硕士学位论文-双稳态永磁操动机构电磁缓冲技术

摘 要论文针对双稳态永磁操动机构分合闸操作的末速度很大，机械冲击力也很大，对永磁操动机构的机械寿命极为不利，目前的永磁操动机构采用在分闸位置加装缓冲弹簧减小分闸冲击力，而在合闸时则利用真空断路器触头弹簧实现缓冲。这种解决方法面临的问题是缓冲弹簧的强度和分闸功或合闸功存在的矛盾。在深入分析了双稳态永磁机构的静态磁场耦合模型、动态特性的基础上，初步得出了永磁机构电感、通电电流与动铁心运动时间之间的关系以及永磁机构动铁芯位移、速度等参量与时间的关系。根据机构电磁特性，提出通过在合适的分合闸位置施加适当时间的反向激磁的电磁缓冲技术来减少机械冲击，同时，还能够适当避免采用弹簧实现缓冲时由弹簧自身故障带来的问题。通过使用ANSYS软件建立永磁操动机构模型，进行仿真，理论上证明反向激磁确实能够起到了缓解机械冲击的作用，同时通过实验也验证了采用电磁缓冲技术的反向激磁对永磁操动机构分合闸起到缓冲作用的可行性。实验结果表明，在不同的分合闸位置施加反向激磁以及不同的激磁作用时间会产生不同的缓冲效果，该技术能够改善分合闸性能并提高永磁机构寿命。关键词：双稳态永磁操动机构 ；电磁缓冲 ；反向激磁 ；缓冲弹簧 ；- I -目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题的研究目的和意义11.2 课题的研究背景11.2.1 真空断路器的操动机构发展21.2.2 永磁操动机构的国内外发展状态31.2.3 永磁操动机构的控制单元41.2.4 永磁操动机构的智能控制41.3 本文的主要工作和章节安排52 双稳态永磁机构原理62.1 传统操动机构与永磁机构的比较62.2 双稳态永磁机构的结构及工作原理72.3 双稳态永磁机构的磁路分析102.3.1 磁路分析102.3.2 永磁机构的始动安匝123 永磁机构电磁分析和电磁缓冲技术的提出143.1 永磁机构的建模143.1.1 永磁机构静态磁场模型143.1.2 永磁机构动态分析的数学模型及求解173.2 永磁机构真空断路器动态特性分析213.2.1 动态特性223.2.2 吸力特性253.3 永磁机构电磁缓冲技术的提出264 缓冲控制部分设计284.1 控制部分硬件结构284.2 电容充电电路设计294.3 电容电压检测电路设计304.4 分合闸线圈驱动电路设计314.5 IGBT驱动电路设计334.6 位移传感器的选择344.7 微控制器电路设计354.7.1 单片机性能介绍354.7.2 ATmega16单片机最小系统电路364.8 基准电压源电路设计394.9 软件总体结构设计414.10 电容充电程序设计434.11 缓冲控制程序设计445 操动机构缓冲控制ANSYS仿真分析455.1 ANSYS软件简介455.2 操动机构建模455.3 施加载荷和求解505.4 操动机构的静态特性分析506 双稳态永磁操动机构电磁缓冲实验556.1 实验核心器件说明556.1.1 加速度传感器556.1.2 牵引力电磁铁566.1.3 双稳态永磁操动机构模拟装置576.2 实验方案586.3 实验结果分析606.4 实验结论63结 论64参 考 文 献65作 者 简 历68学位论文数据集70- III -1 绪论1.1 课题的研究目的和意义矿用高压隔爆开关是矿山企业电力系统中十分重要的电气设备。它起着开断和关合正常与故障线路的作用，其操作性能对电网的安全、稳定及经济运行至关重要。经过调查，矿山用6KV隔爆高压真空开关中目前主要使用弹簧操动机构。80%的开关故障来源于操动机构失效。若将永磁操动机构应用于这类开关中就能很好的解决机构失效问题，降低故障率，实现免维护。研究基于永磁操动机构的隔爆开关对于保证供电的可靠性、稳定性，改善供电的质量，切实提高企业的经济效益和工作效率具有重要的意义。随着配电自动化功能不断的完善以及遵循功能下放的原则，配电自动化开关设备仅仅实现简单的合闸和分闸功能是不够的。本文研究的控制技术还包括对断路器动、静触头在控制系统作用下，使电力设备能够在对自身和系统冲击最小的情况下投入运行的控制技术，这就涉及到断路器动触头运动规律与其操动机构特性的关系。由于传统的真空断路器操动机构(电磁式和电动弹簧式)是由复杂的传动机构组成机械系统，其运动时间分散性大、运动可控性差、响应速度慢，因此很难实现对机械运动精确的控制。永磁机构通过将电磁机构与永久磁铁的特殊结合来实现传统断路器机构的全部功能，其最大的特点在于它无须传统的脱扣和锁扣装置即可实现机构的终端位置保持功能。永磁机构动作部件少，中间转换和连接机构也少，这大大减小了动作时间的分散性和不可控性，并且机构的所有动作都能电控，因此永磁机构为断路器实现本身的智能控制提供了可靠的操动机构，为减小机构繁琐的零件损坏，提供了平台，电磁缓冲技术的的思想也是在永磁操动机构的基础上提出来的，对降低机构的机械冲击和减小触头弹跳引起的触头烧蚀损坏具有一定的意义。1.2 课题的研究背景自1961年美国GE公司研制成功第一台真空断路器以来，真空断路器的技术水平迅速提高，其中，随着新触头结构及材料的研制，真空断路器的开断能力不断提高，真空断路器作为控制和分配电能用的开关元件越来越广泛地应用于电力系统，并在中、高压领域保持着主导地位。真空断路器由于其真空电弧无与伦比的特性，使其电寿命大大增加。同时，其机械寿命也从传统的两千次跃增为几万次，因此，与其配合的操动机构的机械寿命及可靠性就成了较为突出的问题。高压开关的一个最基本性能就是机械可靠性，电力运行和试验站的故障统计中表明，我国高压开关最突出的问题就是机械和绝缘问题，这与发达国家相比较为落后，在发达国家的先进公司，现在都纷纷提出并推出新一代免维护的电器产品。我国高压开关设备要真正做到产品免维护仍然很困难，实际上，在产品设计上尽可能地简化结构，最简化的产品结构也就是最可靠的产品。1.2.1 真空断路器的操动机构发展断路器的全部使命，归根到底是体现在触头的分、合动作上，而分、合动作又是通过操动机构来实现的，因此操动机构的工作性能和质量的优劣，对高压断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。开关设备的操动机构需要较多的机械零件配合组成，这不仅成本高，而且可靠性不足，因为故障率上升的可能性是和零件的数量成正比的。弹簧操动机构是利用己储能的弹簧为动力使断路器动作的操动机构。弹簧储能通常是由电动机通过减速装置来完成。整个操动机构大致可分为弹簧储能、维持储能、合闸与合闸维持和分闸四个部分。弹簧操动机构的优点是不需要大功率的直流电源，电动机功率小，交直流两用，适宜交流操作；其缺点是结构比较复杂，零件数量多(约为200个)，且要求加工精度高，制造工艺复杂，成本高，产品的可靠性不易保证。靠电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构，电磁操动机构的优点是结构简单，零件数量少(约为120个)，工作可靠，制造成本低，但其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，因而要求用户配备价格昂贵的蓄电池组，加上电磁机构的结构笨重，动作时间较长。真空断路器之所以如此迅速发展的原因，是在于其真空灭弧性能的优异，沿用传统断路器操动机构来驱动真空断路器显然很难体现出其高寿命、高可靠性的优点，因此需要结构高度简化、节能和高可靠性的机构来满足真空断路器的驱动要求。在弹簧机构和传统电磁操作机构优点的基础上，克服其不足，将永久磁铁应用在操动机构中，设计中使真空断路器分合闸的位置保持通过永久磁铁来实现，取代了传统的锁扣装置。这种磁力机构包含永久磁铁和分闸、合闸控制线圈，当合闸控制线圈通电后，它使动铁心向下运动，并通过永久磁铁保持在合闸位置；当分闸控制线圈通电后，动铁心向反方向运动，同样通过永久磁铁将它保待在另一个工作位置即分闸位置，即该机构在控制线圈不通电时它的动铁心有两个稳定工作状态，合闸与分闸，也称双稳态电磁机构。这种机构的特点是：（1）其吸力特性可以较为理想的满足真空灭弧室的工作需要。（2）永久磁铁与分、合闸控制线圈的结合，解决了合闸时需要大功率能量的问题，因而磁系统结构尺寸比普通电磁机构减小了，分、合闸控制线圈电流也小。（3）操动机构无需机械锁扣和辅助的电器，机械动作可靠性大大提高，能实现免维护，节省维修的费用。永磁机构包含两部分：一是机构的本体；二是电源和控制的部分。前者主要是电磁系统及与之相关的机械部件，后者则是驱动电源、工作电源及控制单元。二者相辅相成，任何一个环节设计的不当或成本偏高都会对其综合的性能产生影响。若一味追求机构本体小型化，而未加以优化，则难以输出足够高的分、合闸速度，即便可以使用，也将会增大分、合闸线圈电压和电流，加大电源和控制单元负担，增加电源和控制单元的成本，又影响产品的经济指标。如果机构本体已经被优化，而电源及控制部分功能不完善、可靠性不够高，同样会影响产品的整体性能。因此，在设计上，必须从整体出发，机构本体和控制单元二者兼顾，以保证产品的技术和经济性能。1.2.2 永磁操动机构的国内外发展状态永磁操动机构诞生于1997年。它采用一种全新的工作原理和结构，将电磁机构与永久磁铁有机地结合起来，克服了合、分闸位置机械脱扣、锁扣装置动作不可靠的不利影响，并利用电子技术、电力电子技术和计算机控制技术完善控制单元。同年，由ABB在英国和美国的工程师联合开发了一种新型的VMI型真空断路器，采用仅有7个活动元件组成的磁力驱动装置代替有数百个零件组成的传统机构。其分合闸位置均靠永久磁铁的磁能保持。采用这种无磨损的真空断路器机构在其10万次的操作寿命中不用维修，是传统的真空断路器寿命三倍，可节省维修费用。VMI的创新还包括将真空灭弧室用环氧树脂完全浇注形成一体，这样可不受外界因素的影响。真空灭弧室额定短路开断电流的次数为100次。VMI真空断路器的额定电压目前为12、17和24kV，额定电流为630A或1250A，额定短路开断电流为20KA或25kA。荷兰Holec的MMS型真空断路器采用永磁操动机构驱动，其短路开断电流为31.5kA。该操动机构，合闸、合闸保持和分闸的磁路是分开的，且只有真空灭弧室的合闸位置是靠永久磁铁保持的，机构的终止位置是分闸位置，其分闸动作基本上是被动的，不需要提供额外的能量，仅靠触头弹簧和分闸弹簧的力，通过分闸线圈使之释放能量。MMS型永磁机构的结构非常简单，它的组成部件不到15个，特别是还能实现分相的可控操作，在关合容性负载时，可减小涌流，在分闸时可减小过电压，且分合闸的时间偏差不超过lms。永磁机构自问世以来，国内很多研究单位和高等院校都做了大量相关工作，许多厂家已完成了对永磁机构及其断路器或接触器的开发及试验，并通过了样机鉴定。永磁机构的本体较为简单，其设计要点是结构优化，凭借现有的电磁场数值计算分析软件，这一点较易实现。但为保证永磁机构能的可靠工作，必须要有一个直流驱动电源(一般是充电电容器)和负责分、合闸线圈通断的控制单元。直流电源和控制单元的功能、成本和可靠性一直是大家关注的焦点，也是影响永磁机构发展和推广的重要内在因素。其发展方向是提高可靠性及降低成本。1.2.3 永磁操动机构的控制单元永磁机构的控制单元包括电源及控制部分等。从目前国内外的情况看，永磁机构电源大致有以下几种：一是采用储能电容器对分、合闸线圈放电；二是直接使用高能量锂电池；三是在有条件的电站，直接使用站内直流电源。在以上三种方式中，永磁机构分、合闸线圈的电流大小对电源有直接影响，特别是对前两种情况影响更为的显著。线圈电流大小直接影响电容器及锂电池的体积、成本和可靠性。如电流较大、电压较高，则电容器容量大、耐压高，由此会带来体积大、成本高等问题，甚至当电流、电压超过一定范围后，锂电池供电方案不再可行。对于分、合闸线圈切换，国内外主要采用以下的两种方式：一是使用电子的控制单元和电力电子器件对机构分、合闸线圈进行切换；二是使用传统的直流接触器对分、合闸线圈进行切换。从各个不同厂家产品来看，电子控制单元的抗干扰已经不再是主要问题，只要采取相应的技术措施，并筛选及选用一致性好的优良器件，抗干扰问题不难解决。目前主要问题集中在分合闸线圈的切换上。在关断功率器件和控制线圈时，由于感性电流在线圈和器件两端产生较大的自感电势，有时会损坏器件，造成事故。因此在元器件的选用与匹配等方面，仍然有许多工作需要解决。电容器寿命也是大家关注的热点，这也可能是影响永磁机构发展的一个重要障碍。受容量影响，目前在大多数的场合，电容器都采用电解电容，而其电解液将随时间劣化，导致电容器绝缘的电阻降低、漏电流增大、寿命缩短。电容器劣化的速度与温度是密切相关的，一般温度在105时，其平均寿命约为2000h，但当其工作温度降低50(即55)后，其寿命可达到10年以上。因此控制单元设计时，应该采取有效措施降低电容器的工作温度，最好使其长期工作在50附近左右，这样可使其使用寿命超过10年，足可满足一般的电力用户需要。1.2.4 永磁操动机构的智能控制随着现代电子技术的发展，利用微电子技术和计算机技术不但可以使断路器通过测量某些参数和监测自身的状态来及时发现故障隐患，而且可以对电力系统参数进行自动采集、处理和故障识别，并根据预先确定的程序自动切除故障。除此之外，还可实现断路器与中央控制计算机的双向通信，构成智能化监控、保护、信息网络系统，使断路器从基本的保护单元发展到能够实现数据监控、处理、联网和远程控制的智能保护单元。对于断路器的这种智能化趋势，国际上提出了“智能断路器”(Intelligent Circuit Breaker)的概念，国内也提出了断路器智能化的概念。相关的新产品中较典型的有适应于中压系统(10-36KV)的“智能开关模块”Intelligent Switching Module)，这无疑是断路器的智能控制方面取得的重大进步。1.3 本文的主要工作和章节安排本文主要进行双稳态永磁操动机构电磁缓冲实验研究，在设计了永磁操动机构控制器的基础上，提出电磁缓冲实验方法以及用ANSYS仿真给出理论根据，又通过研制实验机。初步实验得出部分结论。论文的章节安排如下：本文共分七章。第一章介绍了国内外高压真空断路器智能控制技术的研究现状，指出了课题的来源和研究的意义，介绍了本文的主要研究内容。第二章介绍了双稳态永磁机构的工作原理，分析了双稳态永磁机构的结构和磁路。第三章描述了永磁机构的静态磁场耦合模型、动态分析数学模型和真空断路器的动态特性，提出并分析了电磁缓冲技术。第四章给出了电磁缓冲技术缓冲控制部分的总体设计方案，详细说明了控制系统各硬件模块的作用及功能。按控制过程及实现实现，对软件模块进行了设计和说明。第五章通过ANSYS仿真软件，建立机构模型，仿真分析了永磁操动机构电磁缓冲的缓冲效果及可行性。第六章对永磁机构进行了电磁缓冲合闸试验研究，记录并分析了试验现象，结束语总结了论文的工作和研究成果，并对课题的进一步发展提出了展望。2 双稳态永磁机构原理2.1 传统操动机构与永磁机构的比较断路器全部的使命，归根到底是体现在触头的分合动作上，而分合动作又是通过操动机构来实现的，因此操动机构的工作性能和质量的优劣直接影响了高压断路器的工作性能和可靠性。从国际、国内断路器故障的统计数字来看，断路器机械故障占大多数，高达故障的70%。因此，为了提高断路器可靠性，有必要研制新的操动机构。传统的真空断路器操动机构有电磁式和电动弹簧式两种。靠电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构。电磁操动机构在真空断路器发展初期得到了广泛的应用，这是由于电磁操动机构较好的迎合了真空灭弧室的要求:一是开距小(825mm)，二是在合闸位置需要大的操作力(20004000N/相)。其零部件数量约为120个，工作可靠，制造成本低。但电磁操动机构也有不容忽视的缺点：磁路电感L在合闸的过程中变化较大，产生反电动势，从而抑制合闸线圈动态电流的增长，并且这种抑制作用随着合闸速度的增加而增强。这样，当线圈稳态电流己经较大时，若想用提高线圈稳态电流的方法来抵消这种抑制作用，经常受到合闸电源容量的限制。因此，采用电磁操动机构来提高真空断路器合闸速度是有限的。另外，直流电磁操动机构合闸的时间较长，电源电压的波动对合闸速度影响较大。因此传统的电磁操动机构一般用于对速度要求较低的12KV等级以及分合闸速度要求不太高的40.5KV等级真空断路器中。传统电磁机构的最大缺点是操作电流大，因而要求用户配有价格昂贵的蓄电池组，使用很不方便。弹簧操动机构是利用己储能弹簧为动力，使断路器动作的操动机构。弹簧储能通常是电动机通过减速装置来完成。整个操动机构大致可以分为弹簧储能、维持储能、合闸与合闸维持、分闸这四个部分。相比之下，弹黄操动机构可以采用手动或小功率交流电动机储能，其合闸力不受电源电压的影响，相当恒定，既能够获得较高的合闸速度，又能实现快速的自动重合闸操作，在一定程度上克服了电磁操动机构缺点。但是弹簧操动机构也存在以下不足之处：完全依靠机械的传动，零部件数量多，一般的弹簧操动机构有约200个零件，且传动机构较为复杂，故障率较高，运动部件多，制造工艺要求较高。永磁机构是近年来发展起来的一种新型的操动机构。这种操动机构将电磁机构与永久磁铁特殊的结合在一起，利用永久磁铁产生的磁力将真空断路器保持在合闸位置或分闸位置，而无须任何传统脱扣和锁扣装置。该机构输出的力特性可以设计到很接近真空断路器的负载特性，因此可以直接与灭弧室相连。该机构体积小、零部件数量少、结构简单，大大提高了断路器的机械可靠性。ABB公司研制生产的VMl型配永磁机构的真空断路器机械寿命达10万次，而采用传统的操动机构很难达到这一指标。2.2 双稳态永磁机构的结构及工作原理典型的双稳态永磁机构的结构原理简图如图2.1所示。1静铁心 2动铁心 3,4永磁体 5合闸线圈 6分闸线圈 7驱动杆图2.1 双稳态永磁机构结构原理图Figure 2.1 Schematic diagram of bi-stable permanent institutional structure从图中可以看出，永磁机构共由7个主要零件组成:1为静铁心，为机构提供磁路通道;2是动铁心，是整个机构中最主要的运动部件;3, 4为永久磁体，为机构提供保持时所需要的吸力;5,6是合闸线圈和分闸线圈;7为驱动杆，为操动机构与断路器传动机构之间的连接纽带。当断路器处于分闸或合闸位置时，线圈中无电流通过，永久磁铁利用动、静铁心提供的低磁阻抗通道将动铁心保持在上、下极限的位置，而不需要任何的机械联锁。当有动作信号时，分闸或合闸线圈中的电流产生磁动势，动、静铁心中的磁场由线圈产生的磁场与永磁铁产生的磁场叠加合成，动铁心在合成的磁场力作用下上下运动，并通过传动杆和传动机构推动断路器本体动触头运动，完成分合闸任务。动铁心在行程终止的两个位置，不需要消耗任何能量就可以保持。而传统的电磁操动机构，动铁心是通过弹簧的作用被保持在行程一端，而在行程的另一端，靠的是机械锁扣或电磁能量进行保持。由上述可知，永磁机构是由将电磁铁与永久磁铁特殊结合，来实现传统的断路器操动机构的全部功能：由永久磁铁替代传统的脱扣和锁扣机构来实现极限位置的保持功能，由分合闸线圈来提供操作时所需能量。双稳态永磁操动机构的原理如图2.2所示。其静铁心1的中部镶着永磁体4和5,两个永磁体同名磁极向着中心，永磁体的上方和下方分别安装着合闸线圈6和分闸线圈3，动铁心2位于永磁体和静铁心上下磁极之间，动铁心的驱动杆9穿过静铁心。此驱动杆可直接用来驱动断路器的合闸或分闸运动。1静铁心 2动铁心 3分闸线圈 4,5永磁体 6合闸线圈 7下磁极 8上磁极 9驱动杆I永磁体磁场 II合闸励磁磁场 III分闸励磁磁场图2.2 双稳态永磁机构操作过程原理图Figure 2.2 Bi-stable permanent magnetic actuator operation schematic动铁心理论上有三个平衡状态：一是动铁心位于静铁心的最上方，动铁心上端与静铁心上磁极接触，见图2.2中左上角(a)分闸状态图。其二为动铁心位于静铁心的最下方，动铁心的下端与静铁心的下磁极7接触，见图2.2左下方(c)合闸状态图。在分闸状态，永磁体通过上部磁路的磁阻很小而通过下部磁路的磁阻因为气隙很大而很大。永磁体的磁通绝大部分通过上部磁路，将动铁心牢牢地吸在静铁心的上磁极8上。在合闸状态时，和分闸状态相反，永磁体通过下部磁路的磁阻很小，磁通集中在下部磁路，动铁心被吸在下磁极7上。第三个平衡的状态是对于上下结构对称的状态，动铁心位于静铁心中部，永磁体通过上和下部空气隙的磁阻完全相等，静铁心上和下端受静铁心的吸力完全相等，动铁心处于平衡状态。但这不是一种稳定平衡，只要上下气隙有微小的变化，就会破坏这种平衡，过渡到第一种或第二种平衡状态。所以动铁心实际上只存在两种平衡状态，即分闸状态和合闸状态。正因如此，图2.2所示的这种双线圈的永磁操动机构称作双稳态永磁操动机构。当双稳态永磁机构处于合闸位置时，永磁体产生的磁力线的分布见图2.2中(b)合闸状态图中a所示。要让其分闸，只要在分闸线圈中通直流电流，该电流产生的磁力线方向与永磁体在静铁心下端的磁力线方向相反，如图2.2分闸过程图中的回线c。分闸线圈中电流所产生的磁场使动铁心所受的吸力减小，当此电流增大到一定的值时，动铁心所受的吸力之和小于动铁心上的机械负载(如作用在动铁心上的触头压力，其方向与永磁体的吸力相反)，这时动铁心就将会向上运动。只要动铁心向上运动，动铁心下端与静铁心下磁极之间就会出现空气间隙，下端磁阻增大，上端磁阻减小。静铁心的下磁极对动铁心的吸力减小，上磁极对动铁心吸力增大。动铁心由下向上的合力增大，使动铁心加速向上运动。这一过程一直会持续到动铁心上端与静铁心的上磁极接触，直到完成分闸的动作为止。这时，动铁心重新被永磁体吸合住，处于稳定状态，即使切断分闸线圈的电流，动铁心也不会恢复到合闸状态了。合闸过程和分闸过程正好相反：在合闸线圈中通电(见图2.2合闸过程图)，线圈电流在上部间隙中产生反磁场，动铁心上受到的总吸力减小，当吸力小于动铁心的机械负荷时动铁心向下运动，最后达到合闸位置，动铁心重新为永磁体吸合。切断合闸线圈电流后，动铁心仍然保持在合闸位置，合闸过程结束。永磁体在受到强烈的反向磁场作用时，其磁性能会降低，这就是永磁体的退磁。双稳态永磁机构无论是在合闸还是在分闸过程中，线圈电流产生的外磁场在永磁体上总是与永磁体自身磁场的方向相同。文献19证明双稳态永磁机构磁系统在工作中无怯磁效应，永磁体没有退磁的危险。2.3 双稳态永磁机构的磁路分析2.3.1 磁路分析双稳态永磁机构的磁路图如图2.3所示，这是永磁机构的一种典型磁路。磁路中的磁动势为，磁阻组成钕铁硼永磁体的等效磁路，由于钕铁硼材料的去磁曲线基本上是一直线，因此与取常数，其中I为线圈电流。为线圈匝数。图2.3 双稳态永磁机构磁路Figure 2.3 Bi-stable permanent magnetic actuator magnetic circuit磁路中上下两个控制线圈的安匝数分别设为和，上下两个工作气隙的磁阻和均可表示为（2.1）式中,为空气的磁导率,为磁极的面积,为空气隙的长度,当动铁心位于两个极端位置时，空气隙的磁阻为和（2.2）（2.3）式中，为最小气隙的长度，为最大气隙的长度，。为了便于求解磁路，假设磁路为线性，采用叠加定理可将图2.3的磁路分解为图2.4三个磁路的叠加。图2.4 双稳态永磁机构磁路的叠加Figure 2.4 Superposition of bi-stable magnetic circuit permanent magnetic actuator在图2.4的三个磁路中，每个磁路的总磁阻分别为（2.4）（2.5）（2.6）由并分离后得出（2.7）（2.8）（2.9）（2.10）（2.11）（2.12）式中，1）当动铁心处在上部吸合位置时，即动铁心的上端与静铁心的上磁极接触。此时要使其合闸，即让动铁心向下运动，就要在合闸线圈中通以电流。因此在通电瞬间，。相应的通过图2.4可得出上下气隙的磁通为：（2.13）将式(2.7)、式(2.8)、式(2.11)、式(2.12)代入得（2.14）（2.15）2）当动铁心处于下部极端的位置时，即动铁心的下端与静铁心下磁极接触，此时要使其分闸，也就是让动铁心向上运动，就要在分闸线圈中通以电流。因此在通电瞬间，。由图2.4可得出上下气隙的磁通为：（2.16）将式(2.7)至式(2.10)代入上式得：（2.17）（2.18）3）当动铁心仅位于静铁心的中部，永磁体通过上部和下部气隙的磁阻、完全相等，动铁心的上端和下端受静铁心的吸力完全相等，但这不是一种稳定的状态，而且动铁心在合闸和分闸过程中都要经过这种状态，并且只要上下气隙稍微变化，就会破坏这种状态，过渡到以上两种状态。另外电流也在变化，因此此处无实际意义上的磁路分析。2.3.2 永磁机构的始动安匝当永磁机构的动铁心处于上部吸合的位置时，即处于分闸状态。要使其合闸，只要在合闸线圈中通以电流，使上部气隙磁通降低，动铁心向上的吸力随之减少；与此同时，下部气隙的磁通增加，动铁心向下吸力增加。当电流增大到一定值时，动铁心所受的吸力之和小于或等于动铁心上的机械负载，这时动铁心将会向下运动。若设，则。因为吸力正比于，所以有（2.19）将式(2.14)、式(2.15)、式(2.17)、式(2.18)代入式(2.19)中，求解值，此值即为动铁心在上部和下部两种极限位置下的始动安匝，1）动铁心位于上端的极限位置，给合闸线圈通电，由此可知，并得出（2.20）2）动铁心位于下端的极限位置，给分闸线圈通电，由此可知，并得出（2.21）3 永磁机构电磁分析和电磁缓冲技术的提出永磁机构高压真空断路器的智能控制一方面包括断路器外围的有关检测、保护、控制、通讯等功能，另一方面包括断路器本身运动方式的智能控制。外围的智能控制的关键在于对电网信号的采集、分析和相应的保护措施，其控制系统不需要建立复杂的模型。但断路器本身运动方式的智能控制技术涉及电、磁、机械的相互耦合作用以及温度、老化等各种干扰的影响，其数学模型的建立比较复杂。本章研究了永磁机构的电、磁、机械运动等数学模型以及断路器的相关模型，并研究了永磁机构真空断路器电磁缓冲控制问题，提出应用于永磁机构的电磁缓冲控制的思想。3.1 永磁机构的建模3.1.1 永磁机构静态磁场模型1）磁场计算模型及电磁场方程永磁机构依赖于机构中的磁场变化来实现分合闸动作以及保持功能，因此对机构中电磁场变化的研究对合理设计永磁机构及其控制系统具有重要的意义。由于机构中存在具有饱和效应铁磁材料，磁导率是感应强度值B的函数，即 （3.1）由麦克斯韦方程组可推得非线形磁场的偏微分方程为：（3.2）式中J为源电流密度，为磁阻率，A为磁场磁矢位。对于研究的方形永磁机构，忽略端面效应时可采用二维的平面场计算，在平面坐标系(x,y)下，式(3.2)可展开为：（3.3）边界条件为：一类边界上=，二类边界上式中，磁场强度的切向分量；边界法向方向的单位向量。采用二维场域计算时，和均只有一个方向的分量。2）永磁体模型的建立由于机构中存在永磁体，磁场计算首先要建立永磁体的数学模型，经预先磁化的永磁体，不但具有剩余磁化强度，而且还能被外磁场磁化，其特性满足 （3.4）式中，为永磁体工作点的磁场强度；为永磁体工作点的磁感应强度；为真空的磁导率；为永磁体的感应磁化强度，是永磁体工作点磁场强度的函数，即 （3.5）式中，为永磁体的磁化系数，它与相对恢复磁导率之间存在固定的关系：将式(3.5)代入式(3.4)得： （3.6）电流与磁场的基本关系表明，任何磁场都可以认为是由分布电流产生的。永磁体有两种电流的模拟方法：一种是在永磁体区内充满电流的模拟，即体电流的模拟;另一种是仅在永磁体边界上存在电流的模拟，即面电流的模拟。用体电流模拟永磁体可以考虑永磁体各向异性的磁特性，可全面考虑整个磁场对永磁体状态的影响和永磁体本身的磁特性。这与实际情况比较接近。但是，这种方法的求解过程比较复杂，而且收敛的稳定性也较差。对于永磁机构采用面电流的模拟更加合适，这是由于永磁机构中永磁体被均匀磁化，永磁体内部点上的及方向都相同，永磁体内的等效体电流密度为零，而在平行于的永磁体侧面上，存在一层等效面电流，这是由于在永磁体与其以外区域的交界面上，出现不连续。等效面电流可用面电流密度来表示： （3.7）式中是永磁体侧面外法向单位向量。在模拟的永磁体等效面电流层与其他媒质的交界处，满足以下交界条件： （3.8）3）永磁机构电磁吸力的数值计算在永磁机构的磁场中，作用在动铁心上的电磁吸力F可以通过计算包围动铁心的任意表面上的应力的面积分得到，即： （3.9）图3.1 动铁心受力计算示意图Figure 3.1 Schematic diagram of dynamic core by the force calculation图3.1为计算动铁心在磁场中受力的示意图。在动铁心周围存在着一层气隙单元。在得出矢量的磁位的离散值后，计算电磁的吸力如下：先确定包围动铁心的积分表面。在选择积分表面时，为提高计算的准确度，积分途径应通过单元中心(这里以三角形元素为例)；计算积分表面穿过的元素中的磁感应强度。对于任何一个三角形单元，三个顶点、处的矢量磁位己求出，则三角形单元上任一点的磁位为。三角形元素的磁感应强度为： （3.10）计算在元素中的表面应力： （3.11）式中，为沿积分表面法线方向的单位向量。总的电磁吸力： （3.12）式中，为元素中沿积分表面途径表面积。方形永磁机构关于图(3.1)所示轴对称，作用在动铁心轴左右的两部分电磁力大小相等、方向相反，在合理设计永磁机构结构的前提下可使方向的电磁力数值很小，对机构动作不会产生不良影响。3.1.2 永磁机构动态分析的数学模型及求解永磁机构动态特性是由电磁和机械综合的过渡过程决定的，或者说是由电磁吸力和负载反力配合过程决定的。研究永磁机构的动态过程的目的在于：一是可以计算机构动作的时间，进而计算开关触头动作的时间及触头运动的速度；二是确定动作过程中吸力与反力的合理配合，使之既能保证动作的可靠性，又能改善机械碰撞，提高电气和机械的寿命。对于断路器而言，为了保证有效的熄弧及不引起重燃，触头动作的速度应适当快些，这就要求在规定的行程下，机构动铁心要有较高的运动速度。但是这也将引起碰撞能量的增加，对电气和机械寿命的提高是不利的。由此可见，加快动作与减轻碰撞两个技术的要求是有矛盾的，必须在研究动态过程中统筹考虑。同时由于永磁机构的行程较大，动静铁心之间的气隙较大，在线圈通电时漏磁在总磁通中占有很大的比例，忽略漏磁的影响将会造成较大计算误差。所以更精确的计算与分析永磁机构动的特性，对合理设计机构并进行机构与开关本体间特性配合具有重要的理论意义和现实意义。1）永磁机构动态特性计算的数学模型对于永磁机构，可以采用两种不同的励磁方式，如图3.2所示。图3.2a为直流电压励磁下的电路简图，3.2b为用充电电容放电时的励磁电路。永磁机构的动态过程，在电路上必须遵循电压平衡方程，在运动上必须遵循达朗贝尔运动方程，在磁场上必须遵循麦克斯韦方程，以及在热路上遵循热平衡方程，这些方程间存在相互的联系，构成了描述动态过程的微分方程组。a) 直流励磁电路 b) 电容放电励磁图3.2 励磁电路Figure 3.2 excitation circuit对于充电电容放电励磁下的机构，其计算动特性的微分方程组见式(3.13）所示。对于直流电压励磁下的机构，计算动特性的微分方程组仅少了方程。 （3.13） 式中，是直流电压，是电容两端电压；分别是线圈电流和电磁系统全磁链；是时间；是系统运动部件归算到铁心处的质量；是动铁心位移；分别为铁心受到的电磁吸力和运动反力，弹簧负载反力是位移的函数，而空气阻力则是速度的函数；是电磁系统的磁能，是的函数；分别为线圈工作温度和周围环境温度；是永磁机构的功耗；是电容的电容量；分别为线圈外径和高度。由上述方程组可以看出，永磁机构动态过程包含着电、磁、热和机械参量的变化，其中以热的变化最小，主要由于动态过程历时极短(一般机构的动作时间为几十毫秒)，电磁系统又存在热惯性，所以项极小，可忽略不计。为此动态微分方程组(3.13)可转换为如下描述机构吸合特性的状态方程组(3.14)： （3.14）式中，为动铁心的运动速度。求解方程组(3.14)可以获得永磁机构的动态特性。2）永磁机构动特性微分方程组的求解忽略铁心中涡流，式(3.14)及其初值条件可以直接用数值法求解，将时间变量离散化，用四阶Runge-Kutta法求解，对每一时间步长可以采用如下的迭代格式（3.15）式中，和分别是内四个不同点上的变化率，它们的计算公式为（3.16）式中， 3）求解电磁场逆问题的算法求解式(3.14)的关键在于求解式(3.15)和式(3.16)问题，而式(3.14)中的变量、是在、以及都是给定的条件下的、的函数。因此，其求解实质是在己知磁系统的磁链和给定衔铁位移的条件下，反求电流及吸力的问题。对于这样一个电磁场反求问题可描述为如下一个一维搜索的数学问题：设 （3.17）求，使（3.18）式中，为已知值，函数为一非线性函数。对于这里需要解决的电磁场反求问题，由于与之间无明确的数学表达式，因而无法用解析的方法求解，只能采用数值解法。可以采用收敛速度较快的牛顿法来求解电磁场逆问题，具体求解算法如下。对式(3.18)可变形为（3.19）设函数 （3.20）于是所要求解的一维搜索问题变为求，使（3.21）采用牛顿法的迭代格式为 （3.22）当步长足够小时，可用下式近似表示（3.23）把式(3.23)及式(3.20)代入(3.22)，可得（3.24）当 (为预先给定的小正数即控制误差)时，迭代终止，以作为近似最优解。3.2 永磁机构真空断路器动态特性分析前面分析了永磁机构电、磁、运动耦合场的方程及求解的方法。在此基础上，对与双稳态永磁机构相配合的真空断路器进行计算和相关的研究，以获得反映断路器动态特性的参数变化规律。对于配永磁机构的断路器，机构的出力特性并不是位移的简单函数，在求解断路器动特性时除了要考虑传动机构的形式外，还必须考虑永磁机构中磁场的变化和对出力特性的影响。也就是说，需在求解耦合场的基础上进行动力学分析才能获得触头的运动特性。对图3.3给出的配永磁机构真空断路器示意图，点划线的左侧为灭弧系统，采用VS1型12KV真空断路器，额定工作电流为3150A,额定短路开断电流为31.5KA,右侧为永磁机构。操动机构的右侧为实验用控制电路原理的简图。图中C为充放电电容，为机构提供激磁能量。、为三个晶闸管开关，控制电路的导通和电流的流向。、为续流用二极管，为线圈电感提供续流通路。为直流电压。1静铁心 2动铁心 3分闸缓冲器 4永磁体 5分闸线圈 6合闸线圈 7出力杆 8拐臂 9固定铰链 10绝缘筒(带灭弧室) 11静触头 12动触头 13触头弹簧图3.3 配双稳态永磁机构真空断路器动特性计算示意图Figure 3.3 The diagram of dynamic characteristics of vacuum circuit breaker With bistable magnetic body calculation图3.3所示断路器处于分闸位置，此时晶闸管处于导通状态，、均处于截止状态。直流电压经过向电容充电。当给晶闸管的基极施加触发信号使之导通时，放电回路则导通，电容经向合闸线圈6放电，机构的动铁心2经由出力杆7、拐臂8和触头弹簧13带动灭弧室动的触头12运动完成合闸的动作。此时去掉触发信号使之截止，续流二极管为线圈中电感储存的能量提供续流通路。同理，当导通时，电容对分闸线圈5放电，使断路器完成分闸的动作。进行图示系统的动特性分析，大致可以分为以下几个步骤：1）进行前期的数据准备。包括触头弹簧、分闸缓冲弹簧的压力特性，机构运动部件质量，灭弧系统运动部件质量，以及传动系统零部件尺寸。2）进行运动部件质量及反力的归算。3）求解永磁机构的动态特性。得出机构出力端位移、速度等参量与时间的关系，以及机构中电流、电感等电磁参量与时间的关系。4）采用动力学分析的方法，求出真空断路器动触头的运动速度。5）对于系统进行实验研究，测出机构中实际的电流以及断路器动触头的运动速度，与理论计算的进行比较，验证计算的准确性。3.2.1 动态特性图3.4 电容励磁下线圈电流随时间变化曲线Figure 3.4 The curve of coil current with time under the capacitive excitation 文献23对配永磁机构的真空断路器从质量归算、反力特性、传动效率等方面的分析与计算，获得了进行动态特性分析所必须的一些相关数据。并将这些数据和励磁回路的各元件参数代入求解动态特性的程序中，求得系统在励磁回路闭合后系统动态变化的过程。断路器分、合闸过程的计算结果如图3.4至图3.7所示。图3.4为分闸过程和合闸过程中线圈电流的变化曲线。比较分闸过程和合闸过程的电流曲线可以看出，由于选取了不同线圈参数(主要差别表现在分闸线圈线径较大，匝数较小)，使得线圈的电阻及电感值存在差别，导致分闸过程的电流峰值比合闸过程的大，且分闸过程的动作时间明显小于合闸的过程。图3.5为机构动铁心位移随时间的变化曲线。图3.6为动铁心运动速度随时间的变化曲线。图3.5 电容励磁下动铁心位移随时间变化曲线Figure 3.5 Under excitation capacitance the dynamic core displacement with time curve图3.6 电容励磁下动铁心运动速度随时间变化曲线Figure 3.6 Under the excitation capacitor moving core velocity with time curve图3.7 电容励磁下线圈电感随时间变化曲线Figure 3.7 Under the excitation capacitance the coil inductance with time curve 图3.7是机构线圈电感值在动作过程中的变化曲线。从图中可以看出，由于合闸线圈匝数较多，线圈静态的电感值大于分闸线圈，所以合闸过程线圈的电流上升过程明显慢于分闸过程。此外，合闸线圈的动态电感也明显大于分闸线圈。3.2.2 吸力特性永磁操动系统有两个磁路，操作时，储能电容器向合闸线圈或分闸线圈放电，使其受电励磁，从而产生电磁吸力来驱动动铁心运动。线圈受控接通后，储能电容器C和线圈自感L及线圈电阻R一起构成一个RLC放电回路。图3.8所示为线圈放电回路的等效电路。如不考虑晶闸管的正向导通压降，电路方程满足（3.25）电路初始条件为图3.8 线圈放电回路的等效电路Figure 3.8 The equivalent circuit of the coil discharge circuit在吸力还未达到足以使动铁心移动之前，式(3.25)中的。根据初始条件，可求出触动阶段线圈电流的变化方程：（3.26）式中，,在动铁心上端，激磁线圈产生的磁通应该与永久磁铁产生的磁通相抵消，这就要求线圈中的电流始终保持在一个固定的方向。图3.9中的oa段为这一阶段电流的增长波形。a点的电流为，这个触动电流在动铁心中产生了刚好能够驱动其运动的电磁力。假如动铁心继续保持不动，线圈中的电流将按式(3.26)中的关系变化，即从a点继续上升，在时刻达到峰值，然后再衰减至零，如图3.9的曲线1所示。而实际上，在时刻后，动铁心就开始移动了，由此会产生一个运动的反电动势。在后，这个反电动势阻碍电流的减小。实际的电流变化波形如图3.9中的曲线2所示。曲线的峰值和上升及衰减速率是由电路的参数、和电容器的充电电压决定的。在动铁心运动过程中，是一个变化量。对一个给定的永磁电磁系统，需要通过对磁路和电路进行复杂的数值计算方能精确的求出。线圈电流按照先扬后抑的趋势为磁系统提供一个脉冲电量，磁路中产生磁通，动铁心受到电磁吸力的作用而运动。其输出吸力特性除了与磁路构造有关外，还与线圈回路的参数及控制过程有关。图3.9 线圈电流的变化曲线Figure 3.9 The curve of the coil current3.3 永磁机构电磁缓冲技术的提出缓冲的字面意思是减缓冲击力。除了真正的冲击力外，缓冲还有抽象的意义。凡是使某种事物的变化过程减慢或减弱进行都可以叫缓冲。那么电磁缓冲即是在此基础上建立起来，也就是说采用电磁力减小机械冲击力，达到减缓冲击的作用，此即为电磁缓冲。我此次研究的双稳态永磁操动机构的电磁缓冲就是基于此种思想，其详细过程如下。由于双稳态永磁操动机构分合闸操作的末速度都很大，机械冲击力也很大，对