關于智能化交流接觸器的動態優化設計

趙忠英?施洋

摘 要：本文在采用智能優化算法進行交流接觸器的動態優化設計的基礎上，提出并實現了交流接觸器智能化的關鍵技術。交流接觸器智能化的關鍵技術研究包括智能優化設計、自適應控制并實現穩定可靠的零電流分斷和故障自檢等技術的研究。

關鍵詞：交流接觸器；動態響應；模糊綜合評判

目前在分析與設計低壓電器及其智能化產品時，仍然主要采用低壓電器傳統理論進行必要的理論推導。因此，產品設計與實際性能存在較大差異，需要反復修改和試驗，導致開發周期長、資金與人力投入大。這是電器設計的現狀、難點與瓶頸。隨著配電自動化程度的不斷提高，亟待開發能快速、準確測試電器動態特性，實現動態過程實時控制，并能對測量數據智能化處理的測試裝置。本文介紹了智能交流接觸器動態測試裝置，利用該裝置對智能交流接觸器的機構運動形態進行測試，結果顯示智能交流接觸器全過程動態優化設計技術的研究是智能電器設計的有效手段，是智能化電器虛擬動態優化設計的最新研究方向。

1.交流接觸器概述

交流接觸器是一種量大面廣電磁式電器，其工作原理是將電磁能轉換成為機械能，從而帶動執行部分觸頭動作。電磁系統是交流接觸器的心臟，電磁系統的好壞直接影響接觸器的機械壽命、電壽命與成本。目前，交流接觸器的電磁系統正在向節能、節材、提高壽命和可靠性方向發展。為了提高上述指標，電器工作者在結構設計、仿真計算、制造工藝、動態測試等方面做了丈量的研究工作。目前，交流接觸器的電磁系統的鐵心均為平極面。雖然該種電磁系統的結構簡單，易于加工，但其未充分利用銅鐵用材量，經濟性能差，而且動態吸力特性還可迸一步改進、提高。盡管交流接觸器改變鐵心極面形狀的方案早已提出，但始終未對這種方案進行耀人的分析研究。更沒有對其進行高性價比的智能動態優化設計。本文通過優化計算可以實現大幅減小鐵心和線圈而達到節材、縮小接觸器的體積、提高接觸器的壽命和工作可靠性的目的，從而大幅提高其經濟與技術指標。

2.動態特性計算模塊分析

動態特性計算模塊方便用戶計算現有樣機的吸合時間、運動速度、吸反力配合等動態特性，或改變部分參數查看計算結果是否滿足設計要求.以某種額定電壓為220V的交流接觸器為例，仿真、比較其電磁機構的動態特性。額定電壓下，不同合閘相角時吸合過程動態特性在同一電壓、不同合閘相角下銜鐵吸合時間、末速度、峰值電流均不相同.末速度反映了鐵心撞擊能量，在吸合時間滿足要求的前提下，可通過尋找最佳合閘相角或改變相應參數減小鐵心末速度，以提高交流接觸器的使用壽命，該接觸器在900時撞擊能量較小。額定電壓下，當交流接觸器處于吸持階段時，即工作在穩定運行狀態，主要關心產生的噪聲、吸持功耗及線圈繞組溫升等問題。在該階段，各變量呈周期性變化，與合閘相角無關。此次研究對象在額定電壓下，吸持階段最小吸力為10.57N，反力為6.89N，能夠保證接觸器穩定運行時不會產生振動噪聲。可以由吸持階段電流有效值計算吸持功耗，并結合牛頓公式估算線圈穩定工作時的溫升，作為接觸器優化設計時的約束條件。

3.斜極面交流接觸器優化計算

斜極面交流接觸器在打開位置，線圈激磁電流相同時其靜態吸力遠高于平極面的靜態吸力，顯然采用斜板面將有很大技術經濟方面的潛力。困此本文對其電磁系統進行優化設計，從而充分利用該空間以提高其技術經濟指標。

3.1優化計算

由于人工魚群算法對初值要求不高，根據約束條件和技術要求隨機產生50條人工魚群，同時設定迭代次數；各組人工魚利用聚集行為和追尾行為進行尋優計算，當連續出現3次最優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，防止出現局部最優值。這樣既可以提高收斂速度又能保證全局搜索能力，鐵心厚度減少了一半，這樣可以節約硅鋼片50%，另外線圈的線徑也減小了43%左右，由于鐵心厚度減小了，線圈的平均匝長也減小了，這樣可以節約銅達70%以上。

3.2優化算法

遺傳算法（genetic algorithm，GA）是Holland教授首先提出來的一類仿生型進化算法。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。其優點是：具有大范圍全局搜索的能力，與問題領域無關；搜索從群體出發，具有潛在的并行性；可進行多值比較，魯棒性強；搜索使用評價函數啟發，過程簡單；使用概率機制進行迭代，具有隨機性，可擴展性，容易與其它算法結合。但是GA算法對于系統中的反饋信息利用不夠。人工魚群算法（artificial fish 8waFIn algorithm，AFSA）是模擬魚群行為的一種基于動物自治體的優化方法，是集群智能思想的一個具體應用。它能很好地解決函數優化等問題。它的主要特點是：只需要比較目標函數值，對目標函數的性質要求不高；對初值的要求不高；對參數設定的要求不高；具備并行處理的能力，尋優速度較快；算法具備全局尋優的能力。雖然該算法優點較多，但也存在明顯的不足，主要表現：當尋優的域較大或處于變化平坦的區域時，收斂于全局的最優解速度減慢、搜索性能劣化；算法一般在優化初期具有較快的收斂性，后期卻收斂較慢。本文吸取遺傳算法和人工魚群算法的優點，將遺傳算法和人工魚群算法有機結合應用于斜極面交流接觸器的電磁系統優化計算中。

4.結束語

以ANSYS有限元軟件為基礎，采用基于遺傳算法的人工魚群優化算法對斜極面交流接觸器進行動態優化計算，優化結果表明，斜極面交流接觸器電磁系統與平極面交流接觸器電磁系統相比，可以大幅度節材，其中硅鋼片節約50%，銅材節約達70%以上。而且吸合過程鐵心撞擊時末速度與單位面積撞擊能量比平極面交流接觸器低，分斷速度比平極面交流接觸器高。因此，一定斜角的斜極面電磁系統具有很高的技術經濟指標，在解決其加工工藝后將是一種很好的選擇，可應用于各種交流電磁鐵、交流接觸器等產品。

參考文獻：

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