0　引　言

　　在低压电器行业中,接触器是用于远距离频繁地接通或分断交、直流电路的主要设备,其主要控制对象是电动机和电力负载。为保证可靠地接通与分断,要求其具有较高的性能。接触器试验是检验接触器质量的重要手段,其中,电寿命试验是重要的试验项目之一。通过电寿命试验不仅可得到接触器的电寿命指标,而且有助于分析接触器失效的原因,为提高产品质量提供重要依据。随着技术的发展和标准的更新,传统的试验设备采用接触器作为陪试品的试验方式,由于其无法适应新的需求,已被逐步淘汰。新型的电力电子器件的应用和单片机技术的普及使试验过程的自动化程度和可靠性有了很大提高,特别在控制精度和实时性方面,实现了检测设备的智能化和网络化。


　　1　系统硬件设计

　　本文所设计的试验设备主要运用于接触器的电寿命试验(AC3和AC4) ,除满足基本的检测试验控制功能外,还内置了测量、保护和通信功能,通过检测主回路的电压在不同阶段的状况,实现对于试品和主回路的双重保护功能。该设备主要由主回路和控制回路两个部分组成。

　　1. 1　主回路部分

　　GB 14048. 4—2003标准规定机电式接触器和电动机保护器的电寿命试验具有以下两个特点: ①接通6倍起动电流(笼式异步电动机的特点) ; ②断开6倍起动电流切换到1 /6Ue 的分断电压(笼式异步电动机在运行中断开受反向电势的影响) 。以上两个特点要求试验回路中具有两组各自相互独立的供电回路: Ue 和1 /6Ue ,通过两个回路的相互切换,在规定的时间内使试品分别通过6倍电流和1倍电流,完成一个周期试验的过程。

　　设备的主回路如图1所示,分为Ue 和1 /6Ue供电回路(相互独立) 、两组三相晶闸管(分别控制Ue 和1 /6Ue ) 、试品和阻抗。



　　完整的一个试验周期过程如图2所示。当控制器接收到起始命令后,使Ue 回路的晶闸管闭合,一定的时间后,投入试品工作,在Ue 工作了t0时间后,断开Ue ,在时间t内把1 /6Ue 回路的晶闸管投入工作,之后试品断开, 1 /6Ue 回路断开,一个过程结束。整个过程中最严酷的触发频率为:0. 2 s ( t0 ) —停止( t) —0. 8 s ( t1 ) ,关键就是整个过程中的停止时间t,即Ue ～1 /6Ue 的切换时间t,对t的控制要求保持在5～20 ms,过短会引起相间短路,过长会影响测试性能。所以,在对整个主回路的控制过程中,保护功能显得尤为重要,晶闸管、试品和阻抗回路都可能发生故障,在故障存在的情况下,晶闸管的工作将导致回路短路,引起前级保护开关动作,影响整个试验的进行。


　　1. 2　控制回路部分

　　控制回路的硬件框图如图3所示,主要包括晶闸管触发控制电路、输入/输出信号的采样与处理部分、电源部分、主芯片、脉冲信号产生和处理电路及上位机通信等。



(1) 晶闸管触发控制电路。要实现单组三相晶闸管的可靠工作,不产生畸变波形,主要需解决两方面的问题:一是触发晶闸管所需的触发源的功率问题,另一个就是控制部分的一致性问题。前者的解决主要依据晶闸管本身的特性及主回路的功率需求来匹配设计所需触发源的最大功率,而后者主要体现在多路触发信号触发时间上的同步和触发脉冲的一致性。
　　(2) 主芯片。主芯片采用的NXP的LPC2132芯片, 32位内核,具有64 KB Program Flash, 16 KBData RAM, 8路10位A /D, 6路PWM信号输出,两路SC I串口, 两路IIC 口, 两路SPI口, 一路DAC输出。系统中主要用到该芯片的外围电路有: 10位A /D 口,用于测量电压;外部中断用于同步信号和频率的采集; SC I用于上位机485 的通信, PWM输出用于控制晶闸管。

　　(3) 电源部分。电源部分为220 V工频变压器直接降压的方式实现三路相互隔离电源的输出,分别用于主芯片、485通信和外部控制信号输入,整个电源的输出功率< 5W,体积比较小。

　　(4) 输入信号的采样与处理部分。为实现对于整个设备的主回路和试品的双重保护,需对整个试验过程的运行情况和回路的电压电流状态进行实时监控,硬件框图如图4所示,通过从主回路的输出端接入三相电压,输入的量程从1 /6Ue ～Ue ,量程的范围比较广,要做到对主回路电压状态的精确判断,信号在接入CPU之前进行了光电隔离,将主回路和控制回路的强弱电压隔离开,保护控制部分的安全。


　　(5) 脉冲信号产生电路。其硬件框图如图5所示,采用同一个脉冲信号发生源来产生触发晶闸管所需的脉冲信号,通过CPU的逻辑控制和控制输出回路的切换,把脉冲信号切换到要求触发的晶闸管,可以充分保证触发所需脉冲的一致性,方便地调整输出脉冲的宽度和占空比,改变触发源的功率以适应主回路。

　　(6) 通信部分。通信硬件采用的是典型的RS2485电路。主要器件为485通信芯片, 3个光耦分别用于隔离485通信芯片的发送、接收和控制3 个信号。使用Modbus 协议及使用0x03、0x06、0x10等一些常用的功能码。用户可以方便地查看系统运行状态、修改调整各类参数。通信部分的硬件框图如图6所示。



　　2　系统软件设计

　　(1) 软件整体流程。软件整体流程如图7所示,设备上电,在完成一系列程序的初始化过程后,首先判断整个系统是否存在故障状态,确认无误后,系统进入正常的运行状态,等待设备的起动信号。在整个设备的运行过程中,对外围参数进行实时监控,一旦检测出故障,立即进入故障处理程序,封锁设备,发出故障报警信号。


　　(2) 保护功能实现。保护功能软件流程如图8所示。保护功能除了针对自身控制回路外,更重要针对的是主回路功率部分的,设备运行在不同的工作阶段需要对不同的参数和情况进行判断。该设备的保护主要体现在: ①在设备没有运行之前,主回路无电压; ② Ue 回路设备运行期间,主回路有电压Ue ; ③ Ue 回路和1 /6Ue 回路切换过程,Ue 回路无电压,稳定一段时间后,切换到1 /6Ue回路,控制切换时间在5～20 ms之间; ④ 1 /6Ue 回路设备运行期间,主回路有电压1 /6Ue。


　　3　结　语

　　对于晶闸管技术的运用,特别在检测行业针对低压电器产品的各项性能检测要求的运用中,本文提供了一种以单片机芯片为控制核心加上多组晶闸管的设计方案,替代了原有采用接触器作为陪试品的试验方式。该系统具有试验功能综合的特点,能高效地实现针对交流接触器的AC3 /AC4试验,该系统已在上海电器设备检测所投入运用。它集试验、保护、测量、通信和控制于一体,成本较低,便于产业化,具有较高的工业价值。