齊 磊，宗 鳴，白彩軍，趙 舒

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)，沈陽 110870；2.遼寧省安全科學(xué)研究院，沈陽 110004；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽 110006)

交流接觸器的觸頭在閉合過程中由于彈跳的作用會產(chǎn)生電弧效應(yīng)，這種現(xiàn)象在高沖擊電流、大電機(jī)啟動時(shí)尤為明顯。電弧效應(yīng)一方面影響了接觸器閉合的可靠性，使電能質(zhì)量產(chǎn)生波動，進(jìn)而影響其他電氣元件的運(yùn)行；另一方面，觸頭長期在電弧作用下將發(fā)生腐蝕，影響接觸器的電壽命，因此，研究具有靈活且準(zhǔn)確控制能量流和信息流，并能保證一定使用壽命的接觸器運(yùn)行控制模式勢在必行。

文獻(xiàn)[1]將勵(lì)磁線圈采樣電流積分，并與吸合電流有效值比較，以判斷是否達(dá)到吸合時(shí)刻，進(jìn)而降低勵(lì)磁電壓和電流，減小碰撞，降低損耗。文獻(xiàn)[2-3]分別提出了智能接觸器的電壓和電流反饋控制，通過反饋使線圈電壓或電流能夠保持穩(wěn)定，且稍稍大于吸合值，以實(shí)現(xiàn)觸頭的軟著陸。

實(shí)現(xiàn)交流接觸器智能化控制的根本是對其激磁線圈控制電源的靈活控制。一般地，激磁線圈電源主要由外部交流電壓經(jīng)全橋整流電路整流后得到，接觸器動態(tài)性能與交流控制電源合閘相位息息相關(guān)，因此討論交流控制電源合閘相位對接觸器閉合速度、觸頭彈跳時(shí)間等運(yùn)動參量的影響是極其必要的。本文首先通過實(shí)驗(yàn)分析測試了在不同相位合閘時(shí)的運(yùn)動參數(shù)，選取重點(diǎn)關(guān)注的典型運(yùn)動參量作為評價(jià)指標(biāo)，并采用物元分析法確定了合閘相位的最優(yōu)范圍。

1 電磁機(jī)構(gòu)在不同合閘相位時(shí)的運(yùn)行情況

交流接觸器激磁線圈控制電源是由外部交流電源經(jīng)整流后得到的直流電源，其電路原理見圖1。R和L分別為激磁線圈的等效電阻和電感，開關(guān)S閉合后，交流電源經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)換為直流電源后接入激磁線圈，線圈建立的磁場來使動鐵心和靜鐵心發(fā)生吸合，進(jìn)而達(dá)到接觸器的吸合；斷電之后，磁場消失，反力彈簧將動鐵心推開，完成接觸器的釋放，圖1中AC為交流電源，C為電容，D為二極管。

圖1 控制電源電路原理圖

交流電源開關(guān)閉合時(shí)，由于合閘相位不同，導(dǎo)致直流側(cè)電壓不同，激磁線圈的電流變化情況也不相同。激磁電流的變化會導(dǎo)致磁路磁通和電磁吸力的不同，進(jìn)而影響了動鐵心速度等運(yùn)動參量。在某些相位合閘時(shí)，可能會導(dǎo)致合閘失敗，導(dǎo)致接觸器不能可靠工作；在有些相角合閘，接觸器雖然能夠可靠閉合，但是觸頭碰撞速度過大，長此以往嚴(yán)重影響了接觸器的壽命。

為了考察接觸器觸頭彈跳、可靠吸合等問題，選取了動觸頭末速度、動鐵心末速度、觸頭彈跳時(shí)間、觸頭吸合時(shí)間4個(gè)要素進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1。

表1 不同合閘相位的運(yùn)動參數(shù)

2 合閘相位的物元分析評判

2.1 物元分析過程

為了解決交流接觸器動態(tài)特性參數(shù)不相容、相互矛盾的問題，物元分析法為其提供了一個(gè)很好的途徑[4-5]。物元分析過程如下。

2.1.1 評判指標(biāo)的確立

為有效評判交流接觸器動態(tài)特性參數(shù)指標(biāo)，從希望獲取較小的吸合速度、吸合時(shí)間、觸頭彈跳時(shí)間和較大觸頭閉合加速度的角度考慮，按照系統(tǒng)性、科學(xué)性、可測性、可操作性等原則選取評判指標(biāo)。選取的評判指標(biāo)包括：動觸頭末速度、動鐵心末速度、觸頭彈跳時(shí)間、吸合時(shí)間。根據(jù)評價(jià)指標(biāo)建立物元模型并確定經(jīng)典域，表達(dá)式為：

Rj=(Nj,Ci,Xji)=

(1)

式中：Nj為事物的第j個(gè)最優(yōu)值(j=1,2,…，m)；Xji為Nj關(guān)于特征Ci的量值范圍，即各最優(yōu)值對應(yīng)特征的經(jīng)典域 。

2.1.2 節(jié)域的確定

節(jié)域指全部等級各特征的值域Rp(p=1,2,…，m)如下：

(2)

2.1.3 待評判單元的確定

分析待評判對象得到的數(shù)據(jù)用物元表示為：

(3)

式中：p0為待評判的對象；Yi為p0關(guān)于Ci的量值，即待評判的對象經(jīng)分析所得到的具體數(shù)據(jù)。

2.1.4 關(guān)聯(lián)函數(shù)的確定

設(shè)p0與Nj(j=1,2,…,m)關(guān)于特征Ci的距為p(yi,xji)，p0與Np關(guān)于特征Ci的距為ρ(yi，xpi)，則待評判對象的特征Ci關(guān)于第j個(gè)等級的關(guān)聯(lián)度為：

(4)

2.1.5 各指標(biāo)權(quán)重的確定

指標(biāo)權(quán)重的確定體現(xiàn)其對接觸器動態(tài)特性影響的重要性，一般采用層次分析法(AHP)確定各指標(biāo)權(quán)重ωj。AHP用于解決多目標(biāo)決策問題，是一種定性與定量相結(jié)合的方法。采用AHP確定指標(biāo)權(quán)重分為如下步驟。

a.建立并分析待優(yōu)化的模型。

b.構(gòu)建比對矩陣。建立結(jié)構(gòu)模型后，各層之間的隸屬關(guān)系即被確定，若將上一層對應(yīng)的元素作為基準(zhǔn)，下層中Ci和Cj進(jìn)行兩兩比對，采用9級標(biāo)度法確定各元素的相對重要程度，9級標(biāo)度法的具體含義見表2。用aij來衡量Ci和Cj之間的相對重要程度，建立兩兩比較判斷矩陣：A=[aij]，判斷矩陣中的每一個(gè)元素的aij，并需滿足以下準(zhǔn)則aij>0；aij=1/aji；aii=1。

表2 9級標(biāo)度法的標(biāo)度及其相對重要程度

c.計(jì)算各層次相對權(quán)重的單排序。根據(jù)比對矩陣A，計(jì)算各元素之間的重要性權(quán)重。根據(jù)Aω=λmaxω，求解比對矩陣A的特征向量ω，將特征向量ω進(jìn)行歸一化處理得到ωj，該向量即表示各對應(yīng)元素的權(quán)重值，λmax為判斷矩陣A的最大特征根。

d.一致性檢驗(yàn)。在建立比對矩陣后，需要判斷其是否合理，采用一致性指標(biāo)ICR決定，其表達(dá)式為:

(5)

式中：λmax為比較矩陣A的最大特征根；n為評價(jià)指標(biāo)數(shù)量；IRI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，可以通過查表獲得。

當(dāng)ICR<0.1時(shí)，可判定比對矩陣A的一致性良好，結(jié)果可以接受，由相應(yīng)特征向量確定的指標(biāo)權(quán)重是合理的。

2.1.6 評判結(jié)果的確定

采用關(guān)聯(lián)度表示對象與評估指標(biāo)的符合程度，數(shù)值越大，關(guān)聯(lián)度越強(qiáng)、符合程度越高，按最大隸屬度原則確定在特定合閘相位下的一組元素的綜合符合程度。設(shè)ωi為特征Ci的權(quán)重系統(tǒng)，以Kj(p0)表示p0關(guān)于第j個(gè)等級的關(guān)聯(lián)度，則：

(6)

2.2 合閘相位評價(jià)計(jì)算

根據(jù)表1所測數(shù)據(jù)，采用物元分析法，對接觸器交流控制電源合閘相位進(jìn)行評判計(jì)算。待評判元素矩陣V為：

(7)

式中：4列縱向元素分別為動觸頭末速度、動鐵心末速度、觸頭彈跳時(shí)間、吸合時(shí)間；7行橫向元素分別為對應(yīng)不同合閘相位的具體數(shù)值。

以最小觸頭閉合時(shí)的速度、最小動鐵心閉合時(shí)的速度、最小觸頭彈跳時(shí)間、最小吸合時(shí)間為原則，構(gòu)建Q1、Q2、Q3、Q44個(gè)等級指標(biāo)，見表3。

計(jì)算關(guān)聯(lián)度矩陣V如下：

(8)

表3 指標(biāo)等級

針對4個(gè)評估指標(biāo)構(gòu)建比對矩陣P如下：

(9)

求解矩陣(9)，最大特征值λmax=4.185，查表[6]4階矩陣隨機(jī)一致性指標(biāo)IRI為0.89，代入式(5)，求得一致性指標(biāo)ICR為:

(10)

根據(jù)式(10)，比對矩陣p的一致性指標(biāo)ICR=0.069 3<0.1，滿足一致性要求。求得比對矩陣的特征向量并歸一化處理。得到各指標(biāo)權(quán)重，為：

(11)

可以算出評判結(jié)果為:

B=ωVT=

[-0.813 -0.442 -0.077 -0.163 -0.183 -0.284 -0.258]

(12)

根據(jù)式(12)，目標(biāo)值和合閘相位的關(guān)系見圖2。根據(jù)最大隸屬度原則，目標(biāo)值最大的區(qū)間在50o～110o，因此最佳合閘相位范圍為50o～110o，并且最優(yōu)評判結(jié)果為50o。

3 結(jié)論

首先,實(shí)驗(yàn)測定了不同合閘相位情況下的接觸器動態(tài)參數(shù)，表明不同合閘相位情況下的接觸器動態(tài)性能存在優(yōu)劣的區(qū)分; 其次，采用物元分析理念，建立了待評估物元，計(jì)算了不同物元與各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)，利用專家評判法確定比較矩陣，應(yīng)用層次分析法求解權(quán)重系數(shù)，計(jì)算與各合閘相位的最大隸屬度，最終解決了多目標(biāo)最佳合閘相位的評判。

圖2 目標(biāo)值和合閘相位的關(guān)系