放大,然后進(jìn)行微分，使在電流下降處出現(xiàn)兩個(gè)脈沖，用電壓比較電路將脈沖標(biāo)準(zhǔn)化為數(shù)字脈沖，之后送到觸發(fā)保持電路將脈沖信號保持。用計(jì)算機(jī)控制可調(diào)電源，以一定速率給勵(lì)磁線圈線性加壓，同時(shí)監(jiān)視脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻，記錄第二個(gè)脈沖出現(xiàn)時(shí)的電壓，此電壓值即為二次吸合電壓。系統(tǒng)框圖如圖5所示。
5信號處理硬件電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中的信號處理電路是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它由檢流電路、反向放大電路、微分電路、電壓比較電路和觸發(fā)保持電路5部分組成。
（1）檢流電路主要用于檢測繼電器勵(lì)磁回路電流，可用檢流電阻或電流互感器等實(shí)現(xiàn)。如用檢流電阻，要求串入的檢流電阻對回路電流不能造成太大影響，所以檢流電阻應(yīng)盡量小。
（2）放大電路一般繼電器勵(lì)磁電流都不大（最大幾十mA），所以檢流電路輸出的電壓信號很小，要經(jīng)過一級放大。本系統(tǒng)采用ICL7650芯片，組成放大倍數(shù)為14的放大電路。
（3）微分電路采用OP37芯片組成微分電路，對放大電路輸出信號微分，在勵(lì)磁電流下降時(shí)刻對應(yīng)出現(xiàn)脈沖。
（4）電壓比較電路本部分選用LM339芯片組成電壓比較電路，其作用是將微分電路產(chǎn)生的脈沖標(biāo)準(zhǔn)化為幅值為5V的脈沖。
（5）觸發(fā)保持電路本部分由反向器7404、J-K觸發(fā)器74LS112和雙D觸發(fā)器7474組成，其中D觸發(fā)器接成移位寄存器的形式。本電路作用是在勵(lì)磁電流下降時(shí)刻向計(jì)算機(jī)提供上升沿電平變化。計(jì)算機(jī)根據(jù)電平變化信號判斷繼電器的吸合動(dòng)作。
信號處理過程如圖6。工作要處理，因此采用了硬件定時(shí)中斷處理的方法。軟件處理過程如圖7。
計(jì)算機(jī)采用C語言編程，對于檢測二次吸合電壓工位來說，主要任務(wù)是控制可調(diào)電源以一定速度給試品線圈加壓，并反復(fù)讀取觸發(fā)保持電路的電平（UD1、UD2）變化信息。由于計(jì)算機(jī)還有其他工位的工作要處理，因此采用了硬件定時(shí)中斷處理的方法。軟件處理過程如圖7。
7結(jié)論
應(yīng)用本系統(tǒng)可以精確、簡便地測量繼電器（直流勵(lì)磁）的二次吸合電壓。由于采用計(jì)算機(jī)控制，可以方便地與其它自動(dòng)化設(shè)備接口，適用于工業(yè)在線測量。本系統(tǒng)在廈門宏發(fā)公司應(yīng)用，效果良好。
參考文獻(xiàn)
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