基于Adams的智能交流接触器动力学仿真与试验研究

王彬哲，章上聪，吴桂初，舒 亮

(温州大学浙江省低压电器智能技术重点实验室,浙江温州 325000)

智能交流接触器是一种基于电子控制技术，实现对传统交流接触器节能特性改造，具备节能、节材、高寿命、低噪声等特点的新型接触器[1-7]．由于智能交流接触器的电磁和机械结构发生变化，从而导致其动态特性也随之改变，因此，研究新一代智能交流接触器的动态响应特性的试验和仿真方法，对于智能交流接触器结构的优化设计以及提高电寿命、机械寿命和可靠性具有重要意义．

针对交流接触器的动态响应仿真技术、虚拟样机技术、磁路研究，现阶段学者们取得了相应的成果．文献[8]基于等效磁路方法提出了一种对智能交流接触器弱磁控制的改进方法，文献[9]基于等效磁路方法建立了可用于教学使用的接触器参数化模型，文献[10]采用虚拟样机技术对接触器的动态特性进行了仿真，提出了一种最优的脉宽调制方案，等等．目前此类研究主要采用理论和数值分析方法，所针对的对象也是局限于接触器的铁心和触头等局部部件，并不能全面体现接触器的整体电磁耦合动态特性．采用Runge-Kutta法求解磁机耦合，效率较低，需要进一步优化．

本文基于Adams和有限元软件，通过二维插值算法对接触器电磁力和动态特性进行求解，实现了对智能交流接触器动力学响应过程的完整描述；通过建立高速多信号同步数据采集系统，实现了对智能交流接触器动力学响应过程中各参数的同步采集．

1 工作原理

图1为交流接触器的几何模型，由于固定部件不参与动力学仿真研究，因此模型中移除了固定部件．智能交流接触器系统框图如图2所示，其主要由整流电路、驱动电路、过零检测电路、线圈等部分组成．

图1 交流接触器几何模型Fig 1 Geometric Model of AC Contactor

图2 智能交流接触器原理图Fig 2 Schematic Diagram of Intelligent AC Contactor

通过对输入电压进行检测，采用选相合闸控制策略实现对输入电压的合闸相位角控制，输出脉宽调制（PWM）波形驱动IGBT，达到对接触器吸合和吸持阶段线圈电压电流的控制．

2 数学模型

接触器工作时，衔铁通过励磁线圈激励产生电磁吸力，电磁力的大小与励磁电流和衔铁之间的空气间隙相关．在衔铁的带动下，动触头一起向下作吸合运动，由于衔铁的运动导致空气间隙改变，进而改变电磁吸力的大小，最终引起交流接触器的动力学行为发生改变，这是一个磁-机耦合的动力学过程，其控制方程可以用下面的方程进行表示：

方程（1）和（2）共同描述了在外加交流电压下接触器电磁系统的动态特性和机械部件的动力学响应，其中x表示机械运动部件的运动位移，m表示整体运动部件的质量，c表示阻尼；在电压-电流方程（1）中，i表示线圈回路电流大小，Ψ表示电磁回路中的总磁通量，在机械动力学方程（2）中，表示电流产生的电磁力，Ff（x）表示接触器分合闸过程中受到的弹簧作用力．

文献[12]和[13]的研究结果表明，电磁作用力是线圈回路电流i和运动位移x的二元函数，对于同样大小的电流，气隙的变化会影响电磁力大小的分布，而电磁作用力的改变反过来又会引起系统运动速度和位移的变化，进而引起电气回路方程中电变量的改变，这体现为接触器分合闸过程中的电磁-机械耦合作用．求解方程（1）和（2），通常采用四阶Runge-Kutta法进行，再通过有限元方法计算得到静态条件下电磁作用力与回路电流i、运动位移x的二元分布关系，将方程（1）在时间域上进行离散，得到：

方程（3）主要基于迭代方法对接触器中的磁路进行计算，在文献[11]和[12]中基于类似的方法进行了接触器动力学计算，但是该流程只可以对动铁芯的力学特性仿真，针对动触头的动态响应无法分析得到，尤其是当超程存在时，类似这样的仿真流程的弊端比较明显，无法计算触头和超程的影响，同时在计算精度上得不到保障．

为了解决上述问题，基于有限元求解方法对不同励磁电流和触头位移的磁路进行计算，其结果如图 3所示．运动部件受到电磁吸合力的作用，当吸合作用大于反力作用时，接触器运动部件开始合闸操作，其中，合闸过程中电磁吸合力磁通Ψ的计算公式为：

式中Fm表示电磁吸力，A表示接触器铁芯面积，N表示线圈匝数密度，0μ表示真空磁导率．

图4为接触器在Adams软件中的几何模型．通过对Adams的二次开发，实现了对接触器动力学响应的数值求解，可以很好地描述衔铁、触头的位移过程．

图3 接触器磁路磁通二维曲线图Fig 3 Two-dimension Curve Graph of Magnetic Flux Magnetic Circuit of Contactor

图4 Adams接触器几何仿真模型Fig 4 Adams Geometric Simulation Model of AC Contactor

通过采用自定义函数实现了对方程（1）和（2）的耦合求解．从而研究了动力学响应算法，其流程图如图5所示．通过建立与的映射表格，实现对二元函数差值和电流范围的确定，其中和xl分别表示位移和电流与单个输入变量对应时的左边界值，ir和xr表示对应的右边界值．

3 仿真与试验结果

图5 磁-机耦合方程求解流程图Fig 5 Flow Chart of Magnetic-machine Coupling Equation

通过建立多信号同步数据采集系统，实现对接触器分断过程中的位移、加速度、速度、电流等指标的数据采集，从而实现对仿真与试验结果的验证．该数据采集系统分为硬件和软件两个部分．硬件部分包含PC机、同步高速NI数据采集卡、激光位移传感器、接口输入隔离电路；软件基于虚拟技术 LABVIEW 建立测试系统．图6为智能交流接触器动态特性测试系统框图，测试系统的软件界面如图7所示．由于接触器动态过程中的实时同步信号包含激光位移传感器的弱点信号也包含输入电压电流等强电信号，因此，为了提高彼此相互干扰，本文增加了线性光耦隔离电路．

图6 智能交流接触器动态特性测试系统框图Fig 6 Test System Chart for Dynamic Characteristic of Intelligent AC Contactor

本文采用的样机为额定380 V的智能交流接触器，通过脉宽调制方案后的接触器位移和电流的实时同步数据如图8所示．通过对比不同的脉宽调制方案下的线圈电流变化，改进智能接触器控制模块．

试验根据接触器吸合和吸持中PWM的不同占空比分组．第一组：吸合、吸持占空比都为0.7；第二组：吸合PWM占空比为0.7，吸持的为0.08．图8（a）和图8（b）分别为这两种不同控制方案下吸合与吸持过程中线圈电流、位移、以及PWM的测试波形．对比图8（a）与图8（b）可知，在吸合阶段，较大的占空比有利于动静衔铁的可靠吸合．在运动反向电动势作用下，线圈电流迅速下降，动静衔铁闭合后，运动反向电动势消失．第一组方案中，由于动静衔铁闭合，运动反向电动势消失，同时PWM占空比仍然较大，因此无法抑制线圈电流增长．从而使线圈电流在吸持阶段保持一个较大的值．第二组方案中，虽然运动反向电动势消失，但是由于采用0.08的低占空比，使输入电压不足以让线圈电流持续上升，从而实现在吸持阶段维持较低线圈吸持电流．因此通过调节PWM的占空比可以有效调节吸持过程中线圈的励磁电流大小，进而减小吸持功耗，实现节能、减小温升的目的，保证了接触器的使用寿命．

图7 测试系统的用户操作界面Fig 7 User Interface of Test System

图8 保持阶段不同控制方案下的测试波形图Fig 8 Test Oscillogram of Different Control Scheme in the Holding Time

接触器Adams数值计算结果与试验测试曲线对比如图9所示，其中图9（a）为吸合位移曲线对比结果，图9（b）为速度曲线对比结果．由于采用了多路并行信号采集系统，试验测试中可以对PWM脉冲、位移、速度等多路信号进行同时采集，增加了对比的可行性．分析图9（a）中的曲线可得，本文所建立的仿真模型对智能交流接触器的运动位移、吸合时间可以较好地预测，对接触器结构的优化设计提供了有效的计算方法．图9（b）为吸合运动速度的预测结果，可以看到衔铁的整体速度特性可以较准确地预测，包括吸合过程以及因衔铁与静铁芯发生机械碰撞而引起的速度突变等现象，在模型仿真中都可以得到较准确的体现．速度曲线的仿真误差相比位移曲线的较大，这是因为在仿真过程中没有考虑机械阻尼对于系统动态特性的影响，由于速度是位移曲线在时间上的微分，相对位移数据更加敏感，因而在速度曲线上体现出来的误差较位移曲线明显．总体来说，本文所建立的数值仿真方法可以对接触器的动态特性进行较准确的仿真．

图9 Adams仿真与试验测试数据对比Fig 9 Comparison Between Adams Simulation and Experimental Test Data

4 结 论

本文基于 Adams和有限元软件给出了一种对智能交流接触器动态特性进行磁机耦合的数值求解和仿真方法，试验数据与仿真结果能够较好吻合，因此，本文所建立的模型对智能交流接触器的动态特性能够实现较好的预测．

参考文献

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