专利名称：一种测试电触头材料电侵蚀性的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种研究电触头材料电侵蚀性能的测试装置，属于机电一体 化设备领域。
背景技术：
尽管目前半导体器件在电气工业领域获得了越来越广泛的应用，但是在 变配电领域，有触点电器依然占据主导地位。和半导体器件相比，有触点电 器具有价格低廉，接触电阻小、绝缘性能好、抗过载能力强、动作直观可靠 和抗干扰性能好的特点。但是由于在接通和分断操作过程中所伴随的电弧过 程对有触点电器电触头材料的电侵蚀作用，有触点电器的电寿命和电力半导 体器件相差甚远。提高有触点电器中电触头材料的耐电弧侵蚀能力和降低电 触头材料的电侵蚀速率是提高有触点电器使用寿命和可靠性的关键因素之 一。目前对不同电器产品中电触头材料电侵蚀速率的研究还主要停留在经验 和反复试验的基础上。在新产品设计时首先是在已有产品的基础上进行改进， 然后将制造出的样机送到检测站进行检测，根据检测结果再对样机进行调整。 如此经过几个反复，最终得到经过优化的机械结构、动作特性与使用的电触 头材料之间的优化配合。这种研究方式，经验的积累和研究人员的判断很重 要，不但设计周期很长而且费用极高。
国内外的多个研究机构都设计和制造了有自己特色的研究电触头材料电 侵蚀性能的专用实验设备。其中由西安交通大学电气工程学院荣命哲教授课 题组(刘定新，李艳培，荣命哲，王小华，邹洪超.触点电接触性能测试装置的
研制.贵金属.2005, 26(4): 44-47;荣命哲,李艳培,刘定新，王小华.新型触点电 接触性能测试系统的研制.电工材料.2005(1): 17-21)设计制造的触点电接触 性能测试系统是这种设备的代表性产品。该测试系统具有较高的先进程度， 采用电磁激振器作为电触头对的动作执行机构，和常用的凸轮机械式和电磁 铁推动的实验设备相比，这种操作方案可以灵活地设置电触头对接触过程的 行程曲线，具有很强的通用性。但该系统不能检测电触头对的位移响应曲线，
无法实现对电触头对接通和分断操作与电源位相关系的同步之间的控制。
发明内容
本发明为解决现有对电触头材料电侵蚀速率的测试方法中存在的不能检 测电触头对的位移，不具有电触头对接通和分断动作与电源位相关系的同步 控制功能的问题，提供一种测试电触头材料电侵蚀性的装置。本发明包含电
触头机械运动操作测试装置l、低电压恒流电源3、交流电源4、上位机5和 可控硅开关7，可控硅开关7的阳极与交流电源4的第一电源端连接，可控硅 开关7的阴极与电触头机械运动操作测试装置1的第一电源端连接，交流电 源4的第二电源端与电触头机械运动操作测试装置1的第二电源端连接，可 控硅开关7的控制信号输入端与数据采集卡6的控制信号输出端连接，低电 压恒流电源3的正极端与电触头机械运动操作测试装置1的第一电源端连接， 低电压恒流电源3的负极端与电触头机械运动操作测试装置1的第二电源端 连接，电触头机械运动操作测试装置1的第一电源端与上位机5的数据采集 卡6的第一电压信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置1的第二电 源端与上位机5的数据采集卡6的第二电压信号输入端连接，电流传感器15 设置在电触头机械运动操作测试装置1的第一电源端和第二电源端之间的电 路上，电流传感器15的电流信号输出端与数据采集卡6的电流信号输入端连 接，电触头机械运动操作测试装置1的熔焊力信号输出端与数据采集卡6的 熔焊力信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置1的位移信号输出端 与数据采集卡6的位移信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置1的 电磁激振器控制信号输入端与数据采集卡6的电磁激振器控制信号输出端连 接。
本发明的有益效果是在电磁激振器操作机构的基础上增加了对测试电 触头的位移检测电路，形成闭环控制，可以检测电触头在电侵蚀性能检测过 程中的位移特性；增加了电触头接通和分断动作与电源位相关系的同步控制， 可以避免在电触头接通和分断过程中由于电源电路相位的变化造成的电触头 材料电侵蚀性能测试结果的离散；通过本发明还可在研究电压、电流强度、 电路的功率因数、电触头接通和分断的速度、电触头接通和分断过程中电源 的相位角等因素发生的变化对电触头材料电侵蚀过程的影响，再结合对电触
头材料在电侵蚀过程中发生的组织结构变化和化学成份变化过程的分析方法 的综合运用，为逐步深入研究电触头材料的电侵蚀机理提供了设备和方法手 段。
图1是本发明的电路结构示意图2是电触头机械运动操作测试装置1 的结构示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一参见图l、图2，本实施方式由电触头机械运动操作测 试装置l、低电压恒流电源3、交流电源4、上位机5和可控硅开关7组成， 可控硅开关7的阳极与交流电源4的第一电源端连接，可控硅开关7的阴极 与电触头机械运动操作测试装置1的第一电源端连接，交流电源4的第二电 源端与电触头机械运动操作测试装置1的第二电源端连接，可控硅开关7的 控制信号输入端与数据采集卡6的控制信号输出端连接，低电压恒流电源3 的正极端与电触头机械运动操作测试装置1的第一电源端连接，低电压恒流 电源3的负极端与电触头机械运动操作测试装置1的第二电源端连接，电触 头机械运动操作测试装置1的第一电源端与上位机5的数据采集卡6的第一 电压信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置1的第二电源端与上位 机5的数据采集卡6的第二电压信号输入端连接，电流传感器15设置在电触 头机械运动操作测试装置1的第一电源端和第二电源端之间的电路上，电流 传感器15的电流信号输出端与数据采集卡6的电流信号输入端连接，电触头 机械运动操作测试装置1的熔焊力信号输出端与数据采集卡6的熔焊力信号 输入端连接，电触头机械运动操作测试装置1的位移信号输出端与数据采集 卡6的位移信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置1的电磁激振器 控制信号输入端与数据采集卡6的电磁激振器控制信号输出端连接。交流电 源4可采用工业交流电源；数据采集卡6可采用PCI 14512E/500K-12bit-4CH 型数据采集卡。
工作原理接通交流电源4和可控硅开关7后电路只在电触头机械运动 操作测试装置1的两个电触头之间形成断路，在两个电触头接触过程中测量 得到的交流电源4的位相关系条件和两个电触头闭合过程的运动特性曲线在给定的相位角闭合电路，同时测量两个电触头的行程变化曲线以及两个电触 头之间的电压电流波形曲线，计算出接通过程中的电弧功率；当两个电触头 稳定闭合后，断开交流电源4并接通低电压恒流电源3，根据测得的电压降和 电流值计算出接通状态下的接触电阻；再将低电压恒流电源3断开并接通交 流电源4，控制两个电触头在特定的相位角分断，在分断过程中同时测量两个 电触头的行程变化过程、两个电触头之间的熔焊力大小以及电弧过程的电流 和电压波形，计算出分断过程中电触头对之间的电弧过程的功率变化和电弧 过程的总能量的大小。
具体实施方式
二参见图1，本实施方式在具体实施方式
一的基础上增加 了电容器组2，电容器组2的第一电源端与可控硅开关7的阳极连接，电容器 组2的第二电源端与电触头机械运动操作测试装置1的第二电源端连接。当 交流电源4采用普通的交流电系统时，具有简单直接、电源的波形条件好、 对电压进行调节方便的优点；缺点是在一般条件下的实验室的电气容量有限、 其实验电流水平多小于100A、而且频繁的接通与分断操作会对电路中的其它 电气设备尤其是电子仪器和计算机设备产生严重的干扰、影响其使用寿命、 测量精度或导致误操作；电容器组2可实现在不提高负载水平的条件下进行 大电流实验，通过电容器组2预先贮能，然后再将贮存的能量统一释放出来， 通过这种方法，对低压电接触设备的进行电弧侵蚀性能检测的能力可以很方 便的达到较高的水平。首先根据测试过程中的电流大小计算出需要并联接入 的电容器组的容量，然后对接入的电容器分别进行充电，将充电后的电容器 并联，然后闭合电容器组2的控制开关，在两个电触头闭合时电容器组2放 电，同时记录电触头两端的电压波形、电触头之间流过的电流的波形、计算 出接通过程中电弧的功率和能量、测量和记录动触头闭合过程中的运动过程 的行程曲线；然后断开电容器组2的控制开关，并接通低电压恒流电源3，测 量两个电触头之间的接触电阻，同时对放电后的电容器组2充电；充电过程 结束后断开低电压恒流电源3，闭合电容器组2的控制开关，当电容器组2的 放电过程到达预定的相位角时控制两个电触头断开，同时测量和记录两个电 触头断开过程中的运动过程的行程曲线，并同时测量两个电触头之间的熔焊 力、电压和电流波形、计算出分断电弧的功率和能量。
具体实施方式
三参见图2，本实施方式与具体实施方式
一或二的不同之 处在于电触头机械运动操作测试装置1包含静触头底座8-1、动触头底座8-2、 测力装置9、静触头IO、动触头ll、电磁激振器20、顶杆20-l、倒T型传动 杆20-2、矩形框20-3和位移测量传感器23，测力装置9设置在电触头机械运 动操作测试装置外壳体1-1的内侧壁的上端面上，测力装置9的熔焊力信号输 出端与数据采集卡6的熔焊力信号输入端连接，静触头底座8-1设置在测力装 置9下端面上，静触头10设置在静触头底座8-1上，静触头10的电源端与电 触头机械运动操作测试装置1的一个电压信号输入端连接，电磁激振器20设 置在电触头机械运动操作测试装置外壳体1-1的内侧壁的下端面上，电磁激振 器20的控制信号端与数据采集卡6的控制信号输入端连接，顶杆20-1的下端 设置在电磁激振器20的力矩输出端上，矩形框20-3设置在顶杆20-1的上端 面上，倒T型传动杆20-2的下端设置在矩形框20-3的内部，倒T型传动杆 20-2的上端从矩形框20-3上端的通孔穿过并与动触头底座8-2的下端固定连 接，动触头11设置在动触头底座8-2上，动触头11的电源端与电触头机械运 动操作测试装置1的另一个电压信号端连接，位移测量传感器23的测量端设 置在动触头底座8-2上，以测量动触头11的位移变化，位移测量传感器23 的位移信号输出端与数据采集卡6的位移信号输入端连接。测力装置9可采 用ICP 209C11微型石英力传感器；电磁激振器20可采用HEV-20型20N高 能激振器；位移测量传感器23可采用LC-2450型非接触式激光位移传感器。
具体实施方式
四参见图2，本实施方式与具体实施方式
三的不同之处在 于静触头IO通过静触头夹持螺钉12-1与静触头底座8-1活动铆接，动触头11 通过动触头夹持螺钉12-2与动触头底座8-2活动铆接。静触头10和动触头11 分别采用静触头夹持螺钉12-1和动触头夹持螺钉12-2以活动铆接方式进行安 装的，因而在测试的过程中可以很方便地按照设定的操作次数将静触头10和 动触头11卸下称重，计算出电侵蚀过程中静触头IO和动触头11的重量损失 速率。
具体实施方式
五参见图2，本实施方式在具体实施方式
三的基础上增加 了动触头配重19，动触头配重19设置在动触头11和动触头底座8-2之间。 动触头配重19是根据所模拟的实际电器产品中动触头运动机构的重量进行选 择的，目的是弥补由于实验设备运动机构对连接结构的统一设计所带来的运 动部件的重量的差异。这种重量上的差异将会影响到电触头接触过程中发生 的弹跳现象，而弹跳过程的特性是和电触头材料的电弧侵蚀过程直接相关的。 为了降低接触过程中的冲击，提高运动部件的运动速度，实际电器中的动触 头机构的重量一般不会太大，当然大电流产品的动触头部件的重量会是小电 流产品的数倍到数十倍，这种差异就需要通过在模拟设备中添加动触头配重 来弥补。
具体实施方式
六参见图2，本实施方式在具体实施方式
三的基础上增加 了分离弹簧21和闭合弹簧22，分离弹簧21套接在倒T型传动杆20-2位于矩 形框20-3内的部分上，闭合弹簧22套接在倒T型传动杆20-2位于矩形框20-3 和动触头底座8-2之间的部分上。电磁激振器20推动闭合弹簧22使动触头 11上升，静触头IO和动触头11闭合后电磁激振器的顶杆20-l还将继续推进 一段距离以模拟实际开关电器闭合过程中的运动超程。动触头11在实际闭合 过程中的位移变化将通过位移传感器23进行实时测量，在测试设备中通过电 磁激振器20对动触头11运动过程中行程曲线的控制和位移传感器实际检测 到的行程数据之间的调节形成的闭环的控制系统，可以补偿在动触头11运动 系统中使用的弹簧柔性推动过程在控制信号与执行结果之间造成的延迟，实 现静触头IO和动触头11的接通与分断过程与电路相位角之间的同步。对在 检测过程中分离弹簧21和闭合弹簧22的倔强系数和预加载荷的大小都将根 据实际电器中的参数进行调节。
权利要求
1、一种测试电触头材料电侵蚀性的装置，其特征在于它包含电触头机械运动操作测试装置(1)、低电压恒流电源(3)、交流电源(4)、上位机(5)和可控硅开关(7)，可控硅开关(7)的阳极与交流电源(4)的第一电源端连接，可控硅开关(7)的阴极与电触头机械运动操作测试装置(1)的第一电源端连接，交流电源(4)的第二电源端与电触头机械运动操作测试装置(1)的第二电源端连接，可控硅开关(7)的控制信号输入端与数据采集卡(6)的控制信号输出端连接，低电压恒流电源(3)的正极端与电触头机械运动操作测试装置(1)的第一电源端连接，低电压恒流电源(3)的负极端与电触头机械运动操作测试装置(1)的第二电源端连接，电触头机械运动操作测试装置(1)的第一电源端与上位机(5)的数据采集卡(6)的第一电压信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置(1)的第二电源端与上位机(5)的数据采集卡(6)的第二电压信号输入端连接，电流传感器(15)设置在电触头机械运动操作测试装置(1)的第一电源端和第二电源端之间的电路上，电流传感器(15)的电流信号输出端与数据采集卡(6)的电流信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置(1)的熔焊力信号输出端与数据采集卡(6)的熔焊力信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置(1)的位移信号输出端与数据采集卡(6)的位移信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置(1)的电磁激振器控制信号输入端与数据采集卡(6)的电磁激振器控制信号输出端连接。
2、 根据权利要求1所述的一种测试电触头材料电侵蚀性的装置，其特征 在于它增加了电容器组(2)，电容器组(2)的第一电源端与可控硅开关(7)的阳极 连接，电容器组(2)的第二电源端与电触头机械运动操作测试装置(1)的第二电 源端连接。
3、 根据权利要求1或2所述的一种测试电触头材料电侵蚀性的装置，其 特征在于电触头机械运动操作测试装置(1)包含静触头底座(8-1)、动触头底座 (8-2)、测力装置(9)、静触头(IO)、动触头(ll)、电磁激振器(20)、顶杆(20画1)、 倒T型传动杆(20-2)、矩形框(20-3)和位移测量传感器(23)，测力装置(9)设置 在电触头机械运动操作测试装置外壳体(1-1)的内侧壁的上端面上，测力装置(9) 的熔焊力信号输出端与数据采集卡(6)的熔焊力信号输入端连接，静触头底座(8-l)设置在测力装置(9)下端面上，静触头(10)设置在静触头底座(8-1)上，静触 头(10)的电源端与电触头机械运动操作测试装置(1)的一个电压信号输入端连 接，电磁激振器(20)设置在电触头机械运动操作测试装置外壳体(1-1)的内侧壁 的下端面上，电磁激振器(20)的力矩控制信号端与数据采集卡(6)的力矩控制信 号输入端连接，顶杆(20-l)的下端设置在电磁激振器(20)的力矩输出端上，矩 形銜20-3)设置在顶杆(20-1)的上端面上，倒T型传动杆(20-2)的下端设置在矩 形框(20-3)的内部，倒T型传动杆(20-2)的上端从矩形框(20-3)上端的通孔穿过 并与动触头底座(8-2)的下端固定连接，动触头(ll)设置在动触头底座(8-2)上， 动触头(ll)的电源端与电触头机械运动操作测试装置(l)的另一个电压信号端 连接，位移测量传感器(23)的测量端设置在动触头底座(8-2)上，以测量动触头 (ll)的位移变化，位移测量传感器(23)的位移信号输出端与数据采集卡(6)的位移信号输入端连接。
4、 根据权利要求3所述的一种测试电触头材料电侵蚀性的装置，其特征 在于静触头(10)通过静触头夹持螺钉(12-1)与静触头底座(8-1)活动铆接，动触 头(ll)通过动触头夹持螺钉(12-2)与动触头底座(8-2)活动铆接。
5、 根据权利要求3所述的一种测试电触头材料电侵蚀性的装置，其特征 在于电触头机械运动操作测试装置(1)增加了动触头配重(19)，动触头配重(19) 设置在动触头(ll)和动触头底座(8-2)之间。
6、 根据权利要求3所述的一种测试电触头材料电侵蚀性的装置，其特征 在于电触头机械运动操作测试装置(1)增加了分离弹簧(21)和闭合弹簧(22)，分 离弹簧(21)套接在倒T型传动杆(20-2)位于矩形框(20-3)内的部分上，闭合弹簧 (22)套接在倒T型传动杆(20-2)位于矩形框(20-3)和动触头底座(8-2)之间的部 分上。
全文摘要
一种测试电触头材料电侵蚀性的装置，它涉及一种研究电触头材料电侵蚀性能的测试设备。本发明包括电源、电气负载、控制电路、电触头动作执行机构和监测系统以及电弧过程的控制与测量系统。该测试设备可以方便地调整测试电路的电气参数和被检测的电触头对的动作参数，解决了现有电触头材料电侵蚀测试装置中存在的不能检测和控制电触头对的位移，不能实现电触头对接通和分断动作与电源位相关系的同步控制的问题。通过对检测过程中的电触头对的位移过程的精确控制和对电触头对接通和分断过程所对应的电源的位相角条件的严格限制，避免了电触头材料电侵蚀性能测试结果的离散性，为电触头材料电侵蚀机理的研究提供了设备手段和试验依据。
文档编号G01N33/00GK101196506SQ200710144988
公开日2008年6月11日 申请日期2007年12月29日 优先权日2007年12月29日
发明者崔玉胜, 丽 杨, 良 甄, 邵文柱 申请人:哈尔滨工业大学