楊奇鋒 胡湘華 謝剛

摘要：針對(duì)智能控制器機(jī)構(gòu)進(jìn)行了局部改進(jìn)、磁通變換器的改進(jìn)與優(yōu)化；MCR接通分?jǐn)嗯c越限跳閘的優(yōu)化和改進(jìn)；鎖定與保護(hù)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化、改進(jìn)了微動(dòng)開關(guān)位置與數(shù)量等。綜合考慮成本、精度、實(shí)時(shí)性等多方面的因素，研究分析了新型的智能控制器機(jī)構(gòu)。這種控制器使智能控制器的測(cè)量、保護(hù)、質(zhì)量、成本、機(jī)構(gòu)零件參數(shù)、功能技術(shù)參數(shù)等方面得到進(jìn)一步改良。改進(jìn)后的智能控制器機(jī)構(gòu)可以更精確執(zhí)行所要完成的步驟，減少動(dòng)作總時(shí)間，同時(shí)降低產(chǎn)品成本。為了解決客戶提出問題和產(chǎn)品不足，對(duì)此產(chǎn)品進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，斷路器工作的可靠性與穩(wěn)定性得到了提高，還完善保護(hù)功能，斷路器的響應(yīng)速度得到提高。

關(guān)鍵詞：智能控制器?機(jī)構(gòu)?執(zhí)行元件?磁通變換器

中圖分類號(hào)：TP27

Improvement?and?Optimization?of?the?Intelligent?Controller?Mechanism

YANG?Qifeng??HU?Xianghua??XIE?Gang

（Hunan??Valin?Wire?&?Cable?Co.，?Ltd.，?Xiangtan，?Hunan?Province，?411104?China）

Abstract：??Partial?improvements?have?been?made?to?the?intelligent?controller?mechanism，?including?the?improvement?and?optimization?of?the?magnetic?flux?converter，?the?optimization?and?improvement?of?MCR?on?and?off?and?off-limit?tripping，?the?improvement?and?optimization?of?locking?and?protection?mechanisms，?the?improvement?of?the?position?and?quantity?of?micro?switches，?etc.?Comprehensively?taking?into?account?various?factors?such?as?the?cost，?accuracy?and?instantaneity，?a?new?intelligent?controller?mechanism?is?studied?and?analyzed，?which?further?improves?the?measurement，?protection，?quality，?cost，?mechanism?component?parameters?and?functional?technical?parameters?of?the?intelligent?controller?and?other?aspects.?The?improved?intelligent?controller?mechanism?can?execute?the?steps?to?be?completed?more?accurately，?reduce?the?total?time?of?action?and?reduce?product?costs.?In?order?to?address?issues?raised?by?customers?and?the?deficiencies?of?the?product，?this?product?has?been?redesigned，?which?has?improved?the?reliability?and?stability?of?the?operation?of?the?circuit?breaker，?improved?its?protection?functions，?and?also?increased?its?response?speed.

Key?Words：?Intelligent?controller;?Mechanism;?Actuator;?Magnetic?flux?converter

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日新月異地發(fā)展，電能在能源中越來越重要，在工業(yè)生產(chǎn)和生活應(yīng)用中越來越普遍，電能分配就占有著舉足輕重的地位，所以對(duì)低壓斷路器的要也求越來越高，智能型萬能式斷路器也從中發(fā)展起來。與熱磁式斷路器相比，智能型斷路器有著很顯著的優(yōu)勢(shì)。智能控制器機(jī)構(gòu)（脫扣執(zhí)行元件）作為斷路器的重要組成部分，在萬能式斷路器的運(yùn)行過程中它起到了重要的作用[1]。

本文針對(duì)智能控制器機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化綜合考慮了成本、精度、實(shí)時(shí)性等多方面的因素，制造了新型的智能控制器機(jī)構(gòu)。改進(jìn)智能控制器機(jī)構(gòu)可以更精確執(zhí)行所要完成的步驟，減少M(fèi)CR總時(shí)間，改良多次動(dòng)作后引起的保護(hù)不起作用同時(shí)降低產(chǎn)品成本。

1?低壓斷路器智能控制器機(jī)構(gòu)元與不足

低壓斷路器智能控制器機(jī)構(gòu)是底座、推桿、緩沖件、各種型號(hào)的導(dǎo)線、導(dǎo)電系統(tǒng)、接觸系統(tǒng)、電路板、線路板、變壓器、遠(yuǎn)程脫扣器、傳統(tǒng)變換器等組成。

低壓斷路器當(dāng)發(fā)生特大短路電流時(shí)，信號(hào)通過比較電路將指令發(fā)送至分?jǐn)鄶嗦菲鳎瑥亩M量來脫扣方式得以實(shí)現(xiàn)[2]，當(dāng)故障信號(hào)超過規(guī)定的訊號(hào)要大得很多的時(shí)候，模擬量信號(hào)就在不通過CPU處理直接使斷路器得以脫扣，使斷路器動(dòng)作可靠，從而保護(hù)電網(wǎng)的作用[3]。

這里通過表1的形式來匯總出現(xiàn)的問題。

2智能控制器機(jī)構(gòu)局部零件的優(yōu)化

2.1磁通變換器的優(yōu)化

2.1.1通過動(dòng)態(tài)特性來實(shí)現(xiàn)磁通變換器的優(yōu)化

磁通變換器對(duì)工廠的要求來說，需要體積小，價(jià)格需要低廉、動(dòng)作靈敏，動(dòng)作功率低、動(dòng)作快和工作可靠[4]。結(jié)合二維磁場(chǎng)、電路方程式和機(jī)械仿真、機(jī)械瞬態(tài)耦合動(dòng)態(tài)分析式。此次設(shè)計(jì)的磁通變換器是在給定彈簧力FS=15?N，動(dòng)鐵芯行程x=1?mm的情況治下，以線圈的匝數(shù)n，未放電的時(shí)候前電容器的初始電壓U0，供電電容器的電容c和永久磁鐵剩磁Br為變量，從而來找到動(dòng)作時(shí)間top和這些變量的幾何關(guān)系。

通過計(jì)算求得的動(dòng)作時(shí)間top與未放電前電容器的初始電壓U0還有線圈匝數(shù)n的關(guān)系。未放電前電容器的初始電壓U0對(duì)動(dòng)作時(shí)間top有很大影響，取未放電前電容器的初始電壓U0=24?V比較合適，因?yàn)榫€圈匝數(shù)n比較少，很有可能出現(xiàn)兩個(gè)問題：（1）出現(xiàn)磁通變換器不動(dòng)作或點(diǎn)動(dòng)的現(xiàn)象;（2）使線圈流過的電流大，使電子線路發(fā)熱甚至燒壞。動(dòng)作時(shí)間top會(huì)隨著線圈匝數(shù)n的增加而增加，未放電前電容器的初始電壓U0=24?V的V型曲線上，線圈匝數(shù)n為600匝比較適中。

為了獲得的不同永久磁鐵剩磁Br，U0與top的關(guān)系通過各種計(jì)算來得出來的。取彈簧力FS=15?N的時(shí)候，Br<0.6?T則永磁鐵產(chǎn)生的洛倫茨磁力小于彈簧力Fs從而會(huì)使動(dòng)鐵芯吸不住，確保動(dòng)作的可靠性，需要考慮到吸力的裕度（約為10?N），所以可以選擇的永久磁鐵剩磁Br范圍為0.7～0.8?T。

2.1.2體積最小與動(dòng)態(tài)要求作為約束條件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

此次磁通變換器是通過動(dòng)、靜態(tài)兩個(gè)方面進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過靜態(tài)的優(yōu)化階段，首先采用磁路計(jì)算又結(jié)合優(yōu)化方法進(jìn)行了自動(dòng)尋優(yōu)，通過此方法來確定尺寸，然后再通過磁場(chǎng)計(jì)算的來進(jìn)行檢驗(yàn)和校核[5]，通過對(duì)磁通變換器的靜態(tài)優(yōu)化，同樣的效果下磁通變換器尺寸減小，價(jià)格也明顯降低了35％。

如表2所示可以看出原磁通變換器材料成本減少，總體積也大大減少了，占有的面積減少，尺寸大小明顯減少，動(dòng)作時(shí)間大幅度減少。

2.2MCR接通分?jǐn)嗯c越限跳閘的優(yōu)化

2.2.1?MCR保護(hù)電路優(yōu)化

考慮微動(dòng)開關(guān)的滯后性和離散性不可避免，需要降低微動(dòng)開關(guān)可靠性（即考慮微動(dòng)開關(guān)不可靠）就進(jìn)行了MCR保護(hù)判斷條件的改進(jìn)，提高M(jìn)CR的工作效率。以前沒有單獨(dú)的設(shè)計(jì)一塊MCR機(jī)械脫扣電路，使MCR總時(shí)間較長，可能會(huì)影響到整個(gè)斷路器，以至于燒壞整個(gè)斷路器。

現(xiàn)在新的控制器機(jī)構(gòu)單獨(dú)設(shè)計(jì)了一塊MCR機(jī)械脫扣電路。而MCR微動(dòng)開關(guān)也只用于MCR保護(hù)的退出，而MCR保護(hù)動(dòng)作采取電流判斷：只有分閘狀態(tài)時(shí)，只要檢測(cè)的電流信號(hào)超過MCR動(dòng)作值，MCR就進(jìn)行保護(hù);而當(dāng)MCR電平信號(hào)持續(xù)超過100ms，MCR保護(hù)退出。

此單獨(dú)的MCR脫扣電路是通過模擬電路來實(shí)現(xiàn)的，故障電流信號(hào)達(dá)到一定值時(shí)，不經(jīng)CPU處理，直接輸出脫扣信號(hào)，圖1故障電流信號(hào)經(jīng)積分電路跟隨隔離處理后，直接就與產(chǎn)生的正負(fù)兩個(gè)基準(zhǔn)電壓比較，若信號(hào)峰值超過正基準(zhǔn)或低于負(fù)基準(zhǔn)，運(yùn)放均可輸出方波，其寬度與信號(hào)超過基準(zhǔn)的絕對(duì)值大小相關(guān)，所有輸出方波以或的形式，通過選擇開關(guān)送脫扣電路，當(dāng)信號(hào)脈寬超過抗干擾脈寬時(shí)，激活單穩(wěn)態(tài)電路并觸發(fā)復(fù)合管使執(zhí)行元件動(dòng)作[6]。斷路器做短延時(shí)特性試驗(yàn)的時(shí)候，還有做電壽命試驗(yàn)的時(shí)候，需要總是關(guān)斷，以防瞬動(dòng)。

2.2.2MCR改進(jìn)后驗(yàn)證

后期制作的兩臺(tái)控制器在摸底試驗(yàn)中，瞬動(dòng)保護(hù)和MCR保護(hù)均使能，當(dāng)作CO試驗(yàn)時(shí)，均顯示MCR動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)間均在正常動(dòng)作時(shí)間范圍內(nèi)。與老控制器相比總時(shí)間減少了20～30ms。在進(jìn)行CO實(shí)驗(yàn)時(shí)新舊MCR時(shí)間一個(gè)是15～30ms，一個(gè)是30～50ms。

2.3鎖定與保護(hù)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

2.3.1鎖定與保護(hù)機(jī)構(gòu)的工作原理

鎖定與保護(hù)機(jī)構(gòu)是通過三連桿機(jī)構(gòu)組成，但是和三連桿機(jī)構(gòu)又不同，其的轉(zhuǎn)換點(diǎn)不在一個(gè)平面上，有鎖定的功能。只有把復(fù)位按鈕往下按，就是使三連桿變成兩連桿，能使推桿靈活運(yùn)動(dòng)，永久磁鐵產(chǎn)生的磁通中Φf及對(duì)應(yīng)的吸力使動(dòng)鐵芯處于吸合位置，而當(dāng)電流i通過線圈產(chǎn)生的磁通Φ中抵消了Φf時(shí)，就可使動(dòng)鐵芯在彈簧力FS作用下動(dòng)作，頂桿向下運(yùn)動(dòng)，使推桿旋轉(zhuǎn)，從而使斷路器脫扣，同時(shí)會(huì)因?yàn)閺椈?的拉力，使復(fù)位按鈕向上彈，推桿卡到限位位置使其被固定，無法動(dòng)彈，如果不能手動(dòng)復(fù)位，一直會(huì)使斷路器處于脫扣狀態(tài)，使得斷路器沒辦法合閘。避免電路故障狀態(tài)情況下操作人員出現(xiàn)誤操作導(dǎo)致合閘引起的危害，而且還能在發(fā)生短路電流大的情況下不通過智能控制器就進(jìn)行自動(dòng)跳閘，自動(dòng)切斷電源，從而起到保護(hù)作用。

2.3.2鎖定與保護(hù)機(jī)構(gòu)優(yōu)化

原有的保護(hù)機(jī)構(gòu)看出鎖定機(jī)構(gòu)因?yàn)榱慵?，使其誤差增大，可能會(huì)因?yàn)槭褂么螖?shù)過多引起老化，使零件之間的協(xié)調(diào)與配合能力減弱，引起一些不必要的狀況，最壞可能會(huì)因?yàn)榱慵g的協(xié)調(diào)能力減弱，使機(jī)構(gòu)卡死不能展現(xiàn)出原有的保護(hù)功能，斷路器短路不能有效地脫扣，使斷路器燒壞，更有甚者破壞整個(gè)電力系統(tǒng)。所以鎖定與保護(hù)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，是很有必要的。通過鎖定機(jī)構(gòu)的工作原理，計(jì)算出拉力彈簧1的大小，從而得到更簡化的機(jī)構(gòu)，使其零件直接減少10個(gè)，這樣在同樣的功能下，提高了機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)和配合性能；也減少了其的生產(chǎn)成本，提高了機(jī)構(gòu)的利潤，減少了不必要的浪費(fèi)，使整個(gè)機(jī)構(gòu)簡單便捷。

3?結(jié)語

本文對(duì)智能控制器機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一定的優(yōu)化，對(duì)這種原來都沒有考慮或欠考慮的，通過各種測(cè)試與調(diào)試讓本次設(shè)計(jì)的智能控制器機(jī)構(gòu)具有了一定的成績，使它在功能更加人性化，成本更低。

（1）通過靜態(tài)階段的優(yōu)化，開始是采用磁路計(jì)算優(yōu)化的方法進(jìn)行了自動(dòng)優(yōu)化，通過這個(gè)方法來確定磁通變換器尺寸，再通過對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算從而進(jìn)行檢驗(yàn)和校核，并且通過對(duì)磁通變換器的靜態(tài)優(yōu)化，磁通變換器尺寸減?。ㄏ嗤男Ч拢杀疽泊蟠蠼档?。

（2）瞬動(dòng)保護(hù)和MCR保護(hù)均使能，當(dāng)作CO試驗(yàn)時(shí)，均顯示MCR動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)間均在正常動(dòng)作時(shí)間范圍內(nèi)。與老控制器相比總時(shí)間減少了20～30?ms。

（3）改進(jìn)后的鎖定與保護(hù)機(jī)構(gòu)不僅零件減少了9個(gè)零件，而且配合效率、質(zhì)量，體積、價(jià)格都相應(yīng)地減少，裝配起來簡單，用時(shí)從20?min減少到了15?min，提高了工作效率，整套機(jī)構(gòu)壽命也大大加強(qiáng)了。

（4）對(duì)效益明顯增加，智能控制器壽命也由10?000次增加到15?000次，材料成本明顯減少。

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