中壓真空接觸器分閘速度的分析與研究

石 燦，莊火庚

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200090；2.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

中壓真空接觸器分閘速度的分析與研究

石 燦1，莊火庚2

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200090；2.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

分閘速度是真空接觸器最主要的機(jī)械特性參數(shù)之一。為驗(yàn)證現(xiàn)有接觸器的分閘速度是否滿足接觸器機(jī)械特性要求，在對(duì)接觸器結(jié)構(gòu)以及分閘原理分析的基礎(chǔ)上，利用UG軟件建模，研究計(jì)算了接觸器分閘速度并對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，同時(shí)使用UG模擬出分閘速度曲線，證明出平均分閘速度在接觸器機(jī)械特性要求范圍內(nèi)。

真空接觸器；分閘速度；UG軟件；分閘速度曲線

真空接觸器是觸頭系統(tǒng)采用真空滅弧室的接觸器[1]。中壓真空接觸器是中壓電力系統(tǒng)中不可缺少的重要元器件，用于控制頻繁起動(dòng)的和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的中壓電動(dòng)機(jī)，具有使用壽命長(zhǎng)、分?jǐn)嗨俣瓤?、體積小、操作頻繁等一系列優(yōu)點(diǎn)[2]。

中壓真空接觸器的機(jī)械壽命很長(zhǎng)，每小時(shí)的合、分操作能高達(dá)幾百次甚至一千多次，因此分閘速度是影響真空接觸器開斷能力和壽命的關(guān)鍵之一，其選取至關(guān)重要[3]。在接觸器觸頭的分?jǐn)噙^程中，動(dòng)觸頭與靜觸頭于通電狀態(tài)脫離接觸，當(dāng)它們開始分離，并在兩者之間出現(xiàn)間隙時(shí)，在間隙中會(huì)產(chǎn)生電火花或電弧,接觸器帶載分閘時(shí)，若不能及時(shí)分?jǐn)嘟油娏?則會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)期燃弧，使觸頭燒損,進(jìn)而影響整個(gè)接觸器的工作性能[4]。

1 中壓真空接觸器的基本結(jié)構(gòu)

真空接觸器主要由真空滅弧室、絕緣框架、電磁操縱機(jī)構(gòu)、電源附件和分閘鎖扣機(jī)構(gòu)等及部分組成[5]，采用高、低壓部分上、下布置的結(jié)構(gòu)，通過驅(qū)動(dòng)板旋轉(zhuǎn)傳遞低壓側(cè)的操作能給高壓側(cè)[6]。利用UG建模，其三維模型如圖1所示[7]。

圖1 中壓真空接觸器三維模型圖

此接觸器為機(jī)械保持性接觸器，其操作機(jī)構(gòu)如圖2所示[8]。合閘時(shí)，合閘電磁鐵通電，吸合合閘銜鐵，使磁路閉合，并通過驅(qū)動(dòng)板壓縮主反力彈簧和觸頭彈簧，帶動(dòng)動(dòng)觸頭到達(dá)閉合位置，完成接觸器合閘動(dòng)作。分閘時(shí)，分閘線圈得電[9]，在主反力彈簧的作用下，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)克服真空滅弧室的自閉力，恢復(fù)到休止位置并帶動(dòng)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)，完成接觸器分閘操作[10]。

圖2 真空接觸器操作機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 分閘速度理論計(jì)算

在中壓真空接觸器分閘狀態(tài)時(shí)，應(yīng)滿足的條件是：真空滅弧室的兩個(gè)主反力彈簧的初始?jí)毫δ軌?3個(gè)滅弧室的自閉力之和，能夠維持在分閘位置[11]。考慮強(qiáng)沖擊情況下防止觸頭短時(shí)閉合，兩個(gè)主反力彈簧的初始?jí)毫?yīng)該比較大的>3個(gè)真空滅弧室的自閉力之和[12]。即

2F11>3F3

(1)

在對(duì)分閘速度進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，將分閘過程分為超行程之內(nèi)(即剛分速度之前)和剛分之后兩個(gè)階段[13]。

2.1 超行程之內(nèi)

由于真空滅弧室是水平放置[14]，因此在此階段時(shí)的分閘主動(dòng)力有主反力彈簧力、觸頭彈簧力，阻力是各機(jī)械零件連接處的摩擦力。

(1)觸頭彈簧力做功。觸頭彈簧有3個(gè)，其做得總功為

(2)

式中，超行程量X=Δx22-Δx21；F22為觸頭彈簧的終壓力(閉合狀態(tài))；K2為觸頭彈簧的剛度系數(shù)；Δx22為觸頭彈簧的終壓縮量；Δx21觸頭彈簧的初始?jí)嚎s量；

(2)分閘反力彈簧做功。因?yàn)榉珠l彈簧有兩個(gè)，因此其做得總功為

(3)

(3)摩擦阻力功。在工程實(shí)際中用機(jī)械效率η來等效，η一般取0.6～1。由于該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是直動(dòng)式，因此機(jī)械傳動(dòng)零件很少，機(jī)械動(dòng)力傳遞過程中的損失很小，所以此處效率值可取η=0.9以上。

在動(dòng)觸頭超行程內(nèi)，觸頭彈簧和主反力彈簧釋放的能量用于給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)加速。所以有

(4)

式中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=m0r2；ω為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角速度；m0為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量；r為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)半徑；

(4)剛分速度的計(jì)算。在碰撞的瞬間，對(duì)轉(zhuǎn)軸的動(dòng)量矩守恒

Jω1=Jω2+mvl2

(5)

式中，動(dòng)觸頭的剛分速度v=ω2l2；ω1為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)碰撞前的角速度；ω2為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)碰撞后的角速度。

2.2 動(dòng)觸頭剛分之后

在該階段，分閘的動(dòng)力僅為主反力彈簧，觸頭彈簧不再發(fā)生形變。阻力為機(jī)械摩擦力和觸頭的自閉力。

(1)主反力彈簧做功

(6)

式中，Δx11為主反力彈簧的初始?jí)嚎s量。

(2)觸頭的自閉力做功

(7)

主反力彈簧釋放的能量用于給動(dòng)觸頭和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)加速運(yùn)動(dòng)。因此利用能量方程得

(8)

式中，v3=ω3L2；v2=ω2l2?？梢郧蠼獬靓?和v3。

將上述公式離散求解后，可以繪制出分閘的速度曲線，可以進(jìn)一步求解出分閘全過程的平均分閘速度，即

(9)

3 設(shè)計(jì)校核

3.1 校核接觸器分閘狀態(tài)應(yīng)滿足的條件

根據(jù)上述理論分析，要先計(jì)算出超行程之內(nèi)和剛分之后兩個(gè)階段的做功情況，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算接觸器的平均分閘速度。

根據(jù)實(shí)際的接觸器參數(shù)可得2F1=2×174=384 N,3F3=3×95=285 N。滿足2F11>3F3，能夠看出接觸器的動(dòng)作部分可以停在分閘位置。

3.2 校核分閘速度

利用上述分閘理論計(jì)算和實(shí)際的接觸器參數(shù)，可以計(jì)算獲得如圖3所示的分閘速度曲線。

圖3 分閘速度理論計(jì)算曲線

剛分速度為0.83 m/s,全程平均分閘速度為0.9 m/s∈0.7±0.3 m/s,在所要求的范圍內(nèi)。圖4顯示的是使用UG軟件模擬的分閘速度曲線，剛分速度為0.65 m/s，平均分閘速度為1 m/s。

圖4 UG模擬的分閘速度曲線

其誤差主要是由于UG軟件模擬時(shí)，碰撞系數(shù)的設(shè)置以及理論計(jì)算中能量耗散系數(shù)的設(shè)置所造成的,

但結(jié)果都在所要求的范圍內(nèi)[15]。

4 結(jié)束語(yǔ)

分閘速度是中壓真空接觸器最主要的機(jī)械特性參數(shù)之一，分閘速度能否達(dá)到要求，是影響真空接觸器電性能指標(biāo)的關(guān)鍵。本文以中壓真空接觸器為基礎(chǔ)，通過建模，對(duì)接觸器的分閘原理以及分閘速度進(jìn)行了分析、理論計(jì)算和校核，并且用UG模擬出分閘速度曲線，給出誤差原因分析，表明真空接觸器的分閘速度符合要求。

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Analysis of and Research on the Opening Speed of the Medium Voltage Vacuum Contactor

SHI Can1, ZHUANG Huogeng2

(1.School of Optical-Electronic and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute Co, Ltd, Shanghai 200063, China )

Closing speed is one of the most important mechanical characteristics of the vacuum contactor. In order to verify whether the opening speed of the existing contactor meets the requirements of the mechanical properties of the contactor, the paper uses the UG software to build a model to calculate the contactor opening speed and check the actual design. The UG software is also used to simulate the opening speed curve, indicating that the average opening speed is within the requirements of the contactor mechanical characteristics.

vacuum contactor; opening speed; UG software; opening speed curve

2016- 10- 08

石燦(1990-)，女，碩士研究生。研究方向：直流接觸器的動(dòng)態(tài)特性。莊火庚(1962-)，男，教授。研究方向：電機(jī)與電器。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.022

TM572

A

1007-7820(2017)02-084-03