基于熱電混合式過載保護(hù)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及電氣控制領(lǐng)域，具體指一種可W實現(xiàn)電流過載保護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和 設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】 陽〇〇引 電器在電能的生產(chǎn)、輸送和使用中起著十分重要的作用，例如，發(fā)電廠中，發(fā)電機 將其他形式的一次能源(勢能、熱能、核能、太陽能、風(fēng)能等）轉(zhuǎn)換為電能，而安全可靠的發(fā)電 過程需要眾多電器的參與才能得W實現(xiàn)，其中包括發(fā)電機運行的控制電器和保護(hù)電器，如 斷路器、熱繼電器等等。
[0003] 低壓斷路器主要分為萬能式斷路器ACB、塑殼式斷路器MCCB和小型斷路器MCB。 其中，ACB主要應(yīng)用于配電網(wǎng)中，用來分配電能，保護(hù)線路和電源設(shè)備。智能型ACB采用模 塊化結(jié)構(gòu)，對配電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障均能實現(xiàn)有效的保護(hù)。據(jù)統(tǒng)計2008年國內(nèi)ACB總量 超過60萬臺，其中智能化產(chǎn)品比例按臺數(shù)占45%，按產(chǎn)值占80%。目前國內(nèi)高端產(chǎn)品從技術(shù) 水平看與國外產(chǎn)品相差不大。MCCB主要用來分配電能和保護(hù)線路、電源設(shè)備或電機免受過 載、短路或欠壓故障的損壞。國內(nèi)MCCB的年需求量約2400萬臺，其中智能型占的比例還不 到1%。然而，MCCB的智能化工作從來沒有停止。MCB主要用于終端配電線路，對線路提供 過載和短路保護(hù)。MCB的年產(chǎn)量超過5億臺，大部分用于終端配電和民用建筑。目前尚未見 智能化MCB的相關(guān)報道。
[0004] 上述資料表明，ACB智能化產(chǎn)品的需求量相對較高，運主要緣于ACB保護(hù)的重要性 和保護(hù)功能的多樣性。那么是什么原因限制了MCCB和MCB的智能化進(jìn)程呢？遠(yuǎn)^^護(hù)功能 相對較少，傳統(tǒng)熱磁脫扣方式也可實現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)，且價格低，體積小。因此，還有廣泛的市 場需求；磬MCCB和MCB體積較小，特別是MCB，除非有新技術(shù)、新體積原理或新結(jié)構(gòu)，否則， 智能化后的很難與現(xiàn)有尺寸相當(dāng)；霞MCCB智能化產(chǎn)品規(guī)格少，動熱穩(wěn)定性不高W及部分廠 家產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等，都是影響其推廣使用的原因。在非智能化的斷路器中，熱磁脫扣方式 還大量使用。 陽〇化]熱脫扣是通過雙金屬片受熱彎曲推動傳動機構(gòu)的一種脫扣方式，主要用于斷路器 中的過載長延時保護(hù)，也被廣泛用于熱繼電器中。熱脫扣的過載保護(hù)方法簡單、體積小、成 本低，可在一定程度上獲得反時限保護(hù)特性。但由于雙金屬片材料及特性分散性較大、反 時限特性單一、調(diào)整誤差大、重復(fù)性差、易受環(huán)境溫度影響誤動或拒動等原因，很難滿足過 載保護(hù)要求。早在1994年國家經(jīng)貿(mào)委就發(fā)出第六號令，要求立即淘汰基于熱脫扣原理的 JR0-JR16熱繼電器，1996年國家"八部委"聯(lián)合發(fā)出文件，要求1997年12月31日前停止 JR0-JR16熱繼電器的生產(chǎn)、銷售和使用，直到2005年底發(fā)改委頒布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo) 目錄》中還再次明令淘汰JR0-JR16熱繼電器?，F(xiàn)在JR0-JR16很少見了，取而代之的是JR36， JR20等型號繁多（還有一些外國品牌）卻基于相同的原理的熱繼電器。我們不得不面對的 現(xiàn)實是，盡管國家=申五令，但熱繼電器的生產(chǎn)銷售卻有增無減，究其原因是多方面的，但 與簡單有效的熱保護(hù)原理沒有突破性進(jìn)展不無關(guān)系。雖然"淘汰令"是針對熱繼電器的，但 基于相同熱脫扣原理的斷路器所面臨的問題是相同的。
[0006] 目前，用于低壓斷路器過載保護(hù)的還有一種方式，即電子式過電流保護(hù)。它采用電 流傳感器檢測過電流，配合單片機系統(tǒng)實現(xiàn)過載保護(hù)。與熱保護(hù)相比，電子式過電流保護(hù)的 主要優(yōu)點在于保護(hù)特性多樣且方便調(diào)節(jié)、不受環(huán)境溫度影響、重復(fù)性和穩(wěn)定性較好、便于智 能化。然而，電流互感器多采用的是電磁式和空屯、式。電磁式電流互感器由于有鐵屯、，測量 大電流時鐵屯、會飽和，尤其是在電機啟動時，電流可達(dá)到額定電流的6~8倍，因此電磁式互 感器對電流的測量范圍有限，并且鐵屯、損耗也會隨著增加，產(chǎn)生高熱，會損壞絕緣，要想保 證絕緣，就必須增大尺寸，成本就會隨之增加?？胀?、式是一種采用羅柯夫斯基線圈的輸出正 比于電流導(dǎo)數(shù)原理制成的無鐵屯、的空屯、線圈。雖然空屯、式不存在飽和現(xiàn)象，但是小電流測 量時存在輸出信號弱，并且測量精度易受環(huán)境溫度影響，空屯、式電流互感器的結(jié)構(gòu)與二次 側(cè)的線圈應(yīng)數(shù)密切相關(guān)，線圈骨架和應(yīng)數(shù)密度直接影響散熱。除此之外，目前應(yīng)用的過載保 護(hù)系統(tǒng)由于有電流互感器的存在，其體積都比較大，因而從結(jié)構(gòu)尺寸上限制了MCB、MCCB和 熱繼電器等電器的智能化和小型化的發(fā)展。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 實用新型目的
[0008] 針對W上問題，本實用新型提供一種基于熱電混合式過載保護(hù)系統(tǒng)及其設(shè)計方 法，解決熱脫扣方式存在的弊端和影響或限制MCCB、MCB、熱繼電器等智能化進(jìn)程的主要問 題。
[0009] 技術(shù)方案
[0010] 一種基于熱電混合式過載保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包括包括熱元件、絕緣材 料、溫度傳感器、單片機系統(tǒng)和電磁機構(gòu)；熱元件連接絕緣材料，絕緣材料連接溫度傳感器， 溫度傳感器連接單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)連接開關(guān)。
[0011] 在單片機系統(tǒng)上還連接有補償溫度傳感器。
[0012] 基于熱電混合式過載保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于：該方法的步驟如下：首 先，采用溫度場和熱路方程相結(jié)合的方法研究熱元件與溫度傳感器之間的溫度場分布W及 絕緣材料和環(huán)境溫度對熱交換的影響，建立合理的熱力學(xué)系統(tǒng)；
[0013] 其次，建立傳感器溫度與主回路電流之間的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，分析熱力學(xué)參數(shù)對動 態(tài)特性的影響，優(yōu)化響應(yīng)速度，并W該動態(tài)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，借由單片機完成過載電流與脫 扣時間的遞推算法研究，其中包括護(hù)％、巫、標(biāo)準(zhǔn)反時限饋、過反時限巧、超反時限蛛等 多種保護(hù)特性，完成根據(jù)溫度測量電流的研究。采用環(huán)境溫度補償算法，對過載長延時保護(hù) 特性的方法進(jìn)行調(diào)整，完成微型熱電混合式過載保護(hù)脫扣器的研究。
[0014] 優(yōu)點及效果
[0015] 本實用新型所提出一種基于熱電混合式過載保護(hù)系統(tǒng)及其設(shè)計方法，是一種簡單 有效的新方法。本實用新型能夠達(dá)到電流過載保護(hù)的目的，同時還能減小電器設(shè)備的體積， 避免大電流時鐵屯、飽和，增大電流的監(jiān)控范圍。對MCB、MCCB、熱繼電器等的智能化、小型化 也有重要的參考價值。
[0016] 采用熱電混合式過載保護(hù)有如下幾個特點：
[0017]I)采用熱元件和溫度傳感器組合代替電流互感器，不但可W減小體積，也可避免 大電流時鐵屯、飽和，增大電流測量范圍。
[0018] 2)電流過載保護(hù)特性由單片機通過算法完成，與雙金屬片單一的特性相比，易于 實現(xiàn)保護(hù)特性的多樣化。
[0019]3)采用環(huán)境溫度補償算法，可減少甚至消除環(huán)境溫度的影響，提高重復(fù)性和穩(wěn)定 性。
[0020] 電流轉(zhuǎn)變成溫度的過程有很強的濾波作用，可W有效減小電流中的高頻干擾。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0022] 附圖標(biāo)記說明：1-熱元件，2-絕緣材料，3-溫度傳感器，4-補償溫度傳感器，5-單 片機系統(tǒng)，6-電磁機構(gòu)。
[0023] 圖2是本實用新型的技術(shù)路線圖。
【具體實施方式】 [0024] ：
[00巧]下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本實用新型做進(jìn)一步的說明：
[00%] 如圖1所示，本實用新型是一種基于熱電混合式過載保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括包括 熱元件1、絕緣材料2、溫度傳感器3、單片機系統(tǒng)5和電磁機構(gòu)6;熱元件1連接絕緣材料2， 絕緣材料2連接溫度傳感器3,溫度傳感器3連接單片機系統(tǒng)5,單片機系統(tǒng)5連接開關(guān)。
[0027] 在單片機系統(tǒng)5上還連接有補償溫度傳感器4。
[0028] 基于熱電混合式過載保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計方法，該方法的步驟如下：首先，采用溫度場 和熱路方程相結(jié)合的方法研究熱元件與溫度傳感器之間的溫度場分布W及絕緣材料和環(huán) 境溫度對熱交換的影響，建立合理的熱力學(xué)系統(tǒng)；
[0029]其次，建立傳感器溫度與主回路電流之間的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，分析熱力學(xué)參數(shù)對動 態(tài)特性的影響，優(yōu)化響應(yīng)速度，并W該動態(tài)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，借由單片機完成過載電流與脫 扣時間的遞推算法研究，其中包括換刊、逝、標(biāo)準(zhǔn)反時限錢;、過反時限巧、超反時限發(fā)等 多種保護(hù)特性，完成根據(jù)溫度測量電流的研究。采用環(huán)境溫度補償算法，對過載長延時保護(hù) 特性的方法進(jìn)行調(diào)整，完成微型熱電混合式過載保護(hù)脫扣器的研究。
[0030] 本實用新型是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電器設(shè)備巧日斷路器、熱繼電器）過載保護(hù)的熱電混合 式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，本實用新型首先通過熱元件1來反映電流，絕緣材料2是導(dǎo)熱性 能好的絕緣材料，通過絕緣材料2將溫度傳遞到溫度傳感器3,然后通過溫度傳感器3來將 溫度變換成電信號，考慮到環(huán)境溫度的影響，采用補償溫度傳感器4進(jìn)行修正。最后，將電 信號傳送到單片機系統(tǒng)5,進(jìn)行計算，然后發(fā)出相應(yīng)指令，通過電磁機構(gòu)6控制主回路的通 斷。由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用熱元件和溫度傳感器組合代替電流互感器，減小了斷路器的體積， 同時增大了電流的測量范圍，對MCB、MCCB和熱繼電器等的智能化和小型化有重要的參考 價值。本實用新型的關(guān)鍵之處在于建立一個合理的借由單片機實現(xiàn)電流過載保護(hù)特性的遞 推算法，技術(shù)路線如圖2所示，首先，提出熱電混合式過載保護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法。然 后，建立綜合考慮絕緣材料熱性能和環(huán)境溫度的電流-溫度動態(tài)數(shù)學(xué)模型。最后，根據(jù)保護(hù) 特性的要求，研究多種過載保護(hù)特性的遞推算法并進(jìn)行仿真驗證，最終達(dá)到過載保護(hù)的最 優(yōu)化控制。本實用新型的設(shè)計方法通過單片機的遞推算法實現(xiàn)了電流的過載保護(hù)，適用性 強，可靠性高。
【主權(quán)項】
1. 一種基于熱電混合式過載保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包括包括熱元件（1)、絕緣 材料（2 )、溫度傳感器（3 )、單片機系統(tǒng)（5 )和電磁機構(gòu)（6 );熱元件（1)連接絕緣材料（2 )， 絕緣材料（2 )連接溫度傳感器（3 )，溫度傳感器（3 )連接單片機系統(tǒng)（5 )，單片機系統(tǒng)（5 )連 接開關(guān)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱電混合式過載保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于：在單片機系統(tǒng) (5)上還連接有補償溫度傳感器（4)。
【專利摘要】一種基于熱電混合式過載保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括熱元件、絕緣材料、溫度傳感器、單片機系統(tǒng)和電磁機構(gòu)；其是一種簡單有效的新方法。本實用新型能夠達(dá)到電流過載保護(hù)的目的，同時還能減小電器設(shè)備的體積，避免大電流時鐵心飽和，增大電流的監(jiān)控范圍。對MCB、MCCB、熱繼電器等的智能化、小型化也有重要的參考價值。
【IPC分類】H02H7/22, G06F17/50, H02H5/04
【公開號】CN204992549
【申請?zhí)枴緾N201520392165
【發(fā)明人】宗鳴, 宮赫
【申請人】沈陽工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年6月9日