智能交流接觸器零電流分?jǐn)嗉夹g(shù)

鮑光海 張培銘

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 福州 350108）

1 引言

交流接觸器是主要的控制電器，其廣泛應(yīng)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(xué)者對(duì)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(diǎn)是自適應(yīng)接通過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制、零電流分?jǐn)啵▽?shí)際是微電弧能量分?jǐn)啵┖屯ㄐ殴δ堋６涣鹘佑|器智能化技術(shù)的主要功能與技術(shù)難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)三相零電流分?jǐn)唷Ｔ诹汶娏鞣謹(jǐn)嗉夹g(shù)研究中，首開相觸頭分?jǐn)鄷r(shí)刻的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性是零電流分?jǐn)嗟年P(guān)鍵。但是零電流分?jǐn)嗟膶?shí)現(xiàn)具有相當(dāng)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?jǐn)鄦栴}的重要與有效手段[4]。然而該方案對(duì)電磁動(dòng)作機(jī)構(gòu)釋放時(shí)間的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性要求較高。國外研究者提出采用3個(gè)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(fù)雜，而且同樣對(duì)電磁動(dòng)作機(jī)構(gòu)釋放時(shí)間的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性有較高要求。

電磁動(dòng)作機(jī)構(gòu)釋放時(shí)間決定了動(dòng)靜觸頭的打開時(shí)刻，該時(shí)刻由兩方面相互矛盾的因素決定：一是電流過零時(shí)觸頭之間的距離：如果觸頭打開時(shí)離電流過零點(diǎn)太近，電流過零時(shí)觸頭距離太小，觸頭間隙能承受恢復(fù)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(shí)刻離電流過零點(diǎn)越遠(yuǎn)，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(shí)際測試表明，三相觸頭零電流分?jǐn)嗟年P(guān)鍵是首開相觸頭零電流分?jǐn)嗟臏?zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

前期研究雖已取得較大進(jìn)展，但尚未解決機(jī)構(gòu)動(dòng)作分散性對(duì)零電流分?jǐn)喾€(wěn)定性與準(zhǔn)確性影響的問題[7-9]。為此，本文提出大幅度縮短動(dòng)作機(jī)構(gòu)釋放時(shí)間提高分?jǐn)嗫煽啃缘乃悸罚⒉捎肁NSYS電磁場軟件和基于遺傳算法的人工魚群算法對(duì)智能交流接觸器動(dòng)作電磁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)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(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確與穩(wěn)定釋放的時(shí)間要求。該智能交流接觸器零電流分?jǐn)嗟目煽啃缘靡源蠓忍岣摺?/p>

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(jìn)化算法。GA通過將當(dāng)前群體中具有較高適應(yīng)度的個(gè)體遺傳給下一代，并且不斷淘汰適應(yīng)度低的個(gè)體，從而尋找出適應(yīng)度最大的個(gè)體。其優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行多值比較，魯棒性強(qiáng)；搜索使用評(píng)價(jià)函數(shù)啟發(fā)，過程簡單；使用概率機(jī)制進(jìn)行迭代，具有隨機(jī)性，可擴(kuò)展性，容易與其它算法結(jié)合。但是GA 算法對(duì)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(dòng)物自治體的優(yōu)化方法，是集群智能思想的一個(gè)具體應(yīng)用。它能很好地解決函數(shù)優(yōu)化等問題。其主要特點(diǎn)是：只需比較目標(biāo)函數(shù)值，對(duì)目標(biāo)函數(shù)的性質(zhì)要求不高；對(duì)初值的要求不高；對(duì)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(diǎn)較多，但也存在明顯的不足，主要表現(xiàn)：當(dāng)尋優(yōu)的域較大或處于變化平坦的區(qū)域時(shí)，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(diǎn)，將遺傳算法和人工魚群算法有機(jī)結(jié)合應(yīng)用于智能交流接觸器電磁系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算中。

3 智能交流接觸器優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文采用基于遺傳算法的人工魚群算法對(duì)交流接觸器的電磁系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證接觸器可靠吸合的前提下，使接觸器釋放時(shí)間最短，為接觸器可靠零電流分?jǐn)啻蛳禄A(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?jǐn)鄦栴}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(jī)分別控制接觸器啟動(dòng)階段強(qiáng)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?jǐn)鄷r(shí)刻差值在4.5～5ms之間，才能保證在首開相觸頭零電流分?jǐn)鄷r(shí)另外兩相也在零電流分?jǐn)郲4]。

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

本文在大幅度縮短動(dòng)作機(jī)構(gòu)釋放時(shí)間，解決首開相觸頭穩(wěn)定可靠零電流分?jǐn)鄦栴}的同時(shí)，出現(xiàn)了首開相觸頭與非首開相觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)刻差值減小的問題，從而影響了兩非首開相觸頭零電流分?jǐn)嗟男Ч榱吮ＷC時(shí)間差值滿足要求，在整流電路輸出端并聯(lián)一個(gè)分?jǐn)嘣賱?lì)磁電容C。在接觸器鐵心分?jǐn)嗪螅秒娙萆蟽?chǔ)存的能量給接觸器線圈重新施加合適時(shí)間的強(qiáng)勵(lì)磁信號(hào)，延緩非首開相觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)刻，使首開相觸頭與非首開相觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)刻差值滿足要求。

分?jǐn)嗫刂茣r(shí)序如圖2所示，從圖中可以看出，在低壓保持信號(hào)斷電后t1，電容上的儲(chǔ)能通過強(qiáng)勵(lì)磁信號(hào)施加給接觸器線圈t2時(shí)間。

圖2 分閘控制時(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)非首開相觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)間比首開相觸頭滯后5ms左右，只要控制好首開相觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)刻，就可以實(shí)現(xiàn)三相觸頭系統(tǒng)的零電流分?jǐn)嗫刂啤?/p>

接觸器的工作方式為直流起動(dòng)、直流保持，并采用不加裝分磁環(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程控制程序、電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量，對(duì)其動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3 目標(biāo)函數(shù)

為了得到最短的分?jǐn)鄷r(shí)間，將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為在保證可靠吸合條件下接觸器可動(dòng)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(gè)方面組成：

（1）電磁機(jī)構(gòu)在初始狀態(tài)下的吸力大于或等于初始反力

（2）運(yùn)動(dòng)部分在吸合過程無明顯停滯現(xiàn)象

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

3.5 優(yōu)化計(jì)算分析

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

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(duì)初值要求不高，根據(jù)約束條件和技術(shù)要求隨機(jī)產(chǎn)生50條人工魚群（50條人工魚），同時(shí)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(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)3次最優(yōu)值沒變化或變化很小，則進(jìn)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(jì)算結(jié)果見下表。

表 計(jì)算結(jié)果Tab. Calculation results

4 試驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證優(yōu)化計(jì)算算法的可行性和優(yōu)化結(jié)果，本文對(duì)加工的樣機(jī)進(jìn)行包括吸合過程、首開相與非首開相觸頭分?jǐn)鄷r(shí)間及其穩(wěn)定性、零電流分?jǐn)嗟软?xiàng)目測試。

4.1 仿真計(jì)算驗(yàn)證測試

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

為了驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果的正確性，本文采用以高速攝像機(jī)為基礎(chǔ)的電磁電器動(dòng)態(tài)測試裝置，以非接觸方式拍攝智能交流接觸器的運(yùn)動(dòng)過程，從拍攝的圖像信息中取出位移信號(hào)，并采用二進(jìn)小波變換進(jìn)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(hào)，利用實(shí)測的曲線對(duì)仿真計(jì)算曲線進(jìn)行驗(yàn)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(shí)測曲線。圖中 u1，F(xiàn)x，F(xiàn)f為仿真計(jì)算的電源電壓、吸力、反力；u2，i，s為仿真計(jì)算的線圈電壓、電流、位移；2u′，i′，s′為實(shí)際測量的線圈電壓、電流、位移。從圖可以看出，實(shí)際測量的線圈電壓、線圈電流、鐵心位移信號(hào)與仿真計(jì)算十分接近，可以利用仿真計(jì)算程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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

4.2 分?jǐn)鄷r(shí)間測試

在此之前，本課題組研制的接觸器樣機(jī)首開相觸頭（B相）在 3.4萬次動(dòng)作實(shí)驗(yàn)期間的分?jǐn)鄷r(shí)間（指關(guān)斷直流保持激磁至觸頭打開時(shí)間）大約為3.98ms，但是其分?jǐn)鄷r(shí)間的變化范圍下限小于3.36ms，上限大于4.48ms。可見其分?jǐn)鄤?dòng)作分散性非常大，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(shí)間大約是電流過零前 0.3～0.9ms之間，或者說機(jī)構(gòu)釋放時(shí)間的整個(gè)變化范圍應(yīng)在0.6ms內(nèi)。因此上述機(jī)構(gòu)將造成零電流分?jǐn)嗟牟环€(wěn)定。

根據(jù)以上優(yōu)化計(jì)算結(jié)果加工了樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)分?jǐn)鄤?dòng)作時(shí)間進(jìn)行穩(wěn)定性的測試。該樣機(jī)按 1200次/小時(shí)操作頻率經(jīng)過 3.5萬次動(dòng)作實(shí)驗(yàn)期間其首開相觸頭分?jǐn)鄷r(shí)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(jī)首開相觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)間不僅大幅減小，而且該時(shí)間十分穩(wěn)定，為實(shí)現(xiàn)零電流分?jǐn)嗵峁┯欣麠l件。

為了解決快速分?jǐn)嗪笤斐墒组_相觸頭與非首開相觸頭的時(shí)間差無法保證的問題。本文在鐵心分?jǐn)嗪筮m當(dāng)時(shí)刻，控制分?jǐn)嘣偌ご烹娙萜鹘油ú⒖刂齐娙萜鹘油〞r(shí)間，利用電容器上儲(chǔ)存的能量為接觸器電磁系統(tǒng)再次提供強(qiáng)激磁能量，延緩非首開相觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)刻，使首開相觸頭與非首開相觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)刻差值滿足要求。空載條件下分?jǐn)噙^程相關(guān)信號(hào)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?jǐn)嗳嘤|頭的動(dòng)作時(shí)間要求。

圖5 分?jǐn)鄷r(shí)間測試波形Fig.5 Test waveforms of open time

4.3 零電流分?jǐn)嘣囼?yàn)

優(yōu)化后加工的樣機(jī)在福州大學(xué)低壓電器試驗(yàn)站進(jìn)行AC4電壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)過程的參數(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/小時(shí)。圖6是首開相觸頭（B相）在電流過零前0.4ms斷開的試驗(yàn)波形。從圖中可以看出：三相觸頭均在電流過零前很短的時(shí)間內(nèi)打開，電弧在過零時(shí)開斷，實(shí)現(xiàn)三相觸頭微電弧能量分?jǐn)啵医?jīng)過多次試驗(yàn)表明，首開相觸頭動(dòng)作時(shí)間十分穩(wěn)定。

圖6 零電流分?jǐn)嘣囼?yàn)波形Fig.6 Experiment waveforms of zero-current breaking

5 結(jié)論

（1）零電流分?jǐn)嗍侵悄芙涣鹘佑|器的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)的難點(diǎn)就是首開相觸頭分?jǐn)嗟臏?zhǔn)確性與穩(wěn)定性。然而由于電磁動(dòng)作機(jī)構(gòu)的分散性無法保證零電流分?jǐn)嗟目煽啃裕虼私鉀Q該問題是交流接觸器智能化技術(shù)研究的重點(diǎn)。

（2）本文提出動(dòng)作機(jī)構(gòu)快速釋放的思路是解決機(jī)構(gòu)分散性對(duì)首開相觸頭零電流分?jǐn)鄿?zhǔn)確性與穩(wěn)定性影響的重要措施。該措施不僅解決了一臺(tái)接觸器自身機(jī)構(gòu)分散性問題，同時(shí)解決了不同接觸器機(jī)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(yīng)用基于遺傳算法的人工魚群優(yōu)化算法的優(yōu)勢(shì)，對(duì)智能交流接觸器的電磁動(dòng)作機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jī)構(gòu)釋放動(dòng)作的分散性，實(shí)現(xiàn)了三相觸頭穩(wěn)定的分?jǐn)嗫刂啤?/p>

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

[1]Wada Masayoshi，Yoshimoto Hiroshi，Kitaide Yujiro.Dynamic analysis and simulation of electromagnetic contactors with AC solenoids[J]. Proceedings of IEEE 28th Annu, 2002, 4: 2745-2751.

[2]llee R, Gerlach G. An FEM-based method for analysis of the dynamic behavior of AC contactors[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2000, 36(4): 1337-1340.

[3]紐春萍, 陳德桂, 李興文, 等. 交流接觸器觸頭彈跳的仿真及影響因素[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2007,22(10): 85-90, 108.Niu Chunping, Chen Degui, Li Xingwen, et al.Simulation of contact bounce of AC contactor and study of its influence factors[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2007, 22(10): 85-90,108.

[4]許志紅, 張培銘. 智能交流接觸器零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)[J]. 電工電能新技術(shù), 2002, 21(4): 54-57.Xu Zhihong, Zhang Peiming. Zero current interrupt control of intelligent AC contactor[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy,2002, 21(4): 54-57.

[5]Mechler P. Simulation of AC arc faults in aircraft electrical networks[C]. 21st International Conference on Electrical Contacts, 2002: 2902-295.

[6]陳德桂. 低壓電器智能化的新技術(shù)[J]. 低壓電器2008(1): 1-5, 33.Chen Degui. New intelligent technique of low voltage apparatus[J]. Low Voltage Apparatus, 2008 (1):1-5,33.

[7]許志紅, 張培銘. 智能交流接觸器全過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 26(3): 14-16.Xu Zhihong, Zhang Peiming. Dynamic optimal design of intelligent AC contactor in the whole course[J].Proceedings of the CSEE, 2005, 26(3): 14-16.

[8]許志紅, 張培銘. 智能交流接觸器動(dòng)態(tài)吸合過程研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27(18): 108-113.Xu Zhihong, Zhang Peiming. Research on dynamic closing course of intelligent AC contactor[J].Proceedings of the CSEE, 2007, 27(18): 108-113.

[9]鄭昕, 許志紅, 張培銘. 智能交流接觸器自適應(yīng)零電流分?jǐn)嗟姆治雠c實(shí)現(xiàn)[J]. 電工電能新技術(shù), 2005,24(3): 77-80.Zheng Xin, Xu Zhihong, Zhang Peiming. Analysis and implemntation of zero-current breaking adaptive control in intelligent AC contactor[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy,2005, 24(3): 77-80.

[10]陳德為, 張培銘. 基于人工魚群算法的智能交流接觸器虛擬樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011,26(2): 101-107.Chen Dewei, Zhang Peiming. Virtual prototype optimal design of intelligent AC contactors based on artificial fish-swarm algorithm[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(2): 101-107.

[11]李曉磊, 邵之江, 錢積新. 一種基于動(dòng)物自治體的尋優(yōu)模式: 魚群算法[J]. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2002(11): 32-38.Li Xiaolei, Shao Zhijiang, Qian Jixin. An optimizing method based on autonomous animats: fish swarm algorithm[J]. Systems Engineering Theory & Practice,2002(11): 32-38.

[12]陳德為, 張培銘. 基于高速攝像機(jī)的智能交流接觸器動(dòng)態(tài)測試與分析技術(shù)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2010,31(4): 878-884.Chen Dewei, Zhang Peiming. High-speed camerabased intelligent AC contactor dynamic testing and analysis techniques[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2010, 31(4): 878-884.

[13]陳德為, 張培銘. 基于圖像測量的智能交流接觸器設(shè)計(jì)技術(shù)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(36):108-112.Chen Dewei, Zhang Peiming. Image measuring- based intelligent AC contactor design technology [J].Proceedings of the CSEE, 2009, 29(36): 108-112.

[14]鮑光海, 張培銘. 基于高速攝像機(jī)的電磁電器動(dòng)態(tài)特性測試及其圖像處理的研究[J]. 南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版), 2009, 31（4）: 376-380.Bao Guanghai, Zhang Peiming. The research of dynamic characteristics testing device for electromagnetic apparatus based on high speed camera and image processing[J]. Journal of Nanchang University(Engineering & Technology), 2009, 31(4): 376-380.