智能控制器的機構改進與優化

楊奇鋒 胡湘華 謝剛

摘要：針對智能控制器機構進行了局部改進、磁通變換器的改進與優化；MCR接通分斷與越限跳閘的優化和改進；鎖定與保護機構的改進優化、改進了微動開關位置與數量等。綜合考慮成本、精度、實時性等多方面的因素，研究分析了新型的智能控制器機構。這種控制器使智能控制器的測量、保護、質量、成本、機構零件參數、功能技術參數等方面得到進一步改良。改進后的智能控制器機構可以更精確執行所要完成的步驟，減少動作總時間，同時降低產品成本。為了解決客戶提出問題和產品不足，對此產品進行重新設計，斷路器工作的可靠性與穩定性得到了提高，還完善保護功能，斷路器的響應速度得到提高。

關鍵詞：智能控制器?機構?執行元件?磁通變換器

中圖分類號：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

隨著現代科學技術日新月異地發展，電能在能源中越來越重要，在工業生產和生活應用中越來越普遍，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勢。智能控制器機構（脫扣執行元件）作為斷路器的重要組成部分，在萬能式斷路器的運行過程中它起到了重要的作用[1]。

本文針對智能控制器機構進行了改進和優化綜合考慮了成本、精度、實時性等多方面的因素，制造了新型的智能控制器機構。改進智能控制器機構可以更精確執行所要完成的步驟，減少MCR總時間，改良多次動作后引起的保護不起作用同時降低產品成本。

1?低壓斷路器智能控制器機構元與不足

低壓斷路器智能控制器機構是底座、推桿、緩沖件、各種型號的導線、導電系統、接觸系統、電路板、線路板、變壓器、遠程脫扣器、傳統變換器等組成。

低壓斷路器當發生特大短路電流時，信號通過比較電路將指令發送至分斷斷路器，從而模擬量來脫扣方式得以實現[2]，當故障信號超過規定的訊號要大得很多的時候，模擬量信號就在不通過CPU處理直接使斷路器得以脫扣，使斷路器動作可靠，從而保護電網的作用[3]。

這里通過表1的形式來匯總出現的問題。

2智能控制器機構局部零件的優化

2.1磁通變換器的優化

2.1.1通過動態特性來實現磁通變換器的優化

磁通變換器對工廠的要求來說，需要體積小，價格需要低廉、動作靈敏，動作功率低、動作快和工作可靠[4]。結合二維磁場、電路方程式和機械仿真、機械瞬態耦合動態分析式。此次設計的磁通變換器是在給定彈簧力FS=15?N，動鐵芯行程x=1?mm的情況治下，以線圈的匝數n，未放電的時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，從而來找到動作時間top和這些變量的幾何關系。

通過計算求得的動作時間top與未放電前電容器的初始電壓U0還有線圈匝數n的關系。未放電前電容器的初始電壓U0對動作時間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，因為線圈匝數n比較少，很有可能出現兩個問題：（1）出現磁通變換器不動作或點動的現象;（2）使線圈流過的電流大，使電子線路發熱甚至燒壞。動作時間top會隨著線圈匝數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的關系通過各種計算來得出來的。取彈簧力FS=15?N的時候，Br<0.6?T則永磁鐵產生的洛倫茨磁力小于彈簧力Fs從而會使動鐵芯吸不住，確保動作的可靠性，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體積最小與動態要求作為約束條件的優化設計

此次磁通變換器是通過動、靜態兩個方面進行的優化設計。通過靜態的優化階段，首先采用磁路計算又結合優化方法進行了自動尋優，通過此方法來確定尺寸，然后再通過磁場計算的來進行檢驗和校核[5]，通過對磁通變換器的靜態優化，同樣的效果下磁通變換器尺寸減小，價格也明顯降低了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，動作時間大幅度減少。

2.2MCR接通分斷與越限跳閘的優化

2.2.1?MCR保護電路優化

考慮微動開關的滯后性和離散性不可避免，需要降低微動開關可靠性（即考慮微動開關不可靠）就進行了MCR保護判斷條件的改進，提高MCR的工作效率。以前沒有單獨的設計一塊MCR機械脫扣電路，使MCR總時間較長，可能會影響到整個斷路器，以至于燒壞整個斷路器。

現在新的控制器機構單獨設計了一塊MCR機械脫扣電路。而MCR微動開關也只用于MCR保護的退出，而MCR保護動作采取電流判斷：只有分閘狀態時，只要檢測的電流信號超過MCR動作值，MCR就進行保護;而當MCR電平信號持續超過100ms，MCR保護退出。

此單獨的MCR脫扣電路是通過模擬電路來實現的，故障電流信號達到一定值時，不經CPU處理，直接輸出脫扣信號，圖1故障電流信號經積分電路跟隨隔離處理后，直接就與產生的正負兩個基準電壓比較，若信號峰值超過正基準或低于負基準，運放均可輸出方波，其寬度與信號超過基準的絕對值大小相關，所有輸出方波以或的形式，通過選擇開關送脫扣電路，當信號脈寬超過抗干擾脈寬時，激活單穩態電路并觸發復合管使執行元件動作[6]。斷路器做短延時特性試驗的時候，還有做電壽命試驗的時候，需要總是關斷，以防瞬動。

2.2.2MCR改進后驗證

后期制作的兩臺控制器在摸底試驗中，瞬動保護和MCR保護均使能，當作CO試驗時，均顯示MCR動作，動作時間均在正常動作時間范圍內。與老控制器相比總時間減少了20～30ms。在進行CO實驗時新舊MCR時間一個是15～30ms，一個是30～50ms。

2.3鎖定與保護機構的優化

2.3.1鎖定與保護機構的工作原理

鎖定與保護機構是通過三連桿機構組成，但是和三連桿機構又不同，其的轉換點不在一個平面上，有鎖定的功能。只有把復位按鈕往下按，就是使三連桿變成兩連桿，能使推桿靈活運動，永久磁鐵產生的磁通中Φf及對應的吸力使動鐵芯處于吸合位置，而當電流i通過線圈產生的磁通Φ中抵消了Φf時，就可使動鐵芯在彈簧力FS作用下動作，頂桿向下運動，使推桿旋轉，從而使斷路器脫扣，同時會因為彈簧1的拉力，使復位按鈕向上彈，推桿卡到限位位置使其被固定，無法動彈，如果不能手動復位，一直會使斷路器處于脫扣狀態，使得斷路器沒辦法合閘。避免電路故障狀態情況下操作人員出現誤操作導致合閘引起的危害，而且還能在發生短路電流大的情況下不通過智能控制器就進行自動跳閘，自動切斷電源，從而起到保護作用。

2.3.2鎖定與保護機構優化

原有的保護機構看出鎖定機構因為零件太多，使其誤差增大，可能會因為使用次數過多引起老化，使零件之間的協調與配合能力減弱，引起一些不必要的狀況，最壞可能會因為零件之間的協調能力減弱，使機構卡死不能展現出原有的保護功能，斷路器短路不能有效地脫扣，使斷路器燒壞，更有甚者破壞整個電力系統。所以鎖定與保護機構的改進，是很有必要的。通過鎖定機構的工作原理，計算出拉力彈簧1的大小，從而得到更簡化的機構，使其零件直接減少10個，這樣在同樣的功能下，提高了機構之間的協調和配合性能；也減少了其的生產成本，提高了機構的利潤，減少了不必要的浪費，使整個機構簡單便捷。

3?結語

本文對智能控制器機構進行了一定的優化，對這種原來都沒有考慮或欠考慮的，通過各種測試與調試讓本次設計的智能控制器機構具有了一定的成績，使它在功能更加人性化，成本更低。

（1）通過靜態階段的優化，開始是采用磁路計算優化的方法進行了自動優化，通過這個方法來確定磁通變換器尺寸，再通過對磁場進行計算從而進行檢驗和校核，并且通過對磁通變換器的靜態優化，磁通變換器尺寸減小（相同的效果下），成本也大大降低。

（2）瞬動保護和MCR保護均使能，當作CO試驗時，均顯示MCR動作，動作時間均在正常動作時間范圍內。與老控制器相比總時間減少了20～30?ms。

（3）改進后的鎖定與保護機構不僅零件減少了9個零件，而且配合效率、質量，體積、價格都相應地減少，裝配起來簡單，用時從20?min減少到了15?min，提高了工作效率，整套機構壽命也大大加強了。

（4）對效益明顯增加，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。

參考文獻

[1] ?張昀琦.?小型智能斷路器系統設計與特性研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2022.

[2] ?許愛斌.人工智能在自動化控制系統中的應用[J].集成電路應用，2023，40（8）：54-56.

[3] ?陳卓.面向邊緣智能控制器的認證機制研究[D].廣州：廣州大學，2023.

[4] 付立國.關于智能低壓斷路器維護檢驗方法的探討[J].電氣技術，2022，23（12）：81-84.

[5] 楊生澤.變壓器溫升試驗一次回路的確定與分析[J].機械研究與應用，2022，35（2）：147-148，153.

[6] 耿立新，江鎮偉.脫扣器執行元件的動態仿真和試驗驗證[J].電器與能效管理技術，2019（10）：31-35.