一种交流开关器件的极限工况测试系统的制作方法

1.本发明属于工业测试设备技术领域，涉及一种交流开关器件的极限工况测试系统。


背景技术：

2.交流电气开关，如交流继电器、交流接触器、交流断路器等开关器件，广泛应用于各个工业领域，传统的交流电气开关的测试测试方法是用电网直接提供交流测试环境，通过电网专线的方式直接取电，再加上交流调压器和阻感类负载进行测试，并且测试中采用开关、熔断器实现带电情况下的硬关断。
3.对于交流继电器、交流接触器、交流断路器等开关器件，通常会测试被测开关器件触点分断的灭弧能力、在故障电流下的接通测试性能、以及短路电流下的耐受能力等项目，考验其在极限工况下的产品性能和可靠程度。特别是故障电流和短路耐受电流，最大会达到10ka以上，需要短时间产生较大的能量，且因可能发生的产品失效等问题具有很高的测试风险。iec 62055-31electricity metering
–
payment systems
–
part 31:particular requirements
–
static payment meters for active energy(classes1and 2)标准也对此有明确的技术要求。
4.传统的测试方法的缺点：1)对于电网要求较高，需要电网能够短时间提供较大能量，测试过程中对于整个电网冲击较大；2)成本较高，通常采用电网专线的方案，经济成本太大；3)对于测试过程中的相位角控制精度不足，往往通过多次重复测试方式才能实现所需测试的要求；4)目前系统大多都是通过人工搭建方式，自动化程度较低，并且一般只有检测单位才能具备测试的电网条件。
5.经过检索，申请公布号为cn102636746a，申请公布日为2012年08月15日的中国发明专利申请《一种交直流小容量开关元件测试装置》公布的技术方案为最近的技术方案，但是该文献的目的是为了解决低压电器领域交直流小容量开关元件的测试设备的主电路和采样电路没有电气隔离、采用速率低的等问题，与本发明所要解决的技术问题完全不同。因此，现有技术中，还没有一种对电网无冲击、成本低、自动化程度和控制精度高的针对交流开关器件的极限工况测试系统。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于设计一种交流开关器件的极限工况测试系统，以解决的现有的测试系统对电网冲大、成本高、控制精度低的问题。
7.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
8.一种交流开关器件的极限工况测试系统，用于测试交流开关器件的电气寿命、接通故障电流以及承载短路电流；包括：双向直流电源(10)、超级电容c、dc/ac交流电源(11)、第一开关k1、第二开关k2、第一开关控制器(12)、第二开关控制器(13)、高精度阻感负载(14)、主控单元(15)；所述的双向直流电源(10)正向为整流单元、反向为逆变单元，其交流
侧接电网，直流侧接超级电容c；dc/ac交流电源(11)为逆变单元，其直流侧由超级电容c供电、交流侧的火线与第一开关k1的一端连接，第一开关k1的另一端与第二开关k2的一端连接，第二开关k2的另一端与高精度阻感负载(14)的一端连接，高精度阻感负载(14)的另一端接dc/ac交流电源(11)交流侧的零线；主控单元(15)产生pwm波分别用于控制整流单元以及逆变单元；主控单元(15)还产生控制信号control 1和control 2，分别送至第一开关控制器(12)以及第二开关控制器(13)，用于控制第一开关k1、第二开关k2的开通和关断。
9.本发明的技术方案利用超级电容c作为能量存储元件，双向直流电源(10)正向工作时给超级电容c充电，超级电容c为dc/ac交流电源(11)提供直流侧电源进行逆变，模拟电网的电源特性，通过主控单元(15)控制第一开关k1、第二开关k2的开通和关断，对交流开关器件的电气寿命、接通故障电流以及承载短路电流进行测试，极限工况测试过程中完全与电网断开，对电网无任何冲击，提供了安全、可靠的测试环境，满足了在低电网容量下的安全测试，无需电网专线，成本低，解决了测试环境的限制难题。
10.进一步地，进行电气寿命测试的方法如下：首先进行系统初始化，再设定电气寿命测试的参数；系统按照设定配置，完成双向直流电源(10)、dc/ac交流电源(11)、高精度阻感负载(14)的初始化配置和运行，同时闭合control1控制信号，检测回路电流是否有电流，如果有则判断系统出现故障，此时断开control1控制信号和pwm信号，如果没有，则闭合control 2控制信号；此时检测总回路电流是否达到电流阈值，如果没有则判断系统出现故障，此时断开control1控制信号和pwm信号，如果是则达到导通时间后，断开control 1控制信号；此时检测检测总回路电流是否为0，如果否则判断系统出现故障，此时断开control1控制信号和pwm信号，如果是则到达断开时间后，测试次数计 1；再比较测试次数是否达到设定的循环次数，如果是则测试结束，如果否，则返回闭合control 2控制信号继续执行。
11.进一步地，进行接通故障电流测试的方法如下：首先进行系统初始化，设定接通故障电流测试的参数；系统按照设定配置，完成超级电容c的充电，断开与电网侧连接，闭合control 1控制信号，同时dc/ac交流电源(11)按照设定的电压和频率输出，此时检测总回路电流是否有电流，若是，则判断系统故障，测试结束，并控制pwm信号和control 1分断dc/ac交流电源(11)和第一开关k1，若否，则在指定相位角下，闭合control 2控制信号，此时判断检测总回路电流是否达到电流阈值，若否，则判断系统故障，测试结束，并控制pwm信号和control 1分断dc/ac交流电源(11)和第一开关k1，若是，则计时开始，在达到持续工作时间后，利用控制control 1信号让第一开关k1在过零点关断；此时检测总回路电流是否为0，若否，则判断系统故障，测试结束，并控制pwm信号和control 1分断dc/ac交流电源(11)和第一开关k1，若是，则dc/ac交流电源(11)停机，分断control 2控制信号，测试结束。
12.进一步地，进行承载短路电流测试的方法如下：首先进行系统初始化，设定承载短路电流的测试参数；系统按照设定配置，完成超级电容c充电，断开与电网侧连接，闭合control 2信号，此时检测总回路电流是否有电流，如果有，则判断系统故障，测试结束，并断开control 1信号和pwm信号，如果没有，当检测到电压过零点时，闭合control 1控制信号；此时检测总回路电流是否达到电流阈值，如果否，则判断系统故障，测试结束，并断开control 1信号和pwm信号，如果是，则计时，达到持续时间后，断开control 1控制信号；此时检测总回路电流是否为0，如果否，则判断系统故障，测试结束，并断开control 1信号和pwm信号，如果是，则停止交流电源、被测件开关和负载的工作，测试结束。
13.进一步地，所述的交流开关器件包括：交流继电器、交流接触器、交流断路器。
14.进一步地，所述的逆变单元采用单相h桥式逆变电路。
15.进一步地，所述的第一开关控制器(12)以及第二开关控制器(13)采用光耦隔离继电器驱动电路，所述的光耦隔离继电器驱动电路包括：电阻r1、电阻r2、电阻r3、光耦u1、继电器jk、二极管d1、三极管q1；电阻r1的一端接电源，电阻r1的另一端接光耦u1的1#引脚，光耦u1的2#引脚接地，光耦u1的,4#引脚接电源，光耦u1的3#引脚与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端接三极管q1的基极，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极与继电器jk的线圈的一端连接，继电器jk的线圈的另一端接电源，二极管d1的阳极与三极管q1的集电极连接，二极管d1的阴极接电源，电阻r3连接在三极管q1的基极与发射极之间。
16.进一步地，所述的主控单元(15)产生的控制信号通过光耦u1隔离后输出，用于控制三极管q1的导通和关断，继而控制继电器jk的线圈的得电与失电，从而控制第一开关k1、第二开关k2的开通和关断。
17.进一步地，所述的光耦u1的型号为tlp521-1。
18.进一步地，所述的三极管q1的型号为s8050lt1。
19.本发明的优点在于：
20.(1)本发明的技术方案利用超级电容c作为能量存储元件，双向直流电源(10)正向工作时给超级电容c充电，超级电容c为dc/ac交流电源(11)提供直流侧电源进行逆变，模拟电网的电源特性，通过主控单元(15)控制第一开关k1、第二开关k2的开通和关断，对交流开关器件的电气寿命、接通故障电流以及承载短路电流进行测试，极限工况测试过程中完全与电网断开，对电网无任何冲击，提供了安全、可靠的测试环境，满足了在低电网容量下的安全测试，无需电网专线，成本低，解决了测试环境的限制难题；
21.(2)通过高精度dc/ac交流电源(11)模拟电网环境，利用其快速的动态响应能力，保证测试过程中，电压稳定性更高，电压控制精度、相位角控制精度等指标更加精准；
22.(3)通过电力电子控制技术，可以在器件失效情况下，实现微秒级能量切断，避免出现被试件着火等危险情况；
23.(4)测试平台安全可靠，可对于任意工况实现在实验室条件下的模拟测试，并且同一工况可以实现重复循环测试。
附图说明
24.图1是测试系统的电路原理图；
25.图2是dc/ac交流电源的电路原理图；
26.图3是第一、第二开关控制器的电路原理图；
27.图4是电气寿命测试方法流程图；
28.图5是电气寿命测试效果图；
29.图6是接通故障电流测试方法流程图；
30.图7是接通故障电流测试信号控制图；
31.图8是dc/ac交流电源控制逻辑图；
32.图9是接通故障测试效果图；
33.图10是承载短路电流测试方法流程图；
34.图11是承载短路电流效果图。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
37.实施例一
38.如图1所示，一种交流开关器件的极限工况测试系统，包括：双向直流电源10、超级电容c、dc/ac交流电源11、第一开关k1、第二开关k2(被测交流开关器件)、第一开关控制器12、第二开关控制器13、高精度阻感负载14、主控单元15；所述的双向直流电源10正向为整流单元、反向为逆变单元，其交流侧接电网，直流侧接超级电容c；双向直流电源10在系统开始测试前给超级电容c充电、在系统完成测试后给超级电容c放电；dc/ac交流电源11为逆变单元，其直流侧由超级电容c供电、交流侧的火线与第一开关k1的一端连接，第一开关k1的另一端与第二开关k2的一端连接，第二开关k2的另一端与高精度阻感负载14的一端连接，高精度阻感负载14的另一端接dc/ac交流电源11交流侧的零线；主控单元15产生pwm波分别用于控制整流单元以及逆变单元；主控单元15还产生控制信号，分别送至第一开关控制器12以及第二开关控制器13，用于控制第一开关k1、第二开关k2的开通和关断。
39.双向直流电源10用于给超级电容c测试前充电和测试后放电；dc/ac交流电源11为定制化设计，提供模拟电网的交流电压环境，同时具备突加减载情况的快速动态响应性能，满足被测件在各种工况环境测试下电压的稳定性要求；第一开关k1、第二开关k2、dc/ac交流电源11协同工作，用于配合实现各种逻辑控制；高精度阻感负载14用于满足被测件测试所需要的不同功率因数的负载要求，此处符合iec 62055-31标准要求。系统利用超级电容c配合定制的dc/ac交流电源11提供一个模拟交流电网的测试环境，实际测试中与电网完全隔离，在保证安全可靠的同时，解决了测试环境对于大容量电网的困扰。
40.如图2所示，所述的逆变单元采用单相h桥式逆变电路。
41.如图3所示，所述的第一开关控制器12以及第二开关控制器13采用光耦隔离继电器驱动电路，所述的光耦隔离继电器驱动电路包括：电阻r1、电阻r2、电阻r3、光耦u1、继电器jk、二极管d1、三极管q1；电阻r1的一端接dc5v电源，电阻r1的另一端接光耦u1的1#引脚，光耦u1的2#引脚接地，光耦u1的,4#引脚接dc12v电源，光耦u1的3#引脚与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端接三极管q1的基极，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极与继电器jk的线圈的一端连接，继电器jk的线圈的另一端接dc12v电源，二极管d1的阳极与三极管q1的集电极连接，二极管d1的阴极接dc12v电源，电阻r3连接在三极管q1的基极与发射极之间，光耦u1的型号为tlp521-1。三极管q1的型号为s8050lt1。主控单元15产生的控制信号通过光耦u1隔离后输出，用于控制三极管q1的导通和关断，继而控制继电器jk的线圈的得电与失电，从而控制第一开关k1、第二开关k2的开通和关断。
42.本发明的交流开关器件的极限工况测试系统设计有三种工作模式：
43.1、电气寿命测试
44.通过控制第二开关k2(被测交流开关器件)进行脉冲式通断，考验被测交流开关器件的使用寿命。
45.如图4所示，首先进行系统初始化，再设定电气寿命测试的参数，包括：电压、电流、导通时间、关断时间、循环次数等；系统按照设定配置，完成直流电源、交流电源、负载的初始化配置和运行，同时闭合control1控制信号，检测总回路电流是否有电流，如果有则判断系统出现故障，此时断开control1控制信号和pwm信号，如果没有，则闭合control 2控制信号；此时检测总回路电流是否达到电流阈值，如果没有则判断系统出现故障，此时断开control1控制信号和pwm信号，如果是则达到导通时间后，断开control 1控制信号；此时检测检测总回路电流是否为0，如果否则判断系统出现故障，此时断开control1控制信号和pwm信号，如果是则到达断开时间后，测试次数计 1；再比较测试次数是否达到设定的循环次数，如果是则测试结束，如果否，则返回闭合control 2控制信号继续执行。
46.图5是电气寿命测试效果图，主控单元15发出控制信号control1给第一开关控制器12，控制第一开关k1始终处于导通状态；主控单元15发出控制信号control2给第二开关控制器13，控制第二开关k2实现周期性通断。若测试过程中，第二开关k2出现熔焊等失效情况，主控单元15控制pwm信号和control1信号，立即断开第一开关k1并停止dc/ac交流电源11的运行。
47.2、接通故障电流测试
48.本发明通过dc/ac交流电源11、第一开关k1、被测交流开关器件配合实现控制逻辑如下所示：
49.交流开关器件的接通故障电流测试是验证在任意相位角接通规定功率因数下的故障电流，考验异常带载下的电气性能。此种工况下，被测交流开关器件承受带载吸合，不承受带载分断。由于考验被测交流开关器件在大电流下的吸合能力，因此在测试过程中，测试系统与电网会完全断开，整个测试对于电网无冲击。若测试过程中，被测交流开关器件出现熔断或熔焊等失效情况，系统控制control 1信号和pwm信号立即断开第一开关k1并停止dc/ac交流电源11的运行。
50.如图6所示，首先进行系统初始化，设定接通故障电流测试的参数，包括：交流电压、交流电流、交流工作频率、负载功率因数、相位角、持续带载时间等；系统按照设定配置，完成超级电容c的充电，断开与电网侧连接，闭合control 1控制信号，同时交流电源按照设定的电压和频率输出，此时检测总回路电流是否有电流，若是，则判断系统故障，测试结束，并控制pwm信号和control 1分断交流电源和k1开关，若否，则在指定相位角下，闭合control 2控制信号，此时判断检测总回路电流是否达到电流阈值，若否，则判断系统故障，测试结束，并控制pwm信号和control 1分断交流电源和k1开关，若是，则计时开始，在达到持续工作时间后，利用控制control 1信号让k1开关在过零点关断；此时检测总回路电流是否为0，若否，则判断系统故障，测试结束，并控制pwm信号和control 1分断交流电源和k1开关，若是，则交流电源停机，分断control 2控制信号，测试结束。
51.在接通故障电流测试过程中，系统的主要技术难点在于被测件吸合相位角的精确时间控制、突加减载工况下交流电源输出电压稳定性的维持技术、以及过零点的精确关断。相位角的精确时间控制主要解决两个问题，一个是相位角触发信号与control 1信号和control 2信号之间的延时，另一个是control 2信号到被测交流开关器件实际动作之间的
延时。解决相位角触发信号与control 1信号和control 2信号之间的延时问题是采用光纤传输方式，将交流电源相位角触发信号，与control 1和control 2控制驱动信号进行连接，实现us级的响应延时。解决被测交流开关器件自身吸合延迟时的技术方案是将被测交流开关器件的延时时间设定在软件中，在控制逻辑中采用提前信号触发。
52.设置接通相位角为45
°
、带载功率因数0.7，第一开关k1、第二开关k2的控制信号波形图如图7所示。如图8所示，为交流电源的软件控制逻辑，交流电源输出电压稳定性控制技术，采用算法补充方法，弥补因为突加载过程中交流输出电压的跌落，以及因突减载过程中交流输出电压的抬升。由于交流电源的开关频率可达到12khz，输出电压波形控制响应时间可以达到0.1ms级的动态响应，保证测试过程中电压波形的平滑和稳定。设置系统的工作条件为：电压为277vac、频率为50hz、电流为6000arms、功率因数为0.7，接通相位角为0
°
，对交流开关器件进行接通故障电流测试，其波形图如图9所示。
53.3、承载短路电流测试
54.交流开关器件的承载短路电流测试是为了验证在闭合状态下，通过短时耐受电流的能力。本发明利用超级电容c和dc/ac交流电源11配合，模拟短时的大容量电网条件，此时主控单元15发出控制信号control 2给第二开关控制器13，控制第二开关k2始终处于闭合状态，主控单元15发出控制信号control 1给第一开关控制器12，控制第一开关k1实现短路测试电流导通和分断。
55.如图10所示，首先进行系统初始化，设定承载短路电流的测试参数，包括：电压、电流、频率、持续时间、功率因数等；系统按照设定配置，完成超级电容充电，断开与电网侧连接，闭合control 2信号，此时检测总回路电流是否有电流，如果有，则判断系统故障，测试结束，并断开control 1信号和pwm信号，如果没有，当检测到电压过零点时，闭合control 1控制信号；此时检测总回路电流是否达到电流阈值，如果否，则判断系统故障，测试结束，并断开control 1信号和pwm信号，如果是，则计时，达到持续时间后，断开control 1控制信号；此时检测总回路电流是否为0，如果否，则判断系统故障，测试结束，并断开control 1信号和pwm信号，如果是，则停止交流电源、被测件开关和负载的工作，测试结束。
56.设置系统的工作条件为：电压为277vac、频率为60hz、电流为12000arms、功率因数为1.0，对交流开关器件进行承载短路电流测试，其波形图如图11所示。
57.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。