交流接触器现代设计关键技术研究

摘要

交流接触器属于控制电器，广泛应用于低压配电系统中，是电网安全稳定运行的重要组成部分。随着计算机技术的发展，一种融合多学科理论及方法的电器现代设计技术随之出现，并逐步发展成为先进制造技术的核心和灵魂。一般说来，电器现代设计技术包括虚拟样机、有限元分析、优化设计、可靠性设计、智能计算机辅助设计、动态设计与分析、价值工程、稳健设计、反求工程设计和智能工程等诸多技术。本文从虚拟样机、有限元分析、优化设计、可靠性设计、动态设计与分析等电器现代设计关键技术入手，以智能交流接触器为研究对象，重点研究上述关键技术在智能交流接触器的设计、测试和分析环节中的应用，为其在工程中推广应用方面提供可以借鉴的经验。本文研究工作的主要内容包括：
　　（1）研究基于静态磁分析的接触器耦合方程数值求解方法，首先对电磁变量进行求解，然后将计算结果以数值网格的形式代入机械动力学方程求解机械变量，最终得到耦合计算结果。由于该方法加载的信号均为静态、离散的电流和位移序列，无法体现电磁机构动作时引起的系统感应电流和动态电感的变化。因此，在接触器电磁机构三维有限元静态分析的基础上，本文提出了基于时域协同的接触器电-磁-机械动态耦合模型及求解方法，通过动态网格技术，在时间域内动态划分空气域包含的网格，从而将机械结构的动力学方程和磁路的电磁场控制方程进行动态耦合，在时间域内同时完成电磁操动机构动态响应过程中电磁变量和机械变量的求解，而且电磁能、动态电感等参数也可以求解。该模型对优化接触器有限元分析技术有参考价值。
　　（2）分析影响智能交流接触器动态特性的相关因素，其中包括线圈动态电感、合闸初始相位角以及温度对接触器动态特性的影响，并用仿真和实验手段量化了这些因素对接触器动态特性的影响程度。在此基础上，提出了温度与输入电压PWM占空比的数学模型，该模型能补偿接触器因温度影响而产生的动态特性误差。
　　（3）采用改进后的遗传算法对智能交流接触器的主触头弹簧和电磁系统结构参数进行可靠性优化设计，论述了在非线性约束多目标条件下的建模过程，并对优化后的主触头弹簧和电磁系统进行实验测试。实验结果表明：经过可靠性优化设计后的弹簧质量比优化前减小16.2％，可靠度由原来的94.5%提升为99.9%；优化后的电磁系统稳态温升为28.8℃，比较优化前的55.1℃有显著降低；在保证接触器可靠吸合的条件下，优化后的电磁机构动铁芯的闭合末速度较优化前有明显降低。上述实验结果验证了可靠性优化设计方法的正确性和可行性。
　　（4）提出了对交流接触器智能化的PWM分时控制策略及支持向量机回归参数优化方法。通过在不同PWM分时控制组合下测试智能交流接触器动态特性，采用支持向量机回归方法对实验结果进行数学模型并优化控制参数，应用该模型对预测样本进行评估分析，实验表明该模型能准确反映接触器吸合动态参数与PWM控制组合之间的内在规律性。进一步地，将PWM分时控制模型及合闸初始相角判断方法应用于智能交流接触器的控制算法中，研究表明，上述控制策略能优化接触器吸合过程中的吸力与反力配合，控制和缩短吸合时间，降低触头弹跳和铁芯闭合末速度。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究问题的提出及课题来源

1.4 论文研究的内容

1.5 本章小结

第二章 智能交流接触器动态模型与仿真

2.1 智能交流接触器

2.2 智能交流接触器吸合过程的动态数学模型

2.3 电磁机构动态数学模型求解方法

2.4 本章小结

第三章 智能交流接触器动态特性影响因素分析

3.1 线圈动态电感对吸合特性影响研究

3.2 合闸初相角对动态特性的影响研究

3.3 温度对动态特性影响研究

3.4 本章小结

第四章 智能交流接触器结构参数优化设计

4.1 优化数学模型

4.2多目标非线性约束的遗传优化算法

4.3 主触头弹簧可靠性优化设计

4.4 电磁机构静态多目标可靠性优化设计

4.5 本章小结

第五章 交流接触器智能化控制策略

5.1 PWM分时控制策略效果分析

5.2 基于SVR方法的PWM控制模型建立

5.3 控制策略的应用及效果分析

5.4 小结

第六章 总结与展望

6.1 本文研究总结

6.2 今后的研究工作

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢