Deseño e simulación de mecanismos de imán permanente de acción directa para RMUs con aislamento sólido

1. Diseño do mecanismo de imán permanente

Debido á alta demanda de miniaturización nas unidades de anel principal (RMUs) de aislamento sólido, os mecanismos tradicionais de imán permanente con interbloqueo trifásico non poden satisfacer os requisitos xerais de miniaturización do equipo. Polo tanto, o mecanismo de imán permanente deseñado neste contexto adopta unha estrutura directa independente trifásica. A unidade de cámara de extinción de arco de cada fase está fundida integralmente co corpo de fundición da RMU e conectada ao mecanismo de imán permanente mediante unha barra aislante en configuración linear. A molla de contracción de apertura está situada no eixo de tracción de cada mecanismo de imán permanente trifásico. A estrutura global dun único mecanismo directo de imán permanente amósase na Figura 1, e o seu diagrama esquemático de montaxe dentro da RMU de aislamento sólido ilustrase na Figura 2.

2. Modelo matemático do circuito de tracción do mecanismo de imán permanente

O mecanismo directo de imán permanente deseñado aquí basease no principio do mecanismo de imán permanente de estado único estable. Emprega un método de tracción onde un condensador cargado descarga para actuar sobre o mecanismo de imán permanente. O diagrama de circuito amósase na Figura 3, onde C representa o condensador usado para tracción do mecanismo de imán permanente, R denota a resistencia equivalente do bobinado do mecanismo de imán permanente, e L indica a inductancia equivalente do bobinado.

As características dinámicas do mecanismo de imán permanente de estado único satisfacen o sistema de ecuacións diferenciais mostrado na Ecuación (1):

onde i é a corrente de apertura ou cierre que pasa polo bobinado (A); u_C é o voltaxe inicial do condensador de carga (V); R é a resistencia equivalente do bobinado (Ω); C é a capacitancia do condensador de carga (F); ψ é o fluxo magnético total do sistema electromagnético (Wb); m é a masa equivalente das partes móbeis referidas ao núcleo móbil (kg); x é o desprazamento do núcleo móbil (m); v é a velocidade do núcleo móbil (m/s); F_x é a forza electromagnética que actúa sobre o núcleo móbil (N); F_f é a forza de contracción sobre o núcleo móbil (N). Resolver este sistema de ecuacións proporciona as características dinámicas do mecanismo de imán permanente.

3. Equivalencia de forzas de contracción

As principais forzas de contracción no interruptor da unidade de anel principal inclúen a presión de contacto da cámara de extinción de arco e a forza da molla de apertura do mecanismo de imán permanente. Estas forzas de contracción son equivalentemente referidas ao núcleo móbil do mecanismo de imán permanente. A cámara de arco ten unha distancia de apertura de contacto de 9,5 mm e un sobrepaso de 2,5 mm, cun recorrido total do mecanismo de 12 mm. As forzas de contracción da molla de apertura e da molla de contacto midense segundo o recorrido de movemento do mecanismo de imán permanente, e a curva de forza de contracción trázase baseada en datos específicos. Os puntos de equivalencia de forzas de contracción detállanse na Táboa 1.

4. Estabelecemento do modelo de simulación

As características dinámicas do mecanismo directo de imán permanente resólvense usando o método de elementos finitos (FEM). O principio básico do FEM é discretizar o dominio de solución continuo nun número finito de elementos interconectados en nodos. Despois do análise individual dos elementos, realiza-se un ensamblaxe global, aplican-se as condicións de contorno, e obtense a solución final mediante cálculo informático. Neste estudo, usa-se o software de simulación de elementos finitos Ansoft para establecer o modelo de simulación do mecanismo de imán permanente, e defínense os parámetros de material dos seus compoñentes. O material do imán permanente defineuse como NdFe35, e o material do yugo como acero-1010.

A continuación, asignanse os parámetros do bobinado: o voltaxe de carga do condensador é de 110 V, a capacitancia é de 0,047 F, a resistencia DC do bobinado é de 5 Ω, o número de voltas é de 500, e a inductancia é de 0,0143 H. Como o mecanismo directo de imán permanente é de tipo de estado único, a operación de apertura impúlsase pola forza da molla de apertura. Polo tanto, só se necesita unha pequena corrente inversa para xerar un fluxo magnético inverso que cancele o fluxo producido polo imán permanente, permitindo que o mecanismo abra baixo a forza de contracción da molla. Para reducir o fluxo magnético inverso necesario, despois de extensas simulacións e probas, engádese un resistor DC de 5 Ω en serie no circuito de tracción de apertura.

Finalmente, realiza-se modelado de superficie e sólido e mallado do mecanismo de imán permanente. Aplicase un mallado relativamente denso a compoñentes magnéticos clave como o núcleo móbil, as tapas magnéticas, o yugo e o imán permanente, mentres que usa-se un mallado máis grueso para as partes non magnéticas.

5. Análise dos resultados de simulación e experimentos

As características eléctricas e mecánicas do mecanismo directo de imán permanente analízanse combinando simulacións Ansoft con probas de produtos reais, centrándose nas características de corrente e recorrido de cierre e apertura. A Figura 5 amosa a curva simulada de corrente de cierre, cunha corrente máxima de 13,2 A. A Figura 6 amosa a corrente de cierre medida co osciloscopio, con unha corrente máxima medida de 14,2 A. A Figura 7 presenta a curva simulada de recorrido de cierre, dando unha velocidade de cierre (velocidade media nos últimos 6 mm antes do cierre de contacto) de 0,8 m/s. A Figura 8 amosa a velocidade de cierre medida co osciloscopio, que é de 0,75 m/s. Os resultados indican que as características mecánicas de cierre do mecanismo directo de imán permanente deseñado para a unidade de anel principal de aislamento sólido cumprir as rexulacións dos equipos de manobra, e o erro entre os resultados de simulación e experimentos está dentro do rango de deseño aceptable.

6. Conclusión

Este artigo deseñou un mecanismo directo de imán permanente para unidades de anel principal de aislamento sólido. As correntes de cierre e apertura e as características de recorrido mecánico do mecanismo analízanse e comparan usando simulación informática e probas de produtos reais. Os resultados amosan que o modelo de simulación de características dinámicas establecido pode servir como base teórica para o deseño práctico do mecanismo de imán permanente. O mecanismo directo de imán permanente é axeitado para uso en unidades de anel principal de aislamento sólido, caracterizándose por unha corrente de tracción baixa e un excelente rendemento mecánico, como as velocidades de cierre e apertura, cumpriendo totalmente os requisitos técnicos. Tamén proporciona unha base técnica para o desenvolvemento futuro de interruptores de selección de fases síncronos de alta tensión.