電網(wǎng)電壓下自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)特性及最佳合閘相角分析

田海波，蘇秀蘋，李 健

（1.河北工業(yè)大學(xué) 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué) 實驗實訓(xùn)中心，天津300401）

0 引言

雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATSE）是由一個（或幾個）轉(zhuǎn)換開關(guān)電器和其它必需的電器組成，用于檢測電源電路，并將一個或多個負(fù)載電路從一個電源自動轉(zhuǎn)換到另一個電源的電器[1]．雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)得到非常廣泛地應(yīng)用，例如ATSE常應(yīng)用在工廠、醫(yī)院、銀行等對供電質(zhì)量、安全性和可靠性要求較高的重要用電場合．本文研究的雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)具有新的結(jié)構(gòu)形式，屬于PC一體式雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，主要由電磁機(jī)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)、觸頭系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成．晶閘管將交流電整流成直流電供控制系統(tǒng)使用，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到常用電源側(cè)出現(xiàn)過載、短路、斷相、失壓、欠壓、過壓和頻率異常等情況時，控制系統(tǒng)就將控制信號經(jīng)電路放大后輸出到執(zhí)行器．通過電磁機(jī)構(gòu)中動靜鐵心的吸合來實現(xiàn)連桿和杠桿機(jī)構(gòu)的傳動，連桿機(jī)構(gòu)動作將傳動力傳遞給凸輪和主軸，再通過凸輪和主軸轉(zhuǎn)換帶動觸頭將負(fù)載切換到備用電源，保證用電設(shè)備連續(xù)可靠供電．而電磁機(jī)構(gòu)性能的高低對自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的性能影響很大，因此為了保證雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的可靠性，對電網(wǎng)電壓下電磁機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性和最佳合閘相角的分析尤為重要．國內(nèi)對雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行了一些研究，文獻(xiàn) [2]分析了繼電器電磁機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性和熱，利用電磁場和熱場耦合的方法建模，通過有限元軟件對電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)特性進(jìn)行了仿真并且考慮了自身發(fā)熱的影響，提高了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度．文獻(xiàn) [3]利用ADAMS對直流斷路器電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)分合特性進(jìn)行了仿真分析，分析得到機(jī)械特性曲線，并與實驗結(jié)果對比，驗證了仿真結(jié)果的正確性．文獻(xiàn) [4]仿真分析了合閘相角對電動機(jī)全壓直接起動電流最大峰值的影響，得出合閘相角不同，三相起動電流最大峰值的變化率不同．文獻(xiàn) [5]利用二級模糊綜合評判技術(shù)確定交流接觸器的最佳合閘相角，降低了動靜鐵心的碰撞能量，提高了接觸器的機(jī)械壽命.文獻(xiàn) [6]采用智能控制實現(xiàn)接觸器在最優(yōu)相角下合閘，提高了接觸器的機(jī)械壽命和電壽命.文獻(xiàn) [7]研究了含有自耦調(diào)壓器、變壓器元件的試驗電路的非周期直流分量與合閘相角的關(guān)系，使試驗電流中無周期直流分量的問題得到解決.文獻(xiàn) [8]分析了雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電磁機(jī)構(gòu)的反力特性，提出了具有創(chuàng)新性和可行性的動力學(xué)仿真分析方法和反力解析法，為研究電磁機(jī)構(gòu)反力特性提供了很好的借鑒.文獻(xiàn) [9]利用Matlab分析了接觸器的電磁機(jī)構(gòu)動鐵心和動觸頭的運(yùn)動變化規(guī)律提出了一種在接觸器合閘全過程中電壓智能調(diào)節(jié)技術(shù)，實現(xiàn)了合閘過程中電壓的智能調(diào)節(jié).國外對雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)也開展了相關(guān)的研究，文獻(xiàn) [10]設(shè)計了一款10kVA-50A的自動靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，將模塊和半導(dǎo)體組件結(jié)合，提高了響應(yīng)速度，當(dāng)有故障時能夠?qū)崿F(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，有效地保護(hù)了負(fù)載，提高了雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的可靠性.文獻(xiàn) [11]研究了一款新型的使用IEC61850通信協(xié)議的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，將其用在智能電網(wǎng)中，能夠記錄自動轉(zhuǎn)換開關(guān)運(yùn)行過程中的各種信息.雖然近幾年來有對于電磁機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性和合閘相角的研究，但是很少有人研究電網(wǎng)電壓的波動對雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)特性產(chǎn)生的影響.電磁機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性受到電源電壓接通時刻合閘相角的影響，因此本文研究電磁機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性，找出電網(wǎng)電壓下最佳的合閘相角范圍.利用虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)，能夠方便改變參數(shù)，不但可以提高設(shè)計質(zhì)量，而且可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期.本文利用ADAMS進(jìn)行仿真分析不同電壓幅值和不同合閘相角下產(chǎn)品的動態(tài)特性以找到最佳的合閘相角范圍來提高電網(wǎng)電壓下雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電磁機(jī)構(gòu)的性能.由于電網(wǎng)電壓的變化范圍受到多方面的影響，諸如用電負(fù)荷、電網(wǎng)供電容量、供電地區(qū)、輸配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性等，使得電網(wǎng)電壓的波動范圍通常在±15%左右[12]，因此本文研究的電磁機(jī)構(gòu)電壓的波動范圍在±15%.

1 雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電磁機(jī)構(gòu)工作原理

電磁機(jī)構(gòu)是由動鐵心、靜鐵心、電磁線圈組成的，它的作用是將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能并帶動操作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換.電磁機(jī)構(gòu)內(nèi)部具有線圈骨架，其上纏繞一定匝數(shù)的勵磁線圈.勵磁線圈通電后在線圈內(nèi)部產(chǎn)生勵磁電流進(jìn)而在其周圍形成一定強(qiáng)度的磁場，鐵心被磁化后受到電磁吸力作用開始做機(jī)械運(yùn)動，該電磁機(jī)構(gòu)模型如圖1所示.

由機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的知識可知，動鐵心吸合過程的運(yùn)動方程為其中：Fx（t）為動鐵心受到的吸力；Ff（t）為動鐵心受到的反力；m為鐵心質(zhì)量；a為鐵心吸合加速度；v為鐵心吸合速度；x為鐵心行程.

由公式（1）可以得出，動鐵心的吸合過程實質(zhì)就是動鐵心受到電磁吸力克服機(jī)構(gòu)反作用力，運(yùn)動至靜鐵心的過程.在動鐵心吸合的過程中，電流、磁鏈和吸力是不斷變化的，其中線圈等效電感也是不斷變化的.設(shè)電源電壓為u（t）、線圈內(nèi)動態(tài)電流為i（t）、線圈電阻為R、磁鏈為ψ、線圈等效電感為L，由電壓平衡方程式得出

圖1 電磁機(jī)構(gòu)模型圖Fig.1 Diagram of electromagnetic mechanism model

2 不同電壓幅值和不同合閘相角下動態(tài)特性仿真分析

利用三維制圖軟件Pro/E建立雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的三維實體模型，利用ADAMS/View提供的模型數(shù)據(jù)交換接口導(dǎo)入ADAMS中，將導(dǎo)入的模型進(jìn)行進(jìn)一步加工處理.設(shè)置軟件的工作環(huán)境、編輯構(gòu)件的屬性信息以及對模型添加約束和載荷等，使模型的運(yùn)動狀態(tài)最終和實體樣機(jī)的運(yùn)動趨勢一致.基于該模型分別在不同電壓不同的合閘相角下仿真分析電磁機(jī)構(gòu)的電流特性、速度特性和時間特性等.

2.1 電流特性

本文分別對電網(wǎng)電壓下限，額定電壓，電網(wǎng)電壓上限時不同合閘相角情況下電流特性進(jìn)行了仿真，得到電流隨時間變化的曲線如圖2、圖4、圖6所示.

1） 電網(wǎng)電壓下限 （187 V） 時

電壓為187 V，合閘相角θ分別為 0°、30°、60°、90°、120°和 150°時，電流隨時間變化曲線如圖2所示.

動作電流是指當(dāng)電磁吸力等于彈簧反力時所對應(yīng)的電流值，當(dāng)電流增長到動作電流時動鐵心開始向下運(yùn)動.將彈簧初始反力（彈簧初始反力大小為153 N）和電磁吸力畫在同一張圖上，如圖3所示.

反力和電磁吸力第一次相交的點所對應(yīng)的橫坐標(biāo)是相對應(yīng)的合閘相角下的觸動時間.通過觸動時間在圖2上得出動作電流值，值為9.5 A.

從圖 2 可以看出合閘相角為 60°-30°-0°-150°-120°-90°順序依次達(dá)到動作電流值，圖3中也是按這個順序電磁吸力和彈簧初始反力依次相交，圖2和圖3的結(jié)果相符.

2） 額定電壓 （220 V） 時

電壓為220 V，合閘相角θ分別為 0°、30°、60°、90°、120°和 150°時，電流隨時間變化曲線如圖4所示.

圖2 187 V不同合閘相角下電流變化曲線Fig.2 Current curves at different closing angles of 187 V

圖3 187 V不同合閘相角下電磁吸力和反力變化曲線Fig.3 Electromagnetic force and reaction force curves at different closing angles of 187 V

電磁吸力隨時間變化曲線如圖5所示.

額定電壓下，從圖4中得到合閘相角是60°-30°-0°-150°-120°-90°的順序依次達(dá)到動作電流值，圖 5中也是這個順序電磁吸力和彈簧初始反力依次相交.額定電壓時達(dá)到動作電流值的順序和電網(wǎng)電壓下限時達(dá)到動作電流值的順序相同.

3） 電網(wǎng)電壓上限 （253 V） 時

電壓為253 V，合閘相角θ分別為0°、30°、60°、90°、120°和150°時，電流隨時間變化曲線如圖6所示.

電磁吸力隨時間變化曲線如圖7所示.

電網(wǎng)電壓上限時，從圖6中得到合閘相角是60°-90°-30°-0°-150°-120°的順序依次達(dá)到動作電流值，圖7中也是這個順序電磁吸力和彈簧初始反力依次相交，電網(wǎng)電壓上限的順序和電網(wǎng)電壓下限、額定電壓時的順序不同.首先達(dá)到動作電流的合閘相角的觸動時間越短，電磁機(jī)構(gòu)反映越迅速，從中可以得出電網(wǎng)電壓下60°合閘相角時電磁機(jī)構(gòu)反映最迅速.雖然60°時的觸動時間最短，但是由于60°時的電流上升的不是最快的，故電磁機(jī)構(gòu)的運(yùn)動時間不是最短的.

2.2 速度特性

如圖8～圖10所示分別為電網(wǎng)電壓下限、額定電壓、電網(wǎng)電壓上限3種情況時不同合閘相角下動鐵心吸合速度隨時間變化的曲線.

1） 電網(wǎng)電壓下限 （187 V） 時

電壓為187 V，合閘相角θ分別為0°、30°、60°、90°、120°和150°時，鐵心吸合速度隨時間變化曲線如圖8所示.

電壓 220 V，合閘相角 θ分別為 0°、30°、60°、90°、120°和150°時，鐵心吸合速度隨時間變化曲線如圖9所示.

3） 電網(wǎng)電壓上限 （253 V） 時

圖4 220 V不同合閘相角下電流變化曲線Fig.4 Current curves at different closing angles of 220 V

圖5 220 V不同合閘相角下電磁吸力和反力變化曲線Fig.5 Electromagnetic force and reaction force curves at different closing angles of 220 V

圖6 253 V不同合閘相角下電流變化曲線Fig.6 Current curves at different closing angles of 253 V

圖7 253 V不同合閘相角下電磁吸力和反力變化曲線Fig.7 Electromagnetic force and reaction force curves at different closing angles of 253 V

圖8 187 V不同合閘相角下動鐵心吸合速度變化曲線Fig.8 Velocity curves of the moving core at different closing angles of 187 V

電壓為253 V，合閘相角θ分別為0°、30°、60°、90°、120°和 150°時，鐵心吸合速度隨時間變化曲線如圖10所示．

為更好得觀察動靜鐵心吸合時的碰撞速度變化規(guī)律，將不同電壓不同合閘相角下動靜鐵心的碰撞速度曲線畫在同一張圖上，如圖11所示.

電磁機(jī)構(gòu)接通電源后，動鐵心受到電磁吸力和反力彈簧的共同作用，向靜鐵心移動.當(dāng)動靜鐵心接觸時，發(fā)生碰撞和彈跳，這些碰撞和彈跳會影響電磁機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命.碰撞速度越大就會使電磁機(jī)構(gòu)的損耗越大，因此研究電網(wǎng)電壓下動靜鐵心的碰撞速度可以提高電磁機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命.由圖11可知，電壓越高，碰撞速度越大，額定電壓和電網(wǎng)電壓下限時相比于電網(wǎng)電壓上限時動靜鐵心的碰撞速度變化不是很大.電網(wǎng)電壓上限時碰撞速度變化趨勢是降-升-降的變化規(guī)律，在60°時出現(xiàn)了1個最小值，在120°時出現(xiàn)最大值.考慮到電網(wǎng)電壓的波動，當(dāng)合閘相角為30°～75°時有利于提高電磁機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命.

2.3 時間特性

如圖12～圖14所示分別為電網(wǎng)電壓下限、額定電壓、電網(wǎng)電壓上限3種情況時不同合閘相角下動靜鐵心氣隙隨時間變化的曲線.

采用均勻設(shè)計法安排實驗時，首先確定實驗因素，而后選取均勻設(shè)計表，選取的均勻設(shè)計表的列數(shù)必須多于實驗的因素數(shù)目。根據(jù)均勻設(shè)計使用表和實驗因素安排實驗。因素水平數(shù)目選取得過多或過少均會對實驗產(chǎn)生不利影響，因此，因素水平數(shù)目需根據(jù)參數(shù)的變化范圍合理選取。

1） 電網(wǎng)電壓下限 （187 V） 時

電壓為187 V，合閘相角θ分別為0°、30°、60°、90°、120°和 150°時，動靜鐵心間氣隙隨時間變化曲線如圖12所示.

結(jié)合圖12和電網(wǎng)電壓下限時的電流特性，得出雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)在電網(wǎng)電壓下限不同合閘相角下，動靜鐵心觸動時間、運(yùn)動時間和吸合時間如表1所示.

2） 額定電壓 （220 V） 時

電壓為220 V，合閘相角θ分別為0°、30°、60°、90°、120°和 150°時，動靜鐵心間氣隙隨時間變化曲線如圖13所示．

結(jié)合圖13和額定電壓時的電流特性，得出雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)在額定電壓不同合閘相角下，動靜鐵心觸動時間、運(yùn)動時間和吸合時間如表2所示．

3） 電網(wǎng)電壓上限 （253 V） 時

電壓為253 V，合閘相角θ分別為0°、30°、60°、90°、120°和 150°時，動靜鐵心間氣隙隨時間變化曲線如圖14所示．

圖9 220 V不同合閘相角下動鐵心吸合速度變化曲線Fig.9 Velocity curves of the moving core at different closing angles of 220 V

圖10 253 V不同合閘相角下動鐵心吸合速度變化曲線Fig.10 Velocity curves of the moving core at different closing angles of 253 V

圖11 不同電壓不同合閘相角下動鐵心碰撞速度變化曲線Fig.11 Collision velocity curves of the moving core at different closing angles and votages

表1 187 V不同合閘相角下動鐵心吸合時間和運(yùn)動時間Tab.1 The actuation time and movement time of moving core at different closing angles of 187 V

圖12 187 V不同合閘相角下動靜鐵心間氣隙變化曲線Fig.12 Air gap curves of the moving and static core at different closing angles of 187 V

表2 220 V不同合閘相角下動鐵心吸合時間和運(yùn)動時間Tab.2 The actuation time and movement time of moving core at different closing angles of 220 V

結(jié)合圖14和電網(wǎng)電壓上限時的電流特性，得出雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)在電網(wǎng)電壓上限不同合閘相角下，動靜鐵心觸動時間、運(yùn)動時間和吸合時間如表3所示．

3 合閘相角范圍分析

電網(wǎng)電壓下電磁機(jī)構(gòu)的特性受到的I2t特性和吸合速度的共同影響，結(jié)合I2t特性和速度特性的共同影響分析合閘相角的最佳范圍.

1） I2t特性分析

由表1、表2、表3分析可知，不同的電壓，不同的合閘相角對動靜鐵心的吸合過程有不同的影響.由于控制合閘的電路是由晶閘管組成的，晶閘管長時間通大電流時發(fā)熱量很大，會造成晶閘管損壞，所以電磁鐵的吸合時間的長短和通過電流的大小對晶閘管的發(fā)熱量有影響.為了更直接地觀察吸合時間和I2t特性的變化規(guī)律將它們用折線圖表示出來，如圖15所示.I2t的計算公式為：

圖13 220 V不同合閘相角下動靜鐵心間氣隙變化曲線Fig.13 Air gap curves of the moving and static core at different closing angles of 220 V

圖14 253 V不同合閘相角下動靜鐵心間氣隙變化曲線Fig.14 Air gap curves of the moving and static core at different closing angles of 253 V

表3 253 V不同合閘相角下動鐵心吸合時間和運(yùn)動時間Tab.3 The actuation time and movement time of moving core at different closing angles of 253 V

其中：tx為動鐵心的吸合時間；I為電流的有效值；i為電流的瞬時值.圖中實線代表I2t特性，虛線代表動鐵心的吸合時間.

由圖15可以看出在額定電壓和電網(wǎng)電壓上限時電磁鐵的吸合時間和I2t的值相比于電網(wǎng)電壓下限時變化不是很明顯，在電網(wǎng)電壓下限的情況下，電磁鐵的吸合時間和I2t的值先降后升，在120°時出現(xiàn)了最小值.考慮到電網(wǎng)電壓的波動，選擇合閘相角為105°-135°時有利于提高雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)控制模塊的壽命.

2）綜合考慮I2t特性與速度特性最佳合閘相角分析

經(jīng)過綜合考慮電網(wǎng)電壓下電磁鐵的性能，將電網(wǎng)電壓下不同合閘相角時的I2t特性與速度特性畫在一張圖上，如圖16所示.實線代表I2t特性，虛線代表動靜鐵心的碰撞速度.

由圖16分析可知，電網(wǎng)電壓下限時的I2t值相比于額定電壓和電網(wǎng)電壓上限時的值變化比較明顯，變化趨勢先降后升，在120°時出現(xiàn)最小值.電網(wǎng)電壓上限時動靜鐵心的碰撞速度相比于電網(wǎng)電壓下限和額定電壓時變化比較明顯，變化趨勢先降后升再降，在60°時出現(xiàn)最小值，120°時出現(xiàn)最大值.綜合考慮雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)控制模塊的壽命和電磁機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命，在電網(wǎng)電壓下選擇合閘相角范圍為30°～75°時有利于提高自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的整體性能.

4 結(jié)束語

本文對電網(wǎng)電壓下新型雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)特性進(jìn)行分析.利用ADAMS進(jìn)行仿真分析在不同電壓幅值和合閘相角下產(chǎn)品的動態(tài)特性.考慮到電網(wǎng)電壓的波動，分析了動鐵心吸合時的碰撞速度對電磁機(jī)構(gòu)的影響，找出最佳的合閘相角范圍為30°～75°，為提高電磁機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命提供了依據(jù).分析了I2t特性和動鐵心的吸合時間，給出了電網(wǎng)電壓下最佳的合閘相角范圍為105°～135°，為減少雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)控制電路中晶閘管的發(fā)熱和提高雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)控制模塊的壽命提供了依據(jù).結(jié)合I2t特性和速度特性，給出電網(wǎng)電壓下最佳的合閘相角范圍為30°～75°，提高了雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電磁機(jī)構(gòu)的綜合性能.為下一步研究電網(wǎng)電壓下雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的選相合閘裝置提供了理論依據(jù).

圖15 不同電壓、不同相角下電磁機(jī)構(gòu)的吸合時間和I2t特性Fig.15 The pick-up time and I2t characteristics of electromagnetic mechanism at different voltages and different phase angles

圖16 不同電壓、不同相角下電磁機(jī)構(gòu)I2t特性和速度特性Fig.16 I2t and velocity characteristics of electromagnetic mechanism at different voltages and different phase angles

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