智能交流接触器优化设计研究

2015-10-19江苏省徐州机电工程高等职业学校季晓明

电气技术与经济 2015年2期

关键词：接触器线圈寿命

江苏省徐州机电工程高等职业学校季晓明

智能交流接触器优化设计研究

江苏省徐州机电工程高等职业学校季晓明

本文提出了较全面的智能交流接触器优化设计的概念。采用基于遗传算法的人工鱼群优化算法的交流接触器虚拟优化设计方法，对智能交流接触器进行优化设计，提出并实现了交流接触器智能化的关键技术。

交流接触器智能化技术人工鱼群优化算法零电压接通

0　引言

据统计，80%的发电功率消耗于低压电网中。因此，智能电网建设给智能电器的发展带来机遇，智能电器是智能电网重要的组成部分。低压电器智能化技术采用智能虚拟优化设计技术，并在智能化技术、传感技术与信息技术基础上实现全过程优化控制与保护运行，从而大幅提高性能指标及运行可靠性，功能得到增强。

交流接触器广泛应用于电气系统中。若不正常运行将造成生产线不能正常工作，造成较大经济损失。目前主要针对智能交流接触器的研究已引起国内外电器领域的关注，但是对交流接触器智能化关键技术的研究仍未取得突破。为此对交流接触器智能化技术开展了大量研究工作。文献［1］中提出了智能交流接触器吸合过程动态控制的概念。对于不同的激磁电压，自适应地调节控制参数，减少铁心撞击，从而减少触头磨损。文献［2］中通过改变交流接触器触头系统的结构，使三相触头系统具有不同的开距，实现了传统交流接触器无法实现的零电流分断控制技术。文献［3］中采用基于蚁群算法和人工神经网络的智能交流接触器全过程动态优化设计方案。利用线圈感应电势来预测交流接触器磁路中磁通的变化规律。

基于以上，本文提出了适应智能电网需要的具有综合智能化功能的交流接触器技术，并研制出样机。该样机应用ANSYS电磁场软件及人工鱼群算法对智能交流接触器电磁系统的动态过程进行虚拟优化设计的基础上，实现三相触头零电流分断、首开相零电压接通、铁心撞击能量大幅减小、触头弹跳大幅减轻、状态检测与故障诊断（自检）、节能与通信功能、寿命预测等特点，从而将交流接触器智能化技术水平提高到新的高度。

1　结构方案

此样机是基于CJ40-100交流接触器结构形式的触头不同步智能交流接触器，其结构如图1所示。该智能交流接触器首开相（B相）的开距大于A、C两相的开距，非首开相的分断时间比首开相滞后5ms左右，只要控制好首开相的分断时刻，就可实现三相触头的零电流分断控制。智能交流接触器的控制原理如图2所示。

图l　触头结构

图2　控制原理框图

2　优化设计

本文将遗传算法和人工鱼群算法有机结合并应用于智能交流接触器的电磁系统优化计算中。该算法吸取遗传算法和人工鱼群算法的优点，解决了人工鱼会随机游动或在非全局极值点大量聚集等问题，显著提高了算法的全局搜索能力与运行效率。

本文在保证交流接触器可靠吸合、铁心撞击能量大幅减小的前提下，使机构释放时间最短，尽可能减少机构动作的分散性影响了零电流分断的效果，为交流接触器可靠零电流分断奠定基础。

2.1确定优化变量

交流接触器的工作方式为直流起动及保持，采用不加装分磁环的铁心。在适当提高反力特性的条件下，以合闸相角与吸合过程控制程序、电磁系统结构参数为优化变量，优化设计其动态过程。

2.2目标函数

为了获得最短的分断时间，将目标函数转化为在保证可靠吸合、很小的铁心单位面积撞击能量的条件下交流接触器运动部件质量为最小。

2.3优化计算分析

根据遗传算法和人工鱼群优化算法的计算原理，编制交流接触器智能化电磁系统优化计算程序，计算程序流程如图3所示。

2.4优化结果测试与分析

吸合过程：优化后吸合过程铁心单位面积撞击能量大幅减小，提高了机械寿命。同时采用基于高速摄像机与图像处理的电器动态测试装置验证了该样机动态过程仿真计算的正确性。

分断过程：对样机分断动作时间进行稳定性测试。样机按1200次/h操作频率经过3.5万次动作后其首开相触头分断时间始终保持在2.72～2.92ms，即变化范围为0.22ms。大幅度减小了机构动作的分散性，提高了分断过程的稳定性，从而完全满足零电流分断的要求（见表）。

图3　优化算法流程图

表1　计算结果

3　自适应零电压接通

交流接触器合闸时将自适应地按不同的激磁电压执行不同的控制程序。在交流接触器合闸过程中，触头的弹跳对交流接触器AC3电寿命影响较大。因此，在机构吸合过程，强激磁采用分段控制的方法，可减小甚至消除触头的弹跳。

如果实现首开相触头在电压过零点附近闭合，将提高其AC3电寿命，因为首开相触头的超程小于非首开相触头。图4为控制参数为：通18ms，断2ms，通lms情况下首开相零电压接通的测试波形。

图4　首开相零电压接通测试波形

4　三相零电流分断试验

如上所述，该智能交流接触器从结构与控制上实现非首开相触头的分断时间比首开相触头滞后5ms左右，因此只要控制好首开相触头的分断时刻，就可实现三相触头的零电流分断控制。

根据优化计算结果加工的样机进行ACA电寿命试验，试验过程的参数为：试验电压380V，试验电流600A，试验时操作频率为600次/h。图5是首开相触头（B相）在电流过零前0.4ms断开的试验波形。图中显示三相触头均在电流过零前很短的时间内打开，电弧在过零时开断，实M三相触头微电弧能量分断。而H经过多次试验表明，三相触头释放动作时稳定。

图5　零电流分断试验波形

5　自检功能

交流接触器是电力系统中最常用的控制电器。它发生故障时将严重影响系统生产过程的正常进行。

5.1故障判断

该样机可以利用电流传感器来实现交流接触器一些常规故障的判断，主要有以下几个方面：

（1）吸合阶段：交流接触器在吸合阶段的故障主要表现为交流接触器不动作或动作不正常，比如：线圈断线、线圈过热、机构卡住等。智能交流接触器在同一电压下采用同一种控制方案，合闸相角固定，合闸时间也是比较固定的。在单片机发出合闸命令后会先检测首开相的电流，如果相对较长的时间内检测不出电流信号即可以判断交流接触器发生故障。若线圈电流不正常则表明机构卡住，线圈没有电流信号则表明线圈断线。

（2）分断阶段：交流接触器在分断过程的故障主要表现为交流接触器不释放或延时释放，如触头熔焊、剩磁太大、极面油污等。从测试结果可知，通过优化设计后的交流接触器释放时间较稳定，分散性很小。因此，在单片机发出分断信号后，通过检测首开相的电流信号来判断交流接触器分断时间，若较长时间仍存在电流信号，可判断为上述故障状态。

当交流接触器发生上述故障后，设备一般会采用通信的方式提醒用户进行及时维护处理，降低故障损失。

5.2自适应零电流分断控制

虽然交流接触器的分断时间已很稳定，但是如果交流接触器的动作机构分断时间因为某些原因产生迟滞现象，这个现象可能导致零电流分断的失败。

在单片机给出分断触发信号后，如果多次检测到首开相电弧在下一个电流零点处没有熄灭，就须以首开相电流传感器提供的电弧电流信号为依据，修改存放于EEPROM中的接触器线圈断电控制的时间值，从而自动修正该值，使触头打开时刻重新落在最佳分断区域内，实现自适应控制。

6　寿命预测

在使用过程中，由于电弧侵蚀、触头磨损等原因将使交流接触器的触头超程不断变小，直至交流接触器失效，也就是电寿命结束。因此，有必要对交流接触器的寿命进行预测，以减少事故发生率。电寿命主要体现在交流接触器触头的超程。铁心碰撞的时刻就是触头闭合后线圈电流突降至保持状态电流值的时刻，因此可事先将交流接触器在电寿命即将结束状态下首开相触头闭合的电流信号到线圈电流突降至保持状态电流值的时间差△t1存入单片机的EEPROM，在交流接触器运行的吸合阶段通过检测首开相电流互感器信号和线圈电流突降信号可获得时间差△t2。当△t2≤△t1时，交流接触器的电寿命接近终结，同样提醒用户及时进行维护。寿命预测示意图如图6所示。