一種高壓繼電器壽命測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱彩霞

（江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院，江蘇淮安，223003）

0 引言

電動(dòng)汽車和充電樁中使用大量的高壓電磁繼電器，這些繼電器性能的好壞將直接影響電動(dòng)汽車使用的安全性和壽命[1-2]。電磁繼電器最主要性能表現(xiàn)在觸點(diǎn)通斷過(guò)程中的接觸電阻和觸點(diǎn)壓力，接觸電阻和壓力的狀況會(huì)通過(guò)繼電器帶負(fù)載通斷過(guò)程中的電流、電壓波形信號(hào)表現(xiàn)出來(lái)。本文設(shè)計(jì)了一種通過(guò)采集和監(jiān)測(cè)繼電器觸點(diǎn)電流和觸點(diǎn)電壓繼電器試驗(yàn)裝置，用于高壓繼電器的性能測(cè)試[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及測(cè)控原理

■1.1 系統(tǒng)方案

繼電器測(cè)試系統(tǒng)總體方案如圖1所示，包括PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集控制模塊、測(cè)試電源和試驗(yàn)電路。其中試驗(yàn)電路中的Z1是被測(cè)試?yán)^電器的動(dòng)觸點(diǎn)，Z2是充電回路控制繼電器動(dòng)觸點(diǎn)，C是儲(chǔ)能電容[4]，R1是放電回路電阻，電流霍爾傳感器串接在放電回路中，用于測(cè)量繼電器觸點(diǎn)電流，R2是充電回路電阻，R3～R5是電壓信號(hào)取樣電阻，R5上電壓與電容C上放電電壓Uc成比例，R4上的電壓與Z2吸合時(shí)充電電壓U2成比例，通過(guò)電壓變送器將高電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集模塊的測(cè)量信號(hào)[5]。

■1.2 測(cè)試控制原理

圖1 繼電器測(cè)試系統(tǒng)總體方案

通過(guò)PC的操控界面向數(shù)據(jù)采集控制模塊發(fā)送試驗(yàn)的參數(shù)：試驗(yàn)電壓、試驗(yàn)電流、試驗(yàn)次數(shù)、試驗(yàn)周期等。數(shù)據(jù)采集控制模塊控制充電電源輸出試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)電流（充電電流），控制Z2接通對(duì)儲(chǔ)能電容C充電一段時(shí)間后斷開Z2，斷開Z2后接通Z1，則儲(chǔ)能電容電壓Uc加到Z1的觸點(diǎn)上，通過(guò)功率電阻R1放電，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后斷開Z1，完成一次測(cè)試過(guò)程。根據(jù)設(shè)置的試驗(yàn)時(shí)間交替接通、斷開Z2和Z1，完成老化試驗(yàn)過(guò)程。在試驗(yàn)過(guò)程中由電流傳感器、電壓變送器將信號(hào)送給數(shù)據(jù)采集控制板監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與管理，作為分析繼電器觸點(diǎn)性能的依據(jù)。

圖1中的R1是由5個(gè)阻值20mΩ功率6kW電阻和兩個(gè)阻值1Ω功率1kW的電阻構(gòu)成的負(fù)載電阻網(wǎng)絡(luò)，R1的電阻網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)根據(jù)試驗(yàn)電流、試驗(yàn)電壓的大小要求調(diào)整，接入到放電回路中[6]。

圖2 R1電阻網(wǎng)絡(luò)

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 測(cè)試電源

高壓繼電器試驗(yàn)要求觸點(diǎn)承受的電壓和電流都比額定標(biāo)稱值大許多，而且不同用途繼電器試驗(yàn)要求也不盡相同，本設(shè)計(jì)采用ST1500-20CQ程控電源模塊，輸入380V交流電，輸出電壓0～1500V直流可控，電流 0～20A可控，控制信號(hào)0～5V直流電壓，方便用D/A轉(zhuǎn)換信號(hào)實(shí)現(xiàn)電源輸出功率控制[7]。

■2.2 試驗(yàn)電路及傳感器選取

設(shè)計(jì)試驗(yàn)觸點(diǎn)最高電壓1500V，電流10000A（瞬時(shí)）。圖1中，C采用2000μf/2000V的高壓電容，電阻R1根據(jù)試驗(yàn)要求由圖2的電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，充電回路最大電流20A，電阻R2采用75Ω3kW的功率電阻，霍爾電流互感器采用安科瑞AHKC-HB，量程0～10000A，輸出電壓0～5V，電壓變送器采用0～5V/0～5V，主要起強(qiáng)電弱電信號(hào)隔離作用。R3、R6取100kΩ/100W，R4、R5取300Ω/20W，使U2、Uc在5V內(nèi)。

■2.3 數(shù)據(jù)采集控制模塊

數(shù)據(jù)采集控制模塊是測(cè)試系統(tǒng)的核心，主要包括STM32F103C8T6微控制器芯片、A/D信號(hào)處理電路、D/A轉(zhuǎn)換接口電路和RS-485接口電路等，圖3是數(shù)據(jù)采集模塊的原理框圖。

圖3 數(shù)據(jù)采集控制模塊原理框圖

STM32F103C8T6芯片是意法半導(dǎo)體公司的一款32微控制器芯片，內(nèi)部含有A/D、D/A、UART、TIM、DMA及26個(gè)快速I/O端口。D/A信號(hào)從PA4、PA5端口輸出，通過(guò)信號(hào)處理電路將0～3.3V信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5V，作為程控電源的控制信號(hào)。3路0～5V采集信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為0～3.3V，從PA0、PA1、PA2端口輸入，由內(nèi)部A/D模塊采樣轉(zhuǎn)換。驅(qū)動(dòng)電路由端口PC0、PC1控制固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器控制圖1中的Z1和Z2。RS-485接口由微控制器內(nèi)部的UART1控制RS-485芯片實(shí)現(xiàn)，接收信息從PA10端口，輸出信息從PA9端口，PA6端口控制RS-485芯片接收/發(fā)送轉(zhuǎn)換。A/D、D/A的信號(hào)處理電路采用運(yùn)放構(gòu)成的線性處理電路[8-9]。

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)功能要求

（1）遠(yuǎn)程操控。通過(guò)PC機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作，設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)：電壓、電流、次數(shù)等。

（2）實(shí)時(shí)采集。實(shí)時(shí)測(cè)量試驗(yàn)電壓、試驗(yàn)電流，數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。

（3）記錄并顯示波形功能。試驗(yàn)過(guò)程中顯示試驗(yàn)電壓、試驗(yàn)電流波形。記錄的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)周期操作過(guò)程一一對(duì)應(yīng)，并以文件形式保存。

（4）信息回看功能。在試驗(yàn)停止后，可以回看任一測(cè)試周期波形數(shù)據(jù)，分析測(cè)試對(duì)象的性能。

（5）故障保護(hù)報(bào)警功能。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)Z1、Z2吸合與分?jǐn)酄顟B(tài)，異常保護(hù)切斷試驗(yàn)電源輸出。

■3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)在Windows操作系統(tǒng)上用.NET軟件編寫，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)處理，采用模塊化設(shè)計(jì)，上位軟件由參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)操控、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)波形狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊構(gòu)成。上位機(jī)通過(guò)RS-485接口和下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成指令下傳、測(cè)量信息上傳，由上位機(jī)完成數(shù)據(jù)顯示、保存等系統(tǒng)功能，整個(gè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

■3.3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用C語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程控制和數(shù)據(jù)采集，同樣采用模塊化設(shè)計(jì)，由系統(tǒng)初始化、串口通信、D/A、A/D和輸出控制模塊構(gòu)成。下位機(jī)接收上位機(jī)的指令，根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)電壓、試驗(yàn)電流控制D/A輸出，根據(jù)試驗(yàn)周期、試驗(yàn)次數(shù)等控制固態(tài)繼電器動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)Z1、Z2的通斷控制。在試驗(yàn)過(guò)程中檢測(cè)繼電器觸點(diǎn)電壓和電流信號(hào)，并實(shí)時(shí)通過(guò)RS-485接口將測(cè)量結(jié)果系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī)，判斷試驗(yàn)過(guò)程中的異常信號(hào)及時(shí)停止試驗(yàn)，保護(hù)系統(tǒng)安全。下位機(jī)軟件流程圖如圖5所示。系統(tǒng)參數(shù)波特率設(shè)置為230400bps，A/D轉(zhuǎn)換速率分時(shí)段設(shè)置，在Z1吸合期間，放電電流很大，電流信號(hào)持續(xù)時(shí)間短，只有幾個(gè)毫秒，變化率也快，設(shè)置A/D采集速率0.1ms一次，其余時(shí)間段電壓、電流變化緩慢，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，A/D采集速率設(shè)置10ms一次。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

圖5 下位機(jī)軟件流程圖

4 試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果

■4.1 試驗(yàn)時(shí)間條件

由于充電回路電流比放電回路電流小很多，為保證達(dá)到設(shè)定的試驗(yàn)電壓，設(shè)定試驗(yàn)時(shí)間參數(shù)時(shí)，Z2的吸合時(shí)間應(yīng)遠(yuǎn)大于Z1的吸合時(shí)間，且Z2由吸合轉(zhuǎn)斷開至Z1吸合的時(shí)間寬度要大于繼電器動(dòng)作時(shí)間，圖6為試驗(yàn)的周期信號(hào)，其中虛線是Z1的控制信號(hào)，實(shí)線是Z2的控制信號(hào)，兩者的周期相同，交替分合。

■4.2 采集的電壓、電流波形

圖6 試驗(yàn)周期信號(hào)

圖7為阻性負(fù)載試驗(yàn)繼電器觸頭分合過(guò)程中電流、電壓波形，從上位機(jī)試驗(yàn)中記錄截取。圖7(a)為觸點(diǎn)電流波形，圖中的放電曲線跳變是由于觸點(diǎn)吸合過(guò)程中抖動(dòng)照成的。圖7(b)～(e)是觸點(diǎn)電壓波形，圖7 (b)是正常狀態(tài)觸點(diǎn)電壓波形，圖7 (c)～(e)是繼電器故障時(shí)的觸點(diǎn)電壓波形。試驗(yàn)記錄和信號(hào)波形為分析繼電器性能的提供了重要依據(jù)。

圖7 阻性負(fù)載試驗(yàn)觸頭分合過(guò)程中的電流、電壓波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的高壓繼電器壽命測(cè)試系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程操控，上、下位機(jī)協(xié)同完成高壓繼電器的老化試驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄并顯示繼電器觸頭分合過(guò)程的電壓和電流波形，為分析繼電器的性能提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用本文設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)裝置已經(jīng)在比亞迪投入使用，效果良好。