（电机与电器专业论文）基于cpld断路器操动机构的控制及其结构优化设计分析.pdf

基于c p l d 断路器操动机构的控制及结构优化设计分析 a n a l y s i sa n dd e s i g no ns t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nf o rc i r c u i tb r e a k e r o p e r a t i n gm e c h a n i s ma n dc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nc p l d a b s t r a c t 珊t ht h ep r o g r e s s i n go ft h ee l e c t r o nt e c h n i q u ea n dt h ep o w e re l e c t r o nt e c h n i q u e 嬲w e l l a sc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n i q u ei so nt h ew a y f o ri n t e l l i g e n c e ac i r c u i tb r e a k e ri sa ni m p o r t a n t p r o t e c t i n g e l e c t r i cd e v i c e t h u s ，i t si m p o r t a n tf o rt h ea c t u a t o ra n di t sc o n t r o lu n i t s p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y t h er e a s o n a b l e d e s i g no fp e r m a n e n tm a g n e t i co p e r a t i n gm e c h a n i s mi ss u b j e c t i n v e s t i g a t e dr e c e n t l y t h et r a d i t i o n a l b i s t a b l es t r u c t u r em a k e st h ep e r m a n e n tm a g n e t i c a c t u a t o r sb o d yb i g g e ra n dh e a v i e r 1 1 1 ef a u l ti sm o r ec o s ta n dl e s sr e t e n t i v e n e s s n o w a d a y s ， t h ea d v a n t a g eo ft h ee l e c t r o n i cc o m p u t e r sn u m e r i c a lv a l u em a k et h er e a s o n a b l ed e s i g nf o r t r a d i t i o n a lp e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r ss t r u c t u r ea p p r o v e d i na d d i t i o n ，t h ec o n t r o l l e ro ft r a d i t i o n a lp e r m a n e n tm a g n e t i co p e r a t i n gm e c h a n i s mu s e d a r t i f i c i a lc i r c u i tm a d eb yd i s c r e t ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t t h u s ，i ti sn e c e s s a r yt o o nt h eb a s i so fp r e d e c e s s o r , n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o di sa d o p t e df o rs t r u c t u r e o p t i m i z e d m e a n w h i l e ，t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ld e v i c eo fo p e r a t i o nm e c h a n i s mw i t hp e r m a n e n t m a g n e t i ca c t u a t o ri sd e s i g n e db a s e do nc p l d t 1 1 i sp a p e rp r e s e n t sb 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 rf f m a ) f o rm e d i u mv o l t a g e c i r c u i tb r e a k e r ag r e a te m p h a s i si st a k e ni nt h ef i r s tp a r to ft h ea r t i c l eo nt h ef i n i t ee l e m e n t m a g n e t i cf i e l dm o d e l t h ef i n i t ee l e m e n tm a g n e t i cf i e l dm o d e lw a sb u i l tb va n s o f t s o f t w a r ea c c o r d i n gt os t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i ca n da c t u a lc o n d i t i o no fw o r kf o rp e r m a n e n t m a g n e ta c t u a t o r f i n i t ee l e m e n tm e t h o di sa d o p t e dt oc a l c u l a t et h es t a t i cm a g n e t i cf i e l do f b i s t a b l ep m a ，a n a l y z er e t e n t i v e n e s so ft w ok i n d so fp m aa n dr e l a t i o no fs t r u c t u r e ，d i s p o s a l m o d ea n dd i m e n s i o no fp e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a l ，g e tt h eo p t i m i z a t i o ns t r u c t u r eo f p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r t h es e c o n dp a r to ft h ep a p e r , b a s e do nc p l d ，t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ld e v i c eo f o p e r a t i o nm e c h a n i s mw i t hp e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o rf o rv a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri s d e s i g n e d 1 1 1 ed e v i c ec 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 t a l s oh a s t h ef u n c t i o n so fu 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 gi n t e r l o c kf o rm a l - o p e r a t i o n t h e n ，t h el o g i cf u n c t i o no fc o n t r o l l i n gc i r c u i tb r e a k e ri ss i m u l a t e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t so fi n t e l l i g e n tc o n t r o ld e v i c eo nav a c u u mc i r c u i tb r e a k e rs h o wt h e1 0 9 i cc o n t r o l f u n c t i o na n dd r i v i n ga r ec o r r e c t t h em i n i a t u r i z a t i o na n d 也em a i n t e n a n c ef l e eo fp e r m a n e n t m a g n e t i co p e r a t i n gm e c h a n i s m c a nb ea c h i e v e db ye l e c t r o n i cc o n t r o l l i n gd e v i c e 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：c i r c u i tb r e a k e r ；o p t i m i z a t i o ns t r u c t u r e ；o p e n i n g c l o s i n gc o n t r o l ；c p l d ； i n t e l l i g e n tc o n t r o l - i i i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：塑避 日期：出墨 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景 随着社会的发展，人们对用电的安全可靠性要求越来越高，高压断路器是电力系统 中最重要的保护电器之一，其性能的优劣直接关系到电力系统的安全运行。从国际、国 内断路器的故障统计数字来看，机械故障占大多数，高达总故障的7 0 ，为进一步提高 断路器的可靠性，突破传统意义上的机构动作原理，研制新型的断路器操动机构已成为 近年来的研究热点【l j 。 操动机构是断路器的重要组成部分，在断路器中占有极其重要的地位。它要求保证： ( 1 ) 断路器长期动作的可靠性，而且要满足灭弧特性对操动机构的要求。 ( 2 ) 断路器的分合闸所需要的时间或速度必须满足其开断和关合要求，以便通过快速切 除故障而不使故障扩大，保持电力系统的稳定性，并可减轻设备、线路、绝缘等的损伤。 为此，要求断路器具有良好的操作性能，以满足上述要求【3 】。 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。 永磁操动机构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。它包含两部分：一是机构本体，二 是电源和控制部分。前者主要是电磁系统及于之相关的机械部件，后者则是驱动电源、 工作电源及控制单元 2 4 1 。二者相辅相成，任何一个环节设计不当或成本偏高都会对其 综合性能产生影响。若一味追求机构本体小型化，但未加以优化，则难以输出足够的分 合闸速度，即使可以使用，也将会增大分合闸线圈的电压和电流，加大电源和控制单元 的负担，增加电源和控制单元的成本，影响产品的经济指标。如果机构本体已经被优化 了，但电源及控制部分功能不完善、可靠性不高，同样更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，以保证产品的技术性能和 经济性能。 本课题以1 0k v 真空断路器永磁机构为例。永磁机构的操作电压在 1 0k v 户外柱 上配电自动化开关设备通用技术条件( 试行) 中规定，额定操作电压一般为直流2 4 、 4 8 、1 1 0 、2 2 0 v ；交流为1 1 0 、2 2 0 v 。永磁机构宜采用直流电压，不宜采用交流电压； 永磁机构的操作电流：国外分体式永磁机构单相操作电流一般小于1 0a ，国内分体式永 基于c p l d 断路器操动机构的控制及结构优化设计分析 磁机构单相操作电流一般为1 5 2 0 a ；永磁机构的分合闸速度一般大于l n g s ，永磁机构 的行程一般为7 2 8r a i n ，分合闸时间一般为4 0 - 8 0 m s ，机械部分寿命( 动作次数) 不 小于5 万次。 1 1 1 真空断路器的操动机构 真空断路器功能的实现，关键在于触头的有效分合，而触头的分合动作又是通过真 空断路器的操动机构来完成的。因此，操动机构的性能和质量决定了真空断路器工作性 能和可靠性。多年来，真空断路器一直在努力追求者一种完美的操动机构：结构简单， 寿命长，可靠性高，可以用小功率交流电源操作，出力特性与真空断路器的反力特性很 好匹配，能给出不大的合闸速度和较高的分闸速度的操动机构【3 1 。操动机构的发展主要 经历了以下三个阶段： ( 1 ) 弹簧操动机构 利用已储能的弹簧使断路器触头分合的操动机构称为弹簧操动机构。整个操动机 构是由弹簧储能、维持储能、合闸与合闸维持及分闸四个部分组成，其电动机可由交、 直流电源供电。该操作机构不需要大功率直流电源，因此适用于交流操作。其缺点是操 动机构的结构过于复杂，零部件数量多达2 0 0 余件，并且制造工艺复杂，加工精度要求 高，有些零部件还需要在数控加工中心加工，尽管成本很高，但产品的可靠性却不能完 全保证。 ( 2 ) 电磁操动机构 真空断路器依靠电磁力分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，零部件数量较弹簧操动机构少很多，约为1 2 0 余件，使用较可靠，制造 成本也相对较低，其缺点是要求用户配备专门的蓄电池组，合闸线圈消耗功率过大，电 磁机构结构笨重，动作时间较长等。 ( 3 ) 永磁操动机构 相比起弹簧储能操动机构，磁力操动机构的出力特性与灭弧室的要求更加吻合：在 合闸动作过程中，磁力操动机构的出力随着行程的增加，至触头闭合到位时出力将达到 最大值。此外，磁力操动机构也具有与灭弧室相近的动作总行程，这一点可以使磁力驱 动器和灭弧室用最简单的方式搞合甚至是直接连接。 永磁机构的机械寿命已经超过多数断路器用真空灭弧室的机械寿命，永磁机构的可 靠性是理想的，永磁机构的结构非常简单，可以用小功率交流电源操作，这些均很好地 满足真空断路器的要求。 将永久磁铁使用在电磁操动机构的研究实际上从1 9 6 0 年代中期就开始了，最初被 选用的是铝镰钻合金及铁氧体一类永磁材料。然而这些材料或磁能密度过低导致驱动机 大连理工大学硕士学位论文 构体积庞大，或矫顽力不够造成永磁体很快退磁，使得这些研究成果仅能保留在实验室 之中【l l 】。 永磁材料的发展与应用 由于永久磁铁具有铁磁物质的物理特性，因此在各行各业如机电、广播电信、医疗 器械、交通运输及冶金采矿等众多行业得到了广泛的应用。自1 9 8 3 年以来，已研制出 被称为“磁王”的第三代稀土永磁材料，其单位体积的磁能提高到5 0 m g o e ( 3 9 7 9 k j m 3 ) 。 高强磁性的新型永久磁铁( 钕铁硼) 的问世，使得真空断路器的操动机构有了很大变化， 各国真空断路器产商均给予高度重视【1 0 】。 永磁机构的特点 由永磁机构动作原理可知，永磁机构结构简单，零部件数量少，没有机械锁扣，运 动部件通常只有一个，这是所有永磁机构的共同特点，也是共同的优点，单线圈和双线 圈永磁机构的机械结构都极简单，比任何操动机构( 弹簧操动机构和电磁操动机构) 的结构都要简单的多，零部件数只有弹簧操动机构的4 0 左右，由于零部件数量少，结 构简单，运动部件通常只有一个，这使永磁操动机构的机械寿命特别长，容易达到1 0 万次或者更高。同时由于没有容易出现故障的机械锁扣和其他高速运动部件，所以永磁 机构发生机械故障的概率几乎为零，也即它的机械可靠性非常高，远远高于电磁操动机 构和弹簧操动机构。机械寿命长、可靠性高是永磁机构最为突出的特点。 1 1 2 永磁机构的典型结构 永磁机构属电磁类操动机构，永磁操动机构有不同的结构形式，但工作原理却大体 相似【2 l 】。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【2 2 1 。双稳态是指动铁芯在开断与关合的行程终止的2 个位置，不需任何能量或锁扣 即可保持；单稳态是指永久磁铁只处于一个位置的保持。永磁机构结构简单，组成机构 的零部件极少，一般仅数个，其中动铁芯是整个机构中唯一的运动部件，因此机械可靠 性较高。 对于双稳态永磁操动机构，当断路器处于合闸或分闸位置时，线圈中无电流通过， 永久磁铁利用上、下极限位置，而不需要任何机械联锁。当有动作信号时，合闸或分闸 线圈中的电流产生磁势，动、静铁芯中由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场叠加合成， 动铁芯连同固定在上面的驱动杆，在合成磁场力的作用下，在规定的时间内以规定的速 度驱动开关本体完成开合任务【1 5 】。 一3 一 基于c p l d 断路器操动机构的控制及结构优化设计分析 图1 1 双稳态永磁操动机构的剖面简图 f i g 1 1s t r u c t u r eo f b i - s t a b l ep m a 从图中可以看出，永磁机构共由七个主要零件组成：1 是静铁，已, ( s t a t i o n a r yc o r e ) ，为 机构提供磁路通道；2 为动铁一b ( a r m a t u r e ) ，是整个机构中最主要的运动部件；3 、4 是永 久磁体( p e r m a n e n tm a g n e t ) ，为机构提供保持时所需要的吸力；5 、6 为分闸线圈( o p e n i n g c o i l ) 和合闸线圈( c l o s i n gc o i l ) ，7 是驱动杆( c o n n e c t i n gr o d ) ，为操动机构与断路器传动机 构之间的连接纽带。 ( 1 ) 双线圈永磁机构7 】 双线圈式永磁机构的特点是采用永久磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合闸的 极限位置上，使用激磁线圈将机构的铁芯从分闸位置推动到合闸位置，使用另一激磁线 圈将机构的铁芯从合闸位置推动到分闸位置，例如a b b 公司的v m l 型开关的机构即采 用此种结构。图1 1 为双线圈永磁机构的结构简图。 当断路器处于合闸位置时，动铁芯在最上端，线圈中无电流通过，永久磁铁利用动、 静铁芯提供的低磁阻通道将动铁芯保持在合闸位置，而不需要任何机械闭锁。当有动作 信号时，分闸线圈中流过电流，动、静铁芯中的磁场由线圈产生的磁场与永磁磁场叠加 而成，向下的力超过向上的力，动铁芯在合成磁场力的作用下，完成断路器的分闸动作； 反之，动作亦相同 2 9 1 。 双线圈式永磁机构优点在于【i 】 由于机构在进行合闸时，不需给分闸提供能量，合闸能量较小，合闸线圈线径较 细，需要的电源电流小。 机构在合闸位置时，永久磁铁只需提供克服触头弹簧的力，而不包括分闸弹簧的 力。 双线圈式永磁机构不足主要表现为【1 】 大连理工大学硕士学位论文 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，永久磁铁 对分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 程终止时运动速度过高，形成很大的冲击。 ( 2 ) 单线圈永磁机构 单线圈式永磁机构也是采用永久磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合闸极限位 置上，但分合闸共用一个激磁线圈。合闸的能量主要来自激磁线圈，分闸的能量主要来 自分闸弹簧。例如，英国w h i p p & b o u r n e 公司推出的g v r 柱上真空断路器就是采用这 种机构。 双稳态单线圈机构的合闸过程与双线圈机构相同，但同时要给分闸弹簧储能，因此 合闸时能量较大；分闸时给线圈通以反向电流，使合成磁场为零，靠触头弹簧和分闸弹 簧所储存的能量进行分闸。这种机构分、合闸共用一个线圈，结构简单，体积较小，分 闸速度可以通过分闸弹簧来调整。 单线圈式永磁机构优点在于【1 1 因分闸是靠分闸弹簧和触头弹簧释放的能量，可以通过调整分闸弹簧来调整分闸 特性。而分闸弹簧的输出特性可与断路器所要求的速度特性一致。 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。 单线圈式永磁机构不足主要表现为【l 】： 机构在合闸过程中，需要给分闸弹簧储能，合闸时能量较大，操作线圈的电流较 大，线径粗，要求电源提供的电流较大。 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，永久磁铁应提供较大的力，永久磁铁的体积较大。因此，这个问题必须采取相应 的措施加以解决。 1 1 3 永磁机构的控制回路 ( 1 ) 永磁机构控制回路 永磁机构的控制系统是用来接收电信号，并通过逻辑判断最终给出指令控制操动机 构动作的装置【3 1 。永磁机构控制回路通过不断的发展，取得了不少可喜的成果，其可靠 性也在不断的提高。它的发展经历了从普通继电器控制方式向大功率电力电子器件控制 方式转变的过程。普通继电器控制方式采用直流继电器控制分合闸线圈，来达到控制开 基于c p l d 断路器操动机构的控制及结构优化设计分析 关分合闸的目的。继电器控制方式存在体积大、寿命短、延迟时间长、节点粘连等闯题， 因此其使用受到了很大的限制。大功率电力电子器件控制方式从器件的应用上看又分 为：m o s f e t 开关管和i g b t 开关管。该方式需要采用的设计方案，具有以下优点：体 积小、功能强大、延迟时间短、寿命长。基于上述优点该类型的永磁控制器获得了较为 广泛的应用。 ( 2 ) 永磁控制要解决好的几个问题 可靠性。永磁机构控制要解决的首要问题是可靠性的问题。当前永磁开关推广 的一个比较大制约因素就是控制回路的可靠性问题。通过电路的优化、器件的筛选、保 护电路的完善等手段解决控制回路中大功率电力电子损坏的问题。必须通过几方面的协 调才可能达到理想的效果。 抗干扰性。永磁机构控制器有的安装于断路器本体内部，在开断故障电流时控制 器所受到的电磁干扰是非常恶劣的，因此作为断路器的控制设备必须具有很高的抗干扰 性，才能保证断路器的正常动作，否则就会出现断路器误动或拒动的问题，这是必须要 避免的。 小型化。小型化是当前控制设备的发展的必然趋势，同时为了满足控制器内置的 要求也必须小型化。小型化就要求采用新的控制方式、新的器件、新的控制原理。采用 集成度较高的单片机和大功率电力电子器件，是控制器小型化的主要手段。 ( 3 ) 永磁机构控制器设计的重点和难点 由于电力电子器件耐受电压电流冲击的能力较低j 如果保护电路不完善，这些器件 是非常容易损坏的。在当前永磁机构断路器出现的故障中该器件损坏占据了较大的比 例。因此，采用什么样的方法来保护该类器件，成为永磁机构控制器设计的重点和难点。 控制芯片可以采用单片机或逻辑门阵列。单片机内部带有多种功能模块：a d 转换， p w m 控制，定时器，通讯模块等，可以把众多功能集成到一块芯片，从而把硬件电路 软件化，降低成本，提高系统可靠性。但是单片机采用汇编语言编写程序，可读性差， 重复利用率低。 逻辑门列阵采用电路图或者硬件描述语言进行编程。这种编程方法直观清晰，可读 性好，容易实现功能的模块化，提高开发效率，而且其软件仿真十分容易实现。同时具 有现场可编程的门列阵( c p l d ) 可以很方便地实现系统的升级，而不需要专门设备，但门 列阵编程需要一定的数字电路知识，而且如果程序设置不当会出现竞争冒险，给系统埋 下隐患。 1 1 4 永磁操动机构国内外发展状态 永磁操动机构诞生于1 9 9 7 年。它采用一种全新的工作原理和结构，将电磁机构与 大连理工大学硕士学位论文 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。 ( 1 ) 1 9 9 7 年a b b c a l o r e m a g 公司推出最新研制的v m i 型真空断路器，采用永磁操动 机构的新技术【9 】。该真空断路器，采用了仅有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能保持【1 7 】。采用这种无磨损的 真空断路器机构在其1 0 万次的操作寿命中不需维修，是传统真空断路器寿命的三倍， 可节省维修费用，v m i 的创新还包括将真空灭弧室用环氧树脂完全浇筑形成一体，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1 0 0 次。v m i 真空断路 器的额定电压目前为1 2 、1 7 和2 4 k v ，额定电流为6 3 0 或1 2 5 0 a ，额定短路开断电流为 2 0 或2 5 k a 。较高电压等级和大开断能力的产品正在研制中。 ( 2 ) 荷兰h o l e c 的m m s 型真空断路器采用永磁机构操动，其短路开断电流为 3 1 5 k a 。该操动机构中，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，m m s 型永磁机构的结构非常简单，他的组成部件不足1 5 个，特别是还能实现分相 可控操作，在关合容性负载时，可减少涌流，在分闸时可减少过电压，且分合闸时间偏 差不超过1 m s e 2 引。 ( 3 ) 永磁机构自问世以来，国内很多研究单位和高等院校做了大量相关工作，许多 厂家已完成了永磁机构和起断路器或接触器的开发和试验，并通过了样机鉴定，但从 2 0 0 2 年的销售情况来看，永磁机构的销售和推广并不尽人意，销售量仅为1 0 0 0 台，2 0 0 3 年的销售量也所增不多。永磁机构本体其设计要点是结构优化，凭借现有的电磁场数值 计算软件值，这一点比较容易实现【2 3 1 。为保证永磁机构能可靠工作，必须要有一个直接 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。直接电流和控制 单元的功能、成本及可靠性一直是大家关注的焦点，也是影响永磁机构的发展和推广的 重要内在因素，其发展方向是提高可靠性和降低成本【2 7 】。 综上所述，1 0 k v 真空断路器使用永磁操动机构在我国已不是空白，永磁操动机构 与真空断路器灭弧室的有机配合，克服了弹簧储能操动机构和电磁操动机构分、合闸动 作时间较长的缺陷，称的上是中压断路器划时代的一次革命。由于永磁式真空断路器具 有体积小、重量轻、分合速度快、免维护、寿命长、节电、无油不燃化、可靠性高、可 以频繁操作等众多优点，不久将应成为中压开关的主流，为我国电力配网做出新的贡献。 我国是一个稀土大国，稀土及永磁操动机构断路器的价格会逐步降低，性价比会更高， 在电力、工业与民用配电系统中将得到更广泛的应用【l0 1 。 基于c p l d 断路器操动机构的控制及结构优化设计分析 1 2 永磁机构的应用及发展趋势 在许多应用场合，永磁机构都拥有较大的优势，例如户外柱上真空断路器，由于产 品安装在柱上，不容易检修，同时户外环境条件恶劣，使得弹簧机构在长期运行中润滑 失效，零件生锈、动作不灵活。永磁机构体积小，可以密封在充气箱体内，可免受恶劣 环境的侵蚀。因此户外柱上真空断路器应优先选用永磁机构，国外几家大的公司近期推 出的户外柱上产品几乎都是配永磁机构的。例如，英国的w h i p p & b o u m e 公司、a b b 公 司以及s i e m e n s 等公司的柱上产品都是配了永磁机构p 。 大多数户外环网柜一般采用充气柜( s f 6 气体) ，如用弹簧机构，因体积大，零部件 多，为便于维修，一般将其放在气体室外，这就产生了一个动密封问题，由此增加了漏 气的几率。而永磁机构体积小，免于维护，可以放在气体室内，省去了动密封的环节。 同时，由于永磁机构被安放在气体室内，不会因外部环境恶劣而引起锈蚀。因此，能长 期保持工作性能。 永磁机构还可以广泛用于铁道电气化断路器、车载开关等动作比较频繁的场所。由 于车载开关经常处于振动工况下，选用其他机构有可能会误动作。国内已经有一些公司 将产品推广应用到铁道电气化断路器和车载开关上，运行状态良好。此外，永磁机构还 可用于真空接触器，因为真空接触器是通过通电线圈提供励磁电流将铣铁保持在分、合 闸位置上，而在保持过程中，不仅要损耗电能，而且还会带来噪声污染，而永磁机构依 靠永久磁铁提供保持力，可以降低能耗、减少噪声【3 0 1 。 中压开关的发展总体趋势是无油化，但作为中压无油开关的两大系列产品，我国从 8 0 年代起在不断自行开发的同时，也在不断的引进国外先进技术及合资生产的基础上滚 动发展。目前1 0 k v 级真空断路器市场占有率高于s f 6 断路器。在我国中压领域的断路 器随着供配电系统容量的增大，1 0 k v 级已研制出3 1 5 0 - - 4 0 0 0 a 的产品，其开断电流达 到5 0 - - - 6 3 k a ，已接近国外先进水平。但在特种产品方面与国外先进国家的产品相比仍 有一定的差距，如满足发电机出线保护特大容量的产品和满足电弧炉频繁操作的产品。 国外西门子公司的产品，其机械寿命可达1 2 万次，电寿命3 万次，而我国的同类产品 仅有6 千到1 万次，仍不能满足电弧炉频繁操作的需求。为此我国今后在中压无油开关 的发展方向，应在特种产品的开发研究及在常规产品触头材料等方面加大投入，并要加 大集微电子技术、传感器技术、自控技术、精密机械技术于一体的中压智能开关的开发 力度，以满足我国供配电网络自动化发展的需求，从而促进我国电力系统的供配电网络 自动化的进程，提高我国电力网络的经济、安全运行水平【l 引。 同时，数值计算技术以及计算机辅助技术设计和手段不断提高，实验检测设备水平 也不断提高，加工工艺和制造水平也不断提高，因此具有开发研制性能优良、结构优化 8 大连理工大学硕士学位论文 的永磁机构断路器的条件。 1 3 本论文的主要工作 永磁机构本体的可靠性同弹簧机构相比有非常明显的提高。但是其应用和推广过程 中也遇到了一些问题，导致其推广应用受到一定程度的限制。如何解决好这些问题成为 永磁机构发展和推广应用的关键。 永磁机构的技术难点： ( 1 ) 驱动功率要小，体积也要小； ( 2 ) 电子控制系统的高可靠性； 由于控制回路的设计不合理，可靠性较差使得人们对于永磁机构的可靠性产生了怀 疑。永磁机构相对于弹簧机构可靠性的提高是勿容质疑的。因此，设计和采用高可靠、 高性能的控制装置成为永磁机构发展的关键和难点。本课题针对永磁操动机构特点及要 求，从整体出发，机构本体和控制单元二者兼顾，在优化机构本体的基础上，完善电源 及控制部分功能、提高可靠性，降低成本，保证了产品的技术性能和经济性能。 首先，在a n s o t t 公司的m a x w e l l 2 d 环境下建立仿真模型，完成了对永磁机构本体 的仿真研究。仿真结果准确反映了单线圈永磁机构的磁场分布，为机构的优化设计，尤 其是在操动机构的出力特性与真空断路器的反力特性很好匹配上提供了可靠的依据。同 时，利用a n s o f t 软件对永磁机构进行磁场分析可以验证所设计的参数，从而进行优化分 析。调整永磁体的大小，动铁心形状，得到较好的磁场分布，使机构的性能达到最佳。 其次，在控制模块部分则采用c p l d 实现。随着单片机系统的广泛应用，其功能不 断加强，集成度日益增高。但是由于在传统的单片机系统设计中必须使用许多分立器件 组成单片机的外围电路，如锁存器、译码器等。因此使得整个系统变得十分复杂，可靠 性降低、功耗费用增高。c p l d 的出现很好地解决了上述问题。c p l d 是一种可在线编 程实现所需要的时序、组合等逻辑控制功能的数字集成电路，它属于一个子系统部件， 具有可编程和实现方案容易改动的特点。采用c p l d 能够缩小所设计系统的规模，简化 系统部件，提高系统的可靠性。并且可根据具体的设计需要进行配置和修改所需要实现 的功能 8 j 。 基于c p l d 断路器操动机构的控制及结构优化设计分析 2 永磁操动机构静态磁场分布特性 随着计算机技术的迅速发展和计算方法的不断完善，在工程技术领域，数值计算方 法已成为一种主导分析计算方法。由于工程电磁场问题的复杂性，传统的解析法己经无 法适应工程实际问题的计算要求。而电磁场数值计算应用计算机的强大的计算能力，满 足了电磁场理论与工程应用相结合的要求，成为与电气与信息工程学科完美结合、衍生 发展的- - ( 3 重要的应用学科。电磁场数值计算适应了电磁装置和系统的发展需要，为设 计、开发出新型电磁产品，完善各类电气产品的电磁性能提供了有效的数值分析手段。 因此，电磁场数值计算理论及其工程应用是一个具有重要学术意义和学科前瞻性的研究 领域。 2 1 电磁场数值计算方法 电磁场数值计算一般有如下几种方法：有限差分法、有限元法、积分方程法、边界 积分法、边界元法及网络图论法。 以上方法各有长短之处，对不同的计算对象，各种计算方法的效果是不同的。有限 元法对于非线性问题、材料和结构参数复杂的问题均十分有效，是当今电工领域电磁场 计算中应用最为广泛的方法。 有限元法f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 的基本原理是将复杂的场空间看成由有限 个单元组成的整体，然后对每个单元进行分析，得出单元的方程式。在此基础上，将所 有单元综合进行总体合成，建立系统的联立方程组。 f e m 能有效地解决区域形状不规则的问题，可用统一的格式处理各种单元和不同的 边界条件，能编制成通用的计算机程序。有限元中的系数矩阵一般是对称、稀疏阵，计 算时便于节约内存。从工程和物理角度看，f e m 把连续性问题变为离散问题并求解的 一种方法；从数学角度看，f e m 是把偏微分方程变换为代数方程并求解的一种方法。 f e m 对于非线性问题及材料和结构参数复杂的问题均十分有效，已经在实际问题 中得到了广泛的应用【3 1 。本文研究的对象是永磁操动机构，它的铁磁材料磁导率是非线 性的，并且机构模型中包含多种材料，因此，采用有限元法对之展开分析和计算。 综上，对于永磁机构，采用有限元算法的好处在于： 有限元算法可节约大量的计算机内存和c p u 时间。 永磁机构由多种材料组成，内部具有较多媒质交界面，采用有限元法计算时第二类边 界条件和不具有面电流密度的媒质交界面条件可以不做任何处理。 铁磁材料和永磁体在计算中均为非线性材料，有限元法可以较好地处理非线性问题。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 永磁机构的动作过程 永磁机构是采用永久磁力保持断路器合分闸位置，用电磁力驱动实现断路器分合闸 动作的操作机构。以双稳态永磁机构为例说明其动作过程，从原理上分析动铁心在上下 极限位置永磁机构的磁路。永久磁铁的磁场从n 极出发，进入动铁心，分别穿入上下端 盖，经上下端盖进入壳体，再回到磁铁s 极，形成闭合磁路。在分闸位置时，由于动铁 心与上端盖之间有一段气隙，磁阻很大，所以经过上端盖的磁路强度远远小于经过下端 盖的磁路强度，动铁心被吸于下端盖。进行合闸操作时，给上下绕组加正向直流电流， 产生的电磁场见图2 1 所示。该磁场削弱经过下端盖的永久磁铁磁场，加强经过上端盖 的永久磁铁磁场，磁力推动动铁心向上运动，吸于上端盖。进行分闸操作时，给上下绕 组加反向直流电流，产生的电磁场见图2 2 所示。该磁场削弱经过上端盖的永久磁铁磁 场，加强经过下端盖的永久磁铁磁场，磁力推动动铁心向下运动，吸于下端盖 3 3 1 。 ；组磁场 r 磁铁磁场 乞荔彰z黝 冀 x ：l 萋 j i；i皂! ! 羹 简嫡 i j i 臻 又j f 蕊 又 黝l 黝 | l 图2 1 分闸位置及合闸操作磁路示意图 f i g 2 1o p e n i n gl o c a t i o na n dc l o s i n go p e r a t e dm a g n e t i cs t r u c t u r e 弋 磁铁磁点 巍组磁场 ， 铡渊 冀 k ji 薰 麓h n 骥 鍪 溺 1， 又又ii ii 海岛弓，f i v - 辫f z l 图 分闸操作磁路示意图 双稳态单线圈机构的合闸过程与双线圈机构相同，但同时要给分闸弹簧储能，因此 合闸时能量较大；分闸时给线圈通以反向电流，使合成磁场为零，靠触头弹簧和分闸弹 簧所储存的能量进行分闸。这种机构分、合闸共用一个线圈，结构简单，体积较小，分 闸速度可以通过分闸弹簧来调整。 基于c p l d 断路器操动机构的控制及结构优化设计分析 2 3 永磁机构磁场电磁场方程及计算模型 2 3 1 永磁磁场基本方程组 由于机构中存在具有饱和效应的铁磁材料，磁导率是磁感应强度b 的函数 即 = ( b ) 式( 2 1 ) 中b = l v 彳j ，a 为矢量磁位 由麦克斯韦方程组可推得非线性磁场的偏微分方程为 2 6 ： v 土v 彳：， “ ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中a 为矢量磁位；1 为磁导率；j 为线圈区域的电流密度 本文计算的圆柱形永磁操动机构是轴对称模型，因此按二维轴对称场计算，就可以 满足工程上的精度要求。计算的永磁操动机构磁场有限元分析模型如图2 3 所示。 z r 图2 3 有限元分析模型 f i g 2 3t h ea n a l y s i sm o d e lo ff e m 线圈中电流方向p 垂直于( 厂，z ) 坐标平面，在磁场计算时矢量磁位a 只有一个方向的 分量彳。，电磁场方程在( 尸，z ) 坐标平面可采取如下麦克斯韦方程 3 ： ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中爿= 么矿；v 为磁阻率，v = ；，为线圈区域的电流密度。 “ 一 l l 、l 鲥云 v 1一r ，ll一 a 一 + 、lll、 丝毋 v 1 一厂 ，1il一 a 一 大连理工大学硕士学位论文 2 3 2 永磁铁模型的建立 永磁体提供机构保持在分闸或合闸位置所需的动力，进行磁场分析首先要建立永磁 体的数学模型。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。 由于永磁操动机构中永磁体被均匀磁化，永磁体内部各点上的剩余磁化强度朋，的大小 及方向都相同，永磁体内的等效体电流密度为零，因此，永磁体可等效为一个在平行于 1 ， 朋，的永磁体侧面上，存在一层等效面电流的电磁铁，如图2 4 所示。 图2 4 永磁体面电流模型 f i g 2 4t h e 豇l r f a c cc u r r e n tm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e t 等效面电流可用面电流密度表示：以：丝卫 ( 2 4 ) 心 式( 2 4 ) 中甩为永磁体侧面外法向单位向量；硒为真空磁导率；肘，为剩余磁化强度。 在模拟永磁体的等效面电流层与其他媒质的交界处，满足以下交界条件： 去筹l 一去筹l + 2 厶 q s ，l口 、 ， h 珈l 广鸬咖i + 1 计算前，令式( 2 5 ) 等效的面电流密度- 厂口= 皿，皿为永磁体磁感应强度矫顽力。 2 3 3 电磁吸力的数值计算 麦克斯韦公式是一般公式，可适用于任何电磁铁中电磁吸力的计算，若将几分表面 取为紧贴动铁芯表面，则利用麦克斯韦公式可计算作用于动铁心表面的应力。磁场对某 一物体的作用力，可以通过计算包围该物体的任一封闭表面上应力的面积分而得到。因 基于c p l d 断路器操动机构的控制及结构优化设计分析 此，在永磁机构磁场中，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s 上的应力p 的面积分得到 即 f 2 s p d s ( 2 - 6 ) 永磁机构是关于y 轴对称，作用在动铁心y 轴左右两部分的电磁力大小相等，方向 相反在合理设计永磁机构结构的前提下可使x 方向电磁力数值很小，对机构动作不会产 生不良影响。 2 4 本章小结 本章主要介绍了永磁场数值计算的理论基础，并对二维平面磁场进行了有限元分析 法，在永磁体数值计算中采用面电流的方法进行分析。 大连理工大学硕士学位论文 3 a n s o f tm a x w e l l 有限元分析 a n s o f t 公司是全球最大的提供以电磁技术为核心的专业e d a 厂商，近二十年来， a n s o r 公司始终领导着世界计算电磁技术的发展方向，是全球最大的专业射频微波、信 号完整性、电磁兼容和电磁干扰、电磁场及机电元件和系统仿真软件供应商。a n s o r 产 品被广泛应用于电子设备、集成电路、通讯、航空、航天、汽车、船舶及国防军事等部 门，已经在通用电气、r o c k