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怎样提高智能接触器在新能源领域运行的稳定性?

2019年04月12日 13:17:28 565net亚洲必赢: 庄杰榕、许志红 电气技术

摘要

福州大学电气工程与自动化学院的研究人员庄杰榕、许志红,在2018年第23期《电工技术学报》上撰文(论文标题为“智能电磁接触器自抗扰电流模型预测控制”),基于线圈电流闭环控制的智能接触器受到广泛认可,为解决其抗机械扰动和差拍延时控制问题,提出一种自抗扰电流模型预测控制策略。分析线圈电流闭环的扰动机理,探讨不同线圈电压、不同的铁心分离速度对电流上升斜率的影响。

分析结果表明,线圈两端电压为零时,线圈电流上升斜率的异常变化与铁心运动速度呈正向关系,由电流上升斜率能够反推铁心的运动状态。建立无差拍的电流数值求解模型,引入感应电动势补偿项,预测下一周期的线圈电流,消除数字控制延时;引入二次型评价函数进行滚动优化,求解最优占空比及开关函数,使接触器受扰动时开关函数为零,自动进入零线圈电压状态观测线圈电流斜率的异常变化,在铁心分离初期自主调节电流设定,从而抑制扰动冲击,接触器吸持状态具有自抗扰能力;该文提出的控制策略同时兼顾稳定吸持时的线圈电流静态误差、纹波,谐波含量低。

仿真及实验验证了该控制策略的有效性,提高了智能接触器在新能源领域运行时的吸持稳定性。

风力、光伏、电动汽车等新能源领域带动了传统接触器的发展,亦给电磁系统交流或开环整流励磁的接触器带来挑战,即在电压波动范围大(额定电压的1±50%,甚至完全断电)、存在强外部扰动的新能源领域难以实际应用。基于电磁系统闭环控制的智能接触器在一定程度上能够不受电信号扰动及自身参数摄动的影响,获得良好的动静态性能,受到国内外学者的广泛关注。

电磁系统闭环控制分为线圈电压反馈和电流反馈两种驱动方式。线圈电压反馈的作用效果严重滞后于接触器励磁状态的改变,难以实现动态过程的最优控制;而电流反馈驱动下的线圈励磁响应速度快,综合性能更好,具有电磁系统交直流通用、宽工作电压、弹跳抑制等优点,在100A以上的大容量接触器中具有高性价比,ABB、罗克韦尔等国外企业陆续推出具有线圈电流闭环功能的智能接触器取代其旗下的传统电磁接触器。

线圈电流反馈环路是电磁系统闭环控制最直接的环节,目前典型的线圈电流反馈驱动主要包括非线性的斩波控制(也叫开关控制)或滞环控制、线性的比例积分控制(ProportionalIntegral,PI)。其中,斩波控制方法简单,电磁系统动态响应快,但开关频率不固定,造成线圈电流谐波分布广,难以滤波消除,产生高频噪音;比例积分控制能够固定开关频率,但在接触器起动到保持过程中PI参数整定工作量大,参数不匹配会引起线圈电流振荡和静态电流误差。随着数字处理器性能的提高,使得一个电流周期内能够完成更加复杂的计算,出现如模糊控制、位移控制等智能算法。

综上所述,具有电流反馈的闭环控制方式使接触器能够适应新能源领域中大幅度电压波动,但引入电流纹波、谐波、静态电流误差等问题;新能源领域中的强外部扰动,如安装于风机、车载的接触器受到强度、方向随机出现的振动,车辆起动、制动过程接触器运动部件的惯性冲击以及风机低电压穿越后变频器输出数倍额定电流带来的触头电动斥力冲击,均给接触器的吸持稳定性提出更高的要求。

改变接触器在振动环境的安装方向、提高吸持电流设定,在一定范围内不失为可行的措施。但扰动的不确定性增加了吸持电流的调试难度,盲目提高吸持电流会带来吸持功耗大、线圈温升高等系列问题,电磁系统的设计难度增加;改变接触器的安装方向只能应对单一方向的冲击扰动,局限性大。

现有方法均是在触头空载时的抗振性测试,无法同时考虑触头带载后冲击电流带来的电动斥力,需依赖技术人员的经验在各种工况下反复调试参数。

近年来,自抗扰控制、预测控制等先进的控制理论在电力电子变流器、电机控制中得到了成功的应用。预测控制具有系统预测模型、反馈校正和滚动优化的特点,选择评估函数最小从而实现最优控制。自抗扰控制则充分考虑不确定的系统扰动影响,在控制器设计中加入扰动补偿,提高控制系统的抗扰动性能。

本文将自抗扰模型预测控制引入基于线圈电流闭环的电磁接触器,提高其吸持稳定性和自适应能力:考虑线圈电感变化引起的感应电动势,建立适用于接触器的线圈电流无差拍模型,预测下一周期的线圈电流,解决数字处理器存在的差拍现象。

差拍现象是数字控制存在的共性问题,即当前计算的占空比在下一个开关周期实现,控制作用始终延时一拍,是引起吸持电流纹波、谐波、稳态误差的主要原因之一;推导证明铁心运动引起电流斜率的异常变化,揭示零线圈电压下铁心分断速度与线圈电流上升斜率呈正向关系,间接建立触头与电磁系统的电气联系,作为预测控制的铁心运动反馈外环,无需添加额外的硬件,不影响接触器的正常工作,自适应地调节线圈电流参考值,实时应对机械冲击扰动;采用二次型评价函数,进行逐周期的滚动优化和反馈校正,求解局部最优的占空比及开关调制函数,在扰动状态下自动进入零开关函数进行电流斜率异常观测。

本文所提控制策略采用数字编程实现,降低了对硬件性能的要求,使电磁接触器具有自适应的抗机械冲击扰动能力。

4.1.jpg 

图1线圈驱动拓扑结构

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图2自抗扰电流模型预测控制策略结构框图

结论

1)阐明铁心运动引起线圈电流闭环扰动的现象,提出自抗扰电流模型预测控制策略,使接触器能够实时自适应地应对扰动冲击。

2)分析铁心分离运动引发电流斜率异常变化,揭示零线圈电压下线圈电流上升斜率与铁心分离速度呈正向关系,从而构建铁心由静止到运动的反馈外环,预测接触器吸持失效。

3)建立无差拍的电流预测数学模型,评价函数在线的滚动优化,得出最佳开关函数及占空比,实现线圈电流纹波、静态误差小,谐波含量低,扰动时自动进入零开关函数,反推出铁心运动状态。

4)控制策略以数字环路实现,能够实时应对振动、低电压穿越等扰动,提高接触器在新能源领域中运行时的吸持稳定性。


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