適應(yīng)供電頻率變化的接觸器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

徐銀飛，李寶明，何 謙，張 超

應(yīng)用研究

適應(yīng)供電頻率變化的接觸器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

徐銀飛1，李寶明2，何 謙2，張 超2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢長(zhǎng)海電氣科技開發(fā)有限公司，武漢 430064）

為適應(yīng)地鐵供電系統(tǒng)的頻率變化，滿足不同頻率電流的分?jǐn)嘁?，開展了接觸器的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。首先分析了電源頻率升高對(duì)接觸器性能的影響，對(duì)接觸器進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，基于Maxwell有限元仿真分析，計(jì)算得到接觸器高頻分?jǐn)嘤|發(fā)機(jī)構(gòu)的力值、位移、速度隨時(shí)間變化的曲線，同時(shí)對(duì)接觸器電磁線圈吸力進(jìn)行了有限元仿真分析，驗(yàn)證了接觸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。最后，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，研制了接觸器樣機(jī)，針對(duì)兩種不同供電頻率工況，進(jìn)行了接觸器分閘反應(yīng)時(shí)間對(duì)比測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，高頻供電模式工況下，觸發(fā)接觸器的高頻分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)，接觸器分?jǐn)喾磻?yīng)時(shí)間相比正常分?jǐn)鄿p小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，大大提高了接觸器的分?jǐn)囗憫?yīng)速度，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)有效性。

接觸器 頻率變化 快速分閘 渦流斥力機(jī)構(gòu)

0 引言

隨著中國(guó)進(jìn)入城市軌道交通的大發(fā)展時(shí)代，對(duì)城市軌道交通電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提出了更高的要求。電力系統(tǒng)中，有一種永磁電機(jī)，根據(jù)實(shí)際供電需求，永磁電機(jī)會(huì)采用不同的供電制式，供電頻率也隨著車輛的進(jìn)入或者駛離發(fā)生變化。正常情況下，永磁電機(jī)供電回路中，電源頻率小于100Hz,一般的符合規(guī)定容量的接觸器可滿足分?jǐn)嘁?。但在故障情況下，電源頻率會(huì)發(fā)生突變，頻率會(huì)達(dá)到400Hz以上，為保護(hù)永磁電機(jī)，需在極短的時(shí)間內(nèi)切斷故障電源。并且，永磁電機(jī)屬于周期工作制（TB/T 2767-2010），日工作時(shí)間18小時(shí)以上，年工作時(shí)間300天，每天最高通斷次數(shù)幾十次，斷路器由于其壽命限制，不滿足使用要求。接觸器又因?yàn)槠洳痪邆淇焖俜謹(jǐn)嗄芰?，也不符合要求。為適應(yīng)這種高頻和低頻的工況，提出了一種接觸器，正常供電工況下，使用電磁線圈機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?，在高頻供電工況時(shí)，啟動(dòng)渦流斥力機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速分?jǐn)?，既能滿足壽命要求，又可以具備快速分?jǐn)嗄芰Α?/p>

1 接觸器方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)情況

1.1 接觸器主要研究?jī)?nèi)容

根據(jù)接觸器供電回路具有變頻的特點(diǎn)，主要研究?jī)?nèi)容如下：

1）電源頻率上升對(duì)主回路載流能力的影響；

2）電源頻率上升對(duì)接觸器分?jǐn)嗄芰Φ挠绊懀?/p>

3）主回路電流頻率上升對(duì)周圍鐵磁零件性能的影響。

1.1.1電源頻率上升對(duì)主回路載流能力的影響

交流電由于集膚效應(yīng)，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，這種情況隨頻率的增加而愈加嚴(yán)重。這樣，導(dǎo)體截面只有一部分在承載電流，導(dǎo)體的阻抗也隨頻率的升高而增大。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，在1000Hz頻率下，導(dǎo)體的載流截面的利用率為20%，而在400Hz頻率時(shí)，導(dǎo)體的載流截面利用率約為80%。為保證接觸器不超過允許溫升，在設(shè)計(jì)主回路載流銅排時(shí)，適當(dāng)增加銅排截面積和主觸頭接觸面積。

1.1.2電源頻率上升對(duì)接觸器分?jǐn)嗄芰Φ挠绊?/p>

對(duì)于常用的50Hz的交流電，電流每10ms秒過零1次，相對(duì)而言，電壓恢復(fù)過程較慢，有利于介質(zhì)絕緣強(qiáng)度恢復(fù)。400Hz的中頻電流，周期=2.5ms，每1.25ms過零1次，過零后，電壓恢復(fù)過程很快，如果介質(zhì)絕緣強(qiáng)度特性低于電壓恢復(fù)過程，則會(huì)引起電弧重燃和電壓重?fù)舸８鶕?jù)交流電弧的熄滅條件：某一次電流過零后，弧隙中的實(shí)際介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性總要高于加到弧隙上的實(shí)際恢復(fù)電壓特性。為加快實(shí)際介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，必須提高分?jǐn)嗨俣取?/p>

1.1.3主回路電流頻率上升對(duì)周圍鐵磁零件性能的影響

開關(guān)通交流時(shí)，其附近的鋼鐵零件等會(huì)發(fā)生渦流磁滯損耗，鐵磁零件橫截面積越大，渦流損耗所占比重越大。并且交流頻率越高，外加磁場(chǎng)變化越快，渦流磁滯損耗越嚴(yán)重。所以，在設(shè)計(jì)接觸器時(shí)，應(yīng)注意主回路周圍鐵磁零件的截面積及排布方式。

1.2 產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)情況

1.2.1接觸器母排設(shè)計(jì)

考慮到高頻率400Hz電流的集膚效應(yīng)，導(dǎo)體的截面利用率降為80%。

1.2.2接觸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）工作原理

為實(shí)現(xiàn)高頻電流情況下接觸器快速分?jǐn)?，在接觸器上增加渦流斥力機(jī)構(gòu)，接觸器線圈斷電的同時(shí)，通過晶閘管觸發(fā)儲(chǔ)能電容給脈沖線圈放電，斥力銅盤內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)形感應(yīng)渦流，脈沖線圈電流與感應(yīng)渦流方向相反，產(chǎn)生巨大的電磁斥力，推動(dòng)斥力盤向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過推桿帶動(dòng)觸頭實(shí)現(xiàn)快速分閘。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述工作原理，對(duì)接觸器方案進(jìn)行了建模設(shè)計(jì)，如圖1所示。渦流斥力機(jī)構(gòu)安裝在接觸器正下方，接觸器動(dòng)鐵芯底部懸掛一推桿，接觸器靜鐵芯設(shè)置通孔，用于推桿的上下運(yùn)動(dòng)。正常工況下，渦流斥力線圈不通電，接觸器正常合閘和分?jǐn)?；故障電流情況下，渦流斥力線圈接通，電容放電，同時(shí)接觸器線圈斷電，在渦流作用下，斥力機(jī)構(gòu)產(chǎn)生巨大的電磁斥力推動(dòng)斥力盤快速運(yùn)動(dòng)，斥力盤推動(dòng)頂桿帶動(dòng)主觸頭實(shí)現(xiàn)快速分閘。

圖1 接觸器結(jié)構(gòu)示意圖

1-滅弧室 2-動(dòng)觸頭 3-靜觸頭 4-銅排 5-動(dòng)鐵芯6-靜鐵芯7-推桿 8-電磁線圈 9-斥力盤 10-渦流線圈

1.2.3渦流斥力機(jī)構(gòu)計(jì)算仿真

1）渦流斥力線圈主要技術(shù)參數(shù)

表1 渦流斥力線圈基本參數(shù)表

2）對(duì)于渦流斥力機(jī)構(gòu)的有限元仿真分析

根據(jù)渦流斥力機(jī)構(gòu)模型，預(yù)先給儲(chǔ)能電容C（220 MV/2200F）充電，添加激勵(lì)電壓，即電容對(duì)脈沖線圈放電，在脈沖線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。將磁場(chǎng)分為軸向分量和切向分量，軸向分量通過銅盤感生出與脈沖電流方向相反的渦流，切向分量和銅盤中的渦流相互作用產(chǎn)生電磁斥力。斥力銅盤質(zhì)量0.15kg，動(dòng)作最大行程5 mm。

基于Maxwell有限元仿真分析，得到一系列仿真結(jié)果。如下圖所示：

圖2 渦流斥力機(jī)構(gòu)的力值—時(shí)間曲線圖

圖3 渦流斥力機(jī)構(gòu)的位移—時(shí)間曲線圖

圖4 渦流斥力機(jī)構(gòu)的速度-時(shí)間曲線圖

從上述仿真結(jié)果看出，電容放電開始，在0.75 ms時(shí)，斥力達(dá)到峰值，約為1200 N，約1.3 ms時(shí)，由于斥力盤撞擊到止位框架，力值曲線發(fā)生了變化。

1.2.4對(duì)于接觸器電磁線圈吸力的有限元仿真分析

由于只研究接觸器線圈的合閘保持力，所以對(duì)接觸器線圈只做靜態(tài)仿真分析。線圈電阻554?，控制電壓110V，動(dòng)靜鐵芯合閘保持等于0。

圖5給出了接觸器合閘狀態(tài)下電磁鐵的電磁特性仿真，此時(shí)電磁鐵的吸力如下圖所示：根據(jù)上圖仿真結(jié)果，可得：合閘狀態(tài)的電磁鐵吸力為408N，電磁鐵吸力再減去反力彈簧壓力和觸頭壓力彈簧壓力，電磁鐵吸合保持力為288N。

1.2.5永磁電機(jī)隔離接觸器分閘計(jì)算

綜合1.2.3渦流斥力線圈計(jì)算仿真和1.2.4接觸器線圈吸力的有限元仿真分析，電磁鐵合閘保持力為288N，渦流斥力線圈最大斥力為1200N。由于接觸器分閘反應(yīng)時(shí)間有十幾ms，渦流斥力線圈反應(yīng)時(shí)間小于1ms，所以可認(rèn)為渦流斥力線圈峰值力直接作用于接觸器保持線圈力，由于渦流斥力遠(yuǎn)大于線圈合閘保持力，滿足快速分閘條件。

1.3 永磁電機(jī)隔離接觸器的控制原理圖

根據(jù)永磁電機(jī)隔離接觸器故障工況下的使用要求，永磁電機(jī)隔離接觸器的控制原理圖6如下：

其中，粗線方框部分代表控制模塊，故障觸發(fā)信號(hào)為Trigger，元器件代號(hào)對(duì)應(yīng)如下表：

2 樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證接觸器的方案可行性，試制樣機(jī)一臺(tái)，對(duì)其進(jìn)行了分閘動(dòng)作時(shí)間測(cè)試。

1）正常工況下的分閘動(dòng)作時(shí)間測(cè)試：渦流斥力機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，接觸器正常分合（分閘動(dòng)作時(shí)間測(cè)試采用示波器采集信號(hào)，示波器探頭1采集接觸器線圈控制空開兩端，探頭2采集接觸器主觸頭兩端）；

圖6 接觸器的控制原理圖

表2 元器件對(duì)應(yīng)代號(hào)

表3 分閘動(dòng)作測(cè)試結(jié)果

2）故障情況下的分閘動(dòng)作時(shí)間測(cè)試：渦流斥力機(jī)構(gòu)觸發(fā)動(dòng)作，接觸器線圈失電（分閘動(dòng)作時(shí)間測(cè)試采用示波器采集信號(hào)，示波器探頭1采集故障觸發(fā)命令兩端，探頭2采集接觸器主觸頭兩端）。

測(cè)試結(jié)果如表3所示，高頻供電模式工況下，觸發(fā)接觸器的高頻分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)，接觸器分?jǐn)喾磻?yīng)時(shí)間相比正常分?jǐn)鄿p小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，大大提高了接觸器的分?jǐn)囗憫?yīng)速度。

3 結(jié)論

通過上述設(shè)計(jì)論證和試驗(yàn)結(jié)果：在接觸器實(shí)際應(yīng)用過程中，根據(jù)回路的電流高頻和低頻的特性，可觸發(fā)不同的分閘機(jī)構(gòu)，低頻時(shí)使用電磁線圈機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?，在高頻工況時(shí)，啟動(dòng)渦流斥力機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速分?jǐn)唷＿@種選擇性的觸發(fā)方式具有良好的適應(yīng)性，一方面可減少渦流斥力機(jī)構(gòu)對(duì)接觸器本身的沖擊，保證接觸器壽命要求，一方面又可以在高頻工況時(shí)具備快速分?jǐn)嗄芰?，有效保護(hù)電機(jī)。

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Design and verification of contactor adapting to power supply frequency variation

Xu Yinfei1, Li Baoming2, He Qian2, Zhang Chao2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan430064, China;2. Wuhan Changhai Electric Technology Development Co., Ltd. Wuhan 430064, China;)

TM572

A

1003-4862（2022）02-0023-04

2021-01-08

徐銀飛（1987-），男，工程師。研究方向：開關(guān)電器。E-mail: xuyinfei1110@163.com