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电器与能效管理技术(2016NO. 11)
交流接触器线圈功率损耗测量结果的
不确定度评定
杨祥
(苏州西门子电器有限公司，江苏苏州215129)
摘要：按照IEC 60947-4-1:2012标准《低压开关设备和控制设备第4-1部分:接 触器和电动机起动器机电式接触器和电动机起动器（含电动机保护器）》的检定规程， 依据JJF 1059.1 —2012《测量不确定度评定与表示》的标准规定，对低压电器类交流接 触器的线圈功率损耗测量结果的不确定度进行了详细评定。通过对标准不确定度、合 成不确定度以及扩展不确定度的评定，给予了明确的阐述。
关键词：低压电器；交流接触器；线圈功率损耗，■测量结果，■不确定度中图分类号：TM 572.2文献标志码：A
文章编号：2095-8188(2016)11-0065-04
DOI: 10. 16628/j. cnki. 2095-8188. 2016. 11.013
杨祥（1982—）， 男，工程师，主要从 事低压电器领域的 研究、测试与开发。
Uncertainty Evaluation of Coil Power Consumption Measurement
Result for AC Contactor
YANG Xiang
(Siemens Electrical Apparatus Ltd., Suzhou 215129, China)
Abstract ： According to the test procedure of IEC 60947-4-1 ：2012 u Low voltage switchgear and controlgear-
Part 4-1 ： Contactors and motor-starters-Electromechanical contactors and motor-starters ”，the uncertainty of coil power consumption measurement result for alternating current contactor is specified based on the requirements of JJF 1059. 1 ——2012 u Evaluation and expression of uncertainty in measurement； meanwhile the evaluation of standard uncertainty, combined uncertainty and expanded uncertainty are also clarified clearly.
Key words： low voltage apparatus； AC contactor； coil power consumption； measurement result； uncertainty
〇引言
交流接触器广泛应用于低压控制电路中，是一 种使用安全、控制方便、各种性能都较成熟的低压 电器产品。普通的交流接触器在吸合前后，由于其 线圈中存在一定的感性负载，在交流操作电源的作 用下将会产生一定的有功和无功功率损耗，导致线 圈发热、绝缘层在高温下老化，从而导致交流接触 器的寿命缩短;同时，在运行时还会产生噪声。早
在1981年，国务院就发文指出要实施交流接触器 的节电措施[1_2]。同时，在我国现今低压电器领域， 线圈功率损耗数值直接反映了电器的能耗性能等 级并被强制性标注于产品包装的能耗标识标签上， 用于产品竞标以及客户采购时的选型参考。
测量结果定义为“作为测量对象的特定量”， 可理解为被测量值的最佳估计，是指对观测结果 或测得值进行恰当处理、修正或经过必要计算而 得到的量值或报告值。在不会引起混淆的情况 下，有时也将测得值或观测值称为测量结果。测 量不确定度表征合理地赋予被测量值的分散性， 用于定量表示测量结果的可靠程度。其不确定度
来源可归纳为人、机、料、法、环5个方面[3]。在此 基础上，本文列出影响交流接触器线圈功率损耗 测量结果的不确定的几个因素，并对其逐一进行 详细分析。
1交流接触器线圈的功率损耗检测
交流接触器是低压电器里较为成熟的控制元
—
65 —
电器与能效管理技术（2016N〇. 11)
器件，通过对线圈、铁心等电磁系统的操作和控制 来实现对电气线路的合/分操作，因此出于节能的 考虑从根本上改变其工作结构和原理是不现实 的。目前，节能的侧重点主要集中在降低运行过 程中工作器件的功耗研究上。普通交流接触器基 于“通电吸合、带电保持、断电释放”的原理进行 工作，故交流接触器的节能措施就是采用各种方 法来降低其操作电磁系统所消耗的功率。交流接触器的线圈功耗主要分为吸合功率消 耗和保持功率消耗两种。目前，GB 14048.4—2010 标准中并未对线圈功耗的测量作出规定，但在IEC 60947-4-1:2012标准中对其进行了更新与详细的 阐述:即准备5个线圈，1个最小额定控制电压的 线圈，1个最大额定控制电压的线圈，3个生产厂商 定义的能得到最大保持功率的线圈，在+ 23 ±3 °C 的环境下保持接触器主电路和辅助电路在空载运 行下进行功率损耗检测[4]。通过万用表和数字多 用表分别读出稳定时的电流值和电压值，从而求出 5个线圈对应的功率数值。将这5个功率值求平 均值就是所求的线圈功率损耗值。
2数学模型
为便于描述，选取西门子3TS29型交流接触
器线圈作为样本进行试验，1号线圈为3TY7403- 0XB0,2号至4号线圈为3TY7403-0XH2,5号线 圈为3TY7403-0XS2。线圈功率损耗值可以通过 测量5个线圈功率的平均值求出，如式（1)所示：
n
D
,
A +A +
户3
+
户4
+
户5
UJ, + U2I2 + f/3/3 + U4I4 + U5I5中:
p
一交流接触器线圈的功率损耗值；p，一一计算出的交流接触器线圈的功率
损耗值；
Pi.一
1号~5号线圈的功率损耗值；
Ut --\"5 —一1号~5号线圈的通电电压值；
h~h~一
1号~5号线圈的通电电流值。从上述数学模型可知,5个待测线圈一共有
10个输人量,且属于使用同一个检测标准、同一 测量仪器在相同条件下检定或测量示值基本相同 的一组同类被测件的测量算例，因此可以用该组 被测件的测得值作相应测量不确定度的评定。
—66
—
•电器设计与探讨•
3
线圈功率损耗测量结果的不确定 度来源
检测所用万用表为FLUKE 15B,制造厂商为
FLUKE,最大允许误差为± (1.5%读数+ 3字），精 度为0.001 mA;数字多用表为34 401 A,制造厂商 为Agilent Technologies,最大允许误差为: ± (0.06% 读数 + 0. 004% 量程），精度为 0. 01 V。 设备均经相应权威计量测试研究机构校准，结果 符合技术要求，设备均在校准有效期内。
本次功率损耗测量结果的不确定度来源为： ①测量结果重复性引入的标准不确定度ma，采 用A类方法评定;②万用表的示值误差引入的标 准不确定度mb1，采用B类方法评定;③万用表的 精度引入的标准不确定度mB2，采用B类方法评 定;④数字多用表的示值误差引入的标准不确定 度mB3，采用B类方法评定;⑤数字多用表的精度 引入的标准不确定度MB4,采用B类方法评定； ⑥检测环境引入的标准不确定度。
4
标准不确定度的评定
4.1
测量结果重复性引入的标准不确定度ma预评定时，在线圈温升稳定后，对5个线圈功
率损耗值分别进行5次独立测量，其计算结果如 表1所亦。
1号线圈功率损耗测量值应用贝塞尔公式计 算单次测量试验标准差为[5]siPr) = - Pi)' =〇-〇28 6 VA
(2)
式中：
—
1号线圈第j'次测量组，j' e (1 ~5);
P—1号线圈《次测量的平均值。
日常检测中，测得1号线圈电压值为24.1 V， 线圈电流值为0.293 A,经过计算后，线圈功率损耗 为 7.061 3 VA。
2号线圈功率损耗测量值应用贝塞尔公式计 算单次测量试验标准差为s(P2) =
i (P2] ~ P2)2 = 0.017 9 VA
(3)
日常检测中，测得2号线圈电压值为48.2 V，
•电器设计与探讨•
表13TS29交流接触器1号~5号线圈功率
损耗5次测量结果线圈
序号功率损耗/VA
17.032
7.011号
37.0847.0757.0518.162
8.182号
38.2048.2058.2018.162
8.153号
38.1548.1958.2118.152
8.164号
38.2048.2158.1917.932
7.922号
37.9447.915
7.93
线圈电流值为0.170 A,经过计算后，线圈功率损 耗为 8.194 VA。
3号线圈功率损耗测量值应用贝塞尔公式计 算单次测量试验标准差为s(P3) =
X (p3j -p3)2 = 0-026 8 VA
(4)
日常检测中，测得3号线圈电压值为48.2 V， 线圈电流值为0.170 A,则经过计算后，线圈功率损 耗为 8.194 VA。
4号线圈功率损耗测量值应用贝塞尔公式计 算单次测量试验标准差为
s(P,) =J^Z1 ^ (p4, - PS = 0-025 9 VA
(5)
电器与能效管理技术（2016N〇. 11)
日常检测中，测得4号线圈电压值为48.2 V, 线圈电流值为〇. 169 A,则经过计算后，线圈功率损 耗为 8.146 VA。
5号线圈功率损耗测量值应用贝塞尔公式计 算单次测量试验标准差为s(Ps) =
-^5)2 =〇.〇11 4 VA
(6)
日常检测中，测得5号线圈电压值为575.3 V， 线圈电流值为0.014 A，则经过计算后，线圈功率损 耗为 8.054 VA。
则由测量重复性引入的线圈标准式（7)不确
定度UA(P)为KA (尸）=
^Y[sl(Pl) +/(/，2) +/(/，3) +/(/，4) +/(/，s)]=
0. 023 1 VA
(7)
线圈功率损耗值为
P =■^1+户2+户3+户4+户5 ——-~j—-—-=7.930 VA (8)/、
4.2万用表和数字多用表示值误差和精度引入 的线圈功率损耗的标准不确定度mbc(P) 4.2.1万用表示值误差引入的标准不确定度uB1
由于万用表最大允许误差是± (1. 5%读数 + 3字），故万用表在功率损耗测量中最大允许误 差分别为
/m(/^) = ±(1.5% xO.293 + 3 xKT6)=
± 0.004 40 A
/m(P2) = ±(1.5% x0.170+3 xKT6)=
± 0.002 55 A
/m(P3) = ±(1.5% xO. 170+3 xKT6)=
± 0.002 55 A
/m(P4) = ±(1.5% xO. 169+3 xKT6)=
± 0.002 54 A
/m(P5) = ±(1.5% xO.014+3 xKT6)=
± 0.000 21 A
由此，区间半宽分别为WA) =〇.〇〇44〇 A, a(P2) =0.002 55 A,a(P3) =0.002 55 A,a(P4)= 0.002 54 A,a(P5) =0.000 21 A,服从均匀分布，
A =#，故其标准不确定度z%为
= aiP^/k = 0.002 54 A
(9) um(P2) = a(P2)/k = 0.001 47 A
(10)
—
67 —
电器与能效管理技术（2016N〇. 11)
UB1 (户3 )=：
a(P3)/k=0. 001 47 A(id
UB1 (户4)=■ a(P4)/k=0. 001 47 A(12)UB1 (户5 )=■ a(P5)/k=0. 000 12 A(13)
4.2. 2
万用表示值精度引入的标准不确定度uB2
FLUKE 15B
数字万用表的精度为0.001 mA,
区间半宽为〇.〇〇〇 5 mA,服从均匀分布,A =#, 则精度引入的不确定度如下：
uB2(P
) = 0.000 5/^3 = 2.887 xlO'7 A (14)
4.2.3 数字多用表示值误差引入的标准不确定
度从；63
数字多用表最大允许误差是± (〇. 06%读数 + 0.004%量程），故数字多用表在功率损耗测量 中最大允许误差分别为
f/JO
= ± (0.06% x24.1 + 0.004% X750)=
± 〇. 044 46 V
f/m(P2)=±(〇.〇6% X48.2 + 0.004% X750)=
± 0.058 92 V
f/m(P3) = ± (〇. 06% x
48.2 + 0.004% x 750)=
± 0.058 92 V
f/m(f
>4)=±(〇.〇6% X48.2 + 0.004% X750)=
± 0.058 92 V
f/m(p5) = ± (〇. 06% X573. 3 +0.004% x750)=
± 0. 375 20 V
由此，区间半宽分别为=〇.〇44 46 V,
/3(P2) =0.058 92 Y,/3(P3) =0.058 92 Y,/3(P4)
= 0.058 92 V，^/^) =0.375 20 V,服从均匀分
布,A： =#,故其标准不确定度wB3为
UB3(^)
=piPO/k=0. 025 67 V
(15)UB3(P2)=yS(P2)/A=0. 034 02 V
(16)UB3(P3)=
=0. 034 02 V(17)
UB3(P4)=P(P,)/k=0. 034 02 V
(18)UB3(PS)=/3(Ps)/k=0.216 61 V
(19)4.2.4数字多用表示值精度引入的标准不确定
度从B4
数字多用表34 401 A的精度为0.01 V,区间 半宽为0.005 V,服从均匀分布,/〇=#，则由数字 多用表示值精度引入的不确定度如下：
uM(P) = 0. 005/v^ = 0.002 89 V (20)
4.2.5功率损耗的标准不确定度w_B
由A = ，则1号线圈标准不确定度为
—68
—
•电器设计与探讨•
uB(Pi) =-/1 a/4i(A) + uhiP) +
+u2m(P) =0. 068 76 VA
(21)
同理，2号~5号线圈的标准不确定度为
ub(Pi) +U\\l(P) +
^V43(P2) +u2m(P) =0.076 83 VA
(22)
_______________________ub(P3) =-^ a/
mbiC^s)
+u\\2(P)
+
-dljV<3(P3) +um(P) =0.076 83 VA
(23)
UB(P4) =~^ y^U2B1(P4) + U2B2(P) +
1^/4 (P4) +u2m(P) =0.076 38 VA
(24)
_______________________ub(Ps) =-df ^ulliPs) +U\\2(P) +
+<(P) =0.073 78 VA
(25)
线圈由于万用表和数字多用表示值误差和精 度引入的标准合成不确定度％e (P)为
UBc(P)=^/MB(尸 1) + 4(^2) + MB(尸 3) + “1!(户4) + MB(尸 5T _
0.074 58 VA (26)
4.3
检测环境引入的标准不确定度
整个测试过程中环境温度为+ 25. 5 °C，符合
检测标准对环境温度+ 23 ± 3 °C的要求。根据行 业经验，此检测环境下引入的标准测量不确定度 可忽略不计。
5合成标准不确定度
对于直接测量，各不确定度分量互不相关，采用
均和根方法合成，求得合成标准不确定度& (P)为 UC(P) = ^UA (Pf + um (Pf = 0. 078 1 VA
(27)
(下转第74页）
电器与能效管理技术(2016N〇. 11)
•电器设计与探讨•
4结语
应用Moldflow软件来解决塑件翘曲问题是一
种比较科学和符合实际生产要求的方法，不但可
(X)优化方案2取向因素
(b)优化方案3取向因素
以为解决实际问题提供理论依据，也可以减少反 复修模的次数，满足了生产的需求。
通过3种优化方案翘曲量的对比，找到影响 产品翘曲的主要原因是由取向因素引起的;进而 采用适当改变产品的结构等合理的措施加以控 制，再分析不同方案之间结果产生差异的原因， 进而从根本上改善产品的翘曲变形问题。因此在 产品设计或问题出现之初就有针对性加以考虑， 再借助Moldflow从开始的最佳浇口位置的选择到 成型效果的分析和查看，为相关技术人员解决实 际问题提供了很有价值的参考和依据。
【参考文献】
[1 ]
付永锋.汽车薄壳注塑件翘曲变形及注塑工艺优化 研究[D].武汉:武汉理工大学，2007.
[2] 任双宁.注塑件翘曲变形及优化研究[D].南京:南
京航空航天大学,2011.
[3] 杨虹.模具结构对典型注塑件翘曲的影响及优化方
法[D ].上海:上海交通大学，2008.
[4] 程晓宇，王晓梅.注塑件的应力变形分析及解决对
策[JIU 工程塑料应用，2006，34 (9) : 31 -33.
引起的翅曲引起的翅曲
图17浇口数量对盖板取向因素的影响
结合以上方案的数据分析和比较，为了减少
该盖板的翘曲量，建议采用优化方案4，通过增加 产品的壁厚和浇口数量的措施加以控制，其翘曲 量为2. 045 mm，满足小于2. 400 mm的翘曲要求， 翘曲最大的位置靠近BOSS柱，这样在装配后更 加减少翘曲变形的程度6同时对于PA材料的塑 件结构设计，原则上的最大壁厚可以达到 3.2 mm，因此满足设计和成型要求。采用优化方 案4对模具进行整改，经试模验证，该盖板的翘曲 量确实得到了明显的减小，其在装配后的产品间 间隙小于0.5 mm，因此可以满足生产要求^生产 的实物图如图18所示。
图18生产实物图
收稿曰期：2016-01 -20
(上接第6S页）
6扩展不确定度
取包含因子& = 2,则线圈功率损耗测量结果
度评定有\"I定的区别，可为低压电器领域H后类似的检测项目的测量不确定度评定提供有效的参考和积极的意义，具备一定的代表性。
【参考文献】
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分析[J].低压电器，2011 (4) : 14-18.[2] 禚宁.对接触器线圈烧毁原因的仿真分析[J].电
器与能效管理技术，2016(8) :16-18.
[3] 施祕彦.测量不确定度及其合成与扩展[J].中国
计量，2000(12):48-50.
[4 ] Low-voltage switchgear
and controlgear-Part
4-1 ：
Contactors and motor-starters-Mectromechanical contactors and motor-starters：IEC 60947-4-1 ：2012[S]. Edition 3.1
[5]测M不确定度评定和表示1059. 1 —2〇l2[S].
的扩展不确定度为
U = kuc(P) = 0. 156 VA
(28)
7 结语
测得线圈的功率损耗P =7.930 VA，线圈功率 损耗值的扩展不确定度为\"=〇. 156 VA> =2,满 足IEC 60947-4-1标准新规定以及JJF 1059. 1— 2012《测量不确定度评定和表示》中的要求，评定范 围全面，保证了测量结果的可信度。
交流接触器线圈功率损耗测量结果的不确定 度评定属于使用同一个计量标准或测量仪器在相 同条件下检定或测量示值基本相同的一组同类被 测件的被测量的类型，与传统简单的测量不确定
—
74 —
北京：中国质检出版社，2013.
收稿日期：2015-12-12
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