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图1 样机结构示意图
2)机电协同仿真设计。
开关运动过程中线圈电流及气隙导致磁路电感非线性变化,从而引起整个动态过程电磁参量、机械参量的耦合效应。从电路等效形式来看,电磁系统可看作电感可变的阻感性负载。将电磁系统等效电感模型时域上离散化,在每个时间步长动态更新电感值。在Multisim仿真中计及了微分电感的影响,既考虑电流变化引起的自感电动势,又考虑了可变气隙导致电感变化引起的运动反电动势。
电子控制模块与机构的一体化建模关键在于线圈励磁回路方程与机构多体动力学方程的耦合计算。开关动作过程中电磁和机械参量相互影响、实时耦合,呈现严重的非线性。这就要求在控制电路的仿真中,需要根据闭环控制策略及三维动态计算模块实时更新输入电压占空比和磁路等效电感。另外,闭环控制下吸反力也是实时变化的,需要在离散化的时间步长内根据当前气隙更新电磁吸力和反力载荷。通过分析机电耦合的计算流程,设计协同仿真系统,实现电磁开关的整体仿真分析。
3)分断过程电弧动态特性分析。
建立了分断过程中电弧计算模型,研究电流零点附近小范围内的电弧燃烧情况,为零电流分断控制奠定理论基础。
4 结论
论文提出了一种多物理场协同仿真的方法,通过二次开发建立联合仿真系统,将控制模块的设计、电磁场方程、机构多体动力学模型及分断电弧的磁流体动力学模型融为一体,对快速去磁控制下电磁开关分断过程进行整体仿真分析,并通过实验验证了仿真方法。
1)通过不同软件的联合调用,建立含智能控制模块、触头系统及电磁系统的开关机械动力学模型,可直观反映触头瞬态三维运动过程。
2)将电弧磁流体动力学模型与机构多体动力学模型相结合,得到触头打开过程电弧气流场、温度场、弧柱电流密度及弧柱压降的时空分布规律,为开关灭弧室设计、最佳分断控制方案的确定奠定理论基础。
3)针对电磁开关多场耦合的特点,单领域的仿真软件求解存在局限性且不易集成,提出多物理场协同仿真方法,发挥仿真软件各自优势,为全面分析电磁开关动态性能,寻找最佳分断区域及其对应的控制参数与结构参数提供有效途径。
引文信息
林文贵,许志红.新型单极电磁开关分断过程动态特性研究[J].中国电机工程学报,2017,37(6):1819-1827.
团队介绍
福州大学智能电器与仿真技术研究团队成立于2006年,形成了独具特色的智能电器研究方向,涉及的主要技术有电机电器智能化控制技术、虚拟样机设计技术、智能在线监测技术等。团队近年来承担各类科研项目30余项,发表学术论文130余篇,已获国家发明专利授权28项。团队2016年获福建青年五四奖章集体,科研成果在2014年和2015年两次获得福建省科技进步二等奖。
许志红,教授,博士,福州大学智能电器与仿真技术研究团队负责人,福州大学电气工程与自动化学院院长,博士生导师,兼任福建省电机工程学会副理事长、常务理事;福建省女科技工作者协会常务理事福州大学分会会长;中国电工技术学会电工产品可靠性专业委员会常务理事;福建省教育厅“电机设计与系统控制”工程研究中心主任;福州大学宏发电声智能开关电器研发中心主任等。2016年获宝钢优秀教师奖、第八届紫金科技创新奖,2015年获卢嘉锡优秀导师奖等。
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