基于LabVIEW的开关电器触头电寿命试验系统的设计

熊显名+朱文博+杨志伟

摘 要： 传统的开关电器触头电寿命试验设备一般无法对失效原因进行全面、精确的记录，无法进行试验数据的存储和回访。为此，研制一种结合LabVIEW软件和数据采集卡等硬件的试验系统，该系统以实现电磁继电器和接触器的电寿命检测试验，同时在系统软件的控制下，自动对试验过程中失效情况进行判断和记录。该系统测量的电压、电流数据精度约为0.5%，与传统的设备相比，它能更加准确和直观地反映出试品电寿命的相关指标，为触头设计人员提供可靠的判断依据。

关键词： LabVIEW； 数据采集卡； 电磁继電器； 交流接触器； 触头电寿命； 开关电器

中图分类号： TN916.424?34； TM581 文献标识码： A 文章编号： 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

继电器和接触器都是用于远距离频繁地接通或分段电路的低压电器，其主要控制对象是电动机或其他电力负载[1?2]。为了保证电路可靠的接通和分断，采用使用寿命进行衡量。通常情况下，使用寿命可分为机械寿命和电寿命，机械寿命是指继电器和接触器所承受机械磨损的能力，用不通电的情况下的操作次数表示，电寿命是指在额定条件下带电操作的极限次数[3?4]。一般继电器和接触器的机械寿命基本都可以达到百万次甚至一千万次以上，但是电寿命按照不同的使用类别和不同的机械寿命级别，通常为机械寿命[5]的5%～20%。所以电寿命才是真正决定它们的使用寿命。

在继电器和接触器电寿命的试验中，一般都是测量试验触头两端的电压、主电路电流等瞬态信号的波形，通过这些波形及数据得出结论[6?7]。传统的测量方式主要是利用光线示波器把试验波形记录在感光纸上面，其缺点是光线示波器振子采用悬线结构，机械惯性比较大，测量所得结果和理论分析误差较大（约为5%），难以满足有关低压电器试验标准的要求[8?9]，且无法得到功率因数、时间常数、接触电阻等试验参数。本论文提出使用NI公司的高速数据采集卡USB?6259 BNC对触点电压进行测量，测量结果与依据电源电压设定的门限电压比较的方法进行可靠性判断[10?11]，在电压判断错误的情况下可以根据吸合时间和释放时间进行判断。该新型设备能够按顺序对独立的9组交、直流继电器或3组交流接触器进行测量，在计算机屏幕上显示指定的实时电压、负载电流波形。对出现失效的试品能够自动地记录失效试品号、失效触点号、失效时间、失效类型、失效次数、失效时电压太小、失效电流大小以及根据设定的间隔次数记录接触电阻、吸合时间和释放时间等信息，所记录的失效信息涵盖面较广。试验硬件系统配有可调节的交、直流电压源、三种类型（分别为阻性、容性、感性）的负载柜，在测试不同类型的试品时可供方便的调节，本文只对阻性负载试验进行探讨。

1 系统硬件设计

该检测系统以工控机为控制中心，由电压、电流传感器隔离模块、驱动电路，直流开关电源等外围电路组成，其结构框图如图1所示。它的结构自上而下主要分为工控机；多功能高速数据采集卡，包括数据采集、数字I/O输出等功能；用于驱动试品的固态继电器（SSR）和电压、电流传感器隔离模块；被测继电器、接触器试品架、负载接入端口以及电源模块共4 层。

高速数据采集电路包括USB?6259 BNC数据采集卡、外围信号调理电路和供电电源。其中USB?6259 BNC数据采集卡为该部分的核心部件，具有16路差分BNC模拟输入（16位）；单通道1.25 MSPS采样率；4路BNC模拟输出（16位，2.8 MSPS）；48条数字I/O，该试验装置采用其中的A/D转换通道作为采样通道，多通道采样时最大采样速率为1 MSPS，设备参数达到所需采集要求，可以对继电器和接触器吸合与分断的整个过程进行检测，并将采集到的模拟信号通过A/D转换功能变为数字信号，送入工控机进行处理。endprint

电路原理图如图2所示，图2表示9个通道中的1个通道，其余通道类似。根据试品线圈激励种类，由直流固体继电器组JGX?16FA和交流固体继电器组JGX?16F进行驱动，驱动信号都来自数据采集卡USB?6259 BNC的数字I/O输出端。负载回路由辅助接触器控制，驱动控制使用第二个交流固体继电器组JGX?16F，负载回路穿过霍尔电流传感器 CHB?200A，以此测量触点闭合时负载电流。试品触点两端并联霍尔电压传感器CHV?200VS和三端口电压输出隔离端子WS1521，分別测量触点断开与闭合压降。经过试验测试发现，这样的做法使用时间一长就会烧坏WS1521，因为断开电压远远高出它的输入额定范围。因此，在本文提出了一种新的电路设计方法，使用一个两开两闭触头的转换继电器G2R?2?5VDC DC 5 V，常闭触头接大电压传感器，将测量得出的电压有效值和设定的阈值进行比较，若小于此阈值则采集卡输出一个高电平使转换继电器线圈吸合，切换到常开触头同时电压输入端也切换到了小量程电压传感器，此时采集的电压值为WS1521测量出的压降值（触点正常吸合过程），测量完成后采集卡输出一个低电平使转换继电器线圈断电，恢复原状态使用CHV?200VS测量大电压（触点正常断开过程），照此步骤循环进行。此设计方案优点为：

1） 两个输入电压共用一个采集卡的输入通道，达到节省通道的目的；

2） 小量程电压传感器WS1521测量的电压值不会超过自身量程，有效保护了器件的使用寿命；

3） 因为CHV?200VS传感器的失调电压约为50 mV，继电器闭合电压压降也是毫伏级，如果用它来测量闭合的电压值则会造成测量误差太大，不能正确的计算出接触电阻。

当检测试验开始后，USB?6259 BNC数字输出端发出高电平，驱动对应试品的负载回路动作，固态继电器导通驱动辅助接触器动作，使负载形成通路。如所测试品为直流线圈，则对直流固体继电器组发出驱动信号，如果是交流线圈，则对交流固体继电器组发出驱动信号，控制试品按设置的操作频率开始通断。

2 系统软件设计

该试验装置的软件开发是基于LabVIEW虚拟仪器所设计的，本系统软件使用的是LabVIEW 2014版。软件功能主要包含试验初始化、参数设置、开始试验、生成报表等。软件的程序流程图如图3所示。

2.1 试验初始化及参数设置

每次开始试验之前需要进行初始化操作，程序会自动创建带时间戳的新文件及储存路径，以免覆盖上次试验保存的数据。通过初始化操作对试验进行的所有参数进行赋初值，其中包括采集卡的采样率、采样数、采样输入范围；线圈、负载线圈控制字；程序中所设置的全局变量等。参数设置是根据本次试验所需条件进行设置，其中包括试验类型、采集参数、试验基本参数、触点类型、负载条件、试验人员及单位信息等，在试验类型中需要选择相应的类型，不同的试验类型所对应的试验条件可能不同。

2.2 开始试验

试验初始化及参数设置操作完成之后，点击开始试验，程序立即进入“开始试验”事件中，按照设置的操作频率依次循环执行。若没有达到设置的允许失效次数，则循环进行分断操作直到试验次数达到设置的试验总操作次数，程序自动暂停并保存试验数据；若达到允许失效次数，程序暂停并保存失效数据，以供试验人员进行后期的分析和判断。

2.3 生成报表

试验完成后，程序会自动生成此次试验的试验报表，存储在本地硬盘中。试验报表内容主要包括生成报表原因、参与试验的试品个数、试验起始时间、试品通道信息、试验设置的参数情况、试品失效信息、分断动作时间检测统计、试品接触电阻检测统计等信息，试验报表能够对试验结果有一个比较直观的数据展示，是对该次试验的整体总结。存储的报表为以后查看某个型号的试品试验情况提供了参考依据。

3 实验结果与数据分析

图4为某时刻截取的试验运行时的前面板，图中所看到的电压、电流和失效数据等仅为A1通道试品的实时显示情况。该面板采用选项卡的方式对各通道实时数据进行查看。图5所示的波形图分别为常开触头的一次正常通断的波形图。从理论角度分析，对于常开触头，若触点吸合，则电压是从负载电源电压跳变到0 V。若触点断开，则电压是从0 V通过多次跳变到达负载电源电压。为了消除外界杂波，软件设计中还添加了滤波程序。作为电寿命检测，所设参数已经达到所需要求。

为了反映出完整的一次通断过程的图形，这里将吸合和断开电压、电流波形图放在一幅图中，从波形图可以看出，断开过程电压依然处在0 V附近，电流经过几毫秒跳变继续稳定在25 A左右，该波形图表明，触头发生了熔焊失效。值得注意的是，触头的熔焊是指两电极接触区域靠金属溶化而结合在一起的一种现象。通过对试验结果的分析，验证了系统的可靠性。

4 结 语

电磁继电器和交流接触器作为重要的工业控制元件，它们的使用寿命情况一直深受国内外学术界及其生产厂商所关注。本文提出一套基于LabVIEW软件开发平台的交、直流继电器和交流接触器电寿命试验装置。该装置通过LabVIEW软件程序对试品的每一个触点电压、电流波形、操作频率、动作时间、接触电阻等数据进行实时显示；其测量最大电压范围为：DC 0～50 V，AC 0～400 V；电流范围为：0～200 A（AC/DC），测量精度约为0.5%，且可以在测试继电器和交流接触器之间灵活的切换，具有可靠性较高、成本低、性能相对稳定等优点，同时还具有强大的数据采集处理功能和硬件控制能力。endprint

注：本文通讯作者为杨志伟。

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