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智能电网与能源互联网的发展为电器工业带来了新的机遇与挑战。传统交流电磁开关尤其是大容量的在吸持阶段存在工作电压范围窄、抗电压跌落能力差、功耗高、噪声大、温升严重等一系列问题。为克服上述缺陷，其智能控制方式大多采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）励磁，利用电磁线圈的强感性，得到灵活可控的线圈电流，包括PWM电压闭环控制、PWM电流闭环控制、无位置传感器位移分段PWM控制、斜率闭环PWM控制等。
总结上述控制方案：线圈均采用高频方波电压进行激励，通过选择线圈电压、线圈电流、动铁心位移、线圈电流斜率等作为反馈控制变量，来调节方波励磁电压占空比，从而灵活控制电磁开关的励磁状态，提高开关性能。
但闭环高频方波励磁方式的引入使得电磁开关在运行过程中带来了新的噪声问题，相较于传统噪声，该噪声频率更高、更加尖锐。同时，随着电磁开关容量的提高，其电磁机构的驱动功率也逐渐增大，保持过程产生的噪声则越加严重，带来高频噪声污染，限制了电磁开关在静音环境的应用场合。因此，研究电磁开关在方波闭环励磁下，如何抑制其高频吸持噪声具有重要意义。
目前，在电气工程领域，国内外学者对电力变压器、电容器以及电机等设备的振动与噪声做了大量研究。但是有关研究均是从噪声测量角度对工频激励下的交流接触器进行研究，而对电磁开关在高频方波闭环励磁下产生的吸持噪声进行测量并采取抑制措施的研究鲜见报道。
为此，针对电磁开关在PWM闭环控制下引起的高频吸持噪声问题展开研究，福州大学电气工程与自动化学院、福建省新能源发电与电能变换重点实验室的研究人员汤龙飞、庄剑雄、孙怀懿、许志红，在2022年第10期《电工技术学报》上撰文，提出一种电磁开关高频吸持噪声抑制的自适应控制策略。
图1 基于模糊控制的电磁开关高频噪声抑制原理
他们首先分析接触器这一典型电磁开关PWM闭环过程高频吸持噪声产生的几个影响因素，进而提出要抑制这一噪声需要综合采取的三项措施。然后，为了有效实施这三项措施，提出基于模糊控制的电磁开关高频吸持噪声自适应抑制策略——根据线圈电流误差值及其误差变化率，通过模糊推理，合理选择不同的PWM控制方式，充分结合各控制方式的优点，来兼顾线圈电流的快速动态闭环调节及高频噪声的有效抑制。
图2 快速控制原型验证系统框图
研究人员最后构建整个控制方案的联合仿真模型及快速控制原型验证系统，采用仿真及实验的方法验证所提控制方案的有效性。他们通过仿真分析及实验验证得出以下结论：
1）电磁开关在起动过程中及线圈电流误差较大时，PWM控制方式选择on/off，可提高线圈电流的动态调节速度。
2）继电反馈自整定控制可实现不同电磁开关保持过程中PID运行参数的自整定，使保持占空比相对动态稳定，便于计算均值。
3）将电流闭环退化为电流监测环，同时采用恒定占空比输出的伪开环控制模式，可以将噪声频谱移出人耳敏感频段，实现保持噪声抑制。
4）在保持过程中，根据线圈电流误差值及其变化率，采用模糊控制策略，合理地选择不同的PWM控制方式，可充分整合各种控制方式的优点，兼顾线圈电流快速闭环调节及高频噪声抑制。
本文编自2022年第10期《电工技术学报》，论文标题为“电磁开关高频吸持噪声抑制策略”。本课题得到了国家自然科学基金项目和福建省教育厅中青年教师教育科研项目的支持。
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2022年9月16-18日 重庆市
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