智能接觸器準(zhǔn)臨界電流搜索自起動(dòng)控制

莊杰榕 許志紅

關(guān)鍵詞：數(shù)字閉環(huán);下降拐點(diǎn);自起動(dòng);準(zhǔn)臨界電流;模糊觀測(cè)

DOI：10.15938/j.emc.2019.06.000

中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007 -449X（2019）06 -0000 -00

Abstract：A selfstarting control strategy with quasicritical current for intelligent contactor was proposed. The forced down phenomenon of coil current was analyzed and the constraint condition for current closedloop was inferred. Based on these， the universal feedback signal of movement of contacts was established. Thus the quasicritical starting current was obtained when turning point occurred. By fuzzy observation， the starting current for contactor of different capacity was provided for the first time. A digital closedloop control method with opposite polarity voltage was designed. The high response online current search was used to approach critical starting current under the current working condition， in order to realize selfstarting process control with coordination between attraction and counterforce. The proposed control strategy which is insensitive of contactor parameters change and voltage fluctuation， can adaptively search for the quasicritical current to suppress the contact bounce. At the same time， it has the advantages of starting block fault alarm， coil overcurrent protection and so on. The effectiveness of the control strategy is verified by the related simulations and experiments.

Keywords：digital closedloop;dropping turning;selfstarting;quasicritical starting;current fuzzy observation

0 引 言

高性能的智能接觸器在新能源并網(wǎng)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域中承擔(dān)著可靠通斷電路的控制任務(wù)，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可及研究[1-4]。文獻(xiàn)[5-7]分別采取實(shí)驗(yàn)歸納及數(shù)值仿真方法，分析交流接觸器最佳的合閘相角，設(shè)計(jì)選相控制方案，一定程度上抑制了觸頭彈跳;文獻(xiàn)[8-11]將電磁系統(tǒng)的勵(lì)磁方式由交流變換為直流，實(shí)現(xiàn)無分磁環(huán)的本體結(jié)構(gòu)，顯著減小磁滯渦流損耗，開關(guān)可節(jié)能無聲運(yùn)行;文獻(xiàn)[12-16]引入電壓或電流反饋，快速調(diào)節(jié)電磁機(jī)構(gòu)勵(lì)磁狀態(tài)，解決開環(huán)控制缺陷，實(shí)現(xiàn)電磁系統(tǒng)交直流通用、寬電壓運(yùn)行，觸頭系統(tǒng)彈跳抑制等;文獻(xiàn)[17-19]分別基于電磁機(jī)構(gòu)的磁路模型、電路模型及動(dòng)態(tài)仿真分析，實(shí)現(xiàn)永磁接觸器位移分段PWM控制;文獻(xiàn)[20]將模型預(yù)測(cè)融入接觸器運(yùn)動(dòng)過程仿真，改變電壓施加時(shí)間進(jìn)而調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，顯著減小因開關(guān)投切彈跳引起的系統(tǒng)暫態(tài)涌流。總結(jié)以上文獻(xiàn)，勵(lì)磁電流曲線是直接影響接觸器吸合過程吸反力配合的重要參數(shù)，間接關(guān)系到觸頭彈跳和動(dòng)作穩(wěn)定性。文獻(xiàn)中大多通過離線方法獲取這一關(guān)鍵控制參量，離線方法可分為機(jī)理建模和試驗(yàn)，得到的控制規(guī)律具有一定效果。然而，離線參量始終指導(dǎo)接觸器在線時(shí)變的運(yùn)行狀態(tài)，局限性大：接觸器規(guī)格種類繁多，反力等特性不同;運(yùn)行工況日益復(fù)雜，以安裝于海上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的接觸器為例，面臨高低溫、電壓大幅波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)等復(fù)雜工作條件，極大地增加機(jī)理建模和試驗(yàn)調(diào)試的周期和難度;建模依賴接觸器實(shí)際參數(shù)和假設(shè)條件，即便針對(duì)固定的本體，接觸器長(zhǎng)期運(yùn)行后自身特性發(fā)生改變，離線建立的模型與實(shí)際模型逐漸脫節(jié);實(shí)驗(yàn)室難以完全復(fù)現(xiàn)實(shí)際工況，離線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)接觸器的長(zhǎng)期控制指導(dǎo)意義有限;電磁系統(tǒng)與觸頭系統(tǒng)在電氣上各自獨(dú)立，缺少機(jī)械狀態(tài)反饋?zhàn)兞渴侵萍s接觸器在線控制的重要原因。接觸器裝配緊湊，在有限的空間安裝位移等機(jī)械信號(hào)傳感器，不可避免帶來運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量的增加，影響接觸器運(yùn)行狀態(tài)，傳感器需要頻繁承受振動(dòng)沖擊，成為機(jī)械上的薄弱點(diǎn)。

為解決上述缺陷，本文提出智能接觸器準(zhǔn)臨界電流搜索自起動(dòng)的控制思路：對(duì)運(yùn)動(dòng)反電勢(shì)引起線圈電流強(qiáng)迫下跌現(xiàn)象進(jìn)行分析，推導(dǎo)得出區(qū)分電流閉環(huán)調(diào)節(jié)與電流強(qiáng)迫下跌的電壓約束條件，在此約束條件下，電流下降拐點(diǎn)與觸頭閉合時(shí)刻存在時(shí)間近似關(guān)系，間接建立起反映觸頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的通用反饋信號(hào)，無需添加額外的機(jī)械傳感器，不依賴接觸器的具體參數(shù);采用雙極性數(shù)字電流閉環(huán)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的線圈電流變換，以臺(tái)階方式進(jìn)行在線搜索，將下降拐點(diǎn)處的線圈電流定義為準(zhǔn)臨界電流，不斷逼近當(dāng)前工況下的起動(dòng)臨界電流;采用模糊觀測(cè)器建立起動(dòng)電流的通用預(yù)判模型，將人為經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)字量，從而預(yù)估不同容量接觸器首次起動(dòng)電流的在線搜索范圍，為搜索區(qū)間的劃分提供依據(jù)。所提控制策略無需機(jī)理建模就可自適應(yīng)地獲取準(zhǔn)臨界起動(dòng)電流，完成吸反力良好配合的自起動(dòng)過程，對(duì)電壓波動(dòng)、本體參數(shù)變化不敏感。

4 結(jié) 論

本文提出一種準(zhǔn)臨界電流搜索自起動(dòng)控制策略，通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1）分析線圈電流強(qiáng)迫下跌的變化規(guī)律，得出區(qū)分電流閉環(huán)調(diào)節(jié)與強(qiáng)迫下跌的約束條件，間接建立反映觸頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的通用反饋信號(hào);

2）設(shè)計(jì)雙極性數(shù)字電流閉環(huán)，基于觸頭狀態(tài)反饋信號(hào)，進(jìn)行高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的電流搜索，不斷逼近當(dāng)前工況下的起動(dòng)臨界電流，實(shí)現(xiàn)吸反力良好配合的自起動(dòng)過程控制;

3）建立模糊觀測(cè)模型，無需機(jī)理建模，以靜態(tài)電阻、電感為輸入量，為參數(shù)未知的接觸器提供自起動(dòng)預(yù)判電流初值;

4）控制策略能夠自適應(yīng)獲取準(zhǔn)臨界起動(dòng)電流，抑制觸頭彈跳，同時(shí)具有卡澀故障警報(bào)、線圈過流保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 許志紅.控制電器服務(wù)于能源管理系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)[J].電器與能效管理技術(shù)，2013，（1）：14.

XU Zhihong. Technology solutions of control electric apparatus service in energy management system[J].Electrical & Energy Management Technology，2013，（1）：14.

[2] 王建華，張國鋼，耿英三，等.智能電器最新技術(shù)研究及應(yīng)用發(fā)展前景[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（09）：1.

WANG Jianhua，ZHANG Guogang，GENG Yingsan，et al.The latest technology research and application prospects of the intelligent electrical apparatus[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30（9）：1.

[3] 徐殿國， 劉瑜超， 武健. 多端直流輸電系統(tǒng)控制研究綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2015， 30（17）：1.

XU Dianguo， LIU Yuchao， WU Jian. Review on control strategies of multiterminal direct current transmission system[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015， 30（17）：1.

[4] THEISEN P.Emerging renewable energy and storage application demand modern DC switching Technologies for control and protection[C]//Morton Antler Lecture， 56th IEEE Holm Conf. Elect. Contacts， Oct. 4-7， 2010.

[5] 汪先兵，倪受春，林鶴云，等.智能永磁接觸器選相控制技術(shù)[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2012，16（10）：63.

WANG Xianbing， NI Shouchun，LIN Heyun，et al.Control technique of selection phase angle for intelligent permanent magnet contactor [J].Electric Machines and control， 2012，16（10）：63.

[6] KANOKBANNAKORN W，SAENGSUWAN T，SIRISUKPRASERT S.A novel simulation of AC magnetic contactor based on electromagnetic transients program[J]. Ieej Transactions on Electrical & Electronic Engineering， 2014， 9（2）：144.

[7] 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.

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.

[8] 莊杰榕， 許志紅. 基于升壓斬波級(jí)聯(lián)方式的接觸器控制模塊設(shè)計(jì)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2016， 36（15）： 4281.

ZHUANG Jierong，XU Zhihong.Design of the contactor control module based on the cascade boostchopper [J].Proceedings of the CSEE，2016，36（15）：4281.

[9] RAMIREZLABOREO E， SAGUES C，LLORENTE S. A new runtorun approach for reducing contact bounce in electromagnetic switches[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2017， 64（1）：535.

[10] 湯龍飛， 許志紅. 交流電磁閥智能控制模塊設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2014， 29（5）：246.

TANG Longfei，XU Zhihong.Design of an intelligent control module for AC electromagnetic valves[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014， 29（5）：246.

[11] ESPINOSA A G， RUIZ J R R， CUSID J，et al. Closedloop controller for eliminating the contact bounce in DC core contactors[J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies， 2010， 33（3）： 535.

[12] 劉穎異，陳德桂，紐春萍，等.帶電壓反饋的智能接觸器動(dòng)態(tài)特性及觸頭彈跳的仿真與研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（30）：20.

LIU Yingyi，CHEN Degui，NIU Chunping，et al.Analysis and simulation of dynamic behavior and contact bounce for an intelligent contactor with feedback mechanism[J].Proceedings of the CSEE，2007，27（30）：20.

[13] TANG L， XU Z， VENKATESH B. Contactor modeling technology based on an artificial neural network[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2017， 54（2）：1.

[14] LIN H， WANG X， FANG S， et al. Design， optimization， and intelligent control of permanentmagnet contactor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013， 60（11）： 5148.

[15] 許志紅，湯龍飛. 智能交流接觸器一體化仿真及數(shù)字控制技術(shù)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（11）：2870.

XU Zhihong，TANG Longfei.Cosimulation and digital control technology of the intelligent AC contactor[J].Proceedings of the CSEE，2015，35（11）：2870.

[16] 劉穎異，陳德桂，袁海文，等.帶電流反饋的永磁接觸器動(dòng)態(tài)特性仿真與分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（15）：118.

LIU Yingyi，CHEN Degui， YUAN Haiwen，et al.Simulation and analysis on dynamic characteristics of permanent magnetic contactor with current feedback[J].Proceedings of the CSEE，2010，30（15）：118.

[17] 汪先兵，林鶴云，房淑華，等. 永磁接觸器位移分段PWM控制及吸合過程動(dòng)態(tài)特性分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（03）：113.

WANG Xianbing，LIN Heyun，F(xiàn)ANG Shuhua，et al.Analysis of displacement subsection PWM control and dynamic characteristic for closing process of permanent magnet contactor[J].Proceedings of the CSEE，2010，30（03）：113.

[18] WANG X， LIN H， HO S L， et al. Analysis of dynamic characteristics of permanent magnet contactor with sensorless displacement profile control[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2010， 46（6）：1633.

[19] 汪先兵，林鶴云，房淑華，等.無位置傳感器的智能永磁接觸器弱磁控制及合閘動(dòng)態(tài)特性分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（18）：93.

WANG Xianbing，LIN Heyun，F(xiàn)ANG Shuhua，et al.Analysis of fluxweakening control and dynamic characteristic for making process of sensorless intelligent permanent magnet contactor[J].Proceedings of the CSEE，2011，31（18）：93.

[20] 郭凱偉，王立國，張超羽，等. 基于模型預(yù)測(cè)控制的接觸器開關(guān)彈跳抑制研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2017，（09）：269.

GUO Kaiwei， WANG Liguo， ZHANG Chaoyu， et al. Research on suppressing bounce of synchronization contactor based on model predictive control[J]. Proceedings of the CSEE，2017，（09）：269.

（編輯：賈志超）