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时间:2016年06月29日 来源:未知 作者:admin 浏览:

  [低压开关电器主电温度场的有限元分析]:摘要: 基于有限元软件Ansys 的热电耦合功能,采用导电桥模型模拟触头间电流收缩和焦耳发热,对某型低压开关电器样机的主电进行了稳态温度场仿真计算,并通过试验验证了模型的准确性。在稳态温度场分析模型...

  摘要: 基于有限元软件Ansys 的热电耦合功能,采用导电桥模型模拟触头间电流收缩和焦耳发热,对某型低压开关电器样机的主电进行了稳态温度场仿真计算,并通过试验验证了模型的准确性。在稳态温度场分析模型基础上,建立了开关电器瞬态温度场分析模型。使用瞬态热分析模型,对其在承受短时大电流情况下的温度分布进行了仿真,给出了判断触头静熔焊的依据,并分析了开关电器的热稳定性。仿真结果对低压开关结构优化设计提供了参考。 0 引言 低压开关电器工作时,载流导体流过电流会产生焦耳热能,焦耳热能一部分散失到周围介质中,一部分加热开关电器,导致本身温度升高,严重时会导致触头熔焊。优德娱乐场w88官网传统的电器热分析采用牛顿热计算公式,计算误差比较大,而且不能计算场域的温度分布。目前进行热分析主要有2 种方法,即有限元法和热网络有限差分法。使用有限元法,可以全方面考虑多种因素,获得内部的温度分布以及最高温度及所在。 Lindmayer 建立了低压断器热分析的简化模型,并基于热电耦合对低压断器的温度场进行了仿真,模型中考虑了传导和对流散热。其他学者在低压开关电器热分析方面也做了不少研究工作,主要有:基于机械、电和热耦合分析,研究了导体接触处的发热和散热过程;在Lindmayer断器简化模型的基础上,进一步细化了模型,不仅分析导体部分,还分析了非导体部分,为断器中非导体材料的选择和设计提供了依据[4-7]。国内有关相关专家通过对交流接触器发热和散热过程的分析,基于热电耦合对于长期工作制下的交流接触器进行了数值热分析,分析了主回接线端拧紧力的大小、主触头弹簧终压力的大小,以及连接导线截面大小对温度场的影响[7]。 本文采用导电桥模型模拟触头接触发热,使用Ansys 对问题进行求解。仿真分析了低压开关电器长期工作制下的稳态温升,并通过试验进行验证;并以稳态温度场分析模型为基础,建立了开关电器瞬态温度场分析模型。在短时大电流情况下,使用瞬态热分析模型计算了开关主电的温度场分布,给出了判断触头是否熔焊的依据,为转换开关结构优化设计提供了理论参考。 1 转换开关温度场计算模型 1.1 主电的简化几何模型 研究对象为额定电流为200 A 的某型双触头低压开关电器,其主电主要由进线端、静导电杆、动导电杆、动静触头、软连接和出线端几部分组成。 为便于仿真计算,软连接采用等效阻值的长方体代替。开关主电的简化模型如图1 所示。 图1 主电简化几何模型。 1.2 温度场计算模型 低压开关在长期工作制下,电流通过载流部分产生焦耳热,包括主电和电磁系统2 部分。 考虑到此型开关的特殊构造,主电和电磁系统相分离,分析时忽略电磁系统发热对主电温升的影响。产生的热损耗通过传导、对流和辐射3种方式散失到周围的中。 为便于计算求解,做如下简化处理:忽略临近热源的影响;材料同性;瞬态发热情况下,三维热传导方程为: 稳态发热情况下,三维热传导方程为: 式中ρ———材料密度 c———材料比热容 T———温度 λ———导热系数 q———单位体积内热源生成热 x、y、z———直角坐标 内部电考虑载流导体热传导,导体与绝缘体之间界面采用绝热条件;接线端表面通过自然对流和辐射散热,采用综合散热系数进行计算。 绝热边界条件: 散热边界条件: 式中αT———综合散热系数 T0———物体温度 Tf———温度 1.3 导电桥模型 由于触头表面是凹凸不平的,动、静触头实际只在少数突出的点发生真正的接触。电流流过接触处时电流线收缩,流过导电斑点附近的电流径增长,有效导电界面减小,这样就产生了接触电阻。为模拟动、静触头之间的接触,假设触头中心有一圆柱体的导电桥联系动静触头,用此模型来模拟动、静触头的电接触,如图2 所示。 导电桥的材料属性与触头材料相同,圆柱体半径r 由Holm 公式计算得到,而导电桥的高度h 采用2 倍的凸起高度,一般在几μm 到几十μm 之间,本文采用20 μm。 式中F—[工业电器网-cnelc]——触头压力 H———材料硬度 ξ———触头表面接触系数,一般为0.3 ~0.6 图2 导电桥模型。 1.4 接线端处理: 连接导线不但有接线端传入的热量,其自身也有电阻损耗,热量通过导线表面散热。优德娱乐场w88官网该过程对于开关电器的热分析有很重要的作用,忽略该过程就会使结果不够准确。为简化该过程,在建模过程中不将导线建立在分析模型中,而将导线的作用归算到接线端子的边界条件中。 电流流过导体时,产生的焦耳热加热自身,使导体的温度升高,温升的计算公式如下: 接线端流入导线的热量: 式中I———流过导体的电流 Tt———接线端温度 Tr———导线的温度 a———导线散热系数 B———导体截面周长 Ac———导体截面积 λc———导体的热导率 2 稳态条件下的仿真结果与试验验证 2.1 仿真结果 使用三维有限元软件包Ansys,通过直接耦合电场和热场,对开关电器在额定工作条件时主电进行温度场仿真。其中,触头压力为10 N,材料为AgSnO2,其他部分为Cu。 开关主电温度场的仿真结果如图3 所示。 其中,1 ~ 5 是试验中选取的5 个测量点。由图3可见,最高温度出现在导电桥部分,动、静触头温度次之,出线端温度最低。对此,接触电阻是开关升温的最主要热源,且触头处散热条件较差,故这里温度较高,而出线端离导电桥距离较远,还可以通过连接导线散热,因此,温度比其他部位低一些。 开关主电电位分布如图4 所示。由图4 可以看出,主要的电压降出现在导电桥部分,因为导体本身电阻引起的压降较小,也进一步说明,动、静触头的接触电阻引起的焦耳热是开关电器主电发热的主要热源。 图3 开关主电温度场仿真结果。 图4 开关主电电位分布。 2.2 试验验证 为了验证仿真模型的正确性,根据低压开关电器相关国标,采用热电偶对选定测量点进行温升试验,并测量主电电阻。使用直流电焊机给主电通200 A 直流电流,进过多次测量得到出线端与进线端之间的电压降为0.024 V,而仿真结果为0.026 V,与试验结果存在一定差异。这主要是由于采用导电桥模型来模拟动、静触头的接触,而选取的导电桥尺寸与实际接触情况具有一定差异。 采用热电偶对开关电器在额定工作条件下的稳定温升进行测量,选取主电中的5 处作为测量点。测量点的计算值与实测值比较如图5 所示。这主要是由于采用导电桥模型与实际接触情况具有一定差异;此外,模型的简化、综合散热系数和材料参数的选取对结果也有一定的影响。 图5 测量点的计算值与实测值比较。 3 大电流情况下热稳定性仿真与分析 当开关通过大电流时,热损耗功率很大,触头易发生熔焊。由于导电桥的体积很小,导电桥温度迅速上升,极短时间内便超过材料的软化温度,因此,可以忽略材料从起始温度达到软化点温度的过程,直接使用软化后的材料硬度。通过温度场分布,可以得到整个触头部分的熔化范围。由此,结合材料本身的熔焊强度,就可以计算得到触头的熔焊力。当熔焊力大于触头分断力时,触头就不能分。