考虑碰撞弹跳的直流大功率接触器动态特性分析方法与改进设计

发布时间：2020-11-21 00:44

　　目前,随着风电、光伏发电等一批新能源产品的出现及全电电器、全电飞机等一系列军用和民用电器的发展,使得大功率接触器的需求量与日俱增,同时对其接触性能和电寿命也提出了更高的要求。考虑碰撞弹跳的接触器动态特性作为衡量其性能优劣的重要指标,成为目前研究的热点和难点问题。由于接触器本身所含机构零件较多,在其通断过程中,部件间多处存在碰撞接触现象,冲击碰撞问题本身具有的瞬时和非线性使得系统的运动状态变的更为复杂。目前针对该问题的研究多为简化处理,然而不同的接触形式带来的动力学特性具有的差异性,需要更深入的研究,因此合理处理闭合过程中的碰撞接触问题是研究接触器动态特性的关键。而且碰撞弹跳引起的触头短时电弧,是导致熔焊粘接的主要原因,直接影响接触器通断性能和使用寿命。为满足国防、军事、社会对大功率接触器的性能要求,建立考虑碰撞弹跳的多物理场动态理论模型和计算方法是十分必要的。为抑制接触器结构碰撞弹跳,本文分别从多物理场建模、计算方法、测试装置、影响因素分析及改进设计方面进行了相关研究。首先建立了考虑涡流和电感效应的动态电磁模型,该模型能够衡量涡流、电感效应与接触器的运动状态及电磁力的相互作用;并以接触器动态过程中的碰撞接触为切入点,建立了接触器的线性运动和非线性碰撞的运动模型;考虑到温度及其反复短时工作对接触器磁化特性和线圈电阻的影响,建立了电磁结构的热场有限元模型,最终形成了考虑碰撞弹跳的接触器机-电-磁-热建模方法。之后提出了接触器多物理场动态特性耦合计算方法,实现了加载的电流、电磁力和反力信号的动态、连续,为多场计算时的数据调用奠定基础;与此同时,可动部件在可压缩空气中运动时,采用对可压缩部分进行重新分网并控制固定部分和运动部分的分网单元保持不变的自动分网技术,在时间域内进行电磁参量的求解;随后基于时间协同的概念,将接触器电磁特性、包含碰撞接触的动力学特性、热特性进行耦合计算。基于该耦合计算方法分析了接触器弹跳特性的影响因素,详细研究了超程弹簧预压力、线圈励磁电压、触头开距、返回弹簧预压力、可动部件及其附加质量、温度、长时间反复短时工作等7个因素对接触器动态过程中弹跳特性的影响。然后设计了接触器触头弹跳模拟测试装置,实现了触头弹跳的测试与分析,获得了动触头位移与时间的关系。该测试装置是能够实现部件可更换、兼具获得碰撞接触部件间的碰撞力和带载设计的模拟机械结构,具有通用性强、测试精度高、可带载测试、实时显示和保存测试数据等优点。最后,以抑制接触器碰撞弹跳为目标,采用正交试验设计方法,对影响接触器碰撞弹跳的因素进行了参数设计,获得了弹跳影响因素间的最佳参数匹配。通过实验验证,且与改进设计前的结果进行了对比,结果表明:改进设计后的接触器弹跳情况减弱,且能够满足接触器的吸反力匹配要求。本课题的研究是直流大功率接触器的共性问题,研究成果可直接被应用于新能源电器、军用和民用电器等的动态特性计算及优化设计过程中。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM572
【部分图文】：

示意图,模拟开关,触头,示意图