35kV真空開關(guān)永磁機(jī)構(gòu)分合閘操作控制器的設(shè)計與實現(xiàn)【獨(dú)家畢業(yè)課程設(shè)計帶任務(wù)書+開題報告+外文翻譯】,35,kv,真空開關(guān),永磁,機(jī)構(gòu),合閘,操作,控制器,設(shè)計,實現(xiàn),獨(dú)家,畢業(yè),課程設(shè)計,任務(wù)書,開題,報告,講演,呈文,外文,翻譯 第 I 頁 摘 要 隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民物質(zhì)文化生活水平的提高，人們對電力需求量越來越大，用戶對供電質(zhì)量和供電可靠性也越來越高。智能電網(wǎng)在生活中扮演著重要的角色。高壓真空斷路器作為配電網(wǎng)中系統(tǒng)控制、保護(hù)的重要設(shè)備，其智能化一直是關(guān)注的熱點(diǎn)問題。操動機(jī)構(gòu)是決定斷路器操控性能的重要部件之一，永磁機(jī)構(gòu)取代了傳統(tǒng)的操動機(jī)構(gòu)作為斷路器新的操動機(jī)構(gòu)，因為它機(jī)構(gòu)零部件少、裝置的可靠性高、可實現(xiàn)免維護(hù)，因而受到了當(dāng)今世界各國的普遍關(guān)注，目前在我國乃至世界上許多發(fā)達(dá)國家的中高壓開關(guān)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。 本論文介紹了永磁機(jī)構(gòu)的 結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、工作原理和操動過程。永磁機(jī)構(gòu)主要分為雙穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)兩種形式。兩種形式的合閘都是電磁操動即給合閘線圈充電。不同之處是分閘操作，雙穩(wěn)態(tài)的分閘是直接給分閘線圈通電，屬于電磁操動永磁保持，但單穩(wěn)態(tài)的分閘操作需要彈簧操動，屬于電磁去磁彈簧操動，保持可以是永磁也可以是彈簧。本論文的研究對象為雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)。查閱相關(guān)資料，對比三種控制方式，最終采用電子控制方式制定 35空開關(guān)永磁操動機(jī)構(gòu)控制器的設(shè)計方案的技術(shù)路線。 本論文采用 分模塊設(shè)計，主要由單片機(jī)控制模塊，電源模塊，電容充電回路模塊，電容器電壓檢測模塊 ，分合閘線圈模塊，顯示模塊，手動模塊，遠(yuǎn)動控制信息模塊，線圈驅(qū)動模塊組成。采用晶閘管控制儲能電容器對操動機(jī)構(gòu)分合閘線圈放電的控制，以完成對斷路器的分合閘操作。做出可供演示的模擬樣機(jī)。 本文最后對模擬樣機(jī)進(jìn)行試驗和必要的仿真，試驗結(jié)果表明此方案實現(xiàn)了永磁機(jī)構(gòu)分合閘的控制功能，方案的可行性得到了證實。 關(guān)鍵詞： 真空開關(guān)； 永磁機(jī)構(gòu)；控制器；雙穩(wěn)態(tài)；電容儲能； 第 of of s s of of is a in is a of in It's a of is a of of as It be V V in is in to in is to of of to be of is a to to of to 5kV by CU of to a to a of 文）報告用紙 目 錄 目 錄 摘 要 .................................................................................................................... I ............................................................................................................... 緒論 ................................................................................................................. 1 題研究背景 ................................................................................................................... 1 題研究目的和意義 ....................................................................................................... 1 內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)況 ............................................................................................................... 1 文的主要工作 ............................................................................................................... 2 章小結(jié) ........................................................................................................................... 2 2 真空開關(guān)永磁機(jī)構(gòu)的研究 ............................................................................. 3 磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) ............................................................................................................... 3 磁機(jī)構(gòu)的基本工作原理 ............................................................................................... 5 磁機(jī)構(gòu)常用的控制方法 ............................................................................................... 6 ........................................................................................................... 6 ............................................................................................................... 6 ............................................................................................................... 7 章小結(jié) ........................................................................................................................... 7 3 永磁操動機(jī)構(gòu)分合閘控制器硬件設(shè)計 ......................................................... 8 磁機(jī)構(gòu)分合閘硬件設(shè)計總體概述 ............................................................................... 8 容充電設(shè)計模塊 ........................................................................................................... 8 容電壓放電模塊 ........................................................................................................... 9 ....................................................................................................... 9 ......................................................................................................... 10 容電壓檢測回路模塊 ................................................................................................. 12 據(jù)采集模塊 ................................................................................................................. 13 片機(jī)模塊 ..................................................................................................................... 13 ..................................................................................................................... 14 ..................................................................................................................... 14 ............................................................................................................. 15 晶顯示模塊 ................................................................................................................. 15 制模塊 ......................................................................................................................... 16 ..................................................................................................................... 16 ..................................................................................................................... 16 源供電模塊 ................................................................................................................. 17 章小結(jié) ....................................................................................................................... 18 4 軟件設(shè)計 ....................................................................................................... 19 件設(shè)計總體思路 ......................................................................................................... 19 示設(shè)計 ......................................................................................................................... 20 程通信 件設(shè)計 ........................................................................................ 20 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 目 錄 章小結(jié) ......................................................................................................................... 21 5 系統(tǒng)仿真和樣機(jī)調(diào)試 ................................................................................... 22 要硬件模塊系統(tǒng)仿真 ................................................................................................. 22 統(tǒng)硬件調(diào)試 ................................................................................................................. 23 ..................................................................................................... 23 ............................................................................................. 23 統(tǒng)軟件調(diào)試 ................................................................................................................. 23 章小結(jié) ......................................................................................................................... 24 6 總結(jié) ............................................................................................................... 25 謝 辭 ................................................................................................................. 26 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................. 27 附錄一 電路原理圖 ........................................................................................... 28 附錄二 電路 ......................................................................................... 31 附錄三 電氣主接線圖 ....................................................................................... 33 附錄四 軟件主程序 ........................................................................................... 34 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 1 頁 共 40 頁 1 緒論 題研究背景 真空斷路器，即利用真空的高介質(zhì)強(qiáng)度來達(dá)到滅弧效果的一種電氣設(shè)備。世界上第一臺真空斷路由美國人 1961 年研發(fā)成功，此后的真空斷路器便在此基礎(chǔ)上有了飛躍的發(fā)展。 為了實現(xiàn)小康生活，人民的生活水平越來越高， 人們對美好生活有了更好的憧憬，而這就對電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量提出了更高的要求。其中，斷路器作為供電系統(tǒng)的一個電力系統(tǒng)的保護(hù)和控制的終端設(shè)備，其可靠性和智能化水平對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自動化程度具有很大的影響。 題研 究目的和意義 實際上斷路器在電網(wǎng)中主要起著兩個方面的作用：一個是控制作用，另一個就是保護(hù)作用。斷路器可以按照電網(wǎng)運(yùn)行要求將一些電力設(shè)備或線路投入或者退出運(yùn)行，并在電力線路或設(shè)備在發(fā)生故障的時侯將故障部分從電網(wǎng)訊速切除，以保證電網(wǎng)中沒有故障部分正常運(yùn)行。 真空斷路器主要由真空滅弧室、操動機(jī)構(gòu)、底座等組成。真空滅弧室根據(jù)開關(guān)構(gòu)造又分多種形式，而操動機(jī)構(gòu)的主要動作是完成斷路器觸頭分合閘的開合。其中，操動機(jī)構(gòu)的可靠性對整個斷路器具有重要的意義。為了達(dá)到更高的可靠性，人們加快了研究操作機(jī)構(gòu)的步伐。有一種用于中壓真空斷 路器永磁保持的新型電磁操作機(jī)構(gòu)即永磁機(jī)構(gòu)便孕育而生了。它是一種全新的智能選相真空開關(guān)，它的優(yōu)點(diǎn)是其主要運(yùn)動部件只有一個，可靠性較高，且使用壽命長而運(yùn)用廣泛。操動機(jī)構(gòu)的主要作用就是為斷路器提供動力并使其動作。由前面的敘述可以知道操動機(jī)構(gòu)在斷路器中起著很重要的作用，它質(zhì)量的好壞會直接影響到斷路器。所以，要求操動機(jī)構(gòu)具有良好的性能，當(dāng)其能在允許變化的范圍內(nèi)時應(yīng)當(dāng)迅速可靠的動作。 內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)況 在國外很早就有人研究過永磁機(jī)構(gòu)，因為當(dāng)時條件的限制，永磁材料的缺乏，導(dǎo)致最終以失敗的結(jié)果告終。在 20 世界 80 年代 發(fā)現(xiàn)了一種具有優(yōu)異磁性能的磁鐵，其中含有大量的釹、鐵和硼，被稱為釹鐵硼稀土永磁材料。釹鐵硼永磁材料相對于傳統(tǒng)的鋁鎳鉆和鐵氧體材料而言，穩(wěn)定性更高，退磁現(xiàn)象不明顯，性價比高，引起了人們的高度重視，它特有的性能為永磁機(jī)構(gòu)的發(fā)展研究提供了條件。以英國和德國為代表的國外研究中壓開關(guān)永磁機(jī)構(gòu)始于 1980 年。最早的永磁機(jī)構(gòu)樣機(jī)在英國產(chǎn)生，三年之后就被應(yīng)用在英國的工業(yè)領(lǐng)域。英國 司經(jīng)過一段時間的技術(shù)改進(jìn)，制造出比較完桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 2 頁 共 40 頁 善的永磁機(jī)構(gòu)并投入市場。在同一時期，德國的 司也緊跟其后，將操作能耗作為目標(biāo) 進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)， 1997 年，德國的 司將研制出的雙穩(wěn)態(tài)雙線圈結(jié)構(gòu)的 型永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器樣機(jī)展示出來，引起了各制造公司的極大重視。采用同樣工作原理，其他公司也緊跟其后將類似的產(chǎn)品推向市場。在 司研發(fā)出永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器之后，國內(nèi)很快就相繼研發(fā) V 錯誤 !未找到引用源。 型永磁機(jī)構(gòu)真空和斷路器。 我國資源眾多，地大物博，釹資源占世界的 80%以上，所以在研發(fā)永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的過程中，材料方面有很大的優(yōu)勢。我國釹鐵硼產(chǎn)業(yè)早期在 1984 年就開始發(fā)展，永磁材料的產(chǎn)量越來越多，從 2001 年到 2012 年這期間的 11 年，產(chǎn)量就大約增加了 10倍左右。企業(yè)規(guī)模也越來越大，現(xiàn)在的釹鐵硼稀土永磁材料的工業(yè)體系也逐漸完善，各地區(qū)的釹鐵硼產(chǎn)業(yè)隨著技術(shù)的增進(jìn)，好多都發(fā)展成為規(guī)模較大的、高技術(shù)水平的大公司。這類用稀土永磁原料的產(chǎn)品研發(fā)及應(yīng)用也越來越成熟。 文的主要工作 本論文是針對 35空斷路器永磁機(jī)構(gòu)控制器的設(shè)計方案的研究，主要內(nèi)容是 掌握真空斷路器的特點(diǎn)、作用和使用條件的理論知識， 以雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機(jī)構(gòu)為研究對象，深入分析永磁操動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、驅(qū)動過程中相關(guān)部件的工作和動作行為， 研究并 制定真空斷路器雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機(jī)構(gòu)控制裝置的技術(shù)路線，研制開發(fā)試驗樣機(jī)，實現(xiàn)真空斷路器的本地和遠(yuǎn)程分合閘控制操作，進(jìn)行必要的樣機(jī)功能驗證和實驗。 本論文的第一章介紹了真空斷路器永磁操動機(jī)構(gòu)的研究背景、目的和意義還有國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 。第二章敘述了永磁機(jī)構(gòu)的幾種結(jié)構(gòu)，基本工作原理和常用的三種控制方法，對比選取其中一種控制方法。第三章分模塊詳細(xì)敘述了此課題的硬件設(shè)計。第四章敘述了此課題的軟件設(shè)計。第五章介紹了電路硬件模塊的部分仿真和軟硬件調(diào)試。第六章總結(jié)。 章小結(jié) 本章主要介紹了真空斷路器的作用及其發(fā)展，永 磁機(jī)構(gòu)的重要性及其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn) 狀和本課題的主要研究內(nèi)容。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 3 頁 共 40 頁 2 真空開關(guān)永磁機(jī)構(gòu)的研究 真空斷路器在電力系統(tǒng)中有著極其重要的作用，真空斷路器的實質(zhì)就是動靜觸頭相互接觸產(chǎn)生電弧，電弧過零就熄滅，而觸頭的相互接觸是靠操動系統(tǒng)實現(xiàn)的?？梢娖洳賱訖C(jī)構(gòu)的重要性，永磁機(jī)構(gòu)是利用永磁體實現(xiàn)分合閘保持的一種新型電磁操作機(jī)構(gòu)，具有免維護(hù)、可靠性高、裝置少等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)在的中壓領(lǐng)域中。永磁機(jī)構(gòu)的兩種形式分別為雙穩(wěn)態(tài)形式和單穩(wěn)態(tài)形式 [1]。 磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 在電網(wǎng)應(yīng)用中，永磁機(jī)構(gòu)有很多不同的結(jié)構(gòu)形式，它們的工作原理卻是大致一樣的。 歸根到底就是一種利用永磁體來保持鐵心分合閘的新型電磁操動機(jī)構(gòu)。 永磁機(jī)構(gòu)的合閘是依靠電磁操動實現(xiàn)的，但永磁機(jī)構(gòu)的分閘卻不是，根據(jù)永磁機(jī)構(gòu)的分閘可將永磁機(jī)構(gòu)分為兩種形式，第一種為電磁操動即我們常說的雙穩(wěn)態(tài)，第二種是彈簧操動即我們常說的單穩(wěn)態(tài)。還可以從線圈數(shù)目分類，一種為雙線圈，另一種為單線圈。從外形結(jié)構(gòu)上分類，也可以分為兩種結(jié)構(gòu)，一種為方形結(jié)構(gòu)，另一種為圓形結(jié)構(gòu)。永磁機(jī)構(gòu)的方形和圓形結(jié)構(gòu)這兩種結(jié)構(gòu)有 相同點(diǎn)也有不同點(diǎn)，相同之處是它們的工作原理相同，除了外形不同外，它們的鐵心材料和加工工藝是不相同的。方形結(jié)構(gòu)的永磁機(jī)構(gòu)中的靜鐵心的組成材料是硅鋼片，具有良好的導(dǎo)磁性，制作過程中需要開模具；圓形結(jié)構(gòu)的永磁機(jī)構(gòu)的靜鐵心為保證具有良好的導(dǎo)磁性采用的材料是電工純鐵，這種靜鐵心材料不僅導(dǎo)磁性好，加工工藝也很簡單，所以現(xiàn)在一般應(yīng)用的是圓形結(jié)構(gòu)的永磁機(jī)構(gòu)。圖 2雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)方形結(jié)構(gòu)外形簡圖，圖 2雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)圓形形結(jié)構(gòu)外形簡圖。 圖 2磁機(jī)構(gòu)方形外形簡圖 圖 2磁機(jī) 構(gòu)的圓形外形簡圖 永磁機(jī)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)工作原理極其相似，合閘都是一樣的，兩種狀態(tài)的合閘都是依靠永磁體，分閘則不同，單穩(wěn)態(tài)還需要彈簧才能分閘。本課題著重研究雙穩(wěn)態(tài)的永磁操動機(jī)構(gòu)。 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機(jī)構(gòu)按照永磁體安裝方式的不同可分為兩種，如圖 2-3 a 、 b 所示。因為永磁體的位置不同會導(dǎo)致永磁機(jī)構(gòu)的動鐵心產(chǎn)生不同的保持力。所以針對不同永磁體的位置會有相應(yīng)的分析方法，本論文研究的對象是 2-3 a 圖。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 40 頁 a 永磁體在靜鐵心左邊位置圖 b 永磁體在靜鐵心右邊位置圖 圖 2磁體在永 磁機(jī)構(gòu)中安裝位置圖 雙穩(wěn)態(tài)雙線圈的永磁機(jī)構(gòu)剖面圖如圖 2示。 123、 4567圖 2穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)剖面圖 從雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)剖面圖中可以看出，永磁操動機(jī)構(gòu)有 7 個主要的零件構(gòu)成：其中1 是靜鐵心，其目的是為操動機(jī)構(gòu)提供磁路通道，不同的外形的永磁機(jī)構(gòu)其靜鐵心結(jié)構(gòu)也是不同的，現(xiàn)在的方形結(jié)構(gòu)大多數(shù)應(yīng)用的是硅鋼片疊型結(jié)構(gòu)，圓形結(jié)構(gòu)則應(yīng)用電工純鐵或低碳鋼； 2 是動鐵心，是最重要的部件，一般應(yīng)用電工純鐵和低碳鋼結(jié)構(gòu)； 3、 4 是永久磁鐵，永磁操動會 有不同的狀態(tài)，如分合閘狀態(tài)，為了保持當(dāng)前的狀態(tài)，需要永久磁鐵提供保持力； 5、 6 分別是分閘線圈和合閘線圈，對分合閘線圈充電可以使永磁機(jī)構(gòu)處于分合閘狀態(tài)； 7 是驅(qū)動桿，是將操動機(jī)構(gòu)和斷路器的另一個機(jī)械操動即傳動機(jī)構(gòu)相連的重要紐帶 [2]。 當(dāng)線圈中沒有電流通過的時候，即斷路器保持在分閘狀態(tài)或者合閘狀態(tài)，動鐵心因為永久磁鐵帶動動鐵心和靜鐵心產(chǎn)生的低磁通道被固定在上端或者下端，這個過程中不需要其他任何的機(jī)械器件發(fā)揮作用。當(dāng)需要執(zhí)行分 合閘操作時，給其相應(yīng)的分合閘線圈通電，電流會產(chǎn)生相應(yīng)的磁動勢，線圈也會產(chǎn)生相應(yīng)的磁場，永磁機(jī)構(gòu)中動鐵心和靜鐵心產(chǎn)生的磁場和永磁機(jī)構(gòu)中永磁體產(chǎn)生的磁場一起作用，會促使動鐵心和其連著的驅(qū)動桿在新的磁場作用下，朝著相應(yīng)的分合閘狀態(tài)運(yùn)動以完成分合閘指令操作。當(dāng)完成相應(yīng)的任務(wù)時，直到接到下一個指令前，動鐵心始終保持相應(yīng)指令下的狀態(tài)即始終停留在兩個位置，最上端或者最下端，因此永磁操動機(jī)構(gòu)也被稱為兩位式雙穩(wěn)態(tài)原理結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 40 頁 的電磁機(jī)構(gòu)動鐵心的保持相對而言就比較繁瑣，其一端是由彈簧產(chǎn)生的彈簧力進(jìn)行保持，另一端則需要機(jī)械鎖扣或 者電磁能量來實現(xiàn)保持作用。從上面的介紹可以了解到，這種新型的永磁操動機(jī)構(gòu)中永磁體的應(yīng)用，讓傳統(tǒng)的動鐵心保持過程被優(yōu)化了。永磁機(jī)構(gòu)不但能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)的全部功能，而且整個操動機(jī)構(gòu)所需要的零件數(shù)減少了很多，從而使永磁機(jī)構(gòu)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性 [3]。 磁機(jī)構(gòu)的基本工作原理 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機(jī)構(gòu)的狀態(tài)取決于動鐵心在靜鐵心中的位置，從理論上說有三種平衡狀態(tài)：第一種是動鐵心在靜鐵心的最上端位置即為合閘。第二種是動鐵心 在靜鐵心的最下端位置即為分閘。第三種是動鐵心在靜鐵心的中部即屬于一種上下結(jié)構(gòu)對稱的狀態(tài)。 當(dāng)永磁機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)時，驅(qū)動桿跟隨動鐵心向上移動，永磁體通過上面部分的磁路的磁阻非常小，而下部分磁路因驅(qū)動桿的移動使得空氣氣隙增大，從而導(dǎo)致通過下面部分的磁阻也相繼增大。此時，永磁體的大量磁通都集中在上部分磁路上，這樣就可以將動鐵心固定在靜鐵心的最上端。當(dāng)永磁機(jī)構(gòu)處于分閘狀態(tài)時，驅(qū)動桿的向下移動導(dǎo)致上面部分空氣氣隙增大，此時，永磁體的大量磁通都集中在下部分磁路上，這樣就可以將動鐵心固定在靜鐵心的最下端。當(dāng)永磁機(jī)構(gòu)處于 一種中間狀態(tài)即上下兩部分的磁路對稱，空氣氣隙相等，通過兩部分的磁通也相等。這時候的動鐵心處于一種上下平衡狀態(tài)，但這只是一種暫時的過程，只要上下兩部分的空氣氣隙稍有變化，就會破壞這種平衡，變成前面兩種狀態(tài)的其中一種。所以，我們通常只研究永磁操動機(jī)構(gòu)的兩種狀態(tài)，即分合閘狀態(tài)，所以雙線圈永磁機(jī)構(gòu)的另一個名稱為雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)。 雙線圈的永磁操動機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)時，要想其過渡到分閘狀態(tài)，只需要給分閘線圈通電流，新的磁場改變了動鐵心所受的吸引力，隨著分閘線圈電流的增加，動鐵心所受的吸引力將會越來越小，直到此吸引力小于與 它方向相反的其他作用力，此時動鐵心將會朝下運(yùn)動。只要動鐵心朝下運(yùn)動就會增大上部分空間的空氣氣隙，從而使得上端部分的磁阻值變大，下面部分的磁阻變小。此時，上端吸力變小，而下端吸力變大，便會導(dǎo)致向下的合力變大，動鐵心的運(yùn)動方向?qū)淖兂逻\(yùn)動，這個過程直到過渡成分閘狀態(tài)才停止。只要沒有下一個合閘指令，永磁機(jī)構(gòu)將會一直處在分閘的穩(wěn)定狀態(tài)。從分閘過程過渡為合閘過程恰恰相反：需要在合閘線圈中通直流電流，讓合閘線圈電流產(chǎn)生的新磁場將動鐵心受到的吸力減小，促使動鐵心向上運(yùn)動，過渡到合閘狀態(tài)，即使不再有電流通過合閘線圈，只 要沒有下一個分閘指令，永磁操動機(jī)構(gòu)將會一直保持在合閘的狀態(tài)。雙穩(wěn)態(tài)的永磁機(jī)構(gòu)不會出現(xiàn)退磁的現(xiàn)象，因為不管是分閘線圈電流還是合閘線圈電流它們所產(chǎn)生的新磁場與永磁體本身的磁場方向是一致的，也因此永磁機(jī)構(gòu)具有極好的可靠性 [4]。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 40 頁 磁機(jī)構(gòu)常用的控制方法 永磁機(jī)構(gòu)正如前面所言，有多種優(yōu)點(diǎn)，可以增加斷路器的可靠性，很大程度的降低事故的發(fā)生概率，可以廣泛的應(yīng)用在當(dāng)前的電力系統(tǒng)中。永磁機(jī)構(gòu)需要控制系統(tǒng)，接受電信號，并將此電信號 通過邏輯判斷傳給控制操動機(jī)構(gòu)發(fā)生動作的裝置，然后與斷路器傳動系統(tǒng)配合完成分合閘操作，可見其控制方案是非常重要的，它的好壞會是直接決定斷路器性能優(yōu)劣的一個重要因素。目前，永磁機(jī)構(gòu)控制的方式根據(jù)實現(xiàn)邏輯部分的元件的不同分為三種：第一種是繼電控制方式；第二種是電子控制方式；第三種是微機(jī)控制方式。 這種在傳統(tǒng)的斷路器操動機(jī)構(gòu)控制中應(yīng)用頗為廣泛，主要就是由繼電器控制操作機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)一系列的邏輯功能，使其控制觸點(diǎn)的開閉來達(dá)到斷路器的分合閘狀態(tài)?？刂评^電器大多數(shù)的作用是控制和保護(hù)，它一般用來控制開 斷交直流小容量電路?？刂评^電器的輸入端一般是電流、電壓等量，也能輸入一些非電量，比如溫度、速度等。控制繼電器發(fā)生動作需要輸入量達(dá)到一個界定值，然后引起輸出量發(fā)生相應(yīng)的變化從而去控制電路?？刂评^電器有很多種類，應(yīng)用范圍廣泛，可以組合不同種類的繼電器來實現(xiàn)斷開斷路器故障，切斷線路，實現(xiàn)自動重合閘等功能。 繼電器控制雖然操作比較簡單，但它反而隱藏了永磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，使其優(yōu)點(diǎn)得不到體現(xiàn)。繼電器的電氣壽命不高，當(dāng)控制永磁機(jī)構(gòu)的繼電器頻繁替換時勢必會影響到斷路器的使用時間。繼電器還有別的不足，比如，精確度不高，觸點(diǎn)閉合時 間長和靈活性不高。所以，這種方式現(xiàn)在都基本被淘汰了。 在后期電子控制方式便出現(xiàn)了，傳統(tǒng)的控制方式被電子方式所替代。國內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用這用控制方式，用晶閘管取代了傳統(tǒng)的觸點(diǎn)開關(guān)方式。晶閘管相對于繼電器來說有很多優(yōu)點(diǎn)：一是晶閘管的關(guān)斷時間比繼電器的反應(yīng)所需時間要少很多，二是晶閘管不存在觸點(diǎn)問題，因此它的電氣壽命長、動作迅速。三是晶閘管本身是一種電力電子開關(guān)，其體積很小，使用起來簡單輕巧。這用控制方式不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的繼電器控制的功能，而且還可以實現(xiàn)一些其功能，如聲光報警等。 這種方式是通過 脈沖觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通給分合閘線圈放電，從而達(dá)到相應(yīng)的分合閘狀態(tài)。這用控制方式簡單，但也存在和繼電器一樣的缺點(diǎn)，也會因為其整定值不好調(diào)整而使靈活性降低。還有一個缺點(diǎn)就是因為采用了微電子技術(shù)會導(dǎo)致電子電路受到更多的外界干擾，尤其是當(dāng)有比較大的電流通過永磁機(jī)構(gòu)分合閘線圈時，產(chǎn)生的電磁干擾比較大，從而會使控制電路的正常工作受到影響。因此，必須要考慮抗干擾技術(shù)，增加電子電路桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 40 頁 的可靠性，不然會導(dǎo)致斷路器控制電路發(fā)生異常狀況，比如延時動作或者誤動作等情況?？垢蓴_電路的設(shè)計比較方便而且效果明顯，所以電子控制方式在控制永磁機(jī)構(gòu)中 仍有著廣泛的應(yīng)用。 在這個科技日益發(fā)達(dá)的時代，智能電器在我們生活中隨處可見，微機(jī)亦如此，在各個領(lǐng)域都能看到 影子。微機(jī)控制方式是從國外引進(jìn)的，我國是從 20 世紀(jì) 90 年代才興起的。它是由單片機(jī)程序指令控制，進(jìn)行需要的邏輯判斷，然后發(fā)出相應(yīng)指令并執(zhí)行來完成各項目的，是一種智能化系統(tǒng)。使用微機(jī)控制方式控制永磁機(jī)構(gòu)，可以提高斷路器的靈活性。永磁機(jī)構(gòu)的分合閘只需要通過線圈電流來控制，控制電參數(shù)又是一種比較容易的方式，所以可以使用微機(jī)系統(tǒng)去控制永磁操動機(jī)構(gòu)的分合閘狀態(tài)，還可以實現(xiàn)很多智能化功 能，比如，檢測充電電容電壓是否達(dá)到我們所需要的電壓值和檢測動鐵心的運(yùn)動位置等功能。微機(jī)控制方式包含多個模塊，但其中重要的是單片機(jī)模塊，它是必不可少的一部分，可以分為軟件部分和硬件部分。它的特點(diǎn)明顯，使得人們喜歡，應(yīng)用也很廣泛。 比較分析上述的三種控制方式，同時考慮到當(dāng)前真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)的發(fā)展情況，對現(xiàn)有設(shè)備和條件的考慮，本次的設(shè)計方案主要應(yīng)用的是第二種電子控制方式，通過脈沖觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通給分合閘線圈放電，完成永磁機(jī)構(gòu)的分合閘操作。 章小結(jié) 本章主要介紹了真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類，主要由哪些部 件組成。著重介紹了雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的工作原理，分合閘狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。描述了永磁機(jī)構(gòu)常用的三種控制方式，繼電器控制方式，電子控制方式和微機(jī)控制方式，確定了本課題所采用的控制方式即電子控制方式。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 40 頁 3 永磁操動機(jī)構(gòu)分合閘控制器硬件設(shè)計 磁機(jī)構(gòu)分合閘硬件設(shè)計總體概述 由永磁機(jī)構(gòu)的工作原理可知，要使永磁機(jī)構(gòu)達(dá)到分合閘狀態(tài)，則需要給永磁機(jī)構(gòu)的分合閘線圈通過電流，然后產(chǎn)生電磁吸力來驅(qū)動動鐵心運(yùn)動，從而使永磁機(jī)構(gòu)實現(xiàn)分合閘。供電的電源可以通過變壓器經(jīng)過二極管半波整流來提供，給相應(yīng)儲能電容器充電來實現(xiàn)，此電路的電力 電子開關(guān)選擇晶閘管，通過開斷晶閘管即可流過電流實現(xiàn)分合閘控制 [5]。 本課題分模塊設(shè)計，控制器主要由單片機(jī)控制模塊，電源模塊，電容充電回路模塊，電容器組模塊，電容器電壓檢測模塊，分合閘線圈模塊，顯示模塊，手動模塊，遠(yuǎn)動控制信息模塊，線圈驅(qū)動模塊組成。強(qiáng)弱電模塊間要進(jìn)行光電隔離。 通過單片機(jī)邏輯模塊輸出正確的操作指令，去控制分合閘操作。本次設(shè)計的控制器是通過控制晶閘管控制電容對永磁機(jī)構(gòu)的分合閘線圈放電，以完成永磁機(jī)構(gòu)的分合閘 操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 36]。 圖 3統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 容充電設(shè)計模塊 目前，經(jīng)常用來作為永磁機(jī)構(gòu)的操作電源的方法主要有三種：第一種就是目前被人們廣泛采用電容器組即容量比較大的儲能電解電容；第二種就是采用變電站的直流屏，這種方式有一個限定條件即它的工作范圍必須在真空斷路器站內(nèi)；第三種就是比較少用的高能量鋰電池，因其成本高，未能被廣泛應(yīng)用。 此次設(shè)計采用的是上述的第一種方法。影響大容量的電 解電容的電氣壽命的一個重要因素就是溫度，當(dāng)溫度到達(dá) 105 時，它的電氣壽命會由于溫度的增加而大大減少，但我們現(xiàn)在工作環(huán)境的以及電路都做好了散熱等措施，避免溫度升高的情況發(fā)生，所以大多數(shù)的電解電容的電氣壽命還是很長的，大多數(shù)都可以使用 10 多年。但電容器除了使用時間長以外還有很多優(yōu)點(diǎn)，如下：一是給電容器充電時間不長，應(yīng)用常規(guī)的電源裝置即可實現(xiàn)對電容的充電，所以不必?fù)?dān)心充電過量，也不用監(jiān)測充電電流和其時間的精準(zhǔn)性，大量的減少了人工的工作量；二是對電容器充電儲能大大減少了對環(huán)境的污染；三桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 9 頁 共 40 頁 是電容器可以并聯(lián)使用，而不會產(chǎn) 生傳統(tǒng)電池測流效應(yīng)的缺點(diǎn)。其電路如圖 3示 [7]。 圖 3容充電電路 此電容電路將電壓經(jīng)變壓器降壓再接入電路中。我們接入的電流是交流電，需要經(jīng)過二極管整流。電容曲充電過程如圖 3示。 圖 3容電壓充電過程曲線 電容起初充電的時侯 ,上升速率大 ,但隨著時間的增大，電容電壓緩慢上升，趨近于一條直線。當(dāng)充電達(dá)到程序設(shè)定的規(guī)定值，才可以給分合閘線圈充放電，完成分合閘操作。電容充電時間由 時間常決定， 。所以當(dāng)電阻為固定值時 ,電容值越大 ,充電時間就會變成長。一般都認(rèn)為電容充電時間在 3τ到 5τ之間比較合適。在此電路中由 R 和C 的參數(shù)取值可計算出充電時間大約為 電時間是比較合適的 [8]。 容電壓放電模塊 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)分合閘可靠性是依靠電力電子開關(guān)器件實現(xiàn)的。本課題應(yīng)用的是當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的一 種電力電子開關(guān)器件即晶閘管，型號為 40最大峰值為500A、峰值電壓為 800V 至 1200V，適用于本次電路，它具有靈敏度高、響應(yīng)速度快各種優(yōu)點(diǎn)。儲能電解電容器通過變壓器，二極管和限流電阻充電的能量就會通過晶閘管的開通和關(guān)斷，給分合閘線圈通電，從而讓永磁機(jī)構(gòu)的動鐵心做出相應(yīng)的運(yùn)動，動鐵心便會移動到永磁機(jī)構(gòu)的最上端或最下端并保持當(dāng)前的狀態(tài)，等待下一次動作才會改變當(dāng)前的狀態(tài)，最終來實現(xiàn)真空斷路器的分合閘狀態(tài) [9]。 晶閘管是一種有著諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用的電力電子開關(guān)器件，但它自身存在的缺點(diǎn)不能忽視，晶閘管的缺點(diǎn)是它所能承受過電流，過電壓能力比不上一般的電磁器件，要桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 10 頁 共 40 頁 低很多。在較短的時間里，出現(xiàn)過電壓、過電流的情況或者電壓、電流的上升率升高都會使晶閘管不能正常工作。在實際的電路中，過電壓、過電流等情況都會出現(xiàn)，為了使電路可以正常工作，都要采取必要的保護(hù)電路。目前，普遍應(yīng)用的晶閘管保護(hù)電路主要有兩種：第一種是將保護(hù)元器件安裝到適當(dāng)?shù)牡胤?；第二種就是當(dāng)檢測出電流或者電壓超過我們所設(shè)定的界定值時，使用整流觸發(fā)控制系統(tǒng)去降低其過 電流或者過電壓的數(shù)值。本課題采用的是第一種保護(hù)電路，并聯(lián) 路，不僅操作簡單，而且保護(hù)效果顯著。通過查閱晶閘管保護(hù)有關(guān)資料，確定 數(shù)的選擇如下式 33 C=(2 ～ 4)×錯誤 !未找到引用源。 （ （ 3 R=10 ～ 30 （ 3 上式中： C 為保護(hù)電容， μF； R 為保護(hù)電阻， Ω。 在本次電路設(shè)計中，根據(jù)上式子計算得出電容 C 的取值，聯(lián)系實際電路，將電容參數(shù)值取值為 R 的取值為 30Ω。 此次設(shè)計的線圈電路圖中，續(xù)流電路采用了一種常用續(xù)流二極管，其型號為1價格便宜，使用范圍很廣。半導(dǎo)體二極管內(nèi)部是由一個 P 型半導(dǎo)體和一個 N 節(jié)構(gòu)成，類似于這種電子器件，都具有單向?qū)щ姷奶匦?，電流只能從二極管的正極流到負(fù)極。當(dāng)晶閘管關(guān)斷時，由于線圈電感是一種儲能元器件，不能很快釋放電流，因此必須加續(xù)流回路，用來保護(hù)線圈，提高電路的可靠性 [10]。 電 力電子開關(guān)器件的驅(qū)動電路是主電路和控制電路的連接的接口，在整個電路中尤為重要，影響著整個電路。選擇好的驅(qū)動電路，可以讓晶閘管在理想的工作狀態(tài)，使其能夠減少開斷時間，提高電路可靠性，還可以減少開關(guān)器件的損耗和提高整個電路的安全性。確切的說，晶閘管驅(qū)動電路就是對照我們設(shè)定的控制要求將單片機(jī)傳遞過來的電平信號轉(zhuǎn)換成加在晶閘管控制端和公共端之間，可以讓晶閘管開通或者關(guān)斷。本模塊采用的是普通晶閘管，屬于半控型器件，因此只需要設(shè)計開通控制信號，不必提供關(guān)斷控制信號就可以實現(xiàn)晶閘管的驅(qū)動。 此次設(shè)計的主電路模塊屬于強(qiáng)電， 單片機(jī)控制電路屬于弱電，強(qiáng)弱電之間必須要實現(xiàn)電氣隔離。這次采用的驅(qū)動電路有兩個重要的作用：第一個是驅(qū)動晶閘管，控制其開斷和導(dǎo)通，讓電流通過相應(yīng)的分合閘線圈使其達(dá)到分合閘狀態(tài)；第二個重要的作用是實現(xiàn)單片機(jī)控制電路和主電路兩者間的電氣隔離。目前被廣泛采用的隔離方法有兩種：第一種是光隔離；另一種為磁隔離。本課題的驅(qū)動電路應(yīng)用光隔離即采用光耦合器，其型號為 1]。晶閘管導(dǎo)通必須同時滿足兩個前提：第一個是施加正向電壓 ；第二個個是門極有觸發(fā)電流。光耦驅(qū)動晶閘管電路圖如圖 3示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 11 頁 共 40 頁 圖 3耦驅(qū)動晶閘管電路圖 此次驅(qū)動的晶閘管是 40用的光耦器件是 動，閘管門極有觸發(fā)電流，再通過單片機(jī)控制光耦引腳使其工作，有了正向電壓便可以驅(qū)動晶閘管，控制其開斷和導(dǎo)通。光耦 腳排列圖如圖 3示。 圖 3腳排列圖 引腳功能如下表 3 表 3腳功能表 引腳 1 2 3 4 5 6 7 8 功能 空置 正極 負(fù)極 控制 地 電壓輸出 電壓輸出 電源 由引腳功能圖可知，光耦 8 引腳接 +5V 電源，正負(fù)極之間應(yīng)在 2 引腳接一個限流電阻，其電阻值參數(shù)可由式 3算。 R=(5未找到引用源。 )/錯誤 !未找到引用源。 （ 3 上式中： 錯誤 !未找到引用源。 為二極管管壓降電壓， V； 錯誤 !未找到引用源。 為 向電流， 根據(jù)公式計算出結(jié)果取 R