CN107992706A - 一种基于新型过载保护继电器加热组件的温度场仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电机的热过载保护领域，具体涉及一种基于新型过载保护继电器加热组件的温度场仿真方法。包括S1：构建新型过载保护继电器加热组件的结构；S2：基于ANSYS有限元软件，采用实体建模的方式建立所述加热组件三位几何模型，然后对加热组件的三维几何模型进行材料物理参数确定、单元类型确定以及网格划分；S3：分别对接线端子、加热元件进行产热分析；热元件发热为：P=I2R；热元件的生热率为：Q1=P/V；S4：分别对接线端子、加热元件进行散热分析；对流散热系数公式：acon=3.25(T0‑TF)0.25；S5：确定温度场仿真计算的边界条件及其载荷的施加；S6：计算正常工况下加热组件的稳态温度场。通过仿真分析，可以得到加热组件的温升规律，确定热元件的允许温升为60.736℃。

Description

一种基于新型过载保护继电器加热组件的温度场仿真方法
技术领域
本发明属于电机的热过载保护领域，具体地，涉及一种基于新型过载保护继电器加热组件的温度场仿真方法
背景技术
电动机在运行过程中，如果出现过载，将导致其转速下降，电动机绕组中的电流会随之增加，从而进一步导致电动机的温度上升，不仅会导致电动机发生故障，而且容易造成电动机的绝缘老化，降低使用寿命。热过载保护继电器是一种适用于电动机的低压过载保护继电器，其主要目的是将电动机和配电线路的温升限制在允许的范围内，保障其绝缘性能，增加其使用寿命。
传统的过载保护继电器有热过载保护继电器和电子式过载保护继电器两种，热过载保护继电器工作原理是将该种继电器与电动机串联，电路中电流流过具有不同膨胀系数的双金属片导致其发生机械工作，当动作达到一定程度就触动了脱扣装置，从而实现电动机的过载保护。但金属片作为该种继电器的检测元件与执行元件，经过反复的弹性形变容易造成老化，致使对温度的变化不灵敏，影响保护的准确性。
电子式过载保护的工作原理是通过电流互感器采集电路中的电流，将采集信号经过前期处理，转换成计算机能够读取的信号后输送给计算机，在通过计算机的计算分析后，给执行机构输出执行信号，从而实现电动机的过载保护。基于电流幅值作为故障的判断依据的，此种方法只能对对称故障进行保护。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，通过仿真确定新型过载保护继电器加热组件的工作特性，进而提供一种新型的能够实现对电动机进行过载保护的继电器。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于新型过载保护继电器加热组件的温度场仿真方法，包括以下步骤：
S1：构建新型过载保护继电器加热组件的结构，所述加热组件包括外壳、接线端子和加热元件，所述金属材料的接线端子在外壳的两侧，所述加热元件在外壳内部分别与两侧的接线端子连接；所述加热元件的材料为镍铬合金；所述接线端子的材料为铜；所述外壳的材料为酚醛树脂。
S2：基于ANSYS有限元软件，采用实体建模的方式建立所述加热组件三位几何模型，然后对加热组件的三维几何模型进行材料物理参数确定、单元类型确定以及网格划分；镍铬合金的密度是8400Kg/m3、导热系数是60.3W/M2·℃、电阻率是8.5×10-7；铜的密度是8930Kg/m3、导热系数是401W/M2·℃、电阻率是1.75×10-7；酚醛树脂的导热系数是0.029W/M2·℃；空气的密度是1.205Kg/m3、导热系数0.0244-0.0336W/M2·℃；
S3：分别对接线端子、加热元件进行产热分析；热元件发热为：P＝I2R；热元件的生热率为：Q1＝P/V；式中：I为流过热元件的电流，单位为A；R为热元件的阻值，单位为Ω；P为发热体发出的功率，单位为W；V为热元件的单位，单位为m3；
S4：分别对接线端子、加热元件进行散热分析；对流散热系数公式：acon＝3.25(T0-TF)0.25；To为发热体的温度；Tf为环境温度；
S5：确定温度场仿真计算的边界条件及其载荷的施加；施加载荷前应对模型进行如下假设：
S51：认为材料的属性为各向同性；
S52：仿真时环境温度固定不变；
S53：材料表面为对流散热，无强迫对流；
S6：计算正常工况下加热组件的稳态温度场。
优选地，所述步骤S2中，网格划分采用自由划分。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
通过对新型过载保护继电器加热组件进行仿真分析，可以得到加热组件的温升规律，即需要对电动机进行过载保护时，该热元件的允许温升为60.736℃，将真个值作为预设值输入至单片机，当该继电器在对电动机进行过载保护时的温升达到或超过60.736℃时，控制电路断开，实现对电动机的过载保护功能。
附图说明
图1为一种基于新型过载保护继电器加热组件的温度场仿真方法流程图。
图2为一种新型过载保护继电器加热组件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例
如图1所示,本实施例提供一种基于新型过载保护继电器加热组件的温度场仿真方法，包括以下步骤：
S1：构建新型过载保护继电器加热组件的结构，所述加热组件包括外壳、接线端子和加热元件，所述金属材料的接线端子在外壳的两侧，所述加热元件在外壳内部分别与两侧的接线端子连接；所述加热元件的材料为镍铬合金；所述接线端子的材料为铜；所述外壳的材料为酚醛树脂。
S2：基于ANSYS有限元软件，采用实体建模的方式建立所述加热组件三位几何模型，然后对加热组件的三维几何模型进行材料物理参数确定、单元类型确定以及网格划分；镍铬合金的密度是8400Kg/m3、导热系数是60.3W/M2·℃、电阻率是8.5×10-7；铜的密度是8930Kg/m3、导热系数是401W/M2·℃、电阻率是1.75×10-7；酚醛树脂的导热系数是0.029W/M2·℃；空气的密度是1.205Kg/m3、导热系数0.0244-0.0336W/M2·℃；
所述步骤S2中，网格划分采用自由划分。
S3：分别对接线端子、加热元件进行产热分析；热元件发热为：P＝I2R；热元件的生热率为：Q1＝P/V；式中：I为流过热元件的电流，单位为A；R为热元件的阻值，单位为Ω；P为发热体发出的功率，单位为W；V为热元件的单位，单位为m3；
S4：分别对接线端子、加热元件进行散热分析；对流散热系数公式：acon＝3.25(T0-TF)0.25；To为发热体的温度；Tf为环境温度；
S5：确定温度场仿真计算的边界条件及其载荷的施加；施加载荷前应对模型进行如下假设：
S51：认为材料的属性为各向同性；
S52：仿真时环境温度固定不变；
S53：材料表面为对流散热，无强迫对流；
S6：计算正常工况下加热组件的稳态温度场。
设置初始温度为25℃时，对新型过载保护继电器加热组件施加载荷，分别冷态起始状态下通入1.05倍和7.2倍额定电流，在热态起始状态下通入1.2倍和1.5倍额定电流，将生热率Q施加在加热元件上，并在该加热组件的外壳表面施加对流散热系数acon。最后，根据过载保护的能力设定计算时间的步长，进行计算。仿真计算结束后，从Ansys仿真结果中分别提取出加热元件表面的温度值以及温度场分布云图。
从仿真结果可以看出，在相同环境温度的情况下，热元件动作时的最高温升相同。因此，就本文设计的一种新型过载保护继电器加热组件而言，当检测到热元件的温升达到60.736℃时对电机实施过载保护。
新型过载保护继电器的工作原理，将新型过载保护继电器加热组件与电动机串联，即将加热组件的接线端子接入电动机，利用电流的热效应原理使热元件发热，再结合电动机的过载特性通过上述仿真确定了该种继电器的允许温升，作为单片机的预设值，将热元件与温度传感器连接，检测与电动机串联的加热元件的温度，实时将检测值传送给控制回路的单片机，单片机将检测值与预设值进行比较，当检测温度值大于或等于预设温度值时，控制电路断开，为电动机提供过载保护。本实施例的继电器可以实现对电动机的单相保护，也可以通过叠加使用实现对电动机的三相保护。
本实施例基于三相过载保护继电器JR36-20单相结构的大小，设计了一种新型的过载保护继电器的结构，其中热元件的长为30mm，宽为9mm，厚为2mm。根据JR36-20的工作特性对新型过载保护继电器加热组件进行仿真，例如给该继电器通入1.2倍额定电流，热态过载的情况下，2小时内脱扣，从而可以确定电动机的过载特性，即1.2倍额定电流，在热过载的情况下，2小时内需要热过载保护装置动作。按照JR36-20工作特性对新型过载保护继电器加热组件进行仿真，可以得到新型过载保护继电器加热组件温升的规律，将此规律编入单片机，在通过单片机实现新型过载保护继电器的过载保护的控制功能。
JR36-20的工作特性：1、通1.05倍额定电流冷态起始状态下小于等于2h不脱扣；2、通1.2倍额定电流热态起始状态下小于2h脱扣；3、通1.5倍额定电流热态起始状态下2min脱扣；4、通7.2倍额定电流冷态起始状态下大于2s小于10s脱扣。其中，冷态是指在实验前8小时内电动机没有带负载；热态是指通入1.05倍额定电流运行2h后的状态。
单片机包括单片机控制系统、数据采集电路、显示电路、时钟电路、存储电路：
信号采集部分由温度传感器、桥式测量电路和差动放大器组成，分别测量继电器三相热元件和继电器壳体内部边缘温度，信号通过放大器放大以后，被传送到单片机中，并对其进行A/D转换、数字分析和判断。显示电路由显示模块和显示屏组成，其作用是显示电流值、温度值和故障状态等。电源电路把外部电源电源转换为5V和3.3V，以保证整个硬件系统正常工作。执行电路通过对继电器进行控制，以实现电机过载保护功能。存储电路用来存储数据。时钟电路为单片机提供时钟信号，以保证其正常运行。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于新型过载保护继电器加热组件的温度场仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建新型过载保护继电器加热组件的结构，所述加热组件包括外壳、接线端子和加热元件，所述金属材料的接线端子在外壳的两侧，所述加热元件在外壳内部分别与两侧的接线端子连接；所述加热元件的材料为镍铬合金；所述接线端子的材料为铜；所述外壳的材料为酚醛树脂；
S2：基于ANSYS 有限元软件，采用实体建模的方式建立所述加热组件三位几何模型，然后对加热组件的三维几何模型进行材料物理参数确定、单元类型确定以及网格划分；镍铬合金的密度是8400Kg/m3、导热系数是60.3W/M2 ·℃、电阻率是8.5×10-7；铜的密度是8930Kg/m3、导热系数是401W/M2 ·℃、电阻率是1.75×10-7；酚醛树脂的导热系数是0.029W/M2 ·℃；空气的密度是1.205Kg/m3、导热系数0.0244-0.0336 W/M2 ·℃；
S3：分别对接线端子、加热元件进行产热分析；热元件发热为：P=I2R；热元件的生热率为：Q1=P/V；
式中：I为流过热元件的电流，单位为A；R为热元件的阻值，单位为Ω；P为发热体发出的功率，单位为W；V为热元件的单位，单位为m3；
S4：分别对接线端子、加热元件进行散热分析；对流散热系数公式：acon=3.25(T0-TF)0.25；
To为发热体的温度；Tf为环境温度；
S5：确定温度场仿真计算的边界条件及其载荷的施加；施加载荷前应对模型进行如下假设：
S51：认为材料的属性为各向同性；
S52：仿真时环境温度固定不变；
S53：材料表面为对流散热，无强迫对流；
S6：计算正常工况下加热组件的稳态温度场。
2.根据权利要求1所述的基于新型过载保护继电器加热组件温度场仿真方法，其特征在于，所述步骤S2中，网格划分采用自由划分。
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CN109818260A (zh) * 2019-03-28 2019-05-28 星凯电气有限公司 一种ggd低压开关柜母线触头温度控制装置

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