35kV真空開關(guān)永磁機(jī)構(gòu)分合閘操作控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)【獨(dú)家畢業(yè)課程設(shè)計(jì)帶任務(wù)書+開題報(bào)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(jì),實(shí)現(xiàn),獨(dú)家,畢業(yè),課程設(shè)計(jì),任務(wù)書,開題,報(bào)告,講演,呈文,外文,翻譯 第 I 頁 摘 要 隨著國(guó)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(duì)電力需求量越來越大，用戶對(duì)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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)作為斷路器新的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，因?yàn)樗鼨C(jī)構(gòu)零部件少、裝置的可靠性高、可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，因而受到了當(dāng)今世界各國(guó)的普遍關(guān)注，目前在我國(guó)乃至世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)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(dòng)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(dòng)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(dòng)永磁保持，但單穩(wěn)態(tài)的分閘操作需要彈簧操動(dòng)，屬于電磁去磁彈簧操動(dòng)，保持可以是永磁也可以是彈簧。本論文的研究對(duì)象為雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)。查閱相關(guān)資料，對(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)方案的技術(shù)路線。 本論文采用 分模塊設(shè)計(jì)，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(cè)模塊 ，分合閘線圈模塊，顯示模塊，手動(dòng)模塊，遠(yuǎn)動(dòng)控制信息模塊，線圈驅(qū)動(dòng)模塊組成。采用晶閘管控制儲(chǔ)能電容器對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)分合閘線圈放電的控制，以完成對(duì)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(duì)模擬樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)和必要的仿真，試驗(yàn)結(jié)果表明此方案實(shí)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(shí)。 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(chǔ)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(bào)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(dòng)機(jī)構(gòu)分合閘控制器硬件設(shè)計(jì) ......................................................... 8 磁機(jī)構(gòu)分合閘硬件設(shè)計(jì)總體概述 ............................................................................... 8 容充電設(shè)計(jì)模塊 ........................................................................................................... 8 容電壓放電模塊 ........................................................................................................... 9 ....................................................................................................... 9 ......................................................................................................... 10 容電壓檢測(cè)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(jì) ....................................................................................................... 19 件設(shè)計(jì)總體思路 ......................................................................................................... 19 示設(shè)計(jì) ......................................................................................................................... 20 程通信 件設(shè)計(jì) ........................................................................................ 20 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)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(jì)（論文）報(bào)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(tái)真空斷路由美國(guó)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(shí)現(xiàn)小康生活，人民的生活水平越來越高， 人們對(duì)美好生活有了更好的憧憬，而這就對(duì)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(gè)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(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度具有很大的影響。 題研 究目的和意義 實(shí)際上斷路器在電網(wǎng)中主要起著兩個(gè)方面的作用：一個(gè)是控制作用，另一個(gè)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(shí)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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的主要?jiǎng)幼魇峭瓿蓴嗦菲饔|頭分合閘的開合。其中，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性對(duì)整個(gè)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(dòng)部件只有一個(gè)，可靠性較高，且使用壽命長(zhǎng)而運(yùn)用廣泛。操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要作用就是為斷路器提供動(dòng)力并使其動(dòng)作。由前面的敘述可以知道操動(dòng)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(huì)直接影響到斷路器。所以，要求操動(dòng)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(shí)應(yīng)當(dāng)迅速可靠的動(dòng)作。 內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)況 在國(guó)外很早就有人研究過永磁機(jī)構(gòu)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)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(duì)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(jià)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(guó)和德國(guó)為代表的國(guó)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(guó)產(chǎn)生，三年之后就被應(yīng)用在英國(guó)的工業(yè)領(lǐng)域。英國(guó) 司經(jīng)過一段時(shí)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(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 2 頁 共 40 頁 善的永磁機(jī)構(gòu)并投入市場(chǎng)。在同一時(shí)期，德國(guó)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(guó)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(chǎng)。在 司研發(fā)出永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器之后，國(guó)內(nèi)很快就相繼研發(fā) V 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 型永磁機(jī)構(gòu)真空和斷路器。 我國(guó)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(shì)。我國(guó)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(duì) 35空斷路器永磁機(jī)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)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(shí)， 以雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，深入分析永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、驅(qū)動(dòng)過程中相關(guān)部件的工作和動(dòng)作行為， 研究并 制定真空斷路器雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制裝置的技術(shù)路線，研制開發(fā)試驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)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(yàn)證和實(shí)驗(yàn)。 本論文的第一章介紹了真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究背景、目的和意義還有國(guó)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(duì)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(jì)。第四章敘述了此課題的軟件設(shè)計(jì)。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(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn) 狀和本課題的主要研究?jī)?nèi)容。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)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(shí)質(zhì)就是動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。可見其操動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要性，永磁機(jī)構(gòu)是利用永磁體實(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)。 永磁機(jī)構(gòu)的合閘是依靠電磁操動(dòng)實(shí)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(dòng)即我們常說的雙穩(wěn)態(tài)，第二種是彈簧操動(dòng)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(jiǎn)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(jiǎn)圖，圖 2雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)圓形形結(jié)構(gòu)外形簡(jiǎn)圖。 圖 2磁機(jī)構(gòu)方形外形簡(jiǎn)圖 圖 2磁機(jī) 構(gòu)的圓形外形簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)構(gòu)。 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)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?yàn)橛来朋w的位置不同會(huì)導(dǎo)致永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)鐵心產(chǎn)生不同的保持力。所以針對(duì)不同永磁體的位置會(huì)有相應(yīng)的分析方法，本論文研究的對(duì)象是 2-3 a 圖。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)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(dòng)機(jī)構(gòu)有 7 個(gè)主要的零件構(gòu)成：其中1 是靜鐵心，其目的是為操動(dòng)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(dòng)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(dòng)會(huì) 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(duì)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(dòng)桿，是將操動(dòng)機(jī)構(gòu)和斷路器的另一個(gè)機(jī)械操動(dòng)即傳動(dòng)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(shí)候，即斷路器保持在分閘狀態(tài)或者合閘狀態(tài)，動(dòng)鐵心因?yàn)橛谰么盆F帶動(dòng)動(dòng)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(gè)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(shí)，給其相應(yīng)的分合閘線圈通電，電流會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁動(dòng)勢(shì)，線圈也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)，永磁機(jī)構(gòu)中動(dòng)鐵心和靜鐵心產(chǎn)生的磁場(chǎng)和永磁機(jī)構(gòu)中永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)一起作用，會(huì)促使動(dòng)鐵心和其連著的驅(qū)動(dòng)桿在新的磁場(chǎng)作用下，朝著相應(yīng)的分合閘狀態(tài)運(yùn)動(dòng)以完成分合閘指令操作。當(dāng)完成相應(yīng)的任務(wù)時(shí)，直到接到下一個(gè)指令前，動(dòng)鐵心始終保持相應(yīng)指令下的狀態(tài)即始終停留在兩個(gè)位置，最上端或者最下端，因此永磁操動(dòng)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(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 5 頁 共 40 頁 的電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)鐵心的保持相對(duì)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(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)中永磁體的應(yīng)用，讓傳統(tǒng)的動(dòng)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(gè)操動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)取決于動(dòng)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(dòng)鐵心在靜鐵心的最上端位置即為合閘。第二種是動(dòng)鐵心 在靜鐵心的最下端位置即為分閘。第三種是動(dòng)鐵心在靜鐵心的中部即屬于一種上下結(jié)構(gòu)對(duì)稱的狀態(tài)。 當(dāng)永磁機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)桿跟隨動(dòng)鐵心向上移動(dòng)，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(dòng)桿的移動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(shí)，驅(qū)動(dòng)桿的向下移動(dòng)導(dǎo)致上面部分空氣氣隙增大，此時(shí)，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(dòng)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(duì)稱，空氣氣隙相等，通過兩部分的磁通也相等。這時(shí)候的動(dòng)鐵心處于一種上下平衡狀態(tài)，但這只是一種暫時(shí)的過程，只要上下兩部分的空氣氣隙稍有變化，就會(huì)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(dòng)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(gè)名稱為雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)。 雙線圈的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)時(shí)，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(chǎng)改變了動(dòng)鐵心所受的吸引力，隨著分閘線圈電流的增加，動(dòng)鐵心所受的吸引力將會(huì)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(shí)動(dòng)鐵心將會(huì)朝下運(yùn)動(dòng)。只要?jiǎng)予F心朝下運(yùn)動(dòng)就會(huì)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(shí)，上端吸力變小，而下端吸力變大，便會(huì)導(dǎo)致向下的合力變大，動(dòng)鐵心的運(yùn)動(dòng)方向?qū)?huì)改變朝下運(yùn)動(dòng)，這個(gè)過程直到過渡成分閘狀態(tài)才停止。只要沒有下一個(gè)合閘指令，永磁機(jī)構(gòu)將會(huì)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(chǎng)將動(dòng)鐵心受到的吸力減小，促使動(dòng)鐵心向上運(yùn)動(dòng)，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(gè)分閘指令，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)將會(huì)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(huì)出現(xiàn)退磁的現(xiàn)象，因?yàn)椴还苁欠珠l線圈電流還是合閘線圈電流它們所產(chǎn)生的新磁場(chǎng)與永磁體本身的磁場(chǎng)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(jì)（論文）報(bào)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(hào)，并將此電信號(hào) 通過邏輯判斷傳給控制操動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生動(dòng)作的裝置，然后與斷路器傳動(dòng)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(huì)是直接決定斷路器性能優(yōu)劣的一個(gè)重要因素。目前，永磁機(jī)構(gòu)控制的方式根據(jù)實(shí)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(dòng)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(shí)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。控制繼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(dòng)作需要輸入量達(dá)到一個(gè)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。控制繼電器有很多種類，應(yīng)用范圍廣泛，可以組合不同種類的繼電器來實(shí)現(xiàn)斷開斷路器故障，切斷線路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重合閘等功能。 繼電器控制雖然操作比較簡(jiǎn)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(shí)勢(shì)必會(huì)影響到斷路器的使用時(shí)間。繼電器還有別的不足，比如，精確度不高，觸點(diǎn)閉合時(shí) 間長(zhǎng)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(guó)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(duì)于繼電器來說有很多優(yōu)點(diǎn)：一是晶閘管的關(guān)斷時(shí)間比繼電器的反應(yīng)所需時(shí)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(zhǎng)、動(dòng)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(jiǎn)單輕巧。這用控制方式不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的繼電器控制的功能，而且還可以實(shí)現(xiàn)一些其功能，如聲光報(bào)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(jiǎn)單，但也存在和繼電器一樣的缺點(diǎn)，也會(huì)因?yàn)槠湔ㄖ挡缓谜{(diào)整而使靈活性降低。還有一個(gè)缺點(diǎn)就是因?yàn)椴捎昧宋㈦娮蛹夹g(shù)會(huì)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(shí)，產(chǎn)生的電磁干擾比較大，從而會(huì)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(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁 共 40 頁 的可靠性，不然會(huì)導(dǎo)致斷路器控制電路發(fā)生異常狀況，比如延時(shí)動(dòng)作或者誤動(dòng)作等情況?？垢蓴_電路的設(shè)計(jì)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(gè)科技日益發(fā)達(dá)的時(shí)代，智能電器在我們生活中隨處可見，微機(jī)亦如此，在各個(gè)領(lǐng)域都能看到 影子。微機(jī)控制方式是從國(guó)外引進(jìn)的，我國(guó)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(xiàng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的分合閘狀態(tài)，還可以實(shí)現(xiàn)很多智能化功 能，比如，檢測(cè)充電電容電壓是否達(dá)到我們所需要的電壓值和檢測(cè)動(dòng)鐵心的運(yùn)動(dòng)位置等功能。微機(jī)控制方式包含多個(gè)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(shí)考慮到當(dāng)前真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)的發(fā)展情況，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備和條件的考慮，本次的設(shè)計(jì)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(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁 共 40 頁 3 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)分合閘控制器硬件設(shè)計(jì) 磁機(jī)構(gòu)分合閘硬件設(shè)計(jì)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(dòng)動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)，從而使永磁機(jī)構(gòu)實(shí)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(chǔ)能電容器充電來實(shí)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(shí)現(xiàn)分合閘控制 [5]。 本課題分模塊設(shè)計(jì)，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(cè)模塊，分合閘線圈模塊，顯示模塊，手動(dòng)模塊，遠(yuǎn)動(dòng)控制信息模塊，線圈驅(qū)動(dòng)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(jì)的控制器是通過控制晶閘管控制電容對(duì)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(jì)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(chǔ)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(gè)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(jì)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(gè)重要因素就是溫度，當(dāng)溫度到達(dá) 105 時(shí)，它的電氣壽命會(huì)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(zhǎng)的，大多數(shù)都可以使用 10 多年。但電容器除了使用時(shí)間長(zhǎng)以外還有很多優(yōu)點(diǎn)，如下：一是給電容器充電時(shí)間不長(zhǎng)，應(yīng)用常規(guī)的電源裝置即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電容的充電，所以不必?fù)?dān)心充電過量，也不用監(jiān)測(cè)充電電流和其時(shí)間的精準(zhǔn)性，大量的減少了人工的工作量；二是對(duì)電容器充電儲(chǔ)能大大減少了對(duì)環(huán)境的污染；三桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 9 頁 共 40 頁 是電容器可以并聯(lián)使用，而不會(huì)產(chǎn) 生傳統(tǒng)電池測(cè)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(shí)侯 ,上升速率大 ,但隨著時(shí)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(shí)間由 時(shí)間常決定， 。所以當(dāng)電阻為固定值時(shí) ,電容值越大 ,充電時(shí)間就會(huì)變成長(zhǎng)。一般都認(rèn)為電容充電時(shí)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(jì)算出充電時(shí)間大約為 電時(shí)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(shí)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(hào)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(chǔ)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(huì)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(dòng)鐵心做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)鐵心便會(huì)移動(dòng)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(dòng)作才會(huì)改變當(dāng)前的狀態(tài)，最終來實(shí)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(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 10 頁 共 40 頁 低很多。在較短的時(shí)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(huì)使晶閘管不能正常工作。在實(shí)際的電路中，過電壓、過電流等情況都會(huì)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)牡胤剑坏诙N就是當(dāng)檢測(cè)出電流或者電壓超過我們所設(shè)定的界定值時(shí)，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(jiǎn)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(cuò)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(jì)中，根據(jù)上式子計(jì)算得出電容 C 的取值，聯(lián)系實(shí)際電路，將電容參數(shù)值取值為 R 的取值為 30Ω。 此次設(shè)計(jì)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(hào)為1價(jià)格便宜，使用范圍很廣。半導(dǎo)體二極管內(nèi)部是由一個(gè) P 型半導(dǎo)體和一個(gè) 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(shí)，由于線圈電感是一種儲(chǔ)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(dòng)電路是主電路和控制電路的連接的接口，在整個(gè)電路中尤為重要，影響著整個(gè)電路。選擇好的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(gè)電路的安全性。確切的說，晶閘管驅(qū)動(dòng)電路就是對(duì)照我們?cè)O(shè)定的控制要求將單片機(jī)傳遞過來的電平信號(hào)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(jì)開通控制信號(hào)，不必提供關(guān)斷控制信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)晶閘管的驅(qū)動(dòng)。 此次設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)電氣隔離。這次采用的驅(qū)動(dòng)電路有兩個(gè)重要的作用：第一個(gè)是驅(qū)動(dòng)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(gè)重要的作用是實(shí)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(dòng)電路應(yīng)用光隔離即采用光耦合器，其型號(hào)為 1]。晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)滿足兩個(gè)前提：第一個(gè)是施加正向電壓 ；第二個(gè)個(gè)是門極有觸發(fā)電流。光耦驅(qū)動(dòng)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(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 11 頁 共 40 頁 圖 3耦驅(qū)動(dòng)晶閘管電路圖 此次驅(qū)動(dòng)的晶閘管是 40用的光耦器件是 動(dòng)，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(dòng)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(gè)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(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 3 上式中： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為二極管管壓降電壓， V； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為 向電流， 根據(jù)公式計(jì)算出結(jié)果取 R