新型电磁机构的拓扑设计与优化方法研究

摘要

支撑智能电网发展的重要技术基础之一是高压电器的智能化，其中断路器智能操作的实现，对电磁机构的快速性与可控性提出了更高要求，这有赖于新型电磁机构的拓扑设计和参数优化研究。就目前国内外研究现状而言，能综合快速性和可控性两个层面，对电磁机构的拓扑设计与优化分析方法做出系统研究的工作并不多见。本文从电磁机构的拓扑入手，研究四种新型电磁机构的拓扑形式，提出了较为系统的拓扑设计与优化分析方法，为新型电磁机构的发展奠定了理论与技术基础。 首先针对盘状推斥型快速电磁机构进行理论分析，基于单匝线圈间的相互作用关系推导出该型电磁机构的动态分析模型，并提出一种基于时间和位移双层循环的离散迭代算法，该算法可用于推斥型盘状电磁机构的仿真分析与综合优化设计。但就实现机构的实时可控性而言，这些数学模型与算法还显得相对复杂。 鉴于旋转电机已具备较为成熟的控制方法，本文提出了基于永磁电动机控制的断路器操动机构方案。通过分析旋转运动与直线运动的转换关系，并综合PID与单神经元控制等方法，建立了该机构运动特性的速度跟踪控制策略，为实现机构的柔性可控提供了方法基础。但由于电动机的电磁惯性以及传动环节的机械惯性较大，并不利于实现机构的快速性。 为综合利用上述两种电磁机构的优点，本文提出了一种兼顾运动快速性与可控性的电磁机构--音圈电机式快速电磁机构。因采用相对磁导率很小的永磁体使得回路电感显著减小，而利用对称的差动补偿结构则可保持运动过程中的等效电感基本不变，从而简化机构的分析模型。基于电磁学和机械动力学分析，采用等效受控电压源的形式来描述机构电磁与机械特性的复杂耦合关系，为解决电磁机构的解耦分析与控制问题提供了一种新思路。利用PSIM软件建立了基于PWM的速度跟踪控制仿真模型，仿真结果表明，利用电力电子器件和PWM控制方式基本可实现机构分合闸操作的无碰撞反弹，为断路器最佳运动曲线的跟踪控制奠定了方法基础。不过，因存在铁芯、永磁体等性能易受外界较大磁场影响的材料，增加了机构的非线性特征，使控制的准确性在较大电流时难以保证。 为克服机构中使用非线性磁材料的缺点，并同时考虑可控性对机构拓扑结构的设计要求，本文提出研究一种反绕嵌套螺线管式新型电磁机构。该机构的固定部件和可动部件均由线圈构成，无铁芯亦无永磁。通过分析线圈磁场横向分量的分布规律，提出相互作用系数的概念以描述机构的耦合模型。在拓扑结构确定的情况下，该作用系数为常数，即电磁力与电流的平方成正比，从而大大简化机构的数学分析模型，为实现机构的可控性奠定基础。研制了该电磁机构的物理样机，并开展了仿真和实验研究。 因受拓扑结构和分析方法多样性的限制，对传统电磁机构性能的评价多采用静态评价指标，缺乏针对机构动态特性的评价参数。本文以电磁学方程为基础，通过分析电磁力与控制电流的关系而提出电磁力灵敏度分析系数，以定量评价电流对电磁力影响程度的变化和电磁机构运动过程的可控性。从使用材料、拓扑结构以及电磁力灵敏度等方面，对三种电磁机构的动态性能进行了比较，指出具有较大数值且为恒定灵敏度系数的电磁机构拓扑，在快速性和可控性方面具有发展前景。本文还详细研究了推斥型盘状电磁机构和反绕嵌套螺线管式电磁机构的相互联系，指出二者在拓扑关系上分别是由单匝线圈沿径向和轴向拓展形成的空间结构，前者灵敏度系数的最大值约为后者的两倍，这为电磁机构的拓扑研究提供了新的方法与理论基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景与研究意义

1.2国内外研究现状

1.3论文研究的主要内容

第二章盘状推斥型快速电磁机构动态特性分析

2.1拓扑结构及原理

2.2计算方法

2.2.1两个单匝线圈之间的电磁力计算

2.2.2铜盘-线圈间电磁力计算方法

2.2.3电磁力的数值计算方法

2.3机构参数优化仿真分析

2.3.1铜盘等效匝数的影响

2.3.2铜盘厚度的影响

2.3.3线圈匝数的影响

2.3.4线圈导线厚度的影响

2.3.5线圈与铜盘相对大小对电磁机构的影响

2.4双稳弹簧式保持机构

2.5算例

2.6小结

第三章电动机可控操动机构动态特性分析

3.1分闸运动过程的数学描述

3.1.1永磁同步电动机数学模型

3.1.2拉杆传动机构的非线性描述

3.2分闸运动特性的仿真分析

3.2.1拐臂初始位置角的影响

3.2.2传统PID控制策略下的断路器分断特性

3.2.3反推式控制策略下的断路器分断特性

3.2.4单神经元PID控制策略下的分断特性

3.3小结

第四章音圈电机式电磁机构计算分析与控制仿真

4.1音圈电机式快速电磁机构

4.2电磁机构的数学描述

4.3速度跟踪控制策略

4.4电磁机构的运动特性仿真

4.5小结

第五章反绕嵌套螺线管式电磁机构

5.1机构原理

5.2解析基础

5.2.1线圈L1产生的径向磁场

5.2.2运动过程中穿过线圈L2的总径向磁场

5.2.3等效分析模型

5.3数值仿真与样机实验

5.3.1仿真结果

5.3.2实验结果

5.4速度跟踪控制策略及仿真分析

5.5小结

第六章几种电磁机构的动态特性比较

6.1材料比较

6.2结构比较

6.3电磁力灵敏度评价指标

6.3.1电磁力灵敏度分析

6.3.2电磁力灵敏度比较

6.4两种电磁机构的统一性分析

6.4.1拓扑分析

6.4.2计算方法分析

6.4.3电磁力分析

6.5小结

第七章快速电磁机构在故障限流器中的应用仿真

7.1工作原理

7.2仿真分析

7.2.1在快速开关支路串入电抗器

7.2.2在电容支路串入电抗器

7.2.3快速开关合闸时间的影响

7.3结论

第八章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的主要科研成果