Analýza dynamické charakteristiky zkratové spouště jističe nn

Konference ANSYS 2009

Analýza dynamické charakteristiky zkratové spouště jističe nn Ing. Petr Kačor, Ph.D., Ing. Martin Marek, Ph.D. VŠB-TU Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra elektrických strojů a přístrojů, 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, 70833, [email protected] , [email protected] Abstract: Short-Circuit release is integral part of low voltage circuit breaker. Design of shortcircuit release is very simple and it consists of metal cover, moving armature, compression spring and copper winding. If short-circuit current flows through coil of short-circuit release the electromagnetic force takes effect on armature. The armature starts to move and hits the pawl of switching mechanism and switching contacts are put in motion. Paper deals with using of Ansys Workbench for computing and analysis of dynamics characteristic of short-circuit release of low voltage circuit breaker. Keywords: Short-Circuit Release, Circuit Breaker, Electromagnet, Dynamics Characteristic, Ansys WorkBench Abstrakt: Zkratová spoušť je nedílnou součástí jističe nn. Konstrukčně se spoušť skládá z pláště a pohyblivé kotvy s tlačnou pružinou,kotvu dále obklopuje vinutí (cívka) tvořeno několika závity měděného vodiče. Průchodem zkratového proudu v jištěném obvodu dochází k pohybu kotvy spouště a vznikající síla působí na zámek mechanismu a dojde k vybavení jističe. V příspěvku bude prezentováno využití ANSYS Workbench pro výpočet dynamické charakteristiky zkratové spouště jističe. Klíčová slova: zkratová spoušť, jistič, elektromagnet, dynamická charakteristika, Ansys Workbench

1. Úvod Jističe nn patří mezi hromadně vyráběné elektrické přístroje, a proto jejich konstrukce musí být nejen jednoduchá, ale i relativně levná. Zároveň však musí být splněno i hledisko bezpečnosti a provozní spolehlivosti. Základními částmi jističe jsou připojovací svorky, kontaktní systém ovládaný spínacím mechanismem, zhášecí komora a spouště. Spouště se dělí na časově závislou tepelnou spoušť (bimetal), která reaguje na nadproudy a dále pak na časově nezávislou zkratovou spoušť, která reaguje na zkraty a je tvořena elektromagnetem. Právě druhá uvedená spoušť bude předmětem tohoto příspěvku. Pomocí Ansys Workbench provedeme analýzu zkratové spouště a to výpočtem jak statické, tak dynamické charakteristiky.

TechSoft Engineering & SVS FEM

2. Elektromagnetická zkratová spoušť Jak už název spouště napovídá, její hlavní funkcí je reakce na průchod zkratového proudu v jištěném obvodu. Spoušť je umístěna přímo v jističi a protože snímá průběh proudu, je do jištěného obvodu zapojena v sérii. Zkratová spoušť se dále skládá z feromagnetického pláště, který je otevřený a pohyblivé kotvy s tlačnou pružinou. Vinutí je tvořeno několika závity a je umístěno mezi pláštěm a kotvou. Jeden konec vinutí je vyveden na svorku jističe, druhý konec vinutí na plášť spouště, která na jednom konci tvoří pevný kontakt jističe, viz Obr.1.

Obr.1 – Jističe nn a pohled na elektromagnetickou spoušť Při průchodu jmenovitého proudu nebo nadproudu udržuje kotvu spouště v klidu tlačná pružina a spoušť je v klidu. Při průchodu zkratového proudu však vzniká již tak velká síla, která překoná sílu tlačné pružiny umístěné uvnitř kluzného vedení kotvy a způsobí její pohyb. Kotva tak naráží na západkový systém mechanismu jističe spřažený s pohyblivým kontaktem a dojde k vypnutí jističe. Díky energii naakumulované v tlačné pružině se po vypnutí poruchového proudu vrací kotva zpět a spoušť je připravená k další činnosti. Pro náš případ analýzy jsme zvolili spoušť, která je obsažena v jističi nn se jmenovitým proudem 10A s charakteristikou B (domovní rozvody světelné). Z hlediska konstrukce připomíná zkratová spoušť plášťový stejnosměrný elektromagnet, před vybavením jím však prochází proud střídavý. V okamžiku zkratu proud narůstá i přes 100násobek jmenovitého proudu a pokud jistič správně reaguje, projde spouští pouze jedna půlvlna zkratového proudu. Průběh proudu může vypadat např. tak, jak ukazuje Obr.2.

Obr.2 – Průběh proudu s napětí na jističi při vypínání zkratu


2.1

Vytvoření elektromagnetického modelu

Jak už bylo řečeno, zkratová spoušť je vlastně elektromagnet, který má své působení nastaveno podle velikosti průchozího proudu a v protitahu působící pružiny. Základem analýzy bude tedy elektromagnetický model spouště. Pro vlastní analýzu jsme vybrali Ansys Workbench, který je schopen řešit lineární a nelineární magnetostatické úlohy. Model zkratové spouště byl vytvořen v software Solid Works a do Ansys Workbench, resp. Design Modeleru byl dále jednoduše neimportován, viz Obr.3.

Obr.3 – Model spouště v Design Modeleru Abychom mohli nastavovat velikost vzduchové mezery importujeme zvlášť plášť a zvlášť kotvu spouště. Vzdálenost mezi souřadnými systémy importu je nastavena jako parametr, který můžeme snadno měnit a tím nastavovat polohu kotvy. Podle klasického postupu ještě vytvoříme vinutí cívky a to podle závitů a jejich rozměrů dle reálné konstrukce spouště. Z pohledu elektromagnetické analýzy je důležité znát materiálové charakteristiky konstrukčních ocelí, které se v tomto případě zjišťovaly měřením magnetických vlastností v Laboratoři magnetických měření na VŠB-TU Ostrava. Plášť spouště a kotva s pólovým nástavcem jsou vyrobeny z konstrukční oceli a jejich charakteristiky je možno vidět na Obr.4.

Obr.4 – BH a magnetovací charakteristiky konstrukčních materiálů spouště


2.2

Řešení statické tahové charakteristiky

Statická tahová charakteristika popisuje nejčastěji chování elektromagnetu při U= konst. nebo I= konst. a jedná se o závislost změny velikosti síly – F na velikosti vzduchové mezery – s. Obecně musí mít statická charakteristika v každé poloze kotvy takový průběh, aby potřebná elektromagnetická síla převyšovala mechanickou sílu zátěže. Pro náš případ byly zvoleny 3 hodnoty proudů a to jmenovitý proud jističe: I1= 10A, dále nadproud, kdy reaguje tepelná spoušť jističe: I2= 30A a konečně zkratová hodnota proudu I3= 1500A. Podle platných pravidel budeme posuzovat velikost síly na vzduchové mezeře při I= konst.

Obr.5 – Rozložení magnetické indukce na modelu spouště, I= 10A

Obr.6 – Statická charakteristika spouště při I= 10A a I= 1500A Jak je vidět na Obr.5 při proudu I= 10A dosahuje magnetická indukce malých hodnot v rozpětí B= 0,2 – 0,4 T, hodnoty se zvyšují na záhybech a lomech. Magnetický obvod je na bocích spouště otevřený a tak vzniká značný rozptyl magnetického pole. V přitaženém stavu kotvy se magnetický obvod uzavírá (vzduchová mezera je malá a nastavena na s= 0,1mm) a rostou i hodnoty magnetické indukce, které zde dosahují cca B= 0,8-1,0T. Ze statických závislostí na Obr.6 je dále vidět, jak při proudu I= 10A nevyvolá elektromagnetická síla tah kotvy a to z důvodu protitahu pružiny, která je předepjatá i v krajní poloze kotvy (otevřeném stavu) spouště. Při proudu I= 1500A je magnetický obvod zcela přesycen, rozptyl je značný a síla působící na kotvu zůstává prakticky shodná po celou dobu zdvihu, má jen velmi mírný rostoucí charakter. Provedená analýza ukázala shodu výsledků s realitou. Spoušť skutečně nepůsobí ani při průchodu jmenovitého proudu jističem, ani při průchodu nadproudu. V klidu ji udržuje protitah tlačné pružiny.


2.3

Řešení dynamické tahové charakteristiky

Dynamická tahová charakteristika nám poskytuje údaje o časové změně síly a zdvihu kotvy elektromagnetu. Její určení je z hlediska analytického výpočtu možné pouze při značném zjednodušení. Dynamická charakteristika se určuje převážně jen tam, kde je rychlost působení elektromagnetu rozhodující. Průběh proudu při zkratu je rychle probíhající dynamický děj a aby jistič splnil omezovací funkci, musí být kontakty v rozpojeném stavu a oblouk ve zhášecí komoře mnohem dříve, než zkratový proud dosáhne své maximální hodnoty. To se realizuje prakticky mžikovým mechanismem rozpojení kontaktů, přičemž spoušť dávající pokyn k rozpojení kontaktů musí reagovat v dostatečném předstihu. Je tedy v tomto případě stanovení dynamiky pohybu kotvy velmi důležité.

Obr.7 – Metoda postupného přibližování Analyticky se pro stanovení doby pohybu kotvy používá metody postupných přiblížení. Výpočet je značně zdlouhavý, nejprve je potřeba stanovit soustavu parametrických křivek spřaženého toku v závislosti na velikosti proudu cívkou a poloze kotvy. Z těchto křivek dosazujeme postupným přibližováním do dvou nelineárních rovnic, viz Obr.7, vycházíme z poznatku, že mechanická práce Fk·∆s vykonaná posuvem kotvy na dráze ∆s je úměrná ploše mezi dvěma křivkami Ψ = f(i) sestrojenými pro počáteční a konečnou polohu kotvy na intervalu ∆s, blíže viz “( Buľ, 1977). Průběh a velikost proudu při zkratu určují především vlastnosti zdroje (tvrdá síť) a impedance poruchové smyčky. Tohoto poznatku využijeme a pro další řešení budeme uvažovat, že řídící veličinou pro elektromagnetickou sílu uvádějící do pohybu kotvu zkratové spouště je rozhodující průběh proudu v obvodu. Systém budeme řešit a analyzovat v Ansys Workbench, který, zatím, umožňuje řešit pouze magnetostatické úlohy. Dobu působení spouště si rozdělíme na určitý počet shodných časových intervalů, ve kterých předpokládáme, že síla je konstantní. Čím více těchto intervalů bude, tím přesnější bude i výpočet. Pro první přiblížení předpokládejme krok – ∆t= 0,0001s. Celkovou dobu působení spouště, než se dají kontakty do pohybu, lze vysledovat pomocí záznamu z vysokorychlostní kamery a lze ji s dostatečnou přesností určit ze záznamu zkoušky jističe, viz Obr.2. V každém z časových intervalů předpokládáme konstantní působení elektromagnetické síly – Fmag na kotvu vyvolanou působícím proudem, která dále kotvě udělí rovnoměrně zrychlený pohyb se střední rychlostí – ∆v. Každý předchozí interval je počáteční podmínkou pro následující interval řešení. Souhrnně vzato, metodiku řešení ukazuje Obr.8. Výpočet „nastartujeme“ počáteční volbou časového intervalu, který určí pomocí zkušebního protokolu velikost proudu cívkou spouště. Pak již postupujeme se shodným časovým krokem –


∆t= 0,0001s. Při výpočtu využíváme možnosti parametrického zadávání proudu – ix a polohy kotvy – sx. Parametricky rovněž zjišťujeme velikost výsledné síly působící v daném okamžiku na kotvu spouště. Výsledky jsou zpracovávány pomocí Ms Excel ve formě tabulky, viz Tab.1.

Obr.8 – Metoda výpočtu dynamiky pohybu kotvy

t(s) 0,0000 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005 0,0006 0,0007 0,0008 0,0009 0,0010 0,0011 0,0012 0,0013 0,0014 0,0015 0,0016 0,0017 0,0018 0,0019 0,0020 0,0021 0,0022 0,0023 0,0024 0,0025

I(A) 1 31 74 119 161 204 247 289 330 372 414 454 493 533 571 609 646 680 714 748 779 810 840 868 895 921

Fmag(N) 0,000 0,000 1,468 3,306 5,293 7,631 10,003 12,353 14,322 16,040 17,888 19,479 21,102 22,596 23,904 25,309 26,699 27,790 29,108 30,240 31,547 33,467 34,946 36,943 38,126 40,133

Fspr(N) 1,258 1,258 1,258 1,258 1,264 1,278 1,302 1,338 1,386 1,445 1,514 1,593 1,681 1,778 1,883 1,995 2,114 2,241 2,373 2,512 2,657 2,808 2,966 3,133 3,308 3,490

Fk(N) 0,000 0,000 0,210 2,048 4,028 6,353 8,701 11,015 12,936 14,595 16,374 17,886 19,421 20,818 22,021 23,314 24,584 25,549 26,734 27,727 28,890 30,659 31,979 33,810 34,818 36,643

a(m/s2) 0 0 181 1768 3478 5485 7512 9511 11170 12602 14138 15444 16769 17975 19014 20131 21228 22061 23084 23942 24945 26473 27613 29194 30064 31640

∆v(m/s) 0,000 0,000 0,009 0,093 0,220 0,384 0,568 0,759 0,938 1,099 1,257 1,400 1,539 1,668 1,785 1,899 2,011 2,108 2,208 2,301 2,398 2,523 2,642 2,781 2,894 3,029

∆s(mm) 0,000 0,000 0,000 0,009 0,022 0,038 0,056 0,075 0,093 0,109 0,125 0,140 0,153 0,166 0,178 0,189 0,201 0,210 0,220 0,230 0,239 0,252 0,264 0,278 0,289 0,302

Tab. 1. Řešení dynamiky pohybu kotvy zkratové spouště

Σs(mm) 0,000 0,000 0,000 0,010 0,032 0,070 0,127 0,203 0,297 0,407 0,532 0,672 0,826 0,993 1,172 1,361 1,563 1,773 1,994 2,224 2,464 2,716 2,981 3,259 3,548 3,851

s(mm) 3,60 3,60 3,599 3,589 3,567 3,529 3,472 3,396 3,302 3,192 3,067 2,927 2,773 2,606 2,427 2,238 2,036 1,826 1,605 1,375 1,135 0,883 0,618 0,340 0,051 -0,25


V Tab.1 představují veličiny: t – čas, I – proud vinutím, Fmag – elektromagnetická síla působící na kotvu, Fspr – síla protitahu pružiny, Fk – výsledná síla urychlující kotvu spouště, a – zrychlení kotvy, ∆v – přírůstek rychlosti kotvy, ∆s – přírůstek dráhy kotvy, Σs – celková dráha kotvy, s – vzduchová mezera. Na Obr.9 je vidět časová závislost proudu, působící síly a změny vzduchové mezery. Jak se dalo předpokládat, na počátku řešení, kdy proud procházející vinutím cívky spouště dosahuje malých hodnot, překonává síla tlačné pružiny elektromagnetickou sílu a ponechává kotvu v klidu. S rostoucím časem však dochází k výraznému zvětšení síly a kotva se dává do pohybu.

Obr.9 – Grafická závislost vypočtených hodnot Jak roste čas, nerovnoměrně zrychlený pohyb kotvy způsobuje rapidní zmenšování vzduchové mezery, lepší uzavírání magnetického toku, avšak vlivem značného přesycení magnetického dochází k rozptylu a tím i mírnému poklesu síly. Kotva naráží na západkový mechanismus v čase cca 1,6ms od počátku působení proudu, dojde k přenosu energie na západkový systém a změně dynamiky pohybu. Tento děj již však nebyl v práci analyzován.

3. Závěr Provedená analýza ukazuje, že je možné použít statické řešení elektromagnetického pole pomocí Ansys Workbench i tam, kde probíhá dynamický děj systému. Je potřeba ale uvažovat nad provedeným zjednodušením, zda neúměrně nezatíží výslednou analýzu velkou chybou. Jak se ukázalo z ověřovacího měření, které bylo realizováno pomocí impulsního zdroje proudu, záznamového osciloskopu a vysokorychlostní kamery, pohybuje se výpočet pohybu kotvy elektromagnetu v rozumných hodnotách. Přesnost výpočtu je dána především zvoleným dělením


časového intervalu a rovněž popisem magnetických vlastností konstrukčních prvků. Pro přesnější analýzu by pak bylo vhodnější využití magneto-strukturální úlohy a řešení v prostředí ANSYS transientní analýzou. Doba sestavení modelu a vlastního řešení však i dnes může překročit reálné možnosti výpočetního hardware.

4. Reference Práce vznikla v rámci projektu “Příprava populárně naučných přednášek a podkladů o základní problematice elektroenergetiky, elektrických strojů a přístrojů ROZP2009/19/16.

1. Ansys Help System, ANSYS 10, 2009 2. Buľ B. K., „Elektrické přístroje“, Praha, 1977 3. Sobčák J., „Výpočet statické a dynamické charakteristiky zkratové spouště 1f jističe nn“, VŠB-TU Ostrava, diplomová práce, Ostrava, 2009

Analýza dynamické charakteristiky zkratové spouště jističe nn

Recommend Documents