王彬哲，章上聰，吳桂初，舒 亮

(溫州大學(xué)浙江省低壓電器智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江溫州 325000)

智能交流接觸器是一種基于電子控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)交流接觸器節(jié)能特性改造，具備節(jié)能、節(jié)材、高壽命、低噪聲等特點(diǎn)的新型接觸器[1-7]．由于智能交流接觸器的電磁和機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)特性也隨之改變，因此，研究新一代智能交流接觸器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的試驗(yàn)和仿真方法，對(duì)于智能交流接觸器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及提高電壽命、機(jī)械壽命和可靠性具有重要意義．

針對(duì)交流接觸器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真技術(shù)、虛擬樣機(jī)技術(shù)、磁路研究，現(xiàn)階段學(xué)者們?nèi)〉昧讼鄳?yīng)的成果．文獻(xiàn)[8]基于等效磁路方法提出了一種對(duì)智能交流接觸器弱磁控制的改進(jìn)方法，文獻(xiàn)[9]基于等效磁路方法建立了可用于教學(xué)使用的接觸器參數(shù)化模型，文獻(xiàn)[10]采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)接觸器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真，提出了一種最優(yōu)的脈寬調(diào)制方案，等等．目前此類研究主要采用理論和數(shù)值分析方法，所針對(duì)的對(duì)象也是局限于接觸器的鐵心和觸頭等局部部件，并不能全面體現(xiàn)接觸器的整體電磁耦合動(dòng)態(tài)特性．采用Runge-Kutta法求解磁機(jī)耦合，效率較低，需要進(jìn)一步優(yōu)化．

本文基于Adams和有限元軟件，通過二維插值算法對(duì)接觸器電磁力和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能交流接觸器動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程的完整描述；通過建立高速多信號(hào)同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能交流接觸器動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程中各參數(shù)的同步采集．

1 工作原理

圖1為交流接觸器的幾何模型，由于固定部件不參與動(dòng)力學(xué)仿真研究，因此模型中移除了固定部件．智能交流接觸器系統(tǒng)框圖如圖2所示，其主要由整流電路、驅(qū)動(dòng)電路、過零檢測(cè)電路、線圈等部分組成．

圖1 交流接觸器幾何模型Fig 1 Geometric Model of AC Contactor

圖2 智能交流接觸器原理圖Fig 2 Schematic Diagram of Intelligent AC Contactor

通過對(duì)輸入電壓進(jìn)行檢測(cè)，采用選相合閘控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的合閘相位角控制，輸出脈寬調(diào)制（PWM）波形驅(qū)動(dòng)IGBT，達(dá)到對(duì)接觸器吸合和吸持階段線圈電壓電流的控制．

2 數(shù)學(xué)模型

接觸器工作時(shí)，銜鐵通過勵(lì)磁線圈激勵(lì)產(chǎn)生電磁吸力，電磁力的大小與勵(lì)磁電流和銜鐵之間的空氣間隙相關(guān)．在銜鐵的帶動(dòng)下，動(dòng)觸頭一起向下作吸合運(yùn)動(dòng)，由于銜鐵的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致空氣間隙改變，進(jìn)而改變電磁吸力的大小，最終引起交流接觸器的動(dòng)力學(xué)行為發(fā)生改變，這是一個(gè)磁-機(jī)耦合的動(dòng)力學(xué)過程，其控制方程可以用下面的方程進(jìn)行表示：

方程（1）和（2）共同描述了在外加交流電壓下接觸器電磁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和機(jī)械部件的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，其中x表示機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)位移，m表示整體運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，c表示阻尼；在電壓-電流方程（1）中，i表示線圈回路電流大小，Ψ表示電磁回路中的總磁通量，在機(jī)械動(dòng)力學(xué)方程（2）中，表示電流產(chǎn)生的電磁力，F(xiàn)f（x）表示接觸器分合閘過程中受到的彈簧作用力．

文獻(xiàn)[12]和[13]的研究結(jié)果表明，電磁作用力是線圈回路電流i和運(yùn)動(dòng)位移x的二元函數(shù)，對(duì)于同樣大小的電流，氣隙的變化會(huì)影響電磁力大小的分布，而電磁作用力的改變反過來又會(huì)引起系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度和位移的變化，進(jìn)而引起電氣回路方程中電變量的改變，這體現(xiàn)為接觸器分合閘過程中的電磁-機(jī)械耦合作用．求解方程（1）和（2），通常采用四階Runge-Kutta法進(jìn)行，再通過有限元方法計(jì)算得到靜態(tài)條件下電磁作用力與回路電流i、運(yùn)動(dòng)位移x的二元分布關(guān)系，將方程（1）在時(shí)間域上進(jìn)行離散，得到：

方程（3）主要基于迭代方法對(duì)接觸器中的磁路進(jìn)行計(jì)算，在文獻(xiàn)[11]和[12]中基于類似的方法進(jìn)行了接觸器動(dòng)力學(xué)計(jì)算，但是該流程只可以對(duì)動(dòng)鐵芯的力學(xué)特性仿真，針對(duì)動(dòng)觸頭的動(dòng)態(tài)響應(yīng)無法分析得到，尤其是當(dāng)超程存在時(shí)，類似這樣的仿真流程的弊端比較明顯，無法計(jì)算觸頭和超程的影響，同時(shí)在計(jì)算精度上得不到保障．

為了解決上述問題，基于有限元求解方法對(duì)不同勵(lì)磁電流和觸頭位移的磁路進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如圖 3所示．運(yùn)動(dòng)部件受到電磁吸合力的作用，當(dāng)吸合作用大于反力作用時(shí)，接觸器運(yùn)動(dòng)部件開始合閘操作，其中，合閘過程中電磁吸合力磁通Ψ的計(jì)算公式為：

式中Fm表示電磁吸力，A表示接觸器鐵芯面積，N表示線圈匝數(shù)密度，0μ表示真空磁導(dǎo)率．

圖4為接觸器在Adams軟件中的幾何模型．通過對(duì)Adams的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接觸器動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的數(shù)值求解，可以很好地描述銜鐵、觸頭的位移過程．

圖3 接觸器磁路磁通二維曲線圖Fig 3 Two-dimension Curve Graph of Magnetic Flux Magnetic Circuit of Contactor

圖4 Adams接觸器幾何仿真模型Fig 4 Adams Geometric Simulation Model of AC Contactor

通過采用自定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)方程（1）和（2）的耦合求解．從而研究了動(dòng)力學(xué)響應(yīng)算法，其流程圖如圖5所示．通過建立與的映射表格，實(shí)現(xiàn)對(duì)二元函數(shù)差值和電流范圍的確定，其中和xl分別表示位移和電流與單個(gè)輸入變量對(duì)應(yīng)時(shí)的左邊界值，ir和xr表示對(duì)應(yīng)的右邊界值．

3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

圖5 磁-機(jī)耦合方程求解流程圖Fig 5 Flow Chart of Magnetic-machine Coupling Equation

通過建立多信號(hào)同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸器分?jǐn)噙^程中的位移、加速度、速度、電流等指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真與試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證．該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個(gè)部分．硬件部分包含PC機(jī)、同步高速NI數(shù)據(jù)采集卡、激光位移傳感器、接口輸入隔離電路；軟件基于虛擬技術(shù) LABVIEW 建立測(cè)試系統(tǒng)．圖6為智能交流接觸器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)框圖，測(cè)試系統(tǒng)的軟件界面如圖7所示．由于接觸器動(dòng)態(tài)過程中的實(shí)時(shí)同步信號(hào)包含激光位移傳感器的弱點(diǎn)信號(hào)也包含輸入電壓電流等強(qiáng)電信號(hào)，因此，為了提高彼此相互干擾，本文增加了線性光耦隔離電路．

圖6 智能交流接觸器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig 6 Test System Chart for Dynamic Characteristic of Intelligent AC Contactor

本文采用的樣機(jī)為額定380 V的智能交流接觸器，通過脈寬調(diào)制方案后的接觸器位移和電流的實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)如圖8所示．通過對(duì)比不同的脈寬調(diào)制方案下的線圈電流變化，改進(jìn)智能接觸器控制模塊．

試驗(yàn)根據(jù)接觸器吸合和吸持中PWM的不同占空比分組．第一組：吸合、吸持占空比都為0.7；第二組：吸合PWM占空比為0.7，吸持的為0.08．圖8（a）和圖8（b）分別為這兩種不同控制方案下吸合與吸持過程中線圈電流、位移、以及PWM的測(cè)試波形．對(duì)比圖8（a）與圖8（b）可知，在吸合階段，較大的占空比有利于動(dòng)靜銜鐵的可靠吸合．在運(yùn)動(dòng)反向電動(dòng)勢(shì)作用下，線圈電流迅速下降，動(dòng)靜銜鐵閉合后，運(yùn)動(dòng)反向電動(dòng)勢(shì)消失．第一組方案中，由于動(dòng)靜銜鐵閉合，運(yùn)動(dòng)反向電動(dòng)勢(shì)消失，同時(shí)PWM占空比仍然較大，因此無法抑制線圈電流增長(zhǎng)．從而使線圈電流在吸持階段保持一個(gè)較大的值．第二組方案中，雖然運(yùn)動(dòng)反向電動(dòng)勢(shì)消失，但是由于采用0.08的低占空比，使輸入電壓不足以讓線圈電流持續(xù)上升，從而實(shí)現(xiàn)在吸持階段維持較低線圈吸持電流．因此通過調(diào)節(jié)PWM的占空比可以有效調(diào)節(jié)吸持過程中線圈的勵(lì)磁電流大小，進(jìn)而減小吸持功耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減小溫升的目的，保證了接觸器的使用壽命．

圖7 測(cè)試系統(tǒng)的用戶操作界面Fig 7 User Interface of Test System

圖8 保持階段不同控制方案下的測(cè)試波形圖Fig 8 Test Oscillogram of Different Control Scheme in the Holding Time

接觸器Adams數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試曲線對(duì)比如圖9所示，其中圖9（a）為吸合位移曲線對(duì)比結(jié)果，圖9（b）為速度曲線對(duì)比結(jié)果．由于采用了多路并行信號(hào)采集系統(tǒng)，試驗(yàn)測(cè)試中可以對(duì)PWM脈沖、位移、速度等多路信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采集，增加了對(duì)比的可行性．分析圖9（a）中的曲線可得，本文所建立的仿真模型對(duì)智能交流接觸器的運(yùn)動(dòng)位移、吸合時(shí)間可以較好地預(yù)測(cè)，對(duì)接觸器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效的計(jì)算方法．圖9（b）為吸合運(yùn)動(dòng)速度的預(yù)測(cè)結(jié)果，可以看到銜鐵的整體速度特性可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，包括吸合過程以及因銜鐵與靜鐵芯發(fā)生機(jī)械碰撞而引起的速度突變等現(xiàn)象，在模型仿真中都可以得到較準(zhǔn)確的體現(xiàn)．速度曲線的仿真誤差相比位移曲線的較大，這是因?yàn)樵诜抡孢^程中沒有考慮機(jī)械阻尼對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，由于速度是位移曲線在時(shí)間上的微分，相對(duì)位移數(shù)據(jù)更加敏感，因而在速度曲線上體現(xiàn)出來的誤差較位移曲線明顯．總體來說，本文所建立的數(shù)值仿真方法可以對(duì)接觸器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行較準(zhǔn)確的仿真．

圖9 Adams仿真與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比Fig 9 Comparison Between Adams Simulation and Experimental Test Data

4 結(jié) 論

本文基于 Adams和有限元軟件給出了一種對(duì)智能交流接觸器動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行磁機(jī)耦合的數(shù)值求解和仿真方法，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果能夠較好吻合，因此，本文所建立的模型對(duì)智能交流接觸器的動(dòng)態(tài)特性能夠?qū)崿F(xiàn)較好的預(yù)測(cè)．

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