智能交流接觸器零電流分斷技術(shù)

鮑光海 張培銘

（福州大學電氣工程與自動化學院 福州 350108）

1 引言

交流接觸器是主要的控制電器，其廣泛應用于電氣系統(tǒng)中。交流接觸器智能化研究是智能電器研究的重要方向，也是智能電網(wǎng)建設(shè)的要求。國內(nèi)外學者對交流接觸器智能化做了大量工作[1-3]。

本文提出交流接觸器智能化技術(shù)的主要特點是自適應接通過程動態(tài)優(yōu)化控制、零電流分斷（實際是微電弧能量分斷）和通信功能。而交流接觸器智能化技術(shù)的主要功能與技術(shù)難點是實現(xiàn)三相零電流分斷。在零電流分斷技術(shù)研究中，首開相觸頭分斷時刻的準確性與穩(wěn)定性是零電流分斷的關(guān)鍵。但是零電流分斷的實現(xiàn)具有相當大的難度，而采用三相觸頭不同步方案是解決智能交流接觸器三相零電流分斷問題的重要與有效手段[4]。然而該方案對電磁動作機構(gòu)釋放時間的穩(wěn)定性與準確性要求較高。國外研究者提出采用3個小規(guī)格接觸器組合代替?zhèn)鹘y(tǒng)大規(guī)格接觸器的異步組合式智能控制方案，提高了接觸器的AC3和AC4壽命[5-6]。該方案結(jié)構(gòu)較復雜，而且同樣對電磁動作機構(gòu)釋放時間的穩(wěn)定性與準確性有較高要求。

電磁動作機構(gòu)釋放時間決定了動靜觸頭的打開時刻，該時刻由兩方面相互矛盾的因素決定：一是電流過零時觸頭之間的距離：如果觸頭打開時離電流過零點太近，電流過零時觸頭距離太小，觸頭間隙能承受恢復電壓的能力太弱，弧隙容易擊穿，造成電弧重燃；二是電弧的能量：觸頭打開時刻離電流過零點越遠，電弧中積聚的能量越大，電弧越容易重燃。理論分析與大量實際測試表明，三相觸頭零電流分斷的關(guān)鍵是首開相觸頭零電流分斷的準確性與穩(wěn)定性。

前期研究雖已取得較大進展，但尚未解決機構(gòu)動作分散性對零電流分斷穩(wěn)定性與準確性影響的問題[7-9]。為此，本文提出大幅度縮短動作機構(gòu)釋放時間提高分斷可靠性的思路，并采用ANSYS電磁場軟件和基于遺傳算法的人工魚群算法對智能交流接觸器動作電磁系統(tǒng)的動態(tài)過程進行優(yōu)化設(shè)計計算，不僅保證智能交流接觸器可靠與優(yōu)化的接通過程，而且實現(xiàn)了機構(gòu)準確與穩(wěn)定釋放的時間要求。該智能交流接觸器零電流分斷的可靠性得以大幅度提高。

2 基于遺傳算法的人工魚群算法

2.1 遺傳算法

遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）是Holland教授首先提出來的一種仿生型進化算法。GA通過將當前群體中具有較高適應度的個體遺傳給下一代，并且不斷淘汰適應度低的個體，從而尋找出適應度最大的個體。其優(yōu)點是：具有大范圍全局搜索的能力，與問題領(lǐng)域無關(guān)；搜索從群體出發(fā)，具有潛在的并行性；可進行多值比較，魯棒性強；搜索使用評價函數(shù)啟發(fā)，過程簡單；使用概率機制進行迭代，具有隨機性，可擴展性，容易與其它算法結(jié)合。但是GA 算法對于系統(tǒng)中的反饋信息利用不夠。

2.2 人工魚群算法

人工魚群算法（Artificial Fish Swarm Algorithm，AFSA）是模擬魚群行為的一種基于動物自治體的優(yōu)化方法，是集群智能思想的一個具體應用。它能很好地解決函數(shù)優(yōu)化等問題。其主要特點是：只需比較目標函數(shù)值，對目標函數(shù)的性質(zhì)要求不高；對初值的要求不高；對參數(shù)設(shè)定的要求不高；具備并行處理的能力，尋優(yōu)速度較快；算法具備全局尋優(yōu)的能力。雖然該算法優(yōu)點較多，但也存在明顯的不足，主要表現(xiàn)：當尋優(yōu)的域較大或處于變化平坦的區(qū)域時，收斂于全局的最優(yōu)解速度減慢、搜索性能劣化；算法一般在優(yōu)化初期具有較快的收斂性，后期卻收斂較慢[10,11]。

本文吸取遺傳算法和人工魚群算法的優(yōu)點，將遺傳算法和人工魚群算法有機結(jié)合應用于智能交流接觸器電磁系統(tǒng)優(yōu)化計算中。

3 智能交流接觸器優(yōu)化設(shè)計

本文采用基于遺傳算法的人工魚群算法對交流接觸器的電磁系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，在保證接觸器可靠吸合的前提下，使接觸器釋放時間最短，為接觸器可靠零電流分斷打下基礎(chǔ)。

3.1 智能交流接觸器控制原理

采用三相觸頭不同步方案是解決智能交流接觸器三相零電流分斷問題的重要與有效手段。該方案控制原理框圖如圖1所示，通過單片機分別控制接觸器啟動階段強激磁元件和低壓保持元件。在該方案中只有保證首開相觸頭與非首開相觸頭的分斷時刻差值在4.5～5ms之間，才能保證在首開相觸頭零電流分斷時另外兩相也在零電流分斷[4]。

圖1 控制原理框圖Fig.1 Diagram of control principle

本文在大幅度縮短動作機構(gòu)釋放時間，解決首開相觸頭穩(wěn)定可靠零電流分斷問題的同時，出現(xiàn)了首開相觸頭與非首開相觸頭的分斷時刻差值減小的問題，從而影響了兩非首開相觸頭零電流分斷的效果。為了保證時間差值滿足要求，在整流電路輸出端并聯(lián)一個分斷再勵磁電容C。在接觸器鐵心分斷后，利用電容上儲存的能量給接觸器線圈重新施加合適時間的強勵磁信號，延緩非首開相觸頭的分斷時刻，使首開相觸頭與非首開相觸頭的分斷時刻差值滿足要求。

分斷控制時序如圖2所示，從圖中可以看出，在低壓保持信號斷電后t1，電容上的儲能通過強勵磁信號施加給接觸器線圈t2時間。

圖2 分閘控制時序Fig.2 Control sequence of opening

3.2 確定優(yōu)化變量

接觸器是采用CJ40—100交流接觸器進行改裝而成，觸頭系統(tǒng)為三相不同步結(jié)構(gòu)，也就是中間相即首開相觸頭開距大于非首開相觸頭開距。從而在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)非首開相觸頭的分斷時間比首開相觸頭滯后5ms左右，只要控制好首開相觸頭的分斷時刻，就可以實現(xiàn)三相觸頭系統(tǒng)的零電流分斷控制。

接觸器的工作方式為直流起動、直流保持，并采用不加裝分磁環(huán)的鐵心。在適當提高反力特性的條件下，以合閘相角與吸合過程控制程序、電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量，對其動態(tài)過程進行優(yōu)化設(shè)計。

3.3 目標函數(shù)

為了得到最短的分斷時間，將目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為在保證可靠吸合條件下接觸器可動部件質(zhì)量最小。

3.4 約束條件

約束條件是由接觸器在工作中的技術(shù)要求和工作特性所決定的，主要由以下幾個方面組成：

（1）電磁機構(gòu)在初始狀態(tài)下的吸力大于或等于初始反力

（2）運動部分在吸合過程無明顯停滯現(xiàn)象

（3）所用的材料費用不能增加，也就是優(yōu)化后線圈和鐵心的總費用應低于（不高于）優(yōu)化前

3.5 優(yōu)化計算分析

根據(jù)遺傳算法和人工魚群優(yōu)化算法的計算原理，編制智能交流接觸器電磁系統(tǒng)優(yōu)化計算程序，計算程序流程如圖3所示。

圖3 優(yōu)化算法流程圖Fig.3 Flow chart of optimization algorithm

由于人工魚群算法對初值要求不高，根據(jù)約束條件和技術(shù)要求隨機產(chǎn)生50條人工魚群（50條人工魚），同時設(shè)定迭代次數(shù)；各組人工魚利用聚群行為和追尾行為進行尋優(yōu)計算，當連續(xù)出現(xiàn)3次最優(yōu)值沒變化或變化很小，則進行遺傳算法的選擇、交叉、變異操作，防止出現(xiàn)局部最優(yōu)值。這樣既可以提高收斂速度又能保證全局搜索能力。計算結(jié)果見下表。

表 計算結(jié)果Tab. Calculation results

4 試驗測試

為了驗證優(yōu)化計算算法的可行性和優(yōu)化結(jié)果，本文對加工的樣機進行包括吸合過程、首開相與非首開相觸頭分斷時間及其穩(wěn)定性、零電流分斷等項目測試。

4.1 仿真計算驗證測試

本文采用ANSYS有限元分析軟件造表、Matlab仿真計算相結(jié)合的方法進行優(yōu)化程序計算。接觸器動態(tài)過程仿真計算是優(yōu)化計算的重要組成部分，仿真計算結(jié)果直接影響優(yōu)化結(jié)果。

為了驗證仿真計算結(jié)果的正確性，本文采用以高速攝像機為基礎(chǔ)的電磁電器動態(tài)測試裝置，以非接觸方式拍攝智能交流接觸器的運動過程，從拍攝的圖像信息中取出位移信號，并采用二進小波變換進行降噪處理，得到智能交流接觸器的位移曲線[12-14]。采用霍爾電壓電流互感器采集接觸器線圈的電壓電流信號，利用實測的曲線對仿真計算曲線進行驗證。

圖4是智能交流接觸器在 0°合閘相角情況下吸合過程的仿真與實測曲線。圖中 u1，F(xiàn)x，F(xiàn)f為仿真計算的電源電壓、吸力、反力；u2，i，s為仿真計算的線圈電壓、電流、位移；2u′，i′，s′為實際測量的線圈電壓、電流、位移。從圖可以看出，實際測量的線圈電壓、線圈電流、鐵心位移信號與仿真計算十分接近，可以利用仿真計算程序進行優(yōu)化設(shè)計。

圖4 吸合過程仿真與實測曲線Fig.4 Test and calculating waveforms in closing course

4.2 分斷時間測試

在此之前，本課題組研制的接觸器樣機首開相觸頭（B相）在 3.4萬次動作實驗期間的分斷時間（指關(guān)斷直流保持激磁至觸頭打開時間）大約為3.98ms，但是其分斷時間的變化范圍下限小于3.36ms，上限大于4.48ms?？梢娖浞謹鄤幼鞣稚⑿苑浅４?，其值超過1.12ms。根據(jù)大量測試所獲結(jié)果表明，最佳觸頭打開時間大約是電流過零前 0.3～0.9ms之間，或者說機構(gòu)釋放時間的整個變化范圍應在0.6ms內(nèi)。因此上述機構(gòu)將造成零電流分斷的不穩(wěn)定。

根據(jù)以上優(yōu)化計算結(jié)果加工了樣機，對樣機分斷動作時間進行穩(wěn)定性的測試。該樣機按 1200次/小時操作頻率經(jīng)過 3.5萬次動作實驗期間其首開相觸頭分斷時間始終保持在2.72～2.92ms之間，即變化范圍為0.22ms。測試結(jié)果表明，樣機首開相觸頭的分斷時間不僅大幅減小，而且該時間十分穩(wěn)定，為實現(xiàn)零電流分斷提供有利條件。

為了解決快速分斷后造成首開相觸頭與非首開相觸頭的時間差無法保證的問題。本文在鐵心分斷后適當時刻，控制分斷再激磁電容器接通并控制電容器接通時間，利用電容器上儲存的能量為接觸器電磁系統(tǒng)再次提供強激磁能量，延緩非首開相觸頭的分斷時刻，使首開相觸頭與非首開相觸頭的分斷時刻差值滿足要求?？蛰d條件下分斷過程相關(guān)信號測試波形如圖5所示。從圖中可以看出，B相與A相之間相差4.68ms，B相與C相之間相差4.6ms，滿足零電流分斷三相觸頭的動作時間要求。

圖5 分斷時間測試波形Fig.5 Test waveforms of open time

4.3 零電流分斷試驗

優(yōu)化后加工的樣機在福州大學低壓電器試驗站進行AC4電壽命試驗，試驗過程的參數(shù)為：試驗電壓 380V，試驗電流 600A，試驗時操作頻率為 600次/小時。圖6是首開相觸頭（B相）在電流過零前0.4ms斷開的試驗波形。從圖中可以看出：三相觸頭均在電流過零前很短的時間內(nèi)打開，電弧在過零時開斷，實現(xiàn)三相觸頭微電弧能量分斷，而且經(jīng)過多次試驗表明，首開相觸頭動作時間十分穩(wěn)定。

圖6 零電流分斷試驗波形Fig.6 Experiment waveforms of zero-current breaking

5 結(jié)論

（1）零電流分斷是智能交流接觸器的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)的難點就是首開相觸頭分斷的準確性與穩(wěn)定性。然而由于電磁動作機構(gòu)的分散性無法保證零電流分斷的可靠性，因此解決該問題是交流接觸器智能化技術(shù)研究的重點。

（2）本文提出動作機構(gòu)快速釋放的思路是解決機構(gòu)分散性對首開相觸頭零電流分斷準確性與穩(wěn)定性影響的重要措施。該措施不僅解決了一臺接觸器自身機構(gòu)分散性問題，同時解決了不同接觸器機構(gòu)的分散性問題，為智能交流接觸器產(chǎn)品化奠定了很好的基礎(chǔ)。

（3）首次應用基于遺傳算法的人工魚群優(yōu)化算法的優(yōu)勢，對智能交流接觸器的電磁動作機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，并結(jié)合電容能量再激磁的方案，在滿足可靠與優(yōu)化吸合的條件下大幅減小機構(gòu)釋放動作的分散性，實現(xiàn)了三相觸頭穩(wěn)定的分斷控制。

（4）本文研究將大幅提高智能交流接觸器性能指標與運行可靠性，同時也提高了交流接觸器智能化技術(shù)的研究水平。

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