690V1250A控制与保护开关的设计与研究-毕业论文.doc

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AbstractControl and protective switching as an alternative to traditional 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 control 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 for 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 functions, 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 requirement 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 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; Control and protection switch electrical appliances; Contact system目 录摘 要1Abstract2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26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70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组合，配合电力电子电路、检测电路、嵌入式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(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。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。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2-1 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。（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；(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整，即除了常规的热保护电流可根据负载功率进行整定外，过流保护整定电流也可在面板上进行调整（配电负载的调整范围为36Ie，电动机负载的调整范围为 612Ie）。克服了塑壳断路器的短路保护整定电流出厂后用户无法调整的缺点，使得 GJKBO产品即使安装在线路末端，短路电流较小时，同样具有很好的短路保护功能。（2）具有分断能力高、飞弧距离短的特性在380V额定运行短路分断能力Ics 达到高分断型为80kA、标准型为50kA、经济型为35kA, 在 50kA 预期短路电流下的分断时间仅为23ms, 限流系数达到0.2以下，达到塑壳断路器的领先水平，达到熔断器的限流水平，大大限制了短路电流对系统的动、热冲击。飞弧距离仅为2030mm。2.3.2与分离电器构成的系统相比（1）节能节材。与分离电器构成的系统相比CPS具有安装面积少、减少线路发热、体积小、无分离元件接点、节约材料及能源等优点。 （2）具有控制与保护自配合的特性控制与保护开关电器集控制与保护功能于一体，相当于断路器接触器过载继电器辅助电器。很好的解决了分离元件不能或很难解决的元件之间的保护与控制特性匹配问题，使保护与控制特性配合更完善合理（具有反时限、定时限和瞬时三段保护特性），只要根据负载功率或电流即可正确选择单一产品，代替以往的包括自电源进线端至负载端的各种电器，不需降容，大大减轻了设计人员的工作量。（3）运行可靠性高以及系统的连续运行性能流后不需要维护就能投入使用，即具有分断短路故障后的连续运行性能。在进行了分断短路电流试验后，仍具有不小于1500次的AC-44电寿命，这是由断路器等分离元件构成的系统所难以达到的。这一特性极大地提高了系统的运行可靠性和系统的连续运行性，其中的 Ics为 80kA指标属同类产品的国际领先国内最高指标。2.3.3与接触器性能相比机械寿命达 5001000万次，电寿命AC-43为100120万次，既可就地手动操作，又可实现远距离自动控制功能。采用了先进的触头与电磁系统分离式设计，有效抑制了触头的二次弹跳，大大提高了产品的电寿命，而且特别适用于重载起动等严酷的场合。（1）传统的接触器进行通断电路时，触头的断开或闭合由电磁系统直接带动，触头的超程和压力靠电磁系统来保持。当电动机起动的瞬间或在电动机运行过程中出现过流等故障时，极易使线圈控制电压降低，从而造成铁心振动而使得动、静触头产生抖动，导致触头熔焊等严重后果。电路中出现大的故障电流时，通常会导致用户端的电压下降。对于靠电磁力保持的电器，电压的下降将影响其保持在闭合状态的能力，除非其电源不是取自产品本身的主触头上，比如靠电磁力保持的接触器就很可能会在此期间打开，导致触头的破坏或者至少是触头的熔焊。接触器主触头接通完全闭合时，衔铁与磁轭碰撞时跳开，引起主触头的再跳开。衔铁振动的长短决定于磁系统有关参数及其阻尼装置。测量表明，大多数直动式交流接触器，从主触头接通到衔铁与磁轭碰撞时的间隔约为56ms，此时，接通笼型异步电动机，电流在峰值附近，电流电动斥力最大，触头弹开时电弧能量也大。此电动斥力与二次振动叠加，可使触头弹开，并产生强烈电弧引起触头严重磨损及熔焊。因此，二次振动危害很大，常常是大容量直动式接触器接通大电流时引起触头磨损与熔焊的主要原因。KB0控制与保护开关电器的电磁系统与主触头采用了独特的分离式设计，触头的超程和压力靠内部的储能弹簧实现。尽管电动机起动的瞬间或在电动机运行过程中出现过流等故障而造成电磁系统的震动，也不会使主触头产生抖动触头始终保持在稳定的接触状态，有效保证了系统的安全、可靠，大大增加了系统的运行性能和使用寿命。（2）按标准规定分断能力为810倍的额定电流，接通能力为1012倍的额定电流，当线路中出现超过接触器主触头分断能力短路时，接触器的主触头在短路电流产生的强大电动斥力作用下，极易发生接触器的主触头烧毁并可能产生飞弧，导致事故的进一步扩大，甚至造成人身伤害。此类故障在工矿企业电气事故中占有相当高的比例。因此，为了达到断路器与接触器在工程使用和设计中的动作时间配合，采用限流式断路器和短时耐受电流大、固有时间长的接触器。按照电动机的实际运行经验，在短路容量较大的线路中，如果没有正确选择分离元器件的话，就可能烧毁接触器的主触头，甚至出现飞弧现象，从而扩大故障，使周围的供电回路的工作受到影响；或者在短路状态下断路器不可以正常分断电路；或断路器在工程中不能保护电动机，发生拒动或误动作。然而其根本原因通常是不同生产厂家的元器件产品质量不同、设计人员选择分离式元器件不匹配；用户现场调整不当、各成套装置厂工艺水平不同或调整不当等。所以，目前由分离元器件组成的低压电控系统存在着工作可靠性低、各种控制与保护特性配合不合理以及系统的综合技术经济性不高等缺点。而采用KB0控制与保护开关电器，能够很好地解决分离元件组成的控制与保护系统存在的不足：(1)选型简单，只要根据负载功率、用途及系统的相关要求就能够很方便地实现选型，为系统提供控制与保护功能。(2)由于KB0自身具有过载、过流及短路三段保护杼眭，能够为系统提供完善的保护功能。(3)具有很高的系统综合技术经济陛。2.4控制和保护开关的功能介绍表2-1 控制和保护开关的功能介绍功能功能介绍1断路器功能可以在10ms内分断相应级别规定的短路电流，限流系数0.42接触器功能交流5OHz或6OHz，额定绝缘电压690 V。额定工件电流为1250 A。可频繁操作，控制电动机的起动、停止或反转，并课实现远距离控制3热继电器与过流继电器功能具有完善、合理、连续的三段保护功能和电动机定时限起动保护功能，过载保护模采用当前最先进的双时间常数指数方程，能与被保护对象的允许过载特性相匹配，动作准确、可靠4起动器功能可代替接触器和热继电器组合的起动器，控制电动机的起动5计数器功能在运行巾记录开关的累计操作次数并在显示器上显示出来，用户可以根据记录数据估计开关的剩余辱命，决定是否要更换新的开关6检测功能在运行中实时检测三相绕组的电流值，据此计算 三相绕组的温升，并将检测和进行处理7故障诊断及预警功能当系统发生故障时，开关能自动识别、存数和记录故障类型，并予以显示，便于用户排除故障。还可根据用户需要打开或关闭预警功能，当设备过载运行温升达到预警限时，开关发出预警声讯，便于及时排除故障8通信功能智能控制器留有通信接口，可以与现场总线或计算机网络连接，从而实现远程通信，达到”网遥”要求2.5控制和保护开关的适用领域CPS的应用面广且量大，尤其适用于基于现场总线的分布式生产线的控制与保护和自动化集中控制系统。依据负载的参数，从而选择基本的CPS模块，将出线端接负载、控制模块接控制电源、进线端接电源即可。通过面板的内置或可选的显示操作模块，在现场设定参数和可编程；还可以应用通信接口，组成计算机的网络系统，通过远程监控与编程，实现协调配合保护、热过载保护、短路保护以及其余的故障保护等、就地与远程操作、电动机状态指示等。还可以依据需要从而选择扩展模块，来实现温度、接地( 剩余电流) 、模拟量控制、预警等功能。譬如，在水处理厂的群控或电动机控制中心(MCC) ，可选择带Modbus 通信接口的控制器，构成基于现场总线技术的智能化可通信控制系统，实时监控水泵的运行，避免空转或欠载运行。针对生产线上传送带的控制，可以选择带ASi 通信接口的控制器，构成基于现场总线技术的智能化可通信控制系统，可大大提升生产设备的运行和保护性能。由于690V/1250A控制与保护开关产品具有控制与保护功能模块化、小型化、集成化结构、连续运行性能和可靠性高、电寿命长、高能力的分断短路电流、短距离的飞弧、较高等级的环境污染防护能力、方便的安装使用和维修操作以及齐全的保护功能等许多优点，所以尤其适用于下表2的系统。表2-2 控制与保护开关的应用系统介绍应用领域系统介绍1工业设施1. .配电中心；2. 单电机控制与保护系统； 3. 电动机控制中心（MMC），尤其是智能化电控系统或要求额定运行分断能力Ics高达80KA的配电控制与保护系统；4 冶金、煤矿、钢铁、石化、港口、船舶、铁路等领域的配电和电动机保护与控制系统2商业及民用设施1. 医院；2. 电信通讯机房；3. 远程控制照明系统； 4.信息处理中心（银行、市政、证券交易中心等）；5. 商业大楼（大型购物中心、超级市场、超市等）；6. 现代化建筑中的照明、电源转换、泵、风机、空调、消防、照明等电气控制与保护系统3基础设施和消防系统1. 高速公路照明或通风系统；2. 各种场合的消防泵、风机等；3. 港口或铁路系统（航空港、铁路客运中心等）；4. 军队驻地控制保护系统（如边防哨所、雷达机站）2.6控制和保护开关的硬件电路设计控制器都是在智能控制器的指挥下完成功能实现的，是集成低压电器的”大脑”。而它的硬件电路是系统正常工作的基础。在电动机正常运行时，控制器不断的进行采样、计算、比较和判断，并将电动机运行时的电流和电压值送至显示单元循环显示。若电动机运行出现故障，则由控制器向集成低压电器发出动作指令以切断电动机的电源，并显示故障类型和故障发生时的电流和电压值。此外，智能控制器可通过通讯单元把运行参数和故障信息送给上位机，同时上位机可以通过通讯单元完成对下位机的访问、查询及控制。总体上，控制器的基本结构包括输入、中央控制、输出和通信四大模块。2.7本章小结本章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。第三章 控制与保护开关的触头系统3.1电动力及触头的振动3.1.1触头间的电动力 电动力是指载流导体在磁场中所受的力，当触头流过电流时，由于电流线的收缩，触头间会产生相互排斥的电动力如图3-1。当流过触头的电流较大时，这一点动力可达到相当大的值。图3-1触头间电动力 触头回路流过电流是，也会受到电动力的作用。触头回路电动力的方向也是使触头相互排斥。双断点触头系统中，触头所受的推斥力F等于触头回路电动力Fhl两个触点间电动力Fcd之和。即F=Fhl+2Fcd。 当触头受到店东斥力作用时，会造成出头的接触压力减小以及触头闭合过程中容易产生机械振动，甚至会斥开触头，从而影响触头的可靠工作，因此在触头系统设计中要采取一些电动力补偿措施。3.1.2触头间电动力的计算 触头间电动力的大小与触头实际接触点的数量有关，接触点越少，电流收缩现象越明显，触头间电动力也越大。但很难精确确定触头间接触点的数量，可建立触头间电动力模型如图3-2，来近似计算电动力。图3-2.计算触头间电动力的模型根据这个模型可得触头间电动力的计算公式如下： 式中， F触头间的电动力（N）； I流过触头的电流（A）； d触头的直径（m）； d0接触点处的直径（m），d0可用下式确定：(m) 式中， Fj触头间接触压力（N）； HB触头材料的布氏硬度。3.1.3触头振动及其计算3.1.3.1引起触头振动的原因 （1）衔铁吸合时，动静触头相互碰撞以及衔铁和铁心的碰撞；（2）外界的冲击与振动通过底座或底板传递到电器上； （3）短路电流流过触头时，触头间和触头回路所产生的电动斥力将触头斥开。3.1.3.2触头振动的计算公式对于直动式触头系统，动静触头相撞弹开的最大距离xm及所需要的时间tm的近似计算公式如下：（m） (s) 上式中Fc触头初压力（N）触头第一次弹开的持续时间t1及触头全部振动时间tq可近似用下列公式计算：（s） （s） 图3-33.2触头的熔焊和冷焊3.2.1触头的熔焊 触头发生振动然后重新闭合时，可能发生熔焊，此时触头最小熔焊电流可溶经验公式 上式中Irm最小熔焊电流 Fz触头压力 Kr与触头材料和触点数量有关的系数，其取值如下表3-1。表3-1 Kr取值情况触头形式触头材料Kr刷形指形指形铜黄铜铜铜铜黄铜950-127013001830 除以上情况外，当触头流过过载电流或短路电流时也可能发生熔焊，在这种情况下，触头流过的电流越大时间越长就越容易发生熔焊。接触点处的温度是电流和电流流过时间的函数，其关系式如下： （） 若认为接触点处的温度达到熔点时就发生熔焊，则由上式可求得触头的熔焊电流 （A） 式和式中 ； 触头材料的热导率W/(m.K)； c出头材料的比热容J/(kg.K)； 出头材料的密度（kg/m3）; d0接触点的直径（m）； r出头材料的熔点（）； 0触头流过过载或短路电流前的初始温度（） 触头材料的电阻率（.m） d0的估算方法为 (m) 将式代入式可得 从上式可以看出，熔焊电流触头压力Fj、触头材料熔点r以及电导率的增大而增大，并随触头材料电阻率及硬度HB的减小而增大，但随过载或短路电流的时间的增大而减小。3.2.2触头的冷焊触头接触点处的温度未达到触头的熔点、触头材料为融化时发生的触头粘接现象称为触头的冷焊。图3-4银触头在不同触头压力F时粘结力Fzj与接触处温度jm间的关系实验结构表明银触头的熔焊一般在触头流过电流且接触点温度达到200-250时才发生，而铜触头的冷焊则在300时才能发生（F=100N）。3.3触头磨损及其计算3.3.1触头磨损形式 按产生原因课讲触头磨损分为机械磨损、化学磨损及电磨损。本设计中的CPS机体触头控制电路电压较高、功率较大，因此，其磨损形式以电磨损为主。3.3.2电磨损及其计算电磨损的形式主要有液桥磨损与电弧及电火花磨损。3.3.2.1液桥磨损 触头在开断过程中形成的液态金属桥简称液桥。 触头断开一次电路的液桥磨损量可用下式计算： 触头材料的密度（g/cm3）； I开断电流（A）； Kjf常数，常用触头材料Kjf的值见表3-2。表3-2常用触头材料Kjf触头材料金银铂钯Kjf（）4.426.755.63