單穩態永磁機構的動態特性仿真及性能優化

張 超，淡淑恒，李翔宇，唐新龍

(1.上海電力學院，上海 200090;2.江蘇邳州供電局，江蘇 邳州 221300)

近年來，一種用于真空斷路器的永磁保持、電子控制的電磁操動機構(永磁操作機構)備受關注.根據其工作原理可以分為雙穩態和單穩態永磁機構，由于單穩態永磁機構的分閘速度特性具有剛分點前加速、剛分點后減速的優點，在12 kV中壓真空斷路器中得到了逐步應用，而且單穩態永磁機構通過合理設計彈簧，采用永磁保持、電磁合閘及彈簧分閘，較完美地實現了斷路器不同操動技術的理想結合［1］.

在傳統的單穩態永磁機構中，永磁體提供的永磁吸力不參與合閘過程，而且提供阻力，因此要求電源提供較大的勵磁電流.另外，勵磁線圈和永磁體為上下布置，為了得到較大的合閘保持力，必須加大永磁體的體積，這將直接影響永磁操動機構的整體體積，不利于真空斷路器的小型化.

1 改進型單穩態永磁機構

本文針對直動式12 kV真空斷路器，介紹了一種勵磁線圈和永磁體左右布置的改進型單穩態永磁機構［2］，如圖 1 所示.

圖1 兩種單穩態永磁機構原理

傳統的VM1型永磁機構驅動桿通過拐臂與真空滅弧室連接，在分閘位置靠永磁體提供的靜態永磁吸力保持.改進型單穩態永磁機構的動鐵芯通過絕緣拉桿直接連接滅弧室側的動導電桿，在分閘位置時由預壓縮的分閘彈簧提供保持力，改進型單穩態永磁機構如圖2所示.

圖2 改進型單穩態永磁機

在利用Ansoft Maxwell軟件包［3］對單穩態永磁機構動鐵芯瞬態電磁場動態過程分析的基礎上，基于 ADAMS虛擬樣機技術，在 Matlab Simulink平臺上進行了多場耦合仿真.

2 動態聯合仿真模型的建立

單穩態永磁機構分合閘的動態過程，是由電磁場、電路和運動多場耦合作用的過程.動鐵芯所受的電磁力Fmag和線圈耦合磁鏈φ可以描述為:

式中:s——動鐵心位移;

i——勵磁電流.

使用Ansoft中的瞬態磁場分析模塊，通過Maxwell Circuit Editor將勵磁電路耦合，求解動鐵芯電磁力和線圈耦合磁鏈.通過二維數據網格變換和3次樣條非線性擬合技術獲得永磁機構動態特性仿真所需的上述關系.

改進型單穩態永磁機構分合閘時共同使用一個勵磁線圈，其等效電路如圖3所示.

圖3 改進型單穩態永磁機構控制電路

以合閘過程為例，勵磁回路電壓平衡方程為:

式中:Uc——電容電壓;

i——勵磁電流;

s——動鐵芯位移;

C1——合閘電容.由式(2)和式(5)可以推導出電流關于位移與速度的函數關系式［4］:

ADAMS技術采用了廣泛流行的多剛體動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統的動力學方程［5］.本文設計的永磁機構用于開斷的電流為12.5 kA，動觸頭行程為12 mm，超程為5 mm的12 kV真空斷路器，根據觸頭接觸壓力與開斷電流大小的關系［6］，取觸頭壓力為500 N，相應的觸頭彈簧剛度系數為110 N/mm，觸頭彈簧剛度系數為40 N/mm.按照圖2所示在ADAMS view中建立幾何模型，并在運動部件上添加滑移副，同時在動導電桿與動觸頭之間添加阻尼彈簧，在動觸頭與靜觸頭之間定義碰撞力.將生成的adams_sub模塊作為控制模塊導入Matlab Simulink進行聯合仿真.根據式(6)建立電磁模塊Subsystem子系統，由動鐵芯位移和速度計算出電流值，二維查表模塊根據位移和電流值查找到相對應的電磁力，并將該電磁力作為adams_sub模塊的輸入值，最后將經過聯合仿真輸出的動鐵芯位移和動鐵芯速度反饋到電磁模塊中.聯合仿真模型見圖4.

圖4 動態聯合仿真模型

3 觸頭彈簧對機構分合閘的影響

觸頭彈簧的合理配置對真空斷路器分合閘特性的影響非常大.在動觸頭合閘之前，由于觸頭彈簧為柔性連接件，永磁機構輸出的力通過觸頭彈簧再傳遞給動觸頭，從而使動觸頭在閉合前產生振動，即預振動.預振動不但會使開距不按永磁機構動鐵芯行程預訂的規律變化，而且對合閘彈跳有直接影響.ADAMS中對彈簧的模型描述為:

式中:k——彈簧的剛度系數;

r，r0——彈簧的長度和初始長度;

c——阻尼系數;

f——預載荷.

在不考慮阻尼系數時，得到的合閘過程中動鐵芯和動觸頭的位移速度曲線如圖5所示.由圖5可知，無阻尼時動鐵芯和動觸頭的同步性很差，不滿足真空斷路器的動作要求.設置阻尼系數為固定值時，得到兩者的速度曲線見圖6.

圖5 無阻尼時動鐵芯和動觸頭的位移

圖6 阻尼系數恒定時動鐵芯和動觸頭的速度

從圖6可以看出，合閘前動觸頭和動鐵芯的速度相差很小，但是由于阻尼系數比較大，使得動鐵芯超程階段花費時間較長，且碰撞后有很大速度的反彈.

為了獲得更加理想的結果，將阻尼系數定義為變系數，ADAMS中可以設置阻力系數為動鐵芯運動速度的函數.由式(7)可知，在合閘前提供給動觸頭運動的力，僅由－c·dr/dt這一項提供.根據牛頓定律，使兩者都產生同樣的加速度，可求得動觸頭受力為動鐵芯受力的1/3，即c=Fmag/3v.通過ADAMS將阻尼系數c定義為SPLINE，并添加到彈簧屬性中進行聯合仿真，優化后合閘過程中動鐵芯和動觸頭的速度曲線如圖7所示.

圖7 優化后動鐵芯和動觸頭的速度曲線

從圖7可以看出，動鐵芯和動觸頭的跟隨性顯著提高，動鐵芯走完超程所花的時間明顯減少.

4 電容及分閘彈簧參數的影響

真空斷路器分合閘速度特性要求為:平均分閘速度和剛分速度分別為1.3～1.7 m/s和0.8～1 m/s，平均合閘速度為 0.75 ～0.95 m/s.表 1 為利用聯合仿真模型計算得到的仿真結果，其中動觸頭彈簧安裝在導電桿與動觸頭之間(動端).

表1 不同電容和分閘彈簧組合時分合閘速度特性(動端安裝觸頭彈簧)

由表1可知，當分閘彈簧系數擴大1倍，電容擴大10倍時，平均合閘速度v合降低了33.63%;當彈簧系數降低1倍，電容擴大5倍時，平均合閘速度幾乎不變，這說明分閘彈簧參數對合閘過程的影響較大.根據對合閘速度的要求，分閘彈簧系數一般在40～80 N·mm范圍較為合適.若最大剛分速度要求為1.7 m/s，則分閘彈簧剛度系數取60 N·mm為宜.綜合分合閘速度特性，此單穩態永磁機構分閘剛度系數取60 N·mm，合閘電容取220 mF時，得到優化后的動觸頭分合閘速度與行程的關系曲線如圖8所示.

圖8 動觸頭分合閘速度與行程的關系

將觸頭彈簧安裝在滅弧室處(靜端)時，得到的仿真結果見表2.當分閘彈簧剛度系數為40 mm，電容為22 mF時，動觸頭剛分速度為1.16 m/s，平均分閘速度為1.24 m/s，平均合閘速度為1.08 m/s，這也滿足真空斷路器分合閘要求.與動觸頭安裝在動端側相比，平均分閘速度有所下降.

表2 不同電容和分閘彈簧組合時分合閘速度特性(靜端安裝觸頭彈簧)

5 結論

(1)在計算永磁機構離散磁鏈φ(s，i)和吸力Fmag(s，i)數據方面，Ansoft瞬態電磁場有限元分析減少了工作量，提高了仿真的速度.

(2)在ADAMS與Matlab聯合仿真中，觸頭彈簧對真空斷路器的分合閘性能有不同程度的影響，在合閘過程中根據永磁機構空載的出力特性確定觸頭彈簧的阻尼系數，可以減弱動觸頭的預振動.

(3)單穩態永磁機構中，分閘彈簧的剛度系數對真空斷路器的分合閘特性有很大影響，合閘電容越大，平均合閘速度也越大.在滿足合閘速度要求時，選取適當的分閘彈簧可以提高剛分速度.

(4)通過對兩種觸頭彈簧安裝方式的仿真計算得知，觸頭彈簧安裝在動端側有利于提高剛分速度，而安裝在靜端側有利于降低剛合速度，減少對真空滅弧室的沖擊力.

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［3］趙博，張洪量.Ansoft 12在工程電磁場中的應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2010:12-16.

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