适应供电频率变化的接触器设计与验证

徐银飞，李宝明，何 谦，张 超

应用研究

适应供电频率变化的接触器设计与验证

徐银飞1，李宝明2，何 谦2，张 超2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 武汉长海电气科技开发有限公司，武汉 430064）

为适应地铁供电系统的频率变化，满足不同频率电流的分断要求，开展了接触器的设计与验证。首先分析了电源频率升高对接触器性能的影响，对接触器进行结构方案设计，基于Maxwell有限元仿真分析，计算得到接触器高频分断触发机构的力值、位移、速度随时间变化的曲线，同时对接触器电磁线圈吸力进行了有限元仿真分析，验证了接触器结构设计的可行性。最后，根据设计结果，研制了接触器样机，针对两种不同供电频率工况，进行了接触器分闸反应时间对比测试。试验结果表明，高频供电模式工况下，触发接触器的高频分断机构，接触器分断反应时间相比正常分断减小了一个数量级，大大提高了接触器的分断响应速度，验证了设计有效性。

接触器 频率变化 快速分闸 涡流斥力机构

0 引言

随着中国进入城市轨道交通的大发展时代，对城市轨道交通电力系统的可靠运行提出了更高的要求。电力系统中，有一种永磁电机，根据实际供电需求，永磁电机会采用不同的供电制式，供电频率也随着车辆的进入或者驶离发生变化。正常情况下，永磁电机供电回路中，电源频率小于100Hz,一般的符合规定容量的接触器可满足分断要求。但在故障情况下，电源频率会发生突变，频率会达到400Hz以上，为保护永磁电机，需在极短的时间内切断故障电源。并且，永磁电机属于周期工作制（TB/T 2767-2010），日工作时间18小时以上，年工作时间300天，每天最高通断次数几十次，断路器由于其寿命限制，不满足使用要求。接触器又因为其不具备快速分断能力，也不符合要求。为适应这种高频和低频的工况，提出了一种接触器，正常供电工况下，使用电磁线圈机构实现分断，在高频供电工况时，启动涡流斥力机构实现快速分断，既能满足寿命要求，又可以具备快速分断能力。

1 接触器方案设计及实现情况

1.1 接触器主要研究内容

根据接触器供电回路具有变频的特点，主要研究内容如下：

1）电源频率上升对主回路载流能力的影响；

2）电源频率上升对接触器分断能力的影响；

3）主回路电流频率上升对周围铁磁零件性能的影响。

1.1.1电源频率上升对主回路载流能力的影响

交流电由于集肤效应，越靠近导体表面，电流密度越大，这种情况随频率的增加而愈加严重。这样，导体截面只有一部分在承载电流，导体的阻抗也随频率的升高而增大。查阅相关文献，在1000Hz频率下，导体的载流截面的利用率为20%，而在400Hz频率时，导体的载流截面利用率约为80%。为保证接触器不超过允许温升，在设计主回路载流铜排时，适当增加铜排截面积和主触头接触面积。

1.1.2电源频率上升对接触器分断能力的影响

对于常用的50Hz的交流电，电流每10ms秒过零1次，相对而言，电压恢复过程较慢，有利于介质绝缘强度恢复。400Hz的中频电流，周期=2.5ms，每1.25ms过零1次，过零后，电压恢复过程很快，如果介质绝缘强度特性低于电压恢复过程，则会引起电弧重燃和电压重击穿。根据交流电弧的熄灭条件：某一次电流过零后，弧隙中的实际介质恢复强度特性总要高于加到弧隙上的实际恢复电压特性。为加快实际介质恢复强度，必须提高分断速度。

1.1.3主回路电流频率上升对周围铁磁零件性能的影响

开关通交流时，其附近的钢铁零件等会发生涡流磁滞损耗，铁磁零件横截面积越大，涡流损耗所占比重越大。并且交流频率越高，外加磁场变化越快，涡流磁滞损耗越严重。所以，在设计接触器时，应注意主回路周围铁磁零件的截面积及排布方式。

1.2 产品方案设计及实现情况

1.2.1接触器母排设计

考虑到高频率400Hz电流的集肤效应，导体的截面利用率降为80%。

1.2.2接触器结构设计

1）工作原理

为实现高频电流情况下接触器快速分断，在接触器上增加涡流斥力机构，接触器线圈断电的同时，通过晶闸管触发储能电容给脉冲线圈放电，斥力铜盘内部产生环形感应涡流，脉冲线圈电流与感应涡流方向相反，产生巨大的电磁斥力，推动斥力盘向上运动，经过推杆带动触头实现快速分闸。

2）结构设计

根据上述工作原理，对接触器方案进行了建模设计，如图1所示。涡流斥力机构安装在接触器正下方，接触器动铁芯底部悬挂一推杆，接触器静铁芯设置通孔，用于推杆的上下运动。正常工况下，涡流斥力线圈不通电，接触器正常合闸和分断；故障电流情况下，涡流斥力线圈接通，电容放电，同时接触器线圈断电，在涡流作用下，斥力机构产生巨大的电磁斥力推动斥力盘快速运动，斥力盘推动顶杆带动主触头实现快速分闸。

图1 接触器结构示意图

1-灭弧室 2-动触头 3-静触头 4-铜排 5-动铁芯6-静铁芯7-推杆 8-电磁线圈 9-斥力盘 10-涡流线圈

1.2.3涡流斥力机构计算仿真

1）涡流斥力线圈主要技术参数

表1 涡流斥力线圈基本参数表

2）对于涡流斥力机构的有限元仿真分析

根据涡流斥力机构模型，预先给储能电容C（220 MV/2200F）充电，添加激励电压，即电容对脉冲线圈放电，在脉冲线圈周围产生磁场。将磁场分为轴向分量和切向分量，轴向分量通过铜盘感生出与脉冲电流方向相反的涡流，切向分量和铜盘中的涡流相互作用产生电磁斥力。斥力铜盘质量0.15kg，动作最大行程5 mm。

基于Maxwell有限元仿真分析，得到一系列仿真结果。如下图所示：

图2 涡流斥力机构的力值—时间曲线图

图3 涡流斥力机构的位移—时间曲线图

图4 涡流斥力机构的速度-时间曲线图

从上述仿真结果看出，电容放电开始，在0.75 ms时，斥力达到峰值，约为1200 N，约1.3 ms时，由于斥力盘撞击到止位框架，力值曲线发生了变化。

1.2.4对于接触器电磁线圈吸力的有限元仿真分析

由于只研究接触器线圈的合闸保持力，所以对接触器线圈只做静态仿真分析。线圈电阻554Ω，控制电压110V，动静铁芯合闸保持等于0。

图5给出了接触器合闸状态下电磁铁的电磁特性仿真，此时电磁铁的吸力如下图所示：根据上图仿真结果，可得：合闸状态的电磁铁吸力为408N，电磁铁吸力再减去反力弹簧压力和触头压力弹簧压力，电磁铁吸合保持力为288N。

1.2.5永磁电机隔离接触器分闸计算

综合1.2.3涡流斥力线圈计算仿真和1.2.4接触器线圈吸力的有限元仿真分析，电磁铁合闸保持力为288N，涡流斥力线圈最大斥力为1200N。由于接触器分闸反应时间有十几ms，涡流斥力线圈反应时间小于1ms，所以可认为涡流斥力线圈峰值力直接作用于接触器保持线圈力，由于涡流斥力远大于线圈合闸保持力，满足快速分闸条件。

1.3 永磁电机隔离接触器的控制原理图

根据永磁电机隔离接触器故障工况下的使用要求，永磁电机隔离接触器的控制原理图6如下：

其中，粗线方框部分代表控制模块，故障触发信号为Trigger，元器件代号对应如下表：

2 样机试验验证

为了验证接触器的方案可行性，试制样机一台，对其进行了分闸动作时间测试。

1）正常工况下的分闸动作时间测试：涡流斥力机构不动作，接触器正常分合（分闸动作时间测试采用示波器采集信号，示波器探头1采集接触器线圈控制空开两端，探头2采集接触器主触头两端）；

图6 接触器的控制原理图

表2 元器件对应代号

表3 分闸动作测试结果

2）故障情况下的分闸动作时间测试：涡流斥力机构触发动作，接触器线圈失电（分闸动作时间测试采用示波器采集信号，示波器探头1采集故障触发命令两端，探头2采集接触器主触头两端）。

测试结果如表3所示，高频供电模式工况下，触发接触器的高频分断机构，接触器分断反应时间相比正常分断减小了一个数量级，大大提高了接触器的分断响应速度。

3 结论

通过上述设计论证和试验结果：在接触器实际应用过程中，根据回路的电流高频和低频的特性，可触发不同的分闸机构，低频时使用电磁线圈机构实现分断，在高频工况时，启动涡流斥力机构实现快速分断。这种选择性的触发方式具有良好的适应性，一方面可减少涡流斥力机构对接触器本身的冲击，保证接触器寿命要求，一方面又可以在高频工况时具备快速分断能力，有效保护电机。

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Design and verification of contactor adapting to power supply frequency variation

Xu Yinfei1, Li Baoming2, He Qian2, Zhang Chao2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan430064, China;2. Wuhan Changhai Electric Technology Development Co., Ltd. Wuhan 430064, China;)

TM572

A

1003-4862（2022）02-0023-04

2021-01-08

徐银飞（1987-），男，工程师。研究方向：开关电器。E-mail: xuyinfei1110@163.com