江蘇省徐州機(jī)電工程高等職業(yè)學(xué)校 季曉明

智能交流接觸器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

江蘇省徐州機(jī)電工程高等職業(yè)學(xué)校 季曉明

本文提出了較全面的智能交流接觸器優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念。采用基于遺傳算法的人工魚(yú)群優(yōu)化算法的交流接觸器虛擬優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)智能交流接觸器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出并實(shí)現(xiàn)了交流接觸器智能化的關(guān)鍵技術(shù)。

交流接觸器 智能化技術(shù) 人工魚(yú)群優(yōu)化算法 零電壓接通

0　引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%的發(fā)電功率消耗于低壓電網(wǎng)中。因此，智能電網(wǎng)建設(shè)給智能電器的發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇，智能電器是智能電網(wǎng)重要的組成部分。低壓電器智能化技術(shù)采用智能虛擬優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，并在智能化技術(shù)、傳感技術(shù)與信息技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全過(guò)程優(yōu)化控制與保護(hù)運(yùn)行，從而大幅提高性能指標(biāo)及運(yùn)行可靠性，功能得到增強(qiáng)。

交流接觸器廣泛應(yīng)用于電氣系統(tǒng)中。若不正常運(yùn)行將造成生產(chǎn)線不能正常工作，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。目前主要針對(duì)智能交流接觸器的研究已引起國(guó)內(nèi)外電器領(lǐng)域的關(guān)注，但是對(duì)交流接觸器智能化關(guān)鍵技術(shù)的研究仍未取得突破。為此對(duì)交流接觸器智能化技術(shù)開(kāi)展了大量研究工作。文獻(xiàn)［1］中提出了智能交流接觸器吸合過(guò)程動(dòng)態(tài)控制的概念。對(duì)于不同的激磁電壓，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)控制參數(shù)，減少鐵心撞擊，從而減少觸頭磨損。文獻(xiàn)［2］中通過(guò)改變交流接觸器觸頭系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使三相觸頭系統(tǒng)具有不同的開(kāi)距，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)交流接觸器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)。文獻(xiàn)［3］中采用基于蟻群算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能交流接觸器全過(guò)程動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。利用線圈感應(yīng)電勢(shì)來(lái)預(yù)測(cè)交流接觸器磁路中磁通的變化規(guī)律。

基于以上，本文提出了適應(yīng)智能電網(wǎng)需要的具有綜合智能化功能的交流接觸器技術(shù)，并研制出樣機(jī)。該樣機(jī)應(yīng)用ANSYS電磁場(chǎng)軟件及人工魚(yú)群算法對(duì)智能交流接觸器電磁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行虛擬優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)三相觸頭零電流分?jǐn)?、首開(kāi)相零電壓接通、鐵心撞擊能量大幅減小、觸頭彈跳大幅減輕、狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷（自檢）、節(jié)能與通信功能、壽命預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，從而將交流接觸器智能化技術(shù)水平提高到新的高度。

1　結(jié)構(gòu)方案

此樣機(jī)是基于CJ40-100交流接觸器結(jié)構(gòu)形式的觸頭不同步智能交流接觸器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該智能交流接觸器首開(kāi)相（B相）的開(kāi)距大于A、C兩相的開(kāi)距，非首開(kāi)相的分?jǐn)鄷r(shí)間比首開(kāi)相滯后5ms左右，只要控制好首開(kāi)相的分?jǐn)鄷r(shí)刻，就可實(shí)現(xiàn)三相觸頭的零電流分?jǐn)嗫刂?。智能交流接觸器的控制原理如圖2所示。

圖l　觸頭結(jié)構(gòu)

圖2　控制原理框圖

2　優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文將遺傳算法和人工魚(yú)群算法有機(jī)結(jié)合并應(yīng)用于智能交流接觸器的電磁系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算中。該算法吸取遺傳算法和人工魚(yú)群算法的優(yōu)點(diǎn)，解決了人工魚(yú)會(huì)隨機(jī)游動(dòng)或在非全局極值點(diǎn)大量聚集等問(wèn)題，顯著提高了算法的全局搜索能力與運(yùn)行效率。

本文在保證交流接觸器可靠吸合、鐵心撞擊能量大幅減小的前提下，使機(jī)構(gòu)釋放時(shí)間最短，盡可能減少機(jī)構(gòu)動(dòng)作的分散性影響了零電流分?jǐn)嗟男Ч?，為交流接觸器可靠零電流分?jǐn)嗟於ɑA(chǔ)。

2.1確定優(yōu)化變量

交流接觸器的工作方式為直流起動(dòng)及保持，采用不加裝分磁環(huán)的鐵心。在適當(dāng)提高反力特性的條件下，以合閘相角與吸合過(guò)程控制程序、電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量，優(yōu)化設(shè)計(jì)其動(dòng)態(tài)過(guò)程。

2.2目標(biāo)函數(shù)

為了獲得最短的分?jǐn)鄷r(shí)間，將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為在保證可靠吸合、很小的鐵心單位面積撞擊能量的條件下交流接觸器運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量為最小。

2.3優(yōu)化計(jì)算分析

根據(jù)遺傳算法和人工魚(yú)群優(yōu)化算法的計(jì)算原理，編制交流接觸器智能化電磁系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算程序，計(jì)算程序流程如圖3所示。

2.4優(yōu)化結(jié)果測(cè)試與分析

吸合過(guò)程：優(yōu)化后吸合過(guò)程鐵心單位面積撞擊能量大幅減小，提高了機(jī)械壽命。同時(shí)采用基于高速攝像機(jī)與圖像處理的電器動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置驗(yàn)證了該樣機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真計(jì)算的正確性。

分?jǐn)噙^(guò)程：對(duì)樣機(jī)分?jǐn)鄤?dòng)作時(shí)間進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試。樣機(jī)按1200次/h操作頻率經(jīng)過(guò)3.5萬(wàn)次動(dòng)作后其首開(kāi)相觸頭分?jǐn)鄷r(shí)間始終保持在2.72～2.92ms，即變化范圍為0.22ms。大幅度減小了機(jī)構(gòu)動(dòng)作的分散性，提高了分?jǐn)噙^(guò)程的穩(wěn)定性，從而完全滿足零電流分?jǐn)嗟囊螅ㄒ?jiàn)表）。

圖3　優(yōu)化算法流程圖

表1　計(jì)算結(jié)果

3　自適應(yīng)零電壓接通

交流接觸器合閘時(shí)將自適應(yīng)地按不同的激磁電壓執(zhí)行不同的控制程序。在交流接觸器合閘過(guò)程中，觸頭的彈跳對(duì)交流接觸器AC3電壽命影響較大。因此，在機(jī)構(gòu)吸合過(guò)程，強(qiáng)激磁采用分段控制的方法，可減小甚至消除觸頭的彈跳。

如果實(shí)現(xiàn)首開(kāi)相觸頭在電壓過(guò)零點(diǎn)附近閉合，將提高其AC3電壽命，因?yàn)槭组_(kāi)相觸頭的超程小于非首開(kāi)相觸頭。圖4為控制參數(shù)為：通18ms，斷2ms，通lms情況下首開(kāi)相零電壓接通的測(cè)試波形。

圖4　首開(kāi)相零電壓接通測(cè)試波形

4　三相零電流分?jǐn)嘣囼?yàn)

如上所述，該智能交流接觸器從結(jié)構(gòu)與控制上實(shí)現(xiàn)非首開(kāi)相觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)間比首開(kāi)相觸頭滯后5ms左右，因此只要控制好首開(kāi)相觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)刻，就可實(shí)現(xiàn)三相觸頭的零電流分?jǐn)嗫刂啤?/p>

根據(jù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果加工的樣機(jī)進(jìn)行ACA電壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程的參數(shù)為：試驗(yàn)電壓380V，試驗(yàn)電流600A，試驗(yàn)時(shí)操作頻率為600次/h。圖5是首開(kāi)相觸頭（B相）在電流過(guò)零前0.4ms斷開(kāi)的試驗(yàn)波形。圖中顯示三相觸頭均在電流過(guò)零前很短的時(shí)間內(nèi)打開(kāi)，電弧在過(guò)零時(shí)開(kāi)斷，實(shí)M三相觸頭微電弧能量分?jǐn)?。而H經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)表明，三相觸頭釋放動(dòng)作時(shí)穩(wěn)定。

圖5　零電流分?jǐn)嘣囼?yàn)波形

5　自檢功能

交流接觸器是電力系統(tǒng)中最常用的控制電器。它發(fā)生故障時(shí)將嚴(yán)重影響系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程的正常進(jìn)行。

5.1故障判斷

該樣機(jī)可以利用電流傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)交流接觸器一些常規(guī)故障的判斷，主要有以下幾個(gè)方面：

（1）吸合階段：交流接觸器在吸合階段的故障主要表現(xiàn)為交流接觸器不動(dòng)作或動(dòng)作不正常，比如：線圈斷線、線圈過(guò)熱、機(jī)構(gòu)卡住等。智能交流接觸器在同一電壓下采用同一種控制方案，合閘相角固定，合閘時(shí)間也是比較固定的。在單片機(jī)發(fā)出合閘命令后會(huì)先檢測(cè)首開(kāi)相的電流，如果相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不出電流信號(hào)即可以判斷交流接觸器發(fā)生故障。若線圈電流不正常則表明機(jī)構(gòu)卡住，線圈沒(méi)有電流信號(hào)則表明線圈斷線。

（2）分?jǐn)嚯A段：交流接觸器在分?jǐn)噙^(guò)程的故障主要表現(xiàn)為交流接觸器不釋放或延時(shí)釋放，如觸頭熔焊、剩磁太大、極面油污等。從測(cè)試結(jié)果可知，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的交流接觸器釋放時(shí)間較穩(wěn)定，分散性很小。因此，在單片機(jī)發(fā)出分?jǐn)嘈盘?hào)后，通過(guò)檢測(cè)首開(kāi)相的電流信號(hào)來(lái)判斷交流接觸器分?jǐn)鄷r(shí)間，若較長(zhǎng)時(shí)間仍存在電流信號(hào)，可判斷為上述故障狀態(tài)。

當(dāng)交流接觸器發(fā)生上述故障后，設(shè)備一般會(huì)采用通信的方式提醒用戶進(jìn)行及時(shí)維護(hù)處理，降低故障損失。

5.2自適應(yīng)零電流分?jǐn)嗫刂?/p>

雖然交流接觸器的分?jǐn)鄷r(shí)間已很穩(wěn)定，但是如果交流接觸器的動(dòng)作機(jī)構(gòu)分?jǐn)鄷r(shí)間因?yàn)槟承┰虍a(chǎn)生遲滯現(xiàn)象，這個(gè)現(xiàn)象可能導(dǎo)致零電流分?jǐn)嗟氖　?/p>

在單片機(jī)給出分?jǐn)嘤|發(fā)信號(hào)后，如果多次檢測(cè)到首開(kāi)相電弧在下一個(gè)電流零點(diǎn)處沒(méi)有熄滅，就須以首開(kāi)相電流傳感器提供的電弧電流信號(hào)為依據(jù)，修改存放于EEPROM中的接觸器線圈斷電控制的時(shí)間值，從而自動(dòng)修正該值，使觸頭打開(kāi)時(shí)刻重新落在最佳分?jǐn)鄥^(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。

6　壽命預(yù)測(cè)

在使用過(guò)程中，由于電弧侵蝕、觸頭磨損等原因?qū)⑹菇涣鹘佑|器的觸頭超程不斷變小，直至交流接觸器失效，也就是電壽命結(jié)束。因此，有必要對(duì)交流接觸器的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，以減少事故發(fā)生率。電壽命主要體現(xiàn)在交流接觸器觸頭的超程。鐵心碰撞的時(shí)刻就是觸頭閉合后線圈電流突降至保持狀態(tài)電流值的時(shí)刻，因此可事先將交流接觸器在電壽命即將結(jié)束狀態(tài)下首開(kāi)相觸頭閉合的電流信號(hào)到線圈電流突降至保持狀態(tài)電流值的時(shí)間差△t1存入單片機(jī)的EEPROM，在交流接觸器運(yùn)行的吸合階段通過(guò)檢測(cè)首開(kāi)相電流互感器信號(hào)和線圈電流突降信號(hào)可獲得時(shí)間差△t2。當(dāng)△t2≤△t1時(shí)，交流接觸器的電壽命接近終結(jié)，同樣提醒用戶及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。壽命預(yù)測(cè)示意圖如圖6所示。

圖6　壽命預(yù)測(cè)示意圖

7　節(jié)能與通信功能

智能交流接觸器具有節(jié)能功能，能為機(jī)構(gòu)穩(wěn)定釋放創(chuàng)造有利條件，是因?yàn)椴捎弥绷髌饎?dòng)直流保持的控制方式。智能交流接觸器也可實(shí)現(xiàn)與主控計(jì)算機(jī)雙向通信。主控計(jì)算機(jī)可直接控制接觸器的通斷，這樣從主控計(jì)算機(jī)上可以了解接觸器的三相電壓與電流、控制電壓、故障狀態(tài)等，為智能電網(wǎng)提供的信息。

8　結(jié)束語(yǔ)

本文提出并實(shí)現(xiàn)了交流接觸器智能化的關(guān)鍵技術(shù)。交流接觸器智能化的關(guān)鍵技術(shù)研究包括智能優(yōu)化設(shè)計(jì)、自適應(yīng)控制并實(shí)現(xiàn)首開(kāi)相基本零電壓接通、較小的撞擊能量和觸頭彈跳、穩(wěn)定可靠的零電流分?jǐn)?、故障自檢、節(jié)能、壽命預(yù)測(cè)、通信等技術(shù)的研究。

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