17.5.2.1 总体结构选型
如前所述，总体结构有两种基本形式，即整体式和组合式，前者以实现接触器功能的主要功能部件和实现断路器功能的主要功能部件为各个部件实现CPS，后者不是由单一的电器组成，而是将接触器、断路器等分立元件拼装为一个整体（或单元），但满足CPS的所有性能要求。
17.5.2.2 操作机构
机构的型式与实现保护功能的型式密切相关，根据操作机构是否可直接分断主电路，分为两种基本型式：
1）操作机构不直接断开主电路，如图17-18所示，代表产品为KB0系列CPS。
操作机构包括手动操作和自动操作两部分：手动操作部分主要用于接受人为的通断控制，操作一对与外接控制电源串联的控制触头，接受人为的控制信号而操作电磁系统，并接通或分断CPS的主电路；自动操作部分用于故障脱扣，一方面可接受一般故障检测单元的故障信号，并脱扣后操作控制触头，使得电磁系统释放，最终实现主触头的断开，另一方面，这种CPS还同时带有独立的短路保护脱扣系统（由短路故障检测单元和快速电磁系统构成），其中的快速电磁系统自带有一套动作机构，发生短路故障后，快速电磁系统自带的动作机构直接打击主触头，并使其断开，操作机构的自动操作部分仅在短路保护动作机构动作后接受完成脱扣动作。机构具有脱扣后的再扣功能。
该类型的操作机构不直接分断主触头，一般故障时，通过操作机构脱扣操作控制触头，使电磁系统释放，实现主触头断开，短路故障时，主触头由快速电磁铁动作机构直接打击并断开，同时操作机构接受快速电磁铁动作机构的脱扣信号，操作控制触头切断电磁系统的电源。
该类操作机构由于不直接分断主电路，故操作力较小；同时需要与多套动作机构联动，包括用于短路保护的快速电磁系统、用于反时限和定时限保护的热磁脱扣器、用于指示结构状态的信号报警触头、用于远距离再扣的操作杆等，故该套操作机构设计过程中应考虑操作机构的稳定性、隔离功能的实现以及与上述联动动作机构的接口。
2）操作机构可同时分断控制电路和主电路，如图17-19和17-20所示。代表产品为VK60系列、TeSys U系列和3RA6系列CPS。
操作机构同样包括手动操作和自动操作两部分，且手动操作部分同样接受人为的通断控制，操作一对与外接控制电源串联的控制触头，接受人为的控制信号而操作电磁系统，并接通或分断CPS的主电路；自动操作部分包括了脱扣机构。该电子式控制保护模块带有脱扣输出电路，可通过脱扣电磁铁（磁通变换器）直接作用于脱扣机构，脱扣机构可使操作机构中的储能连杆动作而直接分断主电路，并同时分断控制电路。控制保护模块接受故障检测处理单元的故障处置信号，同时带有确保脱扣电磁铁可靠工作的自检功能。
这种型式的操作机构又可工作在两种不同型式的CPS中，一种是一般故障和短路故障均通过电子式实现保护，这两种故障情况操作机构均作为唯一的分断操作执行部件同时分断控制触头和主电路，如图17-19所示；另一种则是同时带有独立的短路保护脱扣系统，一般故障仅由操作机构实施保护，短路故障时，操作机构和短路保护脱扣系统同时作用，如图17-20所示。
该类操作机构同时分断主电路和控制电路，因此与仅操作控制电路的操作机构相比较，其操作力相对较大（但脱扣力并不大），同时由于操作机构和电磁系统共同作用在主电路上，因此其操作无关人力闭合和分断的速度。
以3RA6产品的操作机构为例，操作机构的基本部分为连杆机构。在自由脱扣状态下，操作机构为五连杆机构；在断开和AUTO状态下，操作机构为两个四连杆机构（因此脱扣力不大）。它与KB0的操作机构不同，该操作机构在自由脱扣和断开状态下，需要直接顶开主电路（动）触头，而CPS的产品结构与其它产品不同，主触头在断开位置时触头弹簧的压缩量最大（见图17-23），因此操作机构在自由脱扣和断开状态下，必须克服最大的触头弹簧力。
类似地，操作机构同时需要与多套动作机构联动，包括用于短路保护的快速电磁系统（对于VK60和TeSys U产品，采用电子技术进行短路保护则无需此接口）、用于反时限和定时限保护的脱扣器（对于VK60和TeSys U产品，与短路保护同用此脱扣器）、用于指示结构状态的信号报警触头、用于与隔离模块联锁的接口等，故该套操作机构设计过程中应考虑机构稳定锁扣且不易脱扣的脱扣量、与触头弹簧力的配合、操作机构自由脱扣位置的定位设计、与电磁系统的协调动作关系、短路与一般故障的面板区别指示、与隔离模块的联锁关系以及与上述联动机构的接口。
17.5.2.3 限流触头灭弧系统
触头灭弧系统是开关电器的执行部分。由于CPS将保护电器与控制电器的主要性能合二为一，同时具有较高的短路分断能力和较长的机械寿命、电气寿命指标，材料、结构、设计参数等方面都是限流触头灭弧系统的关键，对CPS的分断能力和电气寿命指标起到决定性的影响。典型的限流触头灭弧系统如图17-25所示。
图17-25 CPS限流触头灭弧系统的典型结构
CPS的触头系统一般采用双断点形式，其中，静触头导电板采用U型结构，分断电弧时产生的电动力为斥力，有利于快速熄灭电弧。触头压力的设计，主要考虑满足温升的条件下，以20～50倍的额定电流作为触头斥开的设计参考值。
限流技术是实现兼有高电气寿命和高分断能力指标的关键技术之一，CPS分断短路电流的过程可用图17-26、图17-27和式（17-1）、式（17-2）说明。
图17-26 分断短路电流的示意图
图17-27 电弧电压简化模型
Ue-Uarc=RiL+LdiL/dt （17-1）
电气系统额定交流电压为
Ue=Umsin（ωt+φ） （17-2）
式中 Ue——电源电压，Um为其峰值；
Uarc——触头分断时的电弧电压，Upeak为其峰值；
L——总电感；
R——总电阻。
通过分析图17-26及上述各式即可定性看出或运用计算机可定量确定出参数ts、K、Upeak对被限制电流特性的影响。
Upeak对被限制电流特性的影响：ts越小、K越大、Upeak越大，则限流作用越好。
为了减小ts、增大K，快速电磁瞬动机构是关键之一，要求其能以很高的速度快速动作使触头迅速分断，才能有显著的限流效果，否则在极小的空间条件下，分断50kA或更高的预期短路电流是不可能的。
根据对限流分断电弧性能的试验研究结果表明，在不考虑诸如磁场对电弧和灭弧室内部压强的作用等因素时，单断点的触头分断速度在6m/s处是一个临界值。当触头分断速度小于6m/s时，停滞时间与预期短路电流、触头分断速度、触头材料密切相关，当触头分断速度大于6m/s时，触头材料、灭弧室侧壁间距、触头分断速度增长对停滞时间几乎无影响，也就是说，只要保证在出现短路电流时，触头分断速度达到了一定值，即可采用类似于接触器的触头灭弧系统，实现兼有高电气寿命和高分断能力指标。
最新的研究成果还提出了一种短路电流条件下能够斥开卡止的直动式双断点触头结构，可有效提高机电气寿命，并缩小体积，详见17.3.2.3节。(www.xing528.com)
17.5.2.4 电磁系统
电磁系统是接触器等电磁式开关电器的关键部件，CPS产品中有多种电磁系统，其结构及参数的合理选择对产品动作的可靠性、分断能力、电气寿命、机械寿命、功能的自配合及其经济指标都起着极为关键的作用。其中，对于瞬时脱扣用的电磁系统，要求其动作准确、速度快，对于正常通断用的控制电磁系统，要求其动作特性配合合理、具有高的动作次数。其中，对于控制电磁系统可采用直动式，而脱扣电磁系统的电磁铁则可采用快速电磁机构，如磁通变换器、快速螺线管电磁铁。
图17-28 用于脱扣的磁通变换器
a）磁轭与衔铁 b）磁轭的横截面 c）磁通变换器的“爆炸图”
图17-28为典型的用于故障脱扣的脱扣电磁铁。图17-28a所示为电磁铁部分，即磁轭与衔铁，图17-28b所示为磁轭的横截面，图17-28c所示为整个磁通变换器的“爆炸图”。电磁铁为由永久磁铁、电磁回路组成的复合电磁系统，其工作原理为永磁保持、直流电源产生释放动作。其中，在靠近永久磁铁的部位，由电工纯铁（或其它电磁材料）构成的磁轭在结构上提供两个L形的弯脚（见图17-28b），同时提供两个极小的气隙δ2，形成磁通变换的二次通路；在永磁保持状态，气隙δ为零，吸力主要产生在气隙δ处，而当直流电压施加到线圈时，一旦衔铁释放、在气隙δ不再为零且逐渐增大，由于δ2气隙极小且保持不变，因此包含不断增大的气隙δ的永久磁铁产生的磁通回路几乎可视为被两个L形弯脚处的小气隙“短路”，使得通过气隙δ的磁通急速减小，即形成磁通路变换，加快了释放动作，提高了脱扣速度，可以满足故障特别是短路故障时的快速脱扣。
图17-29为典型的小型化直流控制电磁系统，图17-29a为该电磁系统的磁轭、衔铁、永磁体和传动部分，图17-29b为整个电磁系统的“爆炸图”。该电磁系统引入了永磁体（该永磁体的布局巧妙，使得在电磁铁吸合时产生吸力有助于吸合，在释放时与反力弹簧同时作用使得电磁系统可靠释放），同时铁心采用了叠铆加焊接的工艺，使得在较小的体积下满足了吸力的要求。
图17-30为另一种典型的小型化直流控制电磁系统，该电磁系统在衔铁上设置了一个凸台，在不提高安匝数的前提下，通过形成第二个磁回路，以提高吸力，特别是较大气隙时的吸力，也很好地控制了电磁铁的体积。
图17-29 典型的直流控制电磁系统
a）磁轭、衔铁、永磁体和传动部分 b）电磁系统“爆炸图”
图17-30 典型的直流控制电磁系统
a）磁路分布及凸台上吸力分量示意 b）行程不同时凸台上吸力变化分量示意
17.5.2.5 电子控制保护模块
电子控制保护模块是CPS的核心控制部分，主要包括电流互感器、采样电路、微处理器（MCU）、电源部分、显示部分、通信部分等，除了可实现基本的3段保护功能外，还可具备较多扩展功能，包括自检、附加保护功能（断相、三相电流不平衡、接地、漏电、起动超时、电动机起动时堵转、电动机运转中阻塞、欠载、欠电压、过电压、欠功率等）、控制功能（如起动、停车、复位等）、测量功能（如电流、电压、功率、电能等）、多种电气参数设定、功能测试、故障记录与日志、输入输出功能和通信功能等。
电子控制保护模块能够检测CPS主回路的电流信号、电压信号、操作机构（手柄）的状态、电磁系统（控制电磁铁、脱扣电磁铁）的状态等，通过分析计算处理，输出相应信号给控制电磁铁、脱扣电磁铁等执行部件，并记录当前CPS各种状态，实现上述各种功能。
图17-31为典型的CPS电子控制保护模块硬件功能框图。
此外，某些CPS的电子控制保护模块采用专用集成电路（ASIC）芯片，将中央微处理器与部分功能电路集成在ASIC芯片上，从而减小了模块的体积，推动产品小型化的发展。
图17-32为典型的CPS电子控制保护模块主程序软件流程。
软件的功能很大程度上影响了CPS的性能，为了满足CPS高可靠性、高灵敏度、高准确度、多功能的要求，软件的载体——中央微处理器或ASIC的资源日益丰富，功能日益强大，例如16位的数字信号处理器（DSP），多数能满足目前的需求。
17.5.2.6 信号的连接与传递
CPS内部的各个部件之间需要传递大量的信号和电源，用电部件包括控制电磁铁、脱扣电磁铁和控制保护模块，控制保护模块中具体包括MCU、液晶显示器、通信电路等，都需要从Us电源（经变换）获得，信号的传递包括辅助触头、反馈触头、信报触头等，CPS类似于一个小系统，各系统“元件”之间需要有大量的连接（例如图17-18～图17-20中的实线表示电气连接（强电与弱电），其中的虚线表示机械连接），这些连接往往会对产品的设计产生较大的影响。
17.5.2.7 多功能保护系统的自配合
多功能特别是三段保护系统中，除短路保护采用快速电磁机构外，还有过载保护的延时动作机构及电压等附加的保护机构，这些机构之间的配合决定了整个产品的自配合保护性能。图17-33为典型产品的在不同脱扣级别下的三段保护特性示意图。电控分支回路采用分立元件组合时，存在选择性保护的协调配合问题，而CPS内部的自配合保护从根本上解决了电控分支回路的选择性保护，不会出现分立元件配合时的1型配合的情况。
图17-31 典型的CPS电子控制保护模块硬件功能框图
其中，一般故障保护包括（1）段和（2）段，（1）段为反时限的过载保护，（2）段为定时限的过电流保护。图17-33中的（3）段为瞬时的短路保护。除了与过电流相关的三段保护外，CPS还可根据具体的设计，实现堵转保护、断相保护、剩余电流保护、外部故障保护、过热保护和过电压保护等多种多样的保护功能等。这些功能可分别通过热过载保护器、电磁过电流脱扣器、电磁瞬时短路脱扣器、电子式（包括模拟电路的和数字化的）脱扣器等不同类型的控制保护模块加以实现。其中，数字化的控制保护模块还可实现自检、多种参数设定、参数测量与显示、功能测试、通信等多种功能。
17.5.2.8 系列化产品开发
在保证实现较高的性能价格比的前提下，根据CPS产品具有的特点、应用情况，特别是用户的各种要求提供各种派生型产品及附件，以利于产品的市场推广和生产管理。由于CPS产品零部件较多，系列化产品设计中应特别注重通用性和标准化。
目前，VK60系列和KB0系列产品提供至100A的整体式系列产品；而国外公司的代表产品TeSys U和3RA6仅提供至32A的整体式产品；对于更大容量，TeSys U和VK60系列则采用控制器与分立元件的配合提供系统的解决方案（但TeSys U的样本上并未说明该解决方案符合GB 14048.9—2008或者IEC 60947-6-2—2007的要求），如图17-34所示。
17.5.2.9 附件设计
CPS的附件（辅助功能模块）的设计，包括辅助模块、信号报警触头、欠电压保护器、分励脱扣器、远程再扣器、漏电保护模块、可逆模块、隔离模块、限流模块等，在结构设计上，可采用模块化的结构，并注意系列产品的通用性。
17.5.2.10 材料的选择
CPS特别注重小型化，因此材料的选取至关重要。重点选用的材料包括结构件、导电回路、触头等。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
