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                《廈門理工學院學報》  2020年第5期 21-26   出版日期:2020-10-30   ISSN:1673-4432   CN:35-1289/Z
                真空接觸器電磁機構仿真模型的構建


                如今電力系統蓬勃發展,電器設備需要更加可靠。對于真空接觸器而言,掌握各類故障在電磁機構動態特性曲線上的表現是建立真空接觸器專家系統的基礎。研究發現,接觸器的機械狀態在一定程度上會反映在電磁機構的動特性曲線之中,特別是分合閘電流曲線[12]。因此,利用大型有限元分析軟件分析電磁機構的工作特性已經成為工程設計領域中不可或缺的技術手段[3]。國內外對電磁機構的研究已開展多年,但是針對電磁機構的研究主要集中在斷路器上,對真空接觸器的研究甚少。與斷路器不同的是,真空接觸器合閘力全部由電磁機構提供,這導致真空接觸器電磁機構的結構更復雜,故障率更高[4]。國內學者研究電磁機構工作特性大多采用直接采集線圈電流曲線的方法,但該方法缺乏多方面的數據支持,樣本不足影響狀態評估的準確性[56]。與低壓接觸器控制線圈電壓的方法不同[712],中高壓真空接觸器的電磁機構大多采用脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)技術控制線圈電壓[1314],而目前對此類的PWM控制線圈電壓的U形直動式電磁機構尚未有過仿真研究。為解決實際運行中故障數據獲取困難問題,本文以該型號電磁機構為研究對象,采用Maxwell軟件耦合外部電路模擬PWM控制線圈電壓,對U形直動式電磁機構建立模型并仿真分析。 1真空接觸器模型的建立 11真空接觸器的工作原理和數學模型 真空接觸器的工作原理是外部電源通過電壓變換模塊向合閘線圈施加電壓,合閘線圈得電后銜鐵動作并壓縮分閘彈簧。這個動作通過轉動驅動臂使真空滅弧室在自閉力下合閘。線圈剛通電時電流很大,經過短暫延時后電子模塊將減小合閘線圈電流,以此保證線圈在長時間通電狀態下不被燒壞。在此期間真空滅弧室始終處于合閘狀態直至合閘線圈失電或分閘線圈得電。電磁機構將2個相同的勵磁線圈串聯,采用改變線圈勵磁電壓的控制方法來控制線圈電流。接觸器分合閘示意圖如圖1所示。 圖1接觸器分合閘示意圖 Fig1Opening and closing of the contactor 通電后,勵磁線圈在激勵源的作用下產生磁場,吸引銜鐵向靜鐵芯運動。這個過程是電、磁、力多物理場耦合的結果。銜鐵在運動過程中滿足電壓平衡方程、達郎貝爾運動方程和麥克斯韋方程,即: u=ir+dΨdt,(1) Ψ=(L+M)i,(2) dxdt=v,(3) F(i,x)-Ff(x)=mdvdt。(4) 式(1)至式(4)中:u為線圈勵磁電壓;i為線圈電流;r為2個線圈的總電阻;L和M分別為線圈的自感和互感;Ψ為其中一個線圈磁鏈;F(i,x)為該系統的電磁吸力;Ff(x)為負載反力;m為運動部分質量;v為銜鐵運動速度;x為銜鐵運動行程。 電磁系統在接觸器合閘過程中可以分為3個階段。第1階段是銜鐵未動的觸動階段。在線圈電感的影響下,這一階段線圈電流從零開始逐漸增大,電磁吸力也從零開始增大。由于該階段電磁系統尚未獲取到足以克服負載反力的能量,即吸力小于反力,因此銜鐵還未運動。 在觸動階段,由于磁路不飽和,電壓平衡方程可寫為 廈門理工學院學報2020年 第5期鄭運鴻,等:真空接觸器電磁機構仿真模型的構建 u=ir+dΨdt=ir+(L+M)didt+id(L+M)dt。(5) 又有id(L+M)dt=id(L+M)dx·dxdt=ivd(L+M)dt,當銜鐵未動時,v=0,即有 u=ir+(L+M)didt。(6) 當電磁吸力大于負載反力時,銜鐵開始運動,進入第2階段,即吸合運動階段。在這一階段,銜鐵運動時會在線圈中產生阻礙電流增大的反電動勢ivd(L+M)dx。當反電動勢增大到某個數值時,為維持電壓平衡,電流開始減小。 銜鐵運動過程結束后,電磁系統的吸合過程進入第3階段。此時v=0,類似于第1階段,線圈電流和磁通仍在增大。但是為了節能,合閘到位后電壓切換成可使電磁系統保持吸合狀態的低壓值,電流下降至穩態值。 12仿真模型的建立 圖2真空接觸器電磁機構3D簡化圖 Fig2Electromagnetic mechanism of the vacuum contactor真空接觸器電磁機構仿真模型由銜鐵、2個鐵芯、2個線圈、基座構成。仿真模型忽略了實體模型中的一些倒角、螺紋和開孔,經過簡化后在SolidWorks中建立相關模型,隨后導入Maxwell中。真空接觸器電磁機構3D簡化圖如圖2所示。線圈的材料設置為銅,基座、鐵芯、銜鐵設置為電工純鐵DT4,其余部分設置為空氣。 〖XC鄭運鴻-3.TIF〗〖TS(〗〖JZ(〗〖HT5”H〗〖ST5”FZ〗〖WT5”FZ〗圖3〓電工純鐵DT4的磁化曲線Fig3〓Magnetization curve of DT4〖JZ)〗〖TS)〗銜鐵所受反力由靜態載荷和摩擦阻力組成。靜態載荷主要由2個反力彈簧和3個觸頭彈簧提供,靜態載荷曲線如圖3所示。摩擦阻力指的是銜鐵在運動過程中與空氣或零部件的動態摩擦力。摩擦阻力和銜鐵運動速度近似成正比,其比例稱為阻尼比。一般來說,系統約有1/3能量損耗在摩擦力上,據此可推測阻尼比為2×1017。銜鐵和鐵芯初始間隙為6 mm,銜鐵運動行程設置為45 mm,其中開距38 mm,超程07 mm。 勵磁線圈在仿真中的電壓由可變直流電源提供。本模型中,勵磁線圈外部控制電路由2個1 880匝、135 Ω規格的勵磁線圈以串聯的方式組成。在合閘動作未進行時,線圈兩端施加110 V的額定工作電壓。當銜鐵運動到位,可變直流電源將電壓緩慢降至8 V并保持電壓不變,勵磁電壓曲線如圖4所示。實際中電壓變化通過調節PWM占空比實現。 圖3靜態載荷曲線 Fig3Static load curve圖4勵磁電壓曲線 Fig4Excitation voltage curve 〖JZ〗〖XC鄭運鴻-5.TIF〗〖TS(〗〖JZ(〗〖HT5”H〗〖ST5”FZ〗〖WT5”FZ〗圖5〓勵磁線圈外部控制電路 圖6 Fig5〓External control circuit of excitation coil〖JZ)〗〖TS)〗〓〓〓2仿真結果與分析 21靜態仿真分析 選取吸合過程中01 s為時間點,得到吸合過程中電磁機構的磁感應強度及矢量云圖,如圖5所示。圖5中隱藏了線圈,僅保留鐵磁材料部分。 圖5吸合過程中的磁感應強度矢量圖 Fig5Vector diagram of magnetic induction intensity in the process of attraction 由圖5可見,絕大多數磁通會經過銜鐵、靜鐵芯、基座構成的磁路,空間漏磁很小。磁感應強度最大值出現在銜鐵中部,說明該部位受到的電磁吸力最大。合閘過程中,鐵芯工作在磁飽和狀態下,均符合預期。 22動態仿真分析 經過Maxwell瞬態求解器的分析可以得出線圈電流曲線、銜鐵位移曲線、銜鐵速度曲線、電磁吸力曲線和單只線圈自感曲線,動態仿真結果如圖6所示。2個線圈自感和互感在趨勢上是相同的,可以通過整體曲線的上下平移得到,因此,僅展示單只線圈自感曲線。 圖6動態仿真結果圖 Fig6Dynamic simulation results 圖6(a)中T1是銜鐵觸動階段結束,吸合階段開始的時間,I1為對應電流值。T2是銜鐵吸合階段結束的時間,I2為對應電流值。T3是線圈電流曲線到達第二個波峰的時間,I3為對應電流值。當電磁機構處于觸動階段時即0至T1時刻,由于鐵芯還未飽和、銜鐵還未運動,線圈電流穩步上升,電磁吸力逐漸增大。當電磁吸力增大到與反力相等時,彈簧操動機構進入吸合階段即T1至T2時刻。隨著銜鐵開始運動,反電動勢Ivd(L+M)dx逐漸增大,線圈電感也變大,因此線圈電流增大趨勢減緩至開始下降;由于間隙變小因此電磁吸力急劇增大,速度和摩擦阻力隨即急劇增大直至吸合結束。至此進入第三個階段——保持階段即T2至T3階段。隨著銜鐵運動結束,電流繼續逐漸增大,電磁吸力恢復緩慢增大的趨勢,線圈電感逐漸減小。在T3以后的時間里,合閘到位后勵磁電壓逐漸降為低電壓,線圈電流、電磁吸力跟著緩慢下降,線圈電感逐漸上升阻礙其變化,這一過程一直持續到穩態。以上分析表明該模型符合實際運動軌跡。 3實測驗證 線圈電流曲線包含著電磁機構時間及狀態信息,能夠反映鐵芯運動的過程。本文通過對比仿真與實測線圈電流和銜鐵運動位移曲線來驗證仿真模型。給真空接觸器通以110 V額定電壓,電壓轉換模塊將電壓整流濾波后供給線圈,使用直線位移傳感器測量銜鐵位移,使用鉗形電流探頭測量線圈電壓。提取示波器中實測曲線,將其與仿真曲線對比,結果如圖7所示。 圖7仿真曲線和實測曲線對比圖 Fig7Overall comparison between simulation curve and measured curve 由圖7可以發現,仿真曲線和實測曲線整體上非常接近。仿真曲線和實測曲線的特征值及誤差率如表1所示。 表1仿真和實測曲線的特征值及其誤差率 Table 1Eigenvalues and error rates of simulated and measured curves 特征值T1/msT2/msT3/msI1/mAI2/mAI3/mA實測值821051281 9702 0012 467仿真值801041261 9071 9542 510誤差率/%244095156320235174由表1可見,仿真曲線與實測曲線的特征值誤差率不超過4%。仿真模型可以定量模擬機械故障的嚴重程度,例如電壓過高或過低、卡澀、線圈匝間短路、鐵芯空行程過大等。 4結論 為解決故障數據獲取困難的問題,采用PWM技術控制線圈電壓,建立由銜鐵、鐵芯、線圈和基座組成的某型號高壓真空接觸器U形直動式電磁機構模型。通過Maxwell軟件耦合雙線圈串聯電路模擬PWM控制線圈電壓,仿真得出電磁機構的動特性曲線和磁感應強度矢量圖,并進行實測驗證。仿真與實測對比結果顯示,曲線特征值之間的誤差在4%以內,表明仿真模型具有較高精度。下一步的研究方向是建立故障數據庫,利用智能算法分析、判斷故障類型,從而得到狀態評估策略。
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