电网电压下自动转换开关电磁机构动态特性及最佳合闸相角分析

田海波，苏秀苹，李 健

（1.河北工业大学 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130；2.河北工业大学 实验实训中心，天津300401）

0 引言

双电源自动转换开关（ATSE）是由一个（或几个）转换开关电器和其它必需的电器组成，用于检测电源电路，并将一个或多个负载电路从一个电源自动转换到另一个电源的电器[1]．双电源自动转换开关得到非常广泛地应用，例如ATSE常应用在工厂、医院、银行等对供电质量、安全性和可靠性要求较高的重要用电场合．本文研究的双电源自动转换开关具有新的结构形式，属于PC一体式双电源自动转换开关，主要由电磁机构、操作机构、触头系统、控制系统组成．晶闸管将交流电整流成直流电供控制系统使用，当控制系统检测到常用电源侧出现过载、短路、断相、失压、欠压、过压和频率异常等情况时，控制系统就将控制信号经电路放大后输出到执行器．通过电磁机构中动静铁心的吸合来实现连杆和杠杆机构的传动，连杆机构动作将传动力传递给凸轮和主轴，再通过凸轮和主轴转换带动触头将负载切换到备用电源，保证用电设备连续可靠供电．而电磁机构性能的高低对自动转换开关的性能影响很大，因此为了保证双电源自动转换开关的可靠性，对电网电压下电磁机构的动态特性和最佳合闸相角的分析尤为重要．国内对双电源自动转换开关进行了一些研究，文献 [2]分析了继电器电磁机构的动态特性和热，利用电磁场和热场耦合的方法建模，通过有限元软件对电磁机构动态特性进行了仿真并且考虑了自身发热的影响，提高了仿真结果的准确度．文献 [3]利用ADAMS对直流断路器电磁机构动态分合特性进行了仿真分析，分析得到机械特性曲线，并与实验结果对比，验证了仿真结果的正确性．文献 [4]仿真分析了合闸相角对电动机全压直接起动电流最大峰值的影响，得出合闸相角不同，三相起动电流最大峰值的变化率不同．文献 [5]利用二级模糊综合评判技术确定交流接触器的最佳合闸相角，降低了动静铁心的碰撞能量，提高了接触器的机械寿命.文献 [6]采用智能控制实现接触器在最优相角下合闸，提高了接触器的机械寿命和电寿命.文献 [7]研究了含有自耦调压器、变压器元件的试验电路的非周期直流分量与合闸相角的关系，使试验电流中无周期直流分量的问题得到解决.文献 [8]分析了双电源自动转换开关电磁机构的反力特性，提出了具有创新性和可行性的动力学仿真分析方法和反力解析法，为研究电磁机构反力特性提供了很好的借鉴.文献 [9]利用Matlab分析了接触器的电磁机构动铁心和动触头的运动变化规律提出了一种在接触器合闸全过程中电压智能调节技术，实现了合闸过程中电压的智能调节.国外对双电源自动转换开关也开展了相关的研究，文献 [10]设计了一款10kVA-50A的自动静态转换开关模块，将模块和半导体组件结合，提高了响应速度，当有故障时能够实现快速转换，有效地保护了负载，提高了双电源自动转换开关的可靠性.文献 [11]研究了一款新型的使用IEC61850通信协议的自动转换开关，将其用在智能电网中，能够记录自动转换开关运行过程中的各种信息.虽然近几年来有对于电磁机构的动态特性和合闸相角的研究，但是很少有人研究电网电压的波动对双电源自动转换开关电磁机构动态特性产生的影响.电磁机构的动态特性受到电源电压接通时刻合闸相角的影响，因此本文研究电磁机构的动态特性，找出电网电压下最佳的合闸相角范围.利用虚拟样机代替物理样机，能够方便改变参数，不但可以提高设计质量，而且可以缩短产品开发周期.本文利用ADAMS进行仿真分析不同电压幅值和不同合闸相角下产品的动态特性以找到最佳的合闸相角范围来提高电网电压下双电源自动转换开关电磁机构的性能.由于电网电压的变化范围受到多方面的影响，诸如用电负荷、电网供电容量、供电地区、输配电系统的稳定性等，使得电网电压的波动范围通常在±15%左右[12]，因此本文研究的电磁机构电压的波动范围在±15%.

1 双电源自动转换开关电磁机构工作原理

电磁机构是由动铁心、静铁心、电磁线圈组成的，它的作用是将电磁能转换成机械能并带动操作机构的转换.电磁机构内部具有线圈骨架，其上缠绕一定匝数的励磁线圈.励磁线圈通电后在线圈内部产生励磁电流进而在其周围形成一定强度的磁场，铁心被磁化后受到电磁吸力作用开始做机械运动，该电磁机构模型如图1所示.

由机构运动学的知识可知，动铁心吸合过程的运动方程为其中：Fx（t）为动铁心受到的吸力；Ff（t）为动铁心受到的反力；m为铁心质量；a为铁心吸合加速度；v为铁心吸合速度；x为铁心行程.

由公式（1）可以得出，动铁心的吸合过程实质就是动铁心受到电磁吸力克服机构反作用力，运动至静铁心的过程.在动铁心吸合的过程中，电流、磁链和吸力是不断变化的，其中线圈等效电感也是不断变化的.设电源电压为u（t）、线圈内动态电流为i（t）、线圈电阻为R、磁链为ψ、线圈等效电感为L，由电压平衡方程式得出

图1 电磁机构模型图Fig.1 Diagram of electromagnetic mechanism model

2 不同电压幅值和不同合闸相角下动态特性仿真分析

利用三维制图软件Pro/E建立双电源自动转换开关的三维实体模型，利用ADAMS/View提供的模型数据交换接口导入ADAMS中，将导入的模型进行进一步加工处理.设置软件的工作环境、编辑构件的属性信息以及对模型添加约束和载荷等，使模型的运动状态最终和实体样机的运动趋势一致.基于该模型分别在不同电压不同的合闸相角下仿真分析电磁机构的电流特性、速度特性和时间特性等.

2.1 电流特性

本文分别对电网电压下限，额定电压，电网电压上限时不同合闸相角情况下电流特性进行了仿真，得到电流随时间变化的曲线如图2、图4、图6所示.

1） 电网电压下限 （187 V） 时

电压为187 V，合闸相角θ分别为 0°、30°、60°、90°、120°和 150°时，电流随时间变化曲线如图2所示.

动作电流是指当电磁吸力等于弹簧反力时所对应的电流值，当电流增长到动作电流时动铁心开始向下运动.将弹簧初始反力（弹簧初始反力大小为153 N）和电磁吸力画在同一张图上，如图3所示.

反力和电磁吸力第一次相交的点所对应的横坐标是相对应的合闸相角下的触动时间.通过触动时间在图2上得出动作电流值，值为9.5 A.

从图 2 可以看出合闸相角为 60°-30°-0°-150°-120°-90°顺序依次达到动作电流值，图3中也是按这个顺序电磁吸力和弹簧初始反力依次相交，图2和图3的结果相符.

2） 额定电压 （220 V） 时

电压为220 V，合闸相角θ分别为 0°、30°、60°、90°、120°和 150°时，电流随时间变化曲线如图4所示.

图2 187 V不同合闸相角下电流变化曲线Fig.2 Current curves at different closing angles of 187 V

图3 187 V不同合闸相角下电磁吸力和反力变化曲线Fig.3 Electromagnetic force and reaction force curves at different closing angles of 187 V

电磁吸力随时间变化曲线如图5所示.

额定电压下，从图4中得到合闸相角是60°-30°-0°-150°-120°-90°的顺序依次达到动作电流值，图 5中也是这个顺序电磁吸力和弹簧初始反力依次相交.额定电压时达到动作电流值的顺序和电网电压下限时达到动作电流值的顺序相同.

3） 电网电压上限 （253 V） 时

电压为253 V，合闸相角θ分别为0°、30°、60°、90°、120°和150°时，电流随时间变化曲线如图6所示.

电磁吸力随时间变化曲线如图7所示.

电网电压上限时，从图6中得到合闸相角是60°-90°-30°-0°-150°-120°的顺序依次达到动作电流值，图7中也是这个顺序电磁吸力和弹簧初始反力依次相交，电网电压上限的顺序和电网电压下限、额定电压时的顺序不同.首先达到动作电流的合闸相角的触动时间越短，电磁机构反映越迅速，从中可以得出电网电压下60°合闸相角时电磁机构反映最迅速.虽然60°时的触动时间最短，但是由于60°时的电流上升的不是最快的，故电磁机构的运动时间不是最短的.

2.2 速度特性

如图8～图10所示分别为电网电压下限、额定电压、电网电压上限3种情况时不同合闸相角下动铁心吸合速度随时间变化的曲线.

1） 电网电压下限 （187 V） 时

电压为187 V，合闸相角θ分别为0°、30°、60°、90°、120°和150°时，铁心吸合速度随时间变化曲线如图8所示.

电压 220 V，合闸相角 θ分别为 0°、30°、60°、90°、120°和150°时，铁心吸合速度随时间变化曲线如图9所示.

3） 电网电压上限 （253 V） 时

图4 220 V不同合闸相角下电流变化曲线Fig.4 Current curves at different closing angles of 220 V

图5 220 V不同合闸相角下电磁吸力和反力变化曲线Fig.5 Electromagnetic force and reaction force curves at different closing angles of 220 V

图6 253 V不同合闸相角下电流变化曲线Fig.6 Current curves at different closing angles of 253 V

图7 253 V不同合闸相角下电磁吸力和反力变化曲线Fig.7 Electromagnetic force and reaction force curves at different closing angles of 253 V

图8 187 V不同合闸相角下动铁心吸合速度变化曲线Fig.8 Velocity curves of the moving core at different closing angles of 187 V

电压为253 V，合闸相角θ分别为0°、30°、60°、90°、120°和 150°时，铁心吸合速度随时间变化曲线如图10所示．

为更好得观察动静铁心吸合时的碰撞速度变化规律，将不同电压不同合闸相角下动静铁心的碰撞速度曲线画在同一张图上，如图11所示.

电磁机构接通电源后，动铁心受到电磁吸力和反力弹簧的共同作用，向静铁心移动.当动静铁心接触时，发生碰撞和弹跳，这些碰撞和弹跳会影响电磁机构的机械寿命.碰撞速度越大就会使电磁机构的损耗越大，因此研究电网电压下动静铁心的碰撞速度可以提高电磁机构的机械寿命.由图11可知，电压越高，碰撞速度越大，额定电压和电网电压下限时相比于电网电压上限时动静铁心的碰撞速度变化不是很大.电网电压上限时碰撞速度变化趋势是降-升-降的变化规律，在60°时出现了1个最小值，在120°时出现最大值.考虑到电网电压的波动，当合闸相角为30°～75°时有利于提高电磁机构的机械寿命.

2.3 时间特性

如图12～图14所示分别为电网电压下限、额定电压、电网电压上限3种情况时不同合闸相角下动静铁心气隙随时间变化的曲线.

采用均匀设计法安排实验时，首先确定实验因素，而后选取均匀设计表，选取的均匀设计表的列数必须多于实验的因素数目。根据均匀设计使用表和实验因素安排实验。因素水平数目选取得过多或过少均会对实验产生不利影响，因此，因素水平数目需根据参数的变化范围合理选取。

1） 电网电压下限 （187 V） 时

电压为187 V，合闸相角θ分别为0°、30°、60°、90°、120°和 150°时，动静铁心间气隙随时间变化曲线如图12所示.

结合图12和电网电压下限时的电流特性，得出双电源自动转换开关在电网电压下限不同合闸相角下，动静铁心触动时间、运动时间和吸合时间如表1所示.

2） 额定电压 （220 V） 时

电压为220 V，合闸相角θ分别为0°、30°、60°、90°、120°和 150°时，动静铁心间气隙随时间变化曲线如图13所示．

结合图13和额定电压时的电流特性，得出双电源自动转换开关在额定电压不同合闸相角下，动静铁心触动时间、运动时间和吸合时间如表2所示．

3） 电网电压上限 （253 V） 时

电压为253 V，合闸相角θ分别为0°、30°、60°、90°、120°和 150°时，动静铁心间气隙随时间变化曲线如图14所示．

图9 220 V不同合闸相角下动铁心吸合速度变化曲线Fig.9 Velocity curves of the moving core at different closing angles of 220 V

图10 253 V不同合闸相角下动铁心吸合速度变化曲线Fig.10 Velocity curves of the moving core at different closing angles of 253 V

图11 不同电压不同合闸相角下动铁心碰撞速度变化曲线Fig.11 Collision velocity curves of the moving core at different closing angles and votages

表1 187 V不同合闸相角下动铁心吸合时间和运动时间Tab.1 The actuation time and movement time of moving core at different closing angles of 187 V

图12 187 V不同合闸相角下动静铁心间气隙变化曲线Fig.12 Air gap curves of the moving and static core at different closing angles of 187 V

表2 220 V不同合闸相角下动铁心吸合时间和运动时间Tab.2 The actuation time and movement time of moving core at different closing angles of 220 V

结合图14和电网电压上限时的电流特性，得出双电源自动转换开关在电网电压上限不同合闸相角下，动静铁心触动时间、运动时间和吸合时间如表3所示．

3 合闸相角范围分析

电网电压下电磁机构的特性受到的I2t特性和吸合速度的共同影响，结合I2t特性和速度特性的共同影响分析合闸相角的最佳范围.

1） I2t特性分析

由表1、表2、表3分析可知，不同的电压，不同的合闸相角对动静铁心的吸合过程有不同的影响.由于控制合闸的电路是由晶闸管组成的，晶闸管长时间通大电流时发热量很大，会造成晶闸管损坏，所以电磁铁的吸合时间的长短和通过电流的大小对晶闸管的发热量有影响.为了更直接地观察吸合时间和I2t特性的变化规律将它们用折线图表示出来，如图15所示.I2t的计算公式为：

图13 220 V不同合闸相角下动静铁心间气隙变化曲线Fig.13 Air gap curves of the moving and static core at different closing angles of 220 V

图14 253 V不同合闸相角下动静铁心间气隙变化曲线Fig.14 Air gap curves of the moving and static core at different closing angles of 253 V

表3 253 V不同合闸相角下动铁心吸合时间和运动时间Tab.3 The actuation time and movement time of moving core at different closing angles of 253 V

其中：tx为动铁心的吸合时间；I为电流的有效值；i为电流的瞬时值.图中实线代表I2t特性，虚线代表动铁心的吸合时间.

由图15可以看出在额定电压和电网电压上限时电磁铁的吸合时间和I2t的值相比于电网电压下限时变化不是很明显，在电网电压下限的情况下，电磁铁的吸合时间和I2t的值先降后升，在120°时出现了最小值.考虑到电网电压的波动，选择合闸相角为105°-135°时有利于提高双电源自动转换开关控制模块的寿命.

2）综合考虑I2t特性与速度特性最佳合闸相角分析

经过综合考虑电网电压下电磁铁的性能，将电网电压下不同合闸相角时的I2t特性与速度特性画在一张图上，如图16所示.实线代表I2t特性，虚线代表动静铁心的碰撞速度.

由图16分析可知，电网电压下限时的I2t值相比于额定电压和电网电压上限时的值变化比较明显，变化趋势先降后升，在120°时出现最小值.电网电压上限时动静铁心的碰撞速度相比于电网电压下限和额定电压时变化比较明显，变化趋势先降后升再降，在60°时出现最小值，120°时出现最大值.综合考虑双电源自动转换开关控制模块的寿命和电磁机构的机械寿命，在电网电压下选择合闸相角范围为30°～75°时有利于提高自动转换开关的整体性能.

4 结束语

本文对电网电压下新型双电源自动转换开关电磁机构动态特性进行分析.利用ADAMS进行仿真分析在不同电压幅值和合闸相角下产品的动态特性.考虑到电网电压的波动，分析了动铁心吸合时的碰撞速度对电磁机构的影响，找出最佳的合闸相角范围为30°～75°，为提高电磁机构的机械寿命提供了依据.分析了I2t特性和动铁心的吸合时间，给出了电网电压下最佳的合闸相角范围为105°～135°，为减少双电源自动转换开关控制电路中晶闸管的发热和提高双电源自动转换开关控制模块的寿命提供了依据.结合I2t特性和速度特性，给出电网电压下最佳的合闸相角范围为30°～75°，提高了双电源自动转换开关电磁机构的综合性能.为下一步研究电网电压下双电源自动转换开关的选相合闸装置提供了理论依据.

图15 不同电压、不同相角下电磁机构的吸合时间和I2t特性Fig.15 The pick-up time and I2t characteristics of electromagnetic mechanism at different voltages and different phase angles

图16 不同电压、不同相角下电磁机构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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