Моностабільні поляризовані електромагніти з покращеними силовими характеристиками для актуаторів комутаційних апаратів середніх напруг

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.09.01 «Електричні машини й апарати» (14 – Електрична інженерія) – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», м. Харків, 2021 р. Дисертація присвячена розробці та подальшому вдосконаленню моностабільного поляризованого електромагніта з висококоерцитивними постійними магнітами з витісненням магнітного потоку в область повітряного шунта для актуатора вакуумних комутаційних апаратів на середні напруги з покращеними силовими характеристиками. Сучасний ринок України відмикачів на середні напруги практично на 80 % складається з вакуумних відмикачів, велику частину яких становлять апарати закордонного виробництва, що представлені компаніями Європи, США та Азії. В Україні виробництвом вакуумних відмикачів на середні напруги займаються всього три виробника: ТОВ «РЗВА-ЕЛЕКТРИК», «Таврида Електрик Україна» і ВАТ «АВМ АМПЕР». Для задоволення потреб ринку України в вакуумних відмикачах на середні напруги, враховуючи поточну конкуренцію, актуальним стає розробка конструкції електромагніта для актуаторів вакуумних комутаційних апаратів на середні напруги. Розроблена конструкція електромагніта повинна мати силу утримання якоря в притягнутому положенні не нижче зразків наявних на сучасному ринку України, при цьому маючи меншу загальну масу. Для вирішення цього завдання необхідне проведення наукових досліджень, що спрямовані на створення принципово нових конструкцій електромагнітів з покращеними силовими характеристиками. Для досягнення мети були поставлені наступні задачі: – провести аналіз конструктивних особливостей вакуумних відмикачів на середні напруги та їх актуаторів; – розробити нову конструкцію моностабільного електромагніта з висококоерцитивними постійними магнітами для актуатора вакуумного відмикача на середню напругу з покращеними силовими характеристиками. Розробити рекомендації щодо вибору розмірів частин магнітопроводу, а також розмірів постійних магнітів для створення сили утримання якоря електромагніта при знеструмленій обмотці не менше заданої, а також визначити обмотувальні дані електромагніта, виходячи з відомої сили протидії. Визначити доцільність використання в розробленій конструкції поляризованого моностабільного електромагніта феромагнітного шунта в робочому зазорі і розробити рекомендації щодо вибору лінійних розмірів феромагнітного шунта; – дослідити і удосконалити математичну модель динамічних процесів вмикання та вимкнення моностабільних поляризованих електромагнітів з висококоерцитивними постійними магнітами з витисканням магнітного поля в область повітряного шунта; – провести експериментальні дослідження процесів в розробленій конструкції поляризованого моностабільного електромагніта з висококоерцитивними постійними магнітами для актуатора вакуумного відмикача. Експериментально підтвердити достовірність отриманих розрахунковим шляхом результатів досліджень. Визначити вплив параметрів ємнісного накопичувача енергії на можливість виконання відмикачем режиму автоматичного повторного вмикання. Об'єкт дослідження – електромагнітні, магнітні, механічні процеси в електромагнітном актуаторі для комутаційних апаратів середніх напруг. Предмет дослідження – параметри та характеристики моностабільного поляризованого електромагніта з висококоерцитивними постійними магнітами з витисканням магнітного поля в область повітряного шунта. Методи дослідження. В роботі використані чисельні методи розрахунку магнітних полів, а саме: метод кінцевих елементів, за допомогою якого проаналізовано вплив геометричних параметрів магнітної системи на силу утримання якоря в притягнутому положенні та розраховані статичні тягові характеристики у запропонованій конструкції електромагніта, визначено раціональні розміри феромагнітного шунта. Розрахунки проводили із застосуванням математичного пакету Maple та програми Femm. Для чисельного розв’язання диференційних рівнянь динаміки в часткових похідних використовували програмне середовище COMSOL Multiphysics. Експериментальні дослідження розробленого електромагніта здійснювалось на реальному відмикачі. Порівняння теоретичних та експериментальних розрахунків проводили визначенням відносної похибки. Наукова новизна отриманих результатів. Вперше отримані нові науково-обґрунтовані технічні рішення побудови моностабільного поляризованого електромагніта з висококоерцитивними постійними магнітами з витисканням магнітного поля в область повітряного шунта, які забезпечують збільшення сил утримання якоря при знеструмлених обмотках, що дозволило підвищити здатність до відмикання вакуумних відмикачів середньої напруги. Удосконалено математичну модель взаємопов'язаних електромагнітних, магнітних і механічних процесів динаміки включення та відключення моностабільних поляризованих електромагнітів з висококоерцитивними постійними магнітами з витисканням магнітного поля в область повітряного шунта, з урахуванням зміни маси рухомої частини актуатора, що дозволило обґрунтувати доцільність використання феромагнітних шунтів. Вперше встановлено вплив форми та розмірів феромагнітного шунта в робочому зазорі моностабільних поляризованих електромагнітів з висококоерцитивними постійними магнітами з витисканням магнітного поля в область повітряного шунта на статичні тягові характеристики, що дозволило вибрати найбільш раціональні форми та розмір феромагнітного шунта, які забезпечують збільшення тягових сил на початковому ході якоря та підтверджена можливість роботи вакуумного відмикача з використанням розробленої конструкції моностабільного поляризованого електромагніта в режимі автоматичного повторного вмикання на одному заряді ємнісного накопичувача енергії. У дисертаційній роботі вирішено науково-практичну задачу з розробки та подальшого удосконалення моностабільного поляризованого електромагніта з висококоерцитивними постійними магнітами для актуатора вакуумних комутаційних апаратів на середні напруги з покращеними силовими характеристиками. Проведено аналіз науково-технічної літератури за конструктивними особливостями вакуумних вимикачів на середні напруги, а також актуаторов, які використані в їх конструкціях. Розроблено нову конструкцію моностабільного електромагніта з висококоерцитивними постійними магнітами з витісненням магнітного потоку в область повітряного шунта для актуатора вакуумних комутаційних апаратів на середні напруги з покращеними силовими характеристиками. Розроблено рекомендації щодо вибору розмірів частин магнітопроводу, а також розмірів постійних магнітів для створення сили утримання якоря електромагніта при знеструмленій обмотці не менше заданої, а також визначені обмотувальні дані електромагніта, виходячи з відомої сили протидії. Визначено доцільність використання в розробленій конструкції поляризованого моностабільного електромагніта феромагнітного шунта в робочому зазорі і розроблені рекомендації щодо вибору форми та лінійних розмірів феромагнітного шунта. Досліджена і удосконалена математична модель динамічних процесів вмикання та вимкнення моностабільних поляризованих електромагнітів з висококоерцитивними постійними магнітами з витисканням магнітного поля в область повітряного шунта. Проведені експериментальні дослідження процесів в розробленій конструкції поляризованого моностабільного електромагніта з висококоерцитивними постійними магнітами для актуатора вакуумного відмикача. Експериментально підтверджена достовірність отриманих розрахунковим шляхом результатів досліджень. Визначено вплив параметрів ємнісного накопичувача енергії на можливість виконання відмикачем режиму автоматичного повторного вмикання. Матеріали дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі електричних апаратів НТУ "ХПІ" в дисциплінах спеціальності «141 – електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» (спеціалізація «141.07 Електричні апарати»), курсовому та дипломному проектуванні та науково-дослідних роботах. Дисертаційна робота виконана на кафедрі електричних апаратів НТУ «ХПІ» в рамках договору з ТОВ "АВМ Ампер", м. Кременчук, про науково-технічне співробітництво та наукове консультування за темою «Удосконалення вакуумних комутаційних апаратів» (№ 33/227-2019), де здобувач був виконавцем окремих розділів.Dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences (Doctor of Philosophy) in specialty 05.09.01 «Electric Machines and Apparatus» (14 – Electrical Engineering) – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2021 year. The dissertation is devoted to the development and further improvement of the monostable polarized electromagnet with high-coercive permanent magnets with displacement of the magnetic flux into the air shunt region for the actuator of medium-voltages vacuum switching devices with improved power characteristics. The Ukraine’s modern market of medium voltages circuit breakers consists of almost 80% vacuum circuit breakers and most of them are foreign-made represented by companies from Europe, the United States and Asia. Ukraine has only three manufacturers which are engaged in the production of medium voltages vacuum circuit breakers: LLC RZVA-ELECTRIC, Tavrida Electric Ukraine and OJSC ABM AMPER. Considering market competition, the development of electromagnet design for actuators of medium-voltages vacuum switching devices is topical for satisfaction of Ukraine market’s demand for medium-voltage circuit breakers. The developed electromagnet design must have the holding anchor force in the attracted position not lower than models existing on the modern Ukrainian market and having a smaller total mass at the same time. The solution of the problem needs researches to creating fundamentally new electromagnet design of with improved power characteristics. For achieving the purpose such tasks were set and solved: – perform an analysis of design features of vacuum circuit breakers for medium voltages and their actuators; – develop new design of a monostable electromagnet with high-coercive permanent magnets for a medium-voltage vacuum switch actuator with improved power characteristic. Develop recommendations for choosing a size of the magnetic circuit parts and size of permanent magnets to create the holding force of the electromagnet anchor when the winding is de-energized is not less than the specified one. Also, determine the winding data of the electromagnet based on the known counteraction force. Define a feasibility of using the ferromagnetic shunt in the developed design of a polarized monostable electromagnet in the working gap and develop recommendations for choosing the linear dimensions of the ferromagnetic shunt; – research and improve a mathematical model of dynamic processes of switching on and off monostable polarized electromagnets with high-coercive permanent magnets with displacement of the magnetic field into the air shunt region; – experimental research the processes in the developed design of a polarized monostable electromagnet with high-coercive permanent magnets for a vacuum switch actuator. Confirm the reliability of the calculated research results experimentally. Determine the influence of the parameters of the capacitive energy storage device on the ability of the switch to perform the automatic re-activation mode. The object of the research is electromagnetic, magnetic, and mechanical processes in an electromagnetic actuator for medium-voltage switching devices. The subject of research is the parameters and characteristics of a monostable polarized electromagnet with highly coercive permanent magnets with magnetic field displacement into the air shunt region. Research methods. A numerical method for calculating magnetic fields is used, particularly the finite element method, which helps to analyze the influence of geometric parameters of the magnetic system on the anchor holding force in the attracted position, also static traction characteristics in the proposed electromagnet design is calculated, rational dimensions of the ferromagnetic shunt is determined. The calculations were performed using the Maple mathematical package and the Femm program. Numerical solution of partial differential equations is performed using the COMSOL Multiphysics software environment. Research of the developed electromagnet working was carried out on a real circuit breaker. Comparison of theoretical and experimental calculations was carried out by determining the relative error. The scientific novelty of the obtained results. For the first time new scientifically substantiated technical solutions for the construction of a monostable polarized electromagnet with high-coercive permanent magnets with the displacement of the magnetic field in the air shunt region which provide an increase of the anchor holding force in de-energized windings and increased the ability to switch-off medium-voltage vacuum circuit breakers. The mathematical model of interconnected electromagnetic, magnetic and mechanical processes of switching on and off dynamics of monostable polarized electromagnets with highly coercive permanent magnets with magnetic field displacement in the air shunt region, taking into account change of weight of a actuator mobile part which allowed to justify the feasibility of using ferromagnetic shunts. For the first time, the influence of the shape and size of a ferromagnetic shunt in the working gap of monostable polarized electromagnets with highly coercive permanent magnets with the magnetic field displacement in the air shunt region on static traction characteristics was determined which allowed to choose the most rational shapes and sizes of the ferromagnetic shunt and provided an increase in traction forces at the anchor start move and confirmed the possibility of the vacuum circuit breaker working using the developed design of a monostable polarized electromagnet in the mode of automatic reconnection on a single charge of the capacitive energy storage. The dissertation is solved the scientific and practical problem of developing and further improving a monostable polarized electromagnet with high-coercive permanent magnets for the actuator of medium voltages vacuum switching devices with improved power characteristics. Review scientific and technical literature on the design features of vacuum switches for medium voltages including actuators that are used in their. A new design of a monostable electromagnet with high-coercive permanent magnets with displacement of the magnetic flux into the air shunt region for the actuator of medium voltages vacuum switching devices with improved power characteristics has been developed. Recommendations for choosing the size of the magnetic circuit parts, and the size of permanent magnets to create the holding force of the electromagnet armature when the winding is de-energized, not less than the specified one are developed, and the winding data of the electromagnet based on the known counteraction force are determined. The expediency of using a ferromagnetic shunt in the working gap in the developed design of a polarized monostable electromagnet is determined and recommendations for choosing the shape and linear dimensions of a ferromagnetic shunt are developed. Define a feasibility of using ferromagnetic shunt in the working gap of the developed design of a polarized monostable electromagnet and the recommendations concerning a choosing a shape and linear dimensions of the ferromagnetic shunt are develop. A mathematical model of dynamic switching on and off processes of monostable polarized electromagnets with high-coercive permanent magnets with compression of the magnetic field in the air shunt region is Researched and improved. Experimental researches of processes in the developed design of a polarized monostable electromagnet with high-coercive permanent magnets for a vacuum switch actuator are carried out. The reliability of the calculated research results was confirmed experimentally. The influence of the parameters of a capacitive energy storage device on the ability of the switch to perform automatic re-activation mode is determined. The materials of the dissertation are used in the educational process at the Department for Electrical Apparatus of NTU "KhPI" in disciplines of specialty "141 – Electrical Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics" (specialization "141.07 Electrical Apparatus"), preparing for course works and diploma theses, as well as in research work. Dissertation work was performed at the Department of Electrical Apparatuses of NTU "KhPI" as a part of the initiative research work of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" K3301 "Improvement of vacuum switching devices" (State registration No. 0119U002552), where the applicant was the executor of separate sections. Agreement with "ABM Ampere" LLC, Kremenchuk, on scientific and technical cooperation and scientific advising on the subject "Improvement of vacuum switching devices" (No. 33/227-2019), where the applicant was the executor of separate sections.