（电机与电器专业论文）真空断路器机械性能仿真及其应用软件开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t v a c u u mb e a k e ri so n eo f t h em o s t i m p o r t a n t d e v i c e so f t h em e d i u md i s t r i b u t i o ns y s t e m n l ev a c u u mb r e a k e r sp r o p e r t yi sg u a r a n t e e db yi t sm e c h a n i s m sd y n a m i c a lp r o p e r t y , w h i l e i t sw h o l e p r o p e r t yd i r e c t l ya f f e c t st h ep o w e rs y s t e m ss a f e t y , s t a b i l i t ya n d e c o n o m i c r u n n i n g v i s u a ld y n a m i c a ls i m u l a t i o no f t h ev a c u u mb r e a k e rm e c h a n i s m sp r o p e r t yw i t hc o m p u t e ri sa v e r yi m p o r t a n ta s s o c i a t e dm e t h o d b a s e do nt h eb e a k e r sm e c h a n i s md y n a m i c a la n a l y s i si ne x i s t e n c e ，t h et h e s i se x p o u n d s t h ep r i n c i d l ea n dm e t h o do fp e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o rv a c u u mb r e a k e r sm e c h a n i s m d y n a m i c a lp r o p e r t y sa n a l y s i s ，a n a l y z e st h ee f f e c to ft h ev a r i a b l ef a c t o rt o t h ev a c u u m b r e a k e r sd y n a m i c a lp r o p e r t yi nd e t a i l a n dd e s i g n st h ev a c u u mb r e a k e r sv i s u a ld y n a m i c a l a n a l y s i ss o f t w a r e w i t ht h eb a s i cp a r a m e t e ri n p u t t i n g ，t h es o f t w a r er e a l i z e st h ed y n a m i c a l c o m p u t a t i o np r o c e s s v i s u a l i z a t i o na n dm e c h a n i s mm o v e m e n t p r o c e s sv i s u a l i z a t i o n f r o mt h es o r w a r ec o m p u t a t i o nr e s u l t ，t h ec o n t a c ts p r i n ga n dt h eb r e a k i n gc u s h i o n s p r i n gh a v em u c h e f f e c tt ot h eb r e a k e r sd y n a m i c a lp r o p e r t y ；p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r s f o r c ea f f e c t st h em e c h a n i s m sw h o l ed y n a m i c a lp r o p e r t y ；t h em a s so f m o v i n gp a r th a se f f e c t t ot h eo p e n i n ga n dc l o s i n gs p e e d ，a n dt h ei n e r t i ao ft h em e c h a n i s m sm o v i n gp a r th a v e b l o c k i n gf u n c t i o nt h eo p e n i n ga n dc l o s i n gp r o c e s s ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c t st h eo p e n i n ga n d c l o s i n gs p e e d sa d v a n c e m e n t i nt h em e c h a n i s md e s i g n i n g ，t h ep e r s o n n e lp l a na l lp a r t sa sa w h o l et oe n s u r et h a tt h em e c h a n i s mh a se x c e l l e n td y n a m i c a l p r o p e r t y t h es o f t w a r e sr u n n i n gr e s u l ti st h et a b u l a t i o n a n di tr e c o r d sn o to n l yt h es i m u l a t i o n r e s u l t ( s u c ha sm o v i n g c o n t a c t sj u s to p e n i n g s p e e d a n d j u s tc l o s i n gs p e e d ，a v e r a g es p e e da n d o n ) ，b u tt h em e c h a n i s m so r i g i n a lp a r a m e t e r s ( s u c ht h es p r i n g sp a r a m e t e r ) i ti sv e r ye a s yf o r t h et e c h n i c a lp e r s o n n e lt oc o m p a r et h ee f f e c to ft h ev a r i a b l ep a r a m e t e rt ot h ed y n a m i c a l p r o p e r t y , a n di th a ss o m eu t i l i t ya n dp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h ea s s i s t a n td e s i g n i n go f t h e v a c u u mb r e a k e r sm e c h a n i s m k e y w o r d s ：v a c u u m b r e a k e r ，m e c h a n i s m ，d y n a m i c a l p r o p e r t y v i s u a l i z a t i o n ，d y n a m i c a ls i m u l a t i o n ，p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题的意义 真空开关因其可靠性高、免维护和安全等特点，多年在中压配电开关领域保持着 领先地位。近来永磁机构在真空断路器中的应用极大地提高了真空断路器的整体性 能，机构零件数量大大减少，动作的可靠性大大提高。 真空断路器的运动特性是断路器的基本性能之一，它是产品设计中首先要达到的 目标，即必须满足断路器在分合闸时的速度要求。以往断路器运动特性的分析计算沿 用传统的方法，即根据经验和粗略估计完成初步设计，然后制造样机和试验。随着计 算机技术的飞速发展，已经提出了另一种新的设计模式，即首先在计算机上对机构进 行虚拟制造和仿真计算，测试其机械性能，然后再进行样机制造，这样就可以减少以 试验为基础的经验设计的工作量，降低盲目实验所带来的经济损失，达到利用现代技 术进行优化设计的目的。 1 2 仿真技术在断路器方面的研究概况“m h 州钉 应用计算机技术对断路器的动作过程进行仿真计算分析是目前断路器研究的前沿 课题，其计算机设计和仿真软件也是各国竞相开发的热门项目。 国内的研究机构和大学今年也开展了这方面的研究工作，并且应用相关应用软件 对断路器的性能进行了一些分析和计算，得出了一些结论。仿真计算得出的结论一般 是断路器触头行程( 速度) 特性曲线，没有断路器三维模型：而且由于这些软件并不是 专门为断路器仿真试验所编制的，参数输入和设置不直观、意义不明确，工程技术人 员难于理解和掌握，从而得不到广泛使用。 1 3 可视化仿真技术在真空断路器中的应用晴m m m m 传统的仿真技术主要用于科学计算。但是由于复杂仿真系统应用需求的不断增 加，使得这种以数学模型为中心的仿真系统，无论对于建模过程的描述，还是对于仿 一一 l 华中科技大学硕士学位论文 真计算结果的分析都相当复杂，很难得到整体、形象、直观的仿真结果，无法及时判 断与决策，甚至有可能丢失大量的信息，所以计算机仿真技术和仿真计算结果形象逼 真的显示就显得非常重要，仿真技术与可视化技术的结合，即仿真可视化也因此而成 为人们日益关注的问题。 所谓仿真可视化，就是把仿真中的数字意义变为直观的、以图形图像形式表示 的、随着时间和空间变化的仿真过程呈现在研究人员面前，使研究人员可以知道变量 之间、变量与外部环境之间的关系，直接获得系统的静态和动态特性。仿真可视化不 仅是用图形与图像来表征仿真结果的，更重要的是为研究人员提供了观察数据交互作 用的手段，实时跟踪并有效地驾驭数据模拟和实验过程。简言之，仿真可视化的内涵 有两层：仿真计算结果可视化和仿真计算过程可视化。 在此项目中本人所做的研究工作可以分为以下几个方面： ( 1 ) 对配永磁操动机构真空断路器的工作原理和机械动态特性的分析计算进行了 较为详细的理论分析，对原有的适合于手工计算的算法进行了改进，使之转变为适合 于在计算机上运行的算法： ( 2 ) 在数据库技术的基础上，用目前世界上流行的开放式图形函数库 o p e n g l ( o p e ng r a p h i c a ll i b r a r y ) 结合可视化编程工具v i s u a lc + + 编制了真空断路器三维 动态仿真计算软件，对真空断路器在不同初始条件下的动态过程进行了仿真计算。 ( 3 ) 对于仿真计算结果进行了分析和论证，讨论了断路器机构各可变参数对断路 器机械动态特性的影响，从所得到的仿真计算结果和试验参数比较得知，本研究所采 用的方案是可行的，可以用于真空断路器机构的辅助分析与设计。 华中科技大学硕士学位论文 2 配永磁操动机构的真空断路器动态模型和计算方法 概要：从分析计算配永磁机构的真空断路器机械动态特性出发，介绍了永磁机构的结 构及工作原理，分析了断路器动作过程中力的变化关系；提出了配永磁机构的真空断 路器机构动态特性的计算模型，分析了计算的原理和方法。 2 1 永磁机构与真空断路器 2 1 1 单线圈双稳态永磁机构的结构及工作原理2 3 4 1 从当今国际上各大公司推出的产品而言，永磁机构大致可以分为三种：双线圈式 永磁机构、单线圈式永磁机构和分磁路式永磁机构。尽管永磁机构存在不同的结构形 式，但是工作原理却大体相似。永磁机构就其实质而言，是用永磁体实现分合闸位置 保持( 单稳态永磁机构分闸位置的保持力由分闸弹簧提供) 的一种新型的电磁操动机 构。教研室自行开发研制的单线圈双稳态永磁机构不同于俗称的单稳态或双稳态，它 只有一个激磁线圈，正常工作时依靠线圈驱动动铁心进行分合闸操作。单线圈双稳态 永磁机构靠永久磁铁产生的吸力使真空断路器分别保持在合闸和分闸两个极限位置 上，但是分合闸共用一个激磁线圈。 图2 1 是真空断路器处于合闸位置的一个运动示意简图。图2 2 是断路器处于合 闸位置时永磁操动机构的结构剖面图。此时动铁心紧贴永磁体的下端面，断路器处于 合闸位置。动铁心上端面的气隙大，下端面的气隙小，从而使得永久磁铁产生的磁通 大部分从下端面的气隙通过，而通过上端面气隙的磁通很少，永久磁铁在动铁心下端 面产生的吸力远远大于在上端面产生的吸力，使断路器保持在合闸状态。当断路器接 到分闸命令时，操作线圈通过一定大小的电流，使线圈在永磁体下端面的气隙上产生 的磁场和永久磁铁在此处产生磁场的方向相反，目的是减小动铁心受到的向下的电磁 吸力的作用。随着线圈电流的增加，动铁心受到的电磁吸力( 即保持力) 逐渐减小，当 作用于动铁心上的保持力小于触头弹簧通过连杆作用于动铁心上的力时，动铁心就会 通过动触头连杆和转轴带动动触头向分闸的方向运动，从而完成分闸运动，并压缩分 闸缓冲弹簧，为合闸做好准备。 华中科技大学硕士学位论文 合闸运动和这个过程正好相反。在断路器接到合闸命令后，操作线圈通过的电流 产生的磁场抵消了永磁机构产生的磁场，同时由于分闸缓冲弹簧的作用，使得作用在 动铁心上产生合闸作用的力大于阻碍合闸运动的力，动铁心通过传动杆驱动动触头向 合闸的方向运动，分闸缓冲弹簧释放能量，同时压缩触头弹簧进行储能，为分闸做好 准备。 图2 1 真空断路器运动示意简图图2 2 单线圈双稳态永磁机构的结构剖面图 2 1 2 永磁机构与真空断路器的配合 下面图2 3 同时展示了真空断路器合闸过程中负载特性、弹簧机构及永磁机构的 出力特性，不难看出，弹簧机构在断路器合闸过程中是释放能量的，弹簧出力特性和 真空断路器所需要的负载特性刚好相反。真空断路器所要求的力与行程关系曲线是通 过弹簧的特性转换而来的。这种力的转换伴随着连接机构的高速运动，不仅降低了机 构的效率和可靠性，还减少了产品机构的刚性。为了使真空灭弧室的触头保持在合闸 位置，弹簧操动机构采用靠线圈脱扣的机械锁扣。永磁机构的合闸特性在合闸开始阶 段和电磁操动机构一样，在合闸最后阶段，由于永磁体的吸力，使吸合力上升得更 快，因而永磁机构的合闸特性可以与真空断路器配合得比传统的电磁机构好一些。由 于铁心在分闸运动时参与运动，使得分闸运动时系统惯性增大，对提高动触头的刚分 速度不利，在这一方面永磁机构不如弹簧机构和传统的电磁机构。 从图中可以看出，永磁机构的出力特性比较接近真空断路器的要求，正因为如 此，它可以和真空灭弧室直接相连，使零部件数量减到最少，提高了断路器的结构刚 4 三嚣瓣意劫特蛙 c 咄蹴煳呦栅”“。叨狞往 图2 3 三种出力特性的比较 2 - 2 真空断路器动态特性分析的重要性m 啪硼砌 2 2 t 动态和静态 耙泳稹赫蜕溉 黼腿接张鲡拟 雠麟舸涮械就翮吼髋 髓神螈篡 黧耥 糕黼蜡 纛一 脏黼嗍 焉一 一 在动， 一 量操置 华中科技大学硕士学位论文 程。静态是描述系统工作状况不变或变化十分缓慢时的情况，静态计算一般不考虑时 间因素。而动态计算则要考虑系统实际的工作过程与状态变化，揭示在不同时刻各参 量之间的关系，表明各参量是如何随时间变化的。也可以转化为在不同的位移上各参 量之间的关系，即动态过程中所产生的参量和路径特性的问题。 2 2 2 研究真空断路器动态特性的重要性 真空断路器的动态特性是由机械和电磁综合过渡过程决定的，在这其中永磁机构 的动态过程起到十分关键的作用。通过计算真空断路器的动态过程可以确定：计算触 头动作时间和运动速度，从而也可确定永磁机构的动作时间和速度：确定达到所需要 的动态特性所需要的各力之间的合理配合，一方面保证动作的可靠性，另一方面又可 以改善机械碰撞，提高断路器的电气和机械寿命。对于真空断路器而言，为了保证有 效熄弧以及不引起电弧重燃，触头的动作速度要高一些，这要求在规定的行程之内动 触头必须有一个比较高的运动速度，然而这必然导致整个系统碰撞能量的增加，从而 对机械和电气寿命的提高不利。因此加快运动速度和减轻碰撞是相互矛盾的，必须在 研究动态特性的过程加以统筹考虑。其中对永磁机构的动态特性进行研究，并进一步 精确计算和分析断路器的动态特性对合理设计永磁机构并进行机构与断路器本体之间 的特性配合具有重要的理论意义和使用价值。 2 2 3 真空断路器动态特性的计算方法 找出永磁机构、触头弹簧和分闸缓冲弹簧的出力与其行程之间的函数关系，并利 用机械原理中等效原理，将作用于断路器机构可动部分的所有力和机构可动部分的质 量归算到动触头上面，按照物理学中功能原理，求取动触头运动速度随行程( 时间) 的 函数关系。 整个计算过程大致可以划分为以下几个步骤： ( 1 ) 前期的数据准备。包括触头弹簧、分闸缓冲弹簧的出力特性，永磁机构的出力 特性，机构运动部件的质量，灭弧系统运动部件的质量，以及各传动系统部件的尺 寸。 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 将运动部件的质量和所有力归算到动触头上面。 ( 3 ) 利用动力学的分析方法，求出真空断路器动触头随行程的变化关系。 2 3 质量的计算 2 3 1 质量的计算模型与计算方法 如图2 1 所示，真空断路器处于合闸位置时的运动简图可以简化为图2 4 所示的 计算模型。 图2 4 真空断路器动特性计算模型 m 。代表永磁操动机构侧的运动总质量，m ：代表灭弧室侧的运动部分的总质量， 只，2 分别为分闸缓冲弹簧的反力和灭弧室侧的反力( 包括触头弹簧的反力，触头自 闭力等) ，和艮分别为分闸和合闸时的电磁力。图中彳一o b 为断路器拐臂处于合 闸状态时的位置，c 一0 一d 为断路器处于分闸时的位置。 r 由于机构零部件形状各异，质量不等，运动时会产生不同形式的阻力和摩擦，并 且各个零部件运动轨迹也不同，运动参数还随着时间和空间的变化而变化。因此直接 求出整个运动链的动特性一动触头的速度和时间的关系是十分繁琐的。因此采用等效 的办法，将运动链的质量、力和速度归算到某一方便计算点，然后作为集中参数进行 处理。同时应考虑从原始动力到负荷端的摩擦损耗，归于机构的传动效率。 华中科技大学硕士学位论文 在求解系统运动方程时，都需要用到运动链的质量。求解真空断路器的运动特性 时，必须知道整个系统归算到动触头的质量m ，才能给出在给定初始条件下的动态行 为。在通常情况下，从所得到的结构设计图中只能得到传动系统中零件的几何尺寸， 可以从结构设计图求出整个系统归算到动触头上的质量( 如图2 5 所示) 。 图2 5 归算到动触头的等效质量的计算流程图 2 3 2 替代质量的计算 替代质量应当满足三个条件： ( 1 ) 替代质tm ，的总和应等于实际构件的质量f t l ，即 m f = m ( 2 ) 替代质量的质心与实际构件的质心相重合，即 y , n ，t = 0 ，肌，”= 0 f f ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 3 ) 替代质量通过质心转轴的惯性距等于实际构件对质心转轴的惯性距，即 zm，(#+y；)=，(2-3) 式中t 为质量m ，的质心与实际构件质心之间的x 方向距离，y l 为质量用。的质心 与实际构件质心之间的y 方向距离。 华中科技大学硕士学位论文 对于作直线运动的零件，重。1 1 , 可作为质量的替代点。当然也可以选取通过重心与 零件运动方向平行直线上的任意一点作为其质量替代点。 对于作旋转运动的零件，应考虑其对转轴的惯性距，并以式( 2 4 ) 惯性距相等的原 则，求取其质量替代点的位置。如图2 6 所示，棒( 杆) o a 长为f ，绕o 点旋转，假设 以为0 爿的惯性距，则质量替代点o 点的质量为 m ，= j o x 2 ( 2 4 ) 显然，对旋转件，质量归算问题的核心是惯性距的求取。 | 纱 ： x d x i-，!。一 图2 6 旋转杆件 转动惯量厶与零部件的质量分布有关。断路器中常 见的拐臂可以简化为图2 7 所示的形状，质量分布均 匀时，它们对转轴d o 的转动惯量j o 可以用下式计 算 j o ：1 1 m h z 业 培m 2 】( 2 - 5 ) 6a 。b 。 。 式中m 一整个拐臂的质量 咯 ： h ，a ，b 一拐臂的有关尺寸 m 】，见图2 7 。 真空断路器其它零部件的转动惯量的计算比较 简单，不再叙述。 对于图2 4 真空断路器动特性计算模型而言， y o 图2 7 拐臂尺寸 9 华中科技大学硕士学位论文 质量m 包括动铁心、不锈钢拉杆、缓冲器中可动部件、拉杆与拐臂之间的连接件和 轴销等部分的质量，这部分的质量一共为8 6 9 8 8 培。由于质量m 。作平移运动，因而 可以将其直接集中于a 点。 质量m ：包括灭弧室运动部分的质量、导电夹软连接部分的质量、绝缘子装配部 分的质量、叠簧、拉杆螺母以及拉杆与拐臂之间的连接件的质量，这部分的总质量为 1 4 0 5 堙a 由于质量m ：作平移运动，因而可以将其直接集中于b 点。 拐臂4 一d b 替代质量的计算。由于拐臂绕转轴d 转动，按照对转轴转动惯量 厶不变的原则，拐臂的替代质量可以集中于拐臂上的任意一点。表征刚体作旋转运动 惯性大小的转动惯量可以有下面的式子计算 ，。= m 。2 ( 2 6 ) i = 1 聊。为刚体上点i 处的质量；为刚体上点i 与转轴o 之间的距离。 只要求出拐臂对于转轴的转动惯量，就可以根据式( 4 4 ) 求取拐臂对其两端点的替 代质量。可以将拐臂的替代质量集中在图2 - 4 中的口点，则替代质量 m = j o | b = 4 2 4 8 k 三为o b 的长度。 则节点质量m _ = m l = 8 6 9 8 8 k g m 口= m 2 + m b o = 4 2 4 8 k g + 1 4 0 5 k g = 1 6 2 9 8 k g 2 3 3 等效质量的计算。 通过替代质量和节点质量的计算，断路器运动部分的质量已经几种在几个节点 上。如各节点的运动速度为v 。，则整个运动部分的动能以为 一一= 圭m 。v j + 圭州。v 。2 + 丢州。v 。2 + t = l m a + m n ( v 瓷- ) 2 饥( 斧2 t 】v 。2 2 z - - m v ( 2 7 ) 华中科技大学硕士学位论文 式中m ：当 m 。+ m n ( 竖) 2 + 埘。( 翌) 2 + 】 ( 2 8 ) 2 v v o ，l 为4 点f 计算点) 0 0 等效质量。等效质量的物理意义是：考虑整个运动部分 的动能等值，其效果相当于在计算点上以集中的等效质量运动的动能。现在已经 知道了点a 和b 的节点质量，可以方便地用式( 2 7 ) 计算整个运动部分归算到b 点 处的等效质量。 由于拐臂的结构比较简单而且拐臂旋转的角度比较小，a ，b 两点的运动速度关 系可以由下面的式子近似求出： 丝：型：2 y 口io b i 则b 点的等效质量为朋= m a + m 一( v 夕乞) 2 = 5 1 0 9 4 2 k g ，v 一，v e 为彳b 两点的运 动速度。 2 4 反力分析 配永磁机构的真空断路器在进行动态特性的分析时需要考虑的反力有，：，五，如 图2 4 所示，以及两侧运动部件质量m 。，m ：产生的重力g 。，g ：，其它反力如空气 阻力在计算中忽略不计。将永磁机构侧的反力归算到灭弧室侧，可以得出作用于动触 头上的反力特性，如图2 8 所示。 r ，一分闸缓冲弹簧归算到灭弧室侧后的终了压力，9 8 1 0 3 n 一分闸缓冲弹簧归算到灭弧室侧后的初始压力，8 0 1 0 3 n 一触头的自闭力，三相共6 0 0 n f g 整个机构( 转轴除外) 归算到动触头上的重量，5 2 2 4 9 8 n g ：一转轴归算到动触头上的重量，7 8 4 n 矗一触头弹簧的初始压力，5 7 1 0 3 n 凡一触头弹簧的终了压力，9 6 1 0 3 n 华中科技大学硕士学位论文 图2 8 归算到动触头上的反力特性示意图 ( 聊脚) 分闸缓冲弹簧在合闸开始时释放能量，使动触头运动加速，有利于提高动触头的 刚合速度；在分闸时起缓冲作用，用于吸收整个运动系统的能量。 触头弹簧在分闸开始阶段释放能量，对提高触头的刚分速度有利，而在合闸时起 缓冲作用。 触头自闭力和整个系统( 除转轴外) 归算于触头上的重量时帮助合闸而阻碍分闸 的，而转轴归算于动触头上的重量无论对于合闸还是分闸都是起阻碍作用的。 2 5 传动效率的分析业” 正确计算断路器的动特性，必须考虑机构的效率，结构尺寸和布局，否则难以得 到准确的结果。断路器的零件很多，当动触头运动时，为了克服各个轴销处的摩擦， 需要消耗一部分功。关于轴销处的摩擦功的计算方法有相关文献作了介绍，但计算比 较繁琐，而且计算精度不是很高。一般情况下，多采用简化计算的方法，将各轴销处 的摩擦影响用机械效率叩来表示。机械效率不是常数，它与连杆机构的机构、尺寸、 以及所处的位置有关系。为了简化计算，可以将效率取作常数，一般情况下，可以取 1 2 华中科技大学硕士学位论文 ，7 = o 7 0 9 ，轴销的数量比较多时，1 7 的取值应该小一些。对于本系统而言，由于传 动机构比较简单，同时参照传统断路器分析中的经验，计算时，7 = o 8 。 2 6 永磁机构出力特性曲线的处理。幻证3 1 通过传感器测得的永磁机构的出力特性曲线实质上是由动铁心整个行程范围内一 系列间断的出力点所组成的。在计算断路器的动特性时，需要知道永磁机构的出力与 动触头行程之间的函数关系，然后就可以根据牛顿积分公式，而得出永磁机构出力在 断路器动作时所做的功。而实际上是很难给出永磁机构的出力和动触头行程之间的函 数关系。在实际的工程计算中，可以用拉格朗日一元全区间等距插值求取非测量点上 永磁机构的出力大小。 对于给定的n 个等距结点工i = x o + i h ( f = 0 , 1 州2 - ，n 1 ) 上的函数值y ，= f ( x i ) ， 可以用拉格朗日插值公式，计算指定插值点f 处的函数近似值z = f ( t 1 。 由数值分析可以知道，拉格朗日月次插值基函数为 ，。( z ) ：j 竺鱼l 兰二墨= ! 丛三二堑! ：竺二叠! ( 工i 一工o ) ( x t 一工t 1 ) ( x i x “1 ) ( 石i z 。) ( k = o ，l “2 ”，n 一1 )( 2 1 0 ) 插值点t 处的函数近似值 z = y ( f ) = 儿( f )( 2 1 1 ) 对于永磁机构的出力，如果每隔o 5 个毫米测量一个点，这样测量点一共有5 7 个，这样利用拉格朗日一元等距插值的插值余项为 尺s ，( 石) 2 丽t 厂“( x - - x 0 ) ( x - - x 1 ) ( x - - x $ 6 ) ( x - - x 5 7 ) ( 2 - 1 2 ) 厂“耵为插值函数，( 曲的5 8 阶导数值。 可以看出，利用拉格朗日等距插值的截断误差是相当小的，经拟合所得到的永磁 机构出力特性曲线相当平滑，足以满意工程计算上的要求。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 2 7 真空断路器动触头运动速度的计算 假设物体的质量为m ，作用在物体上的加速运动的合力为，使物体减速运动的 合力为兄，物体的初速度为v ，经过行程 后的速度为v ：，考虑在断路器运动过程中 f 和f z 都是不断变化的，由功能原理可以得知 重f 一兄坳= i i 删：2 一i i 删。2 ( 2 1 3 ) 从前面所叙述的反力归算可以知道，弹簧( 包含触头弹簧和分闸缓冲弹簧) 的弹性 力和压缩行程之间呈线性关系，整个机构运动部分归算到动触头上面的重力不随动触 头行程的变换而变化，始终是一个恒定的量，因而弹簧机构和重力所做的功很容易求 出。对于本课题所研究的真空断路器而言，式( 2 1 3 ) n 变为 l f 、d h + i f c d h 十沁d h + i g z d h = l m v 2 - i 1m v ? ( 2 - 1 4 ) l e d h 为分闸缓冲弹簧所做的功，这个功帮助合闸而阻碍分闸； 1 只幽为触头弹簧所作的功，这个功是阻碍合闸而帮助分闸的； l 尼砌为机构归算到动触头上的力所作的功，这个功也是帮助合闸而阻碍分闸 的； i g ：d h 为转轴归算到动触头上的力所做的功，对于分合闸都是起阻碍作用的。 就永磁机构的出力特性而言，即便经过拟合，也只是多知道整个行程点上的永磁 机构的出力，提高了计算的精度，但是采用精度较高的积分方法，可以减少由于方法 所带来的计算误差a 由数字积分的知识可知，对于一个函数y = 厂( 工) ，只要知道函数 在区间陋，6 】两个端点以及区间中点c = 竺望对应的函数值厂o ) 、厂( 6 ) 和厂( c ) ，就可 以利用辛普生( s i m p s o n ) 公式求取厂( z ) 在区间 d ，6 上的积分 f f ( x ) d x = 等( m ) + 4 厂( 半m ( 6 ) ) ( 2 - 1 5 ) 辛普生公式计算的积分具有三次代数精度，也就是说( 2 1 1 ) 式是准确成立的，其 积分余项 4 华中科技大学硕士学位论文 r 。：i 三竽( x 一口) ( x c ) 2 ( x 一6 ) ( 2 - 1 6 ) ，4 ( ) 为被积函数，( x ) 的四阶导数值，其中菩 a ，b 】。 积分核o n ) o c ) 2 0 b ) 在区间 口，b 】上保号，由积分中值定理有 耻掣氨- c ) 2 ( 巾) 出 一等等) 4 ，( 们( z - 1 7 ) 其中叩 口，b 。 由此可以得出，只要积分区间 a , b 】的长度足够小，累积积分所带来的误差是足 以满足工程计算所需要的精度要求。 由上面的叙述可知，只要分别计算出永磁机构出力、弹簧力以及重力所作的功， 就可以利用式( 2 1 0 ) 计算动触头的运动速度了。 就真空断路器的合闸过程而言，永磁机构出力是帮助合闸的，分闸缓冲弹簧在合 闸过程开始一段时间释放能量，也是帮助合闸的，而机构归算到动触头上的重力和触 头弹簧作用力是阻碍合闸的：就分闸运动而言，机构归算到动触头的重力、触头弹簧 作用力以及永磁机构的出力都是帮助分闸的，只有分闸缓冲弹簧的作用力是阻碍分闸 运动的。 在计算断路器动触头的运动速度时，断路器动触头总是由静止状态开始的，因此 在h = 0 行程开始处v ，= 0 。在任一行程点处的运动速度v 可以由下面的式子计算 1 j ( ，一f z ) d h = 扣v 2 ( 2 - 1 8 ) 考虑到传动效率对动触头运动速度的影响，断路器动触头的运动速度 v = ( 2 - 1 9 ) 1 s 华中科技大学硕士学位论文 3 影响真空断路器动态特性的因素 概要：对永磁机构的出力作了测定和数值拟合，并对影响真空断路器动态特性的因素 进行了分析，确定了真空断路器的一些动态特性参数。 3 1 永磁机构出力特性乜们曙5 瑚1 为了得到断路器动作过程中永磁机构的出力特性曲线，采用了湖南宇航传感科技 实业公司生产的c h t l 型智能控制测量仪，并设计了如图3 1 所示的测试方案。测试的 主要方法是将压力传感器和动铁心连杆连接起来，并将压力传感器输出信号送到智能 测量控制仪进行显示。 制显示仪 图3 1 永磁机构出力测试方案 c h t 一1 型智能控制测量仪工作原理框图如下图3 2 所示： 一_ 1 6 华中科技大学硕士学位论文 传感器( 敏感元件) 输出的被测参数信号经放大器( 或变送器) 放大转换后，送a d 转换电路进行a o 转换，变成数字量后送微控制器，微控制器对该数字信号进行处理 后送显示电路对测量值进行显示，同时将该量与控制仪预置量进行比较后经控制继电 器输出电路，产生无源触点输出信号，供报警和信号用。 经过试验得到，永磁机构的合闸保持力为5 6 8 4 n ，分闸保持力为5 8 8 0 n 。归算后 的合闸保持力和分闸保持力分别为1 1 3 6 8 n 和1 1 7 6 0 n 。配永磁机构的真空断路器没有 机械保持和脱扣装置，而靠永久磁铁产生的吸力使断路器保持在分合闸位置。 真空断路器要求有一定的触头接触压力。因此永磁机构产生的合闸保持力除了要 克服触头弹簧所产生的反作用力外和其它反力外，还必须具有足够的合闸位置保持力， 防止受到外界作用的干扰( 机械振动，电动力等) 而出现误分闸。试验测量所得到的保 持力远远大于触头弹簧的终了力9 6 0 0 n ，确保将断路器锁定在合闸位置。同样分闸保 持力也足够满足断路器性能上的要求。 根据所测得的永磁机构出力特性点，并将永磁机构的出力按照等效原理归算到灭 弧室侧，经拟合后可以得到分合闸过程中永磁机构的出力随动触头行程变化关系，下 面的图3 3 是合闸过程中永磁机构的出力随动触头行程变化关系曲线。 图3 3 永磁机构出力随动触头行程变化曲线 1 7 华中科技大学硕士学位论文 对于断路器分闸过程而言，也可以得到相应的永磁机构出力特性曲线。 试验结果表明，当操动机构的电磁铁的回路结构、尺寸和形状，磁回路工作气隙， 线圈的安匝数确定后，不管通以多高的电压，激磁电流的上升陡度是一定的，电流的 最大值i 只取决于激磁时间t 的长短，激磁的时间越长，则激磁电流就越大，操动机构 输出的分闸或合闸功也越大，断路器的分合闸速度也越大，反之亦然。在断路器处于 分合闸状态融永磁机构必须提供合适的有效保持力。在通常情况下，有效保持力越大， 激磁时间越长，电流也越大。 由于在合闸位置触头之间要保持一定的接触压力，因此在分闸静态位置有效保持 力总是要比在合闸静态位置的保持力要大一些。如果不采取措施，断路器的合闸速度 会偏大。 操作电压的降低对断路器动特性的影响远小于常规电磁操动机构，这是由于永磁 机构在操动过程中，当电流未上升到一定数值时，电磁力不足以克服永久磁铁产生的 有效保持力，操动机构的铁心根本不会运动。因此电压下降只会造成激磁时间变长， 而不会使电流明显减小，操动机构的输出功不会明显减小。 3 2 分合闸速度的确定 真空断路器的分合闸速度一般为其平均速度。平均分合闸速度采取和断路器测试 仪相同的算法，即合闸时以动静触头接触前6 r a m 的速度作为平均合闸速度，而分闸时 以动静触头分开后6 r a m 的速度作为平均分闸速度。 断路器在分合闸过程中，动触头的运动速度是不断发生变化的。断路器在分闸时， 动触头向分闸运动方向运动，分闸速度由零开始逐渐增大，然后达到最大分闸速度v ， 然后缓冲装置动作，使断路器动触头速度下降而停止运动。断路器分闸运动的理想速 度曲线如图3 4 所示。实际运动中，可能会存在触头反弹现象。动静触头刚刚分离时 的速度称为刚分速度v 。 断路器动触头合闸速度曲线和分闸速度曲线比较类似，如图3 5 所示。 在图3 4 中a 点为断路器触头的刚合位置点，从a 点往前推6 m m 到b 点，将区间 【6 ，。】分成若干小段n ，每一小段的速度可以近似用这一小段的两端点速度的算术平均 1r 华中科技大学硕士学位论文 值来代替。 e = 半 矿一i 小段的平均速度( m s ) v 。，v ，为i 小段两个端点的速度值( m s ) 则经过这段行程所用的总的时间t ( m l s ) 可以由下面的式子( 3 2 ) 求出 f ：妻s i + 1 - - s i 百u 平均合闸速度矿( m s ) 的计算公式为 d 口 图3 4 断路器动触头合闸速度曲线图3 5 断路器动触头分闸速度曲线 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 按照上面所描述的方法也可以推导动触头平均分闸速度。 动触头的刚分速度v 盯与刚合速度”曲也是表征断路器特性的重要参数。 动触头的刚合速度表征断路器动静触头刚刚接触时的速度，如图3 4 所示。断路 器对于刚合速度没有太严格的要求，一般认为，较低的关合速度可以减小波纹管的颤 1 9 华中科技大学硕士学位论文 动，降低机械应力和冲击所带来的影响。但是比较高的关合速度可以减小电弧的预击 穿时间，减少触头的磨损量，降低预击穿时间的不稳定的火花放电而造成的重复脉冲 电压发生的可能性。对于l o k v 电压等级的真空断路器而言，动静触头在接触之间的速 度平均推荐值在0 6 2 m s 。 真空断路器对于刚分速度是有一定要求的，因为它影响燃弧时间和弧后介质强度 恢复速度。在开断工频电流时，一般要求在第一个半波的时间内触头走完开距的8 0 。 但是断路器触头的刚分速度也不是越大越好，如果速度太大，要考虑到机构的强度和 缓冲器是否可以吸收整个运动系统的动能。一般而言，要求分闸缓冲弹簧缓冲到位之 后触头的运动速度应该接近于零，这样可以保证不会对断路器机构产生很大的冲击作 用。 3 3 超行程 在真空断路器的过程中，动静触头接触后，动触头连杆会压缩触头弹簧再运动一 段距离，这段距离就是真空断路器的超行程。 超行程可以保证断路器动触头在一定程度的电磨损之后还能保证一定的触头接触 压力：在分闸运动的初始阶段，使动触头可以有一个较大的刚分速度，拉断动静触头 之间的熔焊点：在合闸终了阶段，当动静触头接触后，真空断路器在触头弹簧的作用 下可以得到一个比较平滑的缓冲，减小系统的整体碰撞能量。 一般情况下，真空断路器的超行程为触头开距的1 5 4 0 。由于不同电压等级的 真空断路器的开距不一样，目前超行程是用触头弹簧在分合闸时的压缩量来表示的。 对于所研究的l o k v 的真空断路器而言，超行程从2 4 r a m 不等。对于运动着的真空断 路器，习惯以超行程的减小量来表示触头的磨损量，以此间接表示估算真空断路器的 剩余电寿命，并依据超行程的减少量确定触头压力是否在规定的范围内。 对于触头的接触压力而言，应该保证动静触头在刚接触之后就能保证可靠地接触， 同时触头弹簧要保证有一定的初压力，这样可以减轻真空断路器合闸时的触头弹跳幅 度；为保证真空断路器在正常工作时的可靠接触，触头弹簧的终了压力也应该在可靠 范围之内：考虑到电磨损和其它一些因素的影响，触头接触压力应保证对触头磨损有 华中科技大学硕士学位论文 一定的补偿作用。 超行程越大，触头弹簧在超行程阶段释放的能量也越大，对于提高动触头的刚分 速度时有利的。 试验说明，适当增大超行程不仅可以提高动触头的刚分速度，而且可以减少合闸 运动所带来的冲击。 3 4 机构传动部件的质量 断路器的传动部件( 包括传动杆、触头弹簧装配部分、导电夹以及真空灭弧室可动 部分) 的质量大小，对真空断路器的分合闸速度都有一定程度的影响。在分合闸启动操 作中可动部件的惯性作用明显起到了阻碍运动的作用，不管对于分合闸都是起阻碍作 用的。要提高断路器动触头的运动速度，就必须在设计传动部件应当尽量优化结构， 减轻零部件的质量。 3 5 动触头动作时间的确定 断路器动触头开距运行时间f 。为断路器触头开始分离到触头运动完全终止所需的 时间。对于图3 5 来说，就是断路器触头走过区间 6 ，d 】所需的时间。可以将区间 6 ，d 平 分为n 小段，每段的平均速度近似用其端点速度的算术平均速度来代替。 巧= 华( f ：1 ，2 ，3 ，”) ( 3 - 4 ) 式中瓦一i 小段的平均速度 v 一。一i 小段前端点的速度 u i 小段后端点的速度 则动触头经过f 小段所花的时间可以表示为 铲争 ( 3 _ 5 ) v i 。 一一 2 1 华中科技大学硕士学位论文 则断路器动触头走完区间 6 ，d 所需的时间 f a - 喜仁喜击( 扣1 2 3 ，扩n ) 2 ( 3 6 ) 配永磁机构的真空断路器分闸时间t 。通常可以达到3 0 m s ( 激磁时间2 5 m s 加上动触 头超程运动时间5 m s ) 左右，断路器开断时间由分闸时间和动触头开距运行时间两部分 组成，把分闸时间和燃弧时间相加就可以得到真空断路器的开断时间。 断路器的关合时间包括激磁时间和触头开距运动时间。触头开距运行时间的计算 可以采用和开断相类似的算法，然后加上激磁时间( 固有分闸时间) ，就可以得到断路器 关合时间。 一 2 2 华中科技大学硕士学位论文 4 可视化动态仿真软件系统 概要：整个软件部分可以分为两个大的方面：真空断路器开断和关合两个相对动态过 程的分析计算；针对给定的永磁机构出力特性曲线和机构基本参数，计算断路器的动 态过程，以期永磁机构出力特性与触头弹簧、分闸缓冲弹簧参数之间达到一个最佳配 合。 软件系统对三维图形函数库o p e n g l 进行了介绍，并给出了利用o p e n g l 图形函 数库创建断路器机构三维模型的具体方法：介绍了如何对普通应用工程添加 o d b c ( o p e n d a t a b a s e c o n n e c t i v i t y ) 罚：放式数据库应用，提高了软件的实用性和代码的重 复利用率：介绍了系统软件的整体设计思想和软件的功能模块，并给出了具体的编程 步骤。 4 1 利用o p e n g l 创建三维模型。7 口州3 盯 4 1 1 图形函数库o p e n g l 简介 o p e n g l ( o p e nc - r a p t f i c sl i b r a r y ) 是s g i 公司开发的一个