低压直流固态断路器分断特性优化方法研究

为提高在直流系统发生短路故障时固态断路器(SSCB)的分断能力,提出一种考虑分断特性的低压直流固态断路器参数多目标优化方法。首先对短路故障时SSCB的分断流程进行详细分析,通过理论与仿真确定了限流电感LB和金属氧化物压敏电阻的限电压能力系数γ对分断特性的影响。以分断特性为基础,建立了SSCB的分断冲击性能指标、分断时间指标、能量吸收指标三个优化目标函数,通过多目标粒子群算法对目标函数进行优化,采用结合决策者偏好的逼近于理想解的排序方法对优化方案进行决策。优化结果表明,在各种决策者偏好下的优化方案,其优化设计后的元件参数LB和γ均能显著提高SSCB的分断性能。

固态断路器多IGBT串联混合均压电路设计

固态断路器需多IGBT串联切断短路故障电流,针对多IGBT存在电压分配不均、局部电压过高、损耗大等问题,提出一种混合式均压控制电路拓扑结构。分析固态断路器多IGBT均压影响因素,研究均压拓扑性能。优化缓冲电路结构,改进充放电型缓冲电路,减小损耗;引入双阈值钳位控制电路,改善IGBT过电压;提出被动均压与辅助反馈主动均压结合的混合均压控制策略,加快响应速度,实现均压动态自适应调节。制作样机,进行固态断路器设计拓扑和控制的仿真及实验验证,结果表明:混合式均压控制电路可减小IGBT电路超调量,具备更强的抑制过电压能力,提升响应速度。

基于全息希尔伯特频谱分析的交流串联电弧故障电流特征研究

针对交流串联电弧故障信号特征提取和分析的难题,提出采用循环掩码经验模态分解(itEMD)进行信号分解以获取多层内涵模态分量(IMF),结合全息希尔伯特变换(HHT)展现高维幅度调制频率调制(AM-FM)谱图的分析方法,从而获取高区分度的电弧故障信号特征谱图。采用基于GB/T 31143—2014的电弧故障实验平台,采集7种屏蔽负载模式下电弧故障电流信号,分析研究不同环境下电弧故障特征。所提方法对于电弧故障检测技术的开发具有一定的理论指导意义。

数字孪生装配线时序数据预测及评估方法研究

孪生装配线连续不断地产生多源时序数据,需对数据进行学习和预测以发挥其潜在价值。在数据采集过程中,由于传感器异常或通信中断会产生隐蔽的数据异常点,会降低数据预测的准确性。在数据预处理过程中,针对异常点的隐蔽问题,提出了一种差分异常点检测算法,实现了异常点的快速定位;将预处理数据导入LSTM(Long Short Term Memory,LSTM)进行了训练;针对模型预测性能的评估,提出了一种针对数值型数据预测精度评估的布尔计算方法。以某断路器孪生装配线的设备综合效率及生产节拍等多源时序数据预测为例,对差分异常点检测算法及布尔计算方法进行了实验,验证了方法的有效性。

ACB电子控制器关键技术研究

提出一种双电源供电的断路器电子控制器电路,增加了系统可靠性。基于低功耗理念,设计了集高精度多路交流信号采集模块、磁隔离型RS 485通信模块、液晶显示与输入模块、中央控制器模块等,经测试系统功耗为0.79 W。相比常规产品最大低功耗提升71%,电流精度最大提升48%。系统采用多任务实时操作系统,通过多路采集模块将电流、电压信号采样,实时计算电流、电压值,具有过载、短路、瞬断、缺相、电流不平衡、电压不平衡等保护特性,同时考虑控制器的热记忆功能,实现了对三相电流信号进行12次谐波分析,MODBUS通信协议的支持。

基于时间Petri网的断路器虚拟装配系统研究

提出了一种基于时间Petri网模型的断路器自动化虚拟装配系统,采用时间约束的嵌套式Petri网模型对装配系统行为逻辑进行描述。将建立的Petri网模型中的库所、变迁与Unity 3D软件的虚拟场景中的实体对象相对应,采用时序驱动的方法在Unity 3D中对断路器自动化装配实体进行了虚拟重现。开发了基于C#函数库的虚拟装配系统数据交换引擎,可通过Wi-Fi、工业串口与外部实体实现数据交换。采用包围盒法对虚拟装配单元和零部件进行碰撞检测设计,进而实现了断路器自动化装配系统的虚拟现实仿真,并验证了该系统的可行性和有效性。

考虑应力耦合的三维磁致伸缩力传感模型研究

针对普通磁致伸缩材料和压电材料脆性较大的问题,设计了一种以Galfenol合金(铁-镓合金)为敏感元件的力传感机构,可对方向交变的力载荷进行检测。建立了考虑应力耦合的传感机构三维磁-机耦合模型,采用能量均分模型(Discrete Energy-averaged Model)对合金的磁化非线性进行了描述,并通过弱解式动力学方程将磁化模型与机构的动力学模型进行耦合,达到对合金磁化过程进行完整描述的目的。模型通过Comsol Multiphysics弱解式模块求解,仿真结果表明,由于考虑了应力耦合,模型可描述合金受到磁场、应力同时作用时磁化强度的变化。以Φ8×100毫米的合金研制了传感样机,试验结果表明,传感机构可对方向交变的载荷进行检测,测得的磁化强度与仿真结果吻合较好。

双重寻优的机器人轨迹规划及其在断路器柔性装配中的应用研究

机器人是工业自动化制造的基础.针对现有机器人轨迹规划中优化结果存在不稳定性的问题,提出一种双重寻优的机器人轨迹规划新方法.采用个体极值双重寻优的改进粒子群算法,在适应度函数评判得到的优化粒子集合中,分别比对机器人每一分段轨迹对应的分段时间并进行二次寻优,从而得到机器人在运动速度和加速度约束条件下的整体潜在更优解,使轨迹优化结果的稳定性和准确性得到提升.在此基础上,设计了一种适用于不同零件的断路器柔性化装配工艺,将改进的优化算法应用到机器人柔性化装配工艺中,分别通过仿真和实验对优化方案进行了验证,对比结果表明,相比未经改进的普通粒子群优化方法,双重寻优得到的结果在不同分段轨迹的执行效率上分别提高了26%、3.6%、16.9%和7.4%.

断路器测试中电流和功率因数补偿的组合控制策略研究

断路器数字化测试装置中,整流桥电路会导致输入电流畸变严重,谐波倒流入电网可能引起严重谐波污染。在断路器保护特性测试过程中,对测试电流进行精度和功率因数补偿组合控制是解决这一问题的重要途径。提出了一种基于AC-DC-AC结构的高精度电流输出方法及其功率因数补偿控制策略,采用双闭环PI控制同时对后级电流输出精度和前级功率因数补偿进行控制,研究了控制参数对功率因数补偿效果的影响。仿真和试验测试结果表明,电流发生装置输出侧电流精度高,控制误差≤1%,可以满足断路器保护特性测试的指标要求;直流侧输入电压稳定,并且可实现良好的功率因数校正和谐波抑制。

基于耦合谐振及新型空间全向耦合机构的无线电能传输系统

针对传统无线电能传输系统中发射机构和接收机构相对位置发生偏移时,传输功率和效率急剧下降的问题,提出了一种基于耦合谐振及新型空间全向耦合机构的无线电能传输系统。首先通过有限元仿真分析发射机构的磁场分布特性,设计了适应其磁场分布的接收机构;然后基于串串谐振补偿结构建立系统数学模型,分析系统传输特性;在此基础上提出了最优输出方式选择方法和传输特性优化方法。最后,通过试验验证了所提系统多自由度传输能量的可行性和有效性。试验结果表明,接收机构在多角度情况下的输出功率维持在35 W以上,传输效率稳定在60%~75%。

基于单磁环三绕组的磁调制电流传感器

现有高精度闭环磁调制式电流传感器多采用双磁环乃至三磁环结构,通常具有体积较大、调制解调电路复杂、磁环特性不一致等缺点。基于此,提出一种基于单磁环三绕组结构的闭环磁调制电流传感器。在励磁电流平均值法的基础上,进一步研究简化的解调电路;增加一个感应绕组以及相应的运算电路,消除变压器效应产生的信号噪声;利用遗传算法优化传感器部分参数的取值,提升传感器性能。所提出的设计结构简单、体积小、量程大、精度高,能够满足直流大电流的测量需求。

基于力柔顺控制的断路器轴孔零件装配算法

针对双臂机器人断路器轴孔零件装配操作任务,研究了一种两阶段轴孔装配轨迹规划策略,为了提高双臂协调装配作业的柔顺性和精确性,提出一种FAIC控制算法,实现精确的力跟踪。首先建立轴和孔接触状态力学模型,开展轴孔装配机理研究,根据双臂末端受力平衡,提出了一种操作空间轴孔装配的双臂运动轨迹规划方法。基于阻抗控制实现柔顺轴孔装配,采用模糊控制器在线辨识阻抗控制最优参数,提高装配操作质量。实验结果表明,在双臂协作轴孔装配策略结合FAIC算法作用下,轴孔间接触力控制在3 N以内,装配效率提高36.5%。综上所述,本文提出的FAIC算法与装配策略在双臂协同断路器装配作业中有效地缩短磁组件的装配时间,提高装配效率与精度。

面向大规模场景的数字孪生模型快速渲染方法

对包含大规模场景的数字孪生系统而言,孪生模型的渲染效率对于孪生系统动态实时性和交互性具有重要影响。针对现有方案在视锥体剔除和渲染框架上的不足,提出一种基于并行计算框架的数字孪生模型视锥体细粒度剔除快速渲染新方法,将模型剖分为含相同数量三角面片的子模型,根据子模型几何坐标构建相应大小包围体,进行视锥体细粒度剔除,减少渲染流程中模型数据规模。同时,将渲染流程优化和CPU/GPU协同处理相结合,在GPU中构建并行计算框架,将原本CPU中进行的视锥体剔除和计算移植到GPU,进行视锥体剔除和操作的并行计算,进一步减少CPU计算负担。最后,以断路器数字孪生车间系统为例进行验证,结果表明,CPU、GPU渲染时间分别减少26.52%、25.51%,系统平均帧率提高28.35%,有效提升了数字孪生系统的运行效率和交互性能。

考虑节拍约束的断路器孪生车间模型动力学控制

生产节拍对以流水线为主要作业模式的孪生系统建模有重要影响,提出一种考虑节拍约束的断路器孪生车间模型动力学控制方法,对断路器单体和配套流水线进行运动检测,在节拍计算的基础上对孪生体进行动力学建模,通过驱动力加载、运动逻辑控制和切换,实现固定节拍和柔性节拍时流水线系统的孪生映射。建立了断路器上层、中层和下层多层方向包围盒及其层级遍历方式,提出对断路器孪生模型碰撞方向进行筛选,减少碰撞分离轴的检测数量。对比结果表明,孪生模型抖动减少,碰撞响应时间降低15%,碰撞精度提高96.26%。

面向复杂生产场景的数字孪生模型分布式渲染方法

针对生产线数字孪生场景模型数量庞大、逻辑关系复杂、运动模型状态多、动态信息量大,单机渲染方案难以满足逻辑计算与渲染输出的实时性要求,提出一种逻辑计算与实时渲染并行处理的分布式渲染方法。将场景数据分为逻辑数据和实时渲染数据,逻辑数据分布在控制端,渲染数据分布在渲染端,实现了多机并行渲染。以同步各渲染端动态模型的行为状态为切入点,设计了图形处理器多线程机制,实现了逻辑数据计算与运动实体同步判定计算;构建了包括车间状态数据、观察与投影矩阵等在内的同步数据包,结合主从同步数据传输与解析机制,实现了运动模型的快速精准同步。验证表明,在相同模型规模场景下,分布式渲染方法相比单机渲染可以将运行帧数由22.1提升至66.6,在不同模型规模下显著增加渲染帧数,明显提升渲染效果。

断路器柔性装配数字孪生机器人及其运动控制

针对断路器柔性装配生产线中的柔性装配单元机器人,结合数字孪生技术,提出一种支持机器人运动规划和控制的柔性装配机器人数字孪生框架。面向柔性装配机器人单元,结合实际制造工艺及过程,对物理实体对象进行了数字三维建模,同时建立了相应的柔性机器人动力学运动控制数学模型,将柔性机器人动力学模型应用于数字三维场景,通过数据交互链接物理实体单元与数字孪生单元,对孪生柔性机器人在运动姿态、制造工艺等数据上进行实时更新,从而保证数字孪生体的实时同步与忠实映射。以实例介绍了该数字孪生框架的实现与验证过程。

磁流体仿真与正交试验融合设计的灭弧室性能优化方法

低压断路器开断过程产生的电弧是影响其开断性能的重要因素,研究并优化低压断路器灭弧性能是提高其品质的关键。该文提出一种磁流体仿真与正交试验融合设计的灭弧性能优化新方法。建立了基于磁流体理论的电弧等离子体模型,研究了跑弧道形状、灭弧栅片数量、横向磁场、灭弧室压力等对灭弧性能的影响,得出优化因素组合及变量范围。在此基础上,建立了多维电弧参量测试系统,将磁流体仿真与正交试验进行融合,分别设计了四因素三水平、四因素四水平正交试验,融合后获得五个因素对灭弧性能影响强弱的排序为:灭弧室压力、横向磁场、跑弧道形状、栅片数及触头材料。最后结果表明,灭弧室压力、横向磁场、跑弧道弧度、触头Agcd比例变大均能减小电弧转移时间,栅片为7片时电弧转移效果最好。

基于逻辑Petri网模型的断路器数字孪生车间系统

针对断路器批量化制造过程中的生产逻辑关系建模与控制问题,提出一种基于逻辑Petri网的断路器数字孪生车间系统建模与控制方法。基于物理车间的构成信息和断路器批量化制造工艺特点,建立了逻辑约束的递进式Petri网,实现了对物理生产过程的精准建模分析。在此基础上,采用模型结构分析、系统协同优化、物理引擎开发等方法,结合逻辑Petri网构建了忠实映射、精准匹配的断路器数字孪生车间系统,实现了物理车间与数字孪生车间的高度融合和忠实同步。开发了与实际断路器制造车间相融合的数字孪生车间系统,运行结果验证了所提方法的可行性和有效性。

断路器柔性装配车间数字孪生系统设计

为优化断路器装配车间的产线结构和作业方法,结合数字孪生技术,提出一种基于多机器人运动控制的断路器柔性自动化车间装配方案。面向自动化装配单元,结合工业机器人的柔性装配工艺及方法,对实体装配车间进行全物理属性的数字化建模,同时建立多机器人的运动学控制模型,将机器人的三维运动模型应用于虚拟孪生场景。通过数据的交互传递,实现物理单元与虚拟单元的实时链接,将车间机器人的运动轨迹、装配状态、作业运送流程等数据信息进行实时显示,从而实现断路器柔性装配数字孪生系统的搭建与同步映射。实验结果证明,所提方案对实现断路器柔性装配有显著效果。

基于TSK模糊自适应PI控制的移相全桥变换器的设计与仿真

移相全桥DC/DC变换器是直流充电系统的核心装置,针对传统比例积分(PI)控制方案存在动态响应时间长、输出纹波值较大等问题,提出了一种将PI控制与Takagi-Sugeno-Kang(TSK)模糊控制结合的控制方案。在对误差信号进行PI控制的基础上,构建以TSK模糊控制为核心的复合控制策略,在保证系统稳态误差、输出精度的基础上,加快系统的动态响应。搭建变换器仿真系统并制作实物样机,验证了所提算法的有效性;实验结果表明,相较于传统控制方案,所提算法动态响应最大提升66%,纹波系数最大减小40%。