關(guān)于智能化交流接觸器的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙忠英?施洋

摘 要：本文在采用智能優(yōu)化算法進(jìn)行交流接觸器的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)現(xiàn)了交流接觸器智能化的關(guān)鍵技術(shù)。交流接觸器智能化的關(guān)鍵技術(shù)研究包括智能優(yōu)化設(shè)計(jì)、自適應(yīng)控制并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的零電流分?jǐn)嗪凸收献詸z等技術(shù)的研究。

關(guān)鍵詞：交流接觸器；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；模糊綜合評(píng)判

目前在分析與設(shè)計(jì)低壓電器及其智能化產(chǎn)品時(shí)，仍然主要采用低壓電器傳統(tǒng)理論進(jìn)行必要的理論推導(dǎo)。因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)際性能存在較大差異，需要反復(fù)修改和試驗(yàn)，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、資金與人力投入大。這是電器設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀、難點(diǎn)與瓶頸。隨著配電自動(dòng)化程度的不斷提高，亟待開(kāi)發(fā)能快速、準(zhǔn)確測(cè)試電器動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)控制，并能對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)智能化處理的測(cè)試裝置。本文介紹了智能交流接觸器動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置，利用該裝置對(duì)智能交流接觸器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示智能交流接觸器全過(guò)程動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的研究是智能電器設(shè)計(jì)的有效手段，是智能化電器虛擬動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最新研究方向。

1.交流接觸器概述

交流接觸器是一種量大面廣電磁式電器，其工作原理是將電磁能轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能，從而帶動(dòng)執(zhí)行部分觸頭動(dòng)作。電磁系統(tǒng)是交流接觸器的心臟，電磁系統(tǒng)的好壞直接影響接觸器的機(jī)械壽命、電壽命與成本。目前，交流接觸器的電磁系統(tǒng)正在向節(jié)能、節(jié)材、提高壽命和可靠性方向發(fā)展。為了提高上述指標(biāo)，電器工作者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算、制造工藝、動(dòng)態(tài)測(cè)試等方面做了丈量的研究工作。目前，交流接觸器的電磁系統(tǒng)的鐵心均為平極面。雖然該種電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，但其未充分利用銅鐵用材量，經(jīng)濟(jì)性能差，而且動(dòng)態(tài)吸力特性還可迸一步改進(jìn)、提高。盡管交流接觸器改變鐵心極面形狀的方案早已提出，但始終未對(duì)這種方案進(jìn)行耀人的分析研究。更沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行高性?xún)r(jià)比的智能動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文通過(guò)優(yōu)化計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)大幅減小鐵心和線圈而達(dá)到節(jié)材、縮小接觸器的體積、提高接觸器的壽命和工作可靠性的目的，從而大幅提高其經(jīng)濟(jì)與技術(shù)指標(biāo)。

2.動(dòng)態(tài)特性計(jì)算模塊分析

動(dòng)態(tài)特性計(jì)算模塊方便用戶(hù)計(jì)算現(xiàn)有樣機(jī)的吸合時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度、吸反力配合等動(dòng)態(tài)特性，或改變部分參數(shù)查看計(jì)算結(jié)果是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.以某種額定電壓為220V的交流接觸器為例，仿真、比較其電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。額定電壓下，不同合閘相角時(shí)吸合過(guò)程動(dòng)態(tài)特性在同一電壓、不同合閘相角下銜鐵吸合時(shí)間、末速度、峰值電流均不相同.末速度反映了鐵心撞擊能量，在吸合時(shí)間滿(mǎn)足要求的前提下，可通過(guò)尋找最佳合閘相角或改變相應(yīng)參數(shù)減小鐵心末速度，以提高交流接觸器的使用壽命，該接觸器在900時(shí)撞擊能量較小。額定電壓下，當(dāng)交流接觸器處于吸持階段時(shí)，即工作在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，主要關(guān)心產(chǎn)生的噪聲、吸持功耗及線圈繞組溫升等問(wèn)題。在該階段，各變量呈周期性變化，與合閘相角無(wú)關(guān)。此次研究對(duì)象在額定電壓下，吸持階段最小吸力為10.57N，反力為6.89N，能夠保證接觸器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲?？梢杂晌蛛A段電流有效值計(jì)算吸持功耗，并結(jié)合牛頓公式估算線圈穩(wěn)定工作時(shí)的溫升，作為接觸器優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的約束條件。

3.斜極面交流接觸器優(yōu)化計(jì)算

斜極面交流接觸器在打開(kāi)位置，線圈激磁電流相同時(shí)其靜態(tài)吸力遠(yuǎn)高于平極面的靜態(tài)吸力，顯然采用斜板面將有很大技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的潛力。困此本文對(duì)其電磁系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而充分利用該空間以提高其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3.1優(yōu)化計(jì)算

由于人工魚(yú)群算法對(duì)初值要求不高，根據(jù)約束條件和技術(shù)要求隨機(jī)產(chǎn)生50條人工魚(yú)群，同時(shí)設(shè)定迭代次數(shù)；各組人工魚(yú)利用聚集行為和追尾行為進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)3次最優(yōu)值沒(méi)變化或變化很小，則進(jìn)行遺傳算法的選擇、交叉、變異操作，防止出現(xiàn)局部最優(yōu)值。這樣既可以提高收斂速度又能保證全局搜索能力，鐵心厚度減少了一半，這樣可以節(jié)約硅鋼片50%，另外線圈的線徑也減小了43%左右，由于鐵心厚度減小了，線圈的平均匝長(zhǎng)也減小了，這樣可以節(jié)約銅達(dá)70%以上。

3.2優(yōu)化算法

遺傳算法（genetic algorithm，GA）是Holland教授首先提出來(lái)的一類(lèi)仿生型進(jìn)化算法。GA通過(guò)將當(dāng)前群體中具有較高適應(yīng)度的個(gè)體遺傳給下一代，并且不斷淘汰適應(yīng)度低的個(gè)體，從而尋找出適應(yīng)度最大的個(gè)體。其優(yōu)點(diǎn)是：具有大范圍全局搜索的能力，與問(wèn)題領(lǐng)域無(wú)關(guān)；搜索從群體出發(fā)，具有潛在的并行性；可進(jìn)行多值比較，魯棒性強(qiáng)；搜索使用評(píng)價(jià)函數(shù)啟發(fā)，過(guò)程簡(jiǎn)單；使用概率機(jī)制進(jìn)行迭代，具有隨機(jī)性，可擴(kuò)展性，容易與其它算法結(jié)合。但是GA算法對(duì)于系統(tǒng)中的反饋信息利用不夠。人工魚(yú)群算法（artificial fish 8waFIn algorithm，AFSA）是模擬魚(yú)群行為的一種基于動(dòng)物自治體的優(yōu)化方法，是集群智能思想的一個(gè)具體應(yīng)用。它能很好地解決函數(shù)優(yōu)化等問(wèn)題。它的主要特點(diǎn)是：只需要比較目標(biāo)函數(shù)值，對(duì)目標(biāo)函數(shù)的性質(zhì)要求不高；對(duì)初值的要求不高；對(duì)參數(shù)設(shè)定的要求不高；具備并行處理的能力，尋優(yōu)速度較快；算法具備全局尋優(yōu)的能力。雖然該算法優(yōu)點(diǎn)較多，但也存在明顯的不足，主要表現(xiàn)：當(dāng)尋優(yōu)的域較大或處于變化平坦的區(qū)域時(shí)，收斂于全局的最優(yōu)解速度減慢、搜索性能劣化；算法一般在優(yōu)化初期具有較快的收斂性，后期卻收斂較慢。本文吸取遺傳算法和人工魚(yú)群算法的優(yōu)點(diǎn)，將遺傳算法和人工魚(yú)群算法有機(jī)結(jié)合應(yīng)用于斜極面交流接觸器的電磁系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算中。

4.結(jié)束語(yǔ)

以ANSYS有限元軟件為基礎(chǔ)，采用基于遺傳算法的人工魚(yú)群優(yōu)化算法對(duì)斜極面交流接觸器進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化結(jié)果表明，斜極面交流接觸器電磁系統(tǒng)與平極面交流接觸器電磁系統(tǒng)相比，可以大幅度節(jié)材，其中硅鋼片節(jié)約50%，銅材節(jié)約達(dá)70%以上。而且吸合過(guò)程鐵心撞擊時(shí)末速度與單位面積撞擊能量比平極面交流接觸器低，分?jǐn)嗨俣缺绕綐O面交流接觸器高。因此，一定斜角的斜極面電磁系統(tǒng)具有很高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在解決其加工工藝后將是一種很好的選擇，可應(yīng)用于各種交流電磁鐵、交流接觸器等產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫志強(qiáng).交流接觸器動(dòng)態(tài)過(guò)程及觸頭彈跳的數(shù)值分析[J].企業(yè)文化，2014

[2]王小華.永磁式接觸器動(dòng)觸頭動(dòng)作特性仿真分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014