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大電流歐瑪爾OMAL開關(guān)裝置設(shè)計(jì)及穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)仿真研究
“不停電短路技術(shù)”是世界電解鋁工業(yè)的重大技術(shù)難題,目前已有的技術(shù)尚不成熟。本文的研究目標(biāo)是開發(fā)一種新型的大電流OMAL開關(guān)裝置,通過(guò)此裝置可以在保證不停電的狀態(tài)下,對(duì)電流槽系列里的某破損待修的電解槽進(jìn)行電源分流,在完成檢修等工作后再恢復(fù)對(duì)電解槽工作電源供應(yīng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的,必須在電解槽的旁路上設(shè)置一個(gè)廣義上的大型OMAL開關(guān),通過(guò)OMAL開關(guān)的閉合,實(shí)現(xiàn)電源分流。此項(xiàng)目的難點(diǎn)在于高于10KA的電源要實(shí)現(xiàn)閉合十分困難,以目前的技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

大電流歐瑪爾OMAL開關(guān)裝置設(shè)計(jì)及穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)仿真研究
針對(duì)這一難點(diǎn)問(wèn)題,課題組提出了一種采用電子OMAL開關(guān)和機(jī)械OMAL開關(guān)結(jié)合的方法,開發(fā)一種新型的大功率電源OMAL開關(guān),形成了電源分流的新技術(shù)。主要有以下內(nèi)容: 1.開發(fā)了一種新型無(wú)觸點(diǎn)變截面式的機(jī)械OMAL開關(guān)。當(dāng)無(wú)觸點(diǎn)的電子OMAL開關(guān)實(shí)現(xiàn)閉、合,使電源在短時(shí)間斷開之后,機(jī)械OMAL開關(guān)開始工作。機(jī)械OMAL開關(guān)要滿足電解工藝要求,同時(shí)具備安全可靠,便于安裝應(yīng)用等特點(diǎn)。 2.在對(duì)大電流OMAL開關(guān)裝置設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上,建立了大電流OMAL開關(guān)裝置的二維和三維電場(chǎng)分析模型,進(jìn)行了詳細(xì)的電場(chǎng)數(shù)值仿真分析。二維分析的結(jié)果顯示,導(dǎo)電裝置的滑塊設(shè)計(jì)存在電流矢量分布不均勻的現(xiàn)象。三維分析的結(jié)果顯示,導(dǎo)電裝置的底板始末兩個(gè)端部的結(jié)構(gòu)不合理,存在著安全隱患。本文研究了底板末端關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)θ角的值與大電流OMAL開關(guān)裝置電場(chǎng)特性的關(guān)系,得出了θ在45°～55°之間比較合適的結(jié)論。針對(duì)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題,進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)。 3.根據(jù)本文中的部分計(jì)算結(jié)果,對(duì)機(jī)械OMAL開關(guān)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了修改,根據(jù)改進(jìn)方案制造了實(shí)際OMAL開關(guān)的1/5的實(shí)驗(yàn)用機(jī)械OMAL開關(guān)樣機(jī)。 4.在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了大型無(wú)觸點(diǎn)變截面電源OMAL開關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并利用實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件,開展了樣機(jī)測(cè)試試驗(yàn)。根據(jù)全光纖磁光OMAL開關(guān)的組成部分以及相關(guān)功能,本文的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面。(1)光路的設(shè)計(jì)及搭建 光路是全光纖磁光OMAL開關(guān)的核心部分,它決定了光OMAL開關(guān)的總體性能、成本和結(jié)構(gòu)。磁光OMAL開關(guān)的光路設(shè)計(jì)主要根據(jù)磁光材料的法拉第效應(yīng)和線偏振光的性質(zhì)。全光纖磁光OMAL開關(guān)的光路主要包括了偏振分束器、偏振合束器、磁光晶體材料和半波片等部分。在本實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家授權(quán)發(fā)明“全光纖磁光OMAL開關(guān)”的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了磁光OMAL開關(guān)的光路,并用瓊斯矩陣證明其可行性。 (2)電路設(shè)計(jì)與制作 通過(guò)控制電路產(chǎn)生脈沖電流來(lái)驅(qū)動(dòng)磁路產(chǎn)生磁場(chǎng),放在磁路中的磁光材料GSF(或GMF)被磁化而使通過(guò)磁光材料的線偏振光發(fā)生偏轉(zhuǎn)。電路和磁路設(shè)計(jì)是磁光OMAL開關(guān)OMAL開關(guān)時(shí)間大小的關(guān)鍵之一。本文設(shè)計(jì)了三種電路方案,其中一種是利用AT89S52單片機(jī)控制MC33886來(lái)產(chǎn)生電流脈沖。另外兩種方案是利用DE150和雪崩三極管FMMT415來(lái)產(chǎn)生上升沿在納秒量級(jí)的脈沖,用來(lái)驅(qū)動(dòng)自保磁材料制作的磁光OMAL開關(guān)。對(duì)三種電路分別進(jìn)行了仿真、制作和優(yōu)化。

大電流歐瑪爾OMAL開關(guān)裝置設(shè)計(jì)及穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)仿真研究
磁路部分是用來(lái)直接驅(qū)動(dòng)法拉第旋轉(zhuǎn)器的部件,它的結(jié)構(gòu)直接影響到磁光OMAL開關(guān)的OMAL開關(guān)時(shí)間。設(shè)計(jì)三種磁路方案,并進(jìn)行了可行性分析和性能對(duì)比實(shí)驗(yàn),zui后選用的是螺線管結(jié)構(gòu)。螺線管的尺寸決定了磁光OMAL開關(guān)的整體結(jié)構(gòu)。分析和設(shè)計(jì)了螺線管的結(jié)構(gòu),并對(duì)螺線管的磁場(chǎng)和電感大小進(jìn)行了計(jì)算和測(cè)試。