新型控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)閉合過(guò)程動(dòng)態(tài)特性探究

蘇金州, 許志紅

(1. 福州大學(xué), 福建 福州 350108; 2. 福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院, 福建 福州 350002)

1 引 言

控制與保護(hù)技術(shù)在配電網(wǎng)絡(luò)、低壓電氣控制系統(tǒng)及電動(dòng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行中至關(guān)重要。傳統(tǒng)的將多種不同功能的分立電器件組合配套以達(dá)到特定的控制與保護(hù)組合功能的措施,會(huì)產(chǎn)生各分立電器的保護(hù)協(xié)調(diào)配合問(wèn)題,于是出現(xiàn)了控制與保護(hù)開(kāi)關(guān) (control and protective switching device,CPS)。KB0系列產(chǎn)品集成了傳統(tǒng)的斷路器(熔斷器)、接觸器、過(guò)載(或過(guò)流、斷相)繼電器、起動(dòng)器、隔離器等的主要功能,是一種新型產(chǎn)品。其保護(hù)特性、控制動(dòng)作特性能夠反映電壽命、機(jī)械壽命、動(dòng)作可靠性,直接影響控制系統(tǒng)的上下級(jí)配合。開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性研究主要集中在接觸器、斷路器等電磁電器產(chǎn)品,主要采用了動(dòng)態(tài)仿真、圖像處理等技術(shù)手段[1～7],暫鮮有針對(duì)KB0系列CPS的動(dòng)態(tài)特性研究。

本文基于單片機(jī)和高速圖像處理技術(shù),研究了一種新型控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法,并針對(duì)KB0系列CPS產(chǎn)品開(kāi)展了在空載條件下的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與分析。

2 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型分析

KB0系列CPS主要用于交流50 Hz(60 Hz)、額定電壓低于690 V、額定電流3～100 A、可調(diào)工作電流0.12～100 A的電力系統(tǒng)中接通、承載和分?jǐn)嗾l件(包括規(guī)定的過(guò)載條件)下的電流,且能夠接通、承載并分?jǐn)嘁?guī)定的非正常條件(如短路)下的電流。其結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 新型控保開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖1—靜觸頭; 2—?jiǎng)佑|頭; 3—觸頭支持; 4—快速短路脫扣器;5—拔桿; 6—觸頭彈簧; 7—?dú)? 8—柵片滅火室

從結(jié)構(gòu)和功能上來(lái)說(shuō),KB0系列產(chǎn)品已不再是接觸器、斷路器或熱繼電器等單個(gè)產(chǎn)品,而是一套控制保護(hù)系統(tǒng)。其電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是直動(dòng)式的,在忽略鐵芯中渦流損耗的條件下其動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型可參考直動(dòng)式交流接觸器,如式(1)所示:

(1)

式中:ψ(t)為磁鏈;u為線圈激磁電壓;R為線圈電阻;i(t)為勵(lì)磁電流;Fx(t)和Ff(t)分別為電磁吸力、反力;v(t)和x(t)分別為速度和位移;m為銜鐵系統(tǒng)的質(zhì)量。初始條件為ψ(0)=0,v(0)=0,x(0)=0。

式(1)可直接用數(shù)值法求解,將時(shí)間變量t離散化,用4階Runge-Kutta法求解。然后采用數(shù)學(xué)仿真計(jì)算便可得到線圈電壓、線圈電流、吸力、反力、磁鏈、鐵芯位移、觸頭位移等與時(shí)間關(guān)系曲線。但由于該新型產(chǎn)品的仿真初始參數(shù)較難獲取以及結(jié)構(gòu)相對(duì)特殊,并不大適合用已有模型和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真計(jì)算與分析。

3 基于單片機(jī)與圖像處理的測(cè)試技術(shù)

利用單片機(jī)控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、通訊技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)、下位機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)KB0新型控保開(kāi)關(guān)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。測(cè)試原理圖如圖2所示。

圖2 測(cè)試原理圖

通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)與控制技術(shù)獲得動(dòng)態(tài)電壓、電流特性,利用高速攝影機(jī)拍攝技術(shù)及圖像自動(dòng)化處理技術(shù),獲得動(dòng)態(tài)位移特性。

3.1 檢測(cè)與控制技術(shù)

單片機(jī)控制器模塊的主要功能是接收前端信號(hào)檢測(cè)模塊采集到的電壓信號(hào),并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,而后控制調(diào)節(jié)電源模塊輸出設(shè)置的電壓值。其控制原理如圖3所示。

圖3 單片機(jī)控制原理圖

設(shè)置CPS線圈的通電合閘角度后,單片機(jī)通過(guò)選相控制回路接通CPS,在接通CPS的同時(shí)啟動(dòng)高速攝影機(jī)及單片機(jī)AD數(shù)據(jù)采樣,即可獲得CPS的動(dòng)態(tài)電壓、電流與位移參數(shù)。單片機(jī)主體程序采用C語(yǔ)言編程,CPS動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程中檢測(cè)與控制流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

CPS在吸合狀態(tài)時(shí),單片機(jī)檢測(cè)上位機(jī)或鍵盤(pán)是否有分?jǐn)郈PS的命令。如果有分?jǐn)嗝顒t通過(guò)控制模塊啟動(dòng)控制線路控制CPS分?jǐn)?并同時(shí)進(jìn)行采樣。采樣結(jié)束后將采集到的動(dòng)態(tài)參數(shù)先保存在單片機(jī)中,然后通過(guò)通信子程序把采集到的動(dòng)態(tài)過(guò)程參數(shù)傳送到上位PC機(jī)。

3.2 高速攝像與圖像處理技術(shù)

按感光元件來(lái)分,目前市面上的高速攝像機(jī)主要可分為CCD系統(tǒng)和CMOS系統(tǒng)兩大類[8～11]。CCD系統(tǒng)運(yùn)行速度較慢,大多需要3組電源供電,耗電量較大。CMOS系統(tǒng)的核心是一個(gè)感光二極管,速度也比CCD快,只需使用一個(gè)電源,耗電量?jī)H為CCD系統(tǒng)的1/8～1/10。本文采用感光組件是CMOS系統(tǒng)的高速攝影機(jī)進(jìn)行CPS動(dòng)態(tài)特性位移參數(shù)拍攝,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。CMOS攝像頭將物體反射的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào),通過(guò)高速攝影機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換獲得數(shù)字信號(hào),然后保存在圖像存儲(chǔ)器中,或者經(jīng)IEEE1394數(shù)據(jù)線接口上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存和顯示。

圖5 數(shù)字圖像采集系統(tǒng)

高速攝影機(jī)采集到數(shù)字圖像后,采用IPP (image-pro plus)專業(yè)圖像分析軟件對(duì)拍攝的圖像分析處理以得到位移量數(shù)據(jù)。為了精確測(cè)量CPS目標(biāo)(如動(dòng)鐵芯、動(dòng)觸頭)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)位置,采用一些特征標(biāo)志點(diǎn)(黑圓點(diǎn))對(duì)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記,如圖6所示。利用IPP的圖像自動(dòng)識(shí)別功能,實(shí)現(xiàn)圖像上圓特性標(biāo)志點(diǎn)的圓中心自動(dòng)識(shí)別與精確定位,從而實(shí)現(xiàn)了CPS在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的位移信號(hào)識(shí)別。

圖6 觸頭及鐵芯測(cè)試標(biāo)記點(diǎn)示意圖

在拍攝CPS動(dòng)態(tài)過(guò)程之前要對(duì)圖像的像素進(jìn)行標(biāo)定,如圖7所示。標(biāo)定的要求是與拍攝CPS動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)拍攝的位置固定不變,高速攝影機(jī)的設(shè)置也不變,這樣通過(guò)圖像上的2個(gè)標(biāo)記點(diǎn)即可轉(zhuǎn)換為實(shí)際的尺寸。

圖7 標(biāo)定使用的圖片

高速攝影機(jī)最快可每50 μs采樣1個(gè)點(diǎn),而電器動(dòng)態(tài)過(guò)程一般有幾十ms,圖像數(shù)量非常龐大,本文借助IPP軟件宏紀(jì)錄、VBA宏編程功能實(shí)現(xiàn)對(duì)大量圖像進(jìn)行自動(dòng)批量處理。

4 控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)電器測(cè)試與分析

4.1 空載條件下的動(dòng)態(tài)測(cè)試

選用了一臺(tái)型號(hào)為RDCPS[KB0]-45,額定線圈工作電壓Us=380 V,額定工作電流Ie=18～45 A,額定工作電壓Ue=380 V的新型控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)進(jìn)行空載條件下測(cè)試,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

利用基于單片機(jī)和圖像處理技術(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng),可獲取該CPS樣品吸合過(guò)程鐵芯和觸頭的動(dòng)態(tài)特性曲線(合閘角度為0°),如圖9所示。

由圖9可知,CPS吸合過(guò)程中,動(dòng)鐵芯剛閉合時(shí)的運(yùn)動(dòng)距離為6.71 mm,穩(wěn)定后為6.45 mm,與實(shí)際測(cè)量的6.50 mm基本一致;觸頭剛閉合的運(yùn)動(dòng)距離為4.68 mm,穩(wěn)定后為4.72 mm,與實(shí)際測(cè)量的觸頭開(kāi)距4.70 mm基本一致。由此說(shuō)明通過(guò)軟件處理后獲得的CPS位移曲線，真實(shí)有效。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試圖

圖9 CPS吸合過(guò)程動(dòng)態(tài)特性曲線

4.2 吸合過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分析

4.2.1 不同電壓等級(jí)下的吸合動(dòng)作時(shí)間分析

在線圈工作頻率f=50 Hz時(shí),取不同的工作電壓U=285 V(0.75Us),323 V(0.85Us),380 V(1.0Us),418V(1.1Us)進(jìn)行測(cè)試。合閘角度0°～180°,每隔15°分別測(cè)試鐵芯的吸合動(dòng)作時(shí)間,吸合時(shí)間與合閘角度的關(guān)系,如圖10所示。

圖10 不同工作電壓下的吸合動(dòng)作時(shí)間

由圖10可見(jiàn),在同一合閘相角下,隨著線圈工作電壓增大,吸合動(dòng)作時(shí)間隨之減小,而且在線圈工作電壓小于0.85Us時(shí)吸合動(dòng)作時(shí)間變長(zhǎng)的速度越來(lái)越快,在大于Us時(shí)吸合動(dòng)作時(shí)間變短的速度越來(lái)越快;在不同的合閘相角下,都有一個(gè)最大和最小的吸合動(dòng)作時(shí)間,最大值出現(xiàn)在90°左右,最小值出現(xiàn)在10°～40°,最小值出現(xiàn)時(shí)刻隨著工作電壓的減小而往左移。

4.2.2 不同工作頻率下的觸動(dòng)和吸動(dòng)時(shí)間分析

在線圈工作電壓為Us=380 V時(shí),電壓頻率分別為f=50 和60 Hz的電源進(jìn)行測(cè)試,合閘角度0°～180°,每隔15°分別測(cè)試鐵芯觸動(dòng)時(shí)間、吸動(dòng)時(shí)間、吸合時(shí)間與合閘角度的關(guān)系,如圖11所示。

圖11 不同工作頻率時(shí)的吸合動(dòng)作時(shí)間

由圖11可見(jiàn)：1)電源頻率50 Hz和60 Hz時(shí)兩者的臨界觸動(dòng)相角一致,在120°左右達(dá)到峰值; 0°～120°時(shí)2個(gè)頻率下的觸動(dòng)時(shí)間基本相同,在第一個(gè)半波內(nèi)都能可靠觸動(dòng);120°～180°時(shí)60 Hz電源的觸動(dòng)時(shí)間較短,這是因?yàn)?0 Hz電源的電壓周期更短,而電磁機(jī)構(gòu)觸動(dòng)所需時(shí)間也較短;2)在90°左右兩者都能吸動(dòng)時(shí)間達(dá)到峰值,約為一個(gè)電源周期左右; 0°～75°時(shí)50 Hz電源比60 Hz電源吸動(dòng)時(shí)間短, 75°～180°時(shí)50 Hz電源比60 Hz電源吸動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng),這是因?yàn)?0 Hz電源較早到達(dá)吸力波峰之后吸力很快又降下來(lái),導(dǎo)致吸動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng);3)吸合時(shí)間是觸動(dòng)時(shí)間與吸動(dòng)時(shí)間之和,由于吸動(dòng)時(shí)間比觸動(dòng)時(shí)間大得多,因此,在2種不同的頻率下吸合時(shí)間隨相角變化規(guī)律與吸動(dòng)時(shí)間隨相角變化規(guī)律一致。

4.2.3 閉合過(guò)程觸頭彈跳的特性分析

電磁電器的機(jī)械壽命主要取決于鐵芯的碰撞能量,鐵芯碰撞速度越快,碰撞能量越大,從而可能會(huì)引起觸頭的彈跳。觸頭彈跳是影響電壽命的重要因素,而且當(dāng)鐵心撞擊能量太大時(shí),還可能會(huì)導(dǎo)致觸頭發(fā)生二次彈跳,導(dǎo)致觸頭分?jǐn)嘈纬傻碾娀?duì)觸頭磨損較大。因此,對(duì)新型控保開(kāi)關(guān)閉合過(guò)程觸頭彈跳進(jìn)行特性測(cè)試與分析。在線圈工作電壓為Us=380 V,工作頻率50 Hz時(shí),合閘角度0°～180°間,每隔15°分別測(cè)試鐵芯末速度、觸頭末速度、觸頭彈跳時(shí)間、觸頭一次彈跳次數(shù)、觸頭二次彈跳次數(shù)。與彈跳相關(guān)的每個(gè)特征值在相同測(cè)試條件下經(jīng)3次測(cè)試,取平均值如表1所示。

表1 彈跳分析特征值測(cè)試表

由表1可見(jiàn)：1)觸頭末速度比鐵芯末速度數(shù)值差一個(gè)數(shù)量級(jí);鐵芯末速度在合閘角度為60°左右最小,在105°左右最大,在120°之后趨于穩(wěn)定;觸頭末速度變化沒(méi)有鐵芯那么激烈,在75°和150°左右達(dá)到最大值,在0°和180°左右達(dá)到最小值;2)在閉合過(guò)程中產(chǎn)生了觸頭彈跳,但彈跳時(shí)間曲線沒(méi)有明顯的函數(shù)曲線規(guī)律,有3個(gè)波谷,且在30°和90°左右達(dá)到最小值,此時(shí)不是鐵芯末速度和觸頭末速度最大時(shí)刻,而是兩者速度相對(duì)適中的時(shí)刻,此時(shí)剛好也是吸合時(shí)間隨合閘相角變化的極值點(diǎn);在0°和180°左右達(dá)到最大值,此時(shí)鐵芯末速度和觸頭末速度基本上達(dá)到最小;3)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)觸頭二次彈跳現(xiàn)象,一次彈跳在3次之內(nèi),且彈跳次數(shù)與彈跳時(shí)間的變化趨勢(shì)相同。

綜上所述,這些測(cè)試結(jié)果可能是由于這種新型控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的特殊性造成的。其鐵芯系統(tǒng)與觸頭系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)連鎖機(jī)構(gòu)不是直接的剛性連接,中間有一個(gè)運(yùn)動(dòng)拔桿,當(dāng)鐵芯系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)到一定位置后,由拔桿觸發(fā)觸頭支持件,使動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)直到與靜觸頭閉合。這樣,使得鐵芯系統(tǒng)的碰撞對(duì)觸頭閉合過(guò)程造成彈跳的影響大大減弱,消除了二次彈跳,避免實(shí)際工作過(guò)程中觸頭二次彈跳造成的電弧分?jǐn)嘤种厝棘F(xiàn)象。因此,此種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)一定程度上改善和提升了鐵芯和觸頭的末速度、動(dòng)作時(shí)間、觸頭彈跳等動(dòng)態(tài)特性。

5 結(jié) 論

本文基于單片機(jī)與圖像處理技術(shù),對(duì)KB0系列的新型控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)閉合過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試與分析1) 將高速攝像和圖像處理技術(shù)應(yīng)用在新型控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的鐵芯位移、觸頭位移測(cè)試是可行的,解決了非接觸測(cè)試問(wèn)題。2) 不同工作電壓下和不同工作頻率下的動(dòng)作時(shí)間隨合閘角度的變化曲線規(guī)律是一致的。3) 雖然鐵芯系統(tǒng)與觸頭系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)連鎖機(jī)構(gòu)不是直接的剛性連接,消除了觸頭二次彈跳。但是一次彈跳還是存在的。4) 可初步得出該新型控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的最佳合閘相角在30°左右。KB0系列CPS作為一種新型的控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)電器,具有廣闊的發(fā)展前景。因此,在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上還可以繼續(xù)開(kāi)展帶載條件下的閉合過(guò)程動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與分析。

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