適應供電頻率變化的接觸器設計與驗證

徐銀飛，李寶明，何 謙，張 超

應用研究

適應供電頻率變化的接觸器設計與驗證

徐銀飛1，李寶明2，何 謙2，張 超2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢長海電氣科技開發有限公司，武漢 430064）

為適應地鐵供電系統的頻率變化，滿足不同頻率電流的分斷要求，開展了接觸器的設計與驗證。首先分析了電源頻率升高對接觸器性能的影響，對接觸器進行結構方案設計，基于Maxwell有限元仿真分析，計算得到接觸器高頻分斷觸發機構的力值、位移、速度隨時間變化的曲線，同時對接觸器電磁線圈吸力進行了有限元仿真分析，驗證了接觸器結構設計的可行性。最后，根據設計結果，研制了接觸器樣機，針對兩種不同供電頻率工況，進行了接觸器分閘反應時間對比測試。試驗結果表明，高頻供電模式工況下，觸發接觸器的高頻分斷機構，接觸器分斷反應時間相比正常分斷減小了一個數量級，大大提高了接觸器的分斷響應速度，驗證了設計有效性。

接觸器 頻率變化 快速分閘 渦流斥力機構

0 引言

隨著中國進入城市軌道交通的大發展時代，對城市軌道交通電力系統的可靠運行提出了更高的要求。電力系統中，有一種永磁電機，根據實際供電需求，永磁電機會采用不同的供電制式，供電頻率也隨著車輛的進入或者駛離發生變化。正常情況下，永磁電機供電回路中，電源頻率小于100Hz,一般的符合規定容量的接觸器可滿足分斷要求。但在故障情況下，電源頻率會發生突變，頻率會達到400Hz以上，為保護永磁電機，需在極短的時間內切斷故障電源。并且，永磁電機屬于周期工作制（TB/T 2767-2010），日工作時間18小時以上，年工作時間300天，每天最高通斷次數幾十次，斷路器由于其壽命限制，不滿足使用要求。接觸器又因為其不具備快速分斷能力，也不符合要求。為適應這種高頻和低頻的工況，提出了一種接觸器，正常供電工況下，使用電磁線圈機構實現分斷，在高頻供電工況時，啟動渦流斥力機構實現快速分斷，既能滿足壽命要求，又可以具備快速分斷能力。

1 接觸器方案設計及實現情況

1.1 接觸器主要研究內容

根據接觸器供電回路具有變頻的特點，主要研究內容如下：

1）電源頻率上升對主回路載流能力的影響；

2）電源頻率上升對接觸器分斷能力的影響；

3）主回路電流頻率上升對周圍鐵磁零件性能的影響。

1.1.1電源頻率上升對主回路載流能力的影響

交流電由于集膚效應，越靠近導體表面，電流密度越大，這種情況隨頻率的增加而愈加嚴重。這樣，導體截面只有一部分在承載電流，導體的阻抗也隨頻率的升高而增大。查閱相關文獻，在1000Hz頻率下，導體的載流截面的利用率為20%，而在400Hz頻率時，導體的載流截面利用率約為80%。為保證接觸器不超過允許溫升，在設計主回路載流銅排時，適當增加銅排截面積和主觸頭接觸面積。

1.1.2電源頻率上升對接觸器分斷能力的影響

對于常用的50Hz的交流電，電流每10ms秒過零1次，相對而言，電壓恢復過程較慢，有利于介質絕緣強度恢復。400Hz的中頻電流，周期=2.5ms，每1.25ms過零1次，過零后，電壓恢復過程很快，如果介質絕緣強度特性低于電壓恢復過程，則會引起電弧重燃和電壓重擊穿。根據交流電弧的熄滅條件：某一次電流過零后，弧隙中的實際介質恢復強度特性總要高于加到弧隙上的實際恢復電壓特性。為加快實際介質恢復強度，必須提高分斷速度。

1.1.3主回路電流頻率上升對周圍鐵磁零件性能的影響

開關通交流時，其附近的鋼鐵零件等會發生渦流磁滯損耗，鐵磁零件橫截面積越大，渦流損耗所占比重越大。并且交流頻率越高，外加磁場變化越快，渦流磁滯損耗越嚴重。所以，在設計接觸器時，應注意主回路周圍鐵磁零件的截面積及排布方式。

1.2 產品方案設計及實現情況

1.2.1接觸器母排設計

考慮到高頻率400Hz電流的集膚效應，導體的截面利用率降為80%。

1.2.2接觸器結構設計

1）工作原理

為實現高頻電流情況下接觸器快速分斷，在接觸器上增加渦流斥力機構，接觸器線圈斷電的同時，通過晶閘管觸發儲能電容給脈沖線圈放電，斥力銅盤內部產生環形感應渦流，脈沖線圈電流與感應渦流方向相反，產生巨大的電磁斥力，推動斥力盤向上運動，經過推桿帶動觸頭實現快速分閘。

2）結構設計

根據上述工作原理，對接觸器方案進行了建模設計，如圖1所示。渦流斥力機構安裝在接觸器正下方，接觸器動鐵芯底部懸掛一推桿，接觸器靜鐵芯設置通孔，用于推桿的上下運動。正常工況下，渦流斥力線圈不通電，接觸器正常合閘和分斷；故障電流情況下，渦流斥力線圈接通，電容放電，同時接觸器線圈斷電，在渦流作用下，斥力機構產生巨大的電磁斥力推動斥力盤快速運動，斥力盤推動頂桿帶動主觸頭實現快速分閘。

圖1 接觸器結構示意圖

1-滅弧室 2-動觸頭 3-靜觸頭 4-銅排 5-動鐵芯6-靜鐵芯7-推桿 8-電磁線圈 9-斥力盤 10-渦流線圈

1.2.3渦流斥力機構計算仿真

1）渦流斥力線圈主要技術參數

表1 渦流斥力線圈基本參數表

2）對于渦流斥力機構的有限元仿真分析

根據渦流斥力機構模型，預先給儲能電容C（220 MV/2200F）充電，添加激勵電壓，即電容對脈沖線圈放電，在脈沖線圈周圍產生磁場。將磁場分為軸向分量和切向分量，軸向分量通過銅盤感生出與脈沖電流方向相反的渦流，切向分量和銅盤中的渦流相互作用產生電磁斥力。斥力銅盤質量0.15kg，動作最大行程5 mm。

基于Maxwell有限元仿真分析，得到一系列仿真結果。如下圖所示：

圖2 渦流斥力機構的力值—時間曲線圖

圖3 渦流斥力機構的位移—時間曲線圖

圖4 渦流斥力機構的速度-時間曲線圖

從上述仿真結果看出，電容放電開始，在0.75 ms時，斥力達到峰值，約為1200 N，約1.3 ms時，由于斥力盤撞擊到止位框架，力值曲線發生了變化。

1.2.4對于接觸器電磁線圈吸力的有限元仿真分析

由于只研究接觸器線圈的合閘保持力，所以對接觸器線圈只做靜態仿真分析。線圈電阻554?，控制電壓110V，動靜鐵芯合閘保持等于0。

圖5給出了接觸器合閘狀態下電磁鐵的電磁特性仿真，此時電磁鐵的吸力如下圖所示：根據上圖仿真結果，可得：合閘狀態的電磁鐵吸力為408N，電磁鐵吸力再減去反力彈簧壓力和觸頭壓力彈簧壓力，電磁鐵吸合保持力為288N。

1.2.5永磁電機隔離接觸器分閘計算

綜合1.2.3渦流斥力線圈計算仿真和1.2.4接觸器線圈吸力的有限元仿真分析，電磁鐵合閘保持力為288N，渦流斥力線圈最大斥力為1200N。由于接觸器分閘反應時間有十幾ms，渦流斥力線圈反應時間小于1ms，所以可認為渦流斥力線圈峰值力直接作用于接觸器保持線圈力，由于渦流斥力遠大于線圈合閘保持力，滿足快速分閘條件。

1.3 永磁電機隔離接觸器的控制原理圖

根據永磁電機隔離接觸器故障工況下的使用要求，永磁電機隔離接觸器的控制原理圖6如下：

其中，粗線方框部分代表控制模塊，故障觸發信號為Trigger，元器件代號對應如下表：

2 樣機試驗驗證

為了驗證接觸器的方案可行性，試制樣機一臺，對其進行了分閘動作時間測試。

1）正常工況下的分閘動作時間測試：渦流斥力機構不動作，接觸器正常分合（分閘動作時間測試采用示波器采集信號，示波器探頭1采集接觸器線圈控制空開兩端，探頭2采集接觸器主觸頭兩端）；

圖6 接觸器的控制原理圖

表2 元器件對應代號

表3 分閘動作測試結果

2）故障情況下的分閘動作時間測試：渦流斥力機構觸發動作，接觸器線圈失電（分閘動作時間測試采用示波器采集信號，示波器探頭1采集故障觸發命令兩端，探頭2采集接觸器主觸頭兩端）。

測試結果如表3所示，高頻供電模式工況下，觸發接觸器的高頻分斷機構，接觸器分斷反應時間相比正常分斷減小了一個數量級，大大提高了接觸器的分斷響應速度。

3 結論

通過上述設計論證和試驗結果：在接觸器實際應用過程中，根據回路的電流高頻和低頻的特性，可觸發不同的分閘機構，低頻時使用電磁線圈機構實現分斷，在高頻工況時，啟動渦流斥力機構實現快速分斷。這種選擇性的觸發方式具有良好的適應性，一方面可減少渦流斥力機構對接觸器本身的沖擊，保證接觸器壽命要求，一方面又可以在高頻工況時具備快速分斷能力，有效保護電機。

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Design and verification of contactor adapting to power supply frequency variation

Xu Yinfei1, Li Baoming2, He Qian2, Zhang Chao2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan430064, China;2. Wuhan Changhai Electric Technology Development Co., Ltd. Wuhan 430064, China;)

TM572

A

1003-4862（2022）02-0023-04

2021-01-08

徐銀飛（1987-），男，工程師。研究方向：開關電器。E-mail: xuyinfei1110@163.com