如何设计真正意义上的智能配电系统无弧控制开关?

1  项目背景

近年来，国内外智能化设计与控制技术取得了长足的发展，新技术、新设计方法不断涌现。采用各种仿真技术对电磁开关进行本体优化设计，以便能够提高开关的可靠性和整体性能指标，引入电力电子控制技术和智能控制策略，可形成新一代智能控制开关，论文正是在这样的背景下展开的。课题组针对智能开关的研究已经超过20余年，对智能接触器的闭环控制理论、智能控制技术、开关本体的虚拟设计技术都开展了持续的研究工作。论文设计一款智能化单极电磁开关，采用紧凑的嵌装式结构，由智能控制模块、电磁系统、触头系统及联动机构组成。控制模块中引入电流闭环控制技术，使开关具有吸合过程定相合闸、吸持阶段节能无声运行和零电流分断等控制功能。开关具有模块化特点，既可以单独使用，独立工作，又可以在控制模块协调下灵活组合，形成两极、三极，甚至多极回路的电磁开关。

2  论文所解决的问题及意义

1)多物理场协同仿真问题。电磁开关分断过程是一个集电、磁、热、流体、机械为一体的运动过程，单纯的本体结构仿真无法真实反应开关的整体动作特性。

2)多种软件的二次开发和相互融合问题。采用Multisim软件搭建快速去磁控制电路，对LS-DYNA进行二次开发，利用LabVIEW创建仿真数据的双向交换接口，计算该不同控制方案下含触头系统的电磁开关三维动态分断过程，根据所得触头运动轨迹,结合电弧磁流体动力学模型，运用动态网格技术，对流体仿真软件Fleunt进行二次开发，建立不同软件协同仿真系统。

3)实验验证、完善程序、特性分析。

3  论文重点内容

1)电磁开关建模。

图1为样机结构示意图。直流运行后的电磁机构无需短路环，外壳体通过定位卡槽直接装配，通过螺栓可实现多级开关的级联，简化了生产工艺。线圈电流是直接反应电磁系统激磁状态的参量，开关的起动、吸持、分断均实现了电流闭环控制，具有宽电压输入、节能无声运行等特点。采用闭环恒流吸持方案后，根据外界对电磁系统的影响可实时调节线圈电流保持动态稳定，在正常工作条件下保证电磁吸力始终大于反力，降低了电磁开关对环境温度、电网电压波动的敏感性，确保开关安全、可靠运行，同时也会带来开释时间长，分断速度小等缺点，对触头间隙电弧的熄灭产生一定影响，因此，采用了施加负压的分断控制模式。

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。