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智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為電器工業(yè)帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)交流電磁開關(guān)尤其是大容量的在吸持階段存在工作電壓范圍窄、抗電壓跌落能力差、功耗高、噪聲大、溫升嚴重等一系列問題。為克服上述缺陷，其智能控制方式大多采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）勵磁，利用電磁線圈的強感性，得到靈活可控的線圈電流，包括PWM電壓閉環(huán)控制、PWM電流閉環(huán)控制、無位置傳感器位移分段PWM控制、斜率閉環(huán)PWM控制等。

總結(jié)上述控制方案：線圈均采用高頻方波電壓進行激勵，通過選擇線圈電壓、線圈電流、動鐵心位移、線圈電流斜率等作為反饋控制變量，來調(diào)節(jié)方波勵磁電壓占空比，從而靈活控制電磁開關(guān)的勵磁狀態(tài)，提高開關(guān)性能。

但閉環(huán)高頻方波勵磁方式的引入使得電磁開關(guān)在運行過程中帶來了新的噪聲問題，相較于傳統(tǒng)噪聲，該噪聲頻率更高、更加尖銳。同時，隨著電磁開關(guān)容量的提高，其電磁機構(gòu)的驅(qū)動功率也逐漸增大，保持過程產(chǎn)生的噪聲則越加嚴重，帶來高頻噪聲污染，限制了電磁開關(guān)在靜音環(huán)境的應用場合。因此，研究電磁開關(guān)在方波閉環(huán)勵磁下，如何抑制其高頻吸持噪聲具有重要意義。

目前，在電氣工程領(lǐng)域，國內(nèi)外學者對電力變壓器、電容器以及電機等設備的振動與噪聲做了大量研究。但是有關(guān)研究均是從噪聲測量角度對工頻激勵下的交流接觸器進行研究，而對電磁開關(guān)在高頻方波閉環(huán)勵磁下產(chǎn)生的吸持噪聲進行測量并采取抑制措施的研究鮮見報道。

為此，針對電磁開關(guān)在PWM閉環(huán)控制下引起的高頻吸持噪聲問題展開研究，福州大學電氣工程與自動化學院、福建省新能源發(fā)電與電能變換重點實驗室的研究人員湯龍飛、莊劍雄、孫懷懿、許志紅，在2022年第10期《電工技術(shù)學報》上撰文，提出一種電磁開關(guān)高頻吸持噪聲抑制的自適應控制策略。

圖1 電磁開關(guān)高頻噪聲抑制原理

他們首先分析接觸器這一典型電磁開關(guān)PWM閉環(huán)過程高頻吸持噪聲產(chǎn)生的幾個影響因素，進而提出要抑制這一噪聲需要綜合采取的三項措施。然后，為了有效實施這三項措施，提出基于模糊控制的電磁開關(guān)高頻吸持噪聲自適應抑制策略——根據(jù)線圈電流誤差值及其誤差變化率，通過模糊推理，合理選擇不同的PWM控制方式，充分結(jié)合各控制方式的優(yōu)點，來兼顧線圈電流的快速動態(tài)閉環(huán)調(diào)節(jié)及高頻噪聲的有效抑制。

圖2 快速控制原型驗證系統(tǒng)框圖

研究人員最后構(gòu)建整個控制方案的聯(lián)合仿真模型及快速控制原型驗證系統(tǒng)，采用仿真及實驗的方法驗證所提控制方案的有效性。他們通過仿真分析及實驗驗證得出以下結(jié)論：

1）電磁開關(guān)在起動過程中及線圈電流誤差較大時，PWM控制方式選擇on/off，可提高線圈電流的動態(tài)調(diào)節(jié)速度。

2）繼電反饋自整定控制可實現(xiàn)不同電磁開關(guān)保持過程中PID運行參數(shù)的自整定，使保持占空比相對動態(tài)穩(wěn)定，便于計算均值。

3）將電流閉環(huán)退化為電流監(jiān)測環(huán)，同時采用恒定占空比輸出的偽開環(huán)控制模式，可以將噪聲頻譜移出人耳敏感頻段，實現(xiàn)保持噪聲抑制。

4）在保持過程中，根據(jù)線圈電流誤差值及其變化率，采用模糊控制策略，合理地選擇不同的PWM控制方式，可充分整合各種控制方式的優(yōu)點，兼顧線圈電流快速閉環(huán)調(diào)節(jié)及高頻噪聲抑制。

本文編自2022年第10期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“電磁開關(guān)高頻吸持噪聲抑制策略”。本課題得到了國家自然科學基金項目和福建省教育廳中青年教師教育科研項目的支持。