如何設計真正意義上的智能配電系統無弧控制開關?

1  項目背景

近年來，國內外智能化設計與控制技術取得了長足的發展，新技術、新設計方法不斷涌現。采用各種仿真技術對電磁開關進行本體優化設計，以便能夠提高開關的可靠性和整體性能指標，引入電力電子控制技術和智能控制策略，可形成新一代智能控制開關，論文正是在這樣的背景下展開的。課題組針對智能開關的研究已經超過20余年，對智能接觸器的閉環控制理論、智能控制技術、開關本體的虛擬設計技術都開展了持續的研究工作。論文設計一款智能化單極電磁開關，采用緊湊的嵌裝式結構，由智能控制模塊、電磁系統、觸頭系統及聯動機構組成。控制模塊中引入電流閉環控制技術，使開關具有吸合過程定相合閘、吸持階段節能無聲運行和零電流分斷等控制功能。開關具有模塊化特點，既可以單獨使用，獨立工作，又可以在控制模塊協調下靈活組合，形成兩極、三極，甚至多極回路的電磁開關。

2  論文所解決的問題及意義

1)多物理場協同仿真問題。電磁開關分斷過程是一個集電、磁、熱、流體、機械為一體的運動過程，單純的本體結構仿真無法真實反應開關的整體動作特性。

2)多種軟件的二次開發和相互融合問題。采用Multisim軟件搭建快速去磁控制電路，對LS-DYNA進行二次開發，利用LabVIEW創建仿真數據的雙向交換接口，計算該不同控制方案下含觸頭系統的電磁開關三維動態分斷過程，根據所得觸頭運動軌跡,結合電弧磁流體動力學模型，運用動態網格技術，對流體仿真軟件Fleunt進行二次開發，建立不同軟件協同仿真系統。

3)實驗驗證、完善程序、特性分析。

3  論文重點內容

1)電磁開關建模。

圖1為樣機結構示意圖。直流運行后的電磁機構無需短路環，外殼體通過定位卡槽直接裝配，通過螺栓可實現多級開關的級聯，簡化了生產工藝。線圈電流是直接反應電磁系統激磁狀態的參量，開關的起動、吸持、分斷均實現了電流閉環控制，具有寬電壓輸入、節能無聲運行等特點。采用閉環恒流吸持方案后，根據外界對電磁系統的影響可實時調節線圈電流保持動態穩定，在正常工作條件下保證電磁吸力始終大于反力，降低了電磁開關對環境溫度、電網電壓波動的敏感性，確保開關安全、可靠運行，同時也會帶來開釋時間長，分斷速度小等缺點，對觸頭間隙電弧的熄滅產生一定影響，因此，采用了施加負壓的分斷控制模式。

圖1 樣機結構示意圖

2)機電協同仿真設計。

開關運動過程中線圈電流及氣隙導致磁路電感非線性變化，從而引起整個動態過程電磁參量、機械參量的耦合效應。從電路等效形式來看，電磁系統可看作電感可變的阻感性負載。將電磁系統等效電感模型時域上離散化，在每個時間步長動態更新電感值。在Multisim仿真中計及了微分電感的影響，既考慮電流變化引起的自感電動勢，又考慮了可變氣隙導致電感變化引起的運動反電動勢。

電子控制模塊與機構的一體化建模關鍵在于線圈勵磁回路方程與機構多體動力學方程的耦合計算。開關動作過程中電磁和機械參量相互影響、實時耦合，呈現嚴重的非線性。這就要求在控制電路的仿真中，需要根據閉環控制策略及三維動態計算模塊實時更新輸入電壓占空比和磁路等效電感。另外，閉環控制下吸反力也是實時變化的，需要在離散化的時間步長內根據當前氣隙更新電磁吸力和反力載荷。通過分析機電耦合的計算流程，設計協同仿真系統，實現電磁開關的整體仿真分析。

3)分斷過程電弧動態特性分析。

建立了分斷過程中電弧計算模型，研究電流零點附近小范圍內的電弧燃燒情況，為零電流分斷控制奠定理論基礎。

4  結論

論文提出了一種多物理場協同仿真的方法，通過二次開發建立聯合仿真系統，將控制模塊的設計、電磁場方程、機構多體動力學模型及分斷電弧的磁流體動力學模型融為一體，對快速去磁控制下電磁開關分斷過程進行整體仿真分析，并通過實驗驗證了仿真方法。

1)通過不同軟件的聯合調用，建立含智能控制模塊、觸頭系統及電磁系統的開關機械動力學模型，可直觀反映觸頭瞬態三維運動過程。

2)將電弧磁流體動力學模型與機構多體動力學模型相結合，得到觸頭打開過程電弧氣流場、溫度場、弧柱電流密度及弧柱壓降的時空分布規律，為開關滅弧室設計、最佳分斷控制方案的確定奠定理論基礎。

3)針對電磁開關多場耦合的特點，單領域的仿真軟件求解存在局限性且不易集成，提出多物理場協同仿真方法，發揮仿真軟件各自優勢，為全面分析電磁開關動態性能，尋找最佳分斷區域及其對應的控制參數與結構參數提供有效途徑。

引文信息

林文貴，許志紅.新型單極電磁開關分斷過程動態特性研究[J].中國電機工程學報，2017，37(6)：1819-1827.

團隊介紹

福州大學智能電器與仿真技術研究團隊成立于2006年，形成了獨具特色的智能電器研究方向，涉及的主要技術有電機電器智能化控制技術、虛擬樣機設計技術、智能在線監測技術等。團隊近年來承擔各類科研項目30余項，發表學術論文130余篇，已獲國家發明專利授權28項。團隊2016年獲福建青年五四獎章集體，科研成果在2014年和2015年兩次獲得福建省科技進步二等獎。

許志紅，教授，博士，福州大學智能電器與仿真技術研究團隊負責人，福州大學電氣工程與自動化學院院長，博士生導師，兼任福建省電機工程學會副理事長、常務理事;福建省女科技工作者協會常務理事福州大學分會會長;中國電工技術學會電工產品可靠性專業委員會常務理事;福建省教育廳“電機設計與系統控制”工程研究中心主任;福州大學宏發電聲智能開關電器研發中心主任等。2016年獲寶鋼優秀教師獎、第八屆紫金科技創新獎，2015年獲盧嘉錫優秀導師獎等。

原標題:新型單極電磁開關分斷過程動態特性研究