介绍

微型断路器保护装置被用来保存所有电路设备和电线等元素附加到人类等不同类型的电力故障过载电流,短路电流等缺点1,2。mbcs必须配备了许多自动跳闸机制来应对不同的电力故障。过载跳闸机制是一个强制性的保护系统,必须提供在英国的过载电流保护超过断路器的额定电流3,4。几种方法从过载电流保护电路,主要由使用恒温双金属5和电子电路6。恒温双金属广泛用于MCB的产品,因为他们提供强劲和持久的操作除了简单的利用率和廉价的成本相对于其他保护机制。然而,选择合适的双金属复合是有点复杂的过程,因为它需要保持良好的电和热性能之间的和谐除了提供适当的机械功能过载条件下的破坏机制。

开发人员按照几种方法获得电子的热行为元素,如实证方法7热电偶,瞬态热测试和红外温度计可以用来精确地获得载流部件的温度8。额外的经验方法,数学建模9和数值方法也常用来预测电器的温度上升10,11,12,13,14。说话等人成功地利用multi-physics数值方法模拟温升的三相母线系统用于低压开关设备。相比之下,electric-thermal-fluid流耦合分析时表现出准确的结果与实验结果进行验证15。数值方法也被用于模拟一个绝热温升,高压电缆、耦合电、热与流体流动数值研究导致准确的预测与实验16。

最近,毫升模型应用程序已经观察到在不同的工程和科学diceplines显著17,18,19,20.。尤其是,毫升模型已经广泛应用于开发电动元素21,22,23,24,25。人工神经网络是用来选择适当的母线材料降低锂离子电池的温升,以及贝叶斯正规化(BR-16)方法被发现做出准确预测温度上升26。数据驱动的神经网络方法与非线性自回归网络被用来预测锂离子电池的快速充电和高效运行温度的冷却系统27。一个新颖的方法之后,结合数据驱动的分析和人工神经网络方法和应用获取温度上升的气体绝缘开关设备内的内部联系过热故障。新颖的方法减少积累误差,提高了预测28。更多的相关研究29日,30.,31日,32,33,34,表中列出1。

表1电气配电系统最近的研究。
全尺寸表

计算流体动力学(CFD)建模中使用的水冷散热器的固态断路器可以预测热性能和温升小错误35。然而,缺乏技术报告的温升断路器内恒温双金属产品36。

断路器产品几十个组件组装在一个结构紧凑,模拟载流部件的温升是有点复杂的过程由于交错和相关干扰的热机械行为。双金属弯曲时,电流通过电路由于其温度上升。在指定的过载电流,双金属必须能够弯曲和应用所需的力量脱扣开关机制。的过载电流过载保护机制旅行断路器由不同的标准定义,例如,IEC 60898 - 1标准表明当前英国不得休息\ (le \ \ 1.13 \ \ * \{我}_ {n} \)。当过载电流超过\ \(1.13 \ \倍,{我}_ {n} \)和仍低于\ \(1.45 \ \倍,{我}_ {n} \)、过载保护机制必须打破在一段不超过3600年代。此外,终端的温升不得超过60°C,和40°C破碎机的处理在英国运营\({我}_ {n} \)条件。IEC 60898 - 1标准的要求讨论了“实验”。双金属扮演了一个角色在决定指定部分的最高温度在不同的操作条件下,因为它有一个最低相对电导率比其他载流部分。开发的双金属MCB产品必须考虑上述标准。此外,穆斯林协会的发展需要覆盖广泛的产品额定电流范围从6日开始到125年,有十双金属复合材料的商业化对MCB的应用程序。除此之外,有一个广泛的英国的额定电流。它需要测试大量的双金属为每个额定电流选择一个符合监管标准的要求。此外,有时需要改变双金属维度,导致执行更多的实验。设计的双金属机制MCB产品需要数以百计的实验迭代,明显这是一个耗时的过程。此外,开发成本高,因为它集中利用资产和人力资源行业。

使用有限元等数值方法或CFD需要几十甚至上百迭代考虑多重物理量现象(电热、流体流动、热传导、对流和辐射,等等)。英国是由数万部分由不同的材料和包装在一个小空间,这使数值模拟得到相对准确的预测。英国产品的复杂性,使得仿真任务并不容易,所以,需要额外关注建立数值模型能够预测热行为的可接受的精度。数值方法也费时,很少有文献报道的准确性。为了克服可用方法的局限性,混合,数值方法增强毫升模型在本研究建议:

  • 数值模型基于传热理论模型:形式不同的影响因素之间的相关性的热行为MCB像内的双金属材料的thermos-physical属性,双金属尺寸等。

  • ML模式:只计算理论模型的修正因子自物理特性的主要关系已经制定。因此,数量相对较少的训练样本是相当足够的执行毫升计算。

  • 在获得修正因素,可以有效地利用预测双金属纳米的温度上升。由于纳米由单个元素,明显快速的解决方案。事实上,解决方案可以在几秒钟内。

本研究提出了一种新颖、快速、健壮的方法,开发一个悬臂恒温双金属从过载电流保护。建立了一个简单的基于时间的有限差分模型的理论框架和双金属热机械行为。然后,ML模式来利用实验结果来巩固理论模型,提高其准确性。机器学习技术的增强数值模型(NMML)进行验证,然后用来改善MCB产品的性能。理论框架降低了模型中参数的数量,以便毫升所需训练样本的数量更少。此外,理论模型提供了关于手术期间温度发展的更多细节。这部小说NMML模型展览一个有前途的潜在的解决工程问题;小说的精度模型和快速解决方案开发工程的解决方案都是重要的因素,产品的可靠性和交货时间有很大的发展考虑。

方法

热脱扣MCB的机制

悬臂双金属广泛应用于mbcs由于结构简单、健壮的功能。有两种方法可以在英国使用双金属产品;第一个是作为一个活跃的载流部分断路器,所以,当前通过双金属,从而增加其温度和相应的偏转。这就叫做直接加热和用于相对小额的当前MCB。操作的第二种方式是通过连接双金属载流部分在英国,所以,它是间接加热的金属部分生活,但当前不通过。这被称为间接加热,用于高电流。高扩张和低膨胀的双金属是由组件。这两个组成部分是铁、锰和镍复合材料的可选存在铜、铬、钴和调整机械、电气和热性能37。然而,所有其他载流部分在英国主要是由铜、而钢用于终端。使双金属电阻组件在英国最高的国家之一,因此,它生成一个相对较高的热量和更高温度在断路器(直接加热双金属)。

旁边的恒温双金属通常是安装在英国主要切换机制维护指定的间隙。双金属的温度会按比例增加而增加的电流通过电路。双金属响应温度上升偏转的主要机制。这挠度随温度上升缩小差距的主要机制。在指定的当前和其相应的温度、双金属关闭间隙的主要机制和应用所需的力量打破英国的主要机制和旅行。

设计直接加热双金属英国并不是一个简单的过程,因为它需要获得其温度不同的电流。因此,其挠度可以基于温升计算。许多因素扮演了一个重要的角色在决定双金属的温度上升,主要是它的大小,和热和电气性能除了周围的组件,它影响传导,对流和辐射传热。

对于英国产品,双金属的行为坚决相关电流的英国,主要是基于应用程序。因此,标准是保持有一个特定的温度因热产生的电流通过的双金属所需的瞬时挠度获取分断电流在温度升高的条件下从应用程序的观点。

mbcs的双金属的目的是旅行中的断路器高热条件(过载条件)。因此,偏转的目的在一定距离与一个特定的温度一段时间意味着它是温度和时间的函数。双金属的机制工作将启动开关后mbcs的位置上移动的滑动接触与固定触点(载流部分)在一个闭环位置见图。1“genegrated使用ANSYS Spaceclaim R2 2021”38,这将导致允许断路器携带当前从入口到出口终端和电缆(电缆)。因此,当电流通过断路器的部分,将会有一个热代由于部分的电阻率,在某些情况下,如果当前的不仅仅是它应该,然后因此断路器内部的温度将增加将导致气温上升。结果,双金属将转移由于温度上升,直到它接触,推动进一步的切换机制的位置(开环位置),这将强制断开连接的滑动接触载流部分。

图1
图1

插图的分支机构断路器突显出双金属,转换机制,和双金属的组件用于校准,genegrated使用“ANSYS Spaceclaim R2 2021”38(https://www.ansys.com/products/3d-design/ansys-spaceclaim)。

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双金属的设计应基于温度/偏转的要求。因此,对于所有的情况下,应在给定值双金属时限操作特点。出于这个原因,断路器的不连续(跳闸)必须确保它有方便的电路保护。因此,时限操作特征定义的双金属的脱扣带测试断路器的额定电流应用于一个特定的时间在几个条件,将定位是否限制内的双金属发生并验证双金属所需的偏转。然而,所有断路器条件应该在指定的时限区标准IEC / EN 60898 - 1。

断路器的时限测试必须进行校准断路器制造商必须声明在指定的温度。时限测试的目的是确保断路器的闭合位置是安全的,并确保在任何温度上升(错误/过载条件)。温度上升是断路器内部的温度的增加,这将导致偏差的双金属由于电流过载导致温度超过极限的值指定的标准。例如,标准IEC / EN 60898 - 1指定的最大温度60 K的终端和其他外部零件,断路器手柄40 K(参考图。2“使用ANSYS Spaceclaim R2生成2021”3825 K)和外部金属部件的操作手段。

图2
图2

iec - 60898 - 1标准的要求与双金属设计,genegrated使用“ANSYS Spaceclaim R2 2021”38(https://www.ansys.com/products/3d-design/ansys-spaceclaim)。

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因此,一个好的双金属设计肯定会导致一个断路器的相对温和的温度上升。材料/成分选择产生的热量会导致决定通过双金属材料的电阻率。作为一个过载保护装置,双金属需要利用应用力和位移触发跳闸机制。

实验

特殊的测试进行收集足够的数据来建立毫升模型巩固数值模型。测试的环境温度对脱扣特性的影响有高温和低温。断路器放置环境的温度25±5°C。断路器是连接到电源使用\ \ (2.5,{\ mathrm {mm}} ^ {2},, \ 4.0 \ {\ mathrm {mm}} ^ {2} \)和\ \ (6.0,{\ mathrm {mm}} ^ {2} \)电缆(基于测试电流),目前是通过产品60分钟。一个RS PRO K型热电偶1/0.2毫米连接双金属的中心点,热电偶也连接到一个数据记录器(横河)记录在测试期间温度每0.01秒。测试是按照iec - 60898 - 1标准的指令(无花果。2):过载保护机制必须在一小时内打破电路的条件\ (1.13 \ \ * \ {\ mathrm{我}}_ {\ mathrm {n}} < \)当前操作\ (le 1.45 \ \ \ * \ {\ mathrm{我}}_ {\ mathrm {n}} \),这个标准是双金属的设计直接相关。外部部件的温升不得超过iec - 60898 - 1中定义的限制标准,如无花果所示。2。

双金属的机器学习模型

完成所有的测试后,实验结果可以作为训练样本的ML模式,训练样本的输入和结果,实验获得。n训练样本的情况下,输入矩阵收集所有输入参数,如环境温度(初始温度),额定电流,双金属物理和热性能和双金属维度。的最终形式的输入矩阵n训练样本可以制定39:

$ $ {P} _{输入}= \离开[\开始{数组}{1}{T} _ {\ mathrm {0,1}} ^ {P},{我}_ {1}^ {P}, {V} _ {1} ^ {P},{\伽马}_ {1}^ {P}, {cp} _ {1} ^ {P}, {k} _ {1} ^ {P},{\ρ}_ {1}^ {P}, {\ varepsilon} _ {1} ^ {P}, {1} _ {1} ^ {P}, {W} _ {1} ^ {P}, {D} _ {1} ^ {P}, {T} _ {{0,2}} ^ {P},{我}_ {2}^ {P}, {V} _ {2} ^ {P},{\伽马}_ {2}^ {P}, \点。{T} _{0,我}^ {P},{我}_{我}^ {P}, {V} _{我}^ {P},{\伽马}_{我}^ {P}, \ \ \ \ \点点点,{T} _ {0, n} ^ {P},{我}_ {n} ^ {P}, {V} _ {n} ^ {P},{\伽马}_ {n} ^ {P}, {cp} _ {n} ^ {P}, {k} _ {n} ^ {P},{\ρ}_ {n} ^ {P}, {\ varepsilon} _ {n} ^ {P}, {1} _ {n} ^ {P}, {W} _ {n} ^ {P}, {D} _ {n} ^ {P}{数组}\ \端)$ $
(1)

然而,在这项研究中,问题的理论模型可以使用能量平衡方法中所描述的“能量平衡模式”。输入矩阵可以表示为:

$ $ {P} _{输入}= \离开[\开始{数组}{1}{Q} _ {g, 1}, {Q} _{气孔导度,1},{Q} _ {conv 1}, {Q} _ {rad 1},{\δU} _ {1}, {Q} _ {g, 2}, {Q} _{电导率,2},\点。{Q} _ {g,我},{Q} _{电导率,我},\ \ \ \ \点点点,{Q} _ {g n}, {Q} _{电导率,n}, {Q} _ {conv n}, {Q} _ {rad n},{\δU} _ {n}{数组}\ \端)$ $
(1 b)

结果矩阵:

$ $ {P} _{输出}= \离开[{T} _ {bim 1} ^ {P}, {T} _ {bim 2} ^ {P} \点。{T} _{荡妇,我}^ {P} \点\点,{T} _ {bim n} ^ {P} \右]$ $
(2)

一般来说,毫升的角色模型是找到输入和输出之间的关系矩阵18,40。但是,在这部作品中,理论建立相关性和用于计算双金属的温度上升因为输入参数和温度上升之间的关系可以推断(指“能量平衡模型”)。能量平衡模型可以建立基于热生成率、热传导、对流和辐射,在那之后,该模型可以解决基于时间的有限差分方法通过考虑所有的输入参数。然而,理论模型不能解决许多其他次要的影响等参数的影响装配的组件在一个小空间,而最重要的是影响对流传热、辐射从其他带电部件,塑料部件的传热除了许多其他因素。因此,毫升的方法将被用于提高理论模型和纠正每个热过程的贡献,最终提供一个准确的预测双金属的温度上升(图3)。所以NMML将派生终于得到一个准确、快速、简单的模型实现工业应用。

图3
图3

机器学习模型的神经网络图的双金属在断路器。

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能量平衡模型

导体内部的热量生成定义为平方电流通过导体\({我}^ {2}\)乘以电阻\ (R \):

$ $ {Q} _{创}={我}^ {2}r $ $
(3)

当热发生在导体内,系统的能量平衡可以表示为:

$ $ {Q} _{创}- \离开({Q} _{电导率}+ {Q} _ {conv} + {Q} _ {rad} \右)= \δU $ $
(4)

在哪里\ ({Q} _{创}\)由焦耳加热效果,生成的热量\ ({Q} _{电导率}\)是身体的热流传导传热的连接机构,\ ({Q} _ {conv} \)是热量从身体周围的流体通过对流,\ ({Q} _ {rad} \)热量从身体周围环境的辐射,然后呢\δU (\ \)是身体的内部能量的变化。导体电阻导致热发生时,身体的温度开始增加的温度\ ({T} _ {T} \)目前\ \ ((t))到温度\ ({T} _ {T +δT \} \)目前\(\离开δt (t + \ \) \)。传导传热\ \ ((t))给出:

$ $ {Q} _{电导率}={\埃塔}_{1}\离开(a.k.。\压裂{{T} _ {T} - {T} _ {con-B}}{\三角洲}\右)+ {\ xi} _ {1} $ $
(5)

在这里,\ \ ()双金属的接触面积是接触导电部分。因为连接身体的温度(\ ({T} _ {con-B} \))是未知的,同样的,厚度(\三角洲(\ \)),另两个回归系数(\ \(τ\)和\θ(\ \))可以被添加到方程:

$ $ {Q} _{电导率}={\埃塔}_ {1}。\ [a.k.离开了。左(\ \τ。{T} _ {T} + \θ\)\右]+ {\ xi} _ {1} $ $
(6)

此刻的对流传热\ \ ((t))可以制定为:

$ $ {Q} _ {conv} ={\埃塔}_{2}。\[{一}_ {bim} . h。\离开({T} _ {T} - {T} _ {amb} \) \右]+ {\ xi} _ {2} $ $
(7)

在那里,\ ({}_ {bim} \)是双金属的面积。对流系数表示为:

$ $ h = \压裂{k.Nu} {{L} _ {bim}} $ $
(8)

努塞尔特数是双金属的取向密切相关,即。,whether it is mounted vertical or horizontal, can be obtained using the empirical correlations of the natural convection41:

$ $ν={\左\{0.825 + \压裂{{Ra} _ {bim} \ 0.387倍^{1/6}}{左\[1 + \离开(\压裂{0.492}{公关}\右)^{9/16}\右]{^{8/27}}}\右\}}^{2}\ \四,\,垂直\ $ $
(9)
$ $ν= 0.54 \ * {Ra} _ {bim} ^{1/4} \ \四,水平\ \,盘子$ $
(10)

对于倾斜安装,必须考虑坡度角在努塞尔特数计算。可以计算瑞利和普朗特数的相关性:

$ $公关= \压裂{\ vartheta}{\α}$ $
(11)
$ $ {Ra} _ {bim} = \压裂{g。β\ \离开({T} _ {T} - {T} _ {amb} \右)}{{\ vartheta} ^ {2}} .Pr $ $
(12)

重要的是要通知\ \ (h)是一个函数的体温,\ ({T} _ {T} \),因为\ (Ra \)号码是。因此,每个时间步的对流系数必须重新计算。辐射传热\ \ ((t))由公式可以表示:

$ $ {Q} _ {rad} ={\埃塔}_{3}。\[离开了。\ \ varepsilonσ。\离开({T} _ {T} ^ {4} - {T} _ {amb} ^{4} \) \右]+ {\ xi} _ {3} $ $
(13)

双金属的热力学能变化在一个指定的期间,\δt (\ \),相关的温度的差异在此期间:

$ $ \δU = m.Cp。\离开({T} _ {T + \δT} - {T} _ {T} \右)$ $
(14)

在小内,任何微小的双金属的温度变化量\ (dT / dT \)导致其内部能量的变化\ (dU / dt \):

$ $ \压裂{d{你}_ {bim}} {dt} = m.Cp。\压裂{d {T} _ {bim}} {dt} $ $
(15)

双金属的能量平衡方程可以从方程式制定。(3),(4),(6),(7),(13),(14)和(15):

$ $ \压裂{dT} {dT} = \压裂{{我}^ {2}r} {m。Cp} - \左\{{\埃塔}_ {1}。\ [a.k.离开了。左(\ \τ。{T} _ {T} + \θ\)\右]+{\埃塔}_{2}。\[{一}_ {bim} . h。\离开({T} _ {T} - {T} _ {amb} \) \右]+{\埃塔}_{3}。\[离开了。\ \ varepsilonσ。\离开({T} _ {T} ^ {4} - {T} _ {amb} ^ {4} \) \] + \ xi \ \} / \ (m.Cp \右)$ $
(16)

数值模型的机器学习技术(NMML)

可以使用基于时间的有限差分法模拟双金属的温度上升,当电流通过电路。假设热均匀条件保持目前t = 0时,这意味着环境条件、双金属和英国的所有组件都有相同的温度。一旦当前开始通过双金属,由于其电阻,电力转换成热量的一部分所描述的情商。3)。热代作品提高双金属的温度。因此,系统变得不均匀,因此,热损失由热传导、对流和辐射必须努力减少双金属的温度。允许应用基于时间的有限差分近似,时间离散成小步骤\δt (\ \)必须执行。方程(16)可以改革获得的净双金属的温度上升,温度在新的时间步计算:

$ $ {T} _ {T +δT \} \大约{T} _ {T} + \压裂{\左\{\左({我}^ {2}r。\δt \右)——{\埃塔}_ {1}。\ [a.k.离开了。左(\ \τ。{T} _ {T} + \θ\)\右]-{\埃塔}_{2}。\[{一}_ {bim} . h。\离开({T} _ {T + \δT} - {T} _{流体}\)\右]-{\埃塔}_{3}。\[离开了。\ \ varepsilonσ。\离开({T} _ {T} ^ {4} - {T} _ {amb} ^{4} \) \右]+ \ xi \ \}} {m.Cp} $ $
(17)

在哪里\ \(ξ= {\ xi} _ {1} + {\ xi} _ {2} + {\ xi} _ {3} \)。在双金属内部MCB的情况下,传热过程是非常复杂的,因为包装的许多组件在一个体积小可以在英国住房,其中一些组件带电部件,产生热量在当前的传球,和其他人是电和热光电隔离器。因此,空气循环的自然对流传热是明显受到限制。因此,传导的理论公式,对流,辐射不能准确描述双金属的温度上升。考虑到实际的传热过程和他们的贡献能量平衡方程,回归系数\(({\埃塔}_{1},{\埃塔}_{2},{\埃塔}_ {3},\ xi \τ\θ)\)与有限差分模型已经使用纠正每个传热过程的贡献权重。

在构建NMML模型之后,才可以实现,回归系数\(({\埃塔}_{1},{\埃塔}_{2},{\埃塔}_ {3},\ xi \τ\θ)\)必须确定。为此,培训矩阵已经被使用。NMML算法的解决方案开始为每一个输入参数\ ((i) \)回归系数的初始猜测,根据初始值,有限差分模型(由情商。17)解决了,新时间步的双金属的温度T + \ \ ({T} _{δT} (i) \)已经确定。解算器继续计算为每个新时间步,直到温度达到稳态条件当双金属的温度稳定:

$ $如果\离开({T} _ {T + \δT} (i) - {T} _ {T} (i) = 0 \) \ \ \,稳定\ $ $
(18)

方程(18)代表的时刻(t)双金属达到稳态条件。在获得的双金属温度情况\ ((i) \),解决方案可以继续的\ ((n) \)培训矩阵。然后成本函数的初始猜测回归系数可以计算使用获得的实验温度(\ ({T} _{荡妇,我}^ {P} \)),理论上计算(\ ({T} _ {T} \离开我\ \))39:

$ $ J = \压裂{1}{n} \ sum_ {i = 1} ^ {n}{左\ [{T} _ {T} \离开(我\)- {T} _{荡妇,我}^ {P} \右]}^ {2}$ $
(19)

必须最小化误差函数通过改变回归系数的值\(({\埃塔}_{1},{\埃塔}_{2},{\埃塔}_ {3},\ xi \τ\θ)\),最小二乘法实现42,43在计算回归系数导致误差函数最小化。的一组系数满足条件\(\离开(J \敏\)\)为进一步利用冷冻解决实际问题。上面的描述是一个简短的演讲毫升的基于时间的有限差分法增强模型。完整的方法的原理算法流程图见图。4,该算法是用Python写为实际利用率。

图4
图4

NMML模型的算法流程图。

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一组\ \ (n = 168)为模型提供了训练样本得到回归系数\(({\埃塔}_{1},{\埃塔}_{2},{\埃塔}_ {3},\ xi \τ\θ)\)训练样本,通过一系列的实验中描述的“实验”。的时间步NMML被选为0.1年代和3600年代的分析进行了(1 h)以来,IEC 60898 - 1标准指定了跳闸时间由于过载电流不超过一个小时。辐射率已经固定了所有类型的双金属复合材料在0.3考虑表面光滑的金属表面41双金属的,而供应商提供其他物理、热、电性质。环境温度已从每个实验条件,和双金属的尺寸是按分公司的设计断路器(MCB 16 - 63)。

七种类型的双金属列在表中2与他们的物理性质被用于实验研究。他们聚集在28套MCB产品,每组有三个断路器,具有相同的双金属和受到同一套测试电流(6测试电流)。因此,每个双金属的温度上升为每个测试电流3读数的平均值,而测试电流从8到91.4不等。训练样本的总数等于28测试集的数量乘以测试电流的数量每组6。因此,最后,168测试样本的实验研究,将用作NMML模型训练样本。

表2中使用双金属的物理特性试验研究。
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结果

168例进行了实验研究,然后,结果被用作NMML模型训练样本,总结如无花果。4。后,取得了回归系数给定MCB的设计。最后,修复回归系数后,有限差分模型已经单独使用评价模型。模型后,它可以利用进一步发展双金属得到所需的热脱扣和减少温度上升的断路器在正常操作。

基于实证研究,训练样本准备和送入NMML模型。这部小说NMML模型然后跑到获得导热性之间的相关性,对流,辐射热量代由于电力通过双金属。回归系数如表所示3。

表3回归系数作为NMML获得的模型。
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高价值的R \ ({} ^ {2} \)意味着一个强大的热量生成和传热多项式之间的相关性。得到的回归系数,模型变得准备解决实际问题。最初的模型必须验证通过比较测试结果。一组实验进行了使用额定电流和双金属的物理和热性能表4。测试条件保持规定的IEC 60898 - 1。烤箱内断路器进行了测试,维护环境温度在50岁±2°C。每种情况下的双金属温度测量并与NMML模型预测。

表4的详细信息输入参数用于NMML模型的实验验证。
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根据输入参数表4,NMML-based也进行了数值计算。实验结果和数值代码绘制在图。5,实验数据统计以来几个读数被针对每种情况(在每种情况下至少三分)。然而,NMML模型预测一个值为每个案件。基于对比图的绘制。5,建议NMML模型预测的范围内13例实验中,8例的范围。小说的最大错误代码与实验结果相比并没有超过8%,和全系列的实验结果为每个鉴于目前已经考虑误差计算而不是平均值。

图5
图5

验证NMML模型与实验结果。

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为了更清楚地了解热双金属的行为,升温试验得到的资料和数值进行比较探讨温度随着时间的发展。图6显示温度的实际测量和数值计算,给出一个指数与时间的关系。然而,测量双金属温度飙升后短时间内通过电流,而获得的数值与周围的环境温度逐渐增加,直到热平衡的方法。行为差异可能返回的数值模型自发地计算每个时间步的传热过程,而实际行为走了一条不同的路。例如,自然对流实际上可能需要一些时间之前有效的传热过程,因为对断路器内部的空气运动的限制。然而,在断路器内部的温度明显增加,断路器本身开始向环境散发热量。更有可能是这种原因的快速飙升的温度测量实验,与简单的自然对流模型假定NMML模型。

图6
图6

双金属温度上升、实验与NMML模型:(一个)\ (I = 18.8 \ \ mathrm {} \),BM-3,(b)\ (I = 24.0 \ \ mathrm {} \),BM-4。

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修正后的回归系数和验证NMML代码,该模型可以用于预测实际情况。模型被设定的额定电流运行32,标准的要求对双金属的行为\(1 \ *{我}_ {n}, 1.13 \ *{我}_ {n} \ \ mathrm{和}\ 1.45 \ *{我}_ {n} \)。提供的所有属性的双金属BM-4制造商(Auerhammer Metallwerk GmbH)已被用于计算。将双金属BM-4 BM-4名称,和它的机械和热性能如表所示5。在无花果。7,温度上升的双金属的时间策划的案例\({我}_ {n} = 32 \ \ mathrm {} \)和所有所需的电流作为声明的标准。温度上升开始显著增加时,电流通过断路器由于热量的一代。然而,在双金属温度升高后,温度上升速率逐渐下降由于增加热量损失。最后,双金属温度接近稳态条件,而焦耳热代平衡热损失由于传导,对流和辐射传热过程到周围环境中。这就解释了为什么温升概要具有指数关系随着时间的推移,温度上升概要文件是必不可少的在设计双金属确定部分的尺寸和/或选择合适的复合。获得双金属的温度不仅对系统的安全是至关重要的,也为系统的温升。优秀的设计考虑了过载电流时发生热脱扣继续通过电路不会引起显著温升当运行在正常情况下或过载条件。事实上,热脱扣必须发生在一个合理的时间内,不超过3600年代(IEC 60898 - 1规定的标准)热脱扣时间越短,更好、更敏感的设计。达到所需的温度上升越少热脱扣条件,效率越高发明的迹象。

表5两双金属复合材料的机械和热性能:BM-4 BM-829日。
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图7
图7

BM-4近半年的时间\({我}_ {n} = 32 \ \ mathrm {} \)和其他当前的条件\ \(1.13 *{我}_ {n} \ \ mathrm{和}\ 1.45 \ *{我}_ {n} \)。

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获得双金属的热行为,可以确定偏转时,双金属温度上升\ ({T} _ {1} \)来\ ({T} _ {2} \)通过应用线性相关性37:

$ ${一}_{你}= \压裂{0.53 k \ ({T} _ {2} - {T} _{1} \右){1}^{2}}{年代}$ $
(18)

确实增加了双金属温度导致更多的偏转,偏转与热双金属双金属温度的线性相关性。双金属继续偏转因为它不接触的主要机制;这可以被称为一个自由偏转升温结果只有在偏转。图8显示的情况下自由偏转悬臂双金属固定从一边的第二个方面是自由变形。所有的几何参数Eq。(18澄清。回到图。1、断路器使用的悬臂双金属分会是固定的从底部并保持自由转移从顶部。双金属之间的间隙也一直保持和转换机制,双金属可以自由变形而不造成任何跳闸的正常运行。然而,对于当前估计相对较高\ \(1.45 *{我}_ {n} \),双金属偏转必须足以覆盖整个空间距离和应用必要的力量关闭机制。校准系统用于校准之间的间隙双金属和切换机制,允许系统的双金属引起跳闸时,电流通过直接通过双金属达到阈值。

图8
图8

悬臂双金属的偏转。

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一旦获得的双金属温度NMML模型,计算挠度使用情商。18)。提供的所有属性的双金属BM-4制造商(Auerhammer Metallwerk GmbH)已被用于计算。额定电流的情况\({我}_ {n} = 32 \ \ mathrm {} \)和所有相应的电流IEC 60898 - 1规定的标准。三个电流绘制图的变形量。9。自偏转与双金属温度的线性关系,偏转概要文件类似于温度。双金属的自由变形,坚定地指数曲线描述了双金属如何响应温度上升。不过,当双金属触摸开关机制、档案达到最大允许偏差值。限制后,温度上升的影响改变通过应用一个力的手臂切换机制。

图9
图9

时间BM-4偏差\({我}_ {n} = 32 \ \ mathrm {} \)和其他当前的条件\ \(1.13 *{我}_ {n} \ \ mathrm{和}\ 1.45 \ *{我}_ {n} \)。

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当断路器电气过载电流穿过,偏转的双金属的反应,直到触摸开关装置。之后,双金属响应过载电流通过手臂上的弯曲力的转换机制。切换机制机械阻力,切换机构优惠只有在所需的力。因此,双金属的温度必须达到跳闸门槛转移和应用脱扣力。悬臂的弯曲力应用双金属是固定在一边,抑制其温度上升时从另一个方面\ ({T} _ {1} \)来\ ({T} _ {2} \)可以通过公式计算37:

$ $ F = \压裂{0.53.k{年代}^{2}是({T} _ {2} - {T} _ {1})} {4 l} $ $
(19)

偏转部队已经为额定电流的计算\({我}_ {n} = 32 \ \ mathrm {} \)和所有相应的电流IEC 60898 - 1规定的标准,并在图绘制。10。双金属BM-4的所有属性,如所提供的制造商(Auerhammer Metallwerk GmbH)已被用于计算。作为小说的结果代码描述指定的双金属能够应用所需的力量释放机制和断开电路时只有电流通过它超过了极限\(我> 1.13 \ *{我}_ {n} \)。的情况下\({我}_ {n} \),双金属只偏转没有关闭间隙的主要机制。然而,对于这种情况\ \(1.13 *{我}_ {n} \)与转换机制,双金属关闭差距但未达到所需的脱扣力。这是一个很好的例子的设计符合IEC 60898 - 1标准的要求。

图10
图10

BM-4偏转力应用的时间\({我}_ {n} = 32 \ \ mathrm {} \)和其他当前的条件\ \(1.13 *{我}_ {n} \ \ mathrm{和}\ 1.45 \ *{我}_ {n} \)。

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讨论

在前面的部分中,利用NMML模型已经证明在确保双金属的设计和材料选择符合IEC 60898 - 1标准要求和提供所需的功能。此外,这部小说模型可以扩展到优化热断路器的性能产品,帮助选择合适的材料为给定的双金属双金属的大小减少温度上升而不影响其功能,即。,脱扣电流阈值的\(我> 1.13 \ *{我}_ {n} \)在相对较短的时间内,符合标准要求。一系列的数值研究使用NMML模型进行了检查不同组合的双金属考虑制造商数据库帐户热力和机械性能。基于结果的温度急剧下降已经通过改变现有的材料(双金属BM-4)和一个新的BM-8由Auerhammer Metallwerk GmbH是一家37。两双金属的机械和热性能表5。

基于考试不同材料的研究,发现BM-8展览有前景的结果,它提供了所需要的功能由跳闸只有当条件\(我> 1.13 \ *{我}_ {n} \)满足了。此外,BM-8产生更少的热量,导致温升率低于BM-4。比较BM-4和BM-8 (Auerhammer Metallwerk GmbH)双金属在相同条件下的电流,同等大小和精确的接口参数的切换机制分支断路器32图绘制。11。此外,BM-8更容易将提供一个很大的温升率即使在相对温和的温度上升。因此,它非常适合分支断路器的额定电流32。BM-8的温度在正常情况下(\ (I = 32 \ \ mathrm {} \))到达86 \ \(^{\保监会}{\ rm C} \)比较左右110 \ \(^{\保监会}{\ rm C} \)BM-4。因此,有一个24 \ \(^{\保监会}{\ rm C} \)区别两种材料,在同等条件下运行。双金属,一般来说,产生最大的热量在断路器由于其电阻率显著高于其他所有载流部分。因此,它是最有可能拥有断路器内的最高温度。选择合适的材料确实必须考虑的IEC 60898 - 1标准的要求温度上升,不得超过60 K的终端和其他外部零件,40 K断路器手柄和25 K外部金属部件。

图11
图11

比较BM-4和BM-8 (Auerhammer Metallwerk GmbH)双金属在相同条件下的电流,大小和精确的接口参数的切换机构分支断路器32。

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BM-8提供了极好的特点的热脱扣和操作在正常情况下,这两个方面保证产品的安全运行。除了正常操作条件下,BM-8热的温度109 \ \(^{\保监会}{\ rm C} \)旅行,而BM-4热的温度168 \ \(^{\保监会}{\ rm C} \)。这个明显的温差提供另一个安全方面的考虑BM-8设计因为它旅行之前接近严重的温度。表6提供了一个全面的两种材料之间的比较;使用小说NMML模型获得的结果。根据结果,BM-8旅行在181年代与287年代相比BM-4。BM-8添加一个额外的快速响应特性来使用而不是BM-4。最后,两双金属施加所需的热脱扣力;然而,结果显示BM-8力略高,这是由于该模型的准确性。通过使用更小的时间步低于0.1,两种材料的脱扣力变得几乎相同。

表6的性能的比较BM-4和BM-8相同条件下双金属。
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指其他方法研究不同材料对于这个应用程序,主要有两种主要的方法,可以用来研究CB产品的双金属的温度上升。第一个是实验方法,许多类型的双金属可以在不同条件下进行测试,以确定其功能为给定的大小可用在断路器。然而,有许多困难当运行实验为了这个目的,一个满足相关要求的热脱扣和相对较低的温度在正常操作期间需要检查大量的双金属复合材料为每个额定电流以确定其有效性。此外,需要时间去采购材料和样品,然后运行测试,使这种方法并不适用于很多情况下与公司发展计划和时间框架设计一个新的断路器产品的范围。另一种方法来研究双金属的温升问题的数值方法中,有限元方法和其他人可以检查产品来实现。尽管如此,也有一些限制,根据数值方法的缺点。一个相关的所需的时间来准备和运行模式,它要经过几周甚至几个月的时间来调查各种不同额定电流的双金属复合材料和条件。此外,数值模型不能提供准确的预测温度上升由于断路器产品是挤满了许多组件不同的材料通过考虑所有组件的影响在双金属的温度上升,额外的并发症将被添加到模型中,因此,需要额外的时间来解决。确实使产品内部的热现象非常复杂的由传统的建模方法,很难得到准确的结果。模型的准确性是至关重要的对于这个应用程序这个特定的问题确定某些值在不同条件下的温升; failing the accurate obtain the thermal behavior of the bimetal may seriously affect the safety of the product.

除了传统的方法,小说NMML模型提供了一个补偿方法,利用实验和数值方法的优点。NMML模型展品良好的精度,满足工业需求和满足产品的安全要求。此外,模型是快速和可靠的运行时的额定电流,它可以立即提供全面的信息温升的双金属和其他性能曲线,一旦材料特性和模型维度。由于数值有限差分方法,这有助于获得确定性性能参数为每个时间步,直到达到热平衡。因此,一个巨大的双金属复合材料的光谱可以研究在很短的时间内选择最好的材料能够执行完美的额定电流。此外,所需的测试样品不是如此之大,因为只有几双金属复合材料可以在不同的额定电流进行测试来确定模型的回归系数。可靠性和适用性方面的正确符合工业需求,NMML模型简单的建立和运行,除了它的健壮性和可靠性。

ML模式通常是单独使用找到不同影响因素之间的相关性所需的现象44。然而,理论相关研究中建立了传热的英国产品,然后,毫升模型实现了减少误差的理论模型。体现毫升建议NMML模型的作用,研究了双金属温度上升的两种方法:第一种是由纳米,而混合NMML第二种方法。这两种方法的结果与实证测量温升如表所示7对于不同的条件。实证研究的标准误差,所以毫升的错误和NMML也确定。比较表所示7公布了海里无法提供准确的预测的双金属热行为自显著误差大。NM本身是不可靠的这样一个复杂的传热过程MCB自错误通常高于15.8%,事实上,海里的结果在一个非常高的错误,在许多情况下,超过50%。相比之下,NMML有一个相对较低的误差不超过8.1%,由于ML模型解决几个因素的影响,不能被视为在理论框架(如对流在紧凑的空间中,不同的金属和塑料部件的贡献到传热,等等)。实证测量的精度有限,标准误差达到了8.8%。实验的标准误差可以解释的复杂的装配公差在许多地区的距离,部分的维度和成分,除了测量错误。另一方面,所需的学习样本的数量相对较低,因为在双金属传热的主要影响因素是由理论模型制定。因此,构建NMML模型明显比建筑更容易只是一个毫升模型没有能量平衡模型的基础。

表7标准误差的实验结果,NM和NMML模型的计算误差。
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结论

在这项研究中,一种新型NMML模型建立预测热双金属内部的电路断路器的性能的产品。传统的方法不能提供一个准确和快速的解决方案的问题选择正确的材料和尺寸的双金属MCB产品满足热脱扣需求和相对低温的崛起在正常操作条件。建议的模型是基于ML模型的数值方法增强。基于时间的有限差分法的数值方法是理论框架的组件,而ML模式给正确的实验结果的优点,使理论模型更准确。这部小说NMML模型是建立基于:

  • 数值方法:基于时间的有限差分法的能量平衡理论框架双金属在断路器的电流通过。

  • 毫升模型:获得纠正因素的理论框架,提高模型的精度。一个实验研究进行了训练样本。然后,NMML模型训练近似传热过程和最终得到双金属的温度上升。

  • 这部小说NMML模型进行验证与实验研究,与实证结果这展览一个很好的协议。最大误差不超过8%时,模型验证了不同材料和额定电流。

  • 模型被用来预测双金属在断路器在不同条件下执行。温升概要文件显示了指数的关系随着时间的推移,双金属的最高温度达到热平衡条件可以获得后,连同所需的时间可以通过热平衡模型。获得的温度上升,双金属的偏转,偏转力采用双金属交换机制都可以随着时间的确定。因此,综合信息在不同条件下可以获得的模型。

  • 模型被用来优化双金属的材料,例如,分支机构断路器内的最高温度32已经减少了24 \ \(^{\保监会}{\ rm C} \)当模型用于选择不同的双金属复合材料。此外,建议材料响应快速的温度变化偏转率较高。因此,新材料显示了热脱扣时间显著较低。这描述了如何利用这个模型来提高断路器的安全及操作条件。

  • NMML大大提高数值模型的准确性;海里的误差超过50%,但NMML模型减少了误差低于8.1。实验的标准误差达到8.8%。然而,数值模型在本研究进行了一个元素。

  • NMML是一个有前途的模型。传统ML方法相比,关系,联系指定的现象的影响因素从理论上确定。毫升的建议混合法的作用是提高模型的精度。因此,训练样本的数量明显减少了。另一方面,只有一个元素的数值模型是由快速求解模型。因此,NMML模型是快速和准确的工程应用程序需要大量的迭代的实验或数值解(补充信息)。