35kV真空開關永磁機構分合閘操作控制器的設計與實現【獨家畢業(yè)課程設計帶任務書+開題報告+外文翻譯】

35kV真空開關永磁機構分合閘操作控制器的設計與實現【獨家畢業(yè)課程設計帶任務書+開題報告+外文翻譯】,35,kv,真空開關,永磁,機構,合閘,操作,控制器,設計,實現,獨家,畢業(yè),課程設計,任務書,開題,報告,講演,呈文,外文,翻譯 - 1 - 1．畢業(yè)設計的主要內容、重點及難點 研究內容 隨著社會經濟的高速發(fā)展和人民生活水平的顯著提高，社會對電力的需求越來越大，對供電質量的要求也越來越高。 2009 年，國家電網公司提出我國建設堅強智能電網的發(fā)展規(guī)劃，到 2020 年我國將全面建成統一的堅強智能電網，技術和裝備達到國際先進水平。建設智能電網不僅能將電能整合，合理分配，改善供電質量，還能實現電網可靠、安全、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標。真空斷路器因其滅弧介質滅弧后觸頭間隙的絕緣介質都是高真空而得名，其具有體積小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢 修的優(yōu)點，在配電網中應用較為普及。永磁機構是為了保證電力系統的安全運行，作為控制、保護元件的中壓斷路器必須能切斷額定電流，開斷關合短路電流，開合各種空載和負荷電路。為了完成這些任務，中壓斷路器必須能及時可靠地分合動靜觸頭，這要借助于操作機構來完成。因此，操作機構的工作性能和質量優(yōu)劣，直接決定了中壓斷路器的工作性能和可靠性。近年來，伴隨著電力電子技術的發(fā)展出現了一種新型的操作機構。它采用了一種全新的工作原理和結構，工作時主要運動部件只有一個，具有較高的可靠性，因此備受關注。 本課題的研究內容主要有以下幾個方面 ： (1)研究真空斷路器所配永磁操動機構的原理、特點、結構及其驅動方式。 (2)對 機構的分合閘操作所涉及到的控制電路優(yōu)化設計的方法； (3)設計并實現電子式永磁機構控制器，包括分合閘、充電回路、手動及遠動控制等功能； (4)通過分析確定操動機構控制器的設計的方案； (5)通過仿真或試驗驗證方案的可行性，制作控制器樣機并給出初步的試驗結果。 研究重點及難點 重點： (1)了解 35空斷路器永磁操動機構的機構的特點及工作原理； (2)設計永磁機構控制系統的電容充電控制環(huán)節(jié)； (3)通過控制器實現對斷路器的 智能化操作； (4)擴展遠動通信功能。 難點 ： （ 1）如何合理單片機程序，確?？刂破髦悄芑僮鲿r保證對信號采集準確無誤； （ 2）作為給電容器充電的電源，必須考慮到電容器的耐壓及分合閘操作時所需的電源電壓； （ 3）為了防止電磁的干擾引起的誤動作，設計電路時要考慮到電源的電磁兼容性； （ 4）要注意強電與弱電隔離模塊的設計； - 2 - 2．準備情況（查閱過的文獻資料及調研情況、現有設備、實驗條件等） 研究背景及發(fā)展趨勢 （ 1）研究背景 真空斷路器在中壓配電領域得到了廣泛的發(fā)展并逐漸取得支配地位。永磁操作機構采用一種全 新的智能選相真空開關結構。這種結構工作時主要運動部件只有一個，無需機械脫、鎖扣裝置，故障源少，可靠性較高，且使用壽命長，一般達十萬次以上，同時控制分合閘相位，實現同步控制，從而減少過電壓和涌流對系統的沖擊，減少系統保護的投入，提高系統整體壽命。永磁機構通過電解電容儲能，對電源容量的需求像彈簧機構一樣，控制器通過現代電源技術的處理，用極高的效率，靈活的將外部不同高低、不同性質的電源，變換為設定的單一電源，使之適應同一種永磁機構。而不需要用不同的機構線圈去適應不同的電源，便于現代化的生產，便于調試的一致性。它突 破了傳統操動機構的原理，在技術上有了很大的創(chuàng)新，其具有顯著地技術特點和先進性，永磁機構真空斷路器將在今后中高壓設備領域內越來越占有重要地位。 （ 2）發(fā)展趨勢 在中壓開關領域圍繞永磁操動技術的研究開始于 20 世紀 80 年代末。歐洲以英國及德國為代表。 1992 年英國曼徹斯特大學系統與能量組為 司設計了一臺永磁操動機構模型。 1992 年前后永磁操動技術開始在英國工業(yè)應用。 由于永磁操作技術的顯著特點，以及在國外已形成的開發(fā)熱點，國內一些短路器生產廠家和科研所也把目光投到了永磁機構的研制上。永磁機構以零部件數量少， 可靠性高等優(yōu)點吸收了越來越多目光的關注。國內很快就開發(fā)出了具有自主版權的 永磁機構真空斷路器。該斷路器具有零部件少，結構簡單，可靠性高，壽命長的，免維護等特點。并成功的解決了真空短路器的環(huán)境耐溫問題。 研究意義 永磁操動機構作為一種新型的操動機構，具有零部件數量少、可靠性高、免維護等傳統斷路器操動機構所無法比擬的優(yōu)點，受到了世界各國的普遍關注。 近年來，人們對電力的需求不斷提高，電網的電壓等級和傳輸規(guī)模也在不斷的提高。斷路器由于其特殊的性能在電力系統中也發(fā)揮著非常重要的作用。在配電和供電系統中，由于斷路 器的使用量大面廣，操作頻繁，對于斷路器的可靠性和免維護性有著很高的要求。因此 ,斷路器扮演一個極其重要的角色。 主要參考文獻 [1]徐建源 ,孫建軍 ,林莘等 . 單穩(wěn)態(tài)永磁操動機 構的 智能、 能控制 裝置 [J]．電氣時代， - 3 - 2006， 5:51 [2]李鵬．真空永磁斷路器智能控制器的設計與實現 (D)京交通大學 ,2010. [3] E. A 998,2:688 [4]張靜 ,孫建軍 . 一種單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的智能控制裝置的研制 [J]. 華通技 術 ,2007,3:19[5]錢家驪 ,徐國政 ,竇曉峰 . 中壓斷路器用永磁機構中線圈不同布置的分析 [J]2000,02:25[6]孫逸 0D)京理工大學， 2014. [7]劉大鵬 D)中科技大學， 2007. [8]楊亭 D)南大學， 2005. [9]薛玉善 D)陽工業(yè)大學， 2004. [10]高麗 D)北電力大學， 2004. [11]方雨菡．永磁真空斷路器的智能控制 (D)南交通大學 ,2013. 現有設備 和實驗條件 計算機一臺 ，示波器，單片機開發(fā)系統等。 - 4 - 3、實施方案、進度實施計劃及預期提交的畢業(yè)設計資料 實施方案： 本課題分模塊設計，控制器主要由單片機控制模塊，由電源模塊，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，分合閘位移檢測模塊，顯示模塊，手動模塊，遠動控制信息模塊，線圈驅動模塊等組成。強弱電模塊間要進行光電隔離。通過單片機邏輯模塊輸出正確的操作指令，從而控制分合閘操作。此次系統控制采用 可控硅，控制器通過控制可控硅實現控制 儲能電容器對操動機構分合閘線圈放電的控制，以完成對斷路器的分合閘操作。 系統結構框圖如圖 1： 圖 1 系統結構框圖 進度實施計劃： 第一階段 （ 2015 2016：分析畢業(yè)設計題目，閱讀理解任務書內容，確定實施計劃方案。 第二階段 （ 2016 2016： 查閱相關文獻和資料，了解真空開關永磁機構原理并畫出原理結構框圖， 提交畢業(yè)設計開題報告，并翻譯 4 萬字外文文獻。 第三階段 （ 2016 2016： 確定可實行方案。 設計電路，畫 ，做出樣機電路板。提交 源文件一份 。 第四階段 （ 2016 2016：調試硬件， 設計程序。軟件編程并與硬件進行調試，完成制作的模擬樣機。 第五階段 （ 2016 2016：撰寫并 完善畢業(yè)設計論文 。 預期提交的畢業(yè)設計資料 1、撰寫兩萬字以上的畢業(yè)設計說明書（兼附 15 篇以上的參考文獻）；在畢業(yè)設計說明書中應包括 300～ 500 個單詞的英文摘要及關鍵詞； 2、完成與課題相關英文資料的翻譯（約四萬英文字符，附英文全文）； 3、完成 35空斷路器永磁操動機構控制器的 設計方案； 4、設計出系統的硬件和完成相應軟件程序設計，給出必需的硬件實現原理圖； 5、根據課題任務與要求，完成可供 演示 的功能樣機。 - 5 - 指導教師意見 指導教師（簽字）： 年 月 日 開題小組意見 開題小組組長（簽字）： 年 月 日 院（系、部）意見 主管院長（系、部主任）簽字： 年 月 日 一、畢業(yè)設計（論文）的內容 1、復習電力系統分析等課程中關于高壓開關電器章節(jié)相關理論知識，掌握真空斷路器的特點、作用和使用條件； 2、 通過科技論文、技術資料的檢索，并調研高壓開關電氣設備在的特點、實施目的、常用方法的研究與發(fā)展動態(tài)，深入了解真空斷路器（ 用的操動機構及其特點。 3、 了解和掌握真空斷路器工作和運行條件，深入了解并分析真空滅弧室的結構、組成部件及作用，學習并掌握真空斷路器彈簧操動機構和永磁操動機構的基本原理和工作條件。 4、進行細致的文獻查閱和總結， 分析和綜述真空斷路器永磁操動機構的原理 、結構、工作過程和常用的驅動方式及控制方法。 5、以雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構為研究對象，深入分析永磁操動機構的結構構成、驅動過程中相關部件的工作和動作行為，進 行必要的理論建模和電路仿真，研究并制定真空斷路器雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構控制裝置的技術路線，研制開發(fā)試驗樣機，實現真空斷路器的本地和遠程分合閘控制操作，進行必要的樣機功能驗證和實驗。 二、畢業(yè)設計（論文）的要求與數據 1、完成 35空斷路器永磁操動機構控制器的設計方案，要求圖表資料齊全； 2、計算機繪制相關硬件的原理圖、電氣安裝接線圖、制版圖等； 3、 針對 35級 磁操動機構設計系統的硬件和軟件并完成其調試； 4、根據課題任務與要求，做出可供演示的模擬樣機，完成初步試驗。 三、畢業(yè)設計（論文）應完成的工作 1、 根據畢業(yè)設計任務書中的研究內容和要求， 完成二萬字左右的畢業(yè)設計說明書（論文） ，要求內容翔實，有必要的系統原理、實施方案、必要的模型仿真、系統設計和實驗過程及樣機功能驗證 ；在畢業(yè)設計說明書（論文）中必須包括詳細的 300單詞的英文摘要 。 2、獨立完成與課題相關，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）；具體要求為：翻譯材料要與畢 業(yè)設計內容相關，為了準確性作者姓名可以不翻譯，參考文獻可以不翻譯，但所翻譯的字符數應達到規(guī)定要求。 3、完成 35空斷路器永磁操動機構控制器的設計方案，要求圖表資料齊全；計算機繪制相關硬件的原理圖、電氣安裝接線圖、制版圖等；設計出系統的硬件和相應軟件并完成其調試；根據課題任務與要求，做出可供演示的模擬樣機，完成初 步試驗。 四、應收集的資料及主要參考文獻 [1] 徐建源 ,孫建軍 ,林莘等 . 單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的智能控制裝置 [J]．電氣時代， 2006， 5:51 [2] 廖敏夫 ,鄒積巖等 . 基于永磁操動機構的光控模塊式多斷口真空斷路器技術 [J]2004,40(1):40[3] E. A 998,2:688 [4] 呂錦柏 ,王毅 ,常廣 ,肖建濤 ,謝將劍 . 優(yōu)化的永磁真空斷路器合閘控制方法 [J]. 高電壓技術 ,2013,11:2836[5] 周立 ,馮洪仁 . 交流高壓真空斷路器永磁機構控制器的設計 [J]化 ,2010,8:115[6] 003 003,(1):9[7] 曹文思 ,郭恒 ,鞏魯洪 ,邱道尹 . 真空斷路器永磁操作機構控制器保護電路元件 參數優(yōu)化設計 [J]2011,11:83[8] 林莘 ,史可鑒 ,徐建源 . 材料的導磁性能對永磁機構動態(tài)特性的影響 [J]. 高壓 電器 ,2013,07:1[9] 楊茜 ,張英 ,葉祖標 . 永磁機構真空斷路器的機械特性受溫度影響的研究 [J]. 高壓電器 ,2013,07:46[10] 張靜 ,孫建軍 . 一種單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的智能控制裝置的研制 [J]. 華通技 術 ,2007,3:19[11] 錢家驪 ,徐國政 ,竇曉峰 . 中壓斷路器用永磁機構中線圈不同布置的分析 [J]. 高壓電器 ,2000,02:25五、試驗、測試、試制加工所需主要儀器設備及條件 計算機 1 臺，示波器，單片 機開發(fā)系統 任務下達時間： 2015 年 12 月 28 日 畢業(yè)設計開始與完成時間： 2015 年 12 月 28 日至 2016 年 05 月 22 日 組織實施單位： 教研室主任意見： 簽字： 2015 年 12 月 30 日 院領導小組意見： 簽字： 2015 年 12 月 31 日 第 I 頁 摘 要 隨著國民經濟的發(fā)展和人民物質文化生活水平的提高，人們對電力需求量越來越大，用戶對供電質量和供電可靠性也越來越高。智能電網在生活中扮演著重要的角色。高壓真空斷路器作為配電網中系統控制、保護的重要設備，其智能化一直是關注的熱點問題。操動機構是決定斷路器操控性能的重要部件之一，永磁機構取代了傳統的操動機構作為斷路器新的操動機構，因為它機構零部件少、裝置的可靠性高、可實現免維護，因而受到了當今世界各國的普遍關注，目前在我國乃至世界上許多發(fā)達國家的中高壓開關領域都得到了廣泛的應用。 本論文介紹了永磁機構的 結構、特點、工作原理和操動過程。永磁機構主要分為雙穩(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)永磁機構。查閱相關資料，對比三種控制方式，最終采用電子控制方式制定 35空開關永磁操動機構控制器的設計方案的技術路線。 本論文采用 分模塊設計，主要由單片機控制模塊，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，遠動控制信息模塊，線圈驅動模塊組成。采用晶閘管控制儲能電容器對操動機構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。 本文最后對模擬樣機進行試驗和必要的仿真，試驗結果表明此方案實現了永磁機構分合閘的控制功能，方案的可行性得到了證實。 關鍵詞： 真空開關； 永磁機構；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 內外發(fā)展現況 ............................................................................................................... 1 文的主要工作 ............................................................................................................... 2 章小結 ........................................................................................................................... 2 2 真空開關永磁機構的研究 ............................................................................. 3 磁機構的結構 ............................................................................................................... 3 磁機構的基本工作原理 ............................................................................................... 5 磁機構常用的控制方法 ............................................................................................... 6 ........................................................................................................... 6 ............................................................................................................... 6 ............................................................................................................... 7 章小結 ........................................................................................................................... 7 3 永磁操動機構分合閘控制器硬件設計 ......................................................... 8 磁機構分合閘硬件設計總體概述 ............................................................................... 8 容充電設計模塊 ........................................................................................................... 8 容電壓放電模塊 ........................................................................................................... 9 ....................................................................................................... 9 ......................................................................................................... 10 容電壓檢測回路模塊 ................................................................................................. 12 據采集模塊 ................................................................................................................. 13 片機模塊 ..................................................................................................................... 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 ....................................................................................................................... 18 4 軟件設計 ....................................................................................................... 19 件設計總體思路 ......................................................................................................... 19 示設計 ......................................................................................................................... 20 程通信 件設計 ........................................................................................ 20 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 目 錄 章小結 ......................................................................................................................... 21 5 系統仿真和樣機調試 ................................................................................... 22 要硬件模塊系統仿真 ................................................................................................. 22 統硬件調試 ................................................................................................................. 23 ..................................................................................................... 23 ............................................................................................. 23 統軟件調試 ................................................................................................................. 23 章小結 ......................................................................................................................... 24 6 總結 ............................................................................................................... 25 謝 辭 ................................................................................................................. 26 參考文獻 ............................................................................................................. 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 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（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強度來達到滅弧效果的一種電氣設備。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上有了飛躍的發(fā)展。 為了實現小康生活，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，而這就對電力系統的供電質量提出了更高的要求。其中，斷路器作為供電系統的一個電力系統的保護和控制的終端設備，其可靠性和智能化水平對電力系統的穩(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，另一個就是保護作用。斷路器可以按照電網運行要求將一些電力設備或線路投入或者退出運行，并在電力線路或設備在發(fā)生故障的時侯將故障部分從電網訊速切除，以保證電網中沒有故障部分正常運行。 真空斷路器主要由真空滅弧室、操動機構、底座等組成。真空滅弧室根據開關構造又分多種形式，而操動機構的主要動作是完成斷路器觸頭分合閘的開合。其中，操動機構的可靠性對整個斷路器具有重要的意義。為了達到更高的可靠性，人們加快了研究操作機構的步伐。有一種用于中壓真空斷 路器永磁保持的新型電磁操作機構即永磁機構便孕育而生了。它是一種全新的智能選相真空開關，它的優(yōu)點是其主要運動部件只有一個，可靠性較高，且使用壽命長而運用廣泛。操動機構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構在斷路器中起著很重要的作用，它質量的好壞會直接影響到斷路器。所以，要求操動機構具有良好的性能，當其能在允許變化的范圍內時應當迅速可靠的動作。 內外發(fā)展現況 在國外很早就有人研究過永磁機構，因為當時條件的限制，永磁材料的缺乏，導致最終以失敗的結果告終。在 20 世界 80 年代 發(fā)現了一種具有優(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的鋁鎳鉆和鐵氧體材料而言，穩(wěn)定性更高，退磁現象不明顯，性價比高，引起了人們的高度重視，它特有的性能為永磁機構的發(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永磁機構始于 1980 年。最早的永磁機構樣機在英國產生，三年之后就被應用在英國的工業(yè)領域。英國 司經過一段時間的技術改進，制造出比較完桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 2 頁 共 40 頁 善的永磁機構并投入市場。在同一時期，德國的 司也緊跟其后，將操作能耗作為目標 進行技術改進， 1997 年，德國的 司將研制出的雙穩(wěn)態(tài)雙線圈結構的 型永磁機構真空斷路器樣機展示出來，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品推向市場。在 司研發(fā)出永磁機構真空斷路器之后，國內很快就相繼研發(fā) V 錯誤 !未找到引用源。 型永磁機構真空和斷路器。 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)永磁機構真空斷路器的過程中，材料方面有很大的優(yōu)勢。我國釹鐵硼產業(yè)早期在 1984 年就開始發(fā)展，永磁材料的產量越來越多，從 2001 年到 2012 年這期間的 11 年，產量就大約增加了 10倍左右。企業(yè)規(guī)模也越來越大，現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)的釹鐵硼產業(yè)隨著技術的增進，好多都發(fā)展成為規(guī)模較大的、高技術水平的大公司。這類用稀土永磁原料的產品研發(fā)及應用也越來越成熟。 文的主要工作 本論文是針對 35空斷路器永磁機構控制器的設計方案的研究，主要內容是 掌握真空斷路器的特點、作用和使用條件的理論知識， 以雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構為研究對象，深入分析永磁操動機構的結構構成、驅動過程中相關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)永磁操動機構控制裝置的技術路線，研制開發(fā)試驗樣機，實現真空斷路器的本地和遠程分合閘控制操作，進行必要的樣機功能驗證和實驗。 本論文的第一章介紹了真空斷路器永磁操動機構的研究背景、目的和意義還有國內外發(fā)展狀況 。第二章敘述了永磁機構的幾種結構，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。第三章分模塊詳細敘述了此課題的硬件設計。第四章敘述了此課題的軟件設計。第五章介紹了電路硬件模塊的部分仿真和軟硬件調試。第六章總結。 章小結 本章主要介紹了真空斷路器的作用及其發(fā)展，永 磁機構的重要性及其國內外發(fā)展現 狀和本課題的主要研究內容。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 3 頁 共 40 頁 2 真空開關永磁機構的研究 真空斷路器在電力系統中有著極其重要的作用，真空斷路器的實質就是動靜觸頭相互接觸產生電弧，電弧過零就熄滅，而觸頭的相互接觸是靠操動系統實現的?？梢娖洳賱訖C構的重要性，永磁機構是利用永磁體實現分合閘保持的一種新型電磁操作機構，具有免維護、可靠性高、裝置少等優(yōu)點被廣泛應用于現在的中壓領域中。永磁機構的兩種形式分別為雙穩(wěn)態(tài)形式和單穩(wěn)態(tài)形式 [1]。 磁機構的結構 在電網應用中，永磁機構有很多不同的結構形式，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構。 永磁機構的合閘是依靠電磁操動實現的，但永磁機構的分閘卻不是，根據永磁機構的分閘可將永磁機構分為兩種形式，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)。還可以從線圈數目分類，一種為雙線圈，另一種為單線圈。從外形結構上分類，也可以分為兩種結構，一種為方形結構，另一種為圓形結構。永磁機構的方形和圓形結構這兩種結構有 相同點也有不同點，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。方形結構的永磁機構中的靜鐵心的組成材料是硅鋼片，具有良好的導磁性，制作過程中需要開模具；圓形結構的永磁機構的靜鐵心為保證具有良好的導磁性采用的材料是電工純鐵，這種靜鐵心材料不僅導磁性好，加工工藝也很簡單，所以現在一般應用的是圓形結構的永磁機構。圖 2雙穩(wěn)態(tài)永磁機構方形結構外形簡圖，圖 2雙穩(wěn)態(tài)永磁機構圓形形結構外形簡圖。 圖 2磁機構方形外形簡圖 圖 2磁機 構的圓形外形簡圖 永磁機構的雙穩(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)的永磁操動機構。 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構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致永磁機構的動鐵心產生不同的保持力。所以針對不同永磁體的位置會有相應的分析方法，本論文研究的對象是 2-3 a 圖。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（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 磁機構中安裝位置圖 雙穩(wěn)態(tài)雙線圈的永磁機構剖面圖如圖 2示。 123、 4567圖 2穩(wěn)態(tài)永磁機構剖面圖 從雙穩(wěn)態(tài)永磁機構剖面圖中可以看出，永磁操動機構有 7 個主要的零件構成：其中1 是靜鐵心，其目的是為操動機構提供磁路通道，不同的外形的永磁機構其靜鐵心結構也是不同的，現在的方形結構大多數應用的是硅鋼片疊型結構，圓形結構則應用電工純鐵或低碳鋼； 2 是動鐵心，是最重要的部件，一般應用電工純鐵和低碳鋼結構； 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構處于分合閘狀態(tài)； 7 是驅動桿，是將操動機構和斷路器的另一個機械操動即傳動機構相連的重要紐帶 [2]。 當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械器件發(fā)揮作用。當需要執(zhí)行分 合閘操作時，給其相應的分合閘線圈通電，電流會產生相應的磁動勢，線圈也會產生相應的磁場，永磁機構中動鐵心和靜鐵心產生的磁場和永磁機構中永磁體產生的磁場一起作用，會促使動鐵心和其連著的驅動桿在新的磁場作用下，朝著相應的分合閘狀態(tài)運動以完成分合閘指令操作。當完成相應的任務時，直到接到下一個指令前，動鐵心始終保持相應指令下的狀態(tài)即始終停留在兩個位置，最上端或者最下端，因此永磁操動機構也被稱為兩位式雙穩(wěn)態(tài)原理結構。傳統桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 40 頁 的電磁機構動鐵心的保持相對而言就比較繁瑣，其一端是由彈簧產生的彈簧力進行保持，另一端則需要機械鎖扣或 者電磁能量來實現保持作用。從上面的介紹可以了解到，這種新型的永磁操動機構中永磁體的應用，讓傳統的動鐵心保持過程被優(yōu)化了。永磁機構不但能夠實現傳統操作機構的全部功能，而且整個操動機構所需要的零件數減少了很多，從而使永磁機構具有較高的可靠性和穩(wěn)定性 [3]。 磁機構的基本工作原理 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的狀態(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構對稱的狀態(tài)。 當永磁機構處于合閘狀態(tài)時，驅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，而下部分磁路因驅動桿的移動使得空氣氣隙增大，從而導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。當永磁機構處于分閘狀態(tài)時，驅動桿的向下移動導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。當永磁機構處于 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構的兩種狀態(tài)，即分合閘狀態(tài)，所以雙線圈永磁機構的另一個名稱為雙穩(wěn)態(tài)永磁機構。 雙線圈的永磁操動機構處于合閘狀態(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動。只要動鐵心朝下運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，便會導致向下的合力變大，動鐵心的運動方向將會改變朝下運動，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，永磁機構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，讓合閘線圈電流產生的新磁場將動鐵心受到的吸力減小，促使動鐵心向上運動，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，永磁操動機構將會一直保持在合閘的狀態(tài)。雙穩(wěn)態(tài)的永磁機構不會出現退磁的現象，因為不管是分閘線圈電流還是合閘線圈電流它們所產生的新磁場與永磁體本身的磁場方向是一致的，也因此永磁機構具有極好的可靠性 [4]。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 40 頁 磁機構常用的控制方法 永磁機構正如前面所言，有多種優(yōu)點，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，可以廣泛的應用在當前的電力系統中。永磁機構需要控制系統，接受電信號，并將此電信號 通過邏輯判斷傳給控制操動機構發(fā)生動作的裝置，然后與斷路器傳動系統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，永磁機構控制的方式根據實現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；第三種是微機控制方式。 這種在傳統的斷路器操動機構控制中應用頗為廣泛，主要就是由繼電器控制操作機構來實現一系列的邏輯功能，使其控制觸點的開閉來達到斷路器的分合閘狀態(tài)?？刂评^電器大多數的作用是控制和保護，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?？刂评^電器發(fā)生動作需要輸入量達到一個界定值，然后引起輸出量發(fā)生相應的變化從而去控制電路?？刂评^電器有很多種類，應用范圍廣泛，可以組合不同種類的繼電器來實現斷開斷路器故障，切斷線路，實現自動重合閘等功能。 繼電器控制雖然操作比較簡單，但它反而隱藏了永磁機構的優(yōu)點，使其優(yōu)點得不到體現。繼電器的電氣壽命不高，當控制永磁機構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，觸點閉合時 間長和靈活性不高。所以，這種方式現在都基本被淘汰了。 在后期電子控制方式便出現了，傳統的控制方式被電子方式所替代。國內已經廣泛應用這用控制方式，用晶閘管取代了傳統的觸點開關方式。晶閘管相對于繼電器來說有很多優(yōu)點：一是晶閘管的關斷時間比繼電器的反應所需時間要少很多，二是晶閘管不存在觸點問題，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，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傳統的繼電器控制的功能，而且還可以實現一些其功能，如聲光報警等。 這種方式是通過 脈沖觸發(fā)晶閘管導通給分合閘線圈放電，從而達到相應的分合閘狀態(tài)。這用控制方式簡單，但也存在和繼電器一樣的缺點，也會因為其整定值不好調整而使靈活性降低。還有一個缺點就是因為采用了微電子技術會導致電子電路受到更多的外界干擾，尤其是當有比較大的電流通過永磁機構分合閘線圈時，產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，增加電子電路桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 40 頁 的可靠性，不然會導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構中 仍有著廣泛的應用。 在這個科技日益發(fā)達的時代，智能電器在我們生活中隨處可見，微機亦如此，在各個領域都能看到 影子。微機控制方式是從國外引進的，我國是從 20 世紀 90 年代才興起的。它是由單片機程序指令控制，進行需要的邏輯判斷，然后發(fā)出相應指令并執(zhí)行來完成各項目的，是一種智能化系統。使用微機控制方式控制永磁機構，可以提高斷路器的靈活性。永磁機構的分合閘只需要通過線圈電流來控制，控制電參數又是一種比較容易的方式，所以可以使用微機系統去控制永磁操動機構的分合閘狀態(tài)，還可以實現很多智能化功 能，比如，檢測充電電容電壓是否達到我們所需要的電壓值和檢測動鐵心的運動位置等功能。微機控制方式包含多個模塊，但其中重要的是單片機模塊，它是必不可少的一部分，可以分為軟件部分和硬件部分。它的特點明顯，使得人們喜歡，應用也很廣泛。 比較分析上述的三種控制方式，同時考慮到當前真空斷路器永磁機構的發(fā)展情況，對現有設備和條件的考慮，本次的設計方案主要應用的是第二種電子控制方式，通過脈沖觸發(fā)晶閘管導通給分合閘線圈放電，完成永磁機構的分合閘操作。 章小結 本章主要介紹了真空斷路器永磁機構的結構分類，主要由哪些部 件組成。著重介紹了雙穩(wěn)態(tài)永磁機構的工作原理，分合閘狀態(tài)轉換過程。描述了永磁機構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。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 40 頁 3 永磁操動機構分合閘控制器硬件設計 磁機構分合閘硬件設計總體概述 由永磁機構的工作原理可知，要使永磁機構達到分合閘狀態(tài)，則需要給永磁機構的分合閘線圈通過電流，然后產生電磁吸力來驅動動鐵心運動，從而使永磁機構實現分合閘。供電的電源可以通過變壓器經過二極管半波整流來提供，給相應儲能電容器充電來實現，此電路的電力 電子開關選擇晶閘管，通過開斷晶閘管即可流過電流實現分合閘控制 [5]。 本課題分模塊設計，控制器主要由單片機控制模塊，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，遠動控制信息模塊，線圈驅動模塊組成。強弱電模塊間要進行光電隔離。 通過單片機邏輯模塊輸出正確的操作指令，去控制分合閘操作。本次設計的控制器是通過控制晶閘管控制電容對永磁機構的分合閘線圈放電，以完成永磁機構的分合閘 操作。系統結構框圖如圖 36]。 圖 3統結構框圖 容充電設計模塊 目前，經常用來作為永磁機構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；第三種就是比較少用的高能量鋰電池，因其成本高，未能被廣泛應用。 此次設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，當溫度到達 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，所以大多數的電解電容的電氣壽命還是很長的，大多數都可以使用 10 多年。但電容器除了使用時間長以外還有很多優(yōu)點，如下：一是給電容器充電時間不長，應用常規(guī)的電源裝置即可實現對電容的充電，所以不必擔心充電過量，也不用監(jiān)測充電電流和其時間的精準性，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畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 9 頁 共 40 頁 是電容器可以并聯使用，而不會產 生傳統電池測流效應的缺點。其電路如圖 3示 [7]。 圖 3容充電電路 此電容電路將電壓經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。當充電達到程序設定的規(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)永磁機構分合閘可靠性是依靠電力電子開關器件實現的。本課題應用的是當前應用比較廣泛的一 種電力電子開關器件即晶閘管，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、響應速度快各種優(yōu)點。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斷，給分合閘線圈通電，從而讓永磁機構的動鐵心做出相應的運動，動鐵心便會移動到永磁機構的最上端或最下端并保持當前的狀態(tài)，等待下一次動作才會改變當前的狀態(tài)，最終來實現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)點被廣泛應用的電力電子開關器件，但它自身存在的缺點不能忽視，晶閘管的缺點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畢業(yè)設計（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，為了使電路可以正常工作，都要采取必要的保護電路。目前，普遍應用的晶閘管保護電路主要有兩種：第一種是將保護元器件安裝到適當的地方；第二種就是當檢測出電流或者電壓超過我們所設定的界定值時，使用整流觸發(fā)控制系統去降低其過 電流或者過電壓的數值。本課題采用的是第一種保護電路，并聯 路，不僅操作簡單，而且保護效果顯著。通過查閱晶閘管保護有關資料，確定 數的選擇如下式 33 C=(2 ～ 4)×錯誤 !未找到引用源。 （ （ 3 R=10 ～ 30 （ 3 上式中： C 為保護電容， μF； R 為保護電阻， Ω。 在本次電路設計中，根據上式子計算得出電容 C 的取值，聯系實際電路，將電容參數值取值為 R 的取值為 30Ω。 此次設計的線圈電路圖中，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。半導體二極管內部是由一個 P 型半導體和一個 N 節(jié)構成，類似于這種電子器件，都具有單向導電的特性，電流只能從二極管的正極流到負極。當晶閘管關斷時，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，用來保護線圈，提高電路的可靠性 [10]。 電 力電子開關器件的驅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，還可以減少開關器件的損耗和提高整個電路的安全性。確切的說，晶閘管驅動電路就是對照我們設定的控制要求將單片機傳遞過來的電平信號轉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，因此只需要設計開通控制信號，不必提供關斷控制信號就可以實現晶閘管的驅動。 此次設計的主電路模塊屬于強電， 單片機控制電路屬于弱電，強弱電之間必須要實現電氣隔離。這次采用的驅動電路有兩個重要的作用：第一個是驅動晶閘管，控制其開斷和導通，讓電流通過相應的分合閘線圈使其達到分合閘狀態(tài)；第二個重要的作用是實現單片機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。本課題的驅動電路應用光隔離即采用光耦合器，其型號為 1]。晶閘管導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。光耦驅動晶閘管電路圖如圖 3示。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 11 頁 共 40 頁 圖 3耦驅動晶閘管電路圖 此次驅動的晶閘管是 40用的光耦器件是 動，閘管門極有觸發(fā)電流，再通過單片機控制光耦引腳使其工作，有了正向電壓便可以驅動晶閘管，控制其開斷和導通。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，正負極之間應在 2 引腳接一個限流電阻，其電阻值參數可由式 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， 根據公式計算出結果取 R