开关性能（共8篇）
开关性能 篇1
我们常见的开关很多, 有电感式接近开关, 空气开关, 光电开关, 人体触摸感应开关, 数字式人体感应+照度双控学校教室专用照明节能开关, 声光控延时开关等。声光控延时开关电路已成为人们日常生活中必不可少的必需品。
随着电子技术的发展, 尤其是数字技术的发展, 用数字电路技术实现灯的自动发亮、节能节电、延长灯的寿命变得越来越成熟, 而且也贴近我们的实际生活。声光控延时开关是集声学、光学和延时技术为一体的自动照明开关, 广泛用于楼道、建筑走廊、洗漱室、厕所、厂房、庭院等公共场所, 是现代极理想的新颖绿色照明开关, 并能延长灯泡使用寿命, 从而大大减少维修量, 节约资金。
在实际生活中我们倡导节电节能, 并且使用声光控延时开关能够实现更多的自动化。白天或光线较强时, 开关电路为自锁状态, 灯不亮。当光线黑暗时或晚上来临时, 开关进入预备工作状态, 此时, 当来人有脚步声、说话声、拍手声等声源时, 开关自动打开, 灯亮, 延时一段时间后自动熄灭, 从而实现了“人来灯亮, 人去灯熄”, 杜绝了长明灯, 达到了节电和节能的目的, 并且免去了在黑暗中寻找开关的麻烦, 尤其是上下楼道带来不便。声光控延时开关安装方式灵活, 可以随意安装在您选择的任何位置。声光控延时开关是通过驻极体话筒和光敏电阻来实现的, 这样就给路人提供了相应的方便。
1 声光控延时开关分析
声光控延时开关的电路原理如图所示。电路中的主要元器件是使用了数字集成电路CD4011, 其内部含有4个独立的与非门VD1~VD4, 电路结构简单, 工作可靠性高。
整个电路的功能就是将声音信号处理后, 变为电子开关的动作。即声源产生的声音信号, 经声电转换器转换成微弱的电信号, 该信号经放大后送处理器处理, 处理器将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转换成一次状态改变的控制信号, 该信号经延时处理电路达到设计要求时间与设计要求功能, 经执行机构直接控制负载动作。明确了电路的信号流程方向后, 即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元。声音信号 (脚步声、掌声等) 由驻极体话筒MIC接收并转换成电信号, 经C1耦合到Q1的基极进行电压放大, 放大的信号送到与非门 (VD1) 的2脚, R4、R7是Q1的偏置电阻, C1是电源滤波电容。
为了使声光控开关在白天断开, 由光敏电阻RT等元件组成光控电路, R3和RT组成串联分压电路, 夜晚环境光暗时, 光敏电阻的阻值很大, RT两端的电压高。VD3和VD4构成两级整形电路, 将方波信号进行整形。当C2充电到一定电平时, 信号经与非门VD3、VD4后输出为高电平, 使单向可控硅导通, 电子开关闭合;C2充满电后只向R2放电, 当放电到一定电平时, 经与非门VD3、VD4输出为低电平, 使单向可控硅截止, 电子开关断开, 完成一次完整的电子开关由开到关的过程。二极管VD1~VD4将交流220V进行桥式整流, 变成脉动直流电, 又经R1降压, C1滤波后即为电路的直流电源, 为MIC、Q1、CD4011等供电。见图1。
2 结语
声光控延时开关原理明了, 性能稳定。在负载明显变化时, 它的本身变化特别小, 静态功耗很小, 它的原理简单, 使用灵活, 能为我们节约能源, 为生活提供方便。它实现了灯的自动发亮、节能节电、延长灯的寿命, 贴近我们的实际生活。它是现代极理想的新颖绿色照明开关。
这次毕业设计对我们所学模拟电子技术知识起到了加深和巩固的作用, 也使我获得了搭建和调试实验电路的能力。锻炼了我主动学习的能力。还可以从各种渠道获得一定的资料加以研究学习, 提高了我的综合动手能力。
参考文献
[1]周雪.模拟电子技术[M].西安电子科技大学出版社, 2004.
[2]李保宏.电工常用电路解易通[M].人民邮电出版社, 2006.
[3]李振声.实验电子技术[M].国防工业出版社, 2003.
开关性能 篇2
开关电源SPS(Switching Power Supply)利用现代电力电子技术，以小型、节能、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备。开关电源以安全、可靠为第一原则，高性能大功率ATX电源设计中应用电源管理监控芯片实现防浪涌软启动以及防过压、欠压、过热、过流、短路、过温等保护功能。ATX电源概述与电源管理监控保护功能
Intel制定的大功率(350～900 W)ATX电源规范版本是ATXl2V 2．2，+12 V采用双路输出，其中一路+12 V(A)专为CPU供电，而另一路+12 V(B)则为其他设备供电，输出到主板的接头为24针脚，以输出两组+12 V。
高性能开关电源设计为主动式功率因素校正PFC(Power Factor Correction)，采用诸如Champion公司出品的CM6800G整合型PFC／PWM控制器，为电源提供PFC及PWM功率级电路整合控制，使用诸如PS223等电源管理监控芯片提供过压、过流、过功率、低电压和短路等多重保护。温度是影响电源设备可靠性的最重要因素，根据有关资料分析表明，过热会导致功率器件造成损坏，需要设置过热保护电路。保护设计中的短路保护(SCP)、过载保护(OPP)是ATXl2V强制标准，在短路和各路总负载过载时触发以保护电源；过电流保护(OCP)防止电源某路输出过载；过温保护(OTP)防止电源内部过热；过压／欠压保护(OVP／UVP)用于当输出电压超过／低于标准值20～25％时触发，电源若有异常便会立刻切断输出，各路电压全部没有输出。在接通电源的瞬间，风扇动一下就停，电源即处于保护状态。
图l为开关电源转换流程方框图，开关电源转换流程为交流输入→EMI滤波电路→整流电路→功率因子修正电路→功率级一次侧(高压侧)开关电路转换成脉流→主要变压器→功率级二次侧(低压侧)整流电路→电压调整电路(DC-DC转换电路)→滤波电路→电源管理监控→输出。
2,PS223的功能特点
SiTI出品的PS223是专门为高性能、大功率开关电源设计的电源管理监控芯片，具有控制、产生PG以及同时稳定+3．3 V、+5 V、+12 V(A)、+12 V(B)3种电压，实现各路输出的UVP(低电压保护)、OVP(过电压保护)、OCP(过电流保护)、SCP(短路保护)，并提供一路具有自恢复功能的控制输入端，可作为OTP(过温度保护)或-12 V UVP(低电压保护)，当超出片内设定值后，会关闭并锁定控制电路，停止电源供应器输出，待故障排除后才可重新启动，内部设计有过载保护以及防雷击功能，可保证整个电源稳定工作。3,PS223主要性能指标
1)过压／欠压保护和锁定；2)过电流保护和锁定；3)故障保护，关闭输出；4)电源良好输出及信号保护；5)内置300 ms电源良好输出延时；6)75 ms低电压／过电压延迟保护；7)38 ms抗冲击保护；8)73μs抗噪声保护；9)宽电源电压范围(90～270 V)；lO)交流电源关闭特别保护。4,PS223引脚功能说明
PS223采用16引脚DIP封装，各引脚功能如下：PGI为MAIN POWER信号输出端；VSS为接地端；为OVP／UVP／OCP保护信号输出端；为REMOTE CONTROL输出端，用于开关SPS；ISl2A为12 V(A)OCP比较器V+输入端，内建Sink电流源，用于OCP保护工作点调整；RI用于通过接地电阻产生OCP电流源(R1：20～80 kΩ)；ISl2B用于12 V(B)OCP比较器V+输入端，内建Sink电流源，用于OCP保护工作点调整；VSl2B用于12 V(B)OCP比较器V-输入端，12 V(B)OVP／UVP检测；OTP为附加保护功能，可用于OTP(温度异常保护)；IS5为5 V OCP比较器V+输入，内建Sink电流源，用于OCP保护工作点调整；IS33为3．3 V OCP比较器V+输入，内建Sink电流源，用于OCP保护工作点调整；VSl2A为12 V OCP比较器V-输入，12 V OVP／UVP检测：VS33为3．3 V OCP比较器V-输入，3．3 V OVP／UVP检测：VS5为5 V OCP比较器V-输入，5 V OVP／UVP检测；VCC为工作电源3．8～15 V；PGO用于PW-OK，电源SPS输出正常状态信号。5,主要控制信号说明
ATX开关电源依靠PGI(+5 VSB)、控制信号的组合来实现电源的开启和关闭。
PGI(+5 VSB)是供主机系统在ATX待机状态时的电源，用于网络唤醒WOL(Wake-up On Lan)和开机电路、USB接口等以及开闭自动管理的工作电源，在待机及受控启动状态下，其输出电压均为5 V高电平，使用紫色线由ATX插头9脚引出。
为主机启闭电源或网络计算机远程唤醒电源的控制信号，当按下主机面板的POWER开关或网络唤醒远程开机，受控启动后PSON由主板的电子开关接地，当该端口的信号电平大于1．8 V时，主电源为关；信号电平低于1．8 V时，主电源为开。使用绿色线从ATX插头14脚输入。
PGO(PW_OK)是供主板检测电源好坏的输出信号，输出在2 V以上时，电源正常，输出在1 V以下时，电源故障。通常待机状态为零电平，受控启动电压输出稳定后为5 V高电平。使用灰色线由ATX插头8脚引出，该信号是判断电源寿命及质量是否合格的主要依据之一。
是UVP(低电压保护)、OVP(过电压保护)、OCP(过电流保护)保护控制信号输出端。6,应用电路及设计
PS223典型应用电路如图2所示。
对图2说明如下：1)元件X为齐纳二极管、电阻或两者串联使用；2)旁路电容器Cby选定值为0．1～10μF，布局时尽可能靠近VCC引脚；3)Rs12(1)、Rs12(2)、Rs5和Rs33≥0．002 Ω；4)过流保护设计计算：①Iref=20μA，；②Rss=0．002Ω，△V5v=0．002I+5v=8Rcc5Iref③如+5 V输出为最大20A，则；5)温度保护设计计算：①NTC(25℃～10K)，(70℃～2．2 K)②如过热控制温度(OTP)不超过70℃，则
7, 各针脚辅助电路
1)PGI：如果输入电压过高可用齐纳二极管箝压，如有必要用电阻或者串联电阻，阻值为10～100 Ω，选定值10 Ω。CPGI-1为滤波电容，取值范围为0．1～1．0μF，选定值O．1μF。CPGI-2为滤波电容，取值范围为0.01～1．OμF，选定值O．1μF。
2)PSON：可与地并联0．1～1．O μF滤波电容，抑制干扰，选定值0．1μF。如需与地串联电阻，则R<1 kΩ。3)PGO：可与地并联0．1～1．0 μF滤波电容或齐纳二极管(Vz=6．5 V)，或两者并用抑制干扰。3．2．2 设计注意事项
1)OCP应用：OCPRs为电阻或扼流圈，使用电阻(精度1％)比扼流圈(精度20％)更好，杂波小；OCP保护点准确度补偿使用容量大于0．01μF电容并联以提高抗干扰能力，选定值为0．1 μF。2)使用OTP针脚作为OTP(过温度保护)或-12 V UVP(低电压保护)，也可使用VS33搭配电路实现相同功能，如不使用OTP针脚，可直接接地或与电阻(R>1 kΩ)串联接地。
3)如某IS针脚不使用，可以开路，但最好是接1 kΩ电阻至对应的VS针脚。
4)电源管理监控电路设计不良会因静电释放、浪涌等原因产生误动作导致主机自动关机重启，设计时应在芯片VCC引脚串联200 Ω电阻，及与GND并联0．1μF电容。8,调试流程图
9, 测试平台及数据
硬件部分：处理器为Intel Core 2。Extreme QX6700 3．6GHz 1．45 V；主板为华硕P5K Premium／WiFi(P35+ICH9R)；内存为创见l GB DDR2-667 D9GMHx2：显示为鸿海8800GTS(G80)320 M；硬盘为Seagate Cheetah 36 Gx2、WD万转小暴龙36 Gxl、WD2000JD 200Gxl；12 cm风扇6个，MCP-650直流水冷1套。
开关柜性能结构特点分析 篇3
1 开关柜的性能
作为开关柜, 首先由外线先进入柜内的主控开关, 然后进入分控开关, 各分路按其需要设置。如仪表、自控、电动机磁力开关、各种交流接触器等, 有的还设高压室与低压室开关柜, 设有高压母线, 如发电厂等, 有的还设有为保主要设备的低周减载。所以开关柜的性能好坏直接影响到设备的正常运作, 在设计制作产品时应考虑它的性能特点。
1.1 动热稳定性能
柜体动稳定性能是生产商考虑的首要问题。在大电流的情况下, 一旦出现短路故障, 柜体应具备承受短路电流的能力, 对柜体的结构强度要求很高, 作为柜体的设计人员, 首先应考虑主母线的固定方式及位置放置。注意铜排的搭接处、连接部位紧固螺栓的压力, 以及测量导体材料导电率是否满足要求, 其接触面积不能太小, 避免接触电阻太大发热而使温度过高。同时应在柜体上设计散热槽孔, 当柜内电器元件发热后, 可通过散热槽孔对流排出, 使密封的柜体形成一个自然通风道, 达到散热的目的。
1.2 绝缘性能
开关柜的绝缘配合是按照设备的使用环境条件, 安装于供电系统位置, 绝缘材料性能等因素决定最小电气间隙和爬电距离。良好的绝缘对于保证电气设备与线路的安全运行, 防止人身触电事故的发生是最基本的和最可靠的手段。柜内主母线绝缘采用比标准性能高的爬电距离和电气间隙, 用CTI值高的绝缘件等措施。
1.3 故障电弧的保护能力
电弧是一种气体游离放电现象, 也是一种等离子体。电弧的特点是温度很高, 电流很小, 持续时间短, 一旦出现击穿点则会频繁出现。电弧放电时, 会产生大量的热, 能引燃周围的易燃易爆品, 造成火灾甚至爆炸。线路上的电弧可分为两种, 一种是正常的操作弧, 称“好弧”;另一种是故障电弧, 称“坏弧”。故障电弧主要是由于电线等电气绝缘老化、破损, 空气潮湿引起的空气击穿, 或者电气连接松动等原因造成的。电弧放电时, 会产生大量的热, 能引燃周围的易燃易爆品, 造成火灾甚至爆炸。
1.4 抗腐蚀性能
通常板材通过酸洗、磷化等前处理工艺后, 再经过喷涂、烘烤或电镀等各道工序达到抗腐蚀性能;而一些有特殊要求的柜体则采用敷铝锌钢板, 以保证柜体的强度与耐用度。
1.5 温升
柜体的温升也是考查柜体结构设计的一个重要指标。柜内的温升与外壳安装形式、外壳的尺寸、是否带通风槽以及通风槽的大小等参数有关。
2 开关柜结构的特点
2.1 从结构的形式上分为固定式和抽出式
固定式:能满足各电器元件可靠地固定于柜体中确定的位置。柜体常规外形为立方体, 如屏式、箱式等, 也有棱台体如台式等, 但较少。
抽出式:这种结构是由固定的柜体和装有开关等主要电器元件的可移动抽屉组成。装在柜内的抽屉, 能满足电气及机械性能的要求, 发生故障维修、更换时较为方便, 移进去后定位较为可靠, 同时也满足了开关柜对五防联锁性能的要求, 且同类型及规格的抽屉也能彼此互换, 因此就此柜体而言, 其机械强度及精度要求比较高。
2.2 从加工形式上分为焊接式、紧固件拼装、焊接与紧固混合
焊接式是采用传统的焊接工艺, 把相互关联的零部件采用焊接的方式焊牢, 加工比较方便, 而且坚固可靠;但在这种加工方式误差大, 焊后固件之间容易变形, 不方便调整, 美观性也不够, 并且不方便后期修整, 较大的柜体喷涂时比较困难, 对焊接工艺及加工人员的技能要求较高。
紧固件拼装式适于工件预镀, 易变化调节, 易美化处理, 零部件可标准化设计, 并可预生产库存, 构架外形尺寸误差小。但不如焊接坚固, 要求零部件的精度高, 加工成本相对上升。紧固件一般都为标准件, 其种类主要有常规的螺钉、螺母和铆钉、拉铆钉, 以及预紧而可微调的卡箍螺母和预紧的拉固螺母, 还有自攻螺钉等。也有专用紧固螺钉 (如国外引进的低压柜大多用专用紧固螺钉) 。
焊接与紧固混合是将焊接与紧固二者优点融合在一起, 一般在柜体的衔接处采用电焊, 可变或可调部分则以紧固件连接。较大柜体因焊接后镀覆有困难, 表面多以涂漆处理, 户外柜体如以预镀材料为构件而又必须焊接时, 则焊接部分可用热喷镀金属来处理。
2.3 从构件取材分型材、板材
型材有角钢槽钢也有特型钢管、特型槽钢。角钢槽钢的构件多以焊接形式连接, 加工中对连接端必须吻合而少间隙, 否则将影响焊缝而增大变形量;对特型钢管构件的连接则既可采用焊接形式, 也可以紧固件连接, 一般在连接部分要配以专用联接件, 联接件必须坚固正确, 否则将影响柜体外形。选用统一的特型钢管在统一面上布以统一间距 (模数) 的孔, 配以统一通用的联结件, 按统一模数组合成柜体, 便于柜体设计, 便于备制构件和生产准备, 但加工孔量多而用的少, 而且空间利用受一定限制。
板材构件则完全可以按需要定形, 无预设成型条件限制。这类结构设计工作量大, 定型后变异少, 结构主要处多用焊接, 变异处或需调处多以紧固件连接 (如低压控制箱和控制台等) 。
3 开关柜的不足与改进措施
3.1 空气绝缘间隙不足
长时间以来, 部分生产开关柜的厂家对开关柜的制作技术上偷工减料。使一些在运行的配电设备柜体内带电体之间的绝缘间隙多在120mm左右 (如高压开关设备) , 这种情况很容易导致电力事故的发生, 造成一定的经济损失。
3.2 设备运行环境不差
部分开关设备运行环境差, 容易受到灰尘、烟雾、水蒸气的入侵, 吸附一定的导电介质, 令开关柜容易受到一定的侵蚀, 产生绝缘部件缺陷。再则在设备使用过程中, 缺乏对设备的检查、维护过于轻视, 导致不能及时发现和采取一定的措施去维护开关柜的绝缘缺陷, 最后造成开关柜绝缘事故的发生。
鉴于以上的缺陷, 笔者认为, 在开关柜制造部门的问题上, 应该严格地执行相应的相关标准, 准确把握设计尺度, 无论是在选材上还是在制作上, 均应做好严谨的质量审查。而对于开关柜的使用部门而言, 在设备投运前, 应做好产品质量的验收工作, 如若耐压试验不符合相关的规定, 则应做到退货或返修的处理。在设备运行时, 应做好设备的检查、维护工作, 尽可能改善设备的运行环境, 同时防范于未然, 避免事故的发生。
综上所述, 随着社会的发展, 对产品的性能、结构和品质的要求也在提升, 要与国际接轨, 必须在符合国家和行业标准前提下, 重视产品的结构设计, 保证产品的基本质量, 注重产品的细节, 精细产品的工艺。在提高效率和效益的同时, 提升产品的综合性能, 才能在成套开关行业, 打造真正的精品, 提升产品的品牌实力。
参考文献
[1]乔俊力.智能化开关柜的基本组成与基本功能研究[J].电子世界, 2012, 09期.[1]乔俊力.智能化开关柜的基本组成与基本功能研究[J].电子世界, 2012, 09期.
[2]莫斌涛.广州地铁4号线东芝开关柜使用经验和改进建议[J].机车电传动, 2010年04期.[2]莫斌涛.广州地铁4号线东芝开关柜使用经验和改进建议[J].机车电传动, 2010年04期.
开关性能 篇4
触点发热将造成手柄体上的触头松脱或粘连,使组合开关发热、性能不稳定,甚至功能失效。所用组合开关外形及触点位置如图1所示,组合开关和手柄附加挡位接线如图2所示。
为使组合开关性能稳定,使用寿命延长,应降低触点通过电流,以减少触点的发热。而降低触点通过电流最便捷的方法是增加旁路开关,将电流分流。经研究确定,具体做法是给组合开关增加1个旁路辅助电磁继电器,续电器型号为HD4195A,触点容量为40A。
开关性能 篇5
一般情况下, 低压电器开关应用于1000V以下的电气设备, 截至目前为止, 得到广泛使用的低压电器开关主要包括有闸刀低压电器开关和磁力低压电器开关, 以及最近出现的自动空气低压电器开关。在进行低压电器开关设计过程中, 要充分地考虑低压电器开关的接触头部位的电阻情况以及低压电器开关本身使用的材料和低压电器开关的机械性能, 与此同时, 还要充分地考虑到低压电器开关所承受的工作状态 (主要包括所承受的电压数值和电流数值) 。在进行低压电器开关使用过程中, 要充分地考虑到低压电器开关在闭合时, 具有的电阻数值, 会产生一定的热量, 并且会对低压电气开关的性能产生一定影响。除此之外, 低压电气开关在关闭时, 往往会出现电弧, 也会影响低压电器开关的使用性能。
2 低压电气开关接触性能分析
在低压电器开关的施工过程中, 如果低压电器的触头压力处于正常的范围内, 可以通过对低压电器开关的截面面积测定的方法来进行低压电器开关的性能分析工作。具体来说, 在进行低压电器开关的性能分析过程中, 可以使用一张复写纸进行折叠操作, 并将折叠操作的复写纸放置在低压电器开关的动触头和动触头之间, 通过对低压电器开关的闭合使用, 在一段时间后, 就会在复写纸上面留下电流通过的痕迹。此时, 就可以对复写纸上出现的痕迹进行低压电器开关接触性能的分析工作, 通过运用合理地计算方式对出现的痕迹面积进行计算, 就可以分析计算出低压电器开关的接触性能情况, 下图是低压电器开关的检查分析图表:
通过实践研究工作, 低压电器开关出现接触问题的主要原因集中在以下几个方面:首先, 在进行低压电器开关设计过程中, 如果所保持的低压电器开关电阻数值长期处于一个稳定的状态, 还和热电阻的数值比较接近。在这样的情况下使用低压电器开关, 通过低压电器开关的电阻数值的快速增长, 会导致低压电器开关的温度上涨速度大幅度上升, 进而会导致低压电器开关的电阻数值增大, 进而导致低压电器开关的性能逐步下降;其次, 在进行低压电器开关的寿命试验过程中, 通过对低压电器开关的通电能力测定, 如果在运行过程中, 没有出现相应地电弧情况以及通过电弧所产生的高温情况, 就可以保证低压电器开关的使用性能。
3 低压电气开关设计
在进行低压电器开关设计过程中, 要充分地考虑低压电器开关的使用条件, 并在进行设计的过程中, 注重对低压电器线路的保护部分、控制部分以及调节部分的设计。与此同时, 由于在进行低压电器开关设计的过程中, 所涉及到的低压电器元件设备相对比较多, 进行控制的低压电器设备的类型也有所不同, 就需要在进行低压电器开关设计的过程中, 充分地考虑控制类电气设备的低压电器开关设计和配电类的低压电器设备的开关设计。
具体来说, 在进行配电类低压电器开关的设计过程中, 由于该类型的低压电气设备具有着相应地配电回路, 所构成的低压配电系统的安全性能也相对来说比较高。在这样的背景下进行低压电器设备开关的设计过程, 要充分地考虑到低压电器开关的稳定性设计和电动力性能, 在保证低压电器开关的稳定性的基础上, 可靠的完成低压电器开关的设计工作。在进行控制类的低压电器开关的设计时, 要充分地考虑到控制类的低压电器开关的接触电阻相对较小的实际情况, 同时, 要充分地保证低压电器开关的高压承受数值和电流数值, 保证低压电器开关的保护薄膜可以有效地保护低压电器开关, 并在进行薄膜的厚度设计时, 采用电击穿试验方法, 并在进行设计的过程中, 按照比例进行电压数值和电流数值的调节, 控制好电流数值和电压数值, 克服传统低压电器开关设计存在的问题, 进行对接触头的设计。与此同时, 在进行低压电器设备开关设计过程中, 要根据低压电器开关的独特性质进行设计, 采用相应地测量方法, 防止测量误差的产生, 保证低压电器开关正常性能的发挥。
4 结论
综上所述, 在进行低压电器开关的设计过程中, 要结合实际情况, 在充分地考虑到低压电器开关的使用范围以及低压电器开关的性能检测过程中体现出的性能基础上, 科学合理地对低压电器设备开关进行设计, 保证低压电气开关的使用性能。
参考文献
[1]王小平.低压电气开关接触性能分析与设计[J].科技风, 2013 (15) .
[2]李升国.低压电器技术的智能化、网络化发展[J].中国科技信息, 2006 (07) .
[3]肖雄亮.探究式教学法在低压电器控制技术教学中的应用[J].科技信息 (学术研究) , 2006 (07) .
[4]郭大祥, 何德佑.低压电气开关接触性能的简易鉴别[J].职业技术, 2009 (10) .
开关性能 篇6
1 高压隔离开关电触头故障及原因分析
1.1 故障类型
隔离开关大多数都裸露在户外, 因此其在运行过程中比较容易受到户外环境的影响, 使用一段时间后会发现电触头性能明显下降, 容易出现故障。统计研究表明, 高压隔离开关缺陷中, 大多数都是发热缺陷, 而大多数触头故障都是由触头过热或者是触指银层脱落引起的, 具体体现在以下几方面:触头银层耐磨性比较差, 使用一段时间以后动静触头就会被严重磨损, 导致接触电阻增加, 于是使用频率越高, 触头发热现象就会越明显, 最终导致回路过热, 超出线路承受范围以后, 就会引发故障, 严重者还会导致整个线路瘫痪。由于我国在高压隔离开关这方面研究起步较晚, 因此与国外产品相比, 同等产品在相同环境下明显存在明显劣势, 一些金属零部件的防腐性能不能满足实际需要[1]。
1.2 故障原因分析
触头运行故障主要是过热、磨损以及变黑等, 比较严重时还会出现触头烧结现象, 引发这些故障的原因主要有以下几方面:第一, 由于隔离开关中的大部分组件都裸露在外界环境中, 空气将触头表面氧化以后, 电阻就会明显增大, 出现接触不良问题, 导致触头发热。而接触电阻增大以后, 两边电阻大小就会产生明显差距, 运行电流中就会被触头弹簧分离出一部分, 弹簧的性能因此减弱, 触指的接触压力就会因此减小, 接触不良问题就会进一步加剧, 形成一种恶性循环;第二, 由于自身功能的特殊性, 隔离开关的操作次数非常频繁, 开合过程中触头被频繁冲击, 在应力的作用下触头镀层会被严重磨损, 导致触指镀层出现裂缝甚至镀层被剥落, 触头出现发热问题, 造成电流突变;第三, 触头弹簧工作强度比较大, 而同类金属之间存在一种吸引性, 镀银层因此出现撕裂现象;第四, 由于触头长时间接触, 表面产生了一层污垢层, 原本的面接触慢慢变成了点接触, 导致接触不良, 电阻因此增大, 形成一种恶性循环[2]。
2 高压隔离开关电触头性能改善方法
2.1 常见的触头性能改善方法
随着电力产业的发展, 国内外对隔离开关触头性能方面的研究已经步入了新阶段, 总结起来主要有以下几种常见的性能改善方法。1) 超声波场中压制--浸渍法, 具体做法如下:在模具中加入合金粉末 (要求混合均匀) , 并将其置于超声波场中, 合金粉末在超声波的作用下会变得均匀致密, 将其烧结成型以后就得到了密度较高的零部件, 耐磨性明显提升。2) 真空熔炼法, 将合金块体置于真空电弧炉中加热, 在高温下对其进行真空熔炼, 为了防止金属气体挥发, 熔炼的过程中要在其中注入氩气, 对融化后的材料进行保温, 之后对其进行水冷快速凝固。真空熔炼法可以使触头合金材料的分布更加均匀, 耐压强度明显提升。3) 纳米复合技术, 使用该种技术以后, 混合相之间的界面明显增大, 使材料产生新的性能。如果使用这种方法来制作触头材料, 触头的物理性能就会明显提升。从上面的分析中我们可以看出, 无论是使用哪种方法来制作隔离开关触头, 都需要将金属混合材料置于高温下处理, 改变表层元素的相位和结合度, 从而改善其各类性能。总结来说以上制作工艺有以下缺点:首先, 流程中都有高温处理环节, 因此需要消耗较大能量, 退火过程中如果处理不当还容易产生材料变形问题;其次, 受到固溶度的限制, 合金中的元素不能随意组合[3]。
2.2 离子注入法
2.2.1 原理分析
离子注入法是改善材料表面性能的一种方法, 就是在材料表层强行打入加速离子, 材料表层的化学成分和组织结构产生变化, 具体如下:注入的例子元素包括以下几种类型:一是金属蒸汽, 二是气体, 三是非金属, 需要将这些元素通入离子室内, 将这些离子电离为正离子。之后将电磁线圈套在电离室外, 这样磁场就被引入到了放电室内, 电离放电现象加强。将正极端直接加在放电室的顶端, 负电极从一个孔径中引出, 孔径大小在1mm至2mm之间, 离子从引出孔中出来以后, 直接进入到离子汇聚透镜中, 完成聚集和加速过程, 经过加速后的离子还需要经过磁铁分析, 完成离子纯净化过程。最后纯净的高速离子会直接射向材料表面, 这些离子与材料表面原有原子发生碰撞, 形成了新的组织结构。人们可以根据实际需要来控制离子注入量, 注入量的控制主要通过两种形式实现, 一种是控制对束流强度, 另一种是控制注入时间, 二者可以独立设置, 不会相互影响。
2.2.2 特征分析
离子注入法属于一种表面合金化方法, 总结起来其具有以下几点特征:第一, 对注入的元素几乎没有限制, 相互不溶的元素也完全可以注入, 形成全新的合金相, 这是一般的热处理工艺无法做到的。新的表面合金不会受到传统合金化规则的影响, 人们可以根据需要自由选择注入元素。第二, 注入离子以后, 原本金属表面的晶格发生畸变, 表面上形成了错位网格, 性能因此得到强化。第三, 离子注入金属表面以后, 会与内部原子直接混合, 成分均匀, 基体材料和注入层之间基本混合在一起, 没有明显的界限, 因此不必担心注入层疏松或者是脱落问题。第四, 处理过程要求是高真空环境, 温度可以自由控制, 选择在低温室或者是常温条件下注入离子, 材料尺寸也不会发生变化。注入离子的过程中材料基体不会大量升温, 因此也不会产生变形问题, 处理后的材料表面光洁度很好。第五, 这种方式所消耗的能量比较少, 节约能源, 同时不会对环境造成破坏[4]。
3 结论
高压隔断开关电触头性能会对电力系统的安全性和稳定性产生直接影响, 因此应该深入研究电触头性能的改善方法。本文阐述了几种常见的改善方法, 分析了这些方法的各自特征, 着重探究了离子注入法的原理及优势。
参考文献
[1]王富勇, 方瑞明.户外高压隔离开关电触头发热及其在线监测[J].宁夏工程技术, 2011, 12 (14) :135-139.
[2]王富勇, 陈华桂.基于电热场影响的户外隔离开关触头发热分析[J].高压电器, 2011, 13 (15) :81-86.
[3]王磊, 严浩军.户外高压隔离开关电触头温升机理研究[J].广东电力, 2014, 14 (16) :92-95, 117.
开关性能 篇7
关键词：开关电流存储单元,时钟馈通误差,双线性积分器
开关电流技术是近年来出现的一种新的模拟信号采样、保持、处理技术。与已成熟的开关电容技术相比，开关电流技术不需要线性电容和高性能运算放大器，整个电路均由MOS管构成，因此可与标准数字CMOS工艺兼容，与数字电路使用相同工艺并集成在同一块芯片上，这预示着它将在数模混合集成电路的发展中扮演重要角色。但是开关电流电路中存在一些非理想因素，其中时钟馈通误差尤为突出，它直接影响到电路的性能。近年来，国际上已提出了一些减少时钟馈通误差的技术方案，它们有的是利用复杂的时钟电路算法存储单元技术[1,2]，有的是利用复杂电路结构的差分时钟馈通衰减技术(DCFA)[3]和零电压开关技术[6]，还有的是只取消部分误差的补偿方案[7,8]等。最近，有人提出了时钟馈通误差完全补偿方案[8]，但是结构较为复杂。
本文在第一代开关电流存储单元的基础上，对时钟馈通误差的产生机理做了一些近似处理，分析了时钟馈通误差的主要因素，提出了一种新的时钟馈通误差补偿方案。该方案仅在第一代开关电流存储单元的基础上增加了一个可吸收钟馈电流的MOS管，使误差降为原来的4%，是同类研究中最简单的结构。同时用它构造了双线性积分器，可作为滤波器、Σ-△调制器等系统的基本模块。
1 时钟馈通误差分析
图1为第一代开关电流存储单元，MOS管的主要寄生电容已在图中标出。Vφ为时钟信号，时钟高电平期间Vφ=VH，低电平期间Vφ=VL。M2的栅电压为Vgs2。
时钟高电平期间，C1上的电荷为：
时钟低电平期间，C1上的电荷为：
这里做了近似，事实上，当时钟跳变时，Vgs2会发生变化。
时钟高低电平跳变时，C1的电荷变化Q1将注入到M2的栅极，引起栅电压的变化。
同时，开关管Ms关断时的沟道电荷Qs也将注入到M2的栅极。
式中VT是Ms的阈值电压，As是Ms的面积。当时钟信号跳变较快时，Ms关断，导电沟道瞬间消失，Ms漏、源两端的电荷没有足够的时间进行互通，可近似认为Qs分成相等的两部份分别注入到M1、M2的栅电容上[7]。所以注入到M2栅极的总电荷Q为：
由于电荷注入而引起的M2栅电压变化为：
A1、Ags2分别是交叠电容C1、Cgs2的面积。
2 高性能开关电流存储单元
高性能开关电流存储单元如图2。与第一代存储单元相比，增加了MOS管M0,M0的栅源、栅漏电容Cgs0、Cgd0与Cgs2并联，一般可认为Cgs0=Cgd0，设Ags0为Cgs0的面积，则式(4)可变为：
比较(4)、(5)两式可知，只要M0的尺寸大且M2的尺寸小，△Vgs2将会大大减小，从而减小时钟馈通误差。
虽然以上分析做了一些近似和假设，但是足以说明增加MOS管M0有助于显著减小时钟馈通误差。图3给出了高性能开关电流存储单元的具体实现电路。图中VR、VP、VN由MOS管M11～M16组成的电路提供。φ1、φ2是两相不重叠的时钟信号。
3 性能对比
分别对第一代开关电流存储单元和高性能开关电流存储单元仿真，输入电流为50μA,200 kHz的正弦信号，采样频率5 MHz，结果见图4。表1中测量了两者的误差，其中ii表示t时刻的输入电流，io1为第一代开关电流存储单元产生的误差电流(即相同时刻输出电流减去输入电流的差值)，io2为高性能开关电流存储单元产生的误差电流。由表中数据可以计算出高性能开关电流存储单元产生的平均误差仅为第一代开关电流存储单元产生的平均误差的4%。
4 应用
开关电流存储单元的传输函数为H(z)=-z-1/2，所以两个存储单元级联就可构成z-1。双线性积分器的传输函数为。按照图5的接法构造双线性积分器。因为处理的是电流信号，为保证各支路电流不会互相干扰，需用分流器将各支路电流分开。分流器主要由电流镜构成，作用是将上一级的输入电流通过电流镜的镜像作用复制出两个与上一级输入电流大小、方向均相同的电流。其中，分流器1由普通电流镜构成，分流器2产生反馈电流的部分由高输出阻抗电流镜构成，保证反馈电流不衰减。仿真结果见图6。图中ii为振幅10μA、200 kHz的输入信号;io为输出信号;iR为参考电流信号，用来检验输出波形是否失真。仿真结果表明，输入电流经过双线性积分器后移相90°，正弦波变为余弦波，并且输出波形无失真，表明积分器的性能很好。这种双线性积分器可作为滤波器、Σ-△调制器等系统的基本模块。
严格地说，用开关电流技术无法构成完美的双线性积分器，这是因为无法做到各级输出阻抗无穷大而会使信号在传输过程中衰减。尽管如此，本文的双线性积分器已能满足绝大多数场合的应用。限于篇幅，关于积分器的误差问题在这里不做讨论。
开关电流电路的最大优点是整个电路由MOS管构成，无电阻、电容、电感，易于集成，可与标准数字CMOS工艺兼容。这一优势预示着开关电流技术将在以后的数模混合集成电路中有广阔的发展前景。
参考文献
[1]HUGHES J B,MOULDING K W.A switched-current tech-nique for high performance.Electron Lett,1993,29(16):1400.
[2]TOUMAZOU C,Xiao S.n-step charge injection cancellation scheme for very accurate switched current circuits.Electron Lett,1994,30(9):680.
[3]WU C Y,CHENG C C,CHO J J.Precise CMOS current sample/hold circuits using differential clock feedthrough attenuation techniques.IEEE J Solid-State Circuits,1995,30(1):76.
[4]NAIRN D G.Zero-voltage switching in switched-current circuits.IEEE Proc Int Symp Circuits and Systems.London,UK,1994:5289.
[5]YANG H C,FIEZ T S,ALLSTOT D J.Current-feedthrough effects and cancellation techniques in switched-current cir-cuits.IEEE Proc Int Symp Circuits and Systems.New Orleans,1990:3186.
[6]SONG M,LEE Y,KIM W.A clock feedthrough reduction circuit for switched-current systems.IEEE J Solid-State Circuits,1993,28(2):133.
[7]WEGMANN G,VITTOZ E A,RAHALI F.Charge injection in analog MOS switches.IEEE J Solid-State Circuits,1987,SC-22(6):1091.
[8]李拥平,石寅.一种开关电流电路时钟馈通的补偿技术[J].半导体学报,2003,24(7).
[9]Phillip E.Allen,Douglas R.Holberg.CMOS模拟集成电路设计.冯军,李智群译.北京:电子工业出版社,2005.
开关性能 篇8
关键词：开关磁阻电机,三维有限元,跑道线圈,磁化曲线
1 引 言
开关磁阻电机因其结构简单、成本低、效率高在近几十年得到了较大发展。但其双凸极结构导致电磁关系非常复杂, 给电机的设计研究带来了一定的困难。在开关磁阻电机的研究中, 电磁场计算占有十分重要的地位, 它是整个电机设计和性能分析的基础。开关磁阻电机的电磁场分析需要得到不同转子位置下的磁化曲线, 应采用有效的求解方法——有限元分析法[1]。本文将对开关磁阻电机进行三维有限元分析, 得出静态特性曲线, 用于电机的调速性能研究。
2 开关磁阻电机的结构参数
开关磁阻电机结构简单, 定转子极都是由普通硅钢片叠压而成。定子上有集中绕组, 转子既无绕组也无永磁体。开关磁阻电机可以设计许多种不同相数的结构[2,3]。低于三相的电机没有自起动能力, 相数较多又会增加成本。最常用的开关磁阻电机有三相6/4极和四相8/6极两种[4]。本文采用四相8/6极开关磁阻电机进行有限元分析, 样机具体的结构参数如表1所示。
3 三维有限元分析
在开关磁阻电机的磁场计算中, 二维有限元分析技术已经发展成熟并得到广泛应用, 但整体建立三维电机模型对开关磁阻电机电磁场进行全场域的分析受到计算机硬件等一些条件的限制, 研究得较少。本文利用有限元分析软件ANSYS, 采用整体建模的方法对电机电磁场进行有限元分析, 三维有限元数值分析的计算可以准确描述开关磁阻电机的端部磁场效应, 使磁场的计算更为精确。
样机结构尺寸采用表1的参数, 根据这些数据建立的开关磁阻电机三维有限元模型如图1所示。
3.1 基本假设
由于求解区域有电流源的存在, 根据开关磁阻电机的电磁特点, 作如下假设:
(1) 忽略轴承及轴承室的影响, 电机轴整个长度具有相同的直径;
(2) 设定磁通在定、转子轭中通过, 电机机壳和轴内无漏磁, 三维模型中不考虑机壳、端盖和电机轴;
(3) 铁心冲片材料各向同性, 具有单值的B-H曲线;
(4) 导线上电流密度均匀分布[5]。
3.2 前处理
三维有限元分析的前处理过程包括电机模型的建立、定义单元类型、设定实常数、模型赋材质和网格划分。采用四面体剖分单元, 所得结果如图2所示。
3.3 边界条件, 施加载荷及求解
边界条件考虑第一类边界条件, 在磁力线垂直面上MAG=0。电流源建立引入“跑道线圈”这一概念, 跑道线圈三维结构如图3所示。考虑电机定子绕组的端部效应的同时, 充分反映了电机绕组的实际结构, 这也是三维有限元分析与二维有限元分析相比, 更具实际意义的结构。求解方法采用通用磁标势法。
3.4 后处理
经后处理, 可以得到电机的一些电磁参数, 如磁感应强度、磁感应强度矢量分布、磁场强度及其矢量分布等[6]。定义定子极轴与转子极轴重合位置为θ=0°, 得出电机的磁感应强度分布如图4所示, 图4 (a) 为θ=30°时的磁感应强度, 图4 (b) 为θ=0°时的磁感应强度。当转子的位置角不同时, 气隙磁阻也会产生变化, 使电机内部磁感应强度产生明显的变化。由于磁感应强度反映了磁场的强弱, 当定转子极轴重合时, 磁阻较小, 磁场较强。随着角度的变化, 气隙磁阻逐渐增大, 当两极没有位置重合时, 磁场强度已经减小很多, 这种变化规律从图4中可以明显地看出。
磁感应强度矢量分布如图5所示。可见, 磁场能够沿着主磁路闭合, 并在定转子极重合时呈现局部饱和状态, 磁场较强, 漏磁较少。当θ=0°时, 磁场分布较散, 大多数磁通沿主路径闭合, 有一定的漏磁存在。三维有限元方法所得的磁感应强度在定子轭部的情况可以清楚地看出, 电机内部的磁感应强度分布也更加直观。根据磁感应强度的分布规律也可以看出, 在磁路的方向上, 磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。
图6给出了θ=30°和θ=0°的磁场强度分布情况。磁场强度反映的是磁场源的强弱情况。可见, 当定转子极轴重合时, 磁场强度只存在于极间气隙部分, 随着角度的变化, 磁场强度的分布扩展到通电磁极周围的区域, 强度有所降低。
综上所述, 给定的开关磁阻样机通过三维有限元分析方法得到了较好的磁场特性, 所得到的电机磁场分布与理论分析是一致的。
4 静态参数计算
根据电机样机参数, 利用有限元分析软件ANSYS对样机进行建模、剖分、加载、求解后, 最终将所得数据进行线性插值, 得到如图7所示的三维磁化曲线族, 即ψ-θ-i曲线, 图中曲线由下向上电流由2 A依次增加到18 A, 增量为2 A。可以看出, 当电机定转子极未对齐, 且电流较小时, 绕组的磁链值也很小;随着电流的增大, 磁链也随之增大, 最后达到饱和。
利用公式undefined求出电感与转角和电流之间的关系L-θ-i, 特性曲线如图8所示。由图可以看出, SR电机的电感具有严重的非线性特性, 对电感等非线性量计算的准确性, 将直接影响到电机性能计算的准确性。非线性磁化曲线族是分析开关磁阻电机电磁场非常重要的参数, 也是进行电机各种性能分析的基础。
当电流为常数时, 转矩与转角之间的关系有:undefined。利用此公式, 可以得出在不同的电流和转子位置角情况下对应的电机的转矩值。
5 开关磁阻电机的静态和动态性能研究
在对开关磁阻样机的磁场进行有限元分析之后, 得出磁链、电感等参数具有严重的非线性, 这种非线性对开关磁阻电机的调速性能有多大影响, 需要对整个非线性调速系统进行研究[7]。本文仍然利用表1给出的样机数据, 结合开关磁阻电机的基本方程和有限元分析结果, 对开关磁阻电机调速系统建立模型, 在合理的控制方式下, 验证整个系统的动静态性能[8]。
四相8/6极开关磁阻电机调速系统的仿真模型如图9所示, 采用电流、角度双闭环的形式。给定参考电流值为10, 负载转矩值为8, 其一相电机模型如图10所示。在求取磁链的模块中, 没有采用反演的方法, 通过磁链和转角求取电流, 而是直接将有限元分析所得到的电流和转矩值作为输入, 磁链作为输出, 简化了磁链计算过程, 也减少了操作误差。
采用电流斩波控制方式对不对称半桥结构的功率变换器进行触发, 通过限定电流的上下限幅值来控制功率管的导通和关断。仿真时间设为0.2 s, 所得相电流波形如图11所示, 可见在斩波控制方式下, 电流波形在峰值处为平顶状, 这是由于斩波控制电流上升和下降的速度过快所致。
图12给出一相转矩的波形, 转矩随着相电流的变化而变化, 也呈现出平顶波形。合成转矩如图13所示, 由图可见, 转矩在一定范围内存在脉动, 但幅度不大。
转速波形如图14所示, 在经过短暂的起动后, 系统能立刻达到恒定速度。启动速度快, 超调小, 系统运行平稳。可见, 在电流斩波控制方式下, 系统能够在低速情况下稳定运行。
当电机高速运行时, 采用角度位置控制方式 (APC) , 由于不再对电流进行限幅, 而是相电流呈现出单脉冲的形式, 此时调速系统的转速波形如图15所示。在这种控制方式下, 系统能够迅速达到稳定状态, 甚至没有出现超调, 比电流斩波控制下响应更快。
通过两种控制方式下电机的运行情况分析可知, 无论高速运行, 还是低速运行, 电机都具有良好的调速性能, 调速范围宽, 且运行平稳。当系统受到扰动时, 也能表现出良好的动态性能。如图16所示, 在0.1 s突加负载, 在0.14 s卸掉该负载, 转速只经过较小的波动后, 立刻回到稳定转速下运行, 抗扰动性能良好。
6 结 论
本文针对给定的开关磁阻样机进行了三维有限元分析, 从分析结果可以看出, 该样机的磁场存在较少的漏磁通, 且磁感应分布与磁场强度分布在定转子极轴重合位置较强, 其它处较弱, 这也是开关磁阻电机的特点。磁场分布情况较为理想, 符合实际要求。经数据处理所得到的磁链、电感和转矩的变化规律与理论研究相一致, 可以用于进一步的调速研究。在调速系统的仿真中, 采用一种改进的电机模型对电机运行性能进行分析。结果表明:在合理的控制方式下, 电机具有较宽的调速范围, 且运行平稳, 即使在受到扰动后, 也能较快地恢复到稳定条件下运行, 表现出了较好的动静态性能。
参考文献
[1]PEREIRA B, RAFAEL S N, BRONCO P J C, et al.Obtainingthe Magnetic Characteristics of an 8/6 Switched ReluctanceMachine from FEM Analysis to Experimental Tests[J].IEEETrans on Industrial Electronics, 2005, 52 (6) :1635-1643.
[2]吴建华.开关磁阻电机设计与应用[M].北京:机械工业出版社, 2000:53-55.
[3]李同华.开关磁阻电机的工作原理和调速性能[J].起重运输机械, 2005, (10) :19-21.
[4]张建辉, 许莹莹.开关磁阻电机MATLAB仿真模型研究[J].江汉大学学报:自然科学版, 2009, 37 (3) :36-39.
[5]OHDACHI Y.Optimum Design of Switched Reluctance MotorsUsing Dynamic Finite Element Analysis[J].IEEE Transactionson magnetics, 1997, 33 (2) :2033-2036.
[6]NIMITK S, RAJAGOPAL K R.Effects of Non-uniform Air-gapon the Torque Characteristics of a Switched Reluctance Motor[J].IEEE Transactions on Magnetics, 2004, 40 (4) :2032-2034.
[7]杨国鸿, 谢庆辉.应用液态软起动技术改善电机的起动性能[J].化工自动化及仪表, 2003, 30 (3) :75-76.