Электродинамический расчет магнитного выключателя

21/09/2017

Вы когда-нибудь подключали слишком много устройств в электрическую сеть? Если да, то это могло привести к перегрузке и повреждению некоторых её компонентов. Во избежание такой ситуации, во многих домах используются автоматические выключатели. Они размыкают цепь при достижении критического тока. Есть также другие типы автоматических выключателей, которые предотвращают ситуации с перенапряжением, например, в городских линиях электропередач. В данной заметке мы расскажем об использовании моделирования для исследования одного из видов промышленных автоматических выключателей, рассчитанных на интенсивную работу. Речь пойдет о магнитном силовом выключателе.

Автоматические выключатели повышают безопасность электрических систем

В жилых домах мощность обычно распределяется между потребителями, подключёнными к общему щитку. Если слишком много устройств подключено к одной электросети, может возникнуть перегрузка. Другие аварийные режимы, например протекание сверхтоков, также могут серьёзно повредить важные дорогостоящие части системы, приводя и необходимости их ремонта и создавая опасность пожара.

Автоматические выключатели (АВ) и предохранители помогают предотвратить такие ситуации. Давайте подробнее остановимся на АВ. При возникновении аварийного режима они срабатывают и отключают ток, перемещая якорь (подвижную часть магнитопровода). В отличие от предохранителей, автоматические выключатели не нужно заменять после каждого срабатывания, их достаточно просто вернуть в исходное состояние (сделать reset). Это обстоятельство является весомым преимуществом при выборе АВ.

Изображение панели автоматического выключателя в жилом здании.
Панель автоматического выключателя.

Автоматические выключатели можно классифицировать по следующим критериям:

  • Тип конструкции
  • Номинальное напряжение
  • Структура
  • Типы размыкания цепей

До этого момента мы говорили только о выключателях, которые находят бытовое применение. Однако выключатели различных конструкций защищают электрические контуры с гораздо большими токами, чем в жилых домах. Они используются, к примеру, в линиях электропередач, на заводах и фабриках. В данной заметке мы проведем анализ одного из таких типов промышленных АВ: магнитного силового выключателя. В данном электромеханическом устройстве якорь перемещается под действием магнитного поля, создаваемого протекающим в катушке током. При выключении тока переключатель становится в исходное положение.

Высокоточное моделирование магнитного силового выключателя с использованием функционала модуля AC/DC

Основные задачи рассматриваемой учебной модели магнитного силового выключателя заключаются в:

  1. Демонстрации техники моделирования устрйоств такого типа
  2. Изучении принципов работы и рабочих характеристик автоматического выключателя

Геометрию модели можно создать, используя встроенные в программное обеспечение COMSOL Multiphysics® CAD-инструменты. Также можно использовать готовые параметризованные CAD-заготовки (Geometry Parts) для более гибкой и удобной отрисовки. В следствие симметрии модели можно использовать только 1/4 её часть. Для расчёта электромагнитных полей необходимо добавить воздушную область вокруг самого устройства.

Геометрия силового магнитного выключателя.
Геометрия магнитного силового выключателя.

Геометрия состоит из двух Ш-образных (E-shaped) магнитопроводов, которые разделены воздушным зазором. Нижняя часть (сердечник) неподвижна, а подвижная верхняя (якорь или плунжер) удерживается в начальном положении преднапряженной (возвратной) пружиной. При протекании тока по медной катушке, которая намотана на центральный стержень сердечника, на якорь действует электромагнитная сила притяжения. Для расчета этой силы в модели можно воспользоваться узлом Force Calculation (Расчет силы). Затем рассчитанную величину можно использовать в обыкновенном дифференциальном уравнении (ОДУ) для описания динамики якоря на основе ньютоновской механики.

В конечном счёте сила достигает порогового значения и якорь притягивается к сердечнику. Время срабатывания зависит от жёсткости пружины. В данной модели помимо жесткости, также учитываются и задаются ограничения, которые позволяют эффективно описать удержание якоря в положении равновесия.

Для моделирования динамики изменения зазора можно использовать физические интерфейсы Magnetic Fields (Магнитные поля) и Moving Mesh (Подвижная сетка). С помощью такой комбинации можно рассчитать магнитные поля в изменяющейся со временем геометрии.

 

Анимация движения якоря в магнитном силовом выключателе.

В модели можно рассчитывать движение и время срабатывания с учётом магнитных сил и индуцированных токов.

Давайте, как раз перейдем к рассмотрению результатов расчета динамики движения магнитного силового выключателя, который представляется абсолютно твердым (rigid) телом.

Расчёт динамики магнитного силового выключателя во временной области

Основное исследование в модели — это нестационарный расчет во временной области от t = 0 с до t = 1 с, при этом его можно можно разбить на несколько диапазонов. Ток увеличивается в первые 45 мс. В течении этого времени якорь не двигается с места, так как электромагнитная сила притяжения меньше, чем возвратная сила пружины. В диапазоне времени 45 — 85 мс электромагнитная сила становится больше, и якорь начинает движение вниз к сердечнику.

Во время движения ток начинает уменьшаться в следствие изменения индуктивности. Когда якорь притягивается к сердечнику, а зазор замыкается, индуктивность минимальна. Далее, так как контакт между сердечником и якорем создаёт новую стационарную RL-цепь, ток начинает снова возрастать. Крутизна этого роста зависит от ещё одного характерного времени.

Норма магнитной индукции в момент времени t=0.05 c.
Норма магнитной индукции в момент времени t=0.1 c.

Распределение нормы магнитной индукции при открытом воздушном зазоре t = 0.05 с (слева) и закрытом зазоре t = 0.1 с (справа). Индуцированные вихревые токи, которые мы видим на изображении, экранируют внутреннюю часть сердечника от магнитного поля. Для качественного разрешения скин-эффекта (в частности на визуализации) рекомендуется использовать подгранслойную сетку с характерным размером, соответствующим толщине поверхностного скин-слоя.

Результаты расчета показывают изменение плотности тока и магнитной индукции с течением времени. Как показано ниже, пружина максимально сжимается при t = 0.1 с (снизу слева). Обратите внимание, что индуцированные токи в сердечнике при t = 0.5 с (справа снизу) затухают задолго до окончания расчёта.

Графики в COMSOL с результатами электродинамического расчета магнитного силового выключателя.
Графики плотности тока (поверхностный график) и магнитной индукции (линии тока) в модели магнитного силового выключателя. Анализировались случаи, когда пружина находится в преднапряженном состоянии (сверху слева), когда она начинается сжиматься (сверху справа), когда она достигает максимального сжатия (снизу слева), и когда она полностью сжата, а индуцированные токи в сердечнике достигают минимального значения (справа снизу).

Также можно рассчитать потери в сердечнике, вызванные индуцированными токами. Это полезно при исследовании потенциального нагрева устройства, что является важным аспектом при проектировании АВ.

Модель в COMSOL для изучения перегрева магнитного силового выключателя.
Потери в сердечнике, вызванные индуцированными токами, при t = 50, 100, and 200 мс.

Для наглядного изучения работы АВ в динамике удобно использовать следующие одномерные графики. Посмотрим на начальный диапазон до начала движения якоря. В это время пружина не сжата, а зазор остаётся неизменным (показан на графике зелёной линией). Мы видим, что нормированный ток (синяя линия) практически совпадает с откликом идеальной системы (красная линия).

Одномерный график с характеристиками силового магнитного выключателя перед срабатыванием.
Графики зависимостей нормированного тока, величины зазора и идеального отклика системы от времени.

Расширим диапазон и посмотрим на динамику системы во время движения якоря. На графике ниже изображена механическая мощность (красная линия), которая отлична от нуля только во время движения якоря. Когда зазор становится равным нулю, механическая мощность снова становится равной нулю.

Одномерный график с характеристиками силового магнитного выключателя в процессе срабатывания.
Графики зависимостей механической мощности, величины зазора и нормированного тока от времени.

Давайте теперь проанализируем потери на индукционные токи в сердечнике (красная линия на графике ниже) в течении всего расчетного времени. Эти потери довольно велики при движении якоря. Этот фактор очень важен при проектировании устройства в зависимости от предполагаемых рабочих характеристик. Когда якорь прекращает движение, нормированный ток снова начинает увеличиваться. Это ожидаемо для нелинейной RL-цепи.

Одномерный график с характеристикам силового магнитного выключателя (весь расчетный диапазон).
Графики зависимостей потерь на вихревые токи, величины зазора и нормированного тока от времени.

Моделирование может быть полезным инструментом при изучении автоматических выключателей, таких как магнитный силовой выключатель. Используя данную модель в качестве референса, вы можете начать проектировать магнитные силовые выключатели. Скачайте учебную модель для самостоятельно ознакомления.


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ