智能交直流电磁电器新型设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种智能交直流电磁电器新型设计方法。
【背景技术】
[0002]随着智能电网的飞速发展，电磁电器的智能化进程得到了广泛的重视，传统电器的设计方法和设计理念远远无法满足智能电磁电器产品的设计需求。智能电器由电磁机构、触头系统、联动机构、智能控制模块等几个组成部分，智能控制模块中，又包含着控制芯片、硬件电路和软件控制策略部分，因此，单纯的设计电磁电器的本体结构，无法达到整体优化的设计目标。磁场的分布性、磁路的非线性、分磁环、磁滞涡流及气隙磁导的存在增加了电磁电器动态过程的复杂性。传统设计方法以经验设计与样机试验为主，开发周期长，很难满足市场需求。随着计算机技术的发展，虚拟仿真技术与动态优化设计技术为电磁电器的虚拟设计注入新的活力。文献[I]建立了系列交流接触器磁路计算与优化设计系统，能够改变结构尺寸，分析接触器动态特性，为产品设计和开发提供依据；文献[2]先进行三维磁场仿真，再根据磁感应强度的分布建立永磁继电器等效磁路模型，提高吸力特性计算精度；文献[3]耦合电磁场方程、机械运动方程、电路方程，开发了接触器数字化综合设计软件，实现接触器动态特性的仿真计算；文献[4]采用虚拟样机技术建立接触器电磁系统模型、机械系统模型、机电親合模型，在单位仿真步长中，通过控制软件Matlab/Simulink将电磁吸力传递给动力学分析软件Adams，同时将Adams求得的动力学参量反馈给Matlab/Simulink，为虚拟样机设计提供了方便快捷的手段；文献[5]将高频闭环斩波技术、数字控制技术引入接触器动态全过程控制，大大减小铁心和触头的碰撞能量；文献[6-8]将蚁群算法、人工神经网络、粒子群算法等人工智能算法融入电器的全过程动态优化设计与智能控制中，优化电磁系统结构，预测动态过程关键参量，寻求闭合和分断过程最优控制参数，提高电磁电器的整体性能。
[0003]如上所述，广大学者从不同学科领域的仿真技术来研宄和开发电器，从而能够更全面的了解电器的工作状态。电器的设计涵盖电气、机械、控制、通信等多个领域，涉及的理论主要有电接触理论、电弧理论、发热、电动力理论、电磁结构理论。近年来，随着智能电网的提出，智能电器也成为了人们研宄的热点。显然，仅仅依靠单学科的仿真设计已经满足不了智能电器虚拟设计的需求。但是以往对带有电子模块的智能电磁电器的开发，大多脱离电器本体进行电子电路和控制方案的仿真设计，将电磁系统等效为恒定的阻感负载串联于电路中，再通过大量实验测试智能控制作用下的电磁电器动态特性，分析控制方案。这种设计模式限制了虚拟设计技术在智能电磁电器的进一步应用。对低压电磁电器进行三维多体动力学的仿真，能够直观观察运动部件的工作过程与状态变化，尤其是铁心碰撞、触头振动，揭示不同时刻各参量间的关系。智能控制模块对提高电器的分合闸性能，减小线圈的吸持功耗、噪声以及电器本体的节材等方面发挥了重要作用。若能将两者联合仿真，为其结构设计、特性分析、控制策略提供理论指导，对缩短电器开发周期，减小成本，增强产品竞争力，提尚整体性能指标具有重要意义。
[0004]参考文献:
[1]汪淑妮，许志红.交流接触器特性分析[J].福州大学学报:自然科学版，2014(1): 90-97.[2]梁慧敏，由佳欣，叶雪荣，等.基于三维磁场仿真分析的含永磁继电器等效磁路模型的建立[J].电工技术学报，2011，26(1): 46-50.[3]彭翔，荣命哲，吴翊，等.交流接触器数字化综合设计软件的开发[J].低压电器，2013 (19): 1-4.[4]周志凯，任万滨，杨文英，等.基于虚拟样机技术的大功率直流接触器动态特性的仿真研宄[J].低压电器，2012，(15):12-15, 20.[5]XuZ,Tang L.Digital Closed Loop Control Technology for the ACContactors[C].1CEC 2014;The 27th Internat1nal Conference on ElectricalContacts;Proceedings of.VDE, 2014:1-4.[6]DuanY, 1nel D M.A review of recent developments in electrical machinedesign optimizat1n methods with a permanent—magnet synchronous motor benchmarkstudy[J].1ndustry Applicat1ns, IEEE Transact1ns on, 2013, 49(3):1268-1275.[7]曹云东，刘晓明，刘冬，等.动态神经网络法及在多变量电器优化设计中的研宄[J].中国电机工程学报，2006, 26(8):112-116.[8]EspinosaA G, Ruiz JRR, Rosero J, et al.Dynamic characterizat1n andposit1n estimat1n of electromechanical contactors[C]//Instrumentat1n andMeasurement Technology Conference Proceedings, 2008.1MTC 2008.1EEE.1EEE, 2008:1873-1878.。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种真正意义上实现带过程控制与多场耦合的智能交直流电磁电器新型设计方法，大大缩短智能交直流电磁电器的设计周期。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种智能交直流电磁电器新型设计方法，包括如下步骤，
S1:根据系统对开关的要求，启动后台数据库，进行智能交直流电磁电器的选型，包括电磁系统选型、触头系统选型，所述后台数据库包括存储有电子模块相关数据的第一数据库、存储有各种电磁系统相关数据的第二数据库和存储有触头系统相关数据的第三数据库；
52:选型方案确定后，进行电磁系统参数、触头系统参数设置；
53:进行电磁系统的静态特性与动态特性计算，由此得出电磁系统的相关特性参数；
54:采用热路计算方法计算触头回路的运行温升情况，同时，对样机的电动稳定性进行计算和验证，由此分析触头系统的运行情况；
55:根据步骤S3和S4获得的电磁系统和触头系统的相关特性参数，进行整体性能指标分析，若分析结果满足要求，确定产品样机参数，并执行步骤S6 ;否则，返回步骤S2，进行参数的重新设置，直到满足要求为止；
S6:提供一电器本体三维动态计算模块，该模块包括三维多体动力学仿真模块，根据产品样机参数，通过所述三维多体动力学仿真模块进行整体仿真设计；
S7:通过机械动力学有限元建模方法建立电磁系统三维结构模型，并由所建模型计算不同线圈电流1、不同铁心位移xB寸，电磁吸力、磁路中反力和磁路中的磁链值，建立电磁吸力数组W、电磁系统反力数组和磁路磁链数组ψ(χ，i)的二维静态表格；
58:提供一电子控制模块，该电子控制模块包括励磁控制电路和PWM闭环控制策略模块；设定单位时间仿真步长，在每个时间步长通过所述励磁控制电路向所述电器本体三维动态计算模块提供经整流后的母线电压Ucoil'
59:根据前一时间步长的磁链^和铁心位移Z分别经查表插值获得当前时间步长的线圈电流i和电磁吸力6，根据前一时间步长的铁心位移i查表插值获得当前时间步长的电磁系统反力Z7/.，由前一时间步长的磁链W和线圈电流i获得当前时间步长的线圈电感L'
510:在每个时间步长内，线圈电感Z传递给所述电子控制模块作为线圈可变负载，电磁吸力MP电磁系统反力专递给所述三维多体动力学仿真模块，并输出运动系统位移Z和速度^
511:根据计算所得线圈电流i与所述PWM闭环控制策略模块所设计的电流做对比，改变占空比7>办.，从而改变线圈激磁电压，实现优化过程控制；
512:返回S8，直到达到设定的仿真结束时间，动态改变步骤S8设定的单位时间仿真步长，实现进一步的精细化优化设计，根据仿真时间与所述PWM闭环控制策略模块所设计的吸合、吸持、分断时刻分别设定不同线圈参考电流值；
513:提供一触头加载运行分析模块，该触头加载运行分析模块包括磁流体动力学计算模块；通过所述三维多体动力学仿真模块计算获得触头运动轨迹，结合动态网格技术，通过磁流体动力学计算模块获得不同时刻、不同触头行程时电弧参数变化及分布情况，建立分断过程电弧等效模型，分析电磁电器运行过程中电弧特性；
S14:提供一与后台数据库双向通信的带智能控制优化设计模块，将电器本体三维动态计算模块和触头加载运行分析模块的计算结果代入该带智能控制的优化设计模块，进行优化计算与分析。
[0007]在本发明一实施例中，所述电子控制模块还包括电磁兼容特性分析和拓展功能模块，可进行控制电路的特性分析，具体包括交流运行、直流运行、瞬态情况的特性分析，以及谐波的傅里叶分析和噪声频响特性分析。
[0008]相较于现有技术，本发明具有以下有益效果:
(1)根据实际应用场合系统需求，估算开断电流等级所需反力，温升等，选择反力系统和触头系统，再根据反力的大小设计满足要求的电磁系统和联动机构，并集虚拟仿真、智能控制方案与优化设计为一体，采用“路”的方法求出优化变量的范围，用“场”的方法在该范围内寻找最优解，寻找该控制方案下最优结构参数和控制参数。“场”计算方法精度较高，但耗时长，“路”计算方法计算速度快，但计算过程简化的参数较多，对计算精度有一定影响，结合两者优缺点，可大大缩短设计周期；
(2)建立开放式的后台数据库，数据库中包含有不同结构的电磁系统和不同形状的触头系统，以及常用的电工材料，方便在设计初期的结构参数选型与优化过程中进行结构调整，该数据库与优化设计模块双向连接； (3)在整个动态过程中考虑多物理场的耦合约束关系，将电子控制模块SPICE模型、智能控制策略引入电磁电器的三维本体多体动力学仿真计算中，可直观观察智能控