CN108416169A - 一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，包括：电弧计算模块、电磁场‑动力学‑声学求解模块、电磁场‑温度场求解模块、分级设计模块、图形用户界面模块。本发明提供的一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，提供了一种考虑触头系统带负载吸合过程、吸持阶段、分断过程的全过程三维虚拟样机仿真与优化设计系统，以解决目前业界在接触器仿真技术上触头系统带载存在的困难，以及接触器设计上多场耦合的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统。
背景技术
接触器是电气工程领域中量大面广的器件，在工业控制和电力网络中发挥着重要的作用。相对于功率开关管等电力电子器件，接触器以其高电压低成本的优势在负载变化相对平缓的中高压电网稳定性控制中发挥着重要作用。同时，许多电厂还将接触器和熔断器串联使用，在动作次数多、小负载的场合下代替断路器。
接触器由电磁系统、触头系统、联动机构和缓冲部件构成。电磁系统是电磁开关的感测机构，其工作过程是将电能转化为磁能，再将磁能转化为机械能，由铁磁部分运动带动开关执行部件——触头系统的动作。接触器运行中存在着电、磁、光、热、力等非线性能量转换，这些能量随着时间、气隙的变化而产生变化，形成一个复杂的动态过程。当接触器用于AC3使用类别（接通6倍额定电流、断开额定电流）和AC4使用类别（接通6倍额定电流、断开6倍额定电流）的情况时，接通过程触头弹跳引起的电弧和分断过程产生的触头间电弧，将严重烧损触头系统。同时，接触器在带载吸合、分断过程中可能导致涌流冲击，会对电网的稳定运行造成安全隐患。此外，接触器接通、分断过程中的电弧可能会产生电磁干扰，影响电路的工作。因此，工业上对接触器带负载工作全过程的研究越发重视。
目前对交流接触器数值仿真的相关研究在机械、电磁、温升等方面都有涉及，但是触头带载情况下的接触器吸合、分断运动过程的仿真还存在较大的困难。
首先是在处理接触器的运动轨迹和电弧的耦合情况上。目前电弧的研究方法主要有黑盒模型和磁流体动力学模型两种方法。黑盒模型计算误差较大、参数确定困难；而磁流体动力学占用计算资源大、计算速度慢、计算效率低，难以与接触器的运动过程耦合。
其次，目前的研究多只是关注单一的物理场或者某一两个物理场的联合仿真，对于不同场域的仿真则需要重新建模，操作复杂，时间成本高，难以做到真正的多物理场耦合。而单物理场仿真无法真实反映接触器的工作情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，包括：
电弧计算模块，根据电弧轨迹数据库，基于电弧实验和电弧磁流体仿真数据，通过深度BP-Adaboost神经元网络进行训练，建立不同燃弧环境下开关电弧的燃烧过程中耗散能量、燃弧时间与主回路电压轨迹、电流轨迹、触头运动轨迹之间的非线性关系，并将结果作为电弧等效模型的参数，构建开关电弧动态模型；
电磁场-动力学-声学求解模块，基于电磁有限元、多体动力学和振动噪声的有限谱元法，通过基于电磁有限元软件建立的电磁场求解器和基于多体动力学软件建立的动力学求解器之间的实时数据交互接口，将接触器在吸合过程、吸持阶段和分断过程中的电磁场与接触器机构的运动过程、电磁场与接触器机构的机械振动在时域上进行耦合；对电磁机构进行柔性化处理，获取电磁机构吸持状态下的机械振动响应，建立动力学求解器和声学求解器之间的数据交换接口，对接触器吸持状态下振动噪声进行分析；
电磁场-温度场求解模块，基于电磁有限元和热传导，通过电磁场求解器获取所得的电阻损耗、涡流损耗和温度场求解器的热传导、热对流、热辐射方程之间的相互耦合，以及接触器在带负载吸持情况下电磁系统、线圈、触头系统、联动机构的温度场分布情况；
分级设计模块，通过等效磁路和简化物理模型进行初步设计，并经多物理场耦合计算进行深度优化设计，输出设计方案；
图形用户界面模块，提供电磁系统与触头系统的结构和材料库、电源类型、控制方案，用于用户选择。
在本发明一实施例中，所述深度BP-Adaboost神经元网络的训练过程如下：
步骤S11：对电弧电压轨迹Uarc、电流轨迹Iarc、耗散能量Ploss、燃弧时间t和触头速度轨迹v进行归一化处理，初始化神经元网络；
步骤S12：训练数据样本，每次训练后形成一个弱分类器，记录每次训练误差；
步骤S13：将失效样本加入新样本，重构样本集并进行训练，得到新的弱分类器；
步骤S14：合并弱分类器，形成强分类器；
步骤S15：重复步骤S12至步骤S14，形成若干个强分类器；根据预测效果分配对应权重，合并强分类器，得到深度BP-Adaboost神经元网络；
步骤S16：对输出变量进行反归一化，得到电弧燃弧时间与燃弧能量的预测值；
步骤S17：以训练得到的燃弧时间与耗散能量作为电弧等效模型的参数，建立开关电弧动态模型。
在本发明一实施例中，所述电磁场-动力学-声学求解模块的求解过程如下：
步骤S21：输入接触器每个部件速度v0、位置、线圈电流I0、线圈电压U0的初始值、求解时间t以及求解步长dt；
步骤S22：电磁场求解器获取一个步长后电磁系统的磁场分布和电磁吸力，通过数据交互接口，将计算结果传递给动力学求解器；
步骤S23：动力学求解器以步骤S22所得结果为驱动，获取一个步长后接接触器每个部件的位移、速度以及加速度，通过数据交互接口将计算结果传递给电磁场求解器；
步骤S24：电磁场求解器根据步骤S23所得结果确定接触器每个部件的位置和速度，通过采用Remeshing方法，更新电磁系统的网格，进行下一个时间步的计算；
步骤S25：重复步骤S22至步骤S24步直到接触器中电磁机构吸合，提取此时电磁机构的位移、速度、加速度、电磁吸力和磁场分布；当检测到衔铁和静铁心发生碰撞，电磁场求解器以及动力学求解器根据机械振动的情况自动缩短步长；
步骤S26：对接触器中电磁机构进行柔性化处理，重复步骤S22至步骤S24，获取接触器中电磁机构在电磁激励下的动态响应；
步骤S27：对一本构方程进行快速傅立叶变换，获取接触器中电磁机构在机械振动在频域下的噪声响应曲线；
步骤S28：对频域下的噪声响应进行快速傅立叶逆变换，获得时域下的噪声响应。
在本发明一实施例中，所述电磁场-温度场耦合的求解步骤如下：
步骤S31：通过电磁场求解器获取一个步长后接触器电磁系统的损耗功率和触头系统的电阻损耗，通过数据交互接口将结果传递给基于温度场有限元软件建立的温度场求解器；
步骤S32：通过温度场求解器获取一个步长后接触器的温度分布情况，通过数据交互接口将结果传递给电磁场求解器；
步骤S33：根据电阻温度系数、温度-磁滞回线函数重新确定接触器线圈电阻、触头电阻、磁滞回线，电磁场求解器进行下一个时间步的计算；
步骤S34：重复步骤S31至步骤S33直到计算结束。
在本发明一实施例中，通过简化物理模型，对接触器的电磁系统的结构、材料、励磁参数、触头系统与支架的质量、弹簧系统的力学特性进行初步设计和局部寻优，缩小设计范围；在初步设计的基础上，通过多场耦合计算对接触器整体进行深度优化设计，获得接触器设计方案。
在本发明一实施例中，所述简化物理模型通过如下方式建立：电磁系统等效为磁路等效模型；触头温升以及电磁系统温升等效为牛顿换热模型；触头质量等效为拉格朗日动力学模型。
在本发明一实施例中，所述多场耦合计算通过如下模块完成：电磁场-动力学-声学求解模块、电弧计算模块以及电磁场-温度场求解模块。
在本发明一实施例中，所述电磁系统结构包括：双E形、单E形、U形；触头系统结构包括：单断口、双断口；材料库包括：铜、银、AgSnO2、硅钢、永磁。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明通过电弧磁流体动力学和实验装置构建电弧轨迹数据库，引入BP-Adaboost深度神经元网络技术对电弧轨迹数据库中大量的电弧电压轨迹、电弧电流轨迹、耗散能量、燃弧时间、触头运动轨迹数据进行训练，得到非线性复杂原理背后的开关电弧的耗散功率、燃弧时间与主回路电气参数、接触器运动轨迹参数之间的关系。构建精确、快速、资源消耗低的开关电器电弧数学模型；
（2）通过电磁有限元理论、多体动力学理论和声学的有限谱元法的耦合，求解接触器工作过程中电磁力变化造成的振动噪声的复杂非线性问题，实现接触器吸合、分断过程的运动情况的仿真分析以及对接触器吸持阶段的振动噪声的仿真分析。
（3）提出了分级设计方法，通过等效磁路和简化物理模型进行快速设计，多物理场耦合计算进行精细化设计和深度优化，改变传统接触器设计中大量模型设计效率低、时间长的弊端，极大地提高接触器的设计效率，减小设计成本，缩短开发周期。
附图说明
图1为本发明中电弧参数多层神经元网络训练模型示意图。
图2为本发明中电磁场-动力学-声学耦合计算流程示意图。
图3为本发明中电磁场-温度场耦合计算流程图。
图4为本发明中分级设计方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，包括：
电弧计算模块：建立电弧轨迹数据库，基于大量的电弧实验和电弧磁流体仿真数据，利用深度BP-Adaboost神经元网络寻找不同燃弧环境下开关电弧的燃烧过程中耗散能量、燃弧时间与主回路电压轨迹、电流轨迹、触头运动轨迹之间的非线性关系，将结果作为电弧等效模型的关键参数，构建精确、快速、资源消耗低的开关电弧动态模型。
进一步的，如图1所示，人工神经元网络模块是电弧求解模块的核心部分，电弧模型的训练步骤如下：
步骤S11：对电弧电压轨迹Uarc、电流轨迹Iarc、耗散能量Ploss、燃弧时间t和触头速度轨迹v进行归一化处理，初始化神经元网络；
步骤S12：训练数据样本，每次训练后形成一个弱分类器，记录每次训练误差；
步骤S13：将失效样本加入新样本，重构样本集并进行训练，得到新的弱分类器；
步骤S14：合并弱分类器，形成强分类器；
步骤S15：重复步骤S12至步骤S14，形成数个强分类器，根据预测效果分配对应权重，合并强分类器，得到深度BP-Adaboost神经元网络。
步骤S16：对输出变量进行反归一化，得到电弧燃弧时间与燃弧能量的预测值；
步骤S17：以训练得到的燃弧时间与耗散能量作为电弧等效模型的关键参数，建立开关电弧动态模型。
电磁场-动力学-声学求解模块：基于电磁有限元理论、多体动力学理论和振动噪声的有限谱元法（Spectral Element Method），通过基于电磁有限元软件建立的电磁场求解器和基于多体动力学软件建立的动力学求解器之间的实时数据交互接口，实现接触器在吸合过程、吸持阶段和分断过程中的电磁场与接触器机构的运动过程、电磁场与接触器机构的机械振动在时域上的耦合。通过完全柔性体技术，对电磁机构进行柔性化处理，获取电磁机构吸持状态下的机械振动响应，开发动力学求解器和声学求解器之间的数据交换接口，实现对接触器吸持状态下振动噪声的分析。
进一步的，电磁场-动力学-声学求解模块提供有与外电路进行数据交互的接口，可以通过线圈实现与控制电路进行场路耦合，实现接触器本体与在不同类型的激励源、不同的控制电路下的动态特性的计算。
进一步的，电磁场-动力学-声学求解模块通过与电弧计算模块之间的双向数据流接口，实现对接触器带负载工作过程中触头系统上的电流轨迹、电压轨迹、电动斥力等参数的模拟。
进一步的，如图2所示，电磁场-动力学-声学耦合的求解步骤如下：
步骤S21：输入接触器每个部件速度v0、位置、线圈电流I0、线圈电压U0的初始值求解时间t以及求解步长dt；
步骤S22：电磁场求解器求解一个步长后电磁系统的磁场分布和电磁吸力，通过数据接口将计算结果传递给动力学求解器；
步骤S23：动力学求解器以步骤S22所得结果为驱动，求解一个步长后接触器各机构的位移、速度、加速度等参数，通过数据接口将计算结果传递给电磁场求解器；
步骤S24：电磁场求解器根据步骤S23所得结果确定接触器各部件的位置和速度，采用Remeshing技术更新电磁系统的网格，进行下一个时间步的计算；
步骤S25：重复步骤S22至步骤S24直到电磁机构吸合，提取此时电磁机构的位移、速度、加速度、电磁吸力和磁场分布，当检测到衔铁与静铁心发生碰撞，电磁场求解器以及动力学求解器会根据机械振动的情况自动缩短步长；
步骤S26：对电磁机构进行柔性化处理，重复步骤S22至步骤S24，获取电磁机构在电磁激励下的动态响应；
步骤S27：对一本构方程进行快速傅立叶变换（FFT），求解电磁机构在机械振动在频域下的噪声响应曲线；
步骤S28：对频域下的噪声响应进行快速傅立叶逆变换（iFFT），获得时域下的噪声响应。
电磁场-温度场求解模块：基于电磁有限元理论和热传导理论，通过电磁场求解器计算所得的电阻损耗、涡流损耗和温度场求解器的热传导、热对流、热辐射方程之间的相互耦合，计算接触器在带负载吸持情况下电磁系统、线圈、触头系统、联动机构的温度场分布情况。
进一步的，如图3所示，电磁场-温度场耦合的求解步骤如下：
步骤S31：电磁有限元软禁求解一个步长后接触器电磁系统的损耗功率和触头系统的电阻损耗，通过数据接口将计算结果传递给基于温度场有限元软件建立的温度场求解器；
步骤S32：温度场求解器求解一个步长后接触器的温度分布情况，通过数据接口将计算结果传递给电磁场求解器；
步骤S33：根据电阻温度系数、温度-磁滞回线函数重新确定接触器线圈电阻、触头电阻、磁滞回线等参数，电磁场求解器进行下一个时间步的计算；
步骤S34：重复步骤S31至步骤S33直到计算结束。
分级设计模块：如图4所示，第一步是通过简化物理模型，对接触器的电磁系统的结构、材料、励磁参数，触头系统与支架的质量、弹簧系统的力学特性进行初步的快速设计和局部寻优，缩小设计范围，其中，简化物理模型由等效磁路、牛顿换热模型、质量等效的拉格朗日动力学模型组成；第二步，在初步设计结果的基础上，通过多场耦合计算对接触器整体进行深入的精细化设计，获得接触器最佳性能的设计方案。
进一步的，简化物理模型通过如下方式建立：电磁系统等效为磁路等效模型；触头温升以及电磁系统温升等效为牛顿换热模型；触头质量等效为拉格朗日动力学模型。多场耦合计算通过如下模块完成：电磁场-动力学-声学求解模块、电弧计算模块以及电磁场-温度场求解模块。
图形用户界面模块：系统提供有常用的电磁系统、触头系统的结构和材料库，如双E形、单E形、U形等电磁系统，单断口、双断口等触头结构，铜、银、AgSnO2、硅钢、永磁等常用材料。系统还提供不同的电源类型和控制方案供用户选择。用户可以根据需求对接触器的电磁系统、触头系统、材料、控制电路等进行选型和修改。
进一步的，本发明提供的上述系统，具有如下功能：（1）系统具有材料库、参数设置、功能选择、结果输出和特性分析模块。用户能够根据设计需求进行主电路、控制电路、电磁系统和触头系统的选型和参数设置；（2）开发多物理场耦合求解器，用户可以通过多物理场耦合求解器完成接触器在吸合、吸持和分断阶段电磁系统、触头系统的电磁场、温度场、运动过程、机械振动、振动噪声、电弧以及电弧轨迹等参数的耦合计算；（3）提出一种分级设计的设计方法，通过等效磁路与物理模型对接触器的电磁系统、触头系统进行初步设计，在此基础上通过多场耦合计算对接触器整体进行深入的精细化设计，提高接触器的设计效率，减小设计成本，缩短开发周期。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，其特征在于，包括：
电弧计算模块，根据电弧轨迹数据库，基于电弧实验和电弧磁流体仿真数据，通过深度BP-Adaboost神经元网络进行训练，建立不同燃弧环境下开关电弧的燃烧过程中耗散能量、燃弧时间与主回路电压轨迹、电流轨迹、触头运动轨迹之间的非线性关系，并将结果作为电弧等效模型的参数，构建开关电弧动态模型；
电磁场-动力学-声学求解模块，基于电磁有限元、多体动力学和振动噪声的有限谱元法，通过基于电磁有限元软件建立的电磁场求解器和基于多体动力学软件建立的动力学求解器之间的实时数据交互接口，将接触器在吸合过程、吸持阶段和分断过程中的电磁场与接触器机构的运动过程、电磁场与接触器机构的机械振动在时域上进行耦合；对电磁机构进行柔性化处理，获取电磁机构吸持状态下的机械振动响应，建立动力学求解器和声学求解器之间的数据交换接口，对接触器吸持状态下振动噪声进行分析；
电磁场-温度场求解模块，基于电磁有限元和热传导，通过电磁场求解器获取所得的电阻损耗、涡流损耗和温度场求解器的热传导、热对流、热辐射方程之间的相互耦合，以及接触器在带负载吸持情况下电磁系统、线圈、触头系统、联动机构的温度场分布情况；
分级设计模块，通过等效磁路和简化物理模型进行初步设计，并经多物理场耦合计算进行深度优化设计，输出设计方案；
图形用户界面模块，提供电磁系统与触头系统的结构和材料库、电源类型、控制方案，用于用户选择。
2.根据权利要求1所述的一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，其特征在于，所述深度BP-Adaboost神经元网络的训练过程如下：
步骤S11：对电弧电压轨迹Uarc、电流轨迹Iarc、耗散能量Ploss、燃弧时间t和触头速度轨迹v进行归一化处理，初始化神经元网络；
步骤S12：训练数据样本，每次训练后形成一个弱分类器，记录每次训练误差；
步骤S13：将失效样本加入新样本，重构样本集并进行训练，得到新的弱分类器；
步骤S14：合并弱分类器，形成强分类器；
步骤S15：重复步骤S12至步骤S14，形成若干个强分类器；根据预测效果分配对应权重，合并强分类器，得到深度BP-Adaboost神经元网络；
步骤S16：对输出变量进行反归一化，得到电弧燃弧时间与燃弧能量的预测值；
步骤S17：以训练得到的燃弧时间与耗散能量作为电弧等效模型的参数，建立开关电弧动态模型。
3.根据权利要求1所述的一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，其特征在于，所述电磁场-动力学-声学求解模块的求解过程如下：
步骤S21：输入接触器每个部件速度v0、位置、线圈电流I0、线圈电压U0的初始值、求解时间t以及求解步长dt；
步骤S22：电磁场求解器获取一个步长后电磁系统的磁场分布和电磁吸力，通过数据交互接口，将计算结果传递给动力学求解器；
步骤S23：动力学求解器以步骤S22所得结果为驱动，获取一个步长后接接触器每个部件的位移、速度以及加速度，通过数据交互接口将计算结果传递给电磁场求解器；
步骤S24：电磁场求解器根据步骤S23所得结果确定接触器每个部件的位置和速度，通过采用Remeshing方法，更新电磁系统网格，进行下一个时间步的计算；
步骤S25：重复步骤S22至步骤S24步直到接触器中电磁机构吸合，提取此时电磁机构的位移、速度、加速度、电磁吸力和磁场分布；当检测到衔铁和静铁心发生碰撞，电磁场求解器以及动力学求解器根据机械振动的情况自动缩短步长；
步骤S26：对接触器中电磁机构进行柔性化处理，重复步骤S22至步骤S24，获取接触器中电磁机构在电磁激励下的动态响应；
步骤S27：对一本构方程进行快速傅立叶变换，获取接触器中电磁机构在机械振动在频域下的噪声响应曲线；
步骤S28：对频域下的噪声响应进行快速傅立叶逆变换，获得时域下的噪声响应。
4.根据权利要求1所述的一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，其特征在于，所述电磁场-温度场耦合的求解步骤如下：
步骤S31：通过电磁场求解器获取一个步长后接触器电磁系统的损耗功率和触头系统的电阻损耗，通过数据交互接口将结果传递给基于温度场有限元软件建立的温度场求解器；
步骤S32：通过温度场求解器获取一个步长后接触器的温度分布情况，通过数据交互接口将结果传递给电磁场求解器；
步骤S33：根据电阻温度系数、温度-磁滞回线函数重新确定接触器线圈电阻、触头电阻、磁滞回线，电磁场求解器进行下一个时间步的计算；
步骤S34：重复步骤S31至步骤S33直到计算结束。
5.根据权利要求1所述的一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，其特征在于，通过简化物理模型，对接触器的电磁系统的结构、材料、励磁参数、触头系统与支架的质量、弹簧系统的力学特性进行初步设计和局部寻优，缩小设计范围；在初步设计的基础上，通过多场耦合计算对接触器整体进行深度优化设计，获得接触器设计方案。
6.根据权利要求5所述的一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，其特征在于，所述简化物理模型通过如下方式建立：电磁系统等效为磁路等效模型；触头温升以及电磁系统温升等效为牛顿换热模型；触头质量等效为拉格朗日动力学模型。
7.根据权利要求5所述的一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，其特征在于，所述多场耦合计算通过如下模块完成：电磁场-动力学-声学求解模块、电弧计算模块以及电磁场-温度场求解模块。
8.根据权利要求1所述的一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，其特征在于，所述电磁系统结构包括：双E形、单E形、U形；触头系统结构包括：单断口、双断口；材料库包括：铜、银、AgSnO2、硅钢、永磁。
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