（电工理论与新技术专业论文）高温超导磁悬浮发射装置供电系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t h i g h - t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n g ( h t s ) m a g l e v - l a u n c ht e c h n o l o g yi san e wl a u n c ht e c h n o l o g y t h eh t s m a g l e vt e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h em i l i t a r yl a u n c ha r e a , t op r o v i d eal a r g e rt h r u s tt ot h ec a r r i e rw h i c hc o u l dm a k et h el a u n c h e d b o d yt a k eo f ! f 谢t hah i g h e rv e l o c i t y a sar e s u l t t h ec a r r i e rc o u l dt a k em o r ep a y l o a di n t op r e c o n c e r t e do r b i t h t sm a g l e vl a u n c ht e c h n o l o g yh a sal o to fa d v a n t a - g e s ，s u c ha sl o w c o s t ，h i g h - p e r f o r m a n c e ，a n ds oo n t h e r e f o r ei tb e c o m e sao p t i o n - a la d v a n c e dt e c h n o l o g yf o rt h en e x tg e n e r a t i o nl a u n c hs y s t e m t os u p p l yad r i v ef o r c e ，l i n e a rm o t o ri sa p p l i e dt oh t s m a g l e vl a u n c ht e c h n o l o g y l a u n c h i n gb o d yi sl a u n c h e da w a yw h e ni ti sa c c e l e r a t e dt ot h em o s th i g h s p e e d i nf a c t , h t sm a g l e vl a u n c hd e v i c ei sas p e c i a le l e c t r i ct r a n s m i s s i o n a n d p o w e rs u p p l ys y s t e m 船i t se n e r g ya s s l l r a n c e i no r d e rt os u p p l yp o w e rw h i c hf u l - f i lt h eq u a i i v yr e q u i r e m e n t s ，r e d u c et h ep o w e rf a u l t s ，a n de n s u r et h es a f ea n dc o a t - i n u o n sr u n n i n go fe a c hm o t o r ，ae l e c t r i c i t ys u p p l ys y s t e mh a st ob ed e s i g n e dw i t h l l i g hr e l i a b i l i v y ，h i 曲a v a i l a b i l i t ya n ds 订o n g ea n t i - j a m m i n ga b i l i t y t os a t i s f yt h en e e d sa b o v e ，m e a n w h i l e ，i m p r o v eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo fh t s m a g l e ve l e c t r o p u l t sd r i v es y s t e ma n dr e d u c et h el o a do fe n e r g ys y s t e m ，as e to f p o w e rs u p p l yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h es i n g l e c h i pi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r ， w h i c hh a st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ： 1 r e a l i z et h es u b s e c t i o np o w e rs u p p l y , i no t h e rw o r d s ，o n l ys u p p l yp o w e r t ot h em o t o r su n d e rt h er u n n i n gc a r r i e r , a n dd i s c o n n e c to t h e r s w i t ht h e c h a n g i n gd i s p l a c e m e n to ft h er u n n i n gc a r r i e r , t h ee l e c t r i cp o w e rw o u l d b es u p p l i e dt ot h ed i f f e r e n tm o t o r s 2 m o n i t o rt h eo p e r a t i o ns p e e do fe l e c t r o p u l t sl a u n c h e rc a r r i e r , a st h ei m p - o r t a n tr e f e r e n c ed a mo ff u r t h e rs t u d i e so nh t sm a g l e vl a u n c ht e c h n o l o - g y k e y w o r d s ：h t sm a g l e v , l a u n c hd e v i c e ，p o w e rs u p p l ys y s t e m ，s i n g l e - c h i p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究目的与意义 现代战争中，无论是登陆，还是反登陆战役，制空权都是决定胜负的重 要条件之一。要想发挥出制空权的巨大作用又得依赖于各类作战飞机和导弹 发射装置的紧密配合。 目前，用于军事发射领域的能源按发射技术发展历程大体可分为三大类： 机械能、化学能和电能“】。能源的每次更替变化，都意味着军事技术领域内 发生了质的飞跃。 人类早期使用的兵器由于技术落后，只能依靠机械装置代替人的肌肉发 射物体，例如弓箭、弩、抛石机等等，其缺点就是射程短，命中率低。利用 这些机械装置发射物体，首先需要人对这些机械装置做功，这是发射技术的 起始，称之冷兵器时代。 1 4 世纪初，我们的祖先发明火药后很快被弓i 入军事用途，开始了以化学 能为主的热兵器时代。火药具有很高的能量密度和功率密度。和冷兵器相比， 利用热兵器发射物体，发射体的初速至少被提高了两个数量级。特别是近几 十年，由于制造工艺的不断改进，常规火炮的性能更是大为提高。现在，以 火药作为发射能源的传统火炮，通过新的炮1 3 设计，军事上已经能够把4 0 k g 重的炮弹发射4 0 k m 远，炮口速度达到1 0 0 0 m s 0 1 。但是用化学能发射弹丸， 发射体的初速度将受到燃气声速的限制。3 ，其速度的极限( 不包括采用火箭推 进方式) 是将质量为几千克的弹丸加速到1 8 0 0 m s “1 左右的炮口速度( 即弹丸 离开炮口时的速度) 。火箭的速度不会受滞止声速的限制，然而化学燃料的火 箭发动机由于燃料中氧化剂的分子质量大和自然燃烧的火焰温度的限制，其 比推力的上限在4 0 0 0 5 0 0 0 n s k g 【5 】，而且火箭发射存在价格昂贵、不易 操作、发射准备周期长等缺点。 随着军事科学技术的发展，传统的化学推进技术已不能满足人类的进一 步要求，从原理和能源上变革发射技术势在必行，因此电磁发射技术便应运 而生。电磁炮是电磁发射技术在军事领域的主要应用之一。电磁炮能够将弹 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 丸的炮口速度提高至2 5 0 0 3 0 0 0 m s ”。目前已经完成了小质量弹丸更高速 度的测试，已达l o k m s ”1 。现在，电磁炮原理上的问题已经基本解决， 但是由于在工程技术及制造工艺还存在一系列关键技术有待进一步突破，所 以它的发展仍处在实验阶段，各国的军队都还没有实际使用它。 目前，以美国、俄罗斯为代表的几个国家正在开展将磁悬浮轨道技术应 用于航天发射方案及技术研究工作，主要目标是通过磁悬浮助推发射系统为 单级入轨运载器提供一个较大的助推力，实现在短时间内( 1 0 s 左右) 将其加 速到一个高的起飞速度( 为0 7 左右) ，然后运载器发动机点火，与磁悬浮 助推发射系统分离后爬升入轨 高温超导磁悬浮发射技术具有“载重量大、大的悬浮间隙、无摩擦、低 能耗、低维护、安全可靠、低污染”等特点，可以有效降低推进剂的消耗量， 大大降低发射成本因此高温超导磁悬浮发射是一种理想的发射方式。 西南交通大学超导技术研究所继2 0 0 0 年1 2 月3 1 日成功研制出世界首辆 载入高温超导磁悬浮实验车以来“1 “1 ，一直从事高温超导磁悬浮方面的研究 “”t 黯1 ，终于在2 0 0 6 年率先研制出高温超导磁悬浮发射样机啪1 。 图l l 世界首辆载人高温超导磁悬浮图卜2 高温超导磁悬浮发射装置 实验车 所谓的高温超导磁悬浮发射技术就是利用高温超导体和永久磁体相互作 用产生的悬浮力来支撑发射载体，产生的导向力使发射载体侧向稳定，在宣 线电机的驱动下，发射载体加速运动至最高速度时，将发射体弹射出去。实 际上它是一种特殊的电气传动装置。使用高温超导磁悬浮发射装置理论上可 以把发射体加速到直线电机的极限速度。以军事的观点来看，发射技术的能 源从化学能发展到电能，并且融入高温超导磁悬浮技术，标志着军事领域到 达了一个新的里程碑。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 本课题的研究是在西南交通大学超导技术研究所对高温超导磁悬浮技术 研究的基础上，进一步开展对发射技术的研究，研究工作得到国家高技术研 究发展计划( 国家8 6 3 计划) ( 2 0 0 5 a a 3 0 6 1 5 0 ) 的支持。 1 2 本文的主要研究内容 西南交通大学超导技术研究所研制的高温超导磁悬浮发射装置采用直线 电机组作为驱动系统，总共由1 5 台直线电机组成，平铺在发射载体下面、永 磁导轨的正中央，成一条直线。每台直线电机均为三相异步电动机，额定电 压为3 8 0 v ，额定功率为5 k w 。利用常规的供电方式，同时给所有的电机供电， 需要供给7 5 k w 的电功率，普通的供电电源一般无法满足负荷要求；另外，与 驱动系统的长度相比，发射载体的长度很短，即使同时给驱动系统中的所有 电机供电，在某一时刻也只有很少的一部分电机起到加速发射载体的作用， 这样驱动系统的运行效率很低。 为了提高高温超导磁悬浮发射装置驱动系统的运行效率，减小供电电源 的负荷，本文设计了一套以单片机控制电路为核心的供电系统，实现如下功 能： 1 实现驱动装置的分段供电，即只对发射载体运行位置处的直线电机供 电，发射载体未到达位置处的直线电机不供电。随着发射载体运动位置的改 变，驱动装置中每个直线电机的供电状态也随之发生改变。 2 实时检测高温超导磁悬浮发射装置发射载体的运动速度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章冷发射概述 冷发射技术是军事发射技术领域内的一项新成果，具有传统化学能发射 不可比拟的优点。因此，其军事应用潜力非常大，在未来武器系统的发展计 划中已成为越来越重要的部分。 且前，冷发射技术主要包括电磁发射技术和高温超导磁悬浮发射技术。 2 1 电磁发射概述 电磁发射是利用电能或以电能为主要能源，产生推动力推动发射体前进 的一类新型发射技求。 2 1 1电磁发射的历史 与传统的化学能发射相比，电磁发射发展历史较短。目前，谭事科技方 面研究较多的电磁炮，引起各国科学家广泛关注。 1 8 2 2 年，科学家安培发现了通电导体在磁场中受力的现象并导出了定量 公式1 。揭示了电和磁之间相互作用能够产生机械力，为电动机的产生奠定 了理论基础。1 8 4 5 年，查尔斯惠斯通( c h a r sw h e s t o n e ) 建造了世界第一台 直线磁阻电动机嘲3 ，并用它把金属棒抛射到2 0 m 远的地方。1 8 9 5 年梅厄 ( m a y o r ) 获得第一个直线感应电动机专利。但第一个提出电磁炮概念，并 进行试验的是挪威澳斯陆大学物理学教授伯克兰( b r i k e l a n d ) ，他在1 9 0 1 年 获褥了“电火炮”专利，并使用直流激励的管状直线电机系列线圈，把5 0 0 9 重的抛射体加速到5 0 m s 。1 9 2 0 年，法国的福琼一维莱普勒( f a u c h o n v i l l e p l e ) 发表了“电气火炮”一文。几乎与此同时，美国费城的电炮公司研 制了用于火炮的电磁加速器。此后，普林斯顿大学试用电磁力发射载体。到 二战爆发前，各种电炮的专利己达4 5 项之多。在第一、二次世界大战期间和 战后，法、德、美、日等国都曾进行过利用电磁力代替火药加速弹丸的现代 电磁发射系统( 电磁炮) 的研究。1 9 4 4 年，德国的汉斯莱( h a s i e r ) 曾将l o g 弹 丸加速到1 2 k m s 。1 9 4 6 年美国的威斯汀豪斯电器公司建成一个全尺寸的飞 机弹射装置，名叫“电拖”( e l e c t o p u l t ) 。”，它是一个初级运动的直线感应 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 电动机。澳大利亚国立大学的马歇尔( m a r s h a l ) 及其同事在改进大电流滑动接 触技术方面，提出了“等离子体电弧电枢”概念”。美国的布接斯特( b r a s t ) 和索勒( s a n l e ) 首先利用等离子体电枢把3 1 m g 弹丸加速到6 k m s ”“。1 9 6 6 年 美国内华达大学的温特博格( w i n t e r b e r y ) 教授提出了用磁行波加速超导体的 概念。1 9 6 6 年苏联鲍斯达列夫用l o m 长的单极脉冲感应线圈发射器把2 9 的 铝环加速到5 k m s 。”。1 9 7 2 年，美国宇航局( n a s a ) 提出电刷换向的螺旋线圈 发射器，而麻省理工学院则研制出第一台类似同步直线电机的线圈发射器。 1 9 7 8 年澳大利亚国立大学的马歇尔等用5 5 0 m j 单极发电机和等离子体电枢， 在5 m 长的导轨型电磁发射器上把3 9 的聚碳酸脂弹丸加速到5 9 k m s 的初速 度。 2 1 2 导轨型电磁发射的局限性 和其他的电磁发射技术方案相比，导轨型电磁发射器的研制时间比较长， 其结构也更接近传统的炮的概念，所以导轨型电磁发射器的发展较快，是最 接近实用的一种类型。 简单的导轨型电磁发射装置实际上是一个单匝的直流直线电动机。它由 一对平行的金属导轨、一个电枢、弹丸发射体及高功率脉冲电源组成，如图 2 - 1 所示。导轨型电磁发射装置利用导线把电枢、导轨，电源连成回路，电 枢与导轨滑动接触，当电源放电时，导轨和电枢中电流产主磁场，电枢中电 流又与磁场作用产生洛仑兹力，洛仑兹力推动电枢和弹丸沿导轨加速，最后 弹丸以极高速出膛。 舀 导轨磁感应线电枢弹丸 0 z 图2 - 1 导轨型电磁发射装置的构成 通过对电路模型的分析，可以得出由恒流驱动的简单导轨型电磁发射器 的效率极低，不会超过5 0 。”，一般只有2 5 啪1 左右。此外，电枢与导轨之 间是滑动接触方式，电枢在导轨内高速运行时，会对导轨产生强烈的烧蚀， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 从而对其性能产生不良影响。同时，由于导轨的限制，发射器的规模也不易 做得很大，限制了这种类型电磁发射器在发射大质量物体( 如航天器) 上的 应用。 2 2 高温超导磁悬浮发射概述 相对于其它发射方式而言，磁悬浮发射技术的研究开展的比较晚、比较 少。高温超导磁悬浮发射技术融入了高温超导磁悬浮技术，发射载体在导轨 上方无摩擦运行，很好的避免了摩擦对系统性能的不良影响；同时，由于导 孰不受任何因素的限制，很容易把发射器的规模做得很大。显然，以上所述 均克服了导轨型电磁发射的缺点。 2 2 1高温超导磁悬浮的基本原理 高温超导磁悬浮的基本工作机理源自神奇的超导磁浮钉扎特性”，是一 个自稳定系统，悬浮高度和左右导向稳定，不需控制，结构简单，可靠性、 安全性很高；能够实现静止悬浮( 低温超导磁悬浮不能实现) ；和常导磁浮不 一样，悬浮状态不需要消耗能量。由于以上特有优点，高温超导磁悬浮技术 在超导飞轮储能汹1 ，超导轴承”和磁悬浮交通1 等领域有很大的应用潜 力。 高温超导体和永磁导轨之间的位置关系如图2 2 所示。超导磁悬浮是基 于超导体的迈斯纳效应，即当超导体处于超导态时，磁场不能穿过超导体。 实际上是处于磁场中的超导体在由正常态进入超导态时，产生了感应电流， 图2 吨高温超导磁悬浮示意图 而且这种感应电流产生的磁场与原来的外磁场的极性相反，相互抵消，因此 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 在超导体内部的磁场为零。正是由于感应电流产生的磁场与原来的外磁场相 反，它们之间会产生一种排斥作用，这正是超导磁悬浮力产生的基本原理。 但是，高温超导磁悬浮不同于i 类超导体磁悬浮，高温超导体除了迈斯纳态 和正常态外，它还存在一个混合态，而且多数高温超导体都工作在混合态。 当高温超导体处于混合态时，它允许一部分磁通穿过它，这是因为在超导相 中混杂着一些正常芯，磁力线就可以从这些正常芯中穿过，要使磁力线从正 常芯中移出，需要能量，因此这些正常芯通常也被称作钉扎中心。正是由于 钉扎中心的存在，才保证了高温超导体能稳定的悬浮，并且保证高温超导体 在磁场中能保持其横向的稳定性，也就是说如果有外力使其偏离轨道中心时， 超导体将产生一个使其回到轨道中心位置的力。在外力不超过某一特定值的 时候，当外力拆除后，它能自行回到轨道中心位置。 表2 - 1高温超导磁悬浮技术的优点 主要比较参数高温超导磁悬低温超导磁悬常导磁悬浮技 浮技术浮技术术 悬浮高度悬浮2 0 5 0 r a m悬浮l o o m m悬挂8 m m 对轨道要求低较高 高 悬浮控制技术自稳定，无需或需要，不算复杂复杂控制 只需简单控制 导向控制技术自稳定，无需或需要，不算复杂复杂控制 只需简单控制 悬浮状态静止悬浮，不耗不能静止悬浮静止悬浮，耗能 能 技术难度较小较大较大 运行成本较低( 用液氮)较高( 用液氦)较高 高温超导磁悬浮技术兼有常导磁悬浮技术和低温超导磁悬浮技术的优点 而没有它们的缺点，主要优点如表2 一l 所示。 2 2 2 高温超导磁悬浮发射的工作过程 高温超导磁悬浮发射装置实际上是一种特殊形式的高温超导磁悬浮列车 系统。高温超导磁悬浮发射装置与高温超导磁悬浮列车系统相比，主要差别 在于：( 1 ) 高温超导磁悬浮发射装置装载的是发射体，而高温超导磁悬浮列车 系统装载的是人；( 2 ) 和高温超导磁悬浮列车系统相比，高温超导磁悬浮发射 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 装置具有高速性和快速反应能力，而且由于地理因素和轨道成本限制，要求 高温超导磁悬浮发射在短时间短加速段距离内快速完成，这不但对驱动系统 的驱动性能提出了很高的要求，而且对驱动系统的能量供给也提出了很高的 要求。 高温超导磁悬浮发射装置的工作过程为：首先将高温超导块材场冷，使 高温超导块材和永磁导轨相互作用，提供承载发射载体稳定加速的悬浮力和 导向力；然后将发射体定位于发射载体上，完成发射前的最终检测；发射开 始，直线电机驱动发射载体向前运动，发射载体加速运动至最高速度时，开 始做减速运动，发射体由于惯性将和发射载体分离，被弹射入轨；发射载体 则傲减速运动直至停止；然后直线电机驱动发射载体返回初始点，准备下一 次发射。从本质上分析，高温超导磁悬浮发射装置相当于发射体的弹射装置。 2 2 3 高温超导磁悬浮发射的优点以及应用领域 使用高温超导磁悬浮发射装置发射弹丸与以往使用火药燃烧释放能量加 速发射体相比，具有如下优点： 1 高温超导磁悬浮发射可以达到超高速，可将发射体加速到每秒几千米 甚至几十千米；而且发射体的质量也将不受限制。 ， 2 高温超导磁悬浮发射使用电能，不需要火药，这适合全电战争的概念， 并且将给后勤供给带来巨大变革。即使在和平年代，大量的火药武器的保管、 储藏等等，都将花费大量的人力和物力。 3 直线电机推进与火箭推进相比，用电能代替低烃类燃料，这样不仅安 全，而且降低了发射成本，效率高。 4 由于高温超导磁悬浮发射无烟雾、声响极小，因此易于隐蔽。 5 高温超导磁悬浮发射的速度更利于控制，加速相对均匀，容易改变射 程。高温超导磁悬浮发射装置便于调节发射的功率，只控制供电电流就可调 节发射速度和射程。 6 高温超导磁悬浮发射的发射体尺寸、质量可大可小，成本比较低。比 如用发射装置地对空定向发射大质量的有效载荷，其成本仅是化学火箭成本 的i o ；发射同样动能的弹丸，其成本仅是火炮的l 左右。 由于高温超导磁悬浮发射有以上的优点，同时也克服了电磁发射技术领 域的一些缺点，因此它在科学实验、动能武器装备、导弹防御系统、发射火 箭和卫星以及航空弹射等许多领域内有极其广泛的应用前景。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 4 高温超导磁悬浮发射的关键技术 高温超导磁悬浮发射的关键技术主要包括以下几个方面：电源技术、装 置技术、材料技术以及系统总体技术等。 i 电源技术：由于高温超导磁悬浮发射所需要的能量相当的大，我们需 要很高的功率，普通的电源很难满足要求。理想的情况下是采用脉冲电源， 先将初级电源的功率传递给储能系统，将能量储存在脉冲供电系统中，然后 在适当的时候迸行释放，以满足我们所需要的高能脉冲。目前高温超导磁悬 浮发射使用的电源为普通电源，电源技术有待改进。 2 装置技术：高温超导磁悬浮发射装置是高温超导磁悬浮发射系统的核 心部件，决定着高温超导磁悬浮发射所采用的基本原理和方式，也影响着我 们所采用的供电形式和电源系统的形式。电磁发射器的设计结构，参数极大 地影响着高温超导磁悬浮发射系统的性能。 3 材料技术：由于高温超导磁悬浮发射要应用高温超导磁悬浮技术，从 而对永磁材料和高温超导材料的要求也比较高，以获得更强的发射能力和发 射过程中的动态稳定性。 4 系统总体技术：高温超导磁悬浮发射的研究，主要围绕如何提高发射 体速度这一核心问题展开，将来一定会开展许多相关单项技术的研究，单项 技术发展到一定程度时，系统总体技术就成为一项十分重要的关键技术。必 须从系统的总体布置和各组成部分的功能，以及选择的技术途径和实施方案 等全局出发，为各分系统和零部件的研究发展提出量化指标及相应的约束条 件，以求得系统总体综合性能的优化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第3 章发射装置供电系统的构成 供电系统是高温超导磁悬浮发射装置驱动系统的“能量”保证，为了提 供符合质量要求的电能，减少电源引起的故障，确保驱动系统中每个电机安 全连续运作，发射装置必须有高可靠性、高可利用率和抗干扰能力强的供电 系统，在设计时必须考虑供电系统的环境适应性以及安全可靠性等指标要求。 本章重点讨论高温超导磁悬浮发射装置供电系统的构成。 供电系统的设计原则 高温超导磁悬浮发射装置供电系统的设计应遵循如下原则： 1 满足驱动系统电机设备用电功率和参数要求。 2 把供电安全可靠作为重要条件，具备必要的保护措施，如供电系统必 须具备过流、过压和漏电保护等功能，并要考虑良好的接地措施，这对于防 止操作人员误操作造成伤害或对设备造成损坏至关重要。 3 整个供电系统按标准化设计，电气元件采用标准件，满足互换性和方 便快速维修的要求。 4 供电系统需要运输到外地，所以供电设备必须采取加固和三防措施， 以便于其抗振动、抗冲击、抗高低温以及防潮等，适应运输要求，同时满足 电磁兼容性要求。 3 2 供电系统的构成部分 高温超导磁悬浮发射装置供电系统如图3 - 1 所示，主要由电源、断路器、 熔断器、固态继电器、直线电机和控制电路等部分组成。图中，s s r 为固态 继电器。三相电源经过断路器、熔断器以及一个固态继电器总开关( s s r 0 ) 以 后，通过各个固态继电器开关，给相应的直线电机供电。固态继电器总开关 的通断控制信号由开关s 来实现，其余固态继电器的通断控制信号均由控制 电路提供。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 3 2 1电源部分 电源取自电网三相交流电源，主要作用就是给驱动系统的各个直线电机 供电。电源的各项指标如表3 一l 所示： 表3 - i 三相电源各项指标 电压电流频率 3 8 0 v6 0 a5 0 h z 图3 - i 供电系统示意巨 3 2 2 低压断路器部分 低压断路器( 曾称自动开关) 是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和 过负荷电流，还可以接通和分断短路电流的开关电器，在电路中，低压断路 器除了起控制作用外，还具有一定的保护功能，如过负荷、短路、欠压和漏 电保护等。低压断路器可以手动直接操作和电动操作，也可以远方遥控操作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 低压断路器的分类方式很多，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) ；按结构型式分，有万能式( 又称框架 式) 和塑壳式断路器；按灭弧介质分，有空气式和真空式( 目前国产多为空气 式) ；按操作方式分，有手动操作、电动操作和弹簧储能机械操作；按极数分， 可分为单极、二极，三极和四极式；按安装方式分，有固定式、插入式、抽 屉式和嵌入式等。低压断路器容量范围很大，最小为4 a ，而最大可达5 0 0 0 a 。 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。 低压断路器由触头、灭弧装置、操作机构和保护装置等组成。 常用低压断路器主要有万能式断路器( 标准型式为d w ) 、塑壳式断路器 ( 标准型式为d z ) 、空气断路器、油断路器、真空断路器五大类。 我国低压电器标准规定低压断路器具有型号、主电路额定值、额定工作 制、辅助电路参数等特性参数。 额定电流在6 0 0 a 以下，且短路电流不大时，可选用塑壳断路器；额定电 流较大，短路电流亦较大时，应选用万能式断路器。一般选用原则为： 1 断路器额定电流负载工作电流： 2 断路器额定电压电源和负载的额定电压： 3 断路器脱扣器额定电流负载工作电流； 4 断路器极限通断能力电路最大短路电流： 5 线路末端单相对地短路电流断路器瞬时( 或短路时) 脱扣器整定电流 1 2 5 ： 6 断路器欠电压脱扣器额定电压= 线路额定电压。 3 2 3 低压熔断器部分 熔断器对于低压电动机的相间短路、单相短路故障和过载是简单而有效 的保护装置。但如果熔断器的型式和参数选择不当或使用维护不利，同样达 不到预期的保护效果。现对低压电动机的熔断器保护在选型和使用方面提出 下列注意事项。 1 选型问题 ( 1 ) 如果预期短路电流不是太大( 如小于4 k a ) ，从经济性角度出发，可 优先选用r m i o 、r l 6 、r l 7 系列的熔断器。一方面，用户可以方便地自行拆装 熔体。另一方面，它们既可作短路保护又可作过载保护。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 ( 2 ) 如果预期短路电流较大，应选用分断能力较高的熔断器，如r t l 2 、 r t l 4 、r t l 5 系列的熔断器。 ( 3 ) 保护电动机的熔断器，一般不要求有较大容量和限流作用，而是希 望熔化系数适当小些。所以，宜选用锌质熔体和铅锡合金熔体。 ( 4 ) r m l 、r m 2 和r c l 系列熔断器已经淘汰，所以一般不允许使用瓷插式 r c l a 系列熔断器作电动机保护；如受条件限制非用它不可，也只能勉强用额 定电流为1 5 a 及以下的熔丝，作为7 5 k w 以下的电动机的过载保护。 2 参数选择 ( 1 ) 熔断器额定电压应符合电动机的运行电压。熔断器的工作电压与其 熔管长度及绝缘强度有关。不能把熔断器用在高于其额定电压的回路中去， 也不能把大熔片装到小熔断管中去。 ( 2 ) 熔断器的额定电流应大于电动机回路长期通过的最大工作电流。其 壳体的载流部分和接触部分不会因为通过工作电流而损坏。熔断器的额定电 流不得小于熔件的额定电流。 ( 3 ) 熔断器的极限断路电流应大于流过的最大短路电流。用以保证切断 故障电流时，不致烧毁熔断器。 ( 4 ) 熔件的额定电流应按下列三个条件选择 按正常工作条件选择 电动机起动电流可达( 4 8 ) l 。，起动持续时间约为5 l o s 。在此条件 下，熔断器既不应老化，也不能熔断。 具体的熔断器特性应按生产厂家供给的曲线，由试验得知，熔断器的额 定电流约为最大通过电流的一半时，可满足上述要求。 熔件的额定电流可按式( 3 1 ) 选择： l 。2 i q 墨 ( 3 一1 ) 式中槲件的额定电流； 乃一电动机起动电流，一般为( 4 8 ) 五。即为电动机额定电 流的4 8 倍； 丘一比例系数。一般为1 5 2 5 。对不经常起动的电动机，取 2 5 ，对频繁起动的电动机应取1 5 。绕线式电动机起动电 流较小，所取系数可降低为1 2 5 。 应按与控制电器在时间上相互配合选择 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 当熔断器与电磁接触器配合使用时，应保证熔断器先切断短路或过载电 流，接触器在其后空载断开。已知接触器动作对间为0 0 4 o 0 6 s 。为此， 要求熔断器的熔断时间为0 0 2 0 0 3 s ，其可靠系数可达： k r = ( o 0 4 一o 0 6 s ) ( o 0 2 o 0 3 ) s = 2 ( 3 - 2 ) 根据熔丝熔断试验，当短路电流达( 2 0 2 5 ) 厶。时，其熔断时间能满足 0 0 2 o 0 3 s 。故按式( 3 3 ) 选取熔件电流。 t l 一( 2 0 2 5 ) ( 3 3 ) 式中l 。广通过熔断器的最大短路电流； 按保证上下级保护之间的选择性要求 要保证选择性，必须使下级保护的动作时间小于上级保护，上级保护的 动作值大于下级保护。应根据其保护特性曲线上的数据及其实际误差来选择 熔件电流。若熔断时闻的匹配裕度以1 0 来考虑，即+ 5 9 6 - 5 ，则必须满足 下列条件： t l 1 0 5 + c o 9 5 一f f 2 ( 3 4 ) 式中f 卜熔断器熔断时间误差，由产品说明书查得，若无法查得， 一般按5 0 考虑： 厂对应于故障电流值，从特性曲线上查得的上一级熔件的熔 断时间。 3 2 4 固态继电器部分 ，固态继电器( s o l i ds t a t er e l a y s ) ，简写成“s s r ”，是一种全部由固态 电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件( 如开关三极管、双向 可控硅等半导体器件) 的开关特性。可达到无触点无火花地接通和断开电路的 目的，因此又被称为“无触点开关”。它问世于7 0 年代，由于它的无触点工 作特性，使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用。 1 固态继电器的原理及结构 为了简便起见，下面以单相交流型的s s r 为例来说明它的工作原理，如 图3 2 所示。图中的部件一构成交流s s r 的主体，从整体上看，s s r 只有 两个输入端( a 和b ) 及两个输出端( c 和d ) ，是一种四端器件。工作时只要在 a 、b 上加上一定的控制信号，就可以控制c 、d 两端的“通”和“断”，实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 “开关”的功能，其中耦合电路的功能是为a 、b 端输入的控制信号提供一个 输x 输出端之间的通道，但又在电气上断开s s r 中输入端和输出端之间的 图3 - 2s s r 工作原理框图 电联系，以防止输出端对输入端的影响。耦合电路用的元件是。光耦合器”， 它动作灵敏、响应速度高、输入输出端之间的绝缘( 耐压) 等级高。由于输入 端的负载是发光二极管，这使s s r 的输入端很容易做到与输入信号电平相匹 配，使用时可直接与计算机输出接口相联，即受“1 ”与“o ”的逻辑电平控 制。触发电路的功能是产生符合要求的触发信号，驱动开关电路工作。由 于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等 污染电网，为此特设“过零控制电路”。所谓“过零”是指，当加入控制信号， 交流电压过零时，s s r 即为通态；而当断开控制信号后，s s r 要等待交流电的 正半周与负半周的交界点( 零电位) 时，s s r 才为断态。这种设计能防止高次 百、一 缚牟净 6f 爿 jl r 2 0 r 4 0 一 自7 -g d 必订 j i ! 心 量1 停止t o t 2 定时嚣关中断 ， 延时5 i ，蛤倒动电磁铁供电 臣蛰 l 返回主程序 l h 、0 哪，3 6 h ，b o h 依次送 鼬，i m 、r 3 ，r 2 作为键除数 - 调用脒法计算子程序计算出 两的整数部分 i r o 连续两次自硅1i 将商的整数部分存入r o 单元 申 0 0 h 、o 依次送r 3 、r 2 | 调用除法计算子程序计算出 商的小教部分 赢 1 7 一 商的小教部分高位存入r o 单元 崮 是0 将商的小数部分转换成b c n 码 上 锛加显示序号并将葛与速度的整散 部分转挽成b c d 码依次存入内存 上 蒋o v | 强字形码慵移量存入内存 图5 - 3 计数值捕捉程序流程图图5 - 4 速度计算模块程序流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 5 。4 速度计算模块 速度计算模块的主要任务就是根据捕获到的计数器t 2 的计数值和已知 的计数脉冲周期计算出时间值，再由己知的路程得出平均速度值。速度计算 主要包括商的整数部分和小数部分的计算，整数部分、小数部分以及显示序 号的b c d 码转换。速度计算模块的程序流程如图5 4 所示。 5 4 1速度计算的基本原理 沿着发射载体运动的方向，两个传感器之间的距离为固定值，等于电机 的长度s 。假设定时器计数器捕获的计数值为，计数脉冲的周期为耳， 则发射载体在本段距离内的平均速度v 可按下式计算： v ：j l ( 5 4 ) n x r c 本系统中，电机的长度s = 7 0 0 m m ，计数脉冲由单片机内部定时器t 0 控制 p 1 2 引脚产生，周期t c = 5 0 p s ，将这些数据代入上式，得到平均速度： v = 罴n x = 塑n ( s ) ( 5 - 5 ) 5 0 珊 在单片机中，由于机器只能识别二进制数，所以实际应用中所有的数字、 字母和符号也必须事先对它们进行二进制编码。由式( 5 5 ) 可知，速度计算式 的分子为1 4 0 0 0 ，其十六进制编码为3 6 b o h ，对其进行存储时需要占用两个字 节，捕捉寄存器捕捉的计数值也需要占用两个字节，在介绍本文的除法算法 时，考虑到本系统的实际情况，作以下两点说明： 1 发射载体的运动速度小于9 9 m s ，亦即运动速度结果的整数部分b c d 码可以用一个字节单元存放； 2 发射载体在每段电机上的运行时间不超过3 2 7 6 8 m s 。 5 4 2 速度计算的算法实现 在单片机的实际应用中，除法运算是比较常见的一种运算。以m c s - 5 1 单片机为例，虽然它提供了除法指令，但只能进行单字节除以单字节的运算， 如果要进行多字节的除法运算，就得自己设计算法。目前，许多资料上都介 绍了四字节除以二字节的算法，并且除数必须大于被除数的两个高字节，否 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 则计算就会溢出。例如，被除数是o f f f f h ，除数是0 0 0 4 h 时，商数应该是3 f h ， 余数是0 3 h 。但是，用以前的算法是无法进行运算的。 在实际运用中，参与运算的数是任意的，有时是四字节除以二字节，有 时是二字节除以二字节，因此，以前的算法在实际应用中受到了很大的限制。 为了满足本系统的需要，本文设计了一套二字节除以二字节的算法，克 服了上述算法中的缺点，可以适合广泛的实际需要。下面以m c s 一5 1 汇编语言 为例进行说明。 该算法用被除数单元来存放商数，采用移位相减法进行运算。在进行商 的整数部分除法运算时( 商的小数部分除法运算暂且不提，后面小节内容会作 更为详细的介绍) ，首先，把进位位清零，在二字节的被除数单元前面添加两 个清零的字节单元，再将进位位、添加字节单元和被除数单元按顺序首尾相 连( 如图5 5 所示) ，逐位进行向左循环移位，共移位1 6 次。每移位1 次，余 数单元都和除数作一次减法运算，若够减，余数单元内容更新为两者之差， 并且将被除数最末一位置为1 ：若不够减，则余数单元内容保持不变，且将 被除数最末一位置0 。判断是否够减的方法是：在作减法之前，先清零进位 位，再看作完减法后的进位位；作减法之后进位位为l 时视为不够减，否则 视为够减。这样，当全部运算结束时，商数为两个字节( 高字节为o ) ，存放 在被除数商单元中；余数亦为两个字节，存放在余数单元中。 i ch i h l l hl l l 进位位被除数单元 l 余数单元 商单元 图5 - 5 除法操作数位置示意图 这个算法自然、流畅，运算结果的商数为两个字节，余数为两个字节， 该算法还可以根据实际需要扩充为位数更高的多字节除数算法，也可以移植 到其它的单片机平台上。该算法的流程图如图5 6 所示，图中的r o 单元存放 捕捉数据的低八位，r o + i 单元存放捕捉数据的高八位。 1 商的整数部分除法运算 商的整数部分除法运算前面已经作了详细的介绍，本设计中，被除数 ( 2 b c h ) 由高位至低位依次被存入工作组寄存器r 3 、r 2 中，清零r 5 、r 4 ，并 和r 3 、r 2 首尾连接，形成r 5 r 4 r 3 r 2 四个字节的被除数单元，除数即为相应 内存单元中的捕获计数值，整数部分的除法运算得到的商在r 3 r 2 中，根据前 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 面的说明，r 3 中的内容应该为0 ，商的有效位数实际上只有一个字节。将r 2 中的内容存入相应的内存。 2 商的小数部分除法运算 整数部分的除法运算结束后，得到的余数部分在r 5 、r 4 中。将r 2 中的 商可靠存入相应内存后，清零r 3 、r 2 ，并且和r 5 、r 4 首尾连接，形成r 5 r 4 r 3 r 2 四个字节的被除数单元( 除数同样为相应内存单元中的捕获计数值) ，利用除 法运算子程序，继续进行商的小数部分的除法运算。 图5 - 6 除法算法流程图 5 4 3 速度计算结果的b c d 码转换 速度结果计算出来以后，在数字计算机中的数据存储方式是由“o ”和“1 ” 组成的二进制码串，根据不同的需要，我们往往要求数据的显示形式不一样， 如二进制、十进制、八进制、十六迸制等等，然而在汇编语言中实现数据的 墓 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 5 页 显示没有类似高级语言中的输出格式命令那么方便，按不同的数制要求，还 要先完成数制间的转换。本系统按十迸制的数制形式显示在l e d 显示器上，因 此，首先要完成二进制和b c d 码之间的转换。 1 商的小数部分的b c d 码转换 速度计算完成以后，首先进行小数部分的b c d 码转换。二进制小数部分各 位的权重为2 1 ( n 为相应的位) ，二进制小数可以按如下通式来计算： n = 口一l 2 。+ 口2x 2 2 + + 口一_ 2 啸 ( 5 6 ) 式中口，一第f 位数码，可取0 或1 ； 掰- - 进制数小数部分的位数。 于是可以根据表5 1 采用判位加权的办法实现对小数部分的b c d 码转换， 程序流程如图5 - 7 所示。 图中，r l 中的内容为转换前小数高位的存入地址，r 0 中的内容为转换前 小数低位的存入地址，r 6 存入需要转换的次数，r 5 、r 4 用来存放b c d 转换的 中问结果，r 3 用来“记忆”移位情况，r 2 存入移位的次数。该程序的精度取 为1 0 4 。 表5 1 二进制小数部分位一权关系 位2 一2 22 2 一2 52 。2 72 82 92 “” 权0 5 0 00 2 5 00 1 2 50 0 6 20 0 3 l0 0 1 60 0 0 80 0 0 40 0 0 20 0 0 1 2 商的整数部分的b g d 码转换 商的小数部分的b c d 码转换完成以后，进行显示序号和整数部分的b c d 码 转换。本文采用“除1 0 取余”法来完成这种转换。其大致过程如下：将内存 中待转换的数除以l o ，得到第一个商和余数，此余数就是所求的十进制数的 个位；再用第一个商除以1 0 ，得到第二个商和余数，第二个余数就是所求十 进制数的十位；重复这一过程直至商为0 ，此时的余数就是所求十进制 数的最高位。在内存中分配一个缓冲区，用来存放l 三l 上分离出来的十进制数 的每一位，以待显示。 商的整数部分连同显示序号一起作b c d 码转换。显示序号的范围是1 1 5 ，速度值的范围是o 9 9 。这两种数据转换成十迸制以后都只有十位和个位 两位，因此只需要进行一次“除1