基于虛擬樣機技術的永磁真空開關運動特性研究

摘 要：文章為解決當前在永磁真空開關開發過程當中存在的開關周期較長，設計質量較低，開發成本較高問題，立足于永磁式真空開關的運動特性，在虛擬樣機技術的作用之下，構建了具有單穩態特性的永磁式機構真空開關仿真模型，并通過永磁真空開關分閘運動特性，合閘運動特性的仿真處理，實現了相關參數的優化，優化后參數的實施能夠最大限度的保障永磁式真空開關正常運動期間觸頭彈跳量的最小化，同時確保所獲取分閘、合閘特性參數滿足預期設計水平，以上問題值得引起各方人員的關注與重視。

關鍵詞：虛擬樣機技術；永磁真空開關；分閘運動；合閘運動；仿真

對于永磁式真空開關而言，開斷性能的表現在很大程度上來說回受到動觸頭對應分閘速度的影響。為了能夠確保動觸頭分閘特性參數的表現滿足預期水平與要求，就需要按照如下步驟：根據分閘特性選擇參數，確定分閘彈簧以及觸頭彈簧對應剛度水平；地偶爾不，根據動觸頭合閘特性的表現，優化包括線圈、以及電源電容在內的相關參數，可同時滿足優化動觸頭合閘特性的目的。運動仿真的實施特點包括以下：

1 仿真模型構建

文章仿真設計的永磁機構真空開關為低壓永磁接觸器，相關基礎參數設置標準為：（1）真空開關管型號標準為TJ-1.14/200；（2）正常工作狀下額定電壓指標為1.4kV；（3）額定電流指標為200.0A；（4）額定分斷電流指標為1.6kA；（5）平均分閘速度指標在0.3m/s～0.5m/s范圍之內；（6）平均合閘速度指標在0.05m/s～0.15m/s范圍之內。在以上基礎參數作用之下，整個仿真模型主要由永磁操動機構、驅動桿和真空滅弧室三部分組成。操動機構采用直動式單穩態永磁機構，線圈合閘，彈簧分閘（線圈通以反向電流進行觸動），線圈采用充電電容供電；建模時考慮的部件主要是動鐵心，靜鐵心，驅動桿以及分閘彈簧。文章采用與MATLAB聯合仿真方式，將以上在ADAMS中所建模型以各種文件輸出，供聯合仿真時使用，并在MatlabSimulink中生成機械模型的Simulink控制塊。

2 分閘運動仿真

從分閘運動仿真的角度上來說，相關預期參數按照如下標準實施：（1）平均分閘速度指標取值為0.4m/s；（2）分閘保持力指標取值為60.0N；（3）剛分速度指標取值為0.7m/s；（4）動鐵心質量指標取值為0.53kg；（5）動觸頭質量指標取值0.06kg。按照上述取值情況，結合開距段動能原理，可以計算得出整個永磁式真空開關所對應的分閘彈簧剛度取值標準（取值為10.7N/mm）。聯合仿真處理作用之下，獲取有關永磁真空開關分閘位移的運動曲線、以及分閘速度的運動曲線（一般來說，在該運動曲線當中，可以使用實線/虛線的方式區分真空滅弧室觸頭所對應的運動軌跡以及鐵心所對應的運動軌跡）。

結合所獲取的分閘速度運動曲線，可以評估得出此狀態下永磁式真空開關對應的分閘平均速度以及剛分速度均滿足預期水平要求。同時，由于觸頭彈簧剛度較計算數值相對偏低，可以在分閘位移運動曲線圖當中，以動觸頭位移速度曲線的振蕩作為反應方式。該指標提示：對于真空開關動觸頭而言，在開距終點，受到慣性作用力因素的影響，其不可避免的發生彈跳動作，且該動作狀態下，分閘運動曲線中的鐵心運動曲線未出現明顯振動。

3 合閘運動仿真

從合閘運動仿真的角度上來說，在前期通過分閘運動仿真方式確定所對應的反力彈簧參數后，對于合閘運動而言，其主要受到了包括勵磁回路控制、線圈匝數、線圈電阻參數、電容電壓水平、以及電容器電容量水平等多個因素的影響。在防震作用之下，相關預期參數按照如下標準實施：（1）電容參數指標取值為0.1F（0.1F）；（2）距數指標取值為200.0（200.0）；（3）電容電壓指標取值為60.0V（電阻指標取值為6.0Ω）。需要注意的一點是，為了能夠獲取永磁式真空開關正常運行狀態下所對應的勵磁回路參數變化u，就需要在按照以上不同仿真工況，對應計算開關觸動時間指標（單位：ms）、開關動作時間（單位：ms）、剛合速度時間（單位：m/s）、以及平均速度指標（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合閘運動仿真過程當中，相關勵磁回路參數對于開關合閘性能的影響情況。具體概括如下幾個方面：第一類，在電阻變化的作用之下，相對于觸動時間的影響不大，與動作時間呈比例增長關系，與剛合速度以及平均速度則呈比例降低關系；第二類，在距數變化的作用之下，與觸動時間呈比例增長關系，相對于動作時間的影響不大，相對于剛合速度的影響不大，相對于平均速度的影響不大；第三類，在電容變化的作用之下，相對于觸動時間的影響不大，與動作時間呈比例降低關系，與剛合速度呈比例增長關系，與平均速度呈比例增長關系；第四類，在電壓變化的作用之下，與觸動時間呈比例降低關系，與動作時間呈比例降低關系，與剛合速度呈比例增長關系，與平均速度呈比例增長關系。

按照以上勵磁回路參數相對于永磁式真空開關合閘性能的影響關系，可實現對永磁式真空接觸器模型的優化仿真處理。為了能夠確保所得到真空開關合閘過程運動曲線中，開關彈跳量的最小化，可將相關參數設置為：（1）線圈電阻指標取值為0.2Ω；（2）線圈匝數指標取值為300.0匝；（3）電容指標取值為0.01F；（4）電容電壓指標取值為110.0V。按照以上取值方式所優化后的結果顯示：由于對整個開關的彈跳量進行了可靠的控制，從而能夠避免在永磁式真空開關實際應用過程當中，因開關頻繁重復動作而出現的電弧燃燒燒蝕開關觸頭問題，對于提高開關壽命也有重要的意義與價值。

4 結束語

綜合以上分析，文章立足于永磁式真空開關的運動特性，在虛擬樣機技術的作用之下，構建了具有單穩態特性的永磁式機構真空開關仿真模型，并通過應用虛擬樣機開發模型的方式，對永磁式真空開關分閘運動、合閘運動過程進行仿真優化處理，得出了適宜于永磁式真空開關運行的參數：（1）線圈電阻指標取值為0.2Ω；（2）線圈匝數指標取值為300.0匝；（3）電容指標取值為0.01F；（4）電容電壓指標取值為110.0V。按照以上參數，可避免在永磁式真空開關實際應用過程當中，因開關頻繁重復動作而出現的電弧燃燒燒蝕開關觸頭問題，對于提高開關壽命也有重要的意義與價值。

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作者簡介：胡群榮（1957，12-），電氣工程師從事真空電力開關設計技術工作。endprint