CN107271894A - 桥式直流接触器参数模拟平台 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种试验效率高、试验结果可靠、操作简易、数据存储分析方便的小型化电弧实验平台，为桥式直流接触器电弧研究过程中的影响因素（如灭弧介质、气体压力、开断速度及磁场等）提供可靠的实验数据。其涉及模拟桥式直流接触器触头分断电弧的实验装置，尤其涉及桥式直流接触器参数模拟平台。包括灭弧室单元及气动驱动单元；所述灭弧室单元包括灭弧室本体、位于灭弧室本体内的静触头及动触头组件；所述灭弧室单元与气动驱动单元相连，该气动驱动单元驱动动触头组件实现与静触头的分闸或合闸；所述灭弧室单元及气动驱动单元均与一控制系统相连。

Description

桥式直流接触器参数模拟平台

技术领域

本发明涉及模拟桥式直流接触器触头分断电弧的实验装置，尤其涉及桥式直流接触器参数模拟平台。

背景技术

近年来直流配电系统发展迅速，直流开关作为电力设备中的关键器件成为研究热点，桥式直流接触器目前已应用于军事和国民经济中（如航天飞机和电动汽车），是不可缺少的基本元件之一。由于电弧计算需要多场藕合问题，因此求解难度大，对结果的验证比较困难。影响桥式直流接触器电弧燃烧的因素很多，比如灭弧介质、气体压力、开断速度及磁场等，因此要求实验可以满足多因素并且操作简便、连续可控、易于分析数据等特点。国内外相关机构对电弧实验装置都进行了开发，但是大多只是两根铜棒电极，没有相应的桥式触头结构实验平台，并且目前存在的实验装置体积笨重，实验操作繁琐，研究影响因素单一，不可连续控制、存取和分析实验数据。因此，设计一套功能齐全、实验高效、数据可靠、操作简易的桥式直流接触器参数模拟平台是十分必要的。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种桥式直流接触器参数模拟平台，其在实验过程中灭弧介质及触头可更换、操动机构连续可控、开断速度可调、电弧形状易于观测、数据易于分析，为电弧理论研究过程中计算结果及分析的校验及桥式直流接触器的设计研究提供了可靠有效且操作方便的小型化实验装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括灭弧室单元及气动驱动单元；所述灭弧室单元包括灭弧室本体、位于灭弧室本体内的静触头及动触头组件；其特征在于:所述灭弧室单元与气动驱动单元相连，该气动驱动单元驱动动触头组件实现与静触头的分闸或合闸；所述灭弧室单元及气动驱动单元均与一控制系统相连。

作为本发明的一种优选方案，所述灭弧室单元及气动驱动单元均设置于一底座上、与底座可拆卸式连接。

作为本发明的另一种优选方案，所述灭弧室本体包括由前端盖、后端盖及位于前后端盖之间的石英玻璃外壁共同构成密闭可视的灭弧气腔；所述前端盖上设置有用于充入不同气体不同压强的充气口、用于排气和抽真空的出气口及静触头座；该静触头座与前端盖外侧的接线柱相连，该静触头座与前端盖内壁通过法兰可拆卸式连接；所述灭弧气腔内设置有静触头及动触头组件；所述静触头与静触头座可拆卸式连接；所述动触头组件由动触头、触头簧及绝缘的触头簧座组成；所述触头簧座底部连接有一动触头轴，该动触头轴的另一端穿过后端盖，动触头轴与后端盖间以双向密封圈密封；所述静触头与动触头接触面的一侧安装有永磁块调整座；所述永磁块调整座与静触头之间的距离可调节。

作为本发明的一种优选方案，一固定杆依次穿过前端盖及后端盖，将石英玻璃外壁夹紧固定于前端盖、后端盖之间，所述固定杆伸出前端盖及后端盖的位置各设有一螺纹段，螺纹段适配有螺母，所述螺母压紧前端盖、后端盖；对前端盖、后端盖对中间的石英玻璃外壁加以固定，所述前端盖与石英玻璃外壁的端部之间及后端盖与石英玻璃外壁之间均设置有硅橡胶垫并以密封硅脂密封。

作为本发明的另一种优选方案，所述永磁块调整座的底部设置有槽型通孔，后端盖内壁上、与槽型通孔相对的位置设置有螺纹孔，一螺栓穿过槽型通孔与螺纹孔螺纹相连，所述永磁块调整座通过螺栓、螺纹孔与后端盖内壁相连；在所述螺栓松开时通过槽形通孔沿灭弧室径向移动，永磁块调整座于静触头之间的距离可调；调节永磁块调整座需拆开灭弧室。

作为本发明的另一种优选方案，所述法兰与前端盖之间设置有用于密封的密封圈，所述接线柱与前端盖过盈配合。

作为本发明的另一种优选方案，所述动触头通过定位销固定于触头簧座。

作为本发明的另一种优选方案，所述气动驱动单元包括由左至右依次设置的动力平衡板、限位板及用于固定操作机构的后端板；所述固定杆穿出后盖板的一端穿过限位板及后端板，所述固定杆上设置有一外螺纹段，所述限位板位于该外螺纹段，与该螺纹段活动连接，以与外螺纹段适配的螺母对限位板两侧夹紧固定，调节螺母，所述限位板沿固定杆的位置可调；所述后端板与固定杆可拆卸式连接；通过调节限位板，可调节开距和超程。

所述动力平衡板设置于后端盖与限位板之间，所述后端板上设置有操作机构；所述操作机构包括四个气缸，所述气缸可拆卸式连接于所述后端板上，气缸的气缸轴依次穿过后盖板、限位板及动力平衡板，四个气缸轴的其中两个上下对称分布于动力平衡板，另外两个左右对称分布于动力平衡板；所述气缸轴与动力平衡板固定相连。

所述动触头轴穿过后端盖的一端依次穿过动力平衡板、限位板及后端板后通过一联轴器与一位移传感器的轴相连，该动触头与动力平衡板固定连接。

所述每个气缸均设置有两个进气嘴：分闸进气嘴、合闸进气嘴；所述各分闸进气嘴经分闸分流头后通过分闸气路与分闸限流阀相连，所述各合闸进气嘴经合闸分流头后通过合闸气路与合闸限流阀相连；所述分闸限流阀、合闸限流阀与一电磁换向阀相连，该电磁换向阀与进气口相连。

限位板调节开距过程：在分闸过程中，气缸轴缩回直至气缸轴上夹紧动力平衡板的螺母触碰到限位板停止，通过调节固定杆上用于夹紧限位板的螺母调节限位板沿灭弧室的轴向位置即可调节气缸轴的停止位置，即调节开距。

限位板调节超程过程：在合闸状态下，气缸轴全部伸出，气缸轴位置固定，通过调节气缸轴上夹紧动力平衡板的螺母的位置调节动力平衡板在气缸轴上的轴向位置即可调节合闸状态下动触头轴在灭弧室的轴向位置，即调节超程。

作为本发明的另一种优选方案，所述控制系统包括微控制器、电磁换向阀控制电路、上位机、数据采集电路、信号调理电路及电弧数据测量电路；所述上位机分别与微控制器及数据采集电路相连，所述微控制器与电磁换向阀控制电路相连，所述数据采集电路与信号调理电路相连，所述信号调理电路与电弧数据测量电路相连；所述电弧数据测量电路与接线柱相连；所述上位机上运行LabVIEW虚拟仪器平台，所述数据采集电路还与位移传感器相连。

作为本发明的另一种优选方案，所述数据采集电路采用NI公司系列USB6356同步数据采集卡。

作为本发明的另一种优选方案，所述电弧数据测量电路包括LEMLF310-S电流传感器及LEMLV25-400电压传感器。

作为本发明的另一种优选方案，所述信号调理电路包括电压调理单元及电流调理单元；所述电压调理单元与电压传感器相连，所述电流调理单元与电流传感器相连；所述电压调理单元采用AD620仪表放大器作为主芯片，所述信号调理电路采用双极性运算放大器OP07CS。

与现有技术相比本发明有益效果。

本发明所述石英玻璃壁便于高速摄像。

本发明所述密封硅脂密封可增加密封性、减慢橡胶垫老化。

本发明所述触头簧座采用绝缘材质，使动轴与动触头隔离。

本发明所述永磁块调整座与静触头之间的距离可调节，以达到调整磁场大小的目的。

本发明桥式直流接触器参数模拟平台实现了桥式直流接触器实验过程中灭弧介质及触头可更换、操动机构连续可控、开断速度可调、电弧形状易于观测、数据连续采集、存储、传输、分析等问题，为电弧理论研究过程中计算结果及分析的校验及桥式直流接触器的设计研究提供了可靠有效且操作方便的小型化实验装置。可以满足电弧实验所需要的各种试验条件,试验效率高、结果精确。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明桥式直流接触器参数模拟平台结构示意图。

图2是本发明灭弧室单元结构示意图。

图3是本发明气动驱动单元结构示意图。

图4是本发明控制系统原理框图。

图5是本发明电磁换向阀控制电路图。

图6是本发明电压调理单元电路图。

图7是本发明电流调理单元电路图。

图中，1为机械结构、2为灭弧室单元、3为气动驱动单元、4为控制系统、5为前端盖、6为充气口、7为出气口、8为接线柱、9为石英玻璃外壁、10为静触头、11为永磁块调整座、12为动触头、13为固定杆、14为触头簧、15为触头簧座、16为定位销、17为动触头轴、18为后端盖、19为双向密封圈、20为动力平衡板、21为气缸轴、22为限位板、23为后端板、24为分闸进气嘴、25为合闸进气嘴、26为气缸、27为分闸分流头、28为合闸分流头、29为位移传感器、30为传感器安装座、31为分闸气路、32为合闸气路、33为分闸限流阀、34为合闸限流阀、35为电磁换向阀、36为进气口、37为底座。

具体实施方式

如图1-7所示，本发明包括灭弧室单元及气动驱动单元（本申请的机械结构）；所述灭弧室单元包括灭弧室本体、位于灭弧室本体内的静触头及动触头组件；所述灭弧室单元与气动驱动单元相连，该气动驱动单元驱动动触头组件实现与静触头的分闸或合闸；所述灭弧室单元及气动驱动单元均与一控制系统相连。

优选地，所述灭弧室单元及气动驱动单元均设置于一底座上、与底座可拆卸式连接。

优选地，所述灭弧室本体包括由前端盖、后端盖及位于前后端盖之间的石英玻璃外壁共同构成密闭可视的灭弧气腔；所述前端盖上设置有用于充入不同气体不同压强的充气口、用于排气和抽真空的出气口及静触头座；该静触头座与前端盖外侧的接线柱相连，该静触头座与前端盖内壁通过法兰可拆卸式连接；所述灭弧气腔内设置有静触头及动触头组件；所述静触头与静触头座可拆卸式连接；所述动触头组件由动触头、触头簧及绝缘的触头簧座组成；所述触头簧座底部连接有一动触头轴，该动触头轴的另一端穿过后端盖，动触头轴与后端盖间以双向密封圈密封；所述静触头与动触头接触面的一侧安装有永磁块调整座；所述永磁块调整座与静触头之间的距离可调节。

优选地，一固定杆依次穿过前端盖及后端盖，将石英玻璃外壁夹紧固定于前端盖、后端盖之间，所述固定杆伸出前端盖及后端盖的位置各设有一螺纹段，螺纹段适配有螺母，所述螺母压紧前端盖、后端盖；对前端盖、后端盖对中间的石英玻璃外壁加以固定，所述前端盖与石英玻璃外壁的端部之间及后端盖与石英玻璃外壁之间均设置有硅橡胶垫并以密封硅脂密封。

优选地，所述永磁块调整座的底部设置有槽型通孔，后端盖内壁上、与槽型通孔相对的位置设置有螺纹孔，一螺栓穿过槽型通孔与螺纹孔螺纹相连，所述永磁块调整座通过螺栓、螺纹孔与后端盖内壁相连；在所述螺栓松开时通过槽形通孔沿灭弧室径向移动，永磁块调整座于静触头之间的距离可调；调节永磁块调整座需拆开灭弧室。

优选地，所述法兰与前端盖之间设置有用于密封的密封圈，所述接线柱与前端盖过盈配合。形成二重密封。

优选地，所述动触头通过定位销固定于触头簧座。

优选地，所述气动驱动单元包括由左至右依次设置的动力平衡板、限位板及用于固定操作机构的后端板；所述固定杆穿出后盖板的一端穿过限位板及后端板，所述固定杆上设置有一外螺纹段，所述限位板位于该外螺纹段，与该螺纹段活动连接，以与外螺纹段适配的螺母对限位板两侧夹紧固定，调节螺母，所述限位板沿固定杆的位置可调；所述后端板与固定杆可拆卸式连接。

所述动力平衡板设置于后端盖与限位板之间，所述后端板上设置有操作机构；所述操作机构包括四个气缸，所述气缸可拆卸式连接于所述后盖板上，气缸的气缸轴依次穿过后盖板、限位板及动力平衡板，四个气缸轴的其中两个上下对称分布于动力平衡板，另外两个左右对称分布于动力平衡板；所述气缸轴与动力平衡板固定相连。

所述动触头轴穿过后端盖的一端依次穿过动力平衡板、限位板及后端板后通过一联轴器与一位移传感器的轴相连，该动触头与动力平衡板固定连接。位移传感器型号：捷生WDC-L50-C，R1K欧，精度0.1%。所述位移传感器安装于一传感器安装座上。

所述每个气缸均设置有两个进气嘴：分闸进气嘴、合闸进气嘴；所述各分闸进气嘴经分闸分流头后通过分闸气路与分闸限流阀相连，所述各合闸进气嘴经合闸分流头后通过合闸气路与合闸限流阀相连；所述分闸限流阀、合闸限流阀与一电磁换向阀相连，该电磁换向阀与进气口相连。

优选地，所述控制系统包括微控制器、电磁换向阀控制电路、上位机、数据采集电路、信号调理电路及电弧数据测量电路；所述上位机分别与微控制器及数据采集电路相连，所述微控制器与电磁换向阀控制电路相连，所述数据采集电路与信号调理电路相连，所述信号调理电路与电弧数据测量电路相连；所述电弧数据测量电路与接线柱相连；所述上位机上运行LabVIEW虚拟仪器平台，所述数据采集电路还与位移传感器相连。

优选地，所述数据采集电路采用NI公司系列USB6356同步数据采集卡。

优选地，所述电弧数据测量电路包括LEMLF310-S电流传感器及LEMLV25-400电压传感器。

优选地，所述信号调理电路包括电压调理单元及电流调理单元；所述电压调理单元与电压传感器相连，所述电流调理单元与电流传感器相连；所述电压调理单元采用AD620仪表放大器作为主芯片，所述信号调理电路采用双极性运算放大器OP07CS。

电弧数据测量电路将测得数据传送至信号调理电路，信号调理电路将调理过的数据传送至数据采集电路, 数据采集电路将数据传送给LabVIEW虚拟仪器平台（上位机）进行数据存储、传输、分析等处理，整个过程实现自动控制并可在实验过程中连续采集、存储、传输、分析桥式直流接触器参数模拟平台实验数据。

如图5所示，所述电磁换向阀控制电路：通过微处理器控制三极管Q9的通断来控制继电器K3线圈吸合，从而控制电磁换向阀的开断。当微处理器发出高电平信号时三极管Q9导通，继而继电器K3线圈得电，使继电器触点闭合，当微处理器发出低电平信号，使三极管Q9截止，继电器K3线圈失电，通过D9续流二极管释放线圈的电感能量。

所述微处理器、LabVIEW虚拟仪器平台（上位机）：微处理器采用DSPIC30F6014A芯片，通过对其编辑控制指令及与LabVIEW虚拟仪器平台（上位机）的通讯协议，使用户可在LabVIEW虚拟仪器平台（上位机）界面实现对电磁换向阀的控制，其中LabVIEW虚拟仪器平台（上位机）可以将采集来的电弧数据进行显示、分析和存储。且位移传感器在运动过程中可以测量需要分析的相关参数，传感器的信号线与数据采集卡相连，通过LabVIEW虚拟仪器平台对开合过程操作机构的动作实现自动控制并可在实验过程中连续采集、存储、传输、分析样机实验数据。

所述数据采集电路：采用NI公司系列USB6356同步数据采集卡，该数据采集卡具有16位分辨率，最大采样率每通道高达1.25M/s，可以非常准确的对电弧信号进行采集。

所述信号调理电路和电弧数据测量电路：电弧数据采集电路通过LEMLF310-S电流传感器和LEMLV25-400电压传感器进行测量；如图6所示，信号调理电路的电压调理应用AD620仪表放大器，VIN2P端连接电压互感测量端，VIN2N接电源地，流过VIN2P和VIN2N的电流经过电阻R15转换为电压信号，当流入VIN2P和VIN2N电流过大时，D3、D4被击穿，保护调理电路。输入端使用BLM21AG102SN磁珠用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，同时具有吸收静电脉冲的能力。通过连接电容C14、C16构成频率为50kHZ低通滤波电路。Vset设置为2.5V，调节AD620的增益电阻RPot，经过AD620放大电路放大两倍后，可将偏置电压设置为5V。调理后的信号经过R27进入数据采集电路中，R27起限流作用。C22、C28、R23及C18、C24、R25起到对电源滤波和保护的作用。如图7所示，信号调理电路的电流调理使用低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器OP07CS，对电流互感器的电流信号进行处理，电路为反相差分输入，并具备低通滤波功能，可以减少高频信号的干扰。偏置电压Vset为2.5V，从同向端输入，经过运放电路放大，在电流为0使使输出端保持在5V，可使电压始终位于正半轴上，便于采集电路中采集卡的处理。R3、R4将互感器电流转化为电压信号，C2起到滤波的作用。当流入CTIN2电流过大时，D2被击穿，保护放大电路。通过连接电容C4构成频率为50kHZ低通滤波电路。C8、C12、R11及C13、C14、R12起到对电源滤波和保护的作用。R14为增益电阻，使电路放大倍数为2。

所述气缸的工作流程：电磁阀为三位五通换向阀，在电磁阀非动作情况下，电磁阀经管路和分闸分流头给四个气缸的分闸进气口同时供压，灭弧室处于分闸状态。电磁阀动作状态下，电磁阀通过管路和合闸分流头向气缸合闸进气口供压，同时停止向气缸分闸进气口供压，气缸轴推出，系统合闸，此过程可通过合闸限流阀调速。当电磁阀动作停止，电磁阀停止向气缸合闸进气口供压，同时电磁阀向气缸分闸进气口供压，气缸轴缩回，系统分闸，恢复分闸状态，此过程可通过分闸限流阀调速。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.桥式直流接触器参数模拟平台，包括灭弧室单元及气动驱动单元；所述灭弧室单元包括灭弧室本体、位于灭弧室本体内的静触头及动触头组件；其特征在于，所述灭弧室单元与气动驱动单元相连，该气动驱动单元驱动动触头组件实现与静触头的分闸或合闸；所述灭弧室单元及气动驱动单元均与一控制系统相连。

2.根据权利要求1所述的桥式直流接触器参数模拟平台，其特征在于：所述灭弧室单元及气动驱动单元均设置于一底座上、与底座可拆卸式连接。

3.根据权利要求1所述的桥式直流接触器参数模拟平台，其特征在于：所述灭弧室本体包括由前端盖、后端盖及位于前后端盖之间的石英玻璃外壁共同构成密闭可视的灭弧气腔；所述前端盖上设置有用于充入不同气体不同压强的充气口、用于排气和抽真空的出气口及静触头座；该静触头座与前端盖外侧的接线柱相连，该静触头座与前端盖内壁通过法兰可拆卸式连接；所述灭弧气腔内设置有静触头及动触头组件；所述静触头与静触头座可拆卸式连接；所述动触头组件由动触头、触头簧及绝缘的触头簧座组成；所述触头簧座底部连接有一动触头轴，该动触头轴的另一端穿过后端盖，动触头轴与后端盖间以双向密封圈密封；所述静触头与动触头接触面的一侧安装有永磁块调整座；所述永磁块调整座与静触头之间的距离可调节。

4.根据权利要求3所述的桥式直流接触器参数模拟平台，其特征在于：一固定杆依次穿过前端盖及后端盖，将石英玻璃外壁夹紧固定于前端盖、后端盖之间，所述固定杆伸出前端盖及后端盖的位置各设有一螺纹段，螺纹段适配有螺母，所述螺母压紧前端盖、后端盖；对前端盖、后端盖对中间的石英玻璃外壁加以固定，所述前端盖与石英玻璃外壁的端部之间及后端盖与石英玻璃外壁之间均设置有硅橡胶垫并以密封硅脂密封。

5.根据权利要求4所述的桥式直流接触器参数模拟平台，其特征在于：所述永磁块调整座的底部设置有槽型通孔，后端盖内壁上、与槽型通孔相对的位置设置有螺纹孔，一螺栓穿过槽型通孔与螺纹孔螺纹相连，所述永磁块调整座通过螺栓、螺纹孔与后端盖内壁相连；在所述螺栓松开时通过槽形通孔沿灭弧室径向移动，永磁块调整座于静触头之间的距离可调；调节永磁块调整座需拆开灭弧室。

6.根据权利要求4所述的桥式直流接触器参数模拟平台，其特征在于：所述法兰与前端盖之间设置有用于密封的密封圈，所述接线柱与前端盖过盈配合。

7.根据权利要求4所述的桥式直流接触器参数模拟平台，其特征在于：所述动触头通过定位销固定于触头簧座。

8.根据权利要求5所述的桥式直流接触器参数模拟平台，其特征在于：所述气动驱动单元包括由左至右依次设置的动力平衡板、限位板及用于固定操作机构的后端板；所述固定杆穿出后盖板的一端穿过限位板及后端板，所述固定杆上设置有一外螺纹段，所述限位板位于该外螺纹段，与该螺纹段活动连接，以与外螺纹段适配的螺母对限位板两侧夹紧固定，调节螺母，所述限位板沿固定杆的位置可调；所述后端板与固定杆可拆卸式连接；通过调节限位板，可调节开距和超程；

所述动力平衡板设置于后端盖与限位板之间，所述后端板上设置有操作机构；所述操作机构包括四个气缸，所述气缸可拆卸式连接于所述后端板上，气缸的气缸轴依次穿过后盖板、限位板及动力平衡板，四个气缸轴的其中两个上下对称分布于动力平衡板，另外两个左右对称分布于动力平衡板；所述气缸轴与动力平衡板固定相连；

所述动触头轴穿过后端盖的一端依次穿过动力平衡板、限位板及后端板后通过一联轴器与一位移传感器的轴相连，该动触头与动力平衡板固定连接；

所述每个气缸均设置有两个进气嘴：分闸进气嘴、合闸进气嘴；所述各分闸进气嘴经分闸分流头后通过分闸气路与分闸限流阀相连，所述各合闸进气嘴经合闸分流头后通过合闸气路与合闸限流阀相连；所述分闸限流阀、合闸限流阀与一电磁换向阀相连，该电磁换向阀与进气口相连。

9.根据权利要求5所述的桥式直流接触器参数模拟平台，其特征在于：所述控制系统包括微控制器、电磁换向阀控制电路、上位机、数据采集电路、信号调理电路及电弧数据测量电路；所述上位机分别与微控制器及数据采集电路相连，所述微控制器与电磁换向阀控制电路相连，所述数据采集电路与信号调理电路相连，所述信号调理电路与电弧数据测量电路相连；所述电弧数据测量电路与接线柱相连；所述上位机上运行LabVIEW虚拟仪器平台，所述数据采集电路还与位移传感器相连。

10.根据权利要求9所述的桥式直流接触器参数模拟平台，其特征在于：所述数据采集电路采用NI公司系列USB6356同步数据采集卡；所述电弧数据测量电路包括LEMLF310-S电流传感器及LEMLV25-400电压传感器；所述信号调理电路包括电压调理单元及电流调理单元；所述电压调理单元与电压传感器相连，所述电流调理单元与电流传感器相连；所述电压调理单元采用AD620仪表放大器作为主芯片，所述信号调理电路采用双极性运算放大器OP07CS。