何育斌, 張 旭, 任萬濱

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

電磁繼電器具有高轉(zhuǎn)換深度、低功率損耗、抗干擾能力強等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于工業(yè)、家用、智能交通、5G通信等自動控制系統(tǒng)中[1-3]。電磁繼電器的主要失效形式之一就是觸點熔焊失效[4]。觸點熔焊是指觸點在分合過程中,由于觸點間形成的電弧在短時間內(nèi)釋放大量的能量,致使觸點表面金屬迅速加熱進而發(fā)生軟化與熔化,在閉合后迅速冷卻、凝固,最終使觸點粘接為一體,致其無法斷開的現(xiàn)象[5-6]。

影響觸點熔焊失效的因素有很多,包括觸點材料性能、繼電器的機械調(diào)整參數(shù)(如觸點開距、觸點壓力)、負載性質(zhì)(如純阻性、阻感性、容性、燈性)以及滅弧介質(zhì)等[7-8]。因此通過研究將上述觸點熔焊失效的影響因素,進而提高觸點材料使用周期具有重要價值。

當(dāng)前主要應(yīng)用模型開關(guān)或觸點材料電性能模擬實驗系統(tǒng)開展相關(guān)研究。Neuhaus等[9]通過改變負載電路、觸點閉合速度和靜壓力,發(fā)現(xiàn)觸點熔焊力隨燃弧時間和電流強度的增大而增大,決定電弧電流變化曲線的負載電路,從根本上影響著熔焊力的大小。課題組利用觸點材料電性能模擬實驗系統(tǒng),對銀氧化錫觸點材料進行了電壽命實驗,發(fā)現(xiàn)在容性負載條件下觸點表面的侵蝕主要由陽極電弧和陰極電弧的競爭決定,材料轉(zhuǎn)移造成的接觸面積驟減是造成觸點熔焊失效的主要原因[10]。

在工業(yè)控制應(yīng)用中,以繼電器切換感性負載(如電動機、電焊機、電磁吸盤等)時,其使用壽命降低明顯[11-12]。然而,目前對于此類工況下繼電器的電氣特性和觸點失效機理還未有報道。本文借助創(chuàng)新設(shè)計的觸點材料電性能模擬實驗系統(tǒng),在感性負載條件下通過電壽命實驗過程中監(jiān)測的燃弧能量、靜壓力和接觸電阻隨動作次數(shù)的退化趨勢,以及失效前的觸點電壓和電流波形,提出了一種觸點熔焊失效的物理機理。

1 實驗方法

感性負載實驗電路如圖1所示。圖1中R為回路電阻,L為負載電感,I為負載電流,U為觸點兩端電壓,E為直流電源。

圖1 感性負載實驗電路

本文所用的觸點材料電性能模擬實驗系統(tǒng)文獻[10]已有詳細介紹。電性能模擬實驗機械裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電性能模擬實驗機械裝置結(jié)構(gòu)框圖

該機械裝置通過控制直動式電磁鐵的推桿動作模擬繼電器動觸點閉合和斷開的過程,電磁鐵側(cè)的微分測頭能夠?qū)崿F(xiàn)推桿空程和超程的調(diào)節(jié),驅(qū)動機構(gòu)與調(diào)整機構(gòu)固定在Z軸位移滑臺上,能夠調(diào)節(jié)推桿在動簧片Z軸方向的作用點;動、靜觸點分別鉚接在動簧片及靜觸點座上,動簧片固定在二維滑臺上,靜觸點座通過X軸位移滑臺2固定在二維滑臺上,機械系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)Y軸位移滑臺實現(xiàn)推桿作用點在動簧片Y軸方向上的調(diào)節(jié),通過調(diào)節(jié)軸位移滑臺1實現(xiàn)超程的調(diào)節(jié),通過調(diào)整X軸位移滑臺2實現(xiàn)觸點開距的調(diào)節(jié),其中開距調(diào)節(jié)范圍為0～1.2 mm,超程調(diào)節(jié)范圍為0～1 mm,力傳感器能夠監(jiān)測靜觸點的動態(tài)力信號;系統(tǒng)能夠采集電壽命實驗中分/合過程中的觸點電壓和觸點電流波形,并可提取燃弧時間、燃弧能量、回跳能量、接觸電阻等參數(shù)。系統(tǒng)單次采集深度120 ms,時間分辨率4 μs。

實驗所用的觸簧組件外形尺寸如圖3所示。其中,觸點材料為銀氧化錫復(fù)合型鉚釘;動簧片為鈹青銅材料,厚度為0.3 mm,寬度為5 mm,有效長度為24.9 mm;靜簧片材料為黃銅材料,厚度為0.5 mm。

圖3 實驗所用的觸簧組件外形尺寸

電壽命實驗前設(shè)定觸點開距0.5 mm,初始觸點壓力1.6 N,觸點分合動作頻率為1 s通1 s斷。圖1中電源電壓為28 V,負載電阻1.56 Ω,負載電感3 mH,回路穩(wěn)定電流18 A。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 典型波形分析

觸點先分斷后閉合過程的電壓和電流波形如圖4所示。

圖4 觸點先分斷后閉合過程的電壓和電流波形

在感性負載條件下,觸點在3 ms處開始分斷并燃弧,13 ms時電弧被拉斷,燃弧時間為10 ms。隨后電感產(chǎn)生電涌電壓,峰值達到65 V,電涌持續(xù)時間為1 ms。在阻性負載條件下,觸點在3.75 ms處開始分斷并燃弧,9 ms時電弧被拉斷,燃弧時間為5.25 ms,約為感性負載條件下燃弧時間的50%,并且阻性負載的過電壓峰值只有40 V,為回路中的分布電感所導(dǎo)致,遠小于感性負載條件下的電涌電壓。

在觸點分斷過程中,若加載在觸點兩端的電壓超過12～20 V,將會在觸點間產(chǎn)生電弧,設(shè)燃弧時間為t1-t0,燃弧時觸點電壓為Uarc,觸點電流為Iarc,則燃弧能量Qarc可表示為

(1)

觸點閉合回跳過程的局部放大圖如圖5所示。

圖5 觸點閉合回跳過程的局部放大圖

在感性負載條件下,觸點電流的上升速度較慢,在1 003.78 ms處觸點閉合并發(fā)生回跳燃弧,1 003.93 ms時回跳結(jié)束,在0.15 ms的回跳燃弧過程中電流只上升至1.5 A,回跳燃弧能量較小。而在阻性負載條件下,回跳過程中電流上升速度快,在1 003.48 ms時觸點閉合并發(fā)生回跳燃弧,1 003.7ms時回跳結(jié)束,在約0.22 ms時回跳燃弧過程中電流上升至10 A,其回跳燃弧能量較大。

2.2 電壽命實驗

觸點經(jīng)過61 014次動作后發(fā)生熔焊失效,將實驗過程中觸點主要性能參數(shù)進行分析。觸點分斷燃弧能量和燃弧時間退化趨勢如圖6所示。燃弧能量和燃弧時間在變化趨勢上有著相當(dāng)高的一致性?？傮w來看,燃弧能量在1 250 mJ附近波動,在27 500次以前,燃弧能量較為平穩(wěn),沒有出現(xiàn)劇烈的波動;在27 500次附近,燃弧能量突增,趨勢線中出現(xiàn)了尖峰,此后燃弧能量的分布開始出現(xiàn)較為劇烈的波動,燃弧能量大于2 000 mJ情況頻繁出現(xiàn)。在最后的1 000次動作中,燃弧能量迅速升高,個別值已超出4 000 mJ。

圖6 觸點分斷燃弧能量和燃弧時間退化趨勢

觸點靜壓力退化趨勢如圖7所示。靜壓力初始值設(shè)置為1.6 N,在27 500次附近,靜壓力下降至1.97 N后呈上升趨勢,45 000次處穩(wěn)定在約2.9 N。此后靜壓力開始出現(xiàn)較大的波動,在壽命實驗?zāi)┢陟o壓力出現(xiàn)了連續(xù)激增,最大值接近3.5 N。

觸點接觸電阻退化趨勢如圖8所示。接觸電阻初始值為7.5 mΩ,整個壽命試驗過程中接觸電阻是不穩(wěn)定的,并未有顯著增大,40 000次以后接觸電阻呈下降趨勢,熔焊失效前表現(xiàn)為顯著上升狀態(tài)。

圖7 觸點靜壓力退化趨勢

圖8 觸點接觸電阻退化趨勢

2.3 觸點熔焊失效過程分析

61 011次分斷過程中觸點電壓和電流波形如圖9所示。由圖9可見,從13～60 ms間,燃弧時間為47 ms,明顯高于初始值10 ms。且在20～60 ms間,觸點電壓出現(xiàn)了周期性的抖動增加趨勢,觸點電流出現(xiàn)了周期性的減小趨勢。

圖9 61 011次分斷過程中觸點電壓和電流波形

將實驗裝置中動簧片視為懸臂梁結(jié)構(gòu),由歐拉-伯努利梁方程可以得到其一階固有頻率計算式[13]為

(2)

式中:E——彈性模量;

I0——截面慣性矩;

ρ——密度;

S——橫截面積;

l——長度。

對于鈹青銅材料,E取128 GPa,ρ取8.6×103kg/m3。

將動簧片尺寸參數(shù)代入式(2)中可得,動簧片一階固有頻率為301.5 Hz,與圖9中觸點電壓抖動階段的頻率250 Hz較接近。動觸點材料發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移,造成觸點有效開距縮減,動觸點返回到初始位置后,電弧持續(xù)燃燒,可以認為電壓、電流的抖動原因是釋放過程中動簧片自由振動的表現(xiàn)。分斷過程中動簧片的自由振動示意如圖10所示。

圖10 分斷過程中動簧片的自由振動示意

觸點熔焊失效前最后4次分合過程中,觸點電壓和電流波形如圖11所示。

圖11 觸點電壓和電流波形

在61 011次分斷中,出現(xiàn)了長燃弧,燃弧時間T0約為45 ms,在熄弧后伴隨著62 V的電涌電壓,其燃弧時間為平均燃弧時間的4倍;61 012次分斷過程中,燃弧時間T1超過了采集深度120 ms,由接下來的閉合波形可以判斷電弧在此次閉合前已經(jīng)熄滅;61 013次分斷過程中,燃弧時間T2也超出了設(shè)備采集深度,在隨后的的閉合過程中,觸點電壓為18 V,電流為6 A,觸點間持續(xù)燃弧,可以確定61 013次過程中觸點帶電閉合;由61 014次分斷過程的觸點電壓和電流波形可知,發(fā)生了熔焊觸點分斷失敗。

觸點熔焊失效前靜壓力和燃弧時間如圖12所示。燃弧時間和靜壓力均存在上升趨勢?？梢酝茰y,在壽命試驗?zāi)┢?長燃弧使得觸點表面出現(xiàn)嚴重的材料堆積,靜壓力迅速上升,觸點開距進一步減小,使得電弧無法熄滅。

圖12 觸點熔焊失效前靜壓力和燃弧時間

綜上,感性負載條件帶來的燃弧時間的增加使得觸點表面材料轉(zhuǎn)移堆積較阻性負載條件更嚴重,從而觸點有效間隙縮減明顯,無法實現(xiàn)電弧拉長分斷。電弧的持續(xù)燃燒進一步導(dǎo)致觸點帶電閉合,最終使得觸點熔焊失效。

3 結(jié) 語

本文記錄了銀氧化錫材料觸點在感性負載條件下電壽命實驗中的燃弧時間、燃弧能量、靜壓力、接觸電阻和回跳能量的變化趨勢,所得的結(jié)論如下:

(1) 切換感性負載會導(dǎo)致觸點分斷過程中燃弧能量的增加,使觸點比阻性負載條件下出現(xiàn)更嚴重的材料轉(zhuǎn)移。

(2) 感性負載條件下觸點的接觸電阻、靜壓力與分斷燃弧時間在壽命末期出現(xiàn)了急劇增加。

(3) 電弧侵蝕使得觸點表面出現(xiàn)凸包,進而導(dǎo)致觸點有效間隙減小,造成電弧無法分斷,這就是引起觸點熔焊失效的物理機制。