35kV真空开关永磁机构分合闸操作控制器的设计与实现【独家毕业课程设计带任务书+开题报告+外文翻译】
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35kV真空开关永磁机构分合闸操作控制器的设计与实现【独家毕业课程设计带任务书+开题报告+外文翻译】,35,kv,真空开关,永磁,机构,合闸,操作,控制器,设计,实现,独家,毕业,课程设计,任务书,开题,报告,讲演,呈文,外文,翻译
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- 1 - 1毕业设计的主要内容、重点及难点 研究内容 随着社会经济的高速发展和人民生活水平的显著提高，社会对电力的需求越来越大，对供电质量的要求也越来越高。 2009 年，国家电网公司提出我国建设坚强智能电网的发展规划，到 2020 年我国将全面建成统一的坚强智能电网，技术和装备达到国际先进水平。建设智能电网不仅能将电能整合，合理分配，改善供电质量，还能实现电网可靠、安全、高效、环境友好和使用安全的目标。真空断路器因其灭弧介质灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名，其具有体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检 修的优点，在配电网中应用较为普及。永磁机构是为了保证电力系统的安全运行，作为控制、保护元件的中压断路器必须能切断额定电流，开断关合短路电流，开合各种空载和负荷电路。为了完成这些任务，中压断路器必须能及时可靠地分合动静触头，这要借助于操作机构来完成。因此，操作机构的工作性能和质量优劣，直接决定了中压断路器的工作性能和可靠性。近年来，伴随着电力电子技术的发展出现了一种新型的操作机构。它采用了一种全新的工作原理和结构，工作时主要运动部件只有一个，具有较高的可靠性，因此备受关注。 本课题的研究内容主要有以下几个方面 ： (1)研究真空断路器所配永磁操动机构的原理、特点、结构及其驱动方式。 (2)对 机构的分合闸操作所涉及到的控制电路优化设计的方法； (3)设计并实现电子式永磁机构控制器，包括分合闸、充电回路、手动及远动控制等功能； (4)通过分析确定操动机构控制器的设计的方案； (5)通过仿真或试验验证方案的可行性，制作控制器样机并给出初步的试验结果。 研究重点及难点 重点： (1)了解 35空断路器永磁操动机构的机构的特点及工作原理； (2)设计永磁机构控制系统的电容充电控制环节； (3)通过控制器实现对断路器的 智能化操作； (4)扩展远动通信功能。 难点 ： （ 1）如何合理单片机程序，确保控制器智能化操作时保证对信号采集准确无误； （ 2）作为给电容器充电的电源，必须考虑到电容器的耐压及分合闸操作时所需的电源电压； （ 3）为了防止电磁的干扰引起的误动作，设计电路时要考虑到电源的电磁兼容性； （ 4）要注意强电与弱电隔离模块的设计； - 2 - 2准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等） 研究背景及发展趋势 （ 1）研究背景 真空断路器在中压配电领域得到了广泛的发展并逐渐取得支配地位。永磁操作机构采用一种全 新的智能选相真空开关结构。这种结构工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱、锁扣装置，故障源少，可靠性较高，且使用寿命长，一般达十万次以上，同时控制分合闸相位，实现同步控制，从而减少过电压和涌流对系统的冲击，减少系统保护的投入，提高系统整体寿命。永磁机构通过电解电容储能，对电源容量的需求像弹簧机构一样，控制器通过现代电源技术的处理，用极高的效率，灵活的将外部不同高低、不同性质的电源，变换为设定的单一电源，使之适应同一种永磁机构。而不需要用不同的机构线圈去适应不同的电源，便于现代化的生产，便于调试的一致性。它突 破了传统操动机构的原理，在技术上有了很大的创新，其具有显著地技术特点和先进性，永磁机构真空断路器将在今后中高压设备领域内越来越占有重要地位。 （ 2）发展趋势 在中压开关领域围绕永磁操动技术的研究开始于 20 世纪 80 年代末。欧洲以英国及德国为代表。 1992 年英国曼彻斯特大学系统与能量组为 司设计了一台永磁操动机构模型。 1992 年前后永磁操动技术开始在英国工业应用。 由于永磁操作技术的显著特点，以及在国外已形成的开发热点，国内一些短路器生产厂家和科研所也把目光投到了永磁机构的研制上。永磁机构以零部件数量少， 可靠性高等优点吸收了越来越多目光的关注。国内很快就开发出了具有自主版权的 永磁机构真空断路器。该断路器具有零部件少，结构简单，可靠性高，寿命长的，免维护等特点。并成功的解决了真空短路器的环境耐温问题。 研究意义 永磁操动机构作为一种新型的操动机构，具有零部件数量少、可靠性高、免维护等传统断路器操动机构所无法比拟的优点，受到了世界各国的普遍关注。 近年来，人们对电力的需求不断提高，电网的电压等级和传输规模也在不断的提高。断路器由于其特殊的性能在电力系统中也发挥着非常重要的作用。在配电和供电系统中，由于断路 器的使用量大面广，操作频繁，对于断路器的可靠性和免维护性有着很高的要求。因此 ,断路器扮演一个极其重要的角色。 主要参考文献 1徐建源 ,孙建军 ,林莘等 . 单稳态永磁操动机 构的 智能、 能控制 装置 J电气时代， - 3 - 2006， 5:51 2李鹏真空永磁断路器智能控制器的设计与实现 (D)京交通大学 ,2010. 3 E. A 998,2:688 4张静 ,孙建军 . 一种单稳态永磁操动机构的智能控制装置的研制 J. 华通技 术 ,2007,3:195钱家骊 ,徐国政 ,窦晓峰 . 中压断路器用永磁机构中线圈不同布置的分析 J2000,02:256孙逸 0D)京理工大学， 2014. 7刘大鹏 D)中科技大学， 2007. 8杨亭 D)南大学， 2005. 9薛玉善 D)阳工业大学， 2004. 10高丽 D)北电力大学， 2004. 11方雨菡永磁真空断路器的智能控制 (D)南交通大学 ,2013. 现有设备 和实验条件 计算机一台 ，示波器，单片机开发系统等。 - 4 - 3、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料 实施方案： 本课题分模块设计，控制器主要由单片机控制模块，由电源模块，电容充电回路模块，电容器组模块，电容器电压检测模块，分合闸线圈模块，分合闸位移检测模块，显示模块，手动模块，远动控制信息模块，线圈驱动模块等组成。强弱电模块间要进行光电隔离。通过单片机逻辑模块输出正确的操作指令，从而控制分合闸操作。此次系统控制采用 可控硅，控制器通过控制可控硅实现控制 储能电容器对操动机构分合闸线圈放电的控制，以完成对断路器的分合闸操作。 系统结构框图如图 1： 图 1 系统结构框图 进度实施计划： 第一阶段 （ 2015 2016：分析毕业设计题目，阅读理解任务书内容，确定实施计划方案。 第二阶段 （ 2016 2016： 查阅相关文献和资料，了解真空开关永磁机构原理并画出原理结构框图， 提交毕业设计开题报告，并翻译 4 万字外文文献。 第三阶段 （ 2016 2016： 确定可实行方案。 设计电路，画 ，做出样机电路板。提交 源文件一份 。 第四阶段 （ 2016 2016：调试硬件， 设计程序。软件编程并与硬件进行调试，完成制作的模拟样机。 第五阶段 （ 2016 2016：撰写并 完善毕业设计论文 。 预期提交的毕业设计资料 1、撰写两万字以上的毕业设计说明书（兼附 15 篇以上的参考文献）；在毕业设计说明书中应包括 300 500 个单词的英文摘要及关键词； 2、完成与课题相关英文资料的翻译（约四万英文字符，附英文全文）； 3、完成 35空断路器永磁操动机构控制器的 设计方案； 4、设计出系统的硬件和完成相应软件程序设计，给出必需的硬件实现原理图； 5、根据课题任务与要求，完成可供 演示 的功能样机。 - 5 - 指导教师意见 指导教师（签字）： 年 月 日 开题小组意见 开题小组组长（签字）： 年 月 日 院（系、部）意见 主管院长（系、部主任）签字： 年 月 日 一、毕业设计（论文）的内容 1、复习电力系统分析等课程中关于高压开关电器章节相关理论知识，掌握真空断路器的特点、作用和使用条件； 2、 通过科技论文、技术资料的检索，并调研高压开关电气设备在的特点、实施目的、常用方法的研究与发展动态，深入了解真空断路器（ 用的操动机构及其特点。 3、 了解和掌握真空断路器工作和运行条件，深入了解并分析真空灭弧室的结构、组成部件及作用，学习并掌握真空断路器弹簧操动机构和永磁操动机构的基本原理和工作条件。 4、进行细致的文献查阅和总结， 分析和综述真空断路器永磁操动机构的原理 、结构、工作过程和常用的驱动方式及控制方法。 5、以双稳态永磁操动机构为研究对象，深入分析永磁操动机构的结构构成、驱动过程中相关部件的工作和动作行为，进 行必要的理论建模和电路仿真，研究并制定真空断路器双稳态永磁操动机构控制装置的技术路线，研制开发试验样机，实现真空断路器的本地和远程分合闸控制操作，进行必要的样机功能验证和实验。 二、毕业设计（论文）的要求与数据 1、完成 35空断路器永磁操动机构控制器的设计方案，要求图表资料齐全； 2、计算机绘制相关硬件的原理图、电气安装接线图、制版图等； 3、 针对 35级 磁操动机构设计系统的硬件和软件并完成其调试； 4、根据课题任务与要求，做出可供演示的模拟样机，完成初步试验。 三、毕业设计（论文）应完成的工作 1、 根据毕业设计任务书中的研究内容和要求， 完成二万字左右的毕业设计说明书（论文） ，要求内容翔实，有必要的系统原理、实施方案、必要的模型仿真、系统设计和实验过程及样机功能验证 ；在毕业设计说明书（论文）中必须包括详细的 300单词的英文摘要 。 2、独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）；具体要求为：翻译材料要与毕 业设计内容相关，为了准确性作者姓名可以不翻译，参考文献可以不翻译，但所翻译的字符数应达到规定要求。 3、完成 35空断路器永磁操动机构控制器的设计方案，要求图表资料齐全；计算机绘制相关硬件的原理图、电气安装接线图、制版图等；设计出系统的硬件和相应软件并完成其调试；根据课题任务与要求，做出可供演示的模拟样机，完成初 步试验。 四、应收集的资料及主要参考文献 1 徐建源 ,孙建军 ,林莘等 . 单稳态永磁操动机构的智能控制装置 J电气时代， 2006， 5:51 2 廖敏夫 ,邹积岩等 . 基于永磁操动机构的光控模块式多断口真空断路器技术 J2004,40(1):403 E. A 998,2:688 4 吕锦柏 ,王毅 ,常广 ,肖建涛 ,谢将剑 . 优化的永磁真空断路器合闸控制方法 J. 高电压技术 ,2013,11:28365 周立 ,冯洪仁 . 交流高压真空断路器永磁机构控制器的设计 J化 ,2010,8:1156 003 003,(1):97 曹文思 ,郭恒 ,巩鲁洪 ,邱道尹 . 真空断路器永磁操作机构控制器保护电路元件 参数优化设计 J2011,11:838 林莘 ,史可鉴 ,徐建源 . 材料的导磁性能对永磁机构动态特性的影响 J. 高压 电器 ,2013,07:19 杨茜 ,张英 ,叶祖标 . 永磁机构真空断路器的机械特性受温度影响的研究 J. 高压电器 ,2013,07:4610 张静 ,孙建军 . 一种单稳态永磁操动机构的智能控制装置的研制 J. 华通技 术 ,2007,3:1911 钱家骊 ,徐国政 ,窦晓峰 . 中压断路器用永磁机构中线圈不同布置的分析 J. 高压电器 ,2000,02:25五、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件 计算机 1 台，示波器，单片 机开发系统 任务下达时间： 2015 年 12 月 28 日 毕业设计开始与完成时间： 2015 年 12 月 28 日至 2016 年 05 月 22 日 组织实施单位： 教研室主任意见： 签字： 2015 年 12 月 30 日 院领导小组意见： 签字： 2015 年 12 月 31 日 第 I 页 摘 要 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的提高，人们对电力需求量越来越大，用户对供电质量和供电可靠性也越来越高。智能电网在生活中扮演着重要的角色。高压真空断路器作为配电网中系统控制、保护的重要设备，其智能化一直是关注的热点问题。操动机构是决定断路器操控性能的重要部件之一，永磁机构取代了传统的操动机构作为断路器新的操动机构，因为它机构零部件少、装置的可靠性高、可实现免维护，因而受到了当今世界各国的普遍关注，目前在我国乃至世界上许多发达国家的中高压开关领域都得到了广泛的应用。 本论文介绍了永磁机构的 结构、特点、工作原理和操动过程。永磁机构主要分为双稳态和单稳态两种形式。两种形式的合闸都是电磁操动即给合闸线圈充电。不同之处是分闸操作，双稳态的分闸是直接给分闸线圈通电，属于电磁操动永磁保持，但单稳态的分闸操作需要弹簧操动，属于电磁去磁弹簧操动，保持可以是永磁也可以是弹簧。本论文的研究对象为双稳态永磁机构。查阅相关资料，对比三种控制方式，最终采用电子控制方式制定 35空开关永磁操动机构控制器的设计方案的技术路线。 本论文采用 分模块设计，主要由单片机控制模块，电源模块，电容充电回路模块，电容器电压检测模块 ，分合闸线圈模块，显示模块，手动模块，远动控制信息模块，线圈驱动模块组成。采用晶闸管控制储能电容器对操动机构分合闸线圈放电的控制，以完成对断路器的分合闸操作。做出可供演示的模拟样机。 本文最后对模拟样机进行试验和必要的仿真，试验结果表明此方案实现了永磁机构分合闸的控制功能，方案的可行性得到了证实。 关键词： 真空开关； 永磁机构；控制器；双稳态；电容储能； 第 of of s s of of is a in is a of in Its 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）报告用纸 目 录 目 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 题研究背景 . 1 题研究目的和意义 . 1 内外发展现况 . 1 文的主要工作 . 2 章小结 . 2 2 真空开关永磁机构的研究 . 3 磁机构的结构 . 3 磁机构的基本工作原理 . 5 磁机构常用的控制方法 . 6 . 6 . 6 . 7 章小结 . 7 3 永磁操动机构分合闸控制器硬件设计 . 8 磁机构分合闸硬件设计总体概述 . 8 容充电设计模块 . 8 容电压放电模块 . 9 . 9 . 10 容电压检测回路模块 . 12 据采集模块 . 13 片机模块 . 13 . 14 . 14 . 15 晶显示模块 . 15 制模块 . 16 . 16 . 16 源供电模块 . 17 章小结 . 18 4 软件设计 . 19 件设计总体思路 . 19 示设计 . 20 程通信 件设计 . 20 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录 章小结 . 21 5 系统仿真和样机调试 . 22 要硬件模块系统仿真 . 22 统硬件调试 . 23 . 23 . 23 统软件调试 . 23 章小结 . 24 6 总结 . 25 谢 辞 . 26 参考文献 . 27 附录一 电路原理图 . 28 附录二 电路 . 31 附录三 电气主接线图 . 33 附录四 软件主程序 . 34 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 40 页 1 绪论 题研究背景 真空断路器，即利用真空的高介质强度来达到灭弧效果的一种电气设备。世界上第一台真空断路由美国人 1961 年研发成功，此后的真空断路器便在此基础上有了飞跃的发展。 为了实现小康生活，人民的生活水平越来越高， 人们对美好生活有了更好的憧憬，而这就对电力系统的供电质量提出了更高的要求。其中，断路器作为供电系统的一个电力系统的保护和控制的终端设备，其可靠性和智能化水平对电力系统的稳定性和自动化程度具有很大的影响。 题研 究目的和意义 实际上断路器在电网中主要起着两个方面的作用：一个是控制作用，另一个就是保护作用。断路器可以按照电网运行要求将一些电力设备或线路投入或者退出运行，并在电力线路或设备在发生故障的时侯将故障部分从电网讯速切除，以保证电网中没有故障部分正常运行。 真空断路器主要由真空灭弧室、操动机构、底座等组成。真空灭弧室根据开关构造又分多种形式，而操动机构的主要动作是完成断路器触头分合闸的开合。其中，操动机构的可靠性对整个断路器具有重要的意义。为了达到更高的可靠性，人们加快了研究操作机构的步伐。有一种用于中压真空断 路器永磁保持的新型电磁操作机构即永磁机构便孕育而生了。它是一种全新的智能选相真空开关，它的优点是其主要运动部件只有一个，可靠性较高，且使用寿命长而运用广泛。操动机构的主要作用就是为断路器提供动力并使其动作。由前面的叙述可以知道操动机构在断路器中起着很重要的作用，它质量的好坏会直接影响到断路器。所以，要求操动机构具有良好的性能，当其能在允许变化的范围内时应当迅速可靠的动作。 内外发展现况 在国外很早就有人研究过永磁机构，因为当时条件的限制，永磁材料的缺乏，导致最终以失败的结果告终。在 20 世界 80 年代 发现了一种具有优异磁性能的磁铁，其中含有大量的钕、铁和硼，被称为钕铁硼稀土永磁材料。钕铁硼永磁材料相对于传统的铝镍钻和铁氧体材料而言，稳定性更高，退磁现象不明显，性价比高，引起了人们的高度重视，它特有的性能为永磁机构的发展研究提供了条件。以英国和德国为代表的国外研究中压开关永磁机构始于 1980 年。最早的永磁机构样机在英国产生，三年之后就被应用在英国的工业领域。英国 司经过一段时间的技术改进，制造出比较完桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 40 页 善的永磁机构并投入市场。在同一时期，德国的 司也紧跟其后，将操作能耗作为目标 进行技术改进， 1997 年，德国的 司将研制出的双稳态双线圈结构的 型永磁机构真空断路器样机展示出来，引起了各制造公司的极大重视。采用同样工作原理，其他公司也紧跟其后将类似的产品推向市场。在 司研发出永磁机构真空断路器之后，国内很快就相继研发 V 错误 !未找到引用源。 型永磁机构真空和断路器。 我国资源众多，地大物博，钕资源占世界的 80%以上，所以在研发永磁机构真空断路器的过程中，材料方面有很大的优势。我国钕铁硼产业早期在 1984 年就开始发展，永磁材料的产量越来越多，从 2001 年到 2012 年这期间的 11 年，产量就大约增加了 10倍左右。企业规模也越来越大，现在的钕铁硼稀土永磁材料的工业体系也逐渐完善，各地区的钕铁硼产业随着技术的增进，好多都发展成为规模较大的、高技术水平的大公司。这类用稀土永磁原料的产品研发及应用也越来越成熟。 文的主要工作 本论文是针对 35空断路器永磁机构控制器的设计方案的研究，主要内容是 掌握真空断路器的特点、作用和使用条件的理论知识， 以双稳态永磁操动机构为研究对象，深入分析永磁操动机构的结构构成、驱动过程中相关部件的工作和动作行为， 研究并 制定真空断路器双稳态永磁操动机构控制装置的技术路线，研制开发试验样机，实现真空断路器的本地和远程分合闸控制操作，进行必要的样机功能验证和实验。 本论文的第一章介绍了真空断路器永磁操动机构的研究背景、目的和意义还有国内外发展状况 。第二章叙述了永磁机构的几种结构，基本工作原理和常用的三种控制方法，对比选取其中一种控制方法。第三章分模块详细叙述了此课题的硬件设计。第四章叙述了此课题的软件设计。第五章介绍了电路硬件模块的部分仿真和软硬件调试。第六章总结。 章小结 本章主要介绍了真空断路器的作用及其发展，永 磁机构的重要性及其国内外发展现 状和本课题的主要研究内容。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 40 页 2 真空开关永磁机构的研究 真空断路器在电力系统中有着极其重要的作用，真空断路器的实质就是动静触头相互接触产生电弧，电弧过零就熄灭，而触头的相互接触是靠操动系统实现的。可见其操动机构的重要性，永磁机构是利用永磁体实现分合闸保持的一种新型电磁操作机构，具有免维护、可靠性高、装置少等优点被广泛应用于现在的中压领域中。永磁机构的两种形式分别为双稳态形式和单稳态形式 1。 磁机构的结构 在电网应用中，永磁机构有很多不同的结构形式，它们的工作原理却是大致一样的。 归根到底就是一种利用永磁体来保持铁心分合闸的新型电磁操动机构。 永磁机构的合闸是依靠电磁操动实现的，但永磁机构的分闸却不是，根据永磁机构的分闸可将永磁机构分为两种形式，第一种为电磁操动即我们常说的双稳态，第二种是弹簧操动即我们常说的单稳态。还可以从线圈数目分类，一种为双线圈，另一种为单线圈。从外形结构上分类，也可以分为两种结构，一种为方形结构，另一种为圆形结构。永磁机构的方形和圆形结构这两种结构有 相同点也有不同点，相同之处是它们的工作原理相同，除了外形不同外，它们的铁心材料和加工工艺是不相同的。方形结构的永磁机构中的静铁心的组成材料是硅钢片，具有良好的导磁性，制作过程中需要开模具；圆形结构的永磁机构的静铁心为保证具有良好的导磁性采用的材料是电工纯铁，这种静铁心材料不仅导磁性好，加工工艺也很简单，所以现在一般应用的是圆形结构的永磁机构。图 2双稳态永磁机构方形结构外形简图，图 2双稳态永磁机构圆形形结构外形简图。 图 2磁机构方形外形简图 图 2磁机 构的圆形外形简图 永磁机构的双稳态和单稳态工作原理极其相似，合闸都是一样的，两种状态的合闸都是依靠永磁体，分闸则不同，单稳态还需要弹簧才能分闸。本课题着重研究双稳态的永磁操动机构。 双稳态永磁操动机构按照永磁体安装方式的不同可分为两种，如图 2-3 a 、 b 所示。因为永磁体的位置不同会导致永磁机构的动铁心产生不同的保持力。所以针对不同永磁体的位置会有相应的分析方法，本论文研究的对象是 2-3 a 图。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 40 页 a 永磁体在静铁心左边位置图 b 永磁体在静铁心右边位置图 图 2磁体在永 磁机构中安装位置图 双稳态双线圈的永磁机构剖面图如图 2示。 123、 4567图 2稳态永磁机构剖面图 从双稳态永磁机构剖面图中可以看出，永磁操动机构有 7 个主要的零件构成：其中1 是静铁心，其目的是为操动机构提供磁路通道，不同的外形的永磁机构其静铁心结构也是不同的，现在的方形结构大多数应用的是硅钢片叠型结构，圆形结构则应用电工纯铁或低碳钢； 2 是动铁心，是最重要的部件，一般应用电工纯铁和低碳钢结构； 3、 4 是永久磁铁，永磁操动会 有不同的状态，如分合闸状态，为了保持当前的状态，需要永久磁铁提供保持力； 5、 6 分别是分闸线圈和合闸线圈，对分合闸线圈充电可以使永磁机构处于分合闸状态； 7 是驱动杆，是将操动机构和断路器的另一个机械操动即传动机构相连的重要纽带 2。 当线圈中没有电流通过的时候，即断路器保持在分闸状态或者合闸状态，动铁心因为永久磁铁带动动铁心和静铁心产生的低磁通道被固定在上端或者下端，这个过程中不需要其他任何的机械器件发挥作用。当需要执行分 合闸操作时，给其相应的分合闸线圈通电，电流会产生相应的磁动势，线圈也会产生相应的磁场，永磁机构中动铁心和静铁心产生的磁场和永磁机构中永磁体产生的磁场一起作用，会促使动铁心和其连着的驱动杆在新的磁场作用下，朝着相应的分合闸状态运动以完成分合闸指令操作。当完成相应的任务时，直到接到下一个指令前，动铁心始终保持相应指令下的状态即始终停留在两个位置，最上端或者最下端，因此永磁操动机构也被称为两位式双稳态原理结构。传统桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 40 页 的电磁机构动铁心的保持相对而言就比较繁琐，其一端是由弹簧产生的弹簧力进行保持，另一端则需要机械锁扣或 者电磁能量来实现保持作用。从上面的介绍可以了解到，这种新型的永磁操动机构中永磁体的应用，让传统的动铁心保持过程被优化了。永磁机构不但能够实现传统操作机构的全部功能，而且整个操动机构所需要的零件数减少了很多，从而使永磁机构具有较高的可靠性和稳定性 3。 磁机构的基本工作原理 双稳态永磁操动机构的状态取决于动铁心在静铁心中的位置，从理论上说有三种平衡状态：第一种是动铁心在静铁心的最上端位置即为合闸。第二种是动铁心 在静铁心的最下端位置即为分闸。第三种是动铁心在静铁心的中部即属于一种上下结构对称的状态。 当永磁机构处于合闸状态时，驱动杆跟随动铁心向上移动，永磁体通过上面部分的磁路的磁阻非常小，而下部分磁路因驱动杆的移动使得空气气隙增大，从而导致通过下面部分的磁阻也相继增大。此时，永磁体的大量磁通都集中在上部分磁路上，这样就可以将动铁心固定在静铁心的最上端。当永磁机构处于分闸状态时，驱动杆的向下移动导致上面部分空气气隙增大，此时，永磁体的大量磁通都集中在下部分磁路上，这样就可以将动铁心固定在静铁心的最下端。当永磁机构处于 一种中间状态即上下两部分的磁路对称，空气气隙相等，通过两部分的磁通也相等。这时候的动铁心处于一种上下平衡状态，但这只是一种暂时的过程，只要上下两部分的空气气隙稍有变化，就会破坏这种平衡，变成前面两种状态的其中一种。所以，我们通常只研究永磁操动机构的两种状态，即分合闸状态，所以双线圈永磁机构的另一个名称为双稳态永磁机构。 双线圈的永磁操动机构处于合闸状态时，要想其过渡到分闸状态，只需要给分闸线圈通电流，新的磁场改变了动铁心所受的吸引力，随着分闸线圈电流的增加，动铁心所受的吸引力将会越来越小，直到此吸引力小于与 它方向相反的其他作用力，此时动铁心将会朝下运动。只要动铁心朝下运动就会增大上部分空间的空气气隙，从而使得上端部分的磁阻值变大，下面部分的磁阻变小。此时，上端吸力变小，而下端吸力变大，便会导致向下的合力变大，动铁心的运动方向将会改变朝下运动，这个过程直到过渡成分闸状态才停止。只要没有下一个合闸指令，永磁机构将会一直处在分闸的稳定状态。从分闸过程过渡为合闸过程恰恰相反：需要在合闸线圈中通直流电流，让合闸线圈电流产生的新磁场将动铁心受到的吸力减小，促使动铁心向上运动，过渡到合闸状态，即使不再有电流通过合闸线圈，只 要没有下一个分闸指令，永磁操动机构将会一直保持在合闸的状态。双稳态的永磁机构不会出现退磁的现象，因为不管是分闸线圈电流还是合闸线圈电流它们所产生的新磁场与永磁体本身的磁场方向是一致的，也因此永磁机构具有极好的可靠性 4。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 40 页 磁机构常用的控制方法 永磁机构正如前面所言，有多种优点，可以增加断路器的可靠性，很大程度的降低事故的发生概率，可以广泛的应用在当前的电力系统中。永磁机构需要控制系统，接受电信号，并将此电信号 通过逻辑判断传给控制操动机构发生动作的装置，然后与断路器传动系统配合完成分合闸操作，可见其控制方案是非常重要的，它的好坏会是直接决定断路器性能优劣的一个重要因素。目前，永磁机构控制的方式根据实现逻辑部分的元件的不同分为三种：第一种是继电控制方式；第二种是电子控制方式；第三种是微机控制方式。 这种在传统的断路器操动机构控制中应用颇为广泛，主要就是由继电器控制操作机构来实现一系列的逻辑功能，使其控制触点的开闭来达到断路器的分合闸状态。控制继电器大多数的作用是控制和保护，它一般用来控制开 断交直流小容量电路。控制继电器的输入端一般是电流、电压等量，也能输入一些非电量，比如温度、速度等。控制继电器发生动作需要输入量达到一个界定值，然后引起输出量发生相应的变化从而去控制电路。控制继电器有很多种类，应用范围广泛，可以组合不同种类的继电器来实现断开断路器故障，切断线路，实现自动重合闸等功能。 继电器控制虽然操作比较简单，但它反而隐藏了永磁机构的优点，使其优点得不到体现。继电器的电气寿命不高，当控制永磁机构的继电器频繁替换时势必会影响到断路器的使用时间。继电器还有别的不足，比如，精确度不高，触点闭合时 间长和灵活性不高。所以，这种方式现在都基本被淘汰了。 在后期电子控制方式便出现了，传统的控制方式被电子方式所替代。国内已经广泛应用这用控制方式，用晶闸管取代了传统的触点开关方式。晶闸管相对于继电器来说有很多优点：一是晶闸管的关断时间比继电器的反应所需时间要少很多，二是晶闸管不存在触点问题，因此它的电气寿命长、动作迅速。三是晶闸管本身是一种电力电子开关，其体积很小，使用起来简单轻巧。这用控制方式不仅可以实现传统的继电器控制的功能，而且还可以实现一些其功能，如声光报警等。 这种方式是通过 脉冲触发晶闸管导通给分合闸线圈放电，从而达到相应的分合闸状态。这用控制方式简单，但也存在和继电器一样的缺点，也会因为其整定值不好调整而使灵活性降低。还有一个缺点就是因为采用了微电子技术会导致电子电路受到更多的外界干扰，尤其是当有比较大的电流通过永磁机构分合闸线圈时，产生的电磁干扰比较大，从而会使控制电路的正常工作受到影响。因此，必须要考虑抗干扰技术，增加电子电路桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 40 页 的可靠性，不然会导致断路器控制电路发生异常状况，比如延时动作或者误动作等情况。抗干扰电路的设计比较方便而且效果明显，所以电子控制方式在控制永磁机构中 仍有着广泛的应用。 在这个科技日益发达的时代，智能电器在我们生活中随处可见，微机亦如此，在各个领域都能看到 影子。微机控制方式是从国外引进的，我国是从 20 世纪 90 年代才兴起的。它是由单片机程序指令控制，进行需要的逻辑判断，然后发出相应指令并执行来完成各项目的，是一种智能化系统。使用微机控制方式控制永磁机构，可以提高断路器的灵活性。永磁机构的分合闸只需要通过线圈电流来控制，控制电参数又是一种比较容易的方式，所以可以使用微机系统去控制永磁操动机构的分合闸状态，还可以实现很多智能化功 能，比如，检测充电电容电压是否达到我们所需要的电压值和检测动铁心的运动位置等功能。微机控制方式包含多个模块，但其中重要的是单片机模块，它是必不可少的一部分，可以分为软件部分和硬件部分。它的特点明显，使得人们喜欢，应用也很广泛。 比较分析上述的三种控制方式，同时考虑到当前真空断路器永磁机构的发展情况，对现有设备和条件的考虑，本次的设计方案主要应用的是第二种电子控制方式，通过脉冲触发晶闸管导通给分合闸线圈放电，完成永磁机构的分合闸操作。 章小结 本章主要介绍了真空断路器永磁机构的结构分类，主要由哪些部 件组成。着重介绍了双稳态永磁机构的工作原理，分合闸状态转换过程。描述了永磁机构常用的三种控制方式，继电器控制方式，电子控制方式和微机控制方式，确定了本课题所采用的控制方式即电子控制方式。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 40 页 3 永磁操动机构分合闸控制器硬件设计 磁机构分合闸硬件设计总体概述 由永磁机构的工作原理可知，要使永磁机构达到分合闸状态，则需要给永磁机构的分合闸线圈通过电流，然后产生电磁吸力来驱动动铁心运动，从而使永磁机构实现分合闸。供电的电源可以通过变压器经过二极管半波整流来提供，给相应储能电容器充电来实现，此电路的电力 电子开关选择晶闸管，通过开断晶闸管即可流过电流实现分合闸控制 5。 本课题分模块设计，控制器主要由单片机控制模块，电源模块，电容充电回路模块，电容器组模块，电容器电压检测模块，分合闸线圈模块，显示模块，手动模块，远动控制信息模块，线圈驱动模块组成。强弱电模块间要进行光电隔离。 通过单片机逻辑模块输出正确的操作指令，去控制分合闸操作。本次设计的控制器是通过控制晶闸管控制电容对永磁机构的分合闸线圈放电，以完成永磁机构的分合闸 操作。系统结构框图如图 36。 图 3统结构框图 容充电设计模块 目前，经常用来作为永磁机构的操作电源的方法主要有三种：第一种就是目前被人们广泛采用电容器组即容量比较大的储能电解电容；第二种就是采用变电站的直流屏，这种方式有一个限定条件即它的工作范围必须在真空断路器站内；第三种就是比较少用的高能量锂电池，因其成本高，未能被广泛应用。 此次设计采用的是上述的第一种方法。影响大容量的电 解电容的电气寿命的一个重要因素就是温度，当温度到达 105 时，它的电气寿命会由于温度的增加而大大减少，但我们现在工作环境的以及电路都做好了散热等措施，避免温度升高的情况发生，所以大多数的电解电容的电气寿命还是很长的，大多数都可以使用 10 多年。但电容器除了使用时间长以外还有很多优点，如下：一是给电容器充电时间不长，应用常规的电源装置即可实现对电容的充电，所以不必担心充电过量，也不用监测充电电流和其时间的精准性，大量的减少了人工的工作量；二是对电容器充电储能大大减少了对环境的污染；三桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 40 页 是电容器可以并联使用，而不会产 生传统电池测流效应的缺点。其电路如图 3示 7。 图 3容充电电路 此电容电路将电压经变压器降压再接入电路中。我们接入的电流是交流电，需要经过二极管整流。电容曲充电过程如图 3示。 图 3容电压充电过程曲线 电容起初充电的时侯 ,上升速率大 ,但随着时间的增大，电容电压缓慢上升，趋近于一条直线。当充电达到程序设定的规定值，才可以给分合闸线圈充放电，完成分合闸操作。电容充电时间由 时间常决定， 。所以当电阻为固定值时 ,电容值越大 ,充电时间就会变成长。一般都认为电容充电时间在 3到 5之间比较合适。在此电路中由 R 和C 的参数取值可计算出充电时间大约为 电时间是比较合适的 8。 容电压放电模块 双稳态永磁机构分合闸可靠性是依靠电力电子开关器件实现的。本课题应用的是当前应用比较广泛的一 种电力电子开关器件即晶闸管，型号为 40最大峰值为500A、峰值电压为 800V 至 1200V，适用于本次电路，它具有灵敏度高、响应速度快各种优点。储能电解电容器通过变压器，二极管和限流电阻充电的能量就会通过晶闸管的开通和关断，给分合闸线圈通电，从而让永磁机构的动铁心做出相应的运动，动铁心便会移动到永磁机构的最上端或最下端并保持当前的状态，等
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