1.概述

電器在工作過程中涉及到電、磁、光、熱、力、機(jī)械、材料、電接觸、可靠性等方面的原理與技術(shù)。電、磁、光、熱、力、機(jī)械等能量的轉(zhuǎn)換規(guī)律大多是非線性的，許多現(xiàn)象是一種瞬態(tài)過程，使得低壓電器的理論分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、性能檢驗(yàn)變得極為復(fù)雜。在分析與設(shè)計(jì)低壓電器產(chǎn)品時(shí)，除采用低壓電器傳統(tǒng)理論基礎(chǔ)：電接觸理論、電弧理論、發(fā)熱與電力理論、電磁機(jī)構(gòu)理論等進(jìn)行必要的理論推導(dǎo)、分析計(jì)算之外，還使用了大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此要設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良、價(jià)格合理的低壓電器產(chǎn)品十分困難。

低壓電器是用于交流電壓至1200V，直流電壓至1500V的電路中起通斷、控制或保護(hù)等作用的電器。低壓電器按其控制對(duì)象可分為：低壓控制電器和低壓配電電器；根據(jù)其工作條件或使用環(huán)境條件可分為：一般工業(yè)企業(yè)通用低壓電器和特殊用低壓電器(包括：牽引低壓電器、船用低壓電器、礦用低壓電器、航用低壓電器、熱帶型低壓電器、高原低壓電器)。

低壓電器基本上包括12類產(chǎn)品：即刀開關(guān)和轉(zhuǎn)換開關(guān)、熔斷器、斷路器、控制器、接觸器、起動(dòng)器、控制繼電器、主令電器、變阻器、調(diào)整器、電磁鐵。低壓電器是電器工業(yè)的重要組成部分，在機(jī)械行業(yè)中是基礎(chǔ)配套件，在配電系統(tǒng)中低壓成套開關(guān)設(shè)備主要由各種低壓電器元件構(gòu)成，低壓電器元件的功能及性能對(duì)低壓成套開關(guān)設(shè)備起著至關(guān)重要的作用。發(fā)電設(shè)備所發(fā)出電能的80％以上是通過低壓電器分配使用的。每增加1萬kW發(fā)電設(shè)備，約需4萬件左右的各類低壓電器元件與之配套。在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，也需要由低壓電器構(gòu)成的各種控制屏、控制臺(tái)、控制器等。

2.低壓電器的發(fā)展

低壓電器技術(shù)的發(fā)展決定了低壓電器產(chǎn)品的發(fā)展。

(1)我國低壓電器產(chǎn)品的發(fā)展歷程

近年來，我國低壓電器行業(yè)出現(xiàn)了巨大的變化，低壓電器產(chǎn)品發(fā)展到了一個(gè)嶄新的階段。我國低壓電器產(chǎn)品的發(fā)展大致可分為以下三個(gè)階段：20世紀(jì)60～70年代初，在模仿基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)的第一代統(tǒng)一設(shè)計(jì)產(chǎn)品。以CJ10、DW10、DZ10、JR16B等產(chǎn)品為代表，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸大、材料消耗多、性能指標(biāo)不理想、品種規(guī)格不齊全。20世紀(jì)70～80年代，是在更新?lián)Q代和引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)制造的第二代產(chǎn)品。以CJ20、DW15、DZ20、ME、AE、EWE、AH、B、3TB等產(chǎn)品為代表，技術(shù)指標(biāo)明顯提高，保護(hù)特性較完善，體積縮小，結(jié)構(gòu)上適應(yīng)成套裝置要求，是我國低壓電器的支柱產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代，跟蹤國外新技術(shù)新產(chǎn)品自行開發(fā)試制新產(chǎn)品，以DW40、DW45、DZ40、S、CJ40、M、F、3TF等產(chǎn)品為代表，產(chǎn)品性能優(yōu)良、工作可靠、體積小、電子化、智能化、組合化、模塊化、組合化、模塊化、多功能化，總體技術(shù)性能達(dá)到或接近國外20世紀(jì)80年代末～90年代初水平。雖然已有技術(shù)含量較高的第三代電器產(chǎn)品出現(xiàn)，但其市場占有率僅在10%以內(nèi)。為了盡快提高我國的電力系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，必須大力發(fā)展第三代電器產(chǎn)品，淘汰和改善老產(chǎn)品，使電器產(chǎn)品在研制、開發(fā)、生產(chǎn)、檢測各階段實(shí)現(xiàn)全面飛躍。

(2)低壓電器行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國低壓電器工業(yè)自1949年后，在一些修理、裝配簡單電器工廠的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展成能獨(dú)立設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的行業(yè)，到1979年共有生產(chǎn)企業(yè)600多家，總產(chǎn)量3053萬臺(tái)，產(chǎn)值12.1億元。經(jīng)過1985～1986年、1990～1991年兩個(gè)發(fā)展高峰，1995年低壓電器行業(yè)已有生產(chǎn)企業(yè)約2000家，年產(chǎn)值80億元(其中機(jī)床電器約15～20億元),年產(chǎn)5億臺(tái)件各類低壓電器產(chǎn)品。資料顯示：低壓電器行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值為53.2億元，工業(yè)增加值為9.1億元，產(chǎn)品銷售收入為48.6億元，利潤為2.5億元，出口交貨值3.4億元。目前我國低壓電器制造企業(yè)主要集中在北京、天津、遼寧、上海、江蘇、浙江、廣東等地，在促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也暴露出許多問題。主要有以下兩點(diǎn)：企業(yè)規(guī)模偏小，且數(shù)量過多。目前我國低壓電器生產(chǎn)企業(yè)中，年銷售收入和總資產(chǎn)均在5億元以上的大型企業(yè)只有2～4家，絕大多數(shù)都是中小企業(yè)，導(dǎo)致企業(yè)缺乏規(guī)模經(jīng)濟(jì)和競爭力；而且，我國低壓電器生產(chǎn)企業(yè)由建國初期的600多家，發(fā)展到現(xiàn)今的2000多家，企業(yè)數(shù)量過多，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)資源過于分散，缺乏效率。

區(qū)域結(jié)構(gòu)趨同，重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重。我國低壓電器行業(yè)由于盲目上項(xiàng)目、鋪攤子，地區(qū)產(chǎn)業(yè)趨同化現(xiàn)象嚴(yán)重，低水平重復(fù)建設(shè)，造成產(chǎn)品生產(chǎn)過剩、能源、原材料利用率低、經(jīng)濟(jì)效益低下以及地區(qū)保護(hù)、惡性競爭等后果。

(3)低壓電器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法及其發(fā)展

低壓電器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程十分復(fù)雜。要設(shè)計(jì)一臺(tái)性能優(yōu)良、工作可靠、價(jià)格合理的低壓電器開關(guān)產(chǎn)品，必須經(jīng)過電氣特性與機(jī)械特性的反復(fù)計(jì)算與研究。即使這樣，設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)與產(chǎn)品實(shí)際性能，仍然會(huì)有很大差距，必須通過反復(fù)的試驗(yàn)驗(yàn)證。因此低壓電器產(chǎn)品開發(fā)周期長、資金投入大。低壓電器的設(shè)計(jì)過程如圖1所示。

從圖中可以看出，對(duì)低壓電器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，首先，必須從傳統(tǒng)的靜態(tài)分析、近似計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)分析轉(zhuǎn)化到基礎(chǔ)電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)階段。早期電器產(chǎn)品的研制開發(fā)，由于條件限制，大都是以靜態(tài)特性為研究對(duì)象，往往忽略許多不定因素或難以計(jì)算的參數(shù)。顯然，靜態(tài)特性無法準(zhǔn)確反映電器在工作過程中的實(shí)際特性，

因此，設(shè)計(jì)出來的電器產(chǎn)品性能指標(biāo)達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。

動(dòng)態(tài)特性可以描述電器實(shí)際的工作過程與狀態(tài)變化，揭示在不同時(shí)刻各參量間的關(guān)系，表明各參量隨時(shí)間的變化規(guī)律。在開關(guān)電器中，作為電器感測部件的電磁機(jī)構(gòu)，其工作過程是一個(gè)電能→磁能→力的轉(zhuǎn)換過程，同時(shí)還要克服機(jī)械力做功。因此，慣性大、靈敏度低、動(dòng)作時(shí)間慢、操作頻率低。為了縮短動(dòng)作時(shí)間，就必須加快動(dòng)作速度，從而使電磁機(jī)構(gòu)的碰撞能量增加，降低了機(jī)械壽命。所以，必須建立電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)過程的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。而作為傳統(tǒng)低壓電器產(chǎn)品執(zhí)行部件的觸頭系統(tǒng)，閉合過程中的彈跳、火花、二次振動(dòng)熔焊與磨損、閉合狀態(tài)的動(dòng)靜觸頭接觸特性、打開過程的電弧、打開狀態(tài)的絕緣問題等等都涉及到動(dòng)態(tài)過程的分析與計(jì)算。

采用最新優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以遺傳算法建立優(yōu)化動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)出體積小、重量輕、成本低、價(jià)格合理、工作可靠、性能優(yōu)良的電器產(chǎn)品是電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的一次飛躍。

3.智能化技術(shù)在低壓電器中的應(yīng)用

近年來，電器的設(shè)計(jì)、研制和開發(fā)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。電器在技術(shù)理論和電器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)正處于不斷更新和全面提高的階段。傳統(tǒng)的有觸點(diǎn)電器在結(jié)構(gòu)原理、最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用新材料、新工藝方面不斷和完善；真空電器、半導(dǎo)體電器以及其他新型電器如微電子技術(shù)和電器技術(shù)結(jié)合的機(jī)電一體化電器或智能化電器亦在開拓發(fā)展之中；電器產(chǎn)品向著組合化、成套化發(fā)展。將智能化技術(shù)引入低壓電器，使低壓電器技術(shù)在研究、檢測、生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)上發(fā)生根本的變化。