[發(fā)明專利]一種接觸器觸頭系統(tǒng)帶載多物理場耦合仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810274837.3
• 申請日: 2018-03-30
• 公開（公告）號: CN108416169B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許志紅;唐昭暉;范俊
• 申請（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 福州元?jiǎng)?chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊

本發(fā)明涉及一種接觸器觸頭系統(tǒng)帶載多物理場耦合仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，包括：電弧計(jì)算模塊、電磁場?動(dòng)力學(xué)?聲學(xué)求解模塊、電磁場?溫度場求解模塊、分級設(shè)計(jì)模塊、圖形用戶界面模塊。本發(fā)明提供的一種接觸器觸頭系統(tǒng)帶載多物理場耦合仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提供了一種考慮觸頭系統(tǒng)帶負(fù)載吸合過程、吸持階段、分?jǐn)噙^程的全過程三維虛擬樣機(jī)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以解決目前業(yè)界在接觸器仿真技術(shù)上觸頭系統(tǒng)帶載存在的困難，以及接觸器設(shè)計(jì)上多場耦合的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種接觸器觸頭系統(tǒng)帶載多物理場耦合仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

接觸器是電氣工程領(lǐng)域中量大面廣的器件，在工業(yè)控制和電力網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要的作用。相對于功率開關(guān)管等電力電子器件，接觸器以其高電壓低成本的優(yōu)勢在負(fù)載變化相對平緩的中高壓電網(wǎng)穩(wěn)定性控制中發(fā)揮著重要作用。同時(shí)，許多電廠還將接觸器和熔斷器串聯(lián)使用，在動(dòng)作次數(shù)多、小負(fù)載的場合下代替斷路器。

接觸器由電磁系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和緩沖部件構(gòu)成。電磁系統(tǒng)是電磁開關(guān)的感測機(jī)構(gòu)，其工作過程是將電能轉(zhuǎn)化為磁能，再將磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，由鐵磁部分運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)開關(guān)執(zhí)行部件——觸頭系統(tǒng)的動(dòng)作。接觸器運(yùn)行中存在著電、磁、光、熱、力等非線性能量轉(zhuǎn)換，這些能量隨著時(shí)間、氣隙的變化而產(chǎn)生變化，形成一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程。當(dāng)接觸器用于AC3使用類別（接通6倍額定電流、斷開額定電流）和AC4使用類別（接通6倍額定電流、斷開6倍額定電流）的情況時(shí)，接通過程觸頭彈跳引起的電弧和分?jǐn)噙^程產(chǎn)生的觸頭間電弧，將嚴(yán)重?zé)龘p觸頭系統(tǒng)。同時(shí)，接觸器在帶載吸合、分?jǐn)噙^程中可能導(dǎo)致涌流沖擊，會(huì)對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成安全隱患。此外，接觸器接通、分?jǐn)噙^程中的電弧可能會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，影響電路的工作。因此，工業(yè)上對接觸器帶負(fù)載工作全過程的研究越發(fā)重視。

目前對交流接觸器數(shù)值仿真的相關(guān)研究在機(jī)械、電磁、溫升等方面都有涉及，但是觸頭帶載情況下的接觸器吸合、分?jǐn)噙\(yùn)動(dòng)過程的仿真還存在較大的困難。

首先是在處理接觸器的運(yùn)動(dòng)軌跡和電弧的耦合情況上。目前電弧的研究方法主要有黑盒模型和磁流體動(dòng)力學(xué)模型兩種方法。黑盒模型計(jì)算誤差較大、參數(shù)確定困難；而磁流體動(dòng)力學(xué)占用計(jì)算資源大、計(jì)算速度慢、計(jì)算效率低，難以與接觸器的運(yùn)動(dòng)過程耦合。

其次，目前的研究多只是關(guān)注單一的物理場或者某一兩個(gè)物理場的聯(lián)合仿真，對于不同場域的仿真則需要重新建模，操作復(fù)雜，時(shí)間成本高，難以做到真正的多物理場耦合。而單物理場仿真無法真實(shí)反映接觸器的工作情況。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種接觸器觸頭系統(tǒng)帶載多物理場耦合仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種接觸器觸頭系統(tǒng)帶載多物理場耦合仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，包括：

電弧計(jì)算模塊，根據(jù)電弧軌跡數(shù)據(jù)庫，基于電弧實(shí)驗(yàn)和電弧磁流體仿真數(shù)據(jù)，通過深度BP-Adaboost神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，建立不同燃弧環(huán)境下開關(guān)電弧的燃燒過程中耗散能量、燃弧時(shí)間與主回路電壓軌跡、電流軌跡、觸頭運(yùn)動(dòng)軌跡之間的非線性關(guān)系，并將結(jié)果作為電弧等效模型的參數(shù)，構(gòu)建開關(guān)電弧動(dòng)態(tài)模型；

電磁場-動(dòng)力學(xué)-聲學(xué)求解模塊，基于電磁有限元、多體動(dòng)力學(xué)和振動(dòng)噪聲的有限譜元法，通過基于電磁有限元軟件建立的電磁場求解器和基于多體動(dòng)力學(xué)軟件建立的動(dòng)力學(xué)求解器之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互接口，將接觸器在吸合過程、吸持階段和分?jǐn)噙^程中的電磁場與接觸器機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程、電磁場與接觸器機(jī)構(gòu)的機(jī)械振動(dòng)在時(shí)域上進(jìn)行耦合；對電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行柔性化處理，獲取電磁機(jī)構(gòu)吸持狀態(tài)下的機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)，建立動(dòng)力學(xué)求解器和聲學(xué)求解器之間的數(shù)據(jù)交換接口，對接觸器吸持狀態(tài)下振動(dòng)噪聲進(jìn)行分析；

電磁場-溫度場求解模塊，基于電磁有限元和熱傳導(dǎo)，通過電磁場求解器獲取所得的電阻損耗、渦流損耗和溫度場求解器的熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射方程之間的相互耦合，以及接觸器在帶負(fù)載吸持情況下電磁系統(tǒng)、線圈、觸頭系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的溫度場分布情況；