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控制与保护开关电器的发展
发布日期:2013/11/3 浏览:925新闻来源:www.dibaodq.com

kbo控制与保护开关电器的发展

电动机的控制与保护是低压电器在工业控制领域的一个主要应用,实现该功能的低压电器被称为控制与保护开关电器(Control and Protective Switching Devices, CPS),它由电动机断路器(Motor Circuit Breaker, MoCB)和接触器两部分组成,前者起各种保护和在故障情况下通断电路的作用;后者起控制作用。

  目前,有3种方案组成这种组合电器:①标准MoCB+标准接触器;②专用MoCB+专用接触器;③断路器和接触器集成,共用一个触头系统。


    该组合电器的一个关键技术问题是接触器与MoCB间在短路电流下的协调配合问题。按照GB14048和IEC60947要求,有两类配合要求:第1类配合要求在短路试验后,接触器更换零件后可继续使用,不造成对人和设备危害;第2类配合要求接触器不可更换零件,不对人及设备造成危险,可继续使用。考虑协调配合的短路条件,有两种额定限制短路电流Ir和Iq,Ir由接触器AC-3额定工作电流Ie决定,例如Ie≤16A时,取Ir=1kA;16AIr,它由保护装置的预期短路电流决定。第1类组合方式,由于电动机和接触器都是市场上通用产品,易于购买,但是满足第2类协调配合很困难,一般通过选用大规格的接触器来解决;第2类组合方式现在被大多数低压电器公司所采用,如金钟穆勒公司的PKZMoCB和DL接触器组合,施耐德公司的GV MoCB与LCD接触器组合;第3类组合方式,采用集成化方式,把MoCB和接触器组合成一个整体,组成一个多功能的低压开关电器,施耐德公司在上世纪开发了Integral系列,新世纪又推出新型的TeSysU系列,后者是一种智能化、集成化的低压开关电器。

1 短路电流下协调配合仿真研究

德国德里斯登技术大学与比利时WEG公司的Roschke等人对电动机CPS在短路电流条件下进行了仿真研究,仿真包括:不同场域、电路方程、机械运动以及电弧数学模型的多种耦合,多种场域包括磁场和电流场。电弧模型考虑等离子体和热力学模型,作为动态仿真各种微分方程之间的耦合关系(见图1),其中,机械运动通过分断过程中触头开距变化与电弧模型耦合起来,电弧模型通过电弧电压与电路瞬态方程耦合,而后者通过回路电流与磁场方程联系,而磁场方程通过触头电动斥力、磁脱扣器吸力与机械运动相耦合,通过吹弧磁场与电弧模型耦合。图2为MoCB与接触器组合,各自主触头串联起来,通过断路器磁脱扣器线圈接到主电路。


   不同短路电流下,CPS中的MoCB与接触器的协调配合仿真结果如表1所示。低短路电流时,当电流大于磁脱扣器整定值时,脱扣器带动操作机构使断路器开断,由于电流不大,接触器的触头保持闭合状态,这时接触器触头是否发生熔焊决定于短路电流大小与持续时间。中等短路电流时,断路器触头由于电动斥力作用先于磁脱扣器动作而斥开,由于短路电流尚不足够大,触头打开速度不高,吹弧磁场也不大,而燃弧时间较长,但这一电流已足够使接触器触头斥开。触头斥开后产生电弧,电弧使接触器触头表面材料熔化,这样当电流减小,接触器动触头返回时,由于触头斥开距离不大,触头回落时间较早,容易产生动静触头熔焊现象。大短路电流情况,断路器触头在电动斥力作用下很快斥开,并且卡位机构防止断路器动触头返回,由于触头斥开速度快,吹弧力使电弧快速运动,在此同时,接触器的触头也在电动斥力作用下快速斥开,并且由于电动力大,动触头斥开到较大的开距,当接触器触头开始返回时,由于断路器在大短路电流下,有很强的限流作用,因而此时电弧已燃灭,当动触头返回与静触头接触,由于动触头回落较迟,触头表面熔化的金属已固化,因而产生熔焊的可能性较小。从仿真结果看,当中等短路电流时,CPS中协调配合情况最严峻。


2 CPS GLKB0短路协调配合性能的提高

  在短路电流条件下,要实现CPS良好的协调配合,防止接触器触头熔焊,可采取以下4项措施:①接触器触头采用抗熔焊材料;②提高断路器限流性能;③接触器触头系统采用特殊抗熔焊结构;④采用电动机断路器和接触器的集成化机构。
  由于环保原因,当前接触器触头材料普通应用AgSnO2来代替AgCdO,AgSnO2较AgCdO有更好的热稳定性和抗熔焊性能,但接触电阻高,引起触头温升高。由上一节分析,接触器触头熔焊与MoCB限流性能有关,提高断路器限流性能,可减少接触器触头熔焊可能性,所以,MoCB一般采用两种方式来加速短路电流下的触头分断速度:一是采用冲击电磁铁,当短路电流通过电磁铁线圈,动铁芯直接打击触头系统,如图3所示;二是利用触头的电动斥力。为保证良好的分断性能,MoCB采用桥式双断点结构。
提高接触器的抗熔焊性能,也可采用特殊的抗熔焊触头结构,一种是采用类似MCCB的机械卡位结构,当接触器由于电动斥力斥开后,由机械方式使动触头保持在打开位置,美国伊顿公司的Zhou博士提出一种电磁式卡位结构[2],如图4所示,在动触头支架上放有动触头桥,和一般机构不同之处是动触桥由一U型衔铁包围,在触头支架顶部固定有平板铁片,当短路电流通过触桥时U型衔铁带动触桥吸向平板铁片,在短路电流期间这一结构能延缓触桥返回时间。当动、静触头重新闭合时,触头上熔化金属已固化,因而可避免触头熔焊现象以振荡回路为电源,对一额定电流为50A的接触器与MoCB做协调配合试验,接触器采用传统和带电磁卡位机构两种样机,试验按第二类配合要求进行,试验电流为18kA,电压为277V时的两种结构试验波形如图5所示。由图5(a)可见,回路电流尚未到零时,接触器触头电压已到零,这意味着动触头已返回与静触头重新闭合,此后的接触器触头电压为零,表示触头已熔焊。由图5(b)可见,当回路电流到零后2ms左右,接触器触头电压才到零,说明接触器动静触头重新闭合时,回路已无电流,然后在接触器触头上呈现的电压由电源电压按断路器和接触器断口的介质恢复进行分配。


3 集成化CPS  DBKB0控制与保护开关电器

   让断路器和接触器共用一个触头系统,组成一个集成化的开关电器,就能很好解决CPS的协调配合问题,实现短路条件下断路器和接触器的全配合,早在20世纪90年代,施耐德公司就推出Integral系列CPS,国内也开发了集成化CPS  GLKB0系列,有63与125A规格,主触头采用桥式结构,依靠冲击电磁铁获得强烈的限流作用。进入新世纪,施耐德公司又推出TeSysU系列CPS,目前,市场上能提供12A和32A两种电流规格,它具有断路器、接触器和电动机的各种保护的功能。
    图6它的结构原理图,主触头为桥式触头,断路器和接触器共用一个触头系统,断路器的操作机构和接触器的电磁铁可通过挡板操作动触头的开闭,在没有外力作用下,触头系统在压缩弹簧作用下处于闭合位置,断路器部分依靠触头电动斥力进行限流,在400V下开断能力达50kA,接触器部分由脉宽调制(PWM)方式供电,通过电流反馈,实现对操作电磁铁的智能化控制,可使AC43电气寿命达200万次,操作电磁铁采用如图7所示永磁电磁铁,加上吸合时调节供电方式PWM占空比,使该电器为一种节能型电器,控制回路功耗仅1.7~3W,该电器为模块化结构,通过不同模块组合,可实现电动机多种智能化保护,包括过载和短路、缺相和三相不平衡等保护,有故障报警和多种检测功能,通过通信模块可与ASi和Modbus总线接口。


4 结 论

(1)电动机CPS由断路器和接触器组成,有3种组合方式。


(2)MoCB和接触器在短路电流下的协调配合是这种电器的技术关键,通过不同大小的短路电流分断过程仿真,得出中等短路电流协调配合最严峻。


(3)有4种措施可以防止短路电流作用下接触器触头的熔焊现象,其中,电磁卡位机构是接触器触头系统采用的一种新颖结构。


(4)断路器和接触器共用一个触头系统,构成集成化的开关电器,能实现短路条件下断路器和接触器的全配合。新型的集成化的CPS是一种高度智能化的开关电器。

 
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