1  項目背景

近年來，國內(nèi)外智能化設(shè)計與控制技術(shù)取得了長足的發(fā)展，新技術(shù)、新設(shè)計方法不斷涌現(xiàn)。采用各種仿真技術(shù)對電磁開關(guān)進行本體優(yōu)化設(shè)計，以便能夠提高開關(guān)的可靠性和整體性能指標(biāo)，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關(guān)，論文正是在這樣的背景下展開的。課題組針對智能開關(guān)的研究已經(jīng)超過20余年，對智能接觸器的閉環(huán)控制理論、智能控制技術(shù)、開關(guān)本體的虛擬設(shè)計技術(shù)都開展了持續(xù)的研究工作。論文設(shè)計一款智能化單極電磁開關(guān)，采用緊湊的嵌裝式結(jié)構(gòu)，由智能控制模塊、電磁系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)及聯(lián)動機構(gòu)組成?？刂颇K中引入電流閉環(huán)控制技術(shù)，使開關(guān)具有吸合過程定相合閘、吸持階段節(jié)能無聲運行和零電流分斷等控制功能。開關(guān)具有模塊化特點，既可以單獨使用，獨立工作，又可以在控制模塊協(xié)調(diào)下靈活組合，形成兩極、三極，甚至多極回路的電磁開關(guān)。

2  論文所解決的問題及意義

1)多物理場協(xié)同仿真問題。電磁開關(guān)分斷過程是一個集電、磁、熱、流體、機械為一體的運動過程，單純的本體結(jié)構(gòu)仿真無法真實反應(yīng)開關(guān)的整體動作特性。

2)多種軟件的二次開發(fā)和相互融合問題。采用Multisim軟件搭建快速去磁控制電路，對LS-DYNA進行二次開發(fā)，利用LabVIEW創(chuàng)建仿真數(shù)據(jù)的雙向交換接口，計算該不同控制方案下含觸頭系統(tǒng)的電磁開關(guān)三維動態(tài)分斷過程，根據(jù)所得觸頭運動軌跡,結(jié)合電弧磁流體動力學(xué)模型，運用動態(tài)網(wǎng)格技術(shù)，對流體仿真軟件Fleunt進行二次開發(fā)，建立不同軟件協(xié)同仿真系統(tǒng)。

3)實驗驗證、完善程序、特性分析。

3  論文重點內(nèi)容

1)電磁開關(guān)建模。

圖1為樣機結(jié)構(gòu)示意圖。直流運行后的電磁機構(gòu)無需短路環(huán)，外殼體通過定位卡槽直接裝配，通過螺栓可實現(xiàn)多級開關(guān)的級聯(lián)，簡化了生產(chǎn)工藝。線圈電流是直接反應(yīng)電磁系統(tǒng)激磁狀態(tài)的參量，開關(guān)的起動、吸持、分斷均實現(xiàn)了電流閉環(huán)控制，具有寬電壓輸入、節(jié)能無聲運行等特點。采用閉環(huán)恒流吸持方案后，根據(jù)外界對電磁系統(tǒng)的影響可實時調(diào)節(jié)線圈電流保持動態(tài)穩(wěn)定，在正常工作條件下保證電磁吸力始終大于反力，降低了電磁開關(guān)對環(huán)境溫度、電網(wǎng)電壓波動的敏感性，確保開關(guān)安全、可靠運行，同時也會帶來開釋時間長，分斷速度小等缺點，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(jié)構(gòu)示意圖

2)機電協(xié)同仿真設(shè)計。

開關(guān)運動過程中線圈電流及氣隙導(dǎo)致磁路電感非線性變化，從而引起整個動態(tài)過程電磁參量、機械參量的耦合效應(yīng)。從電路等效形式來看，電磁系統(tǒng)可看作電感可變的阻感性負載。將電磁系統(tǒng)等效電感模型時域上離散化，在每個時間步長動態(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勢，又考慮了可變氣隙導(dǎo)致電感變化引起的運動反電動勢。

電子控制模塊與機構(gòu)的一體化建模關(guān)鍵在于線圈勵磁回路方程與機構(gòu)多體動力學(xué)方程的耦合計算。開關(guān)動作過程中電磁和機械參量相互影響、實時耦合，呈現(xiàn)嚴重的非線性。這就要求在控制電路的仿真中，需要根據(jù)閉環(huán)控制策略及三維動態(tài)計算模塊實時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時變化的，需要在離散化的時間步長內(nèi)根據(jù)當(dāng)前氣隙更新電磁吸力和反力載荷。通過分析機電耦合的計算流程，設(shè)計協(xié)同仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)電磁開關(guān)的整體仿真分析。

3)分斷過程電弧動態(tài)特性分析。

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

4  結(jié)論

論文提出了一種多物理場協(xié)同仿真的方法，通過二次開發(fā)建立聯(lián)合仿真系統(tǒng)，將控制模塊的設(shè)計、電磁場方程、機構(gòu)多體動力學(xué)模型及分斷電弧的磁流體動力學(xué)模型融為一體，對快速去磁控制下電磁開關(guān)分斷過程進行整體仿真分析，并通過實驗驗證了仿真方法。

1)通過不同軟件的聯(lián)合調(diào)用，建立含智能控制模塊、觸頭系統(tǒng)及電磁系統(tǒng)的開關(guān)機械動力學(xué)模型，可直觀反映觸頭瞬態(tài)三維運動過程。

2)將電弧磁流體動力學(xué)模型與機構(gòu)多體動力學(xué)模型相結(jié)合，得到觸頭打開過程電弧氣流場、溫度場、弧柱電流密度及弧柱壓降的時空分布規(guī)律，為開關(guān)滅弧室設(shè)計、最佳分斷控制方案的確定奠定理論基礎(chǔ)。

3)針對電磁開關(guān)多場耦合的特點，單領(lǐng)域的仿真軟件求解存在局限性且不易集成，提出多物理場協(xié)同仿真方法，發(fā)揮仿真軟件各自優(yōu)勢，為全面分析電磁開關(guān)動態(tài)性能，尋找最佳分斷區(qū)域及其對應(yīng)的控制參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)提供有效途徑。

引文信息

林文貴，許志紅.新型單極電磁開關(guān)分斷過程動態(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(shè)計技術(shù)、智能在線監(jiān)測技術(shù)等。團隊近年來承擔(dān)各類科研項目30余項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文130余篇，已獲國家發(fā)明專利授權(quán)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(zé)人，福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院院長，博士生導(dǎo)師，兼任福建省電機工程學(xué)會副理事長、常務(wù)理事;福建省女科技工作者協(xié)會常務(wù)理事福州大學(xué)分會會長;中國電工技術(shù)學(xué)會電工產(chǎn)品可靠性專業(yè)委員會常務(wù)理事;福建省教育廳“電機設(shè)計與系統(tǒng)控制”工程研究中心主任;福州大學(xué)宏發(fā)電聲智能開關(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(dǎo)師獎等。

原標(biāo)題:新型單極電磁開關(guān)分斷過程動態(tài)特性研究