智能塑壳断路器的脱扣执行元件特性分析*

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智能塑壳断路器的脱扣执行元件特性分析*

姚明坤1, 苏秀苹1, 李 义2, 李 健1

(1.河北工业大学, 天津 300130;2.中国汽车工业工程有限公司, 天津 300113)

姚明坤(1995—),女,研究方向为电气工程及其自动化。

摘 要：使用Ansoft Maxwell 3D软件对某种智能塑壳断路器脱扣执行元件进行动、静态仿真,分析了其磁场分布、电磁吸力、线圈电流、铁心位移等特性;通过对永磁吸力与弹簧弹力的分析,给出了电压脉冲的最小持续时间。实测了线圈电流、弹簧力以及脱扣力,验证了仿真结果的正确性。

关键词：智能塑壳断路器; 脱扣执行元件; 仿真分析; 动态性能; 最小持续时间

0 引 言

脱扣器作为智能断路器的核心部件之一,其工作性能优劣对智能断路器有着非常重要的影响。脱扣器的智能化大大地推动了断路器智能化的发展。配置微处理器系统,且能实现通信化的脱扣器称为智能脱扣器[1]。其中,智能脱扣器脱扣执行元件的静态吸力特性直接影响到断路器的可靠性、使用寿命等,是评价智能断路器工作性能优劣的重要元素。脱扣执行元件将操作信号转变为执行信号的过程是一个动态过程,对其动态特性分析也十分重要。

将基于有限元方法的仿真软件应用于低压断路器特性仿真分析方面,专家学者们已经有了一定的研究。如浙江大学叶鹏[2]利用Ansys软件对塑壳断路器静态磁场情况下的电磁吸力进行仿真分析,并且根据模型的仿真分析,对过电流脱扣器进行优化设计,提高了低压断路器的工作性能以及可靠性。2006年西安交通大学应用ADAMS软件对塑壳断路器的滑扣问题进行仿真,分析了导致断路器滑扣的原因,并应用于断路器的优化设计中[3]。2005年西安交通大学应用Ansoft Maxwell 3D软件对塑壳断路器磁脱扣器的动作特性进行仿真,分析了磁脱扣器的保护特性与反力弹簧特性和初始工作气隙的关系,结果表明改变反力弹簧的初始长度相对于改变弹簧刚度和初始工作气隙更容易实现对塑壳断路器脱扣电流的线性调节。

Ansoft Maxwell 是业内著名的基于有限元理论的电磁场仿真分析软件之一。基于麦克斯韦微分方程,采用有限元离散形式,将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解[4],已被广泛应用于各个电磁工程领域。如在电机设计中应用Ansoft Maxwell建模并进行仿真试验,得到的直流电机转子磁场分布、气隙磁通分布以及转矩分布的波形,为优化设计提供帮助[5];分析永磁同步发电机的定子隔磁磁障对减少电机谐波的影响[6];分析含谐波情况下变压器的磁通分布和空载损耗[7]等。文献[8]中,应用Ansoft 软件分析衔铁动作时的电磁转矩随气隙的变化情况。

目前,利用Ansoft Maxwell 3D软件分析智能电器内执行元件特性的研究并不多,本课题组对其进行了初步研究[9]。本文尝试利用Ansoft Maxwell 3D仿真软件,根据有限元分析思路(原理),搭建断路器执行元件模型,分析电磁系统的静、动态特性。并针对其受控特点,对电压脉冲持续时间进行分析,以保证动作的可靠性。通过与实际测量的结果比对,证明该仿真分析方法的正确性,为智能断路器的设计和进一步优化提供一种有效的分析验证手段。

1 智能断路器的基本工作原理

智能断路器是在现有断路器的基础上引入智能控制单元。其由数据采集、智能识别和调节装置3个基本模块构成,以微处理器单元为核心元件,提高断路器工作的可靠性,降低功耗,节约能源。智能断路器工作原理如图1所示。电流互感器采集线路中的电流信号,经模拟信号变换调理电路模块处理后转换成CPU可以处理的数字信号,CPU将运算结果和整定值进行比较输出电平信号,最后通过电平回路驱动脱扣执行元件使断路器动作。

图1 智能断路器工作原理

本文对智能塑壳断路器中脱扣执行元件进行研究,实物图如图2所示。

图2 智能塑壳断路器脱扣执行元件实物图

智能断路器脱扣执行元件的工作过程:在正常状态下,铁心在永磁铁吸力和弹簧弹力的合力作用下处于静止状态。当线路中出现过电流时,CPU会发出一个电压脉冲信号给脱扣执行元件;脱扣执行元件线圈中产生磁场抵消永磁铁的磁场,铁心所受到的磁吸力变小;此时弹簧的弹力大于磁吸力,铁心运动;一旦弹簧的弹力与磁吸力的合力大于脱扣力时,脱扣器脱扣,带动断路器动作。

2 智能断路器脱扣执行元件特性测试

在对智能断路器脱扣执行元件进行特性仿真分析之前,要进行一些特性测量试验。这些试验包括动态过程中过流脱扣器线圈电流测量、脱扣力测量等。

2.1 动态过程中电磁系统线圈电流测量试验

将脱扣器与3 Ω电阻以及10 V电压源串联,得到的电阻两端电压能够真实地反映出线圈中的电流情况,并且对线圈两端电压影响很小。线圈电压/电流图如图3所示。

图3 线圈电压/电流图

由图3可知,电流稳态值为0.067 A。

2.2 脱扣执行元件脱扣力测量试验

使用数显式推拉力计对脱扣执行元件的脱扣力进行测量,测量10组数据。脱扣力实测值如表1所示。

表1 脱扣力实测值

次数力/N次数力/N12.41262.28422.33372.52932.27982.36542.48492.42452.472102.241

对表1中的数据取平均为2.382 N。

2.3 铁心弹簧弹力测量试验

弹簧受力表如表2所示。弹簧弹力沿Z轴向上。

表2 弹簧受力表

压缩量/mm弹簧弹力/N压缩量/mm弹簧弹力/N压缩量/mm弹簧弹力/N11.54.24812.34.59813.14.94411.64.29412.44.63213.24.98211.74.32912.54.67213.35.01511.84.36912.64.71713.45.00011.94.41212.74.76513.55.03812.04.45912.84.80813.65.07612.14.50312.94.85613.75.11312.24.55013.04.90413.85.150

将各个压缩量下的弹簧受力随压缩量变化情况在Origin软件中绘制出来,并进行线性拟合,如图4 所示。

图4 弹簧弹力与压缩量

由拟合的直线斜率,可以得到弹簧的弹性系数为0.373 2 N/mm。

正常运行状态下,铁心在永磁铁的吸力作用下处于闭合状态,安装在铁心上的弹簧处于压缩状态,实际测量此时压缩量约为13.9 mm,可得铁心吸合状态下所受到的弹簧弹力为5.180 N。

3 静态特性仿真分析

电磁静态分析是指在电磁系统中,铁心运动到某一特定气隙的位置时,铁心所受到的静态电磁吸力与此时的气隙有关。在本文中,使用Ansoft Maxwell 3D软件中的静磁场求解器,分析智能断路器脱扣执行元件电磁系统的静态特性。

3.1 静态模型建立

利用Ansoft Maxwell 3D软件建立脱扣执行元件实体模型。所用重要部件尺寸如表3所示。

表3 重要部件尺寸表 mm

部件参数数值部件参数数值铁心上部直径2.28铁心下部直径4.44铁心上部高度4.56铁心下部高度14.00轭铁长度18.25轭铁宽度12.96轭铁厚度1.25线圈外径11.82线圈内径4.67线圈高度9.56永磁上部直径6.30永磁铁上部高度1.00永磁下部长度12.86永磁铁下部宽度10.60

(1)依据表3中主要尺寸,在Ansoft Maxwell 3D中建立模型,实体模型如图5所示。

图5 智能断路器脱扣执行元件模型

(2)添加各个部分材料属性,如表4所示。

表4 部件材料属性

部件名称材料铁心铁(Iron)线圈铜(Copper)轭铁铁(Iron)永磁永磁材料NdFe35(磁场方向沿Z轴负方向)

(3)激励以及边界条件设置:① 激励源设置。根据本文研究的智能塑壳断路器工作原理,当电路中出现过电流时,智能模块会发出一个10 V的电压信号,因此激励设置为10 V直流电压。② 边界条件设置。采用系统自定义的边界条件。

(4)网格剖分:使用手动剖分单元格,使计算更精确。各个部分单元格最大边界长度以及最大网格数如表5所示。

表5 网格剖分参数

部件名称单元格最大边长/mm网格最大数量铁心2.02000轭铁1.11500线圈2.02500永磁铁1.01200求解域5.03000

根据表5,在Ansoft Maxwell 软件中对各个部件进行网格剖分。网格剖分效果图如图6所示。

图6 网格剖分效果图

3.2 静态模型仿真

3.2.1 静态电磁系统的磁场分布

本文中的电磁系统是无壳螺旋管式电磁系统。无电压激励,铁心气隙为0.5、1.5、2.5 mm时的磁场分布云图如图7所示。由图7可知,随着铁心的运动,气隙发生变化,但永磁铁上的磁感应强度基本不会发生变化;铁心上的磁感应强度则呈现出从底部到顶部逐渐减小的趋势,并且随着铁心运动,铁心上整体的磁感应强度也随气隙的增加而减小。

图7 磁场分布图

3.2.2 静态吸力

由实测试验数据,确定铁心的运动范围为2.5 mm。为了比较不同气隙下电磁场以及永磁铁对铁心吸力的不同,因此对气隙每变化0.1 mm进行静态磁场吸力仿真计算。将各个气隙下铁心所受吸力以及随气隙变化关系在Origin软件中绘制图形,如图8所示。铁心所受到的静态吸力方向沿Z轴向下。

图8 静态吸力曲线

当没有电压信号时,铁心只受到永磁铁的吸力处于吸合状态,只有永磁铁的激励作用。由仿真可得到铁心所受到的永磁铁吸力为5.346 N。

根据仿真值5.346 N(Z轴负方向)与实测值弹簧弹力5.180 N(Z轴正方向)比较,可得在没有电压信号时铁心能够在永磁铁的作用下处于静止闭合状态。

当电路中出现过电流,智能模块发出电压信号,在电压与永磁铁激励的共同作用下,铁心受到沿Z轴负方向、大小为5.039 N的力,此时弹簧弹力大于铁心所受吸力,铁心开始运动,使脱扣执行元件动作。根据仿真值(图8中吸力方向均为Z轴负方向)与实测弹簧弹力5.180 N(Z轴正方向)、脱扣力2.382 N(Z轴负方向)的对比,可以保证断路器能够正常可靠地分断过电流电路。

4 动态特性仿真分析

4.1 直流电磁系统的动作释放过程分析

本文采用10 V的直流电压激励。在智能断路器脱扣执行元件中,电磁系统的释放过程第一个阶段是触动阶段。在此阶段中,脱扣执行元件接收到智能模块发出的电压信号。此时线圈中通入电流,但电流不能瞬间发生跃变,而是逐渐增大。随着电流的慢慢增大,线圈电流产生的电磁场逐渐削弱永磁磁场,使得铁心受到的磁吸力慢慢减小,直到减小到铁心所受到的电磁吸力等于弹簧弹力时,这个过程就是触动阶段。在触动阶段时,电压平衡方程可以写为

(1)

由于在触动阶段衔铁没有运动,电感没有发生变化,所以电压平衡方程可以写为

(2)

释放运动阶段作为释放过程的第二个阶段,紧随着第一个阶段发生。这个阶段中,在脱扣执行元件电磁系统中,随着电流不断增大,线圈产生的磁场继续削弱永磁铁的磁场,铁心受到的电磁吸力开始小于弹簧弹力,铁心在电磁力和弹力的作用下开始运动,线圈中电感发生变化。由式(1)可知,随着铁心运动,电流的变化速度开始变大,直到铁心带动操作机构运动,使得智能断路器动作。

4.2 动态模型建立

(1)模型建立:沿用静态特性分析中的模型,将求解器设置改为瞬时磁场求解器。

(2)激励设置:仍采用10 V直流电压作为激励。

(3)运动参数设置:在铁心部件上绘制72面体运动域Band。设置直线运动方式,以Z轴正方向为参考正方向。初始位置位移Position设为零。由于Ansoft Maxwell 软件不允许运动部件与静止部件发生碰撞,设置Z轴正方向运动2.48 mm,Z轴负方向为0 mm。铁心质量经过测量为1.849 g。在初始位置时,弹簧弹力为5.180 N,因此弹簧弹力设置为5.180+0.373 2(-Position)

(4)求解设置:经实测数据可知,铁心整个运动过程约为2.3 ms。为了更好地观察仿真结果,在求解设置中设置全部求解时间为10 ms,每0.2 ms计算一次数据并保存。

4.3 动态模型仿真

4.3.1 电流特性分析

当线圈中通入电流的瞬间,脱扣执行元件内部磁场会发生变化,并且随着铁心的运动、气隙的变化,磁场会不断变化,线圈中的电流也会不断变化。动态过程中线圈电流随时间的变化曲线如图9所示。

图9 运动过程中线圈电流随时间的变化曲线

由图9可见,铁心运动到0.8 ms时,线圈电流的增加速度变慢。由于线圈中通入电流时,就会产生电磁场抵消永磁铁的磁场,使得通过线圈的磁通发生变化。同时由于自感现象,线圈中会产生一个反电动势,来阻碍线圈中电流的增加,但是不占主导地位,电流继续增加。随着铁心的加速运动,速度不断增加,线圈中的反电动势也会逐渐变大直到某一值。为了平衡电压,线圈中的电流变大会出现减小的趋势,因此到0.8 ms时线圈电流的增加速度变小。当铁心运动到2.2 ms时,铁心停止运动,线圈反电动势为零,则线圈中电流继续增加,直到6.8 ms达到稳态值。

4.3.2 吸力特性分析

在动态过程的仿真中,以初始铁心吸合状态为起点,一直运动到带动操作机构使断路器断开(沿Z轴正方向运动2.5 mm)的整个过程。动态受力仿真结果如图10所示。

图10 动态受力仿真结果

由图10可知,铁心仿真运动时间约2.2 ms,与实测值2.3 ms误差很小。

在整个运动过程中,铁心受到的电磁吸力、永磁吸力以及弹簧弹力的综合作用。在运动过程中的任意时刻都能保持所受综合作用力大于零,也就是说使得铁心能够一直沿着Z轴正方向运动。当铁心运动到末位置时,铁心受到的力为5.179 N,大于脱扣力2.382 N,说明能够确保脱扣器发生动作。

随着铁心的运动,弹簧的压缩量变小,使得弹簧给予铁心沿Z轴向上的力变小,铁心所受到的合磁力以更快的速度减小,并且一直小于弹簧弹力,能够在铁心到达末位置时带动操作机构使得断路器动作。这说明所建立的模型能够达到所要预期的设计要求。

4.3.3 智能模块电压信号持续时间分析

智能模块判断线路电流,当发现异常情况时,会发出电压脉冲信号,使得断路器动作。为了保证智能断路器能够在线路异常时可靠地断开线路电流,应该对电压信号的持续时间进行分析。当铁心在运动过程中达到某一特定位置时,这时会使得弹簧弹力和永磁吸力大小相同、方向相反。如果电压信号的持续时间小于铁心到达这一特定位置的时间,则铁心可能会在永磁铁的吸力作用下克服弹簧的弹力,再次处于吸合状态,智能断路器就不能可靠地动作。

分别计算只有永磁铁作用下铁心在各个气隙时所受到的吸力,将永磁铁吸力与弹簧弹力进行比较,如图11所示。

图11 永磁体吸力和弹簧弹力

由实际测量可知,处于静止状态下,铁心的底部位于Z轴正方向3.9 mm的位置上。由图11可见,当铁心运动到3.928 mm时,弹簧的弹力和永磁铁的吸力大小相等、方向相反。结合铁心运动过程中的位移随时间变化,可以得到当铁心发生0.028 mm的位移时,铁心运动时间为0.4 ms,因此可以得到电压信号的持续时间不得小于0.4 ms。位移变化曲线如图12所示。

图12 位移变化曲线

5 结 语

(1)在Ansoft Maxwell 3D软件静态磁场求解器下进行脱扣执行元件的静态特性仿真。通过仿真结果分析,可以得到电磁系统的磁场分布图、各气隙下铁心受力情况。根据仿真吸力、实测弹簧弹力以及脱扣力的对比分析,得到智能断路器能够在接收到分断信号后,铁心能够保持运动直到断路器发生动作,而不会发生中途反弹等现象。随着气隙的不断增大铁心受到的合作用力能够克服脱扣力,从而使断路器动作来切断线路电流。仿真结果与测量结果符合实际应用。

(2)在Ansoft Maxwell 3D软件瞬态磁场求解器下进行脱扣执行元件的动态特性仿真。在仿真结果中,可以看到线圈电流、铁心位移以及铁心所受吸力随时间变化情况。通过对整个动态过程的综合受力情况分析,可以得到铁心能够在规定的时间内使脱扣器脱扣。

(3)通过对弹簧弹力测量以及永磁铁吸力的仿真计算,可以得到当铁心运动0.028 mm时,铁心受到的弹簧弹力与永磁铁吸力大小相等、方向相反,所以如果在此之前电压信号消失,那么铁心会在永磁铁吸力的作用下吸合,就不能使断路器可靠动作。在动态特性中的铁心位移仿真结果中,得到铁心运动位移为0.028 mm时,运动时间为0.4 ms。因此电压信号的维持时间应该大于0.4 ms。

(4)实测试验和仿真试验数据在误差允许范围内基本一致,验证了本文应用Ansoft Maxwell 3D软件对于执行元件的模型建立和仿真分析的正确性,为其他相关研究提供了一种很好的分析方法。

【参 考 文 献】

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Characteristic Analysis of Intelligent Moulded Case Circuit Breaker’s Tripping Actuator

YAO Mingkun1, SU Xiuping1, LI Yi2, LI Jian1

(1.Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;2.Automotive Engineering Corporation, Tianjin 300113, China)

Abstract：Intelligent moulded case circuit breaker’s tripping actuator was researched in the topic,meanwhile,dynamic and static characteristics were simulated by the Ansoft Maxwell 3D software to solve and analyze the electromagnetic distribution,magnetic force,coil current as well as iron displacement.The minimum duration of the voltage pulse was given based on the analysis of the permanent magnetic force and spring force.The coil current,the spring force and the tripping force were measured,and the solution of simulation was demonstrated.

Key words：moulded case intelligent circuit breaker; tripping actuator; simulation and analysis; dynamic characteristics; minimum duration

*基金项目：河北省自然科学基金项目(E2011202079)

中图分类号：TM 561

文献标志码：A

文章编号：2095-8188(2017)08-0001-07

DOI：10.16628/j.cnki.2095-8188.2017.08.001

收稿日期：2016-06-06

苏秀苹(1966—),女,教授,博导,研究方向为电器可靠性与现代设计技术。

李 义(1987—),男,工程师,主要从事建筑电气设计。