电器的发展、仿真技术与虚拟电器

国内工厂和设计院所纷纷引进如UGH、Pro/E等三维计算机辅助设计软件，这类软件能实现在三维空间内零部件和实体造型、装配和自动生成工程图纸，并且按照设计的零部件自动进行模具设计和生成数控编码。这些软件使国内低压电器设计工作上了一个新的台阶，但进一步要使产品设计满足原始技术条件的要求，达到预定的电气和机械性能，则需要采用仿真技术。进行一个低压电器产品的设计，当根据给定的技术条件，确定了产品初步设计方案和尺寸后，必须进行工程分析或样机实验，来验证设计方案是否附合原订技术要求。长期以来人们用传统的工程计算方法进行特性分析，精度很差，特别是作为低压开关电器的主要特性，即开断特性无法计算，因而人们不得不依靠样机制造和实验验证来检验设计方案的可行性，这样做法要花费大量人力和物力，并使得产品开发周期拉长，影响新产品的市场竞争力。为了解决上述问题，计算机摸拟和仿真技术得到快速发展，依靠这种新技术，人们可以在样机制作以前就能**掌握设计产品的性能，减少了重复样机制作和实验费用，加快了产品开发周期，并提高了产品性能，这是当前低压电器产品开发手段现代化的重要内容。低压电器的基本特性包括开断能力、温升、零部件的强度、电动稳定和热稳定、绝缘性能及其它电气性能等。这就需要对设计对象的电磁场、应力场、磁场等物理场域进行仿真和分析。计算机模仿和仿真技术的进展和商品有限元分析软件性能的不断提高为这种新技术在低压电器的应用创造了条件。70-80年代的有限元分析软件，前后处理工作十分繁锁，例如进行一台大型变压器的电场分析、输入各零部件的三维尺寸等原始数据，一般是几天甚至几个星期的艰苦劳动。进入90年代商品化的有限元分析软件都和可视化技术结合起来，用特征造型方式输入三维图形代替每锁的数据输入，使输入工作十分简便而直观，并且后处理部分使输出的数据或三维图形，方便地进行观察和分析。与此同时，随着解决复杂工程问题的需要，这种仿真和分析软件更扩展到流体动力学、机械振动和机构动力学等方面。市场上已能提供各种**的计算机仿真与分析软件，这类软件分成二种类型，一种是通用软件，另一种是专用软件，这种软件都包括应力，温度场、电磁场和流场等分析模块，可以进行单种场域分析，也可进行综合场分析，例如计算熔断器的保护特性，首先要计算熔片中电流场的分布，然后是热特性的计算，这是电流场和瞬态热场计算的综合，专用软件是指用于专门的场合。国外**公司更是把特性的计算机仿真和分析看作是产品开发手段现代化的一个重要措施。通过计算机仿真可获得产品设计的可行性方案，即保证设计方案满足所制定技术条件的要求，但尚不是经济技术指标**的方案，为了达到经济技术指标的**，这就需要把仿真技术和**化方法结合起来。计算机图形技术的发展，一种新的三维机交互式图形技术，即虚拟现实（Virtual　reality）技术的出现，给计算机仿真技术的发展，开辟了新的天地，虚拟现实与传统的交互式三维图形技术不同，后者操作者是在计算机外的现实世界操作计算机的图形，而前者则可让操作者进入计算机里的虚拟世界亲临其境地进行操作，把这种技术和计算机仿真相结合就可以在计算机内设计产品，这种产品称为虚拟产品，设计者可以在“虚拟”环境中对产品进行仿真和优化，这是计算机仿真技术的发展方向。长期以来，我国低压电器产品往往是把各研究所和工厂有关技术人员集中在一处，进行联合设计，这种方式使大多数设计人员脱离本厂的环境而造成诸多不便。90年代以来出现的计算机协同设计CSCD（Computer　Supported　Cooperative　Design）技术，可提供远程异地协同设计的环境，它是基于Internet而实现的一种群体设计的新概念，国外的计算机辅助设计软件如PRO/E和Internet等已新增了这方面的功能。依靠这种技术，人们可以在不同地点通过Internet共同讨论设计方案，绘制和修改设计图纸。环保电器随着工农业的发展，环境保护问题日趋严重，这对大量使用的低压电器提出新的要求。低压电器中几近80%的材料是塑料，因而对这些材料来说，一方面要保证长的寿命和电器本身的工作可靠性，还应考虑环保要求，即无污染，并且可以回收。不含CFC或卤素的阻燃的塑料已得到推广和应用。长期以来由于AgCdO有较好的耐电弧侵蚀能力，因而在低压电器、特别是作为控制电器的触头材料得到广泛应用。但由于AgCdO材料有毒，从环保要求出发，以AgSnO2代替AgCdO材料已经得到推广。但AgSnO2的触头温升过高，一直是一个关键技术问题。国际上一些触头材料生产厂都在研究如何通过加入添加剂来阻止触头表面SnO2膜的生成来降低触头温升。采用真空技术与电力电子技术是解决环保电器的重要途径。真空技术在中压开关领域已具统治地位，在低压开关领域近几年也有很大的发展。真空中不存在气体，在开断故障电路时仅能产生能量较少的金属蒸汽电弧，其强度、燃弧时间和对触头的烧蚀都比空气中少，因而真空开关是不需要维护的。从环保的角度来看，真空开关的触头系统是封闭在真空管壳中，触头开断时产生的电弧不会影响环境，因而它可以工作在苛刻的不利的工作环境下。在低压电器领域中，尽管它的价格比一般空气中灭弧的开关电器的价格要高，但它的优良性能和环保作用已越来越引起人们的关注。原先真空接触器一般用于特殊环境下，由于真空技术的进展、真空技术的应用已推广至通用的接触器。国内研究单位和工厂也正积极开发这种产品，主要目标是提高其额定电流和开断能力。由于电力电子技术的发展，新型电子器件如GTO，GTR及IGBT等第三代大功率半导体开关器件的出现，固态无触点开关也得到很大的发展。与机械式开关相比较，它是一种无电弧开关，因而它有很长的寿命，并且不需要维护，从环保角度来看，一方面因为没有电弧，不会因为电弧引起触头材料和塑料气化而污染环境，另一方面也不会因为环境污染而使触头上产生氧化膜而影响接触可靠性。由于没有触头，机械式开关因电弧的作用使触头发热现象也不存在，这样无触点开关的操作频率可达到很高，固态断路器由于工作过程中的损耗大，并且缺乏足够额定电压和电流的功率电子器件，加上体积大、价格高，因而限制了它的应用。