交流接觸器是一種適用于遠距離頻繁地接通和斷開交流電路的低壓電器，主要運用于配電網、電動機控制等領域[1-3]。隨著電氣工藝的不斷發展和提高，對交流接觸器這一重要的電氣開關提出了更高的要求，尤其是在其壽命和性能方面。其中，如何減少電路接通時動靜觸頭的彈跳和鐵心間的碰撞力是近年來研究工作的重點[4-6]。這類研究大多集中于理論分析與數值仿真，或者是局限于對接觸器觸頭、鐵心等局部動態特性的研究，交流接觸器的動態過程涉及電-磁-機械的復雜耦合，觸頭彈跳、鐵心碰撞力、吸合時間、吸合位移等信號對于接觸器的動態性能具有重要影響，僅僅依靠數學模型的方法無法準確全面地反映交流接觸器的動態過程。為了全面描述接觸器的動態特征，需要將多路動態實時信號進行同步采集。由于實時信號中傳感器弱電信號與接觸器輸入強電共存，交流高電壓對于傳感器輸出端的低壓直流信號會產生較大干擾，為實現同步采集，需要設計隔離電路，解決同步實時采集過程中強電與弱電之間的干擾問題。

    本文設計了一種基于LabVIEW的帶隔離電路的智能交流接觸器動態特性測試系統，基于該平臺，可以對交流接觸器的動態過程進行全面的測試。通過實驗測試的方法，實現了智能交流接觸器電信號、機械信號在時間上的對應。運用該測試系統，研究了采用三種不同彈簧組合時交流接觸器的動態特性。研究結果發現，適當增加主力彈簧的剛度系數，可以減少閉合時動觸頭的彈跳，同樣，動鐵心的碰撞速度和加速度有所減小。
1 智能交流接觸器
    智能交流接觸器是一種新型的基于PWM脈寬控制的智能型交流接觸器，其幾何模型如圖1所示。

    通過內置控制模塊，調節線圈電壓，從而保證了接觸器在閉合時的動能達到合適值。接觸器吸合過程中的動能直接影響動靜鐵心、觸頭之間的碰撞和彈跳，因此需要對接觸器動態閉合過程中的各種特征量進行同步實時測量，建立電信號和機械信號在時間上的對應關系，這對于全面掌握接觸器動態特性參數，提高接觸器機械壽命和電壽命有著重要意義。

2 測試系統平臺
2.1 系統總體設計
    測試系統主要由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分包括計算機、保護電路、隔離調理電路、傳感器、數據采集卡等。軟件部分利用基于計算機的虛擬儀器平臺軟件LabVIEW。
    測試系統的結構如圖2所示。實時信號中傳感器弱電信號與接觸器輸入強電共存。為了避免同步采集時交流高電壓對傳感器輸出端的低壓直流信號產生干擾，需要在保護電路和接觸器輸入端之間接入可靠的隔離調理電路。

2.2 硬件電路
2.2.1 隔離調理電路
    本測試系統對高壓回路的模擬信號隔離和采樣，通過大阻值電阻進行分壓，將分壓出來的信號通過電流型電壓互感器或電流互感器進行變換。環境中的干擾及傳輸過程均會對輸出的電壓信號幅值產生衰減，而數據采集卡對輸入電壓信號的幅值有范圍要求，因此需要對電壓信號進行調理。本電路采用的方法是將從互感器變換出來的電壓信號以差分的方式接入運算放大器，對信號幅值進行調理。電壓、電流隔離電路如圖3所示。

2.2.2 保護電路
    保護電路主要包括以下幾個方面： (1)過壓保護：由兩個穩壓值相同的穩壓管D1、D2反向串聯組成雙向限幅電路。(2)限流保護：在輸入端串聯電阻R1，增加輸入阻抗，限制輸入電流。(3)高頻濾波：由電阻R1和電容C1構成RC低通濾波電路，抑制高頻干擾。保護電路如圖4所示。

2.2.3 接口電路
    本文設計的測試系統對智能交流接觸器動態過程的輸入電壓、線圈電壓、線圈電流、觸頭電壓以及動鐵心的位移、速度和加速度這7路動態參量進行測量。圖5是測試系統的整體接口電路圖，其中，電壓保護和隔離調理電路模塊是將保護電路和電壓隔離調理電路接在一起，電流保護隔離調理電路模塊是將保護電路和電流隔離調理電路接在一起?？梢?，從接口電路出來的7路信號連接到數據采集卡的端子上，實現同步采集。

2.3 軟件設計
2.3.1 程序流程圖
    軟件部分是整個測試系統的核心，其主要功能是為用戶提供一個良好的操作環境，及時響應用戶的命令。軟件部分由用戶操作界面、硬件驅動程序、數據管理三部分組成，程序總體流程圖如圖6所示。

2.3.2 程序分析
    在LabVIEW中開發的程序均包括程序框圖和前面板。程序框圖中是實現VI功能的圖形化源代碼，圖7是測試系統的程序框圖。

    根據LabVIEW軟件的特性，在設計程序時，將其分成4個模塊，如圖8所示。

    其中,第一個模塊是硬件驅動部分，用以選擇PCI卡的型號以及設置數據采集通道、采樣頻率、測量范圍等參數。第二和第三個模塊是數據管理部分，實現對各通道的模擬信號進行高速采樣，并在用戶操作界面上實時顯示各路信號的波形圖，同時將采集回來的數據進行處理后存儲在事先定義的Excel表中。
2.4 測試結果分析與驗證
    利用該測試系統對智能交流接觸器動態過程中的動鐵心的位移、速度和加速度進行測試。為了驗證該測試系統得出的數據是準確可靠的，本文將本測試系統采集生成的Excel表中保存的數據在Matlab中繪成的曲線圖與激光傳感器中保存的數據繪成的曲線圖進行比較，如圖9所示。

    通過觀察對比可以發現，測試系統采集的數據與傳感器的數據繪制成的曲線圖高度吻合，驗證了該測試系統采得的數據有相當高的精確度?？梢?，該測試系統穩定可靠，很好地滿足了測試實時性要求，能夠應用于交流接觸器動態特性的研究。
3 接觸器動態過程的實驗研究
    采用該測試系統對智能交流接觸器吸合過程的動態特性進行全面研究。本實驗將三組不同剛度系數的主力彈簧智能交流接觸器吸合過程中的各個動態參數進行同步測試，每組分別測試五次。
    圖10為用本測試系統測試的主力彈簧剛度系數3 800 N/m的智能交流接觸器在吸合過程動態參數變化的波形圖。圖中輸入電壓、線圈電壓、線圈電流、觸頭電壓以及動鐵心的速度、加速度、位移的曲線分別經過歸一化處理。根據圖中各曲線的關系，可以得到接觸器閉合時，動觸頭的彈跳次數、彈跳時間和動鐵心的速度、加速度、位移等信息。表1所示是不同主力彈簧剛度系數下動態參數的變化情況。
    從表1可知，隨著主彈簧剛度系數的增大，碰撞時動觸頭的彈跳時間和彈跳次數減少。這是因為隨著主力彈簧剛度系數的增大，動觸頭對主力彈簧產生的形變減小，即彈簧力變化越小，因此動觸頭彈跳次數和彈跳時間減少。同時，由于接觸器超程一定，主力彈簧剛度系數越大，其反力越大。吸合過程，適當地增加主力彈簧剛度系數可有效降低鐵心閉合速度及加速度，提高接觸器機械壽命。

    實驗結果分析說明，本測試系統所得數據穩定可靠，且測試精度較高。運用該測試系統對智能交流接觸器進行測試，真實準確地反應了其動態過程各參數的變化。這對進一步優化智能交流接觸器的閉合動態過程，減少觸頭動鐵心碰撞，延長其使用壽命有著重要的意義，并為研究交流接觸器的動態特性提供了新的途徑。
參考文獻
[1]    Li Wenxiong, Lu Jianguo, Guo Hui, et al. AC contactor making speed measuring and theoretical analysis[C]. Proceedings of the 50th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts and the 22nd International Conference on Electrical Contacts, 2004:403-407.
[2] 何孝發, 戴瑜興,王衛國,等.基于DSP和Modbus總線的智能斷路器控制器設計[J].電子技術應用,2009，35(12):39-46.
[3] 許志紅,張培銘.智能交流接觸器動態吸合過程研究[J].中國電機工程學報, 2007,27(18):108-113.
[4] 紐春萍,陳德桂,李興文,等.交流接觸器觸頭彈跳的仿真及影響因素[J]. 電工技術學報,2007,22(10):85-90.
[5] 劉穎異,陳德桂,袁海文,等.帶電壓反饋的智能接觸器動態特性及觸頭彈跳的仿真與研究[J]. 中國電機工程學報, 2010,27(30):20-25.
[6] ESPINOSA A G,RUIZ J R R, ROSERO J,et al. Dynamic characterization and position estimation of electromechanical contactors[C].  Conference Record-IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference,2008:1873-1878.