PDF《计及温度的永磁 操 动机 构 动态 特性 仿真与分析》

刘颖异( 1980―) , 女, 博士, 研究方向为电力电子技术、 嵌入式系统、 计算机测控技术.

0 引言永磁操动机构有机地结合了电磁机构和永磁机 构, 在提高真空断路器分合闸性能和高可靠性方面 展示了良好的发展与应用前景 [1 -

2 ] .配永磁操动机 构的真空断路器同步投切操作可有效抑制电力系统 开关操作过程中的过电压和涌流等电磁暂态效应, 提高电能质量和开关的开断能力 [3 -

5 ] .而永磁操动 机构的动态特性会直接影响到真空断路器的分合闸 性能和同步投切控制的精度 [6 ] , 目前成为国内外学 者研究的热点之一.永磁操动机构动态特性受温度 变化的影响较大, 其主要表现在环境温度变化会对 永磁体的性能、 线圈电阻以及电容器的电容量等特 性参数产生影响.分析温度变化对永磁操动机构动 态特性影响的内部机理, 对于合理设计永磁操动机 构并进行机构与开关本体间特性配合具有重要的理 论和现实意义. 文献[

7 - 13] 建立了永磁操动机构动态分析的 数学模型, 得到了机构动作时间、 线圈电流、 动铁心 的位移和速度、 控制电压等动态特性变量的变化规 律.但上述文献均未考虑温度对特性参数的影响, 所得到的仿真结果只在特定的温度下有效, 因而得 到的实验结果与仿真结果存在一定偏差.文献[

14 - 15]定性分析了温度变化影响线圈电阻、 电容器 容量和运动阻尼进而影响机构动作时间的规律, 但 没有分析受温度影响更大的永磁体性能的温度特 性, 且没有通过实验来验证温度变化对机构特性的 影响. 本文考虑环境温度变化的影响, 建立了计及温 度变化的永磁操动机构动态特性的数学模型, 分析 了受温度影响较大的特性参数的温度特性, 阐述了 温度变化对永磁操动机构特性的影响规律, 进而分 析求解动态数学模型, 并将计算结果与实验测试结 果进行了对比分析.

1 多场耦合条件下永磁操动机构动态 特性的数学模型 永磁操动机构动态特性综合考虑了电磁参量对 动铁心电磁吸力以及动铁心电磁吸力对机构运动特 性的影响, 能比较真实地反映机构在动作过程中的 各种电磁参量和机械参量的状况.永磁操动机构在 运动过程中受电、 磁、 机械力、 温度( 热) 的综合作 用, 将其运动过程分为触动阶段和运动阶段.在触 动阶段, 激磁电流从零开始增大, 电磁吸力小于反 力, 动铁心仍然处于静止状态, 速度 v 和位移 x 皆为 0, 此阶段的动态微分方程组可由下式表示. dψ( x, i, ) dt = UC ( ) - iR( ) , dv( ) dt = 0;

dx( ) dt = 0;

dUC ( ) dt = - i( ) C( ) ;

dt( ) dt = 1;

ψ t =

0 = ψ0 , v t =

0 = 0, x t =

0 = 0;

UC t =

0 = UC0 , t t =

0 =

0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? . ( 1) 在运动阶段, 当在某个 t1 时刻, 激磁电流增大 到某一个固定值, 线圈磁链变为 ψ1 , 电容电压降至 UC1 , 电磁吸力大于反力, 动铁心开始运动, 此阶段的 动态微分方程组表达式为 dψ( x, i, ) dt = UC ( ) - iR( ) , dv( ) dt = Fm( x, i, ) - Ff x, dx dt , ( ) m ;

dx( ) dt = v( ) ;

dUC ( ) dt = - i( ) C( ) ;

dt( ) dt = 1;

ψ t =

0 = ψ1 , v t =

0 = 0, x t =

0 = 0;

UC t =

0 = UC1 , t t =

0 = t1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? . ( 2) 式( 1) 和式( 2) 中, 为温度;

ψ( x,i, ) 为电磁 系统全磁链;

UC ( ) 为充电电解电容器电压;