Diseño y Simulación de Mecanismos de Imán Permanente de Accionamiento Directo para RMUs con Aislamiento Sólido
1.Diseño del Mecanismo de Imán Permanente
Debido a la alta demanda de miniaturización en las unidades de anillo de distribución (RMUs) con aislamiento sólido, los mecanismos de imán permanente tradicionales con interbloqueo trifásico no pueden cumplir con los requisitos generales de miniaturización del equipo. Por lo tanto, el mecanismo de imán permanente diseñado en este contexto adopta una estructura directa independiente trifásica. Cada unidad de cámara de extinción de arco de cada fase se funde integralmente con el cuerpo de fundición del RMU y se conecta al mecanismo de imán permanente a través de un varilla aislante en una configuración lineal. El resorte de contracción de apertura se coloca en el eje de accionamiento de cada mecanismo de imán permanente de cada fase. La estructura general de un solo mecanismo de imán permanente directo se muestra en la Figura 1, y su diagrama esquemático de montaje dentro del RMU con aislamiento sólido se ilustra en la Figura 2.
2.Modelo Matemático del Circuito de Accionamiento del Mecanismo de Imán Permanente
El mecanismo de imán permanente directo diseñado aquí se basa en el principio de un mecanismo de imán permanente de estado único estable. Utiliza un método de accionamiento donde un capacitor cargado descarga para activar el mecanismo de imán permanente. El diagrama del circuito se muestra en la Figura 3, donde C representa el capacitor utilizado para accionar el mecanismo de imán permanente, R denota la resistencia equivalente del bobinado del mecanismo de imán permanente, y L indica la inductancia equivalente del bobinado.
Las características dinámicas del mecanismo de imán permanente de estado único satisfacen el sistema de ecuaciones diferenciales mostrado en la Ecuación (1):
donde i es la corriente de apertura o cierre a través del bobinado (A); uC es el voltaje inicial del capacitor de carga (V); R es la resistencia equivalente del bobinado (Ω); C es la capacitancia del capacitor de carga (F); ψ es el enlace magnético total del sistema electromagnético (Wb); m es la masa equivalente de las partes móviles referida al núcleo móvil (kg); x es el desplazamiento del núcleo móvil (m); v es la velocidad del núcleo móvil (m/s); Fx es la fuerza electromagnética que actúa sobre el núcleo móvil (N); Ff es la fuerza de contracción sobre el núcleo móvil (N). Resolviendo este sistema de ecuaciones se obtienen las características dinámicas del mecanismo de imán permanente.
3.Equivalencia de la Fuerza de Contracción
Las principales fuerzas de contracción en el interruptor de la unidad de anillo de distribución incluyen la presión de contacto de la cámara de extinción de arco y la fuerza del resorte de apertura del mecanismo de imán permanente. Estas fuerzas de contracción se refieren equivalentemente al núcleo móvil del mecanismo de imán permanente. La cámara de arco tiene una distancia de apertura de contacto de 9.5 mm y un recorrido excesivo de 2.5 mm, con un recorrido total del mecanismo de 12 mm. Las fuerzas de contracción del resorte de apertura y del resorte de contacto se miden según el recorrido de movimiento del mecanismo de imán permanente, y se traza la curva de fuerza de contracción basada en datos específicos. Los puntos de equivalencia de la fuerza de contracción detallados se muestran en la Tabla 1.
4.Establecimiento del Modelo de Simulación
Las características dinámicas del mecanismo de imán permanente directo se resuelven utilizando el método de elementos finitos (FEM). El principio básico del FEM es discretizar el dominio de solución continuo en un número finito de elementos interconectados en nodos. Después del análisis individual de los elementos, se realiza un ensamblaje global, se aplican las condiciones de contorno, y la solución final se obtiene mediante cálculos por computadora. En este estudio, se utiliza el software de simulación de elementos finitos Ansoft para establecer el modelo de simulación del mecanismo de imán permanente, y se configuran los parámetros de material de sus componentes. El material del imán permanente se define como NdFe35, y el material del yugo como acero-1010.
A continuación, se asignan los parámetros del bobinado: el voltaje de carga del capacitor es de 110 V, la capacitancia es de 0.047 F, la resistencia DC del bobinado es de 5 Ω, el número de vueltas es de 500, y la inductancia es de 0.0143 H. Dado que el mecanismo de imán permanente directo es de tipo de estado único, la operación de apertura se impulsa por la fuerza del resorte de apertura. Por lo tanto, solo se necesita una pequeña corriente inversa para generar un flujo magnético inverso que cancele el flujo producido por el imán permanente, permitiendo que el mecanismo se abra bajo la fuerza de contracción del resorte. Para reducir el flujo magnético inverso requerido, después de extensas simulaciones y pruebas, se agrega en serie un resistor DC de 5 Ω en el circuito de accionamiento de apertura.
Finalmente, se realiza el modelado superficial y sólido y la malla del mecanismo de imán permanente. Se aplica una malla relativamente densa a los componentes magnéticos clave, como el núcleo móvil, las tapas magnéticas, el yugo y el imán permanente, mientras que se utiliza una malla más gruesa para las partes no magnéticas.
5.Análisis de los Resultados de Simulación y Pruebas Experimentales
Se analizan las características eléctricas y mecánicas del mecanismo de imán permanente directo combinando simulaciones de Ansoft con pruebas de productos reales, centrándose en las características de corriente y recorrido de cierre y apertura. La Figura 5 muestra la curva de corriente de cierre simulada, con una corriente pico de 13.2 A. La Figura 6 muestra la corriente de cierre medida con osciloscopio, con un pico medido de 14.2 A. La Figura 7 presenta la curva de recorrido de cierre simulada, que da una velocidad de cierre (velocidad promedio en los últimos 6 mm antes del cierre del contacto) de 0.8 m/s. La Figura 8 muestra la velocidad de cierre medida con osciloscopio, que es de 0.75 m/s. Los resultados indican que las características mecánicas de cierre del mecanismo de imán permanente directo diseñado para la unidad de anillo de distribución con aislamiento sólido cumplen con los requisitos de los equipos de conmutación, y el error entre los resultados de simulación y experimentales está dentro del rango de diseño aceptable.
6.Conclusión
En este trabajo se diseñó un mecanismo de imán permanente directo para unidades de anillo de distribución con aislamiento sólido. Se analizaron y compararon las corrientes de cierre y apertura y las características de recorrido mecánico del mecanismo utilizando simulación por computadora y pruebas de productos reales. Los resultados muestran que el modelo de simulación de características dinámicas establecido puede servir como base teórica para el diseño práctico del mecanismo de imán permanente. El mecanismo de imán permanente directo es adecuado para su uso en unidades de anillo de distribución con aislamiento sólido, caracterizado por una corriente de accionamiento baja y un excelente rendimiento mecánico, como velocidades de cierre y apertura, cumpliendo plenamente con los requisitos técnicos. También proporciona una base técnica para el futuro desarrollo de interruptores de selección de fase sincrónica de alta tensión.
