智能控制器的机构改进与优化

杨奇锋 胡湘华 谢刚

摘要：针对智能控制器机构进行了局部改进、磁通变换器的改进与优化；MCR接通分断与越限跳闸的优化和改进；锁定与保护机构的改进优化、改进了微动开关位置与数量等。综合考虑成本、精度、实时性等多方面的因素，研究分析了新型的智能控制器机构。这种控制器使智能控制器的测量、保护、质量、成本、机构零件参数、功能技术参数等方面得到进一步改良。改进后的智能控制器机构可以更精确执行所要完成的步骤，减少动作总时间，同时降低产品成本。为了解决客户提出问题和产品不足，对此产品进行重新设计，断路器工作的可靠性与稳定性得到了提高，还完善保护功能，断路器的响应速度得到提高。

关键词：智能控制器 机构 执行元件 磁通变换器

中图分类号：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

随着现代科学技术日新月异地发展，电能在能源中越来越重要，在工业生产和生活应用中越来越普遍，电能分配就占有着举足轻重的地位，所以对低压断路器的要也求越来越高，智能型万能式断路器也从中发展起来。与热磁式断路器相比，智能型断路器有着很显著的优势。智能控制器机构（脱扣执行元件）作为断路器的重要组成部分，在万能式断路器的运行过程中它起到了重要的作用[1]。

本文针对智能控制器机构进行了改进和优化综合考虑了成本、精度、实时性等多方面的因素，制造了新型的智能控制器机构。改进智能控制器机构可以更精确执行所要完成的步骤，减少MCR总时间，改良多次动作后引起的保护不起作用同时降低产品成本。

1 低压断路器智能控制器机构元与不足

低压断路器智能控制器机构是底座、推杆、缓冲件、各种型号的导线、导电系统、接触系统、电路板、线路板、变压器、远程脱扣器、传统变换器等组成。

低压断路器当发生特大短路电流时，信号通过比较电路将指令发送至分断断路器，从而模拟量来脱扣方式得以实现[2]，当故障信号超过规定的讯号要大得很多的时候，模拟量信号就在不通过CPU处理直接使断路器得以脱扣，使断路器动作可靠，从而保护电网的作用[3]。

这里通过表1的形式来汇总出现的问题。

2智能控制器机构局部零件的优化

2.1磁通变换器的优化

2.1.1通过动态特性来实现磁通变换器的优化

磁通变换器对工厂的要求来说，需要体积小，价格需要低廉、动作灵敏，动作功率低、动作快和工作可靠[4]。结合二维磁场、电路方程式和机械仿真、机械瞬态耦合动态分析式。此次设计的磁通变换器是在给定弹簧力FS=15 N，动铁芯行程x=1 mm的情况治下，以线圈的匝数n，未放电的时候前电容器的初始电压U0，供电电容器的电容c和永久磁铁剩磁Br为变量，从而来找到动作时间top和这些变量的几何关系。

通过计算求得的动作时间top与未放电前电容器的初始电压U0还有线圈匝数n的关系。未放电前电容器的初始电压U0对动作时间top有很大影响，取未放电前电容器的初始电压U0=24 V比较合适，因为线圈匝数n比较少，很有可能出现两个问题：（1）出现磁通变换器不动作或点动的现象;（2）使线圈流过的电流大，使电子线路发热甚至烧坏。动作时间top会随着线圈匝数n的增加而增加，未放电前电容器的初始电压U0=24 V的V型曲线上，线圈匝数n为600匝比较适中。

为了获得的不同永久磁铁剩磁Br，U0与top的关系通过各种计算来得出来的。取弹簧力FS=15 N的时候，Br<0.6 T则永磁铁产生的洛伦茨磁力小于弹簧力Fs从而会使动铁芯吸不住，确保动作的可靠性，需要考虑到吸力的裕度（约为10 N），所以可以选择的永久磁铁剩磁Br范围为0.7～0.8 T。

2.1.2体积最小与动态要求作为约束条件的优化设计

此次磁通变换器是通过动、静态两个方面进行的优化设计。通过静态的优化阶段，首先采用磁路计算又结合优化方法进行了自动寻优，通过此方法来确定尺寸，然后再通过磁场计算的来进行检验和校核[5]，通过对磁通变换器的静态优化，同样的效果下磁通变换器尺寸减小，价格也明显降低了35％。

如表2所示可以看出原磁通变换器材料成本减少，总体积也大大减少了，占有的面积减少，尺寸大小明显减少，动作时间大幅度减少。

2.2MCR接通分断与越限跳闸的优化

2.2.1 MCR保护电路优化

考虑微动开关的滞后性和离散性不可避免，需要降低微动开关可靠性（即考虑微动开关不可靠）就进行了MCR保护判断条件的改进，提高MCR的工作效率。以前没有单独的设计一块MCR机械脱扣电路，使MCR总时间较长，可能会影响到整个断路器，以至于烧坏整个断路器。

现在新的控制器机构单独设计了一块MCR机械脱扣电路。而MCR微动开关也只用于MCR保护的退出，而MCR保护动作采取电流判断：只有分闸状态时，只要检测的电流信号超过MCR动作值，MCR就进行保护;而当MCR电平信号持续超过100ms，MCR保护退出。

此单独的MCR脱扣电路是通过模拟电路来实现的，故障电流信号达到一定值时，不经CPU处理，直接输出脱扣信号，图1故障电流信号经积分电路跟随隔离处理后，直接就与产生的正负两个基准电压比较，若信号峰值超过正基准或低于负基准，运放均可输出方波，其宽度与信号超过基准的绝对值大小相关，所有输出方波以或的形式，通过选择开关送脱扣电路，当信号脉宽超过抗干扰脉宽时，激活单稳态电路并触发复合管使执行元件动作[6]。断路器做短延时特性试验的时候，还有做电寿命试验的时候，需要总是关断，以防瞬动。

2.2.2MCR改进后验证

后期制作的两台控制器在摸底试验中，瞬动保护和MCR保护均使能，当作CO试验时，均显示MCR动作，动作时间均在正常动作时间范围内。与老控制器相比总时间减少了20～30ms。在进行CO实验时新旧MCR时间一个是15～30ms，一个是30～50ms。

2.3锁定与保护机构的优化

2.3.1锁定与保护机构的工作原理

锁定与保护机构是通过三连杆机构组成，但是和三连杆机构又不同，其的转换点不在一个平面上，有锁定的功能。只有把复位按钮往下按，就是使三连杆变成两连杆，能使推杆灵活运动，永久磁铁产生的磁通中Φf及对应的吸力使动铁芯处于吸合位置，而当电流i通过线圈产生的磁通Φ中抵消了Φf时，就可使动铁芯在弹簧力FS作用下动作，顶杆向下运动，使推杆旋转，从而使断路器脱扣，同时会因为弹簧1的拉力，使复位按钮向上弹，推杆卡到限位位置使其被固定，无法动弹，如果不能手动复位，一直会使断路器处于脱扣状态，使得断路器没办法合闸。避免电路故障状态情况下操作人员出现误操作导致合闸引起的危害，而且还能在发生短路电流大的情况下不通过智能控制器就进行自动跳闸，自动切断电源，从而起到保护作用。

2.3.2锁定与保护机构优化

原有的保护机构看出锁定机构因为零件太多，使其误差增大，可能会因为使用次数过多引起老化，使零件之间的协调与配合能力减弱，引起一些不必要的状况，最坏可能会因为零件之间的协调能力减弱，使机构卡死不能展现出原有的保护功能，断路器短路不能有效地脱扣，使断路器烧坏，更有甚者破坏整个电力系统。所以锁定与保护机构的改进，是很有必要的。通过锁定机构的工作原理，计算出拉力弹簧1的大小，从而得到更简化的机构，使其零件直接减少10个，这样在同样的功能下，提高了机构之间的协调和配合性能；也减少了其的生产成本，提高了机构的利润，减少了不必要的浪费，使整个机构简单便捷。

3 结语

本文对智能控制器机构进行了一定的优化，对这种原来都没有考虑或欠考虑的，通过各种测试与调试让本次设计的智能控制器机构具有了一定的成绩，使它在功能更加人性化，成本更低。

（1）通过静态阶段的优化，开始是采用磁路计算优化的方法进行了自动优化，通过这个方法来确定磁通变换器尺寸，再通过对磁场进行计算从而进行检验和校核，并且通过对磁通变换器的静态优化，磁通变换器尺寸减小（相同的效果下），成本也大大降低。

（2）瞬动保护和MCR保护均使能，当作CO试验时，均显示MCR动作，动作时间均在正常动作时间范围内。与老控制器相比总时间减少了20～30 ms。

（3）改进后的锁定与保护机构不仅零件减少了9个零件，而且配合效率、质量，体积、价格都相应地减少，装配起来简单，用时从20 min减少到了15 min，提高了工作效率，整套机构寿命也大大加强了。

（4）对效益明显增加，智能控制器寿命也由10 000次增加到15 000次，材料成本明显减少。

参考文献

[1]  张昀琦. 小型智能断路器系统设计与特性研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2022.

[2]  许爱斌.人工智能在自动化控制系统中的应用[J].集成电路应用，2023，40（8）：54-56.

[3]  陈卓.面向边缘智能控制器的认证机制研究[D].广州：广州大学，2023.

[4] 付立国.关于智能低压断路器维护检验方法的探讨[J].电气技术，2022，23（12）：81-84.

[5] 杨生泽.变压器温升试验一次回路的确定与分析[J].机械研究与应用，2022，35（2）：147-148，153.

[6] 耿立新，江镇伟.脱扣器执行元件的动态仿真和试验验证[J].电器与能效管理技术，2019（10）：31-35.