CN110795862B - 基于线圈电流的开关电器动态特性计算方法 - Google Patents

基于线圈电流的开关电器动态特性计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于线圈电流的开关电器动态特性计算方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：实测得到线圈电流波形以及触点电位数据；步骤二：通过拟合消除电源纹波；步骤三：寻找得到线圈电流的零初始时刻；步骤四：计算线圈电感；步骤五：求解衔铁的运动功率；步骤六：建立衔铁功率与反力、运动速度、衔铁行程的关系模型，从而完成基于线圈电流的开关电器动态特性的计算。本发明提供了一种提出了基于线圈电流、触点电位，基于能量守恒计算开关电器的动态特性计算方法，与现有的有限元、直接测量、间接推断三种方法相比，本发明具有高效、经济、准确的优点。此外，在人工智能对开关电器的状态分类中，应用此方法可提供更好的故障特征。

Description

基于线圈电流的开关电器动态特性计算方法
技术领域
本发明属于开关电器产品性能分析技术领域，涉及一种开关电器动态特性计算方法。
背景技术
开关电器具有传输能量、传递信息的两大功能，在电力输送、配电网络、电气控制中，承担着不可替代的作用。在吸合、释放过程中开关电器的动态特性，如：衔铁运动速度、电磁反力与负载反力配合配合过程、衔铁行程是研发人员设计开关电器考虑的主要参数，可用于说明开关电器吸合、释放过程中衔铁的运动状态，是直接影响开关电器动作性能、工作可靠性、使用寿命等的关键参数。因此，开关电器动态特性的计算方法，是研究开关电器设计、生产、使用等整个寿命过程性能的必备手段。
现有的动态特性计算方法有三种：有限元仿真、直接测量、间接推断，这三种方法具有如下局限性：(1)精度低、周期长，(2)成本高，(3)不确定性高。
发明内容
为了解决现有三种方法的上述局限性，本发明的目的是提供一种基于线圈电流的开关电器动态特性计算方法，该方法在能量守恒的基础上，分析了衔铁运动能量的来源，并建立了衔铁运动速度与位移的模型；在已知线圈电流、触点电位的基础上，构建衔铁功率与反力、运动速度、衔铁行程的关系模型，通过数值解法计算得到开关电器的动态特性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于线圈电流的开关电器动态特性计算方法，包括如下步骤：
步骤一：实测得到线圈电流波形以及触点电位数据；
步骤二：通过拟合消除电源纹波；
步骤三：寻找得到线圈电流的零初始时刻；
步骤四：计算线圈电感，其中：线圈电感可分为两种阶段：常数、动态；
当线圈电感是常数时，计算方式为：
Figure BDA0002268677570000021
当线圈电感是动态时，计算方式为：
Figure BDA0002268677570000022
当t<tjunction时，l(t)＝ljunction。当t>tjunction时，l(t)＝l2(t)；
步骤五：求解衔铁的运动功率：
Figure BDA0002268677570000023
步骤六：建立衔铁功率与反力、运动速度、衔铁行程的关系模型，从而完成基于线圈电流的开关电器动态特性的计算，其中，衔铁功率与反力、运动速度、衔铁行程的关系模型如下：
Figure BDA0002268677570000031
式中：u是线圈电压；ij是此刻的电流；ij-1是上一刻的电流；r是采样电阻阻值；
Figure BDA0002268677570000032
是上一刻的磁链；vj是此刻需要求解得到的衔铁速度；vj-1是上一刻已经求解得到的衔铁速度；tj是此刻的时刻；tj-1是上一刻；kspring是弹簧的刚度系数；sj-1是上一刻的衔铁位移；finitial是弹簧初始压缩状态的弹力；
Figure BDA0002268677570000033
是衔铁的功率；tjunction是动态电感与常数电感两种计算方式的交汇点；tmoving是计算衔铁功率的零点。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明提供了一种提出了基于线圈电流、触点电位，基于能量守恒计算开关电器的动态特性计算方法，与现有的有限元、直接测量、间接推断三种方法相比，本发明具有高效、经济、准确的优点。此外，在人工智能对开关电器的状态分类中，应用此方法可提供更好的故障特征。
附图说明
图1为本发明基于线圈电流的开关电器动态特性计算方法的流程图；
图2为处理电源纹波后的效果图；
图3为两种计算方法得到的线圈电感；
图4为经过处理后的线圈电感；
图5为衔铁的运动功率；
图6为衔铁的速度；
图7为衔铁的位移。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于线圈电流的开关电器动态特性计算方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
步骤一：实测得到线圈电流波形以及触点电位数据。
步骤二：通过拟合消除电源纹波。
步骤三：寻找得到线圈电流的零初始时刻。
步骤四：计算线圈电感l(t)，需要分为两种情况讨论。线圈电感可分为两种阶段：常数、动态。
当线圈电感是常数时，计算方式为：
Figure BDA0002268677570000041
当线圈电感是动态时，计算方式为：
Figure BDA0002268677570000042
因为u2初始点寻找并不理想，线圈电感的计算，并不是从0点直接跃变为稳定状态。线圈电感是常数时的计算，t<tjunction，电感在维持在某个定值波动。可认为t<tjunction时，l(t)＝ljunction。当t>tjunction时，l(t)＝l2(t)。ljunction是两种计算方法得到动态电感的交叉点。
步骤五：求解衔铁的运动功率。当t<tmoving时，衔铁获得的功率一直处于零左右波动，这是由于测试回路中的寄生电容以及铁芯涡流等因素导致，因此将t<tmoving时的功率置零。衔铁的运动功率公式如下：
Figure BDA0002268677570000051
lj是tj对应的电感值，lj-1是tj-1对应的电感值。
步骤六：建立衔铁功率与反力、运动速度、衔铁行程的关系模型，从而完成基于线圈电流的开关电器动态特性的计算，其中，衔铁功率与反力、运动速度、衔铁行程的关系模型如下：
Figure BDA0002268677570000052
式中：u是线圈电压；ij是此刻的电流；ij-1是上一刻的电流；r是采样电阻阻值；
Figure BDA0002268677570000053
是上一刻的磁链；vj是此刻需要求解得到的衔铁速度；vj-1是上一刻已经求解得到的衔铁速度；tj是此刻的时刻；tj-1是上一刻；kspring是弹簧的刚度系数；sj-1是上一刻的衔铁位移；finitial是弹簧初始压缩状态的弹力；
Figure BDA0002268677570000054
是衔铁的功率；tjunction是动态电感与常数电感两种计算方式的交汇点；tmoving是计算衔铁功率的零点。
步骤二的结果如图2所示：
在正常运动的接触器线圈电流波形中，当t>0.05s时，波形并不处于平稳状态，将波形放大可知，此波形的干扰是由电源纹波导致，因此拟合形式为正弦波。将u2电压波形减去电源纹波处理后的波形如图2所示。
步骤四的结果如图3和4所示：
线圈电感如图3所示。因为u2的初始时刻并不理想，线圈电感的计算，并不是从0点直接跃变为稳定状态。线圈电感是常数时的计算，t<tjunction，电感在维持在某个定值波动。可认为t<tjunction时，l(t)＝ljunction。当t>tjunction时，l(t)＝l2(t)。处理后的电感如图4所示。
步骤五的结果如图5所示：
计算得到的衔铁功率如图5所示。当t<tmoving时，衔铁获得的功率一直处于零左右波动，这是由于测试回路中的寄生电容以及铁芯涡流等因素导致，因此将t<tmoving时的功率置零。
步骤六的结果如图6和7所示：
计算得到衔铁速度、位移分别如图6、7所示。
t2：衔铁运动起始时刻；
t2～t3：衔铁运动速度逐步增加，斜率逐步减小，衔铁受到的电磁力、反力的合力逐步减小；
t3：超程初始时刻；
t2～tspeedmax：合力继续减小直至电磁力陡增，如图5所示，运动速度继续增tspeedmax；
tspeedmax：衔铁在运动过程中的最大运动速度为1.00m/s；
tspeedmax～t4：合力小于零，运动速度减小至超程终止时刻；
t4：超程终止时刻。
计算得到的衔铁在超程起始时刻t3的位移为1.12mm，即为触点间距，在超程终止时刻t3的位移为2.53mm，即为衔铁行程。实测研究对象的触点间距为1.1mm，衔铁行程为2.5mm。计算结果的误差分别为1.82％、1.2％。

Claims (3)

1.一种基于线圈电流的开关电器动态特性计算方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：实测得到线圈电流波形以及触点电位数据；
步骤二：通过拟合消除电源纹波；
步骤三：寻找得到线圈电流的零初始时刻；
步骤四：计算线圈电感；
步骤五：求解衔铁的运动功率；
步骤六：建立衔铁功率与反力、运动速度、衔铁行程的关系模型，从而完成基于线圈电流的开关电器动态特性的计算，所述衔铁功率与反力、运动速度、衔铁行程的关系模型如下：
Figure FDA0003370718110000011
式中：u是线圈电压；ij是此刻的电流；ij-1是上一刻的电流；r是采样电阻阻值；vj是此刻需要求解得到的衔铁速度；vj-1是上一刻已经求解得到的衔铁速度；tj是此刻的时刻；tj-1是上一刻；kspring是弹簧的刚度系数；sj-1是上一刻的衔铁位移；finitial是弹簧初始压缩状态的弹力；
Figure FDA0003370718110000012
是衔铁的功率。
2.根据权利要求1所述的基于线圈电流的开关电器动态特性计算方法，其特征在于所述线圈电感分为两种阶段：常数、动态；
当线圈电感是常数时，计算方式为：
Figure FDA0003370718110000013
当线圈电感是动态时，计算方式为：
Figure FDA0003370718110000021
当t<tjunction时，l(t)＝ljunction；当t>tjunction时，l(t)＝l2(t)；
式中：u是线圈电压；ij是此刻的电流；ij-1是上一刻的电流；r是采样电阻阻值；
Figure FDA0003370718110000024
是上一刻的磁链；tj是此刻的时刻；tj-1是上一刻；tjunction是动态电感与常数电感两种计算方式的交汇点；ljunction是两种计算方法得到动态电感的交叉点。
3.根据权利要求1所述的基于线圈电流的开关电器动态特性计算方法，其特征在于所述衔铁的运动功率为：
Figure FDA0003370718110000022
式中：u是线圈电压；ij是此刻的电流；ij-1是上一刻的电流；r是采样电阻阻值；tj是此刻的时刻；tj-1是上一刻；
Figure FDA0003370718110000023
是衔铁的功率；lj是tj对应的电感值，lj-1是tj-1对应的电感值。
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