（电力系统及其自动化专业论文）基于pwm的同步开关自适应反馈控制系统研究.pdf

西华大学硕士学位论文 论文重点介绍了基于双稳态永磁机构真空断路器的模糊控制器的设计依 据及过程，并利用m a t l a b 建立了同步开关模糊控制系统仿真模型。通过对 系统最终仿真结果的分析，证明了该模糊控制算法的有效性，为进一步研究断 路器同步操作的问题提供了重要数据，为深入研究永磁机构真空断路器的智能 控制理论奠定了基础。 关键词：同步开关永磁机构真空断路器p w m ( 脉宽调制) 模糊控制 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho n a d a p t i v ef e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m b a s e do np w mo f s y n c h r o n o u ss w i t c h i n g e l e c t r i cp o w e r s y s t e ma n d a u t o m a t i o n 、 m d c a n d i d a t e ：w e im i n g s u p e r v i s o r ：f a n gc h u n - e n s y n c h r o n o u ss w i t c h i n g ，a l s oc a l l e dp h a s i n gs w i t c h i n g ，i su s e dw i d e l yi n e l e c t r i c p o w e rs y s t e mt oc o n t r o la n dr e d u c es w i t c h i n gt r a n s i e n t s ，i n c r e a s et h e i n t e r r u p t i n gc a p a c i t yo fs w i t c h e s ，i m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m a n dc u s t o m e rp o w e rq u a l i t y m a n yp e o p l eh a v ep a i da t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fs y n c h r o n o u ss w i t c h i n g t h ep a p e rf o c u s e so np e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o ro fv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r s y n c h r o n o u so p e r a t i o nt e c h n o l o g yp r a c t i c a lp r o b l e me x i s t i n gi np o w e rs y s t e m ， c o m b i n i n g t h e e d u c ，a t i o nd e p a r t m e n to f s i c h u a n p r o v i n c ei m p o r t a n tp r o j e c t r e s e a r c ho np e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o rs y n c h r o n o u ss w i t c h i n gt h e o r ya n d a p p l i c a t i o n ( p r o j e c tn u m b e r ：2 0 0 5 a 119 ) ”，i n t r o d u c e sf u z z yc o n t r o lm e t h o dt os t u d y t h ev a c u u mc i r c u i tb r e a k e rw i t hb i s t a b l ep e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r i ta d o p t s m a t l a br e l a t e dt o o l b o xt os i m u l a t ea n da n a l y z e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n r e s u l t ，s y n c h r o n o u ss w i t c h i n ga d a p t i v ef e e d b a c kc o n t r o l l e rb a s e do np w mi s d e s i g n e d i nt h i sp a p e r ，i ti n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fp e r m a n e n tm a g n e t i c a c t u a t o ra tt h ef i r s t t h e nt h ei n t e l l e c t u a lc o n t r o lt e c h n o l o g yo fv a c u u mc i r c u i t b r e a k e ri sd i s c u s s e dp a r t i c u l a r l y a sac o n t r o lo b j e c t ，t h eb i - s t a b l ep e r m a n e n t m a g n e t i ca c t u a t o ri ss e p a r a t e di n t ob a s i cp r i n c i p l es oa st od e t e r m i n et h en a t u r eo f i i i 支套驰s 羔西华大学硕士学位论文 t h ew h o l e t h ed i r e c t c o u p l e dm o d e l so fm a g n e t i cf i e l d s f o ra n a l y s i sa n df o r c a l c u l a t i o na r ep r e s e n t e d t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e l sa n d d y n a m i cb e h a v i o ra n a l y s i sa n dm a t c h i n ga n a l y s i sf o rt h ev a c u u mc i r c u i tb r e a k e r w i t hb i s t a b l ep e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o ra r ea l s od i s c u s s e d f o raf u r t h e rs t u d y ， f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do ns y n c h r o n i z e d - c l o s i n go p e r a t i o n o fv a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri sa n a l y z e da n dt h er e s e a r c hc o n c l u s i o ni su s e df o r r e a l i z i n gt h es y n c h r o n i z e d c l o s i n go fv a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri nt h ef u t u r e a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fm a r k e t ，t h ec o n t r o lu n i tb a s e do ns i n g l ec h i p m i c r o p r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 af o ri n t e l l i g e n tb r e a k e ri sd e s i g n e df o rp e r m a n e n t m a g n e t i ca c t u a t o ro fv a c u u mc i r c u i t b r e a k e ra d a p t i v ef e e d b a c kc o n t r o l l e r t h e c o n t r o l l e rh a sm a n yf u n c t i o n ss u c ha sp r o t e c t i o n ，c o n t r o l ，m e a s u r e m e n t t h es i g n a l s o fc u r r e n t s ，v o l t a g e s ，a c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e ra r em o n i t o r e di nr e a lt i m e t h ec o n t r o lu n i tc a nn o to n l yc o n t r o lo p e n i n g c l o s i n go p e r a t i o no fc i r c u i tb r e a k e r ， b u ta l s oh a st h ef u n c t i o n so fo v e r - c u r r e n t u n d e r - v o l t a g et r i p ，c l o s i n g o p e n i n g i n t e r l o c kf o r m a l o p e r a t i o na n dd i a g n o s i sf u n c t i o n s i nt h ee n d , t h ep a p e re m p h a s e so nt h ed e s i g na n di n t r o d u c t i o no ff u z z y c o n t r o l l e rb a s e do nb i s t a b l ep e r m a n e n tm a g n e ta c t u a t o ro fv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r t h es y n c h r o n o u ss w i t c h i n gf u z z yc o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db y u s i n gm a t l a b b ym e 御l so fa n a l y s i so ft h es y s t e m sf i n a la r t i f i c i a lr e s u l t ，i t p r o v e st h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi se f f e c t i v e f u r t h e r m o r e ，s o m ei m p o r t a n td a t a a leb e n e f i c i a lt of u r t h e rs t u d yo ns y n c h r o n i z e d - s w i t c h i n go fv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r a n di n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r yo fv a c u u mc i r c u i tb r e a k e rw i t hp e r m a n e n tm a g n e t i c a c t u a t o r k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u ss w i t c h i n g ，p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r ，v a c u u m c i r c u i tb r e a k e r ，p w m ( p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ) ，f u z z yc o n t r o l i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名： 导师签名： 蝴 专夺基 溯年，月埒日 2 神p 年j 月如日 蹶华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景和意义 随着国民经济的快速发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对电 力的需求愈来愈多，促使了电力事业的迅速发展。电网不断扩大，用户对供电 质量和供电可靠性要求也越来越高。电力法的公布和贯彻执行，更要求电力供 电部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力瓣l 。 断路器是电力系统中最常用的重要终端设备之一，它在开断和关合电力设 备的瞬时，往往会产生较高的瞬态过电压和过电流，干扰了回路上以及附近回 路上灵敏度较高的电器设备正常工作，更碟能危及到电器设备的绝缘及电力系 统电压稳定性溺。真空断路器是利用真空作为灭弧介质翔绝缘保护的一种断路 器【3 】，自用于电力系统以来，便以其重量轻、结构简单、使用寿命长、几乎不 需要维护检修、无爆炸危险，尤其是不会对环境造成污染等优点得到迅速发展 1 4 】，成药中压开关领域的主流产品，并不断向电压领域发震。 传统意义上的断路器是一个被动执行开断和关合线路的装置，萁操作指令 来自于人工命令或继电保护单元，断路器本身并无检测、判断电力系统故障和 监视自身状态的能力。随着现代电子技术的发展，利用微电子技术和计算机技 术不僵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敝障隐 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。 随着输、配电自动化功能的不断完善以及遵循功能下放的原则，电力系统 的自动化开关设备仅仅实现简单的合闸与分闸功能是不够的，对于断路器的智 能化趋势，国际上己提出了“智髭断路器”( i n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e r ) 的概念筘j ， 圜内也提出了断路器智能化的概念1 6 j 。 智能断路器一方面包括有关电网的检测、保护、控制、通讯等功能，另一 西华大学硕士学位论文 方面包括断路器本身运动方式的智能控制【7 1 。电网智能监控的关键在于对电网 信号的采集、分析和相应的保护措施，其控制系统一般不需要建立复杂的模型， 其技术已经比较成熟。但断路器本身运动方式的智能控制技术( 如同步控制) 涉 及电、磁、机械等物理量的相互耦合作用以及温度、老化等各种干扰因素的影 响，其数学模型的建立相当复杂。 同步控制技术，又称在波形点开关技术，指断路器在控制系统的控制下， 在系统电压波形指定相角处关合，使得电力设备在对自身和系统冲击最小的情 况下投入电力系统，以减少断路器操作产生的涌流和过电压，提高电能质量和 系统自动化程度及稳定性，消除瞬态过电压及涌流对电器设备的影响及破坏， 延长断路器使用寿命和检修周期的一种技术【8 】。 目前，智能断路器第一方面的内容( 即断路器外围的电网监控和通讯等) 已 经基本完成，但实现断路器自身运动方式的智能控制，尚有许多工作要做，这 也正是本课题所要深入研究的内容之一。 本文就是研究断路器动、静触头在控制系统作用下，使电力设备在对自身 和系统冲击最小的情况下投入运行；对于断路器操动机构，最重要的是分闸和 合闸过程中的速度特性与操动机构出力特性研究，不仅要考虑机构在静态时的 磁场分布及保持力，而且还要考虑机构在合闸和分闸过程中的速度特性。 早期设计的真空断路器操动机构为电磁操动机构，它直接利用电能，如通 过直流螺管线圈或电动机将电能转化为机械能进行合闸，储能装置为一只或一 组弹簧。分闸时，由弹簧释放位能实现断路器的分闸。电磁操动机构的优点是 结构简单、工作可靠、制造成本低，缺点是合闸线圈消耗的功率太大、能够实 现的合闸速度有限、合闸时间较长、电压波动对合闸速度的影响较大。 弹簧操动机构与电磁操动机构有很大不同。弹簧操动机构的关键部件为合 闸弹簧和分闸弹簧。它将电机的机械功在短时间内储存在合闸弹簧中，然后将 合闸弹簧中的能量释放进行合闸，同时，分闸弹簧储能。弹簧操动机构的工作 特性受外界影响较小，要求的电源容量小，交、直流电源都可用。弹簧操动机 构在一定程度上克服了电磁操动机构的缺点，既能够获得较高的合闸速度，又 能实现快速自动重合闸操作。但缺点是：完全依靠机械传动，零部件多，故障率 较高，对零件的制造工艺、加工精度要求高。 西华大学硕士学位论文 可靠性是考核断路器性能的重要指标，从国际、国内的统计数字来看，在 断路器的故障中，机械故障占绝大多数。国际大电网会议组织的国际调查表明， 机械故障高达总故障的7 0 3 。可靠性的高低和零部件数量的多少有直接关系， 减少零件的数量将明显提高系统的可靠性。所以，必须对传统的电磁操动机构 进行改进，减少零件数量，改善出力特性，提高断路器的可靠性。另外，由子 传统的真空断路器操动机构是由复杂的传动机构组成的机械系统，其运动时间 分散性大、运动可控性差、响应速度慢，因此缀难实现对机械运动盼糕确控制。 近年来，一种用于真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操动机构( 简称永 磁操动机构) 备受关注。永磁机构通过将电磁机构与永久磁铁的特殊结合来实 现传统断路器操动机构的全部功能，其最大特点在于它无须传统的脱扣和锁扣 装置即可实现机构终端位置的保持功能。永磁机构动作部件少，中间转换和连 接机构也很少，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 动作都可电控，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。戴辨，永磁机构技术是电工学、力学、计算方法、电力电子技术、微枫 技术、控制理论及新兴材料科学在断路器上的综合应用，因此有必要结合永磁 机构智能控制技术的研究，深入分析永磁瓿构技术的电磁机理和控制理论，并 在理论与实验研究相结合的基础上，为这一领域形成较完善的理论奠定基础电 压和提高断路器的开断能力奠定基础并为实现同步操作、抑制合闸过电压和提 高断路器的开断能力奠定基础p j 。 传统断路器在投切空载变压器、电容器或空载线路的瞬间，电流、电压的 分合闸初相焦都是随机的，会伴隧产生很高幅值的涌流和过电压，不仅对系统 中的设备不利，还可能引起保护误动作，影响电力系统的稳定。同步控制技术 对于保证供电的酉靠性、稳定性，改善供电质量，切实提高企业的经济效益和 工作效率具有重要意义。 同时，实现真空断路器的智能同步操作还具有巨大的现实意义【l 铘： ( 1 ) 减小分合闸操作时的涌流和过电压。幅值缎大的涌流将导致断路器触 点受损，变压器绕组产生机械应力，保护继电器误动作：过电压则可能导致设 备局部放电。采耀同步关合技术可以减小断路器在分合闸操作时的涌流幅值和 电压扰动，而且从限制瞬态电压的效果和经济性等方面来考虑，都要比通常所 两华大学硕士学位论文 用的预置合闸电阻和避雷器好得多。 ( 2 ) 提高电能质量和系统的稳定性。开关操作的暂态过程对配电系统会产 生各种干扰，它们包括恶劣的电能质量导致的保护不按时动作和不可接受的过 电压导致的严重危害和早期故障。开关本地产生的暂态过电压可能会传播到远 处，有时甚至会影响其它用户并可能发展到不同的电压等级。同步关合技术可 以减小在电力系统正常负荷时进行合闸操作时电网设备所承受的过电流和过 电压，有效地提高电能质量和电力系统的稳定性。 ( 3 ) 延长了电器的使用寿命和检修周期。同时，同步关合技术的实现可以 取代传统的合闸电阻，合闸电感和串联电抗器等辅助设备，所增加的只是一套 成本较低的控制系统，从而降低了成本。 ( 4 ) 采用同步技术可以使系统中的瞬态过程缩短。 ( 5 ) 断路器的同步分断可以大大提高其分断能力。 本课题的主要工作就是在电力系统中同步开关的控制系统方面做相关的 研究，结合四川省教育厅重点项目“基于永磁机构的同步开关理论及应用研究 ( 项目编号：2 0 0 5 a 1 1 9 ) ”，立足于实际，努力争取实现完成永磁机构工作原 理与真空断路器同步控制技术的完美结合，为今后进一步研究发展不同电压等 级和不同应用场合的同步开关提供实践的储备工作，为深入研究断路器控制的 前沿课题同步操作技术做准备。 1 2 国内外研究现状与不足 1 2 1 国内外研究现状 。 大约3 0 年前，国外开始研究同步断路器技术，但当时由于断路操动机构动 作时间的分散性，同步断路器的可靠性受到质疑。 随着高压断路器技术的不断发展，特别是永磁操动机构技术的出现为同步 断路器的实现提供了保证，国外同步断路器技术已经成功应用于正常负荷( 并 联电容器组、空载变压器和电抗器) 合分，并取得了令人满意的效果【l 。1 9 9 8 年国际大电网会议对同步高压断路器优缺点进行了讨论，根据分析计算和现场 应用状况确认了同步断路器的可靠性和有效性；2 0 0 4 年c i g r e 针对同步断路器 砥华大学硕士学位论文 的特殊设计和测试要求，制定了相关指导标准。2 0 0 5 年，c i g r e 在日本东京召 嚣，其中仍有相控开关的专题讨论。 。 自2 0 世纪9 0 年代中期以来，同步操作技术迅速走向实用化，欧美对同步控 制断路器使用量迅速增加；网本三菱电机公司开发的选相控制断路器已完成实 髑性验证，该公司1 4 5 k v 同步断路器已经远销美国。9 0 年代末，瑞士的a b b 公 落提出了基予永磁机构操动机构和电子控制的中压露步断路器的解决方案。这 种断路器具有独立操动的三相机构，能进行复杂的同步操作并能适应各种负载 和电网结构。加拿大魁北克水电公司在7 3 5 k v 电抗器断路器上也实现了同步关 会操作h 2 】。雷前在同步开关相关产品的研发方面领先的豳终公司主要有瑞士的 a b b 公司( 适用于不同工作情况的同步开关系列产品) ，日本的m i t s u b i s h i 公司 ( 已经开发出1 0 k v 、1 2 1 k v 、1 4 5 k v 、2 4 5 k v 、3 6 2 k v 与5 5 0 k v 电压等级的产品) ， 美国的乔斯林公司( 主要有1 5 2 3 0 k v 电压等级投切电容器组的s y n c h r o t e q 系列 产品) 与法霞t 豫a l s t h o m 公司( 对h 2 系列产品) 等。 对于断路器的智能化趋势，2 0 世纪末期，国内也提出了断路器智能化的概 念【1 3 1 。近年来，国内一些高等院校( 主要有大连理工大学、西安交通大学、沈 阳工业大学、清华大学等) 和研究机构( 主要是西安高压电器研究所) 对同步 开关技术在理论和可行性方面进行了探讨，也进行了不同程度的尝试，取得了 一些阶段性成果【1 4 以7 】。国产高压、超高压开关几乎都配用弹簧或液压操动机构， 动作分散性较大，难以达到同步操作技术所要求的精度。新型永磁操动机构自 上世纪9 0 年代末闻世以来，经国内很多单位的不断改进，稳定性与可靠性有了 很大提高，给中低压领域同步开关技术的实现提供了有力的硬件保证。1 9 9 8 年， 两安森源电气有限责任公司和沈阳工业大学合作，开始1 2 k v v s m 永磁机构真 空断路器的开发研究工作，并取得突破性进展u 硼。 冒前，匿内实现同步操佟的方案主要是在断路器每次进行操作时，控制系 统利用人工神经网络等人工智能技术预测出当前条件下永磁机构的动作时间， 通过对来自温度、控制电压、老化等影响分、合闸操作时间的因素进行补偿， 并实时计算出断路器执行单元的触发延对，从而控制断路器在期望的电压、电 流相角处动 乍，实现同步操作。国外，a b b 公司利用闭环控制方案已研翩成了 世界上第一台配永磁机构的同步断路器，在我们国内这一方案的研究还不成 西华大学硕士学位论文 熟，还没有研制出相关产品。 在同步开关技术的实际应用方面，国内还是以试点引进为主，国外相关的 新产品中较典型的有适应于中压系统( 1 0k v - - 一3 5l ( v ) 的“智能开关模块 ( i n t e l l i g e n ts w i t c h i n gm o d u l e ) 【j9 】，这无疑是断路器智能控制方面取得的重大 进步。1 9 9 8 年，中国第一次为某5 0 0 k v 3 5 0 k m 空载输电线安装了同步投切装置， 将过电压限制在2 p u 以下；2 0 0 0 年，长春市一个5 0 0 2 2 0 6 6 k v 变电站选相投切 6 6 k v 电抗器与电容器，把过电压限制在1 3 p u 以下；2 0 0 3 年，大朝山水电站为 了解决5 0 0 k v 系统内部过电压问题，引进了a b b 公司的开关同步合闸装置( c a t ) 【2 0 】；2 0 0 4 年，大唐陕西韩城第二发电有限责任公司i 期工程为了降低涌流、过 电压等不良影响，引进了法国a l s t h o m 公司的选相投切装置r p h 2 ，目前，均运 行良好【2 1 】。 综上所述，在世界范围内同步开关可以广泛地应用于多种场合，它有着很 广阔的应用和发展前景。目前，同步开关以欧美为主在国际上己经有了一定规 模与较长时间的研究与实际应用，国内关注程度与实践力度仍显不足。同步开 关的优越性与显著的经济效益值得我国电力部门在改造旧电网或规划新电网 时予以关注与推广。特别适用于技术比较成熟、开关动作分散性小( 如新型永 磁机构真空开关) 或额定电压较低的产品试运行，也可将产品装设于过电压不 严重的并有足够过电压抑制措施的地点。 1 2 2 存在的不足 从目前的研究情况来看，国内在同步开关控制技术的智能化水平方面还处 于较为初级的阶段，仅实现了对供配电系统的保护、控制、测量、监测及自动 化等功能，还欠缺对断路器本身运动特性的精确、有效控制，要最终实现高度 智能化还有许多工作要做。 同步断路器实现同步操作控制的关键是系统控制的准确度，为了获得预期 同步投切效果，目前国内大多研究机构都采用各种不同智能控制算法以计算补 偿断路器的分合闸操作的时间偏差，以减少系统频率、环境温度和控制电压等 其他外界因素的影响，保证断路器合分闸到位时间的一致性。其一般原理为， 断路器在确认外部操动命令后，测量当前环境温度和控制电压及其他外界影响 西华大学硕士学位论文 因素以获得断路器动作时间的补偿量，并根据断路器上一次动作获得操作历史 动作时间补偿和断路器的固有动作时间，从而得到断路器的实际动作时间；再 根据相关公式计算出断路器的同步合分闸延迟触发时间，以控制断路器在期望 相位动作，以实现断路器的同步投切。由于此种方法不能较好地解决电力系统 设备投切时各参数之间的复杂关系和分散性随机性等问题，所以保证投切精度 和同步开关控制精度难度较大，对其控制算法的设计要求相对复杂很多。同时； 由于控制系统为非闭环控制，则在不同的环境温度、控制电压以及所有其它参 数下，使之保持所规定的允差难度较大。 1 3 本课题的研究内容 本课题的研究内容基于目前的研究成果上，着眼于真空断路器智能化控制 领域的前沿课题，从永磁操动机构的工作特性分析和同步智能控制技术研究两 方面着手，提出了一种永磁机构在闭环控制中实现同步操作的方案，并对此方 案进行了大量的仿真和分析研究，为进一步提高永磁操动机构真空断路器的智 能化水平奠定了基础。 为了实现断路器的智能同步控制，必须能够对真空断路器操动机构的运动 进行精确控制，这就要求对断路器操动机构的工作机理和运动特性进行深入的 分析。对于本文中所选的永磁操动机构而言，这必将涉及复杂的机电磁模型的 建立和研究分析。本课题首先根据己建立的永磁操动机构的静态和动态磁场模 型，研究并分析了“机一电一磁”相互作用的机理，以及永磁机构的静态和动态 特性，为实现对永磁机构的控制研究提供了理论上的依据；在此基础上，还需 要对智能同步控制技术及其实现方法进行研究，分析实现同步控制技术的要点 及各种内外因素的影响；然后综合模糊控制算法、自适应控制和数字信号处理 等技术，设计出完整的真空断路器永磁操动机构智能同步控制算法，并提出基 于p w i v l 的同步开关自适应反馈控制系统的实现框架。 本论文主要工作及章节安排如下： 本文共分七章。第一章指出了课题的背景和研究的意义，介绍了国内外高 压真空断路器智能同步控制技术的研究现状，并介绍了本文的主要研究内容。 第二章对传统的操动机构与永磁操动机构进行了比较，介绍了双稳态和单稳态 西华大学硕士学位论文 永磁机构的工作原理。第三章描述并建立了永磁机构的静态磁场耦合模型、动 态分析数学模型，分析了永磁机构真空断路器的动态特性，研究了永磁机构和 真空断路器运动特性的匹配问题。第四章对断路器的同步开关技术的基本工作 原理进行分析，研究了环境温度、控制电压、预击穿、老化与磨损和其他因素 对永磁机构真空断路器同步控制技术的影响。第五章说明了同步开关控制系统 的设计原理，分析介绍了同步操作技术的模糊控制算法原理；给出了真空断路 器同步控制系统的总体设计方案，详细说明了真空断路器模糊控制器的功能及 设计过程，并利用m a t l a b 及相关工具箱对同步开关模糊控制系统进行了仿 真，对仿真结果进行了分析研究。第六章描述了同步开关模糊控制器的总体结 构，针对控制器的硬件和软件设计进行了详细的介绍。第七章总结了论文的工 作和研究成果，并对课题的进一步发展提出了展望。 西华大学硕十学位论文 2 永磁机构真空断路的工作原理 尽管永磁机构有不同的结构，但工作原理却大体相似。永磁机构就其实质 嚣言，是用永磁体实现合阑保持和分阑保持的一种新型的电磁操动机构。 2 1 传统机构与永磁机构的比较 断路器的全部使命，归根到底是体现在触头上的分合动作上；丽分合动作 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 高压断路器的工作性能和可靠性。从国际、国内断路器的故障统计数字来看， 断路器的机构故障占大多数，高达故障的7 0 【2 2 | 。因此为提高断路器的可靠性， 有必要研制新的操动机构。 传统的真空断路器操动机构主要有电磁式和弹簧式两种。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地迎合了真空灭弧室的要求：一是开距小 ( 8 - - - 2 5 m m ) ，二是在合闸位置需要大的操作力( 2 0 0 0 一4 0 0 0 n 相) 。电磁操动 机构的零件数量约为1 2 0 个，工作可靠，制作成本低。然丽电磁操动机构也有 不容忽视的缺点，其磁路电感l 在合闸过程中变化较大，产生反电动势，从而 抑制了合阐线匿动态电流的增长，丽且这种抑制作用随着合闸速度的增加面增 强。这样，当线圈的稳态电流已经较大时，若想用提高线圈稳态电流的方法来 抵消这种抑制作用，掌受合闸电源容量的限制。因此，采用电磁操动枫构来提 高真空断路器的合闸速度是有限的。另外，直流电磁操动机构合闸时间较长， 电源电压波动对合闸速度影响较大。因此传统电磁操动机构一般用于对速度要 求较低的1 2 k v 等级以及分合闸速度要求不太高的4 0 5 k v 等级的真空断路器 中。传统的电磁机构的最大缺点是操作电流大，因而要求用户配备价格昂贵的 蓄电涟组，使用不方便。 弹簧操动机构是利用已储能的弹簧为动力，使断路器动作的操动机构。弹 簧储粪芝通常是由电动视遴过减速装置来完成。整个操动规构大致可分为弹簧储 能、维持储能、合闸与合闸维持、分闸四个部分。相比之下，弹簧操动机构采 用手动或小功率交流电动机构储能，其合闸力不受电源电压影响，相当恒定， 西华大学硕士学位论文 既能够获得较高的合闸速度，又能实现快速自动重合闸操作，在一定程度上克 服了电磁操动机构的缺点。然而弹簧操动机构也存在以下不足之处：完全依靠 机构传动，零部件数量多，一般弹簧操动机构有约2 0 0 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操动机构。这种操动机构将电磁机 构与永久磁铁有机地结合在一起，利用永久磁铁产生的磁力将真空断路器操持 在合闸位置或分闸位置，而无须任何传统的脱扣和锁扣装置。该机构的输出力 特性可以设计到很接近真空断路器的负载特性【2 3 1 ，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构可靠 性。a b b 公司研制生产出的v m i 型配永磁机构的真空断路器机构寿命达到l o 万次，其永磁机构的机械寿命为1o 万次。而采用传统的操动机构很难达到这 一指标【2 4 】。 2 2 永磁机构的工作原理 f i g 2 1c o l u m nf r a m e 图2 1 圆柱形结构 f i g 2 2r e c t a n g l ef r a m e 图2 2 方形结构 现有的永磁操动机构有不同的结构形式，但是基本工作原理大体相似。按 照机构在终端位置的保持方式，永磁操动机构可以分为双稳态和单稳态两种形 式。双稳态是完全通过激磁线圈做功完成分合闸操作，而单稳态则在进行分闸 操作时需借助分闸弹簧完成。按外部形状又可分为圆柱形结构和方形结构永磁 孱 西华大学硕十学位论文 操动机构，如图2 1 及图2 2 所示。永磁操动机构的工作原理，是将电磁机构 与永磁铁有机地结合起来，配以控制系统实现真空断路器所要求的全部功能。 从现在开发的永磁机构来看，无论结构怎么变化，其原理只有两种：双线圈( 对 称式) 和单线圈( 非对称式) ，它们在分、合闸极限位置时，永磁铁提供了保持力， 前者属于双稳态式的永磁机构，而后者则属于单稳态式的永磁机构。以下对这 两种结构分别做简单介绍。 2 2 1 双稳态永磁操动机构的工作原理 l 一静铁心2 动铁心3 永磁体4 一驱动杆5 一合闸线圈6 一分闸线圈 f i g 2 3t h e s t r u c t u r eo fb i - s t a b l ep m a 图2 3 双稳态双线圈永磁操动机构结构图 双线圈永磁机构的特点为：采用永磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合 闸极限位置上，使用激磁线圈将机构的铁心从分闸位置推到合闸位置，使用另 一激磁线圈将机构的铁心从合闸位置推到分闸位置。图2 3 为双线圈双稳态永 西华大学硕士学位论文 磁机构在合闸位置时的结构简图。它由七个主要零件组成：1 为静铁心，为机 构提供磁路通道，对于方形结构一般采用电工纯铁板叠装而成，圆形结构则采 用电工纯铁或低碳钢；2 为动铁心，一般采用电工纯铁；3 、4 为永久磁铁，为 机构提供合分闸保持力，一般采用钕铁硼永磁材料；5 、6 为合、分闸线圈。机 构的传动杆为非铁磁材料。当断路器处于合闸位置时，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合闸位置，磁力线方向如图2 3 中曲线 i 。当机构接到分闸命令时，分闸线圈6 带电，分闸线圈中电流产生磁场，其 磁力线方向如图中磁力线i i 和i i i ，分闸线圈在上部工作气隙产生的磁场方向 与永久磁铁产生的磁场方向相反；当分闸线圈的电流达到某一值，动铁心开始 向下移动，并随着位移的增加，底部气隙的磁阻逐渐减小，磁感应强度远远大 于上部气隙的磁感应强度，动铁心向下呈加速运动，直到分闸到位。 f i g 2 4t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l da tt h eo p e n i n gp o s i t i o n 图2 4 双稳态永磁机构分闸位置时的磁场分布 图2 4 为操动机构分闸到位后，磁力线的分布情况。线圈电流和永磁体合 成磁场所产生的磁力线基本全部通过下部气隙，切断线圈中的电流，动铁心将 自动保持在分闸位置上。当机构进行合闸操作时，情况与分闸基本相同。 西华大学硕士学位论文 2 2 2 单稳态永磁操作机构的工作原理 单线圈永磁操动机构也是采用永磁铁使真空断路器分别保持在分闸或合 闸极限位置上，但分合闸共用一个激磁线圈。只是在分合闸操作时，分别对激 磁线圈通以方向相反的激磁电流。它的合闸能量来自激磁线圈，而分闸的能量 来自分闸弹簧和触头弹簧，但这些弹簧释放出来的能量则是在合闸操作时储存 起来的，可见单线圈机构在合闸操作时将消耗比双线圈大的多的能量。 1 传动杆 2 一动铁心3 一永磁体4 一静铁心5 一等效弹簧6 激磁线圈 f i g 2 5t h e s t r u c t u r eo fm o n o - s t a b l ep m a 图2 5 单稳态单线圈永磁操动机构结构图 单线圈永磁操动机构在进行合闸操作时，原理和双线圈永磁操动机构基本 相同，只不过单线圈的反力更大一些，因为它还受到分闸弹簧的作用力；而在 分闸操作时，它的原理则和双线圈机构有所不同。如图2 5 所示，单线圈永磁 操动机构处在合闸位置，当线圈电流为零时，永磁产生的磁力线为所示， 将断路器保持在合闸位置。当机构接到分闸命令后，给线圈通以与合闸电流方 向相反的电流，该电流产生的磁力线如v 所示。当动铁心下端合成磁场所产生 西华大学硕士学位论文 的吸力小于触头弹簧与分闸弹簧的合力时，动铁心开始向下运动，驱动断路器 分闸。在整个分闸过程中，线圈电流很小，仅需提供一个抵消永磁磁铁的磁场。 2 3 小结 双稳态永磁机构其优点表现在：( 1 ) 由于机构在进行合闸时，不需给分闸 提供能量，因此与单线圈相比，合闸时所需能量较小。( 2 ) 机构在合闸位置时， 永磁机构只需要克服触头弹簧的力，而不包括分闸弹簧的力。它需要的改进之 处是在断路器的分闸过程中，因断路器对操动机构要求有较高的刚分速度，这 就需要在行程一开始就通以较大的电流。分闸过程中，由于工作气隙越来越小， 激磁电流所产生的力越来越大，永久磁体对分合闸速度由原来的阻碍作用转变 为推动作用，进一步加快断路器的分闸速度，导致行程终止时速度过高，形成 很大的冲击。 单线圈式永磁机构优点在于：( 1 ) 分闸时是分闸弹簧和触头弹簧释放的能 量动作，分闸弹簧的输出特性可与断路器所要求的速度特性一致，因此，可以 通过调整分闸弹簧来调整分闸特性。( 2 ) 分、合闸共用一个操作线圈，结构较 简单，体积较小，更适合户外封闭式箱体内安装。需要改进之处主要表现为： ( 1 ) 该结构下永磁会受到反向磁场的作用，如果永磁材料长期受到反向磁场 的作用，其磁性能将受到影响。一些学者对此加入分磁环进行改进。( 2 ) 断路 器在合闸位置时，反力为触头弹簧与分闸弹簧的力之和，所需的合闸保持力较 大。 由此可见，永磁机构的设计，由于具体结构的不同，会产生多种情况，进 行永磁机构的深入分析研究，提出更具创意的新型机构形式很有必要。 本章首先对传统操动机构与永磁机构进行了比较，列举了传统操动机构存 在的缺点和永磁机构的优点。然后详细介绍了双稳态和单稳态永磁机构的结构 和工作原理，为实现对永磁机构真空断路器的控制和进一步优化设计提出了原 理上的依据。 西华大学硕士学位论文 3 永磁机构断路器的特性分析 永磁机构真空断路器的特性分析包括静态和动态两部分，是从两个不同的 角度描述一个既定的系统。动态就是物理系统中的变量在达到稳态前的动作过 程，这对实际的工程机构或系统是普遍存在的。对于永磁机构而言，若接通激 磁回路，要经历一定的时间动铁心才能到达预定的位置，它所经历的电磁过程、 发热过程、机械过程等都不能瞬时完成，而是形成一个过渡过程。静态是描述 系统工作状态不变或只有缓慢变化的情况，静态计算一般不考虑时间的因素。 而动态分析则要考虑系统实际的工作过程与状态变化，揭示在不同时刻上各参 量间的关系，表明各参量随时间是如何变化的。也可转换成在不同位移时各参 量的关系，即动态过程中所产生的参量和路径特性的问题。 根据上一章研究分析，永磁机构主要分为双稳态和单稳态两种形式。由于 断路器分闸和合闸过程中的负载特性是不同的，要求的速度特性也不同。单稳 态永磁机构中只有单独一个线圈，匝数一定，难以很好地实现分闸和合闸操作， 并且励磁电流在分闸和合闸时方向不同，使得控制回路的设计比较复杂，因此 本论文主要研究配双稳态永磁机构真空断路器的同步控制技术。 3 1 永磁机构的静态磁场模型 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意义。由 于机构中存在具有饱和效应的铁磁材料，磁导率是感应强度值占的函数【2 5 】， 即： i = ( b ) = g ( v x a ) 1 ( 3 1 ) 【肛石 式中，为源电流密度，l ，为磁阻率，彳为磁场磁矢位。 由麦克斯韦议程组可推得非线性磁场的偏微分程为： 西华大学硕士学位论文 v 2 x a = 一二( 3 2 ) 对于研究的方形永磁机构，忽略端面效应时可采用二维平面场计算，在平 面坐标系( x ，y ) 下，式( 3 2 ) 可展