高压电器课程设计指

1、精品文档高压电器课程设计指导书蔡志远老师厉伟老师沈阳工业大学电气教研室.精品文档一、目的和意义通过本次课程设计，使同学们在加深了解高压断路器的工作原理，基本结构的基础上，掌握高压断路器机械特性的计算方法。二、基本原理在力学中我们知道，对于图 1 所示的质量为 m，运动速度为 v1 的物体在外力 F-Fz 的作用下，经过行程 h 以后，速度为 v2，则该物体动能的增量等于外力所作的功，即：图 1hFz)dh1 mv221 mv12(F(1)022错误 !未找到引用源。 时，计算断路器的运动速度时，运动部分总是由零开始的，因此在v10 错误 !未找到引用源。 ，任一行程 错误 !未找到引用源。 处

2、的运动速度 错误 ! 未找到引用源。 可由下式计算错误 ! 未找到引用源。(2)式中错误 !未找到引用源。- 行程 0-h 内操作力所做的功错误 !未找到引用源。- 行程 0-h 内阻力消耗的功利用 (2)式，只要知道操作力 F 和阻力 错误 ! 未找到引用源。 的大小或者知道操作力所做的功 W，与阻力消耗的功 Wz 错误 ! 未找到引用源。 ,以及运动物体质量 m，即能计算出任一行程 h 处的运动物体的运动速度 v。这就是计算断路器分合闸速度的基本原理。三、高压断路器传动系统的运动方程式下面以 SN10-10 型少油断路器的传动系统为例进行分析。图2 为 SN10-10 、及SN10-10

3、/1250-40 型的机械原理图。该系统有两个特点：一是受力情况比较复杂 (包括有分闸弹簧力，合闸缓冲弹簧力，动、静触头之间的摩擦力等 )，并且力的作用点、作用方向均不同；二是各杆件的运动方式不同，甚至同一杆件的不同点的运动方式与速度都不相同。这样就不能直接用力学原理建立该系统的运动方程，必须首先将各元件的质量按照整个运动系统动能不变的原则归化到动触杆上，再根据功能建立动触杆单质点的运动方程，然后求解该方程得到动触杆的运动速度。.精品文档图 2 SN10-10 型少油断路器的一种传动系统该系统的运动方程为：错误 !未找到引用源。(3)式中： M -计算点的归化质量，它为动触杆行程h 的函数；错

4、误 !未找到引用源。 -动触杆行程为h 时的速度；错误 !未找到引用源。 - 各操作力，为 错误 ! 未找到引用源。 的函数；错误 !未找到引用源。 - 各种阻力，为 错误 ! 未找到引用源。 的函数错误 !未找到引用源。 -各缓冲器的阻力系统；错误 !未找到引用源。 - 各轴销处的摩擦力矩，为错误 !未找到引用源。 的函数错误 !未找到引用源。、hj、hk -动触杆行程为 h 时，各操作力，阻力及摩擦力的实际作用距离，皆为 h 的函数；j - 动触杆行程为 h 时，各轴销转动的角度，为h 的函数；i、j 、k 和 l 分别可以为1，2，3 它表示不同的操作力、阻力、 缓冲力和摩擦力矩。由于轴

5、销处的摩擦力矩为动触杆行程h 的复杂函数，因此工程上通常不计算各轴销处的摩擦损耗，而是用连杆机构的效率来表示该损耗对整个运动系统的影响，这样式(2) 可改写为错误 ! 未找到引用源。(4)式中： -运动系统的机械效率四、运动方程的求解.错误 ! 未找到引用源。 和错误 !精品文档从理论上，求解式 (4) 一般说是不可能的，但在工程上，如借助计算用数值解法来求并不困难。假设动触杆从静止状态移动 错误 !未找到引用源。 时速度为 错误 ! 未找到引用源。，如h足够小，则由式 (4) 可得1 Mv12Fihi1F jhj1fkv1hk122式中 错误 !未找到引用源。 、错误 ! 未找到引用源。 、

6、 hk - 动触杆移动 错误 !未找到引用源。时各操作力、阻力和缓冲力的作用距离。若 错误! 未找到引用源。、F i、F j 和 Fk 已知，则根据上式可求出错误 ! 未找到引用源。 1。同理，动触杆再移动错误 !未找到引用源。时的速度 错误 ! 未找到引用源。 2 可由下式求出1 Mv221 Mv12Fi hi 2F j h j 2fkv1v2hk 2222式中hi 2 、错误 ! 未找到引用源。 、错误 ! 未找到引用源。 -动触杆在移动第二个错误 !未找到引用源。 期间各操作力、阻力和缓冲力的作用距离。重复上述过程即可求出动触杆的速度 行程曲线。从上面的分析可见：求解式 (4)的关键在于

7、建立归化质量未找到引用源。 、错误 ! 未找到引用源。 、 hk 以及错误 ! 未找到引用源。的关系。建立坐标系，是用计算机求解 错误 ! 未找到引用源。 、错误 ! 未找到引用源。 、错误 !未找到引用源。 、 hk 与 h 之间关系的一种有效办法。在图 2 中，如果以O1 错误 !未找到引用源。为原点建立一直角坐标系错误 !未找到引用源。，以错误 !未找到引用源。为原点建立辅助坐标系错误 !未找到引用源。 ，则很容易求出动触杆移动h 错误 ! 未找到引用源。时分闸弹簧力的作用距离错误 !未找到引用源。 ，缓冲弹簧的作用距离 错误 !未找到引用源。 ，但 错误 ! 未找到引用源。 与 错误

8、!未找到引用源。 之间的关系尚需进一步推导。设传动系统各节点质量分别为错误 !未找到引用源。 、错误 !未找到引用源。 、错误 ! 未找到引用源。 当动触杆的运动速度v 时， A 、B 、 C 各节点的速度分别为错误 !未找到引用源。、 vB 错误 ! 未找到引用源。 、错误 ! 未找到引用源。 ，则归化到动触杆上的归化质量为：错误 ! 未找到引用源。(5)式中， 错误 !未找到引用源。 、错误 ! 未找到引用源。 称为速度比。.精品文档在图 2 所示的情况下错误 ! 未找到引用源。当运动系统位置一定时，速度比的值是确定的，它们是行程 错误 !未找到引用源。 的函数。因此只要求出速度比与行程

9、错误 !未找到引用源。的关系，就可以求出 错误 ! 未找到引用源。 与错误 ! 未找到引用源。 的关系，前一关系的求法如下。建立图 3 所示的直角坐标系。设错误 !未找到引用源。 、 B 两点坐标分别为( xA , yA ) 、错误 ! 未找到引用源。 ，则由图可得( xAxo)2( yAy ) 2a 2(6)oxB2yB2b2(7)( xAxB ) 2( y AyB ) 2c 2(8)由式 (6)可得yAa2( xAxo )2yo(9)由式 (7)可得y Ab2xB 2(10)图 3 计算采用的坐标系由式 (9)、式 (10)分别可得 A 点与 B 点轨迹切线的斜率错误 ! 未找到引用源。

10、和错误 !未找到引用源。k AdyAxAxO(11)dxAa 2 ( xAxo ) 2kAdyBxB(12)dxBb2xB2当 y A > yB 时，式 (11)取 " "；否则取 " " ，同理，当 错误 ! 未找到引用源。 >0 时，式 (12).精品文档取" "号；否则取 " "号。将式 (5) 、式 (6) 联立可得MNM 2b2N 2b2xBM 21(13)yBM xBN(14)式中 错误 !未找到引用源。设错误 ! 未找到引用源。 为主动臂，则 错误 !未找到引用源。 如图 3 所示，图中

11、错误 ! 未找到引用源。 由此可见Aarctgk A0(15)Barctgk B0(16)令 kCyAyB 则xAxBCarctgk C(17)DC2(18)对于速度三角形AHK ，因为此时 错误 !未找到引用源。为负值，所以有A( DB )C2B(19)BDBC2A(20)图 4 传动机构的计算图由正弦定理得.vBsinvAsinBAsinsinCB22精品文档A(21)C如果 错误 !未找到引用源。>0、 K B >0，从图 4 同样可得ADBCB(DA)CsinCvBsin B2B(22)A(23)2A2vAsinAsinB2(24)C同理，可以证明，无论 错误 ! 未找到引

12、用源。 、错误 ! 未找到引用源。 为何值，式 (21)皆可表示四连杆机构两活动轴销的速度比。由上可见， 只要 错误 !未找到引用源。 与 h 的关系给定， 即可由式 (6)(21) 求出 错误 !未找到引用源。 与 h 的关系。对于由多个四连杆机构组成的复杂运动系统，可先建立辅助坐标系，再利用上述方法求出每组四连杆机构两活动轴销的速度比。最后把结果代入式(4)即可求出动触杆的运动速度。五、计算断路器分闸速度的步骤利用上述方法求解断路器分闸速度的步骤如下：(1) 画出断路器运动系统图，建立坐标系；(2) 计算节点质量；(3) 给定错误 ! 未找到引用源。 ，计算相应的 错误 ! 未找到引用源。

13、 、错误 !未找到引用源。、错误 !未找到引用源。 ；(4) 计算fihi 错误 !未找到引用源。,错误 ! 未找到引用源。f jhj ,错误 !未找到引用源。fkhk ；(5) 求速度比；(6) 计算归化质量；(7) 利用式 (4)求分闸速度。重复 (3)(7) 步即可计算出分闸速度-行程曲线。六、软件设计方法编制求解断路器分合闸速度曲线程序的关键是设计出求解速度比的程序，对于图 2 所示的 SN10-10 断路器传动系统，求解速度比的流程见图5，其中 H 为动触杆的全行程，归化取在动触杆上。.精品文档序号名称数量重量（ kg）长度（ mm）1动触杆 错误 !未找到引用38.067源。2提升

14、杆 错误 !未找到引用32.469680源。3内捌臂 错误 !未找到引用34.800290源。4外捌臂 CO34.170705第一拉杆 错误 ! 未找到引13.134520用源。6扇形板 错误 !未找到引用10.540998*106*90源。7钩板错误 !未找到引用源。11.400608工作缸活塞杆 错误 !未找14.060到引用源。9第二拉杆 错误 ! 未找到引14.788用源。10第三拉杆 错误 ! 未找到引13.280用源。七、设计任务设计题目1图 6 为 63KV 高压少油断路器的机构原理图，图示机构处于合闸状态。图中：各杆件的尺寸、重量如下表。该开关动触杆行程为 400mm，其中超行

15、程为 70mm。该机构受力情况如下：错误 !未找到引用源。工作缸推力100mm; 错误 ! 未找到引用源。.100<h 400mm;错误 ! 未找到引用源。.错误 !未找到引用源。工作缸缓冲器冲力h<260mm; 错误 !未找到引用源。h 260mm;错误 !未找到引用源。错误 !未找到引用源。 ：油缓冲器的缓冲力油缓冲器作用在 错误 !未找到引用源。 处，设 v'(m/s)为错误 ! 未找到引用源。 处的运动速度，则：.精品文档h<230mm; 错误 !未找到引用源。h 230mm;错误 !未找到引用源。动静触头间的摩擦力为9.72kgf中间触头与动触头之间的摩擦力

16、为9.72kgf 。.精品文档开始在坐标系 xo1 y下 xA = d y A = e - h c = AB b = O1 B求 M,N求 xB ， yB令 a= ,xo = 利用（ 9）（ 19）式，求 vB vAvCvBO1 CvA= vA?O1 BxA = xB ,yA = yB ,c = BC ,b = O1 C求 M , N , xc ,yc在 xo2 y 坐 标 系 下 ， xc= xc + f , yc= yc ,c = EC ,b = O2 E ,a = O1 C求 M , N ,xE ,yE利用（ 9） （ 19）式，求 vEvCvEvEvC= ?v A vC vA否h=H是

17、结束图 5 求解断路器传动系统速度比的程序流程.精品文档设计过程中取=0.8，每 10mm 为一计算点设计要求：首先用作图法求出：1)归化质量曲线2)反力特性曲线3)分闸速度曲线4)分闸时间然后用计算求解对上述结果进行验算。提示： 1)以 O 为原点建立直角坐标系xoy以错误 ! 未找到引用源。 '为原点建立辅助直角坐标系xo'y' 错误 ! 未找到引用源。2)求节点质量mAmAA'1 mAB8.067 1 * 2.469 9.203( kg)22错误 !未找到引用源。.精品文档错误 !未找到引用源。 ：扇形板对O的转动惯量。错误 !未找到引用源。的求法如下：建

18、立如图所示的坐标系， 在 y 处取一平行于 x 轴的小条， 该小条对 x 轴的转动惯量为 错误 ! 未找到引用源。 则：dJOD ' Ey cot2y2 ) dx( xycot：扇形板单位面积的质量。对上式积分，得：1y cot11dJ OD' E( y2 xx3 )y3 (cotcotcot 3cot3)3y cot33于是有：JOD 'EHH3cot1313) dydJO ' Ey (cotcotcot0033v y4 (cot1 cot31 cot3Hcot)4330MOD'EH41313)4S(cotcotcot3cot3其中 S：扇形板面积根据

19、扇形板的边长可求出、 、 S、 H3)求归化质量曲线用图解法和计算机分别求出各节点对计算点的速度比。用计算机求解时，首先应建立合适的数学模型。4)计算各力作的功。计算之前首先应搞清各力的作用点及作用范围。5)计算分闸速度曲线。6)计算分闸时间。.精品文档设计题目2图 7 为某少油断路器处于分闸状态时的机构系统图。图 7 少油断路器机构系统图图中各杆件尺寸如下：AB252mm错误 !未找到引用源。错误 !未找到引用源。AE140mm错误 ! 未找到引用源。LK105mmUN115mm错误 ! 未找到引用源。AL400 mm以 R 表示各连杆的连动力臂，各连杆的力臂如下：杆状力RRRCRRRNR臂

20、FEHKB态合55110100分11110610812072110228各杆件的重量如下：.CC '21.90kg 错误 ! 未找到引用源。错误 !未找到引用源。AG0.32kg 错误 ! 未找到引用源。错误 ! 未找到引用源。GH1.56kg 错误 ! 未找到引用源。错误 ! 未找到引用源。精品文档AB2.52kgAE1.65kgLK0.5kgKN2.95kgUN1.2kg受力情况如下：接触弹簧OF：分闸弹簧错误 !未找到引用源。 ：缓冲弹簧力SE：平衡弹簧F1100v2 (kg )v:m/sF1 在 160mm 处以后起作用，该系统总行程200mm设计过程中取=0.8每 10mm

21、为一计算点设计要求：同设计题目1。提示： 1)以 A 为原点建立直角坐标系xoy.精品文档以 L 为原点建立辅助直角坐标系xo'y'2)在坐标系xoy、错误 ! 未找到引用源。 o'y' 下画出该系统处于合闸状态时的机构图。3)求出 O 点、 S 点的坐标。设计题目3上题中如果 错误 !未找到引用源。其他条件不变。设计任务同上。设计题目4图 8 断路器机构连杆图图 8 为某断路器的机构连杆图，图中O 为断路器的转轴， OB 、 OC 为拐臂，转轴 O转动时，通过拐臂错误 !未找到引用源。带动连杆 错误 !未找到引用源。 ，使导电杆 错误 !未找到引用源。 在垂直方向上运动，其行程为250mm，超行程为40mm， MN 为动触头，图中的杆件为均匀杆件；分闸弹簧错误 !未找到引用源。1 与缓冲弹簧力F2 作用在拐臂OC 上，油缓冲器产生的