毕业设计（论文）-DW50永磁欠压脱扣器研究与设计.pdf

摘要 摘要摘要 随着电力事业的迅猛发展，对保护电路的要求越来越高。欠压脱扣器是低压 断路器的关键元件之一，它的性能关系着断路器是否能以准确、高效的动作，来 实现对线路的控制和保护。高可靠、低功耗的欠压脱扣器是适应当今电力事业发 展的新型脱扣器。 本设计在分析和总结国内外研究现状的基础上，提出了 DW50 永磁欠压脱扣 器。较电磁型欠压脱扣器而言，本设计中电路只需瞬时输出功率，驱动线圈动作， 无需使线圈一直通电，不存在复位弹簧始终受力，线圈发热的问题。在功耗降低 的同时也提高了欠压脱扣器的可靠性。 此外 NEC 系列 UPD78F9202 微型单片机的 采用使整个设计具有了高性能、 小型化、 电子化、 智能化、 多功能化的特征。 DW50 永磁欠压脱扣器的研究与推广使用对促进我国低压电器设备总体水平的提高有着 非常重要的意义。 本文在大量查阅国内外有关永磁欠压脱扣器文献的基础上，展开了对 DW50 永磁欠压脱扣器研究与设计。重点对硬件电路进行模块化设计，尽量简化硬件电 路，提高设计可靠性，对硬件模块逐个仿真和调试。然后针对所选用的单片机进 行软件部分的设计与调试。最后综合软硬件的设计，在仿真软件上调试并做出进 一步的改进。最后对本课题做出总结，提出不足和改进的目标。 关关键词键词：永磁欠压脱扣器；电路设计；单片机 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 AbstractAbstract With the rapid development of electric power industry, the requirement of protection circuit getting higher .under voltage release is one of the key components of low-voltage circuit breaker .Whether its relationship with the performance of the circuit breaker can as accurate and efficient action to control and protect the circuit .High reliability and low power consumption under voltage release is a new type release that can adapt to the modern electric power industry development. This design of DW50 permanent-magnet under voltage release bases on analyzing and summarizing domestic and foreign research present situation .In terms of the electromagnetic type under voltage release ,in this design just need the instantaneous power out ,Do not need to make the coil has been electrified ,there is no reset spring force, coil heat problem .In lower power consumption and improve the reliability of the under voltage release .Moreover ,The adoption of the NEC UPD78F9202 miniature micro controller series make the design has the characteristics of high-performance miniaturized electronic intelligent and multifunctional .The research and promotion of use of the DW50 permanent-magnet under voltage release has very important significance to improve the overall level of Chinas low-voltage electrical equipment . This paper bases on a lot of access to permanent-magnet under voltage release literatures at home and abroad .Focus on the Modular design of hardware circuit ,try to simplify the hardware circuit ,Improve the design reliability .The hardware modular do simulation and debugging to the hardware modular one by one .Then contrapose the single chip do some software part design and debugging .In the end ,synthesize the design of hardware and software ,debug on the simulationsoftware and make further improvements .Finally, give a summary to this topic, put forward shortage and improvement of target Key words: permanent-magnet under voltage release; circuit design; single chip 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 I 目录目录 第 1 章 绪论.1 1.1 智能电网的发展现状.1 1.2 低压断路器介绍.1 1.2.1 低压断路器的概述1 1.2.2 低压断路器的工作原理和分类1 1.2.3 低压断路器的典型结构3 1.2.4 低压断路器的主要参数4 1.3 欠压脱扣器原理.4 1.4 永磁欠压脱扣器的发展趋势.4 第 2 章 永磁脱扣器的现状与改进.6 2.1 脱扣器国家标准浅析.6 2.2 常见欠压脱扣器分析.7 2.2.1 工作原理7 2.2.2 设计缺陷7 2.3 新型永磁脱扣器的设计理念.7 2.4 机械要求.8 2.5 本章小结.8 第 3 章 永磁欠压脱扣器执行元件计算.9 3.1 常见导磁材料的分析.9 3.2 电磁铁的计算.9 3.2.1 电磁铁的原始数据9 3.2.2 参数计算9 3.3 本章小结.13 第 4 章 迅速发展的单片机技术.14 4.1 PIC 单片机概述14 4.2 NEC 单片机概述14 4.3 AVR 单片机概述15 4.4 本章小结.15 第 5 章 永磁欠压脱扣器硬件电路设计.17 5.1 技术指标与参数.17 5.2 系统原理框图设计.17 5.3 主电路设计.18 5.3.1 主电路设计18 5.3.2 单片机选择19 5.4 电源输入电路设计.22 5.5 电源电路设计.23 5.5.1 常用电源的比较分析23 5.5.2 电源电路设计24 5.5.3 稳压电路设计25 5.6 采样电路设计.26 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 II 5.7 电磁驱动功率储能电路设计. 27 5.8 驱动电路设计. 27 5.8.1 常见电路通断控制方法对比 27 5.8.2 常见 MOS 管驱动电路. 27 5.8.3 驱动电路设计 28 5.8.4 驱动电路仿真 29 5.9 远控电路设计. 30 5.10 本章小结. 31 第 6 章 永磁脱扣器软件设计. 32 6.1 单片机 UPD78F9202 的软件开发 32 6.2 系统初始化. 34 6.3A/D 采样程序设计 38 6.3.1A/D 转换框图. 38 6.3.2A/D 转换与系统动作点. 39 6.3.3A/D 采样程序设计. 39 6.4 滤波程序设计. 41 6.4.1 常用滤波方法的比较 41 6.4.2 滤波程序设计 41 6.5 比较程序设计. 42 6.6 定时程序设计. 44 6.6.1 定时器基本框图 45 6.6.2 间隔定时器 46 6.7 总流程图设计. 47 6.8 本章小结. 49 致谢. 50 参考文献. 51 附录 1 52 附录 2 53 第 1 章 绪论 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 智能电网的发展现状智能电网的发展现状 智能电网是建立在集成、高速、双向通信网络基础上的电网的智能化。它与现有 电网相比有着十分突出的优点，是电力流、信息流和业务流高度融合。它通过对用电 设备进行智能控制，降低了电网运营成本，促进节能减排，使电网运行更为经济高效。 电网发展的必然趋势是发展为完善的智能电网。智能电网广泛应用先进的设备技 术，极大地提高输配电系统的性能，现在通过通讯、计算机、自动化等技术在电网中 到广泛深入的应用，并结合传统电力技术，电网的智能化水平得到了极大的提高。以 后可以将传感器技术和信息技术在电网中加以应用，为系统状态分析和辅助决策提供 了技术支持，从而电网的自愈。 现代社会所提倡的绿色节能， 使智能电网成为世界各国竞相发展的一个重点领域。 在电网发展的基础方面，各国电力需求已趋于饱和，经多年快速发展，电网架构也趋 于稳定、成熟，输配电供应能力较为充裕。可以通过减少用电消耗分布式发电，提高 储能技术，大力发展电动汽车行业，来改变传统的供用电模式，建设智能电网。 建立智能电网是一个巨大的历史性工程。 在智能电网建设这方面全球缺口巨大。 智能电网网络、配电网络系统升级和智能仪表等相关技术的不成熟，都是阻碍智能 电网技术发展的难题。根据最新的调查，从 2012 年的 330 亿美元到 2020 年的 730 亿美元，8 年内，智能电网技术市场能做到 4940 亿美元的累积。 智能电网的发展是一场彻底的变革，是现有技术和新技术协同发展的产物，除了 网络和智能电表外还饱含了更广泛的范围。 1.21.2 低压断路器介绍低压断路器介绍 1.2.11.2.1 低压断路器的概述低压断路器的概述 低压断路器又叫自动空气开关或自动空气断路器，简称断路器。它既可以手动开 关操作，又可以自动进行失压、欠压、过载和短路保护。不仅可以接通正常负荷电流， 分断过负荷电流，还可以接通、分断短路电流。低压断路器在电路中除起控制作用外， 还具有一定的保护功能，如过负荷、短路、欠压和漏电保护等。低压断路器可用来分 配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严 重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过 欠热继电器等组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。低压断路器广泛 应用于低压配电系统各级馈出线， 各种机械设备的电源控制和用电终端的控制和保护。 1.2.21.2.2 低压断路器的工作原理和分类低压断路器的工作原理和分类 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 2 低压断路器的分类方式很多，可按使用类别，结构形式、灭弧介质、用途、极数、 操作方式等来分类。 按使用类别分，有选择型（保护装置参数可调）和非选择型（保护装置参数不 可调）。 按结构形式分，有万能式（又称框架式）、塑料外壳式、小型模数式。 按灭弧介质分，有空气断路器和真空断路器等。 按用途分，有配电用断路器、电动机保护用断路器、照明用断路器和漏电保护 断路。 按主电路极数分，有单极、两极、三极、四极断路器。小型断路器还可以拼装 组合成多极断路器。 按操作方式分，有手动操作、电动操作和储能操作。 虽然低压断路器的形式、种类非常多，但结构和工作原理基本相同，主要由触点 系统、灭弧系统、各种脱扣器（包括电磁式过电流脱扣器、失压（欠压）脱扣器、热 脱扣器和分励脱扣器）、操作机构和自由脱扣机构几部分组成。 低压断路器的结构原理如图 1-1 所示。 图 1-1 低压断路器工作原理图 1主触点；2锁键；3搭钩（代表自由脱扣机构）；4转轴； 5杠杆；6复位弹簧；7过电流脱扣器；8欠压脱扣器；9,10衔铁； 11弹簧；12热脱扣器双金属片；13热脱扣器热元件； 14分励脱扣器；15按钮 断路器主触点 1 串联在三相主电路中。主触点可手动或电动合闸，当操作开 第 1 章 绪论 3 关手柄合闸后，主触点 l 由锁键 2 保持在合闸状态。锁键 2 由搭钩 3 支持着，搭钩 3 可以绕轴 4 转动。如果搭钩 3 被杠杆 5 顶开，则主触点 1 就被复位弹簧 6 拉开，电路 断开。 过电流脱扣器 7 的线圈和热脱扣器的热元件 13 与主电路串联。 当电路发生短路或 严重过载时，过电流脱扣器线圈所产生的吸力增加，将衔铁 9 吸合，并击打杆 5，使自 由脱扣机构动作，从而带动主触点断开主电路。 当电路过载时，热脱扣器（过载脱扣器）的 热元件 13 发热使双金属片 12 向上弯 曲，推动自由脱扣机构动作。过电流脱扣器的动作特性具有反时限特性。当低压断路 器犹豫过载而端口后，一般需等待 2 到 3 分钟才能重新合闸，以使热脱扣器恢复原位， 这也是低压断路器不能连续频繁的进行通断操作的原因之一。过电流脱扣器和热脱扣 器互相配合，热脱扣器担负主电路的过载保护功能，过电流脱扣器担负断路和严重过 载保障保护功能。 欠电压脱扣器 8 的线圈并联在低压断路器的电源测。可起到欠压保护和零电压保 护的作用。电源电压正常时断路器的常开辅助触头闭合，电磁铁线圈得电，产生吸力， 衔铁被电磁铁吸住，自由脱扣机构能让主触头保持在合闸位置，断路器进入运行状态。 当电源电压过低或电源停电时，电磁铁无法产生足够的电磁力，克服不了弹簧的拉力， 弹簧上拉衔铁，通过杠杆推动自由脱扣机构使断路器开闸，起到欠压和零压保护作用。 电源电压为额定电压的 75%105%时，欠压脱扣器吸合，使断路器合闸。当电源电压 低于额定电压的 40%时，欠压脱扣器脱开，使断路器掉闸分断。 分励脱扣器 14 是用于远距离控制。 实现远方控制断路器切断电源。 在正常工作时， 其线圈是断电的，当需要远距离控制时，按下启动按钮 15，使线圈通电，衔铁会带动 自由脱扣机构动作，使主触点断开。 低压断路器配置了某些脱扣器或附件后，可以扩展功能。如可配备欠压脱扣器、 分励脱扣器、过电流脱扣器等；附件如辅助触点、旋转操作手柄、闭锁和释放电磁铁 和电动操作机构等。辅助触点用于断路器的控制和信号传送。电动操作机构用于对断 路器进行远距离操作分、合闸。 一般断路器都应有短路锁定功能，用来防止因短路故障而动作了的断路器在短路 故障未排除时发生再合闸。短路条件下，脱扣器动作分断断路器，锁定机构也动作使 断路器的机构保持在分断位置， 在未将断路器手柄扳到分断位置使操作机构复位以前， 断路器拒绝复位、合闸。 1.2.31.2.3 低压断路器的典型结构低压断路器的典型结构 低压断路器通常由触头（图 1-1 中 1 触头），脱扣器（如图 1-1 中 7、8、14）， 电动操作机构 （如图 1-1 中 15 按钮） ， 释能电磁铁转动操作手柄 （如图 1-1 中 4 转轴） ， 加长手柄闭锁装置等组成。 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 4 1.2.41.2.4 低压断路器的主要参数低压断路器的主要参数 1.断路器的额定电流参数 额定电流 In，指脱扣器能长期通过的最大电流 Im。短延时电磁脱扣器动作电流整 定值是过载脱扣器动作电流整定值 Ir 的倍数。 2.过电流脱扣器的电流参数 过电流脱扣器的动作电流整定值可以是固定的，也可以是可调的，通常利用旋钮 或调节杠杆调节。 3.断路器的短路特性电流参数 额定短路分断能力 Icn：断路器的额定短路分断能力 Icn 应采用 Icu、Ics 表示，在 具体产品标准中确定。 额定运行短路分断能力 Ics：断路器规定的试验电压下的极限短路分断电流值就是 额定极限短路分断能力 Icu，预期短路电流也可用作表示 Icu。 4.标定断路器的电流参数 在选定断路器时需考虑断路器的短路电流参数 Icu、Ics、Icw，断路器额定电流参 数和所选脱扣器电流参数需要依据实际情况标明；而断路器型号和壳架等级额定电流 Inm 是固定的，选定后确定。 1.31.3 欠压脱扣器原理欠压脱扣器原理 欠压脱扣器是断路器上的保护性部件之一，能在电源电压发生变化时时断路器工 作从而起到电路保护作用，避免欠电压对负载电器或电气设备的损坏。原理是当电源 电压高于欠压脱扣器额定电压的85% 时，能保证断路器正常工作；当电源电压下降到 欠压脱扣器额定电压的35%70%时，能使断路器脱扣；当电源电压低于欠压脱扣器额 定电压的35%时，能保证断路器不合闸。从而在受保护电路中实现电源电压发生一定 的电压降时，能自动断开断路器切断电源。 1.41.4 永磁欠压脱扣器的发展趋势永磁欠压脱扣器的发展趋势 传统的电磁型脱扣器只能提供短路保护，抗谐波能力差。电磁型脱扣器的线圈始 终是通电的，控制电路一直在输出功率，且复位弹簧始终处于拉伸受力状态，会导致 它的线圈发热、电子元件易于老化和弹簧疲软失效。热磁脱扣器只能提供二段保护； 动作误差比较大，不可调节，而且受环境影响较大。所以本次设计的目的在于排除或 减小以上问题对脱扣器的影响，且使得脱扣器更加可靠的同时，达到低功耗、节能环 保的要求。 基于单片机的永磁欠压脱扣器可以克服传统脱扣器的缺点。以永磁体为主的永磁 电磁铁，不动作时用永磁体磁场力保持衔铁的位置，不存在复位弹簧，不会出现弹簧 疲软失效的问题。仅在需要动作时，输出瞬时功率，驱动线圈动作，线圈不长时间通 第 1 章 绪论 5 电，不存在线圈发热、电子元件易于老化的问题。使用单片机控制，灵敏度高，动作 精确，而且可以调节；还通过加装通讯模块可以与上位机相连，从而实现远程控制； 基本不受环境温度等因素的影响。克服这些缺点对于高低压断路器高可靠性水平的提 高有着巨大的推动作用，对我国电力工业的发展有着长远的实际意义。并且此类产品 的市场前景十分优越，在我国低压设备市场上有很好的前景。对此类问题的研究是推 动低压电器发展的必然途径，也符合当今低压电器的发展的要求。因此研究与设计新 一代的永磁型欠压脱扣器十分有必要。 经过50年的发展我国低压电器已经形成了比较完善的体系，在低压电器的种类、 规格、性能来看，基本上满足了我国国民经济发展的需求。目前，市场的低压电器产 品可大致分为三代。第一代产品主要包括DW10、DZ10，现已列入行业淘汰产品，技 术特征是性能指标低，体积大，耗材耗能；第二代产品是我国自行开发和技术引进的 的结合，其特征是技术指标较第一代明显提高，具较完善保护特性，体积缩小，结构 上适应成套设备的要求；90年代开发的第三代产品，主要开发主要系列，跟踪国外先 进技术，如DW45等，其特征优势明显，但此类产品市场占有率极低。由此看来，促进 我国低压电器设备总体水平的提高已刻不容缓，而促进新一代低压断路器的发展与推 广是提高我国低压电器设备总体水平的必然途径。 第 2 章 永磁欠压脱扣器的现状与改进 6 第第 2 2 章章 永磁脱扣器的现状与改进永磁脱扣器的现状与改进 2.12.1 脱扣器国家标准浅析脱扣器国家标准浅析 欠压脱扣器是低压断路器的关键元件之一，在现行国家 14048.2-2008 文件中对脱 扣器有以下标准。 1.型式型式 （1）分励脱扣器； （2）过电流脱扣器： 1）瞬时的； 2）定时限的； 3）反时限的： 与原先的负载无关； 与原先的负载有关（例如热式脱扣器）。 （3）欠压脱扣器（作断开用）； （4）其他脱扣器。 2.特性特性 （1）分励脱扣器和欠压脱扣器（作断开用）： 额定控制电路电压（Uc）； 电流种类； 额定功率（指交流）。 （2）过电流脱扣器： 额定电流（Im）； 额定频率（指交流）； 电流整定值（或整定值的范围）； 时间整定值（或整定值的范围）。 过电流脱扣器的额定电流是指在实验条件下能够承载相应于最大电流整定值的电 流值（如是交流，则为有效值），在此条件下，温升规定值。 3.过电流脱扣器的电流整定值过电流脱扣器的电流整定值 对于具有可调式脱扣器的断路器，电流的整定值（或电流整定值的范围）应标明 在脱扣器上或标明在刻度板上。该标志可直接用安培数或电流值的倍数标明在脱扣器 上。 对于装有不可调脱扣器的断路器，标志可标在断路器上。如果过载脱扣器的动作 特性符合要求时，则在断路器上标明它的额定电流（Im）即可。 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 7 在由电流互感器间接动作的脱扣器的情况下，标志可以标明锁供给的电流互感器 的初级电流或标明过载脱扣器的电流整定值。不论怎样标明，都应该说明电流互感器 的变比。 除非另有规定： 过电流脱扣器的动作值除热式外，系指在-5+40的范围内与周围空气温 度无关； 对于热式脱扣器，规定的动作值则指在基准温度为+302。制造商应规 定周围空气温度变化的影响。 4.过电流脱扣器的脱扣时间整定值过电流脱扣器的脱扣时间整定值 （1）定时限过电流脱扣器 这种脱扣器的延时不取决于过电流。如果延时是不可调，则脱扣器时间整定值就 应当用断路器的断开时间，以秒（s）为单位表示，如果延时是可调的，则脱扣时间整 定值就应以断开时间的最大值和最小值表示。 （2）反时限过电流脱扣器 这种脱扣器的延时取决于过电流。时间-电流特性应以制造商提供曲线形式给出， 这些曲线应表明从冷态开始的断开时间与脱扣器动作范围内的电流变化关系，制造商 应以适当的方式致命使用这些曲线的允差。 这些曲线均应给出最大和最小电流整定值，如果给定的电流整定值的时间整定值 是可调的，则建议这些曲线中还需给出每个最大和最小时间整定值。 2.22.2 常见欠压脱扣器分析常见欠压脱扣器分析 2.2.12.2.1 工作原理工作原理 常见电压脱扣器是将欠电压继电器或脱扣器与开关电器组合在一起，当外施电压 下降，甚至缓慢下降至额定电压的 70%35%范围内，与开关电器组合一起的欠电压 继电器的脱扣器应动作，使电器断开。 2.2.22.2.2 设计缺陷设计缺陷 目前使用的欠压脱扣器多是电磁型的，虽然它在断电的时候能实现自动复位。但 其线圈无论脱扣器是否有动作都处于通电中，控制电路始一直处在功率输出状态，且 复位弹簧始终保持在受力状态，线圈发热严重、电子元件容易老化和弹簧早期疲软失 效，这些都是电磁型脱扣器的缺陷。 2.32.3 新型永磁脱扣器的设计理念新型永磁脱扣器的设计理念 新型永磁型欠压脱扣器仅在需要动作时，控制电路输出瞬时功率，驱动线圈完成 第 2 章 永磁欠压脱扣器的现状与改进 8 指令动作，动作完成后就由永磁铁的磁场保持衔铁工作位置，线圈不再通电，永磁欠 压脱扣器不存在复位弹簧，所以不会有线圈发热、电子元件容易老化、弹簧早期疲软 失效的现象。通过设计中加入的备电源，永磁欠压脱扣器即可在断电情况下完成脱扣 动作，并可进行延时脱扣，而且延时时间可调。 新型永磁型欠压脱扣器执行元件将由永磁体、动铁芯、正向绕组、反向绕组组成， 永磁欠压脱扣器执行元件剖面如图2-1所示。将正向吸合用绕组绕在外面，反向释放用 绕组绕在里面。瞬时向线圈通电，带动动铁芯运动到目标位置后，用永磁体磁场保持 动铁芯的工作位置。经大量调查发现这种结构的永磁欠压脱扣器执行元件是符合市场 需求的，且适合大批量生产。 永磁体 正向绕组 反向绕组动铁芯 图2-1 永磁欠压脱扣器执行元件平面图 2.42.4 机械要求机械要求 本设计中要求电磁铁吸合力 F20N，行程为 7mm。 2.52.5 本章小结本章小结 本章对欠压脱扣器的现状做了加深入的分析，通过对两种不同控制形式欠压脱扣 器的比较分析，总结出了永磁欠压脱扣器尚且存在的不足和需要更加优化的地方，提 出了新型永磁欠压脱扣器的设计理念。永磁欠压脱扣器执行元件结构十分简单，所以 新型永磁欠压脱扣器的研究与设计可以从硬件电路和软件方面着手改进。进一步研究 永磁欠压脱扣器对我国低压电器设备发展的推动力是显而易见的，所以研究新一代永 磁欠压脱扣器是十分有必要的。 第 3 章 永磁欠压脱扣器执行元件计算 9 第第 3 3 章章 永磁欠压脱扣器执行元件计算永磁欠压脱扣器执行元件计算 3.13.1 常见导磁材料的分析常见导磁材料的分析 常见的磁系统有两种：硅钢片导磁材料磁系统和整块铁磁材料导磁系统。前者是 可以降低涡流的影响，但会使外部磁轭变厚，外形变大，不适合本设计。本设计选用 后者，采用整块磁材料作为导磁体，可以大幅减小磁轭厚度，涡流对本设计的影响不 大，暂不作考虑。 3.23.2 电磁铁电磁铁的计算的计算 通过对电磁铁的计算可以得到电磁铁的尺寸、所绕绕阻的截面积、总长度等参数， 这些都是后续设计、仿真和实物制作中所必须的参数。 3.2.13.2.1 电磁铁的原始数据电磁铁的原始数据 1.初始吸力 F=20N 即 QH=2.04kg； 2.衔铁的行程H=7mm； 3.容许最大温升 80 ； 4.短时工作制=0.1； 5.电磁铁的工作电压 Ue=220V。 3.2.23.2.2 参数计算参数计算 1.电磁铁的结构系数电磁铁的结构系数 H H Q K （3-1） cmkg/04. 2 7 . 0 04 . 2 5 . 0 由电磁铁结构系数可知电磁铁为螺线管式。查螺线管式电磁铁的最优磁通密度与 线圈尺寸的曲线得 B=4500 高，3 . 4 12 RR l 。 2.衔铁半径计算衔铁半径计算 电磁吸力公式： 2 2 1 2 5000 RB QH （3-2） 根据公式（3-2），可以求得衔铁半径为： 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 10 cm B Q R H 90. 0 14. 3 04. 2 4500 50005000 1 2 2 3.线圈的总磁动势计算线圈的总磁动势计算 CT K B F 4 . 0 （3-3） 其中：KCT取 1.21.55。 试验表明，导磁体内磁动势占电磁铁总磁动势的 10%25%，非工作气隙中的磁 动势占总磁动势的 5%10%时，材料选择最经济。 本设计中取磁导体中的磁势降为气隙磁势的 13%，非工作气隙中的磁势降为气隙 中磁势的 10%。 公式（3-3）中 1-(10%+13%)=0.77 33. 1 77. 0 1 CT K 所以 )(301033. 1 14. 34 . 0 7 . 04500 4 . 0 安砸 CT K B F 4.线圈长度和高度计算线圈长度和高度计算 3 42 2 105 YK Kf F L （3-4） 漆包线+20时的电阻率=0.0175mm2/m。 其他温度时漆包线的电阻率=0.0175KT KT =1+0.004(t-20) 即 80时 KT =1.24 所以漆包线 100时 mcm - /1031. 2 22 散热系数 K 查参考资料可得： 在最大温升 80时 K=1.0710-3W/cm2 填充系数 K f=0.43 3 4 2 2 105 YK Kf F L 22 . 5 8043 . 0 1007 . 1 2 101 . 030101031 . 2 5 3 3 422 - - 线圈外圈半径： cmR1 L R K 11. 29 . 0 3 . 4 22. 5 3 . 4 2 第 3 章 永磁欠压脱扣器执行元件计算 11 线圈高度： 1.21cm0.9-2.11R1-R2H 外部半径： cm0.9RRR29 . 2 11. 23 22 2 2 2 1 5.漆包线直径计算漆包线直径计算 U DF d 4 （3-5） 本设计有正反两个绕组，这里以正向绕组为例。 线圈的平均直径： 2 2 DD D 1 （3-6） D1为正向绕组线圈的内直径，D2为正向绕组线圈的外直径。 cm DD D 1 6 . 3 2 2 . 43 2 2 所以 U DF d 4 mm21 . 0 220 3010036. 01031 . 2 4 2 查漆包线规格表，其直径为 d=0.21mm，带绝缘后的直 d=0.25mm。 6.线圈匝数线圈匝数 W 的计算的计算 2 28. 1 d j F W （3-7） 容许电流密度 j（mA/mm2）： 2 4 Rd U q I j （3-8） 2 50mA/mm 2 21. 012014. 3 2204 所以 （砸）1748 21 . 0 50 301028. 128 . 1 22 jd F W 7.线圈电阻计算线圈电阻计算 线圈平均匝长： mcmDlcp113 . 0 3 .116 . 314 . 3 线圈电阻： 2 20 4 d Wl R cp （3-9） 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 12 116 21 . 0 4 1748113. 0 0175. 0 2 虽然根据设计要求已完成了初步设计，但是由于在初步设计中作了不少简化有些 参数的选择和估计是极其近似的。因此，为了电磁铁的工作可靠起见还需要根据初步 设计的结构尺寸和数据，做进一步详细的验算。 1.电磁吸力 /cm2.06kg RB Q 0.5 H 2 22 2 2 1 2 5000 9 . 04500 14. 3 5000 即吸力 F=20.2N20N 符合设计要求。 2.实际的填充系数 K f LRR qW fK ) 12( （3-10） 漆包线的截面积： 222 035. 021. 0 44 mmdq 45. 0 113. 01748)9 . 01 . 2( 1748035. 0 K f 3.线圈磁势 安砸332117489 . 1 IWF （3-11） 最终设计的电磁铁尺寸如下图 3-1 所示，各个部件及尺寸大小已在图中标注说明。 45mm 18mm 42mm 图 3-1 电磁铁部件及尺寸示意图 第 3 章 永磁欠压脱扣器执行元件计算 13 3.33.3 本章小结本章小结 迄今为止，虽然电磁铁设计的方法种类翻多，但是没有一套既能使设计严谨、准 确，又能使计算简单、方便的设计方法。很大部分参都只能按照以往经验或经典值来 进行选择，再经理论性的复算，最后制作实物样品加以验证才能知道所设计结构参数 是否合理，不合理时还需修改然后再次复算制样。 第 4 章 迅速发展的单片机技术 14 第第 4 4 章章 迅速发展的单片机技术迅速发展的单片机技术 单片机是集成电路芯片的一种，它采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理 能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系 统、定时器/计数器等功能，集成到一块硅片上，从而构成的一个小而完善的微型计算 机系统，广泛的被应用在各个控制领域。 从上世纪 80 年代，由当时的 4 位、8 位单片机，发展到现在的 300M 的高速单片 机。由于在嵌入式系统中单片机在很多方面比专用处理器更适合，所以它得到了广泛 的应用。我国的单片机年容量已达 1-3 亿片，且每年还在以大约 16%的速度增长，但 相对于世界市场我国市场的占有率还不到 1%。随着单片机家族的发展壮大，单片机和 专用处理器的发展便分道扬镳。 现代人类生活几乎离不开单片机，每个电子器件的产品中都会集成有单片机。像 全自动洗衣机、电冰箱、空调等都会利用单片机做自动控制。单片机还是世界上数量 最多处理器。 4.4.1 1 PIC PIC 单片机概述单片机概述 PIC 单片机可以用来开发和控制外围设备。执行具有分散作用，是能执行多任务 的 CPU。与人类相比，CPU 就是大脑，PIC 共享就同人的神经系统一样。PIC 单片机 有计算功能和记忆内存的能力，可以由软件控制运行，是一个小的计算机。然而，相 比计算机而言存储器容量有限， 处理能力也很般。 它的最高操作频率大约都在 20MHz 左右，存储器容量能用做写程序的大约 1K-4K 字节。 PIC 系列单片机具有多方面优势，它从实际出发，在性能与价格方面比较重视， 型号种类多能满足不同的应用要求，比较有针对性，单片不会进行功能堆积。较短的 研发周期和零等待的产品上市。它的指令十分精简，能保证高效率的执行。引脚具有 超强的防瞬态能力，只需通过加装限流电阻即可直接与 220V 交流电源相接，省去隔离 用的光电耦合器灯等，可与继电器控制电路直接相连，应用十分方便。用自带看门狗 定时器进行定时，程序运行的可靠性得到保证。睡眠和低功耗模式节能环保。用保密 熔丝来保护代码，熔丝可在用户烧入代码后熔断。 4.4.2 2 NEC NEC 单片机概述单片机概述 NEC 单片机自成体系，以 8 位单片机 78K 系列产量最高，也有 16 位、32 位单片 机。16 位以上单片机采用内部倍频技术，以降低外时钟频率。有的单片机采用内置操 作系统。 NEC 8 位单片机包括 78K0S 和 78K0 两个系列： 78K0S (8 位)微控制器：操作频率达 10 MHz，这些微控制器是 NEC Electronics 低端产品阵容的代表产品，并且包括 78K0S/Kx1+设备，其封装和 CPU 核都高度紧凑， 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 15 并且提供 RC 振荡器。它们不但价格具有很高的竞争力，其用于嵌入式控制的主要功 能：位处理、LED 端口、可控制的 CPU 速度、子时钟选项、Stop 和 halt 模式，最小指 令周期 200ns；78K0S/KU1+微控制器是一个 10 引脚的(低引脚数)微控制器。其芯片操 作电压范围宽（2.0 V5.5 V），拥有两个内部振荡器（8MHz 和 240 kHz），内置可 编程的低电压指示器，上电清零电路，单电压，自编程闪存，闪存安全保护。 78K0(8 位)微控制器是 NEC Electronics 目前最流行的 8 位微控制器，包括新型 78K0/Kx2 微控制器。这个系列微控制器内部集成了不同的外围设备。78K0/KB2 微控 制器是一个新型 30 引脚通用设备，具有广阔的应用范围。其芯片特点：引导交换功能 （闪存安全保护）、内置 POC（可编程上电清零电路）/LVI（可编程低电压指示器）、 内置 8 MHz 内部振荡器、单电压、自编程闪存、闪存安全保护。 4.4.3 3 AVR AVR 单片机概述单片机概述 AVR 单片机是由 ATMEL 公司的 A 先生与 V 先生利用 ATMEL 公司的 Flash 新技 术，共同研发出 RISC 精简指令集的高速 8 位单片机。在智能仪表和机器人制作等领域 被广泛应用，它在可靠性高，成本低的前提下，使产品功能、精度和质量大幅度提升， 而且电路简单，故障率非常低。AVR 系列单片机有着十分丰富的片内资源更为，强大 接口，同时其价格优势明显，很多场合可以替代 51 系列单片机。 AVR 系列单片机的优势： 1.简便易学，费用低廉。AVR 单片机开发门槛低，AVR 单片机的开发只需会操作 电脑就可以实现。单片机升级方便，可直接在电路板上对程序进行修改、烧录等操作。 再次，AVR 单片机所有的开发应用利用电脑即可进行，无需其他器具，开发成本大大 降低开发成本。程序存储器擦写可达 10000 次以上，无报废品产生。 2.高速、低耗、保密。首先，高速嵌入式单片机 AVR，具有指令预取功能，可在 一个时钟周期内执行完指令。它拥有多个累加器，能快速处理数据。响应中断速度快， 耗能低，对于电池供电的应用设备十分适用于。最后 AVR 单片机保密性好，保密位单 元藏于在芯片内部，连电子显微镜都无法看到的。 3.I/O 口功能强悍，A/D 转换等电路都有。他的 I/O 口是真正的 I/O 口，能真实反 映 I/O 口输入/输出情况。可直接驱动继电器或可控硅 SCR，无需外围驱动器件， 适 用于工业级产品这样大电流的电路。可作为廉价的 A/D 转换器。单片机工作的可靠性 可由重设启动复位得到提高。安全保护由看门狗定时器实现，系统抗干扰能力提高。 4.功能强大的定时器/计数器及通讯接口，8 位和 16 位定时/计数器 T/C，可用作比 较器。 4.4.4 4 本章小结本章小结 单片机已广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式设备等领域中。 第 4 章 迅速发展的单片机技术 16 对现代社会的生产、生活影响巨大。单片机具有体积小，可嵌入性强，便于开发和生 产便携式产品。单片机的系统简单、可靠、可编程、可控制能力强。为了更加明晰的 对三种典型小封装单片机主要性能进行对比，总结出了表4-1。 表4-1 三种典型小封装单片机的性能 ROM RAM 电源电压 A/D(转器) 引脚数 AVR 4KB 64字节 1.8V5.5V 10位4通道 8个 PIC 2KB 64字节 2.0V5.5V 10位4通道 8个 NEC 4KB 128字节 2.2V5.5V 10位4通道 10个 不同类型的单片机有着各自不同的突出点，多种类的单片机为实际生产生活中的 使用提供了广阔的选择空间，在实际生产生活中我们可以通过实际的需求选择最适宜 的单片机。 第 5 章 永磁欠压脱扣器硬件电路设计 17 第第 5 5 章章 永磁欠压脱扣器硬件电路设计永磁欠压脱扣器硬件电路设计 5.15.1 技术指标与参数技术指标与参数 1.技术指标技术指标 本课题按照现行国家 14048.2-2008 文件标准设计，即电源电压下降到额定电压的 70%Ue35%Ue时，欠电压脱扣器能使断路器脱扣。电源电压低于额定电压的 35%Ue 时，欠电压脱扣器能保证断路器不合闸。当电源电压达到额定电压的 85%Ue110%Ue 时，欠电压脱扣器能保证断路器正常工作。 本论文将以 220V 电压结合普遍情况进行永磁欠压脱扣器的分析、设计与研究。 2.主要参数主要参数 其主要考核技术指标为： 1）额定电压 Ue：220V20%； 2）吸合点电压 0.8Ue，动作准确度2V； 3）脱扣点电压 0.5Ue，动作准确度2V； 4）额定电压脱扣力 20N； 5）最小可动作间隔时间：0.3s。 永磁欠压脱扣器动作电压参数曲线如图 5-1 所示。 图 5-1 永磁型欠压脱扣器动作电压参数曲线 5.25.2 系统原理框图设计系统原理框图设计 永磁欠压脱扣器的主要原理框图如图5-2所示。本设计主要由单片机、EMC抗干扰 电路、全波整流电路、信号采样电阻R1和R2、电源电路 、延时时间拨码开关组( T ) 动作线圈驱动电路七大部分组成。 电网输入电压（220V）从L、N端输入，经电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility,EMC）电路抗干扰抑制处理后，形成二次电源（L1、N1）。 L1经BG1全桥整流后形成直流脉动电压，由R1、R2组成的采样电路经分压得到采 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 18 样信号SA送至单片机。直流脉动电压经D1隔离后向电容器C1充电，构成电磁铁的工作 电压。 二极管D0接L1，半波整流后向电源电路供电，经电源电路产生15V的线圈驱动电 压和VCC为+5V的单片机供电电压。电源电路同时经过RB向备用储能电容器CB充电。 当电路失电时， 用电容器CB经二极管DB向电源电路供电，可维持单片机和释放驱动电 路一段时间的正常工作。 三位拨码开关可把用户设置的脱扣延时时间送至单片机， 来达到延时脱扣的效果。 220V D0 BG1 R1 R2 15V Vcc SA C1 VH 正向绕组 反向绕组 L1L2 N 动作线圈驱动 单片机 电源电路 T D1 D3D4 EMC 电路 L N L1 N1 RB DB CB 图 5-2 欠压脱扣器原理图 5.35.3 主电路设计主电路设计 主电路是介于电源电路和控制电路之间的脱扣器执行指令动作执行电路。 5.3.15.3.1 主电路设计主电路设计 图 5-3 主电路和储能电容简化电路图是对图 5-2 的简化，包括 C1、永磁电磁铁线 圈（等效成 LD和 RD串联）与地。 当电网欠压时，来自电网整流后的电流 ip和 C1 中的放电电流 iC叠加，形成线圈 电流 iL。当电网电压断电（失压）时，iC=iL。考虑失压时要求欠压脱扣器可靠脱扣， C1 需要提供保证永磁脱扣机构走完行程的功率，实现完整的释放动作。 图 5-3 主电路和储能电容简化电路 当电网电压断电时线圈动作电压均由电容提供，本设计中利用电容一阶放电提供 第 5 章 永磁欠压脱扣器硬件电路设计 19 线圈的动作电压。 电容一阶放电公式为 t c euu 0 ， 其中 u0为 220V， uc=0.368u0=80.96V， 线圈通电时间为 t=20ms，释放线圈电阻为 RD=80，代入求得=0.02。电容 0.25mFF R C - 4 105 . 2 180 02. 0 。考虑电容体积问题，在后续设计中可加入限流电阻 减小电容的体积来减小整个设计的体积。 5.3.25.3.2 单片机选择单片机选择 针对本次设计的永磁欠压脱扣器而言，计算量不是很繁重，控制任务不是很复杂， 采用8位单片机即可。侧重考虑芯片是否带A/D转换功能，是否具有低功耗特性、体积、 功耗以及适用温度范围等。通过上述比较，选用NEC系列单片机可满足要求，明显缩 短研发周期。本设计选用UPD78F9202单片机进行研究与设计。此单片机为低功耗、适 应大温度范围提供了保证。 1.UPD78F9202 系列单片机的特点系列单片机的特点 1） 指令最短执行时间可以在高速(0.2us)和低速(3.2us)之间改变(系统的操作频率为 10 MHz)； 2）8个8位通用寄存器； 3）4KB的程序存储器(Flash存储器)容量ROM和128字节的数据存储器(内部高速 RAM)容量； 4）内置上