高压直流大功率继电器触头动熔焊现象研究

摘要

统计表明接触系统失效是电磁继电器最主要的失效模式，而接触系统失效中60％以上为触头粘接失效。导致触头粘接失效的主要原因是继电器闭合过程中触头发生机械回跳从而引起“液桥回跳”和“电弧回跳”，伴随回跳过程中产生的高温，动、静触头材料出现局部熔化区域。熔化区域在最终稳定闭合时会重新凝固而发生熔焊。当继电器触头需要再次分断时，如果电磁系统提供的电磁力小于熔焊力，继电器无法正常分断，即发生动熔焊。因此，本文针对继电器触头动熔焊机理和熔焊力展开仿真分析与实验研究，提出熔焊力数值预计方法，获得触头分合过程中不同因素对熔焊力的影响规律。
　　熔焊区域的体积是进行熔焊力数值预计的前提，因此，需要确定特定的电弧电压与电流条件下，电弧回跳引起的动熔焊区域体积。根据磁流体动力学理论(MHD)建立回跳电弧电、热作用下阴极触头与阳极触头表面熔池形成过程的数学模型，并利用FLUENT软件建立相应的仿真模型。通过模型求解，得到热力学平衡条件下熔池最终尺寸与体积，该熔池最终体积即为熔焊区域的体积。
　　然后，利用Marc有限元软件建立基于固体力学理论的触头熔焊力仿真模型，计算得到触头熔焊力预计值。首先，根据熔焊区域体积和尺寸建立熔焊区域几何模型，设置触头材料的密度、杨氏模型以及屈服强度等物理属性，确定动熔焊区域的固定约束与加载条件。然后，采用网格自动重分和自适应技术相结合的动网格技术实现熔焊区域拉断过程中的形变模拟。最后，基于完全牛顿-拉夫逊迭代算法和Von Mises屈服准则得到熔焊区域拉断时应力，根据拉断应力确定动熔焊力的预计值。基于该模型研究动熔焊区域体积变化，熔焊区域体积恒定但形状变化，以及熔焊区域形状不变但屈服强度改变等三种情况下熔焊力预计值的变化规律。利用该规律解释了某型号产品热处理不完全导致的熔焊失效问题。
　　根据触头动熔焊力的时域特征设计并开发熔焊力测试系统、分析算法及程序。该系统采用响应快且耐高温的压电式动态力传感器直接安装于静触头后测试熔焊力；采用电荷—电压转换电路进行力信号调理与放大；采用高速 A/D板卡记录熔焊力的动态波形。为了研究动熔焊力与触头动态特性及回跳特性之间的关系，系统采用高精度激光位移传感器测试动触头运动及回跳过程，采用高速 A/D板卡记录动触头的“位移—时间”关系。最后，进行整体机械装置优化以保证系统的绝缘性以及力学稳定性。
　　最后，利用该实验系统研究触头开距、磁吹强度以及触头分断速度等分断参数对于触头动熔焊力的影响规律。通过控制触头开距、磁吹强度以及分断速度三个因素单独变化，研究各因素对熔焊力分布的影响规律。采用正交实验方法设计三因素三水平实验方案，研究给出三种因素对熔焊力影响显著度顺序，为高压直流继电器进行抗熔焊失效设计提供依据。
　　本文所建立的熔焊力预计模型及方法，以及通过实验得到的各种因素对熔焊力的影响规律等，可用于指导继电器产品抗熔焊设计，对提高继电器可靠寿命有一定的实用价值。

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目录

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 回跳电弧作用下触头熔池特性仿真及熔化体积计算分析

2.1 引言

2.2 回跳电弧作用下触头熔池仿真模型的建立

2.3 仿真结果及分析

2.4 本章小结

第3章 触头动熔焊力预计及其特性的研究

3.1 引言

3.2 熔焊区域弹塑性变形过程的应力计算模型

3.3 触头熔焊区域仿真模型建立

3.4 继电器触头熔焊力仿真结果与分析

3.5 实际电弧回跳条件下熔焊力预计结果

3.6 本章小结

第4章 高压直流大功率继电器触头熔焊力测试系统

4.1 引言

4.2 熔焊力测试系统总体设计

4.3 熔焊力采集模块设计

4.4 回跳特性测试模块设计

4.5 整体机械结构优化设计

4.6 本章小结

第5章 高压直流大功率继电器触头熔焊力实验分析

5.1 引言

5.2 熔焊力信号提取方法

5.3 熔焊力仿真与实验结果对比分析

5.4 主要分断因素对熔焊力的影响规律分析

5.5 各因素耦合作用对熔焊力影响显著度分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术成果

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