Design og simulation af direktevirksomme permanentmagnetmekanismer til fast isolerede RMU'er

1. Design af permanentmagnetmekanisme

På grund af den høje efterspørgsel på miniaturisering i fast isolerede ringmainenheder (RMUs), kan traditionelle enkeltstående permanentmagnetmekanismer med tre-fase interlocking ikke opfylde de samlede miniaturiseringskrav for udstyret. Derfor anvender den her designede permanentmagnetmekanisme en tre-fase uafhængig direkte virkende struktur. Hver fases bueudslukningskammerenhed er integralt gøst sammen med gøslegemet af RMU'en og forbundet til permanentmagnetmekanismen via en isolerende stang i en lineær konfiguration. Åbningssprøjten er placeret på antriebsaksen for hver fases permanentmagnetmekanisme. Den samlede struktur af en enkelt direkte virkende permanentmagnetmekanisme vises i figur 1, og dens monterings-skematik i den fast isolerede RMU illustreres i figur 2.

2. Matematisk model af permanentmagnetmekanismens drivkreds

Den direkte virkende permanentmagnetmekanisme, der er designet her, er baseret på principperne for en enestabil permanentmagnetmekanisme. Den bruger en drivmetode, hvor en opladet kapacitor udlader for at aktiver permanentmagnetmekanismen. Kredskortet vises i figur 3, hvor C repræsenterer kapacitoren, der bruges til at drived permanentmagnetmekanismen, R angiver den ekvivalente modstand i permanentmagnetmekanismens spole, og L indikerer den ekvivalente induktance i spolen.

De dynamiske egenskaber for den enestabile permanentmagnetmekanisme opfylder systemet af differentialligninger, som vist i ligning (1):

hvor i er åbnings- eller lukningsstrømmen gennem spolen (A); u_C er den initielle spænding på opladningskapacitoren (V); R er den ekvivalente modstand i spolen (Ω); C er kapacitancen på opladningskapacitoren (F); ψ er den totale magnetiske fluxlinkage i det elektromagnetiske system (Wb); m er den ekvivalente masse af de bevæglige dele henviset til den bevægelige kerne (kg); x er forskydningen af den bevægelige kerne (m); v er hastigheden af den bevægelige kerne (m/s); F_x er den elektromagnetiske kraft, der virker på den bevægelige kerne (N); F_f er den modsatvirkende kraft på den bevægelige kerne (N). Ved at løse dette system af ligninger opnår man de dynamiske egenskaber for permanentmagnetmekanismen.

3. Modstandsækvivalens

De hovedmodstandsdyr i ringmainenhedens circuitbryder inkluderer kontakttrykket i bueudslukningskammeret og åbningsfjederkraften i permanentmagnetmekanismen. Disse modstandsdyr henvises ækvivalent til den bevægelige kerne i permanentmagnetmekanismen. Bueudslukningskammeret har en kontaktåbningsafstand på 9,5 mm og en overrejsning på 2,5 mm, med en total mekanisk slaglængde på 12 mm. Åbningsfjederens og kontaktfjederens modstandsdyr måles i overensstemmelse med permanentmagnetmekanismens bevægelseslag, og modstandsdyrkurven tegnes baseret på specifikke data. De detaljerede modstandsækvivalenspunkter vises i tabel 1.

4 Oprettelse af simuleringsmodel

De dynamiske egenskaber for den direkte virkende permanentmagnetmekanisme løses ved hjælp af den endelige elementmetode (FEM). Det grundlæggende princip for FEM er at diskretisere den kontinuerlige løsningsdomæne i et begrænset antal elementer, der er forbundet ved knudepunkter. Efter individuel elementanalyse udføres en global sammensætning, og randbetingelser anvendes, med den endelige løsning opnået gennem computerberegninger. I denne undersøgelse anvendes Ansoft endelige element-simuleringssoftware til at oprette simuleringsmodellen for permanentmagnetmekanismen, og materialparametre for dens komponenter sættes. Permanentmagnetmaterialet defineres som NdFe35, og yoke-materialet som stål-1010.

Dernæst tildelles spoleparametre: opladningskapacitoren har en spænding på 110 V, kapacitancen er 0,047 F, spolens DC-modstand er 5 Ω, antallet af vindinger er 500, og induktancen er 0,0143 H. Da den direkte virkende permanentmagnetmekanisme er af enestabil type, drives åbningsoperationen af åbningsfjederkraften. Derfor kræves kun en lille omvendt strøm for at generere en omvendt magnetisk flux, der nulstiller fluxen, der produceres af permanentmagnetmekanismen, hvilket tillader, at mekanismen åbner under fjederens modstandsdyr. For at reducere den nødvendige omvendte magnetiske flux, blev efter omfattende simulering og test, en 5 Ω DC-modstand tilføjet i serie i åbningsdrivkredsen.

Til sidst udføres overflade- og solidmodellering og maskegenerering på permanentmagnetmekanismen. En relativt tæt maske anvendes på vigtige magnetiske komponenter såsom den bevægelige kerne, magnetiske endeformer, yoke og permanentmagnet, mens en mere grov maske anvendes på ikke-magnetiske dele.

5 Analyse af simulations- og eksperimentelle resultater

De elektriske og mekaniske egenskaber for den direkte virkende permanentmagnetmekanisme analyseres ved at kombinere Ansoft-simulationer med faktiske produkttester, med fokus på luknings- og åbningsstrøm og slaglængdeegenskaber. Figur 5 viser den simulerede lukningsstrømkurve, med en topstrøm på 13,2 A. Figur 6 viser oscilloskopmålt lukningsstrøm, med en målt top på 14,2 A. Figur 7 præsenterer den simulerede lukningsslaglængdekurve, hvilket resulterer i en lukningshastighed (gennemsnitlig hastighed over de sidste 6 mm før kontaktlukning) på 0,8 m/s. Figur 8 viser oscilloskopmålt lukningshastighed, som er 0,75 m/s. Resultaterne indikerer, at de mekaniske lukningsegenskaber for den designede direkte virkende permanentmagnetmekanisme til den fast isolerede ringmainenhed opfylder kravene for switchgear, og fejlen mellem simulation og eksperimentelle resultater ligger inden for den acceptable designrange.

6 Konklusion

Denne artikel har designet en direkte virkende permanentmagnetmekanisme for fast isolerede ringmainenheder. Luknings- og åbningsstrømme samt mekaniske slaglængdeegenskaber for mekanismen blev analyseret og sammenlignet ved hjælp af computersimulation og faktiske produkttester. Resultaterne viser, at den opbyggede dynamiske karakteristiks-simuleringsmodel kan tjene som teoretisk grundlag for praktisk permanentmagnetmekanisme-design. Den direkte virkende permanentmagnetmekanisme er velegnet til brug i fast isolerede ringmainenheder, med lav drivstrøm og fremragende mekanisk ydeevne som luknings- og åbningshastigheder, der fuldt ud opfylder tekniske krav. Den giver også et teknisk fundament for fremtidig udvikling af højspændings-synkron fasevalgskridt.