黃世澤,　郭其一,　屠瑜權(quán),　楊佰傳

(1.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 上?！?01804;

2.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海　201804;

3.浙江中凱科技股份有限公司, 浙江 溫州　325604)

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大容量控制與保護(hù)開關(guān)電器關(guān)鍵技術(shù)研究

黃世澤1,郭其一2,屠瑜權(quán)3,楊佰傳3

(1.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 上海201804;

2.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海201804;

3.浙江中凱科技股份有限公司, 浙江 溫州325604)

摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外大容量控制與保護(hù)開關(guān)電器的研究現(xiàn)狀和典型產(chǎn)品,分析了大容量控制與保護(hù)開關(guān)電器的總體設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵技術(shù)。指出虛擬樣機(jī)技術(shù)縮短了開發(fā)成本和周期,節(jié)能電磁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能,大容量控制與保護(hù)開關(guān)器件專用互感器實(shí)現(xiàn)了過載保護(hù),中間機(jī)構(gòu)解決了熱磁脫扣器的脫扣力和行程匹配及復(fù)位問題,實(shí)現(xiàn)了高精度數(shù)字化信號(hào)采集,并成功通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：控制與保護(hù)開關(guān)電器; 虛擬樣機(jī); 節(jié)能; 電磁系統(tǒng)

0引言

GB 14048.9—2008《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第6-2部分:多功能電器(設(shè)備) 控制與保護(hù)開關(guān)電器(Control and Protective Switching Devices,CPS)》規(guī)定,CPS為電路提供保護(hù)和控制功能,除手動(dòng)操作外還可有其他方式操作,例如自動(dòng)控制、遙控等,也可以實(shí)現(xiàn)隔離附加功能。

目前,CPS已經(jīng)成為電動(dòng)機(jī)控制與保護(hù)的首選,克服了傳統(tǒng)分立元器件(斷路器+接觸器+熱繼電器)的不足,推動(dòng)了電氣設(shè)計(jì)行業(yè)的變革。文獻(xiàn)[8]指出電動(dòng)機(jī)主回路宜采用CPS,成功解決了電動(dòng)機(jī)保護(hù)配合問題。

根據(jù)文獻(xiàn)[5],CPS與分立元器件構(gòu)成的系統(tǒng)相比,具有控制與保護(hù)自配合的特性,具有較高的運(yùn)行可靠性和連續(xù)運(yùn)行性能;與塑殼斷路器(Moulded Case Circuit Breaker,MCCB)相比,具有分?jǐn)嗄芰Ω?、飛弧距離短的特性;與傳統(tǒng)的熱磁式MCCB構(gòu)成的保護(hù)系統(tǒng)相比,具有保護(hù)整定電流均可調(diào)的特性;與接觸器性能比較,具有壽命長(zhǎng)、操作方便(既可就地手動(dòng)操作,又可遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能)等優(yōu)點(diǎn)。

1國(guó)內(nèi)外大容量CPS的現(xiàn)狀

1.1國(guó)外典型的CPS產(chǎn)品

國(guó)外品牌的CPS主要有西門子的3RA6系列[3]和施耐德的TeSys U系列產(chǎn)品[2]。這兩類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊,寬度均為45 mm。

這兩類CPS系列產(chǎn)品的最大額定電流僅為32 A,沒有提供32 A以上的CPS解決方案。因此,由西門子/施耐德分立元器件(斷路器+接觸器+熱繼電器)提供的解決方案,不能稱為CPS,且沒有按照GB 14048.9—2008進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2國(guó)內(nèi)典型的CPS產(chǎn)品

近年來,國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)陸續(xù)開發(fā)了一些CPS產(chǎn)品,典型產(chǎn)品有:常熟開關(guān)制造有限公司的CB1-32系列[6]、蘇州萬(wàn)龍電氣集團(tuán)股份有限公司[4]及江蘇凱隆電器有限公司的VK60系列[5]。這些產(chǎn)品的基本原理與施耐德TeSys的相同,在外形尺寸上略大于施耐德TeSys U系列產(chǎn)品,其最大保護(hù)電流均未超過125 A。其中CB1-125產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)原理與TeSys U系列產(chǎn)品有本質(zhì)區(qū)別,采用的是由多個(gè)分立元器件(斷路器+接觸器+保護(hù)器)組合的形式,按照GB 14048.9—2008進(jìn)行認(rèn)證,其額定電流達(dá)125 A。

另外,還有其他形式的CPS產(chǎn)品,額定工作電流為9~1 600 A,但63 A以下產(chǎn)品的額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰χ挥?5 kA,大容量CPS產(chǎn)品(1 600 A)的額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰χ挥?0 kA,這些指標(biāo)低于同等電流規(guī)格的MCCB。隨著設(shè)計(jì)中變壓器容量的增大,實(shí)際工程中短路電流越來越大,這兩類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用會(huì)受到一定的限制。一般,CPS應(yīng)具備產(chǎn)品的過載、過流和短路保護(hù)的內(nèi)部協(xié)調(diào)配合、極高的連續(xù)運(yùn)行能力以及極高的短路分?jǐn)嗄芰?具備每個(gè)分立元器件的功能,且技術(shù)指標(biāo)不低于同等電流規(guī)格的斷路器、接觸器和熱繼電器。

目前,KB0產(chǎn)品主要有三個(gè)框架:B框架(額定電流18 A,寬度45 mm)、C框架(額定電流45 A,寬度66 mm)和D框架(額定電流125 A,寬度90 mm)。在一些具體的工程項(xiàng)目中,特別是一些大的重點(diǎn)項(xiàng)目,用戶希望更多的電動(dòng)機(jī)采用直接起動(dòng),KB0產(chǎn)品不能滿足用戶的需要。因此,需要開發(fā)大容量的KB0產(chǎn)品(225 A),使KB0系列產(chǎn)品的應(yīng)用擴(kuò)展到110 kW電機(jī),在性能指標(biāo)上超過同類的斷路器和接觸器。

KB0產(chǎn)品F框架的開發(fā),使KB0系列CPS額定電流提升至225 A,最大控制電動(dòng)機(jī)功率達(dá)110 kW,額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰_(dá)150 kA。

2大容量CPS的總體設(shè)計(jì)方案

目前CPS的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案主要有兩種形式:KB0式的結(jié)構(gòu)形式,TeSys U系列的結(jié)構(gòu)形式。本文大容量CPS采用KB0式的結(jié)構(gòu)形式,其基本布局如圖1所示。

圖1　大容量CPS基本布局

(1) 整體寬度為160 mm,與同等電流規(guī)格的MCCB和接觸器相當(dāng)。

(2) 電磁傳動(dòng)機(jī)構(gòu):電磁系統(tǒng)為直動(dòng)式,優(yōu)于傳統(tǒng)的吸合方式。

(3) 操作機(jī)構(gòu):功能三合一,即線圈回路的控制+一般故障脫扣+手柄操作和指示。

(4) 接觸組:直動(dòng)式雙斷點(diǎn),接觸組內(nèi)串聯(lián)短路快速電磁鐵(全封閉)。

(5) 控制器(脫扣器)包括熱磁脫扣器和數(shù)字化控制器。熱磁脫扣器在熱繼電器基礎(chǔ)上增加了過流保護(hù),數(shù)字化控制器功能涵蓋現(xiàn)有市場(chǎng)上的各種規(guī)格檔次的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。

3大容量CPS的關(guān)鍵技術(shù)

3.1虛擬樣機(jī)技術(shù)的運(yùn)用

該項(xiàng)目中模具加工周期較長(zhǎng)、成本高,按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式;將會(huì)使研發(fā)周期加長(zhǎng),成本加大,產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)非常大。因此,利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和大型有限元分析軟件,并結(jié)合電磁理論,在模型設(shè)計(jì)階段通過仿真對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估,選出優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案,盡量縮短設(shè)計(jì)和試制周期,減少研發(fā)成本。

3.1.1基于ADMAS的機(jī)構(gòu)仿真

在大容量CPS中存在大量的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),其中操作機(jī)構(gòu)最關(guān)鍵,其他還有電磁傳動(dòng)、熱磁傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、觸頭滅弧系統(tǒng)、動(dòng)作機(jī)構(gòu)等。在產(chǎn)品開發(fā)中,除了在UG開發(fā)平臺(tái)中進(jìn)行三維建模驗(yàn)證裝配,還在機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System,ADAMS)環(huán)境下對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真,以便在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期了解產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)的過程,研究每個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)曲線,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題。該項(xiàng)目中的操作機(jī)構(gòu)具有獨(dú)特的凸輪結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系。利用ADAMS建立CPS操作機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型,通過合理施加手動(dòng)操作力及故障脫扣力,有效地完成了操作機(jī)構(gòu)執(zhí)行開關(guān)合閘、分閘、脫扣、再扣功能的動(dòng)作過程。分析了扭簧剛度系數(shù)及側(cè)凸輪形狀對(duì)操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作性能的影響,可輔助完成操作機(jī)構(gòu)的故障點(diǎn)定位,并確定關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置范圍。

3.1.2基于ANSYS的電磁吸力計(jì)算

大容量CPS中存在各式各樣的電磁系統(tǒng),如電磁機(jī)構(gòu)中有E型電磁鐵的電壓型電磁系統(tǒng),觸頭滅弧系統(tǒng)中有電流型的螺管電磁鐵(短路脫扣器),熱磁脫扣器中有拍合式電磁鐵(過流脫扣器),數(shù)字化控制器中有直流電壓型電磁鐵。這些電磁系統(tǒng)很難通過理論計(jì)算得到電磁力的大小。該項(xiàng)目中運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)每個(gè)電磁系統(tǒng)進(jìn)行了大量的計(jì)算,得到了各種曲線,可以觀察每一個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)電磁力結(jié)果的影響,優(yōu)化了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

3.1.3電磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)計(jì)算

針對(duì)電磁系統(tǒng)的耦合電壓平衡和達(dá)朗貝爾機(jī)械運(yùn)動(dòng)特征微分方程,采用有限元模型,首先應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行了動(dòng)鐵心動(dòng)態(tài)吸力和磁鏈的仿真;然后,利用MATLAB軟件構(gòu)建CPS電磁系統(tǒng)的機(jī)械模型,通過二元二次插值算法和四階Runge-Kutta法模擬動(dòng)鐵心的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程,了解吸合過程中的電流、吸力、磁鏈等一系列物理量的變化過程,對(duì)CPS電磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了建議。

3.1.4電弧系統(tǒng)仿真

額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰?Ics)是CPS的核心技術(shù)指標(biāo),在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期運(yùn)用ANSYS軟件計(jì)算了產(chǎn)品短路分?jǐn)噙^程中的各種力,理論推導(dǎo)了產(chǎn)品的分?jǐn)噙^程。對(duì)每一個(gè)分?jǐn)噙^程建立了數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算,通過定性分析得到了影響Ics性能的各種因素,并對(duì)各種因素的變化進(jìn)行再仿真,得到了各種因素對(duì)產(chǎn)品性能的影響。在電弧運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)磁吹進(jìn)行了定性分析,以優(yōu)化設(shè)計(jì),同時(shí)對(duì)氣吹作了理論分析,并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。通過上述分析,產(chǎn)品的Ics性能達(dá)到了要求,并有較大的提升空間。

3.1.5基于ANSYS的溫度場(chǎng)仿真

運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)電磁系統(tǒng)的溫升、主回路的溫升進(jìn)行了仿真,通過改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)來觀察對(duì)溫升的影響。電磁系統(tǒng)的發(fā)熱是CPS溫升的重要因素。對(duì)電磁系統(tǒng)各部分的發(fā)熱進(jìn)行了分析計(jì)算,同時(shí)測(cè)量了在主回路不通電情況下電磁系統(tǒng)各部分的溫度。試驗(yàn)驗(yàn)證了理論和仿真的正確性。根據(jù)仿真結(jié)果,提出了產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化的建議。

3.1.6基于ADAMS的集成仿真

在ADAMS環(huán)境下進(jìn)行了集成仿真,將電磁場(chǎng)仿真和數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果作為輸入條件,可以在ADAMS環(huán)境下觀看整機(jī)的各種狀態(tài)的動(dòng)態(tài)效果,得到產(chǎn)品的吸合時(shí)間、釋放時(shí)間、脫扣時(shí)間、分?jǐn)嗄芰Φ燃夹g(shù)指標(biāo)。

3.1.7基于PSPICE的電路仿真和ANSOFT的電磁兼容仿真

在產(chǎn)品開發(fā)過程中,運(yùn)用PSPICE對(duì)所有的電路進(jìn)行了模擬驗(yàn)證,對(duì)脈沖群等電路干擾試驗(yàn)進(jìn)行了建模,并驗(yàn)證了濾波效果。對(duì)于磁場(chǎng)的干擾試驗(yàn),運(yùn)用ANSOFT軟件,進(jìn)行了仿真和定性的分析。

上述大量的基礎(chǔ)理論工作,確保了產(chǎn)品的理論可行性,并在設(shè)計(jì)初期了解了設(shè)計(jì)可能存在的各種問題,以便對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化,大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,確保產(chǎn)品能有較高的技術(shù)指標(biāo)。

3.2電磁系統(tǒng)節(jié)能模塊的設(shè)計(jì)和試制

KB0系列CPS產(chǎn)品達(dá)到了節(jié)能的目的,但受制于電磁系統(tǒng)的基本原理,在產(chǎn)品吸合時(shí)線圈需要帶電，損耗電能,在大容量CPS產(chǎn)品中尤為明顯。該項(xiàng)目在電磁系統(tǒng)吸合特性、溫升完全滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步設(shè)計(jì)開發(fā)了電磁系統(tǒng)節(jié)能模塊。在系統(tǒng)分析了當(dāng)前電磁系統(tǒng)的所有解決方案,并進(jìn)行了對(duì)比,最終選取基于晶閘管的電磁系統(tǒng)節(jié)能方案。

研制的節(jié)能模塊包括AC/DC電路、延時(shí)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、晶閘管控制電路和全波整流電路。節(jié)能裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　節(jié)能裝置結(jié)構(gòu)圖

電磁系統(tǒng)線圈接入直流脈動(dòng),達(dá)到降低能耗的目的。晶閘管控制電路控制晶閘管的導(dǎo)通角;上電時(shí)觸發(fā)脈沖移相角較小,導(dǎo)通角較大,經(jīng)整流電路獲得較高的電壓來起動(dòng)電磁系統(tǒng)。AC/DC電路在電磁系統(tǒng)吸合結(jié)束后,晶閘管控制電路調(diào)整觸發(fā)脈沖的相位,使晶閘管的導(dǎo)通角變小,經(jīng)整流獲得較低的電壓,使電磁鐵處于吸合狀態(tài)。

通過運(yùn)用節(jié)能技術(shù),在確保產(chǎn)品性能的前提下,大大降低了產(chǎn)品的溫升。經(jīng)試驗(yàn),220 V控制電壓有功功率節(jié)電率ΔP=80%,無(wú)功功率節(jié)電率ΔQ=91%;380 V有功功率節(jié)電率ΔP=86%,無(wú)功功率節(jié)電率ΔQ=93%;有效地降低了噪聲,噪聲為2 dBA;使用帶節(jié)能模塊的KB0(F225)正常運(yùn)行8 h后,線圈溫升小于30 K(220 V線圈:19.5 K;380 V線圈:28.4 K)。

3.3過載脫扣器

大容量KB0產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),其熱磁脫扣器如繼續(xù)按照C、D框架的設(shè)計(jì)思路,雙金屬片將產(chǎn)生大量的熱量,對(duì)產(chǎn)品造成影響。

因此,在熱磁脫扣器設(shè)計(jì)中,通過互感器/變壓器將一次大電流變換為小電流,直接使用C框架的過載脫扣器模塊。

基于理論計(jì)算,設(shè)計(jì)了大容量CPS專用的互感器,通過工藝控制使互感器達(dá)到了較高的一致性。由于C框架熱磁脫扣器性能穩(wěn)定,通過批量生產(chǎn),可以做到互感器和熱磁脫扣器的任意匹配。

3.4中間機(jī)構(gòu)

熱磁脫扣器選用了C框架的脫扣器,因此脫扣器與操作機(jī)構(gòu)的接口問題變成了關(guān)鍵技術(shù)問題,既要解決熱磁脫扣器力的傳遞問題,還要解決脫扣力和行程的匹配及故障后的復(fù)位問題。

該脫扣裝置能夠放大脫扣力和脫扣行程,且輸出脫扣力和行程大小不受輸入脫扣力和脫扣行程的影響。

3.5數(shù)字化控制器信號(hào)采集技術(shù)

數(shù)字化控制器的硬件結(jié)構(gòu)、電源方案、信號(hào)處理電路、人機(jī)界面、通信接口都非常成熟,并且有大量的運(yùn)用。該項(xiàng)目中電流采集是否精確直接關(guān)系到保護(hù)是否拒動(dòng)和誤動(dòng)。CPS額定電流為90~225 A,需要采集的最大電流為225×12×1.2=3 240 A,最小電流為90×0.3=27 A,即大容量CPS采集的電流為27~3 240 A,且要求互感器全部?jī)?nèi)置。傳統(tǒng)的CT互感器采樣效果較差,因此選用的是采樣范圍較廣、輸出線性度較好的霍爾傳感器。通過霍爾互感器的選用、采集電路設(shè)計(jì)以及電路布局的優(yōu)化,各種數(shù)字化控制均能滿足電流采集的要求,特別是對(duì)于要求電流顯示的控制器,其顯示精度與電動(dòng)機(jī)保護(hù)器相當(dāng)。

4大容量CPS試驗(yàn)驗(yàn)證

按照GB 14048.9—2008規(guī)定,大容量CPS順利通過了權(quán)威部門的型式試驗(yàn),取得3C認(rèn)證。根據(jù)GB 8871—2001《交流接觸器節(jié)電器》規(guī)定,節(jié)能模塊部分進(jìn)行了電涌抗擾度試驗(yàn)、電快速瞬變/快速抗擾度試驗(yàn)、射頻電磁輻射抗擾度試驗(yàn)、靜電放電抗擾度試驗(yàn)、輻射式發(fā)射及傳導(dǎo)式發(fā)射試驗(yàn)等各項(xiàng)試驗(yàn),通過合理調(diào)整節(jié)能裝置元器件參數(shù)與印刷線路板(Printer Circuit Board,PCB)布線,節(jié)能裝置順利通過電磁兼容試驗(yàn)。該項(xiàng)目產(chǎn)品已經(jīng)在全國(guó)多個(gè)重大工業(yè)項(xiàng)目中進(jìn)行了試運(yùn)行,效果良好,目前已批量生產(chǎn)。大容量CPS實(shí)物如圖3所示。

圖3　大容量CPS實(shí)物

5結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目也是虛擬樣機(jī)技術(shù)同工程實(shí)踐相結(jié)合的一個(gè)有益嘗試,證明虛擬樣機(jī)技術(shù)能很好地與產(chǎn)品開發(fā)相結(jié)合,并能大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,進(jìn)一步完善了虛擬樣機(jī)在低壓電器運(yùn)用的理論基礎(chǔ)。

[1]低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第6-2部分:多功能電器(設(shè)備) 控制與保護(hù)開關(guān)電器(設(shè)備)(CPS):GB 14048.9—2008[S].

[2]中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑電氣分會(huì).民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范實(shí)施指南[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008.

[3]陳德桂,李興文.低壓斷路器的虛擬樣機(jī)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[4]鄭建榮.ADAMS——虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[5]尹天文,何瑞華.低壓電器技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

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Research on Key Technologies of Large-scale Control and Protective Switching Devices

HUANGShize1,GUOQiyi2,TUYuquan3,YANGBaichuan3

(1.School of Transportation Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;2.College of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804,China;3.Zhejiang Jonk Technology Co., Ltd., Wenzhou 325604,China)

Abstract：This paper introduced the domestic and international research status and typical products of large-scale control and protective switching devices(CPS).The general design and several key techniques were analyzed.By using of the virtual prototyping technology,the development cost and cycle are shorten.The design of energy-saving electromagnetic system archives the energy saving.The large-scale CPS special transformer achieves the overload protection.The middle part solves the problems of magnetic release tripping force with stroke matching and reset which achieves the high precision digital signal acquisition.Finally,the large-scale CPS successfully is proved through the experiment.

Key words:control and protective switching devices (CPS); virtual prototyping; energy saving electromagnetic system

收稿日期：2014-12-10

中圖分類號(hào)：TU 852

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-8417(2016)02-0036-05

郭其一(1961—),男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樾滦偷蛪弘娖鳌?/p>

屠瑜權(quán)(1957—),男,高級(jí)工程師,從事新型低壓電器方面的工作。