閱讀提示：本文約 2300 字

為提高雙穩態永磁斷路器操動過程的可控性，福州大學電器智能化技術研究團隊在《電工技術學報》2025年第8期提出雙穩態永磁操動機構氣隙磁通解耦控制技術。首先通過理論分析，得出機構動鐵心的矢量磁力取決于“合、分閘氣隙的磁通平方差”，對該磁通平方差進行準確控制即可實現動態控制；之后引入FCS-MPC方法，根據驅動電路拓撲、電壓狀態矢量及氣隙磁通分配方式，設計氣隙磁通解耦控制策略，實現分、合閘氣隙磁通的獨立控制，進而實現對該磁通平方差的直接控制；最后通過仿真與實驗，驗證了方法的有效性，相比于常用的電流閉環控制策略，在顯著降低操作功的同時，能夠有效提高機構的響應速度及控制靈活性。

論文簡報視頻

研究背景

斷路器作為通斷正常及故障負荷的關鍵設備之一，其運行的可靠性與穩定性直接影響電力系統的可靠性與穩定性。 雙穩態永磁操動機構作為斷路器常用的操動機構，其分合閘線圈共用磁路，導致分合閘氣隙磁通相互耦合，難以靈活控制永磁開關的動作特性，制約著開關的性能。針對這一問題，本研究引入有限集模型預測控制，設計了雙穩態永磁機構分合閘氣隙磁通的解耦控制方法。

論文所解決的問題及意義

首先，通過理論分析得出影響操動機構矢量磁力變化的本質參量“分合閘氣隙的磁通平方差”；然后，設計磁通預測模型，對下一時刻分合閘氣隙磁通進行預測；之后，將分合閘氣隙磁通及機構驅動電路視作整體，構建開關狀態集與代價函數；最后，在多個控制周期的滾動優化過程中，使分合閘氣隙磁通快速趨近于各自參考值，實現解耦控制。很大程度上提高了磁力的操動效率和分閘速度。

圖1 解耦控制整體原理

論文方法及創新點

1、電壓狀態矢量的構建

根據電壓狀態對氣隙磁通的影響，構建電壓狀態矢量表，用于有限集解耦控制模糊遍歷。通過代價函數的最小化，尋找最優電壓狀態，作用于下一控制周期。在多個周期的滾動優化過程中，分、合閘氣隙磁通快速趨近于各自參考值，實現解耦控制。

圖2 電壓狀態對氣隙磁通的影響

2、FCS-MPC策略仿真系統的搭建

采用Multisim和LabVIEW構建聯合仿真系統，在Multisim中構建線圈驅動電路子模型及“磁路的電路等效模型”；在LabVIEW中構建FCS-MPC解耦策略子模型，同時構建動態仿真子模型。

圖3 BPMA聯合仿真系統

圖4 FCS-MPC解耦控制仿真

3、FCS-MPC策略實驗平臺的搭建

以NI sbRIO-9627單板控制器為核心，主要包括：模擬輸入輸出（AI/O），數字輸入輸出（DI/O），板載FPGA。由電壓、電流傳感器采集線圈電壓、電流信號，通過AI接口輸入控制器，在FPGA中運行FCS-MPC策略，通過DO接口輸出驅動信號，控制驅動電路。

圖5 實驗平臺構建

圖6 分閘過程氣隙磁通解耦實驗波形

表1 不同策略分閘實驗動作特性與操作功

結論

1）動鐵心所受矢量磁力取決于分合閘氣隙的“磁通平方差”，因此要進行雙穩態永磁斷路器的動態控制，僅需實時控制這一矢量磁通方差即可。

2）根據矢量磁通方差分配參考值時，始終令非必要氣隙磁通的參考值為0，這一分配方式避免了分、合閘氣隙磁力在動鐵心上相互抵消，提高磁力的操動效率。

3）采用FCS-MPC方法，能夠將分閘氣隙磁通、合閘氣隙磁通、驅動電路視作整體來統一約束，進行非線性、多目標控制，使分/合閘氣隙磁通趨近于各自的參考值，實現解耦控制。

4）相比于常用的電流閉環控制，磁通解耦控制能提高機構的分合閘動作速度，并降低操作功，可見該控制方法能顯著提高機構的操動效率。

團隊介紹

研究團隊自2006年起將智能控制技術、智能設計技術以及智能測試技術相結合，形成獨具特色的智能電器研究方向，近年來持續開展了大量的研究以及與工業界的廣泛合作，涉及的主要技術有電器及其智能化技術、電器仿真技術、電器智能測試技術、故障電弧檢測技術、電氣火災預警技術和電纜故障檢測技術等，獲得國內學術界和工業界廣泛認可，并逐漸在業界產生一定的影響力。近年來在國內外著名學術刊物和國際會議發表論文200余篇，其中70余篇被SCI、EI收錄。承擔國家自然科學基金、省高校產學合作、省自然科學基金、省科技廳重點項目、企業合作項目等60余項，發明專利70余件。

團隊負責人為許志紅教授，博士生導師，教育部高等學校電氣類教學指導委員會委員，兼任福建省女科技工作者協會會長、福建省電機工程學會副理事長、智能配電網裝備福建省高校工程研究中心主任、新能源發電與電能變換福建省重點實驗室主任、福州大學-廈門宏發電聲股份有限公司智能開關電器研發中心主任。

本工作成果發表在2025年第8期《電工技術學報》，論文標題為“雙穩態永磁操動機構氣隙磁通解耦控制技術“。本課題得到福建省自然科學基金和國家自然科學基金項目的支持。

引用本文

湯龍飛, 陳明俊, 欒世旭. 雙穩態永磁操動機構氣隙磁通解耦控制技術[J]. 電工技術學報, 2025, 40(8): 2441-2450. Tang Longfei, Chen Mingjun, Luan Shixu. Air Gap Flux Decoupling Control Technology for Bi-Stable Permanent Magnet Actuator. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(8): 2441-2450.

閱讀全文

中國電工技術學會

新媒體平臺

學會官方微信

電工技術學報

CES電氣

學會官方B站

CES TEMS

今日頭條號

學會科普微信

大賽官方微信

?? 《電工技術學報》：010-63256949/6981；郵箱：dgjsxb@vip.126.com ?? 《電氣技術》：010-63256943；郵箱：dianqijishu@126.com ?? 《中國電工技術學會電機與系統學報（英文）》：電話：010-63256823；郵箱：cestems@126.com ?? 編務：010-63256994 ?? 訂閱：010-63256817 ?? “電工技術學報”微信號運營編輯：13121222619（微信同號） ?? “CES電氣”微信號運營編輯：18500877291（微信同號）