2.1 低压塑壳断路器操作机构的仿真建模
2.1.1 低压塑壳断路器操作机构简介
首先取一额定电流为250A某型号低压限流式塑壳断路器（Moulded Case Circuit Break- er，MCCB）为例来说明操作机构的工作原理，如图2-1所示。其操作机构是典型的五连杆机构，其分合闸过程是一个瞬间的动作过程，包含高速的碰撞，涉及因素较多，故要精确建模。机构的结构简图如图2-2所示，它由触头支架f、下连杆g、上连杆h、跳扣k、锁扣m、操作手柄1和分断弹簧2等部分组成。动触头转轴O上的扭簧（图上未注明）约束了动导电杆和触头支架的相对运动。当处于图示合闸位置时，分断弹簧2虽有贮能，但因上连杆g和下连杆h处于挺直状态（死区位置），C点固定不动，下连杆g、上连杆h、触头支架f和机构构成四连杆机构，处于稳定静止状态，此时触头完全闭合。手动分闸时，分断弹簧随着手柄的转动被伸长贮能，当弹簧力的作用线与上连杆重合时，处于最大位能状态，一旦超过上连杆，B点向左运动脱离死区，触头支架被下连杆迅速上提，绕主轴O1转动，从而带动动导电杆和其上的动触头向上运动而分断。在短路电流到来而脱扣器未动作之前，如果电动斥力足够克服触头预压力和触头重力，动触头可被斥开一定的角度，当短路电流引起锁扣m转动，在分断弹簧作用下，跳扣k绕O2轴顺时针转动，C点成为活动点，同时上连杆g、下连杆h脱离死区，于是变成五连杆机构。因为五连杆机构有两个自由度，触头继续分断，同手柄位置无关。
图2-1 仿真模型图
2.1.2 操作机构仿真模型的建立
建立操作机构仿真模型的最简便的方法是从常用的三维实体造型软件中导入，如从SolidWorks、UG和Pro/E等建立的实体模型完整地导入到ADAMS软件，中间文件格式最好的是Parasolid，以*.x_t和*.xmt_txt文件名导入，断路器操作机构的结构比较复杂。考虑到所关心的问题和仿真的方便，对其作适当简化，将从UG等三维软件导入的低压塑壳断路器操作机构和触头系统的模型进行了删减，在ADAMS/View中重新建立了关键构件的模型，其主要由连杆机构组成。只要仿真构件几何形体的质量、质心位置、惯性矩和惯性积同实际构件相同，仿真结果是等价的。样机约束的正确施加很重要，在建模时主要用到连杆和轴之间的转动约束、两构件之间的接触约束、轴和地之间的固定约束等。以断路器中跳扣的轴为例，它和地之间是固定约束，和跳扣之间是转动约束，同时和上连杆有接触约束。在施加约束前必须对构件之间的连接关系很清楚，才能保证在仿真时系统以预想的方式运动，建模过程所用到的一些重要参数见表2-1。
图2-2 MCCB操作机构结构简图
1—手柄杠杆 2—分断弹簧 3—动导电杆
f—触头支架 g—下连杆 h—上连杆 k—跳扣 m—锁扣
表2-1 ADAMS建模过程中用到的参数值
① 该符号是在软件中默认为deg，仿真图同此。
建模过程中应注意的关键之处：
1）动力的合理施加 在短路故障发生后，短路电流流经低压断路器时，触发其脱扣机构，机构在此分闸过程的驱动力主要来自于分断弹簧，其输出特性决定了分闸过程主要参数的值（如刚分速度、平均分闸速度、分闸时间等）。由于弹簧的输出力特性由刚度系数和预作用力以及预作用力下的长度决定，因此只要准确定义这三个参数即可。
2）反力的合理施加 决定断路器分合闸特性的不仅有驱动力的大小，还与机构中存在的众多的反力有关。这其中包括动触头重力、触头弹簧的反力以及各运动部件之间的摩擦力等。
3）约束关系 操作机构中的约束关系包括固定约束（fixed joint）、转动约束（revolute joint）和碰撞（contact）等。约束关系的添加要充分考虑实际操作机构中可能存在的约束，遗漏任何一个约束关系都会严重影响到输出结果。
在添加约束时，应逐步对构件施加各种约束，并经常对施加的约束进行试验，保证没有约束错误，尤其要注意选择对象的顺序和约束方向是否正确，错误的约束方向可以导致某些自由度没有被约束而使运动混乱；另外，尽量用一个运动副来完成所需的约束，如果使用多个，每个运动副实现的自由度约束有可能重复，可能会导致无法预料的结果。
对于单断点塑壳断路器，尽管不同型号的断路器有着不一样的机构，但是有些约束一般都会用到，见表2-2。
表2-2 单断点塑壳断路器约束关系类型（参见图2-2）
另外，在单断点塑壳断路器中一般都会有一些固定的构件，对于这些构件，添加约束关系也有一定的规律，见表2-3。
表2-3 塑壳断路器某些构件的约束关系
在以上两个表中，仅是针对一些共性的约束进行了归纳，作为添加约束的一种参考，对于不同的断路器，还应该具体问题具体分析。
4）仿真过程的控制 考虑到仿真过程的方便性以及仿真结果的直观性，结合操作机构运动特点，应对断路器分合闸过程分别建模，分闸过程的起始时刻对应三相触头处于闭合状态，合闸过程的起始时刻对应三相触头分开状态。在ADAMS软件中，有交互式仿真（Inter- active Simulation）和脚本仿真（Scripted Simulation Simulation）两种方法，为了实现对仿真过程的控制，需要添加传感器（sensor），若单纯控制仿真过程的自动终止，采用交互式仿真，则可简单利用仿真输入菜单下拉列表框中终止时间（End Time）来控制，在短路脱扣条件下，额定电流630A以下的塑壳断路器的机构动作时间一般在10ms以内，所以可设仿真终止时间为10～12ms。在计及电动斥力作用时，需采用脚本控制仿真来启动或停止执行仿真过程中的电动力的施加。