基于虚拟样机技术的永磁真空开关运动特性研究

摘 要：文章为解决当前在永磁真空开关开发过程当中存在的开关周期较长，设计质量较低，开发成本较高问题，立足于永磁式真空开关的运动特性，在虚拟样机技术的作用之下，构建了具有单稳态特性的永磁式机构真空开关仿真模型，并通过永磁真空开关分闸运动特性，合闸运动特性的仿真处理，实现了相关参数的优化，优化后参数的实施能够最大限度的保障永磁式真空开关正常运动期间触头弹跳量的最小化，同时确保所获取分闸、合闸特性参数满足预期设计水平，以上问题值得引起各方人员的关注与重视。

关键词：虚拟样机技术；永磁真空开关；分闸运动；合闸运动；仿真

对于永磁式真空开关而言，开断性能的表现在很大程度上来说回受到动触头对应分闸速度的影响。为了能够确保动触头分闸特性参数的表现满足预期水平与要求，就需要按照如下步骤：根据分闸特性选择参数，确定分闸弹簧以及触头弹簧对应刚度水平；地偶尔不，根据动触头合闸特性的表现，优化包括线圈、以及电源电容在内的相关参数，可同时满足优化动触头合闸特性的目的。运动仿真的实施特点包括以下：

1 仿真模型构建

文章仿真设计的永磁机构真空开关为低压永磁接触器，相关基础参数设置标准为：（1）真空开关管型号标准为TJ-1.14/200；（2）正常工作状下额定电压指标为1.4kV；（3）额定电流指标为200.0A；（4）额定分断电流指标为1.6kA；（5）平均分闸速度指标在0.3m/s～0.5m/s范围之内；（6）平均合闸速度指标在0.05m/s～0.15m/s范围之内。在以上基础参数作用之下，整个仿真模型主要由永磁操动机构、驱动杆和真空灭弧室三部分组成。操动机构采用直动式单稳态永磁机构，线圈合闸，弹簧分闸（线圈通以反向电流进行触动），线圈采用充电电容供电；建模时考虑的部件主要是动铁心，静铁心，驱动杆以及分闸弹簧。文章采用与MATLAB联合仿真方式，将以上在ADAMS中所建模型以各种文件输出，供联合仿真时使用，并在MatlabSimulink中生成机械模型的Simulink控制块。

2 分闸运动仿真

从分闸运动仿真的角度上来说，相关预期参数按照如下标准实施：（1）平均分闸速度指标取值为0.4m/s；（2）分闸保持力指标取值为60.0N；（3）刚分速度指标取值为0.7m/s；（4）动铁心质量指标取值为0.53kg；（5）动触头质量指标取值0.06kg。按照上述取值情况，结合开距段动能原理，可以计算得出整个永磁式真空开关所对应的分闸弹簧刚度取值标准（取值为10.7N/mm）。联合仿真处理作用之下，获取有关永磁真空开关分闸位移的运动曲线、以及分闸速度的运动曲线（一般来说，在该运动曲线当中，可以使用实线/虚线的方式区分真空灭弧室触头所对应的运动轨迹以及铁心所对应的运动轨迹）。

结合所获取的分闸速度运动曲线，可以评估得出此状态下永磁式真空开关对应的分闸平均速度以及刚分速度均满足预期水平要求。同时，由于触头弹簧刚度较计算数值相对偏低，可以在分闸位移运动曲线图当中，以动触头位移速度曲线的振荡作为反应方式。该指标提示：对于真空开关动触头而言，在开距终点，受到惯性作用力因素的影响，其不可避免的发生弹跳动作，且该动作状态下，分闸运动曲线中的铁心运动曲线未出现明显振动。

3 合闸运动仿真

从合闸运动仿真的角度上来说，在前期通过分闸运动仿真方式确定所对应的反力弹簧参数后，对于合闸运动而言，其主要受到了包括励磁回路控制、线圈匝数、线圈电阻参数、电容电压水平、以及电容器电容量水平等多个因素的影响。在防震作用之下，相关预期参数按照如下标准实施：（1）电容参数指标取值为0.1F（0.1F）；（2）距数指标取值为200.0（200.0）；（3）电容电压指标取值为60.0V（电阻指标取值为6.0Ω）。需要注意的一点是，为了能够获取永磁式真空开关正常运行状态下所对应的励磁回路参数变化u，就需要在按照以上不同仿真工况，对应计算开关触动时间指标（单位：ms）、开关动作时间（单位：ms）、刚合速度时间（单位：m/s）、以及平均速度指标（单位：m/s）的具体取值情况。

按照以上方式，可获取在永磁式真空开关合闸运动仿真过程当中，相关励磁回路参数对于开关合闸性能的影响情况。具体概括如下几个方面：第一类，在电阻变化的作用之下，相对于触动时间的影响不大，与动作时间呈比例增长关系，与刚合速度以及平均速度则呈比例降低关系；第二类，在距数变化的作用之下，与触动时间呈比例增长关系，相对于动作时间的影响不大，相对于刚合速度的影响不大，相对于平均速度的影响不大；第三类，在电容变化的作用之下，相对于触动时间的影响不大，与动作时间呈比例降低关系，与刚合速度呈比例增长关系，与平均速度呈比例增长关系；第四类，在电压变化的作用之下，与触动时间呈比例降低关系，与动作时间呈比例降低关系，与刚合速度呈比例增长关系，与平均速度呈比例增长关系。

按照以上励磁回路参数相对于永磁式真空开关合闸性能的影响关系，可实现对永磁式真空接触器模型的优化仿真处理。为了能够确保所得到真空开关合闸过程运动曲线中，开关弹跳量的最小化，可将相关参数设置为：（1）线圈电阻指标取值为0.2Ω；（2）线圈匝数指标取值为300.0匝；（3）电容指标取值为0.01F；（4）电容电压指标取值为110.0V。按照以上取值方式所优化后的结果显示：由于对整个开关的弹跳量进行了可靠的控制，从而能够避免在永磁式真空开关实际应用过程当中，因开关频繁重复动作而出现的电弧燃烧烧蚀开关触头问题，对于提高开关寿命也有重要的意义与价值。

4 结束语

综合以上分析，文章立足于永磁式真空开关的运动特性，在虚拟样机技术的作用之下，构建了具有单稳态特性的永磁式机构真空开关仿真模型，并通过应用虚拟样机开发模型的方式，对永磁式真空开关分闸运动、合闸运动过程进行仿真优化处理，得出了适宜于永磁式真空开关运行的参数：（1）线圈电阻指标取值为0.2Ω；（2）线圈匝数指标取值为300.0匝；（3）电容指标取值为0.01F；（4）电容电压指标取值为110.0V。按照以上参数，可避免在永磁式真空开关实际应用过程当中，因开关频繁重复动作而出现的电弧燃烧烧蚀开关触头问题，对于提高开关寿命也有重要的意义与价值。

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作者简介：胡群荣（1957，12-），电气工程师从事真空电力开关设计技术工作。endprint