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  • 頭條電能表外置斷路器的傳動設計
    2019-06-17 作者:趙明、趙科達等  |  來源:《電氣技術》  |  點擊率:
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    導語溫州圣普電氣有限公司、浙江天正電氣股份有限公司、杭州泰姆電氣有限公司、浙江永繼電氣有限公司、許繼電氣股份有限公司的研究人員趙明、趙科達等,在2019年第1期《電氣技術》雜志上撰文,通過對電能表外置斷路器重合閘部分結構的分解,敘述了小型重合閘結構傳動部分的設計思路和實例,供設計人員參考。

    遠程自動重合閘斷路器最早應用于無人值守的偏遠用電場所,如通信基站、軌道交通等。各電網(wǎng)公司由人工抄表、上門收費、上門維護等,其工作需要配備大量的人員、車輛。通過采用費控電能表與費控斷路器,可減少人員與車輛的開支,且能提高運行的效率。

    隨著“打造智能電網(wǎng)”概念的提出,遠程自動重合閘便延伸到電網(wǎng)計量箱專用重合閘斷路器——費控電能表外置斷路器。與智能電表一同形成“智能電網(wǎng)”中的“智能終端”,使智能概念落到實地。

    費控電能表外置斷路器在小型斷路器的基礎上,通過增加機械傳動模塊和智能控制部分來實現(xiàn)有費有電,欠費停電的基本功能。各電網(wǎng)公司對產品的外形寬度有嚴格的要求,決定了電機不能采用直接傳動的放置方式,而需要較為復雜的機構來實現(xiàn)動力的傳動和轉換。

    電能表外置斷路器的傳動設計

     

    1 電能表外置斷路器的機構組成

    其機構由原動部分、執(zhí)行部分、傳動部分和控制部分4個部分組成。

    通常采用電動機作為機構動力的來源即原動部分。在設計時,根據(jù)已知的空間尺寸、輸出轉矩和轉速,選擇合適的電動機參數(shù)。執(zhí)行部分處于傳動路線的終端,完成預期的合閘和分閘動作。按電網(wǎng)規(guī)范要求,遠程自動合閘部件應采用內軸傳動方式的全封閉結構,執(zhí)行部分通常為帶內軸的小型斷路器操作手柄。

    傳動部分在原動部分和執(zhí)行部分間,傳遞和轉換動力。通常是齒輪組合,根據(jù)需要選擇合適的傳動比,這部分是設計的重點。控制部分其作用是控制機械部分,使其能實現(xiàn)或終止各種預定功能,主要通過電子線路板實現(xiàn)。本文主要介紹傳動部分的設計。

    2 機構傳動部分中的轉換部分和變速部分

    受到空間的限制,電能表外置斷路器的原動部分(電動機主軸)和執(zhí)行部分(手柄內軸)的軸線通常是非平行的。因此,在機構中必須包含傳遞交錯軸運動的轉換部分。同時在有限的空間內為了輸出合適的轉矩和轉速,又必須包含傳遞平行軸運動的變速部分。

    2.1 轉換部分和變速部分功能的實現(xiàn)

    為了實現(xiàn)上述的功能,通常采用齒輪機構組合。齒輪機構可以傳遞空間任意兩軸間的運動和力,且傳動準確、平穩(wěn)、機械效率高、使用壽命長。根據(jù)齒輪在傳動時的相對運動是平面運動還是空間運動,可以將齒輪機構分為平面齒輪機構和空間齒輪機構。在平面齒輪機構中,傳遞平行軸運動的外嚙合齒輪機構有直齒、斜齒和人字齒等。在空間齒輪機構中,傳遞交錯軸運動的外嚙合齒輪機構有渦輪蝸桿和圓錐齒輪等結構。

    對于齒輪結構的設計思路,首先要計算出傳動比范圍,再根據(jù)空間尺寸,選擇合適的模數(shù)m、齒數(shù)z和中心距。

    2.2 變速部分齒輪的設計(略)

    變速部分功能的實現(xiàn),首先要考慮到的是傳遞到執(zhí)行部分的轉矩大小。其次,要考慮到的是合閘與分閘的速度。受到空間限制,電動機的體積不可能無限大,也因此功率不能做的很大,同時考慮到傳動中的磨損,低操作力的斷路器本體對于變速部分功能的實現(xiàn)有益。目前常見的兩種斷路器結構中,某金屬件結構的操作力相對較輕。

    2.3 轉換部分齒輪的設計(略)

    轉換部分的功能實現(xiàn)通常通過渦輪蝸桿機構來實現(xiàn)。

    2.4 轉換部分和變速部分設計的實例

    圖1為某企業(yè)一種蝸輪蝸桿結構,電動機初始輸出轉速為25000r/min,初始轉矩為60g?cm。經(jīng)計算,輸出轉速和轉矩經(jīng)過1級蝸輪蝸桿和3級柱齒輪減速、增力后分別為50r/min和30kg?cm。蝸輪、蝸桿結構利用效率較低,通常為30%~40%,但可以獲得更高的轉速比,以彌補利用效率上的不足。

    按照上述輸出轉速和轉矩,采用最低30%的利用效率來計算,最終到達傳動部分的轉速約為20r/min,轉矩約為8kg?cm,完全可以帶動合閘力最大合閘力約為50N的三相斷路器,并且合閘時間會在1s左右。

    電能表外置斷路器的傳動設計

    圖1 某型號的渦輪蝸桿傳動部分

    圖2為某企業(yè)一種圓錐齒輪結構。電動機初始輸出轉速為24000r/min,初始轉矩為25g?cm。經(jīng)計算,輸出轉速和轉矩經(jīng)過4級齒輪箱減速,增力后分別為60r/min和10kg?cm。相比于蝸輪蝸桿,這種圓錐齒輪結構利用效率更高,通??梢赃_到70%~80%。

    按照上述輸出轉速和轉矩,采用最低70%的利用效率來計算,最終到達傳動部分的轉速約為42r/min,轉矩約為7kg?cm,也完全可以帶動合閘力最大合閘力約為50N的三相斷路器、并且合閘時間小于1s。

    電能表外置斷路器的傳動設計

    圖2 某型號的錐齒傳動部分

    3 電能表外置斷路器分合閘的實現(xiàn)

    電能表外置斷路器的分閘和合閘的操作件轉動方向是相反的。一次完整的分合閘操作,必然包含了一次執(zhí)行元件的順時針轉動和逆時針轉動。在有限的空間內,期望通過一套結構件實現(xiàn)這些功 能[9-10]。在實際設計的產品實例中,通常通過以下兩種思路去實現(xiàn)。

    1)通過控制電動機的轉向。假設合閘時,電動機轉向為順時針,在合閘動作完成后,控制機構通過內部聯(lián)動裝置將電動機逆時針退回到初始位置。分閘時,電動機繼續(xù)逆時針帶動齒輪凸臺撥動斷路器分閘聯(lián)動軸,以達到分閘斷路器的目的。

    2)通過有意設計的間歇齒輪結構和脫扣裝置來實現(xiàn)。即主動齒輪與從動齒輪非全齒嚙合,而是根據(jù)結構需要,分別取主動齒輪與從動齒輪的部分齒牙。合閘時,主動齒輪在電動機的帶動下旋轉嚙合從動齒輪,帶動斷路器合閘。合閘完成后,主動齒輪繼續(xù)旋轉,直至與從動齒輪脫齒為止。分閘時,電動機會繼續(xù)朝同一方向帶動主動齒輪旋轉,使主動齒輪凸臺撥動斷路器分閘聯(lián)動軸,以達到分閘斷路器的目的。

    結論

    電能表外置斷路器的機構的設計主要是傳動部分的設計,可靠性好、功耗低、成本低是設計的目標。通過靈活的使用齒輪組結構和優(yōu)化齒輪組參數(shù),可獲得最合理的設計方案。