交流接觸器零電流分?jǐn)嘀悄芸刂品椒ㄑ芯?/h1>
2020-04-13 02:20:56陳歲歲馬永斌
通信電源技術(shù) 2020年4期
李 娟，陳歲歲，馬永斌
（商丘工學(xué)院信息與電子工程學(xué)院，河南 商丘 476000）
0 引 言
由于交流接觸器在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)斷開(kāi)電路的選擇具有一定的隨機(jī)性，同時(shí)對(duì)于作業(yè)頻繁且任務(wù)艱巨的交流接觸器，其在接通和分?jǐn)嚯娐冯娏鬟^(guò)程中，需要承受額定電壓下5 倍的額定電流，所以交流接觸器在工作過(guò)程中觸角會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的電弧，該電弧具有一定的危險(xiǎn)性和破壞性。實(shí)際上，交流接觸器零電流分?jǐn)噙^(guò)程中觸角產(chǎn)生的電弧問(wèn)題，將直接影響到交流接觸器的使用壽命、分段效果、運(yùn)行的穩(wěn)定性和交流接觸器各項(xiàng)性能指標(biāo)[1]。傳統(tǒng)控制方法由于控制效率較低，且不能取得較好的控制效果，所以此次對(duì)交流接觸器零電流分?jǐn)嘀悄芸刂品椒ㄟM(jìn)行研究。實(shí)現(xiàn)交流接觸器零電流分?jǐn)噙^(guò)程控制，同樣也是對(duì)所謂交流接觸器微電弧能量的分?jǐn)嗫刂?，是現(xiàn)代電器共同想要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。
1 交流接觸器零電流分?jǐn)嘀悄芸刂品椒?/h2>
通常交流接觸器在運(yùn)行過(guò)程中，其三相電流的相位相差150°。在交流接觸器運(yùn)行過(guò)程中，必有一相電流最先過(guò)零點(diǎn)。假設(shè)某相電流先過(guò)零點(diǎn)，并且該相電弧首先熄滅，此時(shí)另外兩相弧隙仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)。如果交流接觸器觸頭第一相角區(qū)打開(kāi)，那么該相區(qū)電流將會(huì)首先通過(guò)零點(diǎn)，該相成為交流接觸器的首開(kāi)相[2]。 如果在經(jīng)過(guò)該相區(qū)時(shí)，交流接觸器的觸頭電弧在經(jīng)過(guò)零點(diǎn)時(shí)熄滅，交流接觸器電路中的電流成為線電流i1，則此時(shí)線電流i2的零點(diǎn)正好對(duì)應(yīng)在電流i1的峰值，再經(jīng)過(guò)10 ms 時(shí)間線電流i3會(huì)通過(guò)零點(diǎn)，所以交流接觸器零電流分?jǐn)嘀悄芸刂谱钪匾彩亲詈诵牡氖强刂坪媒涣鹘佑|器的電勢(shì)釋放時(shí)間。
1.1 擬合交流接觸器零電流分?jǐn)嚯妱?shì)變化曲線
由于交流接觸器零電流分?jǐn)噙^(guò)程具有非線性特征，無(wú)法用數(shù)學(xué)表達(dá)式計(jì)算出其分?jǐn)嚯妱?shì)變化規(guī)律曲線，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度非線性映射功能，所以此次利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)擬合出交流接觸器零電流分?jǐn)嚯妱?shì)變化曲線[3]。此次選擇三層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)大量的訓(xùn)練得出交流接觸器零電流分?jǐn)嚯妱?shì)變化規(guī)律。首先選取一組交流接觸器零電流分?jǐn)鄶?shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，以時(shí)間軸為出入矢量，以交流接觸器零電流分?jǐn)喔袘?yīng)電勢(shì)作為輸出矢量，訓(xùn)練次數(shù)取10 000 次，訓(xùn)練誤差取0.000 1，得到交流接觸器零電流分?jǐn)嚯妱?shì)變化曲線。
1.2 建立數(shù)學(xué)模型
在擬合的交流接觸器零電流分?jǐn)嚯妱?shì)曲線規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)交流接觸器零電流分?jǐn)噙^(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，其模型公式如下：
其中，?為交流接觸器電磁機(jī)構(gòu)中磁通；v為鐵心返回運(yùn)動(dòng)速度；f1為電磁吸力；f2為電磁反力；m為電磁運(yùn)動(dòng)質(zhì)量；N為交流接觸器線圈匝數(shù)；t為時(shí)間。通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出交流接觸器在零電流分?jǐn)噙^(guò)程中鐵心分離時(shí)刻、首開(kāi)相觸頭打開(kāi)時(shí)間以及非首開(kāi)相觸頭打開(kāi)時(shí)刻，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)交流接觸器零電流分?jǐn)嗵峁?zhǔn)確依據(jù)。
1.3 實(shí)現(xiàn)交流接觸器零電流分?jǐn)嗫刂?/h3>
控制交流接觸器首開(kāi)相經(jīng)過(guò)零電流的時(shí)間是實(shí)現(xiàn)交流接觸器零電流分?jǐn)嘀悄芸刂频年P(guān)鍵，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型求得結(jié)果來(lái)看，首開(kāi)相觸頭經(jīng)過(guò)零電流前 4 ms 是最理想的分?jǐn)鄷r(shí)間。由于交流接觸器首開(kāi)相觸頭分?jǐn)嚯娐坟?fù)擔(dān)較重，若要將首開(kāi)相觸頭經(jīng)過(guò)零電流時(shí)間控制在4 ms，將會(huì)導(dǎo)致首開(kāi)相觸頭與非首開(kāi)相觸頭開(kāi)具相差較大，從而加重交流接觸器電磁機(jī)構(gòu)的工作負(fù)擔(dān)?？紤]到交流接觸器實(shí)際結(jié)構(gòu)、分?jǐn)喙に囈约胺謹(jǐn)鄤?dòng)作特性等因素，將時(shí)間控制在2.5～3 ms。具體控制過(guò)程如下。
在交流接觸器鐵心分離時(shí)刻，電磁機(jī)構(gòu)磁路中的磁通發(fā)生突變，反映在感應(yīng)線圈上產(chǎn)生一個(gè)零電流分?jǐn)嚯妱?shì)變化點(diǎn)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合出零電流分?jǐn)嚯妱?shì)曲線。將線圈的信號(hào)輸入給交流接觸器的單片機(jī)芯片系統(tǒng)，由單片機(jī)芯片系統(tǒng)判斷線圈上的零電流分?jǐn)嚯妱?shì)變化情況，設(shè)定相應(yīng)的零電流分?jǐn)嚯妱?shì)的基值信號(hào)，將信號(hào)帶入數(shù)學(xué)模型，由此感知交流接觸器鐵心的分離時(shí)刻[4-6]。將交流接觸器輸出分?jǐn)嘈盘?hào)至鐵心分離時(shí)刻的時(shí)間差與預(yù)先設(shè)定的分?jǐn)鄷r(shí)間進(jìn)行比較，如果需要，在首開(kāi)相觸頭分開(kāi)以后的2.5～3 ms 進(jìn)行分?jǐn)?，在相?yīng)時(shí)刻觸發(fā)強(qiáng)激磁供電回路，給電磁機(jī)構(gòu)增加一個(gè)激磁磁勢(shì)，延長(zhǎng)首開(kāi)相觸頭的打開(kāi)時(shí)間，調(diào)整首開(kāi)相與非首開(kāi)相之間的分?jǐn)噙^(guò)程時(shí)間差。通過(guò)改變分?jǐn)噙^(guò)程強(qiáng)激磁時(shí)間，實(shí)現(xiàn)交流接觸器三相電路零電流分?jǐn)嘀悄芸刂啤?/p>
2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)
此次根據(jù)對(duì)交流接觸器零電流分?jǐn)噙^(guò)程動(dòng)態(tài)分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)控制方法。為了檢驗(yàn)該方法是否能夠滿足交流接觸器零電流分?jǐn)嗫刂菩枨螅瑢⑵渑c傳統(tǒng)方法進(jìn)行一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。此次實(shí)驗(yàn)選取一臺(tái)200 A 的交流接觸器，電磁感應(yīng)系統(tǒng)選用KL20-10A。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：交流接觸器電壓220 V，電流為500 A，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中交流接觸器零電流分?jǐn)嗖僮黝l率為500 次/時(shí)。此次實(shí)驗(yàn)使用兩種方法對(duì)交流交流接觸器進(jìn)行5 h 零電流分?jǐn)嗫刂?，檢驗(yàn)此次提出方法控制誤差。將此次提出方法用方法1 表示，將傳統(tǒng)方法用方法2 表示，表1 為兩種方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
表1 兩種方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果
從表1 可以看出，此次提出的方法平均控制誤差為1.65，傳統(tǒng)方法平均控制誤差高達(dá)17.4，由此證明了此次方法具有較低的控制誤差，對(duì)交流接觸器零電流分?jǐn)嗫梢匀〉幂^好的控制效果。
3 結(jié) 論
交流接觸器零電流分?jǐn)噙^(guò)程是一個(gè)非線性運(yùn)動(dòng)過(guò)程，此次將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流接觸器零電流分?jǐn)嘀悄芸刂疲纬梢环N新的控制方法。由于該方法未經(jīng)過(guò)大量實(shí)際應(yīng)用，還存在一些不足之處，需要在今后的不斷操作應(yīng)用過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行完善和創(chuàng)新，以延長(zhǎng)交流接觸器觸頭使用壽命，同時(shí)也為交流接觸器正常工作提供安全保障。
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1 交流接觸器零電流分?jǐn)嘀悄芸刂品椒?/h2>
通常交流接觸器在運(yùn)行過(guò)程中，其三相電流的相位相差150°。在交流接觸器運(yùn)行過(guò)程中，必有一相電流最先過(guò)零點(diǎn)。假設(shè)某相電流先過(guò)零點(diǎn)，并且該相電弧首先熄滅，此時(shí)另外兩相弧隙仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)。如果交流接觸器觸頭第一相角區(qū)打開(kāi)，那么該相區(qū)電流將會(huì)首先通過(guò)零點(diǎn)，該相成為交流接觸器的首開(kāi)相[2]。 如果在經(jīng)過(guò)該相區(qū)時(shí)，交流接觸器的觸頭電弧在經(jīng)過(guò)零點(diǎn)時(shí)熄滅，交流接觸器電路中的電流成為線電流i1，則此時(shí)線電流i2的零點(diǎn)正好對(duì)應(yīng)在電流i1的峰值，再經(jīng)過(guò)10 ms 時(shí)間線電流i3會(huì)通過(guò)零點(diǎn)，所以交流接觸器零電流分?jǐn)嘀悄芸刂谱钪匾彩亲詈诵牡氖强刂坪媒涣鹘佑|器的電勢(shì)釋放時(shí)間。
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1.2 建立數(shù)學(xué)模型
在擬合的交流接觸器零電流分?jǐn)嚯妱?shì)曲線規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)交流接觸器零電流分?jǐn)噙^(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，其模型公式如下：
其中，?為交流接觸器電磁機(jī)構(gòu)中磁通；v為鐵心返回運(yùn)動(dòng)速度；f1為電磁吸力；f2為電磁反力；m為電磁運(yùn)動(dòng)質(zhì)量；N為交流接觸器線圈匝數(shù)；t為時(shí)間。通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出交流接觸器在零電流分?jǐn)噙^(guò)程中鐵心分離時(shí)刻、首開(kāi)相觸頭打開(kāi)時(shí)間以及非首開(kāi)相觸頭打開(kāi)時(shí)刻，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)交流接觸器零電流分?jǐn)嗵峁?zhǔn)確依據(jù)。
1.3 實(shí)現(xiàn)交流接觸器零電流分?jǐn)嗫刂?/h3>
控制交流接觸器首開(kāi)相經(jīng)過(guò)零電流的時(shí)間是實(shí)現(xiàn)交流接觸器零電流分?jǐn)嘀悄芸刂频年P(guān)鍵，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型求得結(jié)果來(lái)看，首開(kāi)相觸頭經(jīng)過(guò)零電流前 4 ms 是最理想的分?jǐn)鄷r(shí)間。由于交流接觸器首開(kāi)相觸頭分?jǐn)嚯娐坟?fù)擔(dān)較重，若要將首開(kāi)相觸頭經(jīng)過(guò)零電流時(shí)間控制在4 ms，將會(huì)導(dǎo)致首開(kāi)相觸頭與非首開(kāi)相觸頭開(kāi)具相差較大，從而加重交流接觸器電磁機(jī)構(gòu)的工作負(fù)擔(dān)?？紤]到交流接觸器實(shí)際結(jié)構(gòu)、分?jǐn)喙に囈约胺謹(jǐn)鄤?dòng)作特性等因素，將時(shí)間控制在2.5～3 ms。具體控制過(guò)程如下。
在交流接觸器鐵心分離時(shí)刻，電磁機(jī)構(gòu)磁路中的磁通發(fā)生突變，反映在感應(yīng)線圈上產(chǎn)生一個(gè)零電流分?jǐn)嚯妱?shì)變化點(diǎn)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合出零電流分?jǐn)嚯妱?shì)曲線。將線圈的信號(hào)輸入給交流接觸器的單片機(jī)芯片系統(tǒng)，由單片機(jī)芯片系統(tǒng)判斷線圈上的零電流分?jǐn)嚯妱?shì)變化情況，設(shè)定相應(yīng)的零電流分?jǐn)嚯妱?shì)的基值信號(hào)，將信號(hào)帶入數(shù)學(xué)模型，由此感知交流接觸器鐵心的分離時(shí)刻[4-6]。將交流接觸器輸出分?jǐn)嘈盘?hào)至鐵心分離時(shí)刻的時(shí)間差與預(yù)先設(shè)定的分?jǐn)鄷r(shí)間進(jìn)行比較，如果需要，在首開(kāi)相觸頭分開(kāi)以后的2.5～3 ms 進(jìn)行分?jǐn)?，在相?yīng)時(shí)刻觸發(fā)強(qiáng)激磁供電回路，給電磁機(jī)構(gòu)增加一個(gè)激磁磁勢(shì)，延長(zhǎng)首開(kāi)相觸頭的打開(kāi)時(shí)間，調(diào)整首開(kāi)相與非首開(kāi)相之間的分?jǐn)噙^(guò)程時(shí)間差。通過(guò)改變分?jǐn)噙^(guò)程強(qiáng)激磁時(shí)間，實(shí)現(xiàn)交流接觸器三相電路零電流分?jǐn)嘀悄芸刂啤?/p>
2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)
此次根據(jù)對(duì)交流接觸器零電流分?jǐn)噙^(guò)程動(dòng)態(tài)分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)控制方法。為了檢驗(yàn)該方法是否能夠滿足交流接觸器零電流分?jǐn)嗫刂菩枨螅瑢⑵渑c傳統(tǒng)方法進(jìn)行一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。此次實(shí)驗(yàn)選取一臺(tái)200 A 的交流接觸器，電磁感應(yīng)系統(tǒng)選用KL20-10A。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：交流接觸器電壓220 V，電流為500 A，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中交流接觸器零電流分?jǐn)嗖僮黝l率為500 次/時(shí)。此次實(shí)驗(yàn)使用兩種方法對(duì)交流交流接觸器進(jìn)行5 h 零電流分?jǐn)嗫刂?，檢驗(yàn)此次提出方法控制誤差。將此次提出方法用方法1 表示，將傳統(tǒng)方法用方法2 表示，表1 為兩種方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
表1 兩種方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果
從表1 可以看出，此次提出的方法平均控制誤差為1.65，傳統(tǒng)方法平均控制誤差高達(dá)17.4，由此證明了此次方法具有較低的控制誤差，對(duì)交流接觸器零電流分?jǐn)嗫梢匀〉幂^好的控制效果。
3 結(jié) 論
交流接觸器零電流分?jǐn)噙^(guò)程是一個(gè)非線性運(yùn)動(dòng)過(guò)程，此次將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流接觸器零電流分?jǐn)嘀悄芸刂疲纬梢环N新的控制方法。由于該方法未經(jīng)過(guò)大量實(shí)際應(yīng)用，還存在一些不足之處，需要在今后的不斷操作應(yīng)用過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行完善和創(chuàng)新，以延長(zhǎng)交流接觸器觸頭使用壽命，同時(shí)也為交流接觸器正常工作提供安全保障。
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