Improving the efficiency of direct current contactors operation through the use of an arc extinguishing chamber with permanent magnets

Abstract

The objectives of this study are to prove the operability and efficiency of an arc extinguishing chamber equipped with neodymium permanent magnets of grade N35 specifically for application in direct current circuits of railway locomotives, and to confirm that a direct current breaking arc can be extinguished solely by a non-uniform magnetic field created by these magnets. To achieve this goal, a series of calculations based on a computer model of the full breaking arc extinction process in the aforementioned chamber was carried out for currents ranging from 88 A to 0.4 kA. Several important tasks were solved during this research, and we also focused on the analysis of existing DC contactors and their arc systems, the structural design of the chamber, increasing the extinction speed, and ensuring bidirectional commutation, which is critical for traction motors operating in regenerative braking mode. The key results obtained during the simulation are successful extinction solely by the non-uniform field of the N35 magnets, an extinction time of ~5 ms at 0.4 kA, and proven operability during changes in current direction. The practical significance of this work lies in applying the chamber in railway DC contactors to optimize the overall layout of electrical apparatus and power supply systems, reduce the associated technological requirements for switching equipment production, enhance reliability and operational safety due to higher speed, and scale the proposed solution for a series of DC contactors for both power and auxiliary circuits.

Obiectivele acestui studiu sunt demonstrarea operabilității și eficienței unei camere de stingere a arcului, echipate cu magneți permanenți din neodim, de gradul N35, special destinată aplicațiilor în circuitele de curent continuu ale locomotivelor feroviare, precum și confirmarea faptului că un arc electric de rupere în curent continuu poate fi stins exclusiv prin intermediul unui câmp magnetic neuniform creat de acești magneți. Pentru atingerea acestui obiectiv, s-a efectuat o serie de calcule bazate pe un model computerizat al procesului complet de stingere a arcului electric de rupere în camera menționată anterior, pentru curenți cuprinși între 88 A și 0.4 kA. În cadrul acestei cercetări au fost rezolvate mai multe sarcini importante, concentrându-ne, de asemenea, asupra analizei contactoarelor de curent continuu existente și a sistemelor lor de stingere a arcului, asupra proiectării structurale a camerei, asupra creșterii vitezei de stingere și asupra asigurării comutației bidirecționale, esențială pentru motoarele de tracțiune care funcționează în regim de frânare regenerativă. Rezultatele-cheie obținute în timpul simulării constau în stingerea cu succes a arcului electric exclusiv prin câmpul magnetic neuniform generat de magneții N35, obținerea unui timp de stingere de aproximativ 5 ms la un curent de 0.4 kA și demonstrarea operabilității în timpul schimbării direcției curentului. Semnificația practică a acestei lucrări constă în aplicarea camerei de stingere în contactoarele de curent continuu utilizate în domeniul feroviar, în vederea optimizării configurației generale a aparatelor electrice și a sistemelor de alimentare cu energie electrică, a reducerii cerințelor tehnologice asociate producerii echipamentelor de comutare, a sporirii fiabilității și siguranței în exploatare datorită vitezei mai mari de stingere și a extinderii soluției propuse la o gamă de contactoare de curent continuu, atât pentru circuitele de putere, cât și pentru cele auxiliare.

Основными целями настоящего исследования являются: доказательство работоспособности и эффективности дугогасительной камеры с неодимовыми постоянными магнитами в контексте её применения в цепях постоянного тока железнодорожных локомотивов и подтверждение тезиса о том, что электрическая дуга отключения постоянного тока может быть погашена исключительно посредством неоднородного магнитного поля постоянных магнитов. Для достижения поставленной цели была проведена серия расчётов компьютерной модели процесса гашения электрической дуги отключения в упомянутой дугогасительной камере при токах от 88 А до 0.4 кА; были решены задачи анализа существующих контакторов постоянного тока и их систем дугогашения, конструирования исследуемой дугогасительной камеры, увеличения скорости гашения электрической дуги отключения постоянного тока, а также задача двунаправленной коммутации постоянного тока, которая необходима для работы тяговых электродвигателей электровозов в режиме рекуперации. Наиболее важными результатами являются: гашение электрической дуги отключения исключительно посредством неоднородного магнитного поля неодимовых постоянных магнитов марки N35, время гашения электрической дуги отключения (~5 мс при токе 0.4 кА), а также возможность работы исследуемой дугогасительной камеры при изменении направления тока коммутации (при двунаправленной коммутации). Значимость полученных результатов состоит в применении исследуемой дугогасительной камеры в контакторах постоянного тока, которые применяются в цепях железнодорожных локомотивов, что может позволить оптимизировать компоновку электрических аппаратов и систем электроснабжения электровозов постоянного тока в целом, снизить технологические требования к производству коммутационной аппаратуры железнодорожного транспорта, повысить надёжность и безопасность эксплуатации железнодорожных локомотивов в силу увеличения быстродействия электрических аппаратов, а также масштабирование предложенного технического решения в рамках создания линейки контакторов постоянного тока для силовых и вспомогательных цепей железнодорожных локомотивов постоянного тока.