1、690V1250A 控制与保护开关的设计与研究690V/1250A 控制与保护开关的设计与研究摘 要控制与保护开关作为传统电器组合的代替品有着非常优越的性能。传统电机控制中，对一台电机往往需要接触器、断路器、热继电器等电器组合从而达到控制与保护电机的目的。控制与保护开关将电机控制保护中常用的功能在一个电器上实现，从而使电器整体体积减小，同时可靠性得到提高。本文课题主要是研制了690V/1250A控制和保护开关电器(简称CPS)，它是集接触器、断路器以及保护继电器等元件为一体的模块组合式开关电器。相对于传统的分离元件配套的成套装置来说， CPS有着可靠性高、功能全、体积小、特性之间自行协调配合等
2、优势。对此加以推广应用，能够使控制系统得到很大程度的简化，而且又能使设备体积得到缩小，尤其适用于要求高分断能力的集中配电与控制的场合以及抽屉式开关柜等。它采用新的原理和先进的电子技术以及信息技术，突破传统的电控系统分立元件串联组合的配置方式和模块式集成组合的配置方式，在单一电磁结构的电器上集成了断路器、接触器、热继电器、起动器、汁数器及电流显示等多种功能。关键词：控制与保护开关电器；低压电器；模块式；触头系统690V1250A 控制与保护开关的设计与研究AbstractControl and protective switching as an alternative to tradition
3、al electrical combination has a very superior performance. Often require traditional motor control, motor contactors, circuit breakers, thermal relays and other electrical appliances portfolio so as to achieve the purpose of motor control and protection. Control and protective switching motor contro
4、l protection function in an electrical, which is electrical overall volume is reduced, while reliability is improved. This topic mainly developed a 690 V/ 1250A control and protection switch electric circuit breaker is set. The main functions of the elements such as protective relay and contactor fo
5、r the integration of a module combination switch electric appliances with the traditional separation of component matching in order to achieve a specific goal of complete sets of equipment control and protection, control and protection switch electrical appliances (CPS) has small volume, complete fu
6、nctions, high reliability, various features in the in-house well coordination, etc. Application of this new type of electric appliance not only can greatly simplify control system, at the same time can greatly reduce the volume of the complete sets of equipment, especially suitable for the requireme
7、nt of high breaking capacity focus on power distribution and control occasions and draw-out type switchgear etc. It adopts a new principle and the advanced electronic technology and information technology, break through the traditional electric control system of discrete component series combination
8、 way of configuration and modular integration combination way of configuration, in a single structure of electromagnetic appliances used circuit breaker, contactor, thermal relay, starter, juice, and current display and other functions.Key words: low-voltage electrical appliances; Module type; Contr
9、ol and protection switch electrical appliances; Contact system690V1250A 控制与保护开关的设计与研究目 录摘 要 .1Abstract .2第一章 绪论 .51.1 课题的背景和发展历程 .51.2 课题设计的研究现状 .61.3 课题设计方案和内容 .7第二章 控制与保护开关概述 .82.1 控制和保护开关的结构 .82.1.1 电磁传动机构 .82.1.2 主电路接触组 .82.1.3 操作机构 .92.1.4 过载脱扣器 .92.2 控制和保护开关的工作原理和特点 .92.3 控制和保护开关的优势 .102.3.1 与
10、塑壳断路器相比 .102.3.2 与分离电器构成的系统相比 .112.3.3 与接触器性能相比 .112.4 控制和保护开关的功能介绍 .132.5 控制和保护开关的适用领域 .142.6 控制和保护开关的硬件电路设计 .152.7 本章小结 .15第三章 控制与保护开关的触头系统 .163.1 电动力及触头的振动 .163.1.1 触头间的电动力 .163.1.2 触头间电动力的计算 .163.1.3 触头振动及其计算 .173.2 触头的熔焊和冷焊 .183.2.1 触头的熔焊 .183.2.2 触头的冷焊 .203.3 触头磨损及其计算 .213.3.1 触头磨损形式 .213.3.2
11、电磨损及其计算 .213.4 触头温升及其计算 .223.4.1 稳定温升 .223.4.2 允许温升 .233.4.3 触头稳定温升的计算公式 .243.5 触头材料及尺寸的确定 .253.5.1 触头材料的形状和尺寸选定原则 .253.5.2 导电板尺寸的确定 .253.5.3 触头材料及尺寸的确定 .253.6 触头系统的设计程序 .263.7 本章小结 .26690V1250A 控制与保护开关的设计与研究第四章 控制与保护开关的仿真原理与数学模型 .274.1 触头间电电斥力 .274.2 回路电动斥力的数学模型及仿真原理 .274.3 触头接触电阻模型参数 .284.4 本章小结 .
12、30第五章 结论 .31参考文献 .32致谢 .34附录 .35第一章 绪论1.1 课题的背景和发展历程控制和保护功能在传统的电力分配及自动控制系统中一般是由分离元件来完成的。690V/1250A控制与保护开关电器(简称CPS)属于集断路器。它是一种集接触器和保护继电器等元件为一体的模块组合式开关电器。与传统的电力分配及自动控制系统相比，CPS有着功能齐全、可靠性高、体积小、每种特性之间能够自行协调配合的优点。推广应用该新型电器能够简化控制系统和缩小设备体积，尤其适用于要求高分断能力的集中配电与控制的场合以及抽屉式开关柜等。CPS未出现之前，传统的电机控制多由接触器、断路器、热继电器等多个电器
13、串联进行控制与保护工作。但是，在实际应用中发现，多个电器共同完成控制保护功能存在着很多问题。 由于电器元件分立，生产厂家不同，这就给产品的选型配合带来了困难，如选型不当很容易使控制保护系统整体工作不理想，甚至于造成器件的损坏，达不到控制保护的目的。同时，当系统发生故障时，也给故障的检测带来了困难，用户需要经过仔细的排查进而确定发生故障的具体电器。 控制与保护开关的雏形始于上世纪60年代初。上世纪60年代初期，法国公司MG在传统的交流接触器的机体上增加了瞬时脱扣器。从而使该系列产品的分断能力得到很大的提高，一般也认为这个产品为最早的具有高分段能力的接触器。也是控制与保护开关的一个雏形。 上世纪7
14、0年代，日本公司首次将接触器和断路器两大电器成功组合起来，大大的减小了电器串联工作体积大、可靠性低的问题。虽然该产品的分段能力、体积、可靠性都有很好的特性。上世纪80年代末，TE 公司提出了一种新的方案，就是将传统电器以模块化的方式组合到一起。这种方案下，传统分立电器的连接问题有了很好的改观，产品的体积也有所减小，可靠性得到了提高。近年来，随着计算机技术、电力电子技术、材料工艺、嵌入式的发展，给控制与保护开关的发展提供了新的契机和平台。新一代控制与保护开关突破了传统控制与保护开关分离元件串联的配置方式，采用单一的触头系统、电磁操动机构实现了启动器热继电器、接触器、计数器、断路器等多种电器功能的
15、组合，配合电力电子电路、检测电路、嵌入式690V1250A 控制与保护开关的设计与研究控制电路使控制与保护开关性能得到非常大的提高。 新一代智能型控制与保护开关，以多功能控制保护模块为核心，采用现代通信技术。1.2 课题设计的研究现状近年来，上海电器科学研究所在KB0系列CPS的基础之上由开发了新型号产品。新型号产品（KB0-T系列）在KB0系列的基础之上，扩展了控制保护开关的功能，使该系列控制与保护开关趋于多功能化、模块化，同时现场总线技术的应用使得该系列产品可以方便的和上位机通信，实现远程监测控制，适应了现代自动化的需求。同时，在原有的32A、63A容量的基础上进行了型号扩充，规格更加的丰
16、富，满足了用户对不同容量开关的需求。 另一种控制与保护开关，沈阳大明有限公司的SDMK1系列产品，如图1.5所示，即本课题的来源。该系列产品采用单一触头系统和电磁操动机构，很好的解决了分立原件间的配合问题。以嵌入式系统为核心，在现代检测技术基础之上实现了主回路数据检测、故障检测，控制保护功能得到加强。在智能控制器和开关机体的合理配合之下，使控制与保护开关既能频繁开断主回路又可以瞬时开断短路电流，同时还具有继电器、启动器、计数器等附加功能。现场总线技术的应用则使该系列控制与保护开关可以实现远程操控、远程监测等。对比国内外的控制与保护开关产品，基础功能方面没有太多的差别，基本的性能指标也都属于同一
17、水平，甚至国内产品在个别性能上要优于国外同类产品。但是，国外的产品提供了更丰富的功能，比如消防场合的特殊功能等等。同时，由于工艺条件相对优越，国外产品的产品尺寸整体上要小于国内的产品，这也是国内产品有待改进的一个方面。 CPS控制与保护开关电器属于低压电器中新的大类产品，类别代号为”CPS”，英文全称是”Control and Protective Switching Device”。目前，在国际上CPS这类控制与保护开关电器属于领先的低压电器产品中的一种，而且它指明了低压电器今后的发展方向。国家重点企业技术开发项目合同书在”八五 “期间下达了研制任务， 本文重点介绍690V/1250A控制与
18、保护开关的设计和开发。第一代CPS 产品于 1996年 5月通过国家鉴定验收，国内注册型号为“KB0”，型号含义“K”、“B”为“控制”和“保护”汉语拼音的第一个字母； “0”为填补国内空白的” 第一代 ”控制与保护开关电器。同时获得国家知识产权局颁690V1250A 控制与保护开关的设计与研究发的专利证书。该产品自投放市场以来，得到了广大设计院和客户的一致好评，并在工业、民用建筑、国防工程、石化、冶金、医药、轻工等领域得到了广泛应用。特别是民用建筑中的风机、水泵等的控制与保护系统中，工业领域的马达控制中心等等。各种电力系统工程的应用表明：KB0系列控制与保护开关电器能够替代隔离器、断路器(
19、熔断器) 、接触器、热继电器、起动器等多种传统元器件，将传统的分离元器件功能集成为一体，在采用模块化的单一结构形式上实现了集成化、内部协调配合的控制与保护功能，是一种全新的功能集成化、结构模块化的新型多功能电器，已成为低压电器中新的大类产品。本次研究提出了一种新型的控制与保护开关电器，它拥有用户可定制、提供多种电流电压校准方式、精确线性反时限特性、较高的采样精度以及安全迅捷的脱扣方式的辅助功能，再加上自身的成本优势，它很快的就将市场打开了。1.3 课题设计方案和内容CPS将很多种的独立电器的功能集成于一体，因此它的产品都有较小体积，要求较为紧凑的开关电源部分的有效布局空间，密度高的单位体积功率
20、。CPS通常是用于电动机控制的场合、电磁干扰较为恶劣的环境以及产品需要有较高的EMI 和EMC性能。因为此产品设计的是一种小功率开关电源，所以开关电源结构选取单端反激式。反激式开关电源一般应用于小功率开关电源，其工作原理是当变压器的原边截止时，副边得到导通，能量释放到负载；当变压器的原边导通时，副边被截止，变压器储能。第一部分主要对控制与保护开关进行综合性的概述，首相对控制和保护开关的结构进行了叙述，然后是工作原理和特点，最后对控制和保护开关的优势、功能和适用领域进行叙述，特别是对系统的硬件电路进行设计。第二部分主要对控制与保护开关的电动力及触头的振动、熔焊和冷焊、磨损和温升，并对触头的磨损和
21、温升进行了计算，最后对触头的材料和尺寸进行确定，并且精心饿了触头系统的整体设计程序。第三部分控制与保护开关的仿真原理和数学模型，然后分析了触头间电电690V1250A 控制与保护开关的设计与研究斥力，回路电动斥力的数学模型和仿真原理，最后对触头接触电阻模型进行仿真模拟，得出 ansys 分析图。第二章 控制与保护开关概述2.1 控制和保护开关的结构690V/1250A控制与保护开关属模块组台式电器，其主要的部件模块有：电磁传动机构、主电路接触组、操作机构和过载脱扣器以及各种辅助模块等。根据CPS 的功能单元来分类的话，系统主要是由保护与控制单元、动力模块、扩展功能模块与附件以及辅助触头等。其中
22、动力模块是系统的主体，功能部件包括电磁传动机构、主电路接触组、操作机构以及保护脱扣装置等；保护与控制单元包含电源，具有控制、检测、脱扣指令、输出报警等功能。目前CPS典型产品有西门子公司的3RA6、施耐德公司新一代的Tesys U系列以及国内新一代CPS 产品 KBOT系列和VK60系列等。随着电子技术不断的发展，电子技术在产品中得到越来越多的应用。同时基于一系列电子技术的应用，电子技术替代了很多仅仅利用电磁技术实现的功能，使得产品的体积得到很大程度的缩小。譬如短路保护和电磁系统的控制技术等。就像上海电器科学研究所( 集团) 有限公司研发的新一代智能化VK60系列CPS ，在单位电流的体积上就
23、远远小于其他同类产品。2.1.1 电磁传动机构电磁传动机构主要是由铁心、控制触点、传动部件以及线圈等组成。它的主要功能是接受远距离的外来控制信号和就地操作指令以及带动其余部件模块从而执行接通或分断主电路。2.1.2 主电路接触组主电路接触组主要由动、静双断点触头和具有限流作用的瞬时脱扣装置以及性能优越的栅片灭弧系统组成。因为栅片灭弧系统和双断点触头等的合理设计使用，所以产品具有高操作频率、高寿命指标以及高分断能力的优点。690V1250A 控制与保护开关的设计与研究2.1.3 操作机构操作机构是由机械联动组件构成的，其功能是通过位置转换来确定 CPS 的工作状态。操作机构能接受每极主电路接触组
24、的过载脱扣器的过载脱扣信号和短路脱扣信号，通过拨杆带动电磁传动机构的控制触点切断电磁线圈电路从而使 CPS 断开， 故障排除后由操作手柄或远距离再扣器复位。2.1.4 过载脱扣器过载脱扣器主要由磁脱扣线圈、动作机构和双金属热元件等组成，有各种不同的保护型式及多种电流规格可供选用。可以调节电流的整定值，当电动机负载带断相保护主电路负载端发生过载时，双金属热元件或磁脱扣器触发动作机构带动操作机构使 CPS 断开。该模块与主电路接触组配合形成了完整的过电流、短路和热过载三段保护特性，实现在较大范围及多种使用场合下的保护功能。2.2 控制和保护开关的工作原理和特点开关电源各部分关联如图2-1所示。图2
25、-1 开关电源工作原理框图（1）安装灵活。不管是垂直安装、水平安装还是横装都不会使它的使用性能受到影响。可广泛应用于紧凑型成套装置中，包括抽屉式或固定式的 MCC柜中。应用在 1/4 和 1/2 抽屉中，具有分离元器件不可比拟的优越性。690V1250A 控制与保护开关的设计与研究（2）附件配套齐全，具备远距离再扣器、信号报警触头与辅助触头、分励脱扣器、控制电路转换模块、门或抽屉的面板操作机构等，在单一产品上可构成完整的控制与保护单元，实现协调配合的控制与保护功能。（3）安全可靠、防护等级高。板前、插入式板后接线的接线端子都具有防触指功能，配备高防护等级外壳后，可适用于水泵房、地下室、民用建筑
26、的潮湿场所、船舶、港口、石化、煤矿等领域，是替代目前的电磁起动器、保护式和组合式起动器的理想产品。2.3 控制和保护开关的优势CPS 既实现了断路器的高分断能力，又使接触器的远距离频繁操作和高寿命指标得到了实现，还使保护继电器的各种保护功能得到了实现，并使得三段保护特性配合协调而且完善。如果将 CPS 与采用分离元件组合达到同样功能的成套装置相比，使用 CPS 的优越性主要有以下几个方面：(1)CPS 体积小，简化了成套设备的设计，降低了原材料的消耗，特别适用于大规模自动化控制设备中；(2)CPS 的多种使用功能和完善的保护特性统一于一体，避免了分离元件选配不合理所产生的弊端和使用功能上的不足
27、；(3)CPS 实现了快速装配和接线，便于标准化导轨安装，不同的过载脱扣器互换极为方便；(4)CPS 具有简单可靠的转换控制， 清晰的状态显示， 在电路故障排除后通过再扣复位实现连续工作；(5)CPS 能够安全运行，可靠分断。带有强制分断的机械装置保证了以下安全性能：操作手柄指示位置“O (Open)”时，断开状态的主触头是锁住的，因此排除了误接通；操作手柄指示位置“Auto”时，不妨碍 CPS 故障脱扣一即有自由脱扣功能：当主触头闭合时 操作手柄只能处于“Auto”位置。2.3.1 与塑壳断路器相比（1）与塑壳断路器构成的保护系统相比，具有保护整定电流均可调整的特性 GJKBO 的热脱扣(反时限)电流和磁脱扣(定时限 )电流均可在面板上进行调
