交流接觸器零電流分斷智能控制方法研究

李 娟，陳歲歲，馬永斌

（商丘工學院信息與電子工程學院，河南 商丘 476000）

0 引 言

由于交流接觸器在運行過程中對斷開電路的選擇具有一定的隨機性，同時對于作業頻繁且任務艱巨的交流接觸器，其在接通和分斷電路電流過程中，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程中觸角會產生比較強烈的電弧，該電弧具有一定的危險性和破壞性。實際上，交流接觸器零電流分斷過程中觸角產生的電弧問題，將直接影響到交流接觸器的使用壽命、分段效果、運行的穩定性和交流接觸器各項性能指標[1]。傳統控制方法由于控制效率較低，且不能取得較好的控制效果，所以此次對交流接觸器零電流分斷智能控制方法進行研究。實現交流接觸器零電流分斷過程控制，同樣也是對所謂交流接觸器微電弧能量的分斷控制，是現代電器共同想要實現的目標。

1 交流接觸器零電流分斷智能控制方法

通常交流接觸器在運行過程中，其三相電流的相位相差150°。在交流接觸器運行過程中，必有一相電流最先過零點。假設某相電流先過零點，并且該相電弧首先熄滅，此時另外兩相弧隙仍然處于導通狀態。如果交流接觸器觸頭第一相角區打開，那么該相區電流將會首先通過零點，該相成為交流接觸器的首開相[2]。 如果在經過該相區時，交流接觸器的觸頭電弧在經過零點時熄滅，交流接觸器電路中的電流成為線電流i1，則此時線電流i2的零點正好對應在電流i1的峰值，再經過10 ms 時間線電流i3會通過零點，所以交流接觸器零電流分斷智能控制最重要也是最核心的是控制好交流接觸器的電勢釋放時間。

1.1 擬合交流接觸器零電流分斷電勢變化曲線

由于交流接觸器零電流分斷過程具有非線性特征，無法用數學表達式計算出其分斷電勢變化規律曲線，而人工神經網絡具有高度非線性映射功能，所以此次利用人工神經網絡技術擬合出交流接觸器零電流分斷電勢變化曲線[3]。此次選擇三層人工神經網絡，通過大量的訓練得出交流接觸器零電流分斷電勢變化規律。首先選取一組交流接觸器零電流分斷數據進行訓練，以時間軸為出入矢量，以交流接觸器零電流分斷感應電勢作為輸出矢量，訓練次數取10 000 次，訓練誤差取0.000 1，得到交流接觸器零電流分斷電勢變化曲線。

1.2 建立數學模型

在擬合的交流接觸器零電流分斷電勢曲線規律的基礎上，通過建立相對應的數學模型，對交流接觸器零電流分斷過程進行動態分析，其模型公式如下：

其中，?為交流接觸器電磁機構中磁通；v為鐵心返回運動速度；f1為電磁吸力；f2為電磁反力；m為電磁運動質量；N為交流接觸器線圈匝數；t為時間。通過數學模型計算出交流接觸器在零電流分斷過程中鐵心分離時刻、首開相觸頭打開時間以及非首開相觸頭打開時刻，為后續實現交流接觸器零電流分斷提供準確依據。

1.3 實現交流接觸器零電流分斷控制

控制交流接觸器首開相經過零電流的時間是實現交流接觸器零電流分斷智能控制的關鍵，根據建立的數學模型求得結果來看，首開相觸頭經過零電流前 4 ms 是最理想的分斷時間。由于交流接觸器首開相觸頭分斷電路負擔較重，若要將首開相觸頭經過零電流時間控制在4 ms，將會導致首開相觸頭與非首開相觸頭開具相差較大，從而加重交流接觸器電磁機構的工作負擔?？紤]到交流接觸器實際結構、分斷工藝以及分斷動作特性等因素，將時間控制在2.5～3 ms。具體控制過程如下。

在交流接觸器鐵心分離時刻，電磁機構磁路中的磁通發生突變，反映在感應線圈上產生一個零電流分斷電勢變化點，利用人工神經網絡擬合出零電流分斷電勢曲線。將線圈的信號輸入給交流接觸器的單片機芯片系統，由單片機芯片系統判斷線圈上的零電流分斷電勢變化情況，設定相應的零電流分斷電勢的基值信號，將信號帶入數學模型，由此感知交流接觸器鐵心的分離時刻[4-6]。將交流接觸器輸出分斷信號至鐵心分離時刻的時間差與預先設定的分斷時間進行比較，如果需要，在首開相觸頭分開以后的2.5～3 ms 進行分斷，在相應時刻觸發強激磁供電回路，給電磁機構增加一個激磁磁勢，延長首開相觸頭的打開時間，調整首開相與非首開相之間的分斷過程時間差。通過改變分斷過程強激磁時間，實現交流接觸器三相電路零電流分斷智能控制。

2 對比實驗

此次根據對交流接觸器零電流分斷過程動態分析，設計了一個控制方法。為了檢驗該方法是否能夠滿足交流接觸器零電流分斷控制需求，將其與傳統方法進行一組對比實驗。此次實驗選取一臺200 A 的交流接觸器，電磁感應系統選用KL20-10A。實驗參數設置為：交流接觸器電壓220 V，電流為500 A，實驗過程中交流接觸器零電流分斷操作頻率為500 次/時。此次實驗使用兩種方法對交流交流接觸器進行5 h 零電流分斷控制，檢驗此次提出方法控制誤差。將此次提出方法用方法1 表示，將傳統方法用方法2 表示，表1 為兩種方法實驗結果。

表1 兩種方法實驗結果

從表1 可以看出，此次提出的方法平均控制誤差為1.65，傳統方法平均控制誤差高達17.4，由此證明了此次方法具有較低的控制誤差，對交流接觸器零電流分斷可以取得較好的控制效果。

3 結 論

交流接觸器零電流分斷過程是一個非線性運動過程，此次將人工神經網絡技術結合數學模型，實現對交流接觸器零電流分斷智能控制，形成一種新的控制方法。由于該方法未經過大量實際應用，還存在一些不足之處，需要在今后的不斷操作應用過程中對其進行完善和創新，以延長交流接觸器觸頭使用壽命，同時也為交流接觸器正常工作提供安全保障。