Thiết kế và Mô phỏng Cơ cấu Từ vĩnh cửu Tác động Trực tiếp cho RMUs Cách điện Rắn

1.Thiết kế Cơ chế Nam châm Vĩnh cửu

Do nhu cầu cao về việc thu nhỏ thiết bị trong các tủ phân phối vòng (RMU) cách điện rắn, cơ chế nam châm vĩnh cửu truyền thống với khóa ba pha không thể đáp ứng yêu cầu tổng thể về thu nhỏ thiết bị. Do đó, cơ chế nam châm vĩnh cửu được thiết kế trong bối cảnh này sử dụng cấu trúc trực tiếp độc lập ba pha. Đơn vị buồng dập hồ quang của mỗi pha được đúc nguyên khối với thân đúc của RMU và kết nối với cơ chế nam châm vĩnh cửu thông qua thanh cách điện theo cấu hình tuyến tính. Lò xo phản lực mở được đặt trên trục dẫn động của cơ chế nam châm vĩnh cửu của mỗi pha. Cấu trúc tổng thể của một cơ chế nam châm vĩnh cửu trực tiếp đơn lẻ được hiển thị trong Hình 1, và sơ đồ lắp ráp của nó trong RMU cách điện rắn được minh họa trong Hình 2.

2.Mô hình Toán học của Đường Dẫn Điện cho Cơ chế Nam châm Vĩnh cửu

Cơ chế nam châm vĩnh cửu trực tiếp được thiết kế ở đây dựa trên nguyên tắc của cơ chế nam châm vĩnh cửu trạng thái ổn định duy nhất. Nó sử dụng phương pháp điều khiển bằng cách xả điện từ tụ điện để kích hoạt cơ chế nam châm vĩnh cửu. Sơ đồ mạch được hiển thị trong Hình 3, trong đó C đại diện cho tụ điện dùng để điều khiển cơ chế nam châm vĩnh cửu, R biểu thị điện trở tương đương của cuộn dây cơ chế nam châm vĩnh cửu, và L chỉ cảm kháng tương đương của cuộn dây.

Đặc tính động của cơ chế nam châm vĩnh cửu trạng thái ổn định duy nhất thỏa mãn hệ phương trình vi phân được hiển thị trong Phương trình (1):

trong đó i là dòng điện đóng hoặc mở đi qua cuộn dây (A); u_C là điện áp ban đầu của tụ điện sạc (V); R là điện trở tương đương của cuộn dây (Ω); C là điện dung của tụ điện sạc (F); ψ là liên kết từ thông tổng cộng của hệ thống điện từ (Wb); m là khối lượng tương đương của các bộ phận di chuyển tham chiếu đến lõi di chuyển (kg); x là vị trí dịch chuyển của lõi di chuyển (m); v là vận tốc của lõi di chuyển (m/s); F_x là lực điện từ tác dụng lên lõi di chuyển (N); F_f là lực phản hồi tác dụng lên lõi di chuyển (N). Giải hệ phương trình này sẽ cho đặc tính động của cơ chế nam châm vĩnh cửu.

3.Tương đương Lực Phản hồi

Các lực phản hồi chính trong máy cắt của tủ phân phối vòng bao gồm áp lực tiếp xúc của buồng dập hồ quang và lực lò xo mở của cơ chế nam châm vĩnh cửu. Các lực phản hồi này được tham chiếu tương đương đến lõi di chuyển của cơ chế nam châm vĩnh cửu. Buồng dập hồ quang có khoảng cách mở tiếp xúc là 9,5 mm và hành trình vượt quá là 2,5 mm, với hành trình tổng cộng của cơ chế là 12 mm. Lực phản hồi của lò xo mở và lò xo tiếp xúc được đo theo hành trình di chuyển của cơ chế nam châm vĩnh cửu, và đường cong lực phản hồi được vẽ dựa trên dữ liệu cụ thể. Các điểm tương đương lực phản hồi chi tiết được hiển thị trong Bảng 1.

4 Xây dựng Mô hình Mô phỏng

Đặc tính động của cơ chế nam châm vĩnh cửu trực tiếp được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Nguyên lý cơ bản của FEM là rời rạc hóa miền giải pháp liên tục thành một số hữu hạn các phần tử được kết nối tại các nút. Sau khi phân tích từng phần tử riêng lẻ, thực hiện lắp ráp toàn cục, áp dụng điều kiện biên, và cuối cùng giải quyết bằng máy tính. Trong nghiên cứu này, phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn Ansoft được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng của cơ chế nam châm vĩnh cửu, và các thông số vật liệu của các thành phần được thiết lập. Vật liệu nam châm vĩnh cửu được định nghĩa là NdFe35, và vật liệu yoke là thép-1010.

Tiếp theo, các thông số cuộn dây được gán: điện áp sạc của tụ điện là 110 V, điện dung là 0,047 F, điện trở DC của cuộn dây là 5 Ω, số vòng quấn là 500, và cảm kháng là 0,0143 H. Do cơ chế nam châm vĩnh cửu trực tiếp là loại trạng thái ổn định duy nhất, thao tác mở được điều khiển bởi lực lò xo mở. Do đó, chỉ cần một dòng điện ngược nhỏ để tạo ra từ thông ngược để hủy bỏ từ thông do nam châm vĩnh cửu tạo ra, cho phép cơ chế mở dưới lực phản hồi của lò xo. Để giảm từ thông ngược cần thiết, sau nhiều lần mô phỏng và thử nghiệm, một điện trở DC 5 Ω được thêm vào chuỗi trong mạch điều khiển mở.

Cuối cùng, mô hình bề mặt và rắn được thực hiện trên cơ chế nam châm vĩnh cửu. Một lưới tương đối dày được áp dụng cho các thành phần từ chính như lõi di chuyển, nắp từ, yoke, và nam châm vĩnh cửu, trong khi lưới thưa hơn được sử dụng cho các phần không từ.

5 Phân tích Kết quả Mô phỏng và Thí nghiệm

Các đặc tính điện và cơ khí của cơ chế nam châm vĩnh cửu trực tiếp được phân tích bằng cách kết hợp mô phỏng Ansoft với các thử nghiệm sản phẩm thực tế, tập trung vào các đặc tính dòng điện đóng và mở và hành trình. Hình 5 hiển thị đường cong dòng điện đóng mô phỏng, với dòng điện đỉnh là 13,2 A. Hình 6 hiển thị dòng điện đóng đo bằng oscilloscope, với dòng điện đỉnh đo được là 14,2 A. Hình 7 hiển thị đường cong hành trình đóng mô phỏng, cho tốc độ đóng (tốc độ trung bình trong 6 mm cuối trước khi tiếp xúc đóng) là 0,8 m/s. Hình 8 hiển thị tốc độ đóng đo bằng oscilloscope, là 0,75 m/s. Kết quả cho thấy các đặc tính cơ khí đóng của cơ chế nam châm vĩnh cửu trực tiếp được thiết kế cho tủ phân phối vòng cách điện rắn đáp ứng yêu cầu của thiết bị đóng cắt, và sai số giữa kết quả mô phỏng và thí nghiệm nằm trong phạm vi thiết kế chấp nhận được.

6 Kết luận

Bài viết này đã thiết kế một cơ chế nam châm vĩnh cửu trực tiếp cho tủ phân phối vòng cách điện rắn. Các đặc tính dòng điện đóng và mở và hành trình cơ khí của cơ chế đã được phân tích và so sánh bằng mô phỏng máy tính và thử nghiệm sản phẩm thực tế. Kết quả cho thấy mô hình mô phỏng đặc tính động được thiết lập có thể làm cơ sở lý thuyết cho thiết kế cơ chế nam châm vĩnh cửu thực tế. Cơ chế nam châm vĩnh cửu trực tiếp rất phù hợp để sử dụng trong tủ phân phối vòng cách điện rắn, với dòng điện điều khiển thấp và hiệu suất cơ khí xuất sắc như tốc độ đóng và mở, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Nó cũng cung cấp nền tảng kỹ thuật cho sự phát triển tương lai của công tắc chọn pha đồng bộ điện áp cao.