1  項目背景

近年來(lái)，國內外智能化設計與控制技術(shù)取得了長(cháng)足的發(fā)展，新技術(shù)、新設計方法不斷涌現。采用各種仿真技術(shù)對電磁開(kāi)關(guān)進(jìn)行本體優(yōu)化設計，以便能夠提高開(kāi)關(guān)的可靠性和整體性能指標，引入電力電子控制技術(shù)和智能控制策略，可形成新一代智能控制開(kāi)關(guān)，論文正是在這樣的背景下展開(kāi)的。課題組針對智能開(kāi)關(guān)的研究已經(jīng)超過(guò)20余年，對智能接觸器的閉環(huán)控制理論、智能控制技術(shù)、開(kāi)關(guān)本體的虛擬設計技術(shù)都開(kāi)展了持續的研究工作。論文設計一款智能化單極電磁開(kāi)關(guān)，采用緊湊的嵌裝式結構，由智能控制模塊、電磁系統、觸頭系統及聯(lián)動(dòng)機構組成?？刂颇K中引入電流閉環(huán)控制技術(shù)，使開(kāi)關(guān)具有吸合過(guò)程定相合閘、吸持階段節能無(wú)聲運行和零電流分斷等控制功能。開(kāi)關(guān)具有模塊化特點(diǎn)，既可以單獨使用，獨立工作，又可以在控制模塊協(xié)調下靈活組合，形成兩極、三極，甚至多極回路的電磁開(kāi)關(guān)。

2  論文所解決的問(wèn)題及意義

1)多物理場(chǎng)協(xié)同仿真問(wèn)題。電磁開(kāi)關(guān)分斷過(guò)程是一個(gè)集電、磁、熱、流體、機械為一體的運動(dòng)過(guò)程，單純的本體結構仿真無(wú)法真實(shí)反應開(kāi)關(guān)的整體動(dòng)作特性。

2)多種軟件的二次開(kāi)發(fā)和相互融合問(wèn)題。采用Multisim軟件搭建快速去磁控制電路，對LS-DYNA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，利用LabVIEW創(chuàng )建仿真數據的雙向交換接口，計算該不同控制方案下含觸頭系統的電磁開(kāi)關(guān)三維動(dòng)態(tài)分斷過(guò)程，根據所得觸頭運動(dòng)軌跡,結合電弧磁流體動(dòng)力學(xué)模型，運用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格技術(shù)，對流體仿真軟件Fleunt進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立不同軟件協(xié)同仿真系統。

3)實(shí)驗驗證、完善程序、特性分析。

3  論文重點(diǎn)內容

1)電磁開(kāi)關(guān)建模。

圖1為樣機結構示意圖。直流運行后的電磁機構無(wú)需短路環(huán)，外殼體通過(guò)定位卡槽直接裝配，通過(guò)螺栓可實(shí)現多級開(kāi)關(guān)的級聯(lián)，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。線(xiàn)圈電流是直接反應電磁系統激磁狀態(tài)的參量，開(kāi)關(guān)的起動(dòng)、吸持、分斷均實(shí)現了電流閉環(huán)控制，具有寬電壓輸入、節能無(wú)聲運行等特點(diǎn)。采用閉環(huán)恒流吸持方案后，根據外界對電磁系統的影響可實(shí)時(shí)調節線(xiàn)圈電流保持動(dòng)態(tài)穩定，在正常工作條件下保證電磁吸力始終大于反力，降低了電磁開(kāi)關(guān)對環(huán)境溫度、電網(wǎng)電壓波動(dòng)的敏感性，確保開(kāi)關(guān)安全、可靠運行，同時(shí)也會(huì )帶來(lái)開(kāi)釋時(shí)間長(cháng)，分斷速度小等缺點(diǎn)，對觸頭間隙電弧的熄滅產(chǎn)生一定影響，因此，采用了施加負壓的分斷控制模式。

圖1 樣機結構示意圖

2)機電協(xié)同仿真設計。

開(kāi)關(guān)運動(dòng)過(guò)程中線(xiàn)圈電流及氣隙導致磁路電感非線(xiàn)性變化，從而引起整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程電磁參量、機械參量的耦合效應。從電路等效形式來(lái)看，電磁系統可看作電感可變的阻感性負載。將電磁系統等效電感模型時(shí)域上離散化，在每個(gè)時(shí)間步長(cháng)動(dòng)態(tài)更新電感值。在Multisim仿真中計及了微分電感的影響，既考慮電流變化引起的自感電動(dòng)勢，又考慮了可變氣隙導致電感變化引起的運動(dòng)反電動(dòng)勢。

電子控制模塊與機構的一體化建模關(guān)鍵在于線(xiàn)圈勵磁回路方程與機構多體動(dòng)力學(xué)方程的耦合計算。開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中電磁和機械參量相互影響、實(shí)時(shí)耦合，呈現嚴重的非線(xiàn)性。這就要求在控制電路的仿真中，需要根據閉環(huán)控制策略及三維動(dòng)態(tài)計算模塊實(shí)時(shí)更新輸入電壓占空比和磁路等效電感。另外，閉環(huán)控制下吸反力也是實(shí)時(shí)變化的，需要在離散化的時(shí)間步長(cháng)內根據當前氣隙更新電磁吸力和反力載荷。通過(guò)分析機電耦合的計算流程，設計協(xié)同仿真系統，實(shí)現電磁開(kāi)關(guān)的整體仿真分析。

3)分斷過(guò)程電弧動(dòng)態(tài)特性分析。

建立了分斷過(guò)程中電弧計算模型，研究電流零點(diǎn)附近小范圍內的電弧燃燒情況，為零電流分斷控制奠定理論基礎。

4  結論

論文提出了一種多物理場(chǎng)協(xié)同仿真的方法，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)建立聯(lián)合仿真系統，將控制模塊的設計、電磁場(chǎng)方程、機構多體動(dòng)力學(xué)模型及分斷電弧的磁流體動(dòng)力學(xué)模型融為一體，對快速去磁控制下電磁開(kāi)關(guān)分斷過(guò)程進(jìn)行整體仿真分析，并通過(guò)實(shí)驗驗證了仿真方法。

1)通過(guò)不同軟件的聯(lián)合調用，建立含智能控制模塊、觸頭系統及電磁系統的開(kāi)關(guān)機械動(dòng)力學(xué)模型，可直觀(guān)反映觸頭瞬態(tài)三維運動(dòng)過(guò)程。

2)將電弧磁流體動(dòng)力學(xué)模型與機構多體動(dòng)力學(xué)模型相結合，得到觸頭打開(kāi)過(guò)程電弧氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、弧柱電流密度及弧柱壓降的時(shí)空分布規律，為開(kāi)關(guān)滅弧室設計、最佳分斷控制方案的確定奠定理論基礎。

3)針對電磁開(kāi)關(guān)多場(chǎng)耦合的特點(diǎn)，單領(lǐng)域的仿真軟件求解存在局限性且不易集成，提出多物理場(chǎng)協(xié)同仿真方法，發(fā)揮仿真軟件各自?xún)?yōu)勢，為全面分析電磁開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)性能，尋找最佳分斷區域及其對應的控制參數與結構參數提供有效途徑。

引文信息

林文貴，許志紅.新型單極電磁開(kāi)關(guān)分斷過(guò)程動(dòng)態(tài)特性研究[J].中國電機工程學(xué)報，2017，37(6)：1819-1827.

團隊介紹

福州大學(xué)智能電器與仿真技術(shù)研究團隊成立于2006年，形成了獨具特色的智能電器研究方向，涉及的主要技術(shù)有電機電器智能化控制技術(shù)、虛擬樣機設計技術(shù)、智能在線(xiàn)監測技術(shù)等。團隊近年來(lái)承擔各類(lèi)科研項目30余項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文130余篇，已獲國家發(fā)明專(zhuān)利授權28項。團隊2016年獲福建青年五四獎?wù)录w，科研成果在2014年和2015年兩次獲得福建省科技進(jìn)步二等獎。

許志紅，教授，博士，福州大學(xué)智能電器與仿真技術(shù)研究團隊負責人，福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院院長(cháng)，博士生導師，兼任福建省電機工程學(xué)會(huì )副理事長(cháng)、常務(wù)理事;福建省女科技工作者協(xié)會(huì )常務(wù)理事福州大學(xué)分會(huì )會(huì )長(cháng);中國電工技術(shù)學(xué)會(huì )電工產(chǎn)品可靠性專(zhuān)業(yè)委員會(huì )常務(wù)理事;福建省教育廳“電機設計與系統控制”工程研究中心主任;福州大學(xué)宏發(fā)電聲智能開(kāi)關(guān)電器研發(fā)中心主任等。2016年獲寶鋼優(yōu)秀教師獎、第八屆紫金科技創(chuàng )新獎，2015年獲盧嘉錫優(yōu)秀導師獎等。

原標題:新型單極電磁開(kāi)關(guān)分斷過(guò)程動(dòng)態(tài)特性研究