基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的永磁真空開關(guān)運(yùn)動(dòng)特性研究

摘 要：文章為解決當(dāng)前在永磁真空開關(guān)開發(fā)過(guò)程當(dāng)中存在的開關(guān)周期較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)質(zhì)量較低，開發(fā)成本較高問(wèn)題，立足于永磁式真空開關(guān)的運(yùn)動(dòng)特性，在虛擬樣機(jī)技術(shù)的作用之下，構(gòu)建了具有單穩(wěn)態(tài)特性的永磁式機(jī)構(gòu)真空開關(guān)仿真模型，并通過(guò)永磁真空開關(guān)分閘運(yùn)動(dòng)特性，合閘運(yùn)動(dòng)特性的仿真處理，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化，優(yōu)化后參數(shù)的實(shí)施能夠最大限度的保障永磁式真空開關(guān)正常運(yùn)動(dòng)期間觸頭彈跳量的最小化，同時(shí)確保所獲取分閘、合閘特性參數(shù)滿足預(yù)期設(shè)計(jì)水平，以上問(wèn)題值得引起各方人員的關(guān)注與重視。

關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)技術(shù)；永磁真空開關(guān)；分閘運(yùn)動(dòng)；合閘運(yùn)動(dòng)；仿真

對(duì)于永磁式真空開關(guān)而言，開斷性能的表現(xiàn)在很大程度上來(lái)說(shuō)回受到動(dòng)觸頭對(duì)應(yīng)分閘速度的影響。為了能夠確保動(dòng)觸頭分閘特性參數(shù)的表現(xiàn)滿足預(yù)期水平與要求，就需要按照如下步驟：根據(jù)分閘特性選擇參數(shù)，確定分閘彈簧以及觸頭彈簧對(duì)應(yīng)剛度水平；地偶爾不，根據(jù)動(dòng)觸頭合閘特性的表現(xiàn)，優(yōu)化包括線圈、以及電源電容在內(nèi)的相關(guān)參數(shù)，可同時(shí)滿足優(yōu)化動(dòng)觸頭合閘特性的目的。運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)施特點(diǎn)包括以下：

1 仿真模型構(gòu)建

文章仿真設(shè)計(jì)的永磁機(jī)構(gòu)真空開關(guān)為低壓永磁接觸器，相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為：（1）真空開關(guān)管型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)為TJ-1.14/200；（2）正常工作狀下額定電壓指標(biāo)為1.4kV；（3）額定電流指標(biāo)為200.0A；（4）額定分?jǐn)嚯娏髦笜?biāo)為1.6kA；（5）平均分閘速度指標(biāo)在0.3m/s～0.5m/s范圍之內(nèi)；（6）平均合閘速度指標(biāo)在0.05m/s～0.15m/s范圍之內(nèi)。在以上基礎(chǔ)參數(shù)作用之下，整個(gè)仿真模型主要由永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)桿和真空滅弧室三部分組成。操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用直動(dòng)式單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)，線圈合閘，彈簧分閘（線圈通以反向電流進(jìn)行觸動(dòng)），線圈采用充電電容供電；建模時(shí)考慮的部件主要是動(dòng)鐵心，靜鐵心，驅(qū)動(dòng)桿以及分閘彈簧。文章采用與MATLAB聯(lián)合仿真方式，將以上在ADAMS中所建模型以各種文件輸出，供聯(lián)合仿真時(shí)使用，并在MatlabSimulink中生成機(jī)械模型的Simulink控制塊。

2 分閘運(yùn)動(dòng)仿真

從分閘運(yùn)動(dòng)仿真的角度上來(lái)說(shuō)，相關(guān)預(yù)期參數(shù)按照如下標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施：（1）平均分閘速度指標(biāo)取值為0.4m/s；（2）分閘保持力指標(biāo)取值為60.0N；（3）剛分速度指標(biāo)取值為0.7m/s；（4）動(dòng)鐵心質(zhì)量指標(biāo)取值為0.53kg；（5）動(dòng)觸頭質(zhì)量指標(biāo)取值0.06kg。按照上述取值情況，結(jié)合開距段動(dòng)能原理，可以計(jì)算得出整個(gè)永磁式真空開關(guān)所對(duì)應(yīng)的分閘彈簧剛度取值標(biāo)準(zhǔn)（取值為10.7N/mm）。聯(lián)合仿真處理作用之下，獲取有關(guān)永磁真空開關(guān)分閘位移的運(yùn)動(dòng)曲線、以及分閘速度的運(yùn)動(dòng)曲線（一般來(lái)說(shuō)，在該運(yùn)動(dòng)曲線當(dāng)中，可以使用實(shí)線/虛線的方式區(qū)分真空滅弧室觸頭所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及鐵心所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡）。

結(jié)合所獲取的分閘速度運(yùn)動(dòng)曲線，可以評(píng)估得出此狀態(tài)下永磁式真空開關(guān)對(duì)應(yīng)的分閘平均速度以及剛分速度均滿足預(yù)期水平要求。同時(shí)，由于觸頭彈簧剛度較計(jì)算數(shù)值相對(duì)偏低，可以在分閘位移運(yùn)動(dòng)曲線圖當(dāng)中，以動(dòng)觸頭位移速度曲線的振蕩作為反應(yīng)方式。該指標(biāo)提示：對(duì)于真空開關(guān)動(dòng)觸頭而言，在開距終點(diǎn)，受到慣性作用力因素的影響，其不可避免的發(fā)生彈跳動(dòng)作，且該動(dòng)作狀態(tài)下，分閘運(yùn)動(dòng)曲線中的鐵心運(yùn)動(dòng)曲線未出現(xiàn)明顯振動(dòng)。

3 合閘運(yùn)動(dòng)仿真

從合閘運(yùn)動(dòng)仿真的角度上來(lái)說(shuō)，在前期通過(guò)分閘運(yùn)動(dòng)仿真方式確定所對(duì)應(yīng)的反力彈簧參數(shù)后，對(duì)于合閘運(yùn)動(dòng)而言，其主要受到了包括勵(lì)磁回路控制、線圈匝數(shù)、線圈電阻參數(shù)、電容電壓水平、以及電容器電容量水平等多個(gè)因素的影響。在防震作用之下，相關(guān)預(yù)期參數(shù)按照如下標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施：（1）電容參數(shù)指標(biāo)取值為0.1F（0.1F）；（2）距數(shù)指標(biāo)取值為200.0（200.0）；（3）電容電壓指標(biāo)取值為60.0V（電阻指標(biāo)取值為6.0Ω）。需要注意的一點(diǎn)是，為了能夠獲取永磁式真空開關(guān)正常運(yùn)行狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁回路參數(shù)變化u，就需要在按照以上不同仿真工況，對(duì)應(yīng)計(jì)算開關(guān)觸動(dòng)時(shí)間指標(biāo)（單位：ms）、開關(guān)動(dòng)作時(shí)間（單位：ms）、剛合速度時(shí)間（單位：m/s）、以及平均速度指標(biāo)（單位：m/s）的具體取值情況。

按照以上方式，可獲取在永磁式真空開關(guān)合閘運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程當(dāng)中，相關(guān)勵(lì)磁回路參數(shù)對(duì)于開關(guān)合閘性能的影響情況。具體概括如下幾個(gè)方面：第一類，在電阻變化的作用之下，相對(duì)于觸動(dòng)時(shí)間的影響不大，與動(dòng)作時(shí)間呈比例增長(zhǎng)關(guān)系，與剛合速度以及平均速度則呈比例降低關(guān)系；第二類，在距數(shù)變化的作用之下，與觸動(dòng)時(shí)間呈比例增長(zhǎng)關(guān)系，相對(duì)于動(dòng)作時(shí)間的影響不大，相對(duì)于剛合速度的影響不大，相對(duì)于平均速度的影響不大；第三類，在電容變化的作用之下，相對(duì)于觸動(dòng)時(shí)間的影響不大，與動(dòng)作時(shí)間呈比例降低關(guān)系，與剛合速度呈比例增長(zhǎng)關(guān)系，與平均速度呈比例增長(zhǎng)關(guān)系；第四類，在電壓變化的作用之下，與觸動(dòng)時(shí)間呈比例降低關(guān)系，與動(dòng)作時(shí)間呈比例降低關(guān)系，與剛合速度呈比例增長(zhǎng)關(guān)系，與平均速度呈比例增長(zhǎng)關(guān)系。

按照以上勵(lì)磁回路參數(shù)相對(duì)于永磁式真空開關(guān)合閘性能的影響關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁式真空接觸器模型的優(yōu)化仿真處理。為了能夠確保所得到真空開關(guān)合閘過(guò)程運(yùn)動(dòng)曲線中，開關(guān)彈跳量的最小化，可將相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：（1）線圈電阻指標(biāo)取值為0.2Ω；（2）線圈匝數(shù)指標(biāo)取值為300.0匝；（3）電容指標(biāo)取值為0.01F；（4）電容電壓指標(biāo)取值為110.0V。按照以上取值方式所優(yōu)化后的結(jié)果顯示：由于對(duì)整個(gè)開關(guān)的彈跳量進(jìn)行了可靠的控制，從而能夠避免在永磁式真空開關(guān)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，因開關(guān)頻繁重復(fù)動(dòng)作而出現(xiàn)的電弧燃燒燒蝕開關(guān)觸頭問(wèn)題，對(duì)于提高開關(guān)壽命也有重要的意義與價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上分析，文章立足于永磁式真空開關(guān)的運(yùn)動(dòng)特性，在虛擬樣機(jī)技術(shù)的作用之下，構(gòu)建了具有單穩(wěn)態(tài)特性的永磁式機(jī)構(gòu)真空開關(guān)仿真模型，并通過(guò)應(yīng)用虛擬樣機(jī)開發(fā)模型的方式，對(duì)永磁式真空開關(guān)分閘運(yùn)動(dòng)、合閘運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真優(yōu)化處理，得出了適宜于永磁式真空開關(guān)運(yùn)行的參數(shù)：（1）線圈電阻指標(biāo)取值為0.2Ω；（2）線圈匝數(shù)指標(biāo)取值為300.0匝；（3）電容指標(biāo)取值為0.01F；（4）電容電壓指標(biāo)取值為110.0V。按照以上參數(shù)，可避免在永磁式真空開關(guān)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，因開關(guān)頻繁重復(fù)動(dòng)作而出現(xiàn)的電弧燃燒燒蝕開關(guān)觸頭問(wèn)題，對(duì)于提高開關(guān)壽命也有重要的意義與價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]方春恩，李偉，楊立鋒等.采用模糊控制和脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的同步真空開關(guān)位置伺服控制器設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2012年第6期.

[2]董華軍，石桂名，宋春雨等.基于圖像序列短間隙真空開關(guān)電弧形態(tài)研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2012年第1期.

[3]廖敏夫，段雄英，鄒積巖.沿面擊穿型觸發(fā)真空開關(guān)的熱傳導(dǎo)模型分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008年第15期.

[4]廖敏夫，段雄英，鄒積巖.基于熱傳導(dǎo)模型的場(chǎng)擊穿型觸發(fā)真空開關(guān)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008年第2期.

[5]宋玉秋，劉艷霞，劉文軍.真空開關(guān)操作過(guò)電壓吸收裝置的研究[J].機(jī)床與液壓，2009年第8期.

作者簡(jiǎn)介：胡群榮（1957，12-），電氣工程師從事真空電力開關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)工作。endprint