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35 kV 真空开关 永磁 机构 操作 控制器 设计 实现 桂林

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35kV真空开关永磁机构操作控制器的设计与实现（桂林）,35,kV,真空开关,永磁,机构,操作,控制器,设计,实现,桂林

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编号： 毕业设计任务书题 目：35kV真空开关永磁机构操作 控制器的设计与实现 学院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 李 平 学 号： 1200120302 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 范 兴 明 职 称： 教 授 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2015年12月28日注：1、本任务书一式一份，院办留存，发给学生电子稿，任务完成后附在说明书内。2、任务书均要求打印，打印字体和字号按照本科生毕业设计（论文）统一格式的规定执行。3、以下标题为四号仿宋体、加粗，正文中文用小四宋体，英文用小四Times New Roman，日期采用阿拉伯数字。 4、“一、毕业设计（论文）的内容、要求”位于页面最顶端，“任务下达时间”位于新页面最顶端。5、请不要修改最后一页（即“任务下达时间”所在页的内容）一、毕业设计（论文）的内容1、复习电力系统分析等课程中关于高压开关电器章节相关理论知识，掌握真空断路器的特点、作用和使用条件；2、通过科技论文、技术资料的检索，并调研高压开关电气设备在的特点、实施目的、常用方法的研究与发展动态，深入了解真空断路器（VCB）常用的操动机构及其特点。3、了解和掌握真空断路器工作和运行条件，深入了解并分析真空灭弧室的结构、组成部件及作用，学习并掌握真空断路器弹簧操动机构和永磁操动机构的基本原理和工作条件。4、进行细致的文献查阅和总结，分析和综述真空断路器永磁操动机构的原理、结构、工作过程和常用的驱动方式及控制方法。5、以双稳态永磁操动机构为研究对象，深入分析永磁操动机构的结构构成、驱动过程中相关部件的工作和动作行为，进行必要的理论建模和电路仿真，研究并制定真空断路器双稳态永磁操动机构控制装置的技术路线，研制开发试验样机，实现真空断路器的本地和远程分合闸控制操作，进行必要的样机功能验证和实验。二、毕业设计（论文）的要求与数据1、完成35kV真空断路器永磁操动机构控制器的设计方案，要求图表资料齐全；2、计算机绘制相关硬件的原理图、电气安装接线图、制版图等；3、 针对35kV等级VCB永磁操动机构设计系统的硬件和软件并完成其调试；4、根据课题任务与要求，做出可供演示的模拟样机，完成初步试验。三、毕业设计（论文）应完成的工作1、根据毕业设计任务书中的研究内容和要求，完成二万字左右的毕业设计说明书（论文），要求内容翔实，有必要的系统原理、实施方案、必要的模型仿真、系统设计和实验过程及样机功能验证；在毕业设计说明书（论文）中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要。2、独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）；具体要求为：翻译材料要与毕业设计内容相关，为了准确性作者姓名可以不翻译，参考文献可以不翻译，但所翻译的字符数应达到规定要求。3、完成35kV真空断路器永磁操动机构控制器的设计方案，要求图表资料齐全；计算机绘制相关硬件的原理图、电气安装接线图、制版图等；设计出系统的硬件和相应软件并完成其调试；根据课题任务与要求，做出可供演示的模拟样机，完成初步试验。四、应收集的资料及主要参考文献1 徐建源,孙建军,林莘等. 单稳态永磁操动机构的智能控制装置J电气时代， 2006，5:51-532 廖敏夫,邹积岩等. 基于永磁操动机构的光控模块式多断口真空断路器技术 J.高压电器,2004,40(1):40-42.3 Dullni, E. A vacuum circuit-breaker with permanent magnetic actuator for frequent operations. Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Proceedings ISDEIV.XVIIIth International Symposium on,1998,2:688-691. 4 吕锦柏,王毅,常广,肖建涛,谢将剑. 优化的永磁真空断路器合闸控制方法J. 高电压技术,2013,11:2836-2844.5 周立,冯洪仁. 交流高压真空断路器永磁机构控制器的设计J.工矿自动 化,2010,8:115-117.6 Jong-Ho Kang, Chae-Yoon Bae, and Hyun-kyo Jung. Dynamic Behavior Analysis of Permanent Magnetic Actuatorin Vacuum Circuit Breaker. Electrical Machines and Systems, ICEMS 2003 Sixth International Conference on,2003,(1):9-11.7 曹文思,郭恒,巩鲁洪,邱道尹. 真空断路器永磁操作机构控制器保护电路元件 参数优化设计J.电力自动化设备,2011,11:83-88.8 林莘,史可鉴,徐建源. 材料的导磁性能对永磁机构动态特性的影响J. 高压 电器,2013,07:1-6.9 杨茜,张英,叶祖标. 永磁机构真空断路器的机械特性受温度影响的研究J. 高压电器,2013,07:46-52.10 张静,孙建军. 一种单稳态永磁操动机构的智能控制装置的研制J. 华通技 术,2007,3:19-23.11 钱家骊,徐国政,窦晓峰. 中压断路器用永磁机构中线圈不同布置的分析J. 高压电器,2000,02:25-28.五、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件计算机1台，示波器，单片机开发系统任务下达时间：2015年12月28日毕业设计开始与完成时间：2015年12月28日至 2016年05 月22日组织实施单位： 教研室主任意见：签字： 2015年12月30日院领导小组意见：签字： 2015年12月31日编号： 毕业设计(论文)开题报告题 目：35kV真空开关永磁机构分 合闸控制器的设计与实现 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 李 平 学 号： 1200120302 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 范兴明 职 称： 教 授 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2016年03月1日开题报告填写要求1开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见审查后生效。 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写，或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3学生查阅资料的参考文献应在5篇及以上（不包括辞典、手册），开题报告的字数要在1000字以上。4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。1毕业设计的主要内容、重点及难点研究内容随着社会经济的高速发展和人民生活水平的显著提高，社会对电力的需求越来越大，对供电质量的要求也越来越高。2009 年，国家电网公司提出我国建设坚强智能电网的发展规划，到2020 年我国将全面建成统一的坚强智能电网，技术和装备达到国际先进水平。建设智能电网不仅能将电能整合，合理分配，改善供电质量，还能实现电网可靠、安全、高效、环境友好和使用安全的目标。真空断路器因其灭弧介质灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名，其具有体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，在配电网中应用较为普及。永磁机构是为了保证电力系统的安全运行，作为控制、保护元件的中压断路器必须能切断额定电流，开断关合短路电流，开合各种空载和负荷电路。为了完成这些任务，中压断路器必须能及时可靠地分合动静触头，这要借助于操作机构来完成。因此，操作机构的工作性能和质量优劣，直接决定了中压断路器的工作性能和可靠性。近年来，伴随着电力电子技术的发展出现了一种新型的操作机构。它采用了一种全新的工作原理和结构，工作时主要运动部件只有一个，具有较高的可靠性，因此备受关注。本课题的研究内容主要有以下几个方面：(1)研究真空断路器所配永磁操动机构的原理、特点、结构及其驱动方式。(2)对机构的分合闸操作所涉及到的控制电路优化设计的方法；(3)设计并实现电子式永磁机构控制器，包括分合闸、充电回路、手动及远动控制等功能；(4)通过分析确定操动机构控制器的设计的方案；(5)通过仿真或试验验证方案的可行性，制作控制器样机并给出初步的试验结果。 研究重点及难点重点：(1)了解35kV真空断路器永磁操动机构的机构的特点及工作原理；(2)设计永磁机构控制系统的电容充电控制环节；(3)通过控制器实现对断路器的智能化操作；(4)扩展远动通信功能。难点：（1）如何合理单片机程序，确保控制器智能化操作时保证对信号采集准确无误；（2）作为给电容器充电的电源，必须考虑到电容器的耐压及分合闸操作时所需的电源电压；（3）为了防止电磁的干扰引起的误动作，设计电路时要考虑到电源的电磁兼容性；（4）要注意强电与弱电隔离模块的设计；2准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等）研究背景及发展趋势（1）研究背景真空断路器在中压配电领域得到了广泛的发展并逐渐取得支配地位。永磁操作机构采用一种全新的智能选相真空开关结构。这种结构工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱、锁扣装置，故障源少，可靠性较高，且使用寿命长，一般达十万次以上，同时控制分合闸相位，实现同步控制，从而减少过电压和涌流对系统的冲击，减少系统保护的投入，提高系统整体寿命。永磁机构通过电解电容储能，对电源容量的需求像弹簧机构一样，控制器通过现代电源技术的处理，用极高的效率，灵活的将外部不同高低、不同性质的电源，变换为设定的单一电源，使之适应同一种永磁机构。而不需要用不同的机构线圈去适应不同的电源，便于现代化的生产，便于调试的一致性。它突破了传统操动机构的原理，在技术上有了很大的创新，其具有显著地技术特点和先进性，永磁机构真空断路器将在今后中高压设备领域内越来越占有重要地位。（2）发展趋势在中压开关领域围绕永磁操动技术的研究开始于20世纪80年代末。欧洲以英国及德国为代表。1992年英国曼彻斯特大学系统与能量组为GEC公司设计了一台永磁操动机构模型。1992年前后永磁操动技术开始在英国工业应用。 由于永磁操作技术的显著特点，以及在国外已形成的开发热点，国内一些短路器生产厂家和科研所也把目光投到了永磁机构的研制上。永磁机构以零部件数量少，可靠性高等优点吸收了越来越多目光的关注。国内很快就开发出了具有自主版权的VSm型永磁机构真空断路器。该断路器具有零部件少，结构简单，可靠性高，寿命长的，免维护等特点。并成功的解决了真空短路器的环境耐温问题。研究意义永磁操动机构作为一种新型的操动机构，具有零部件数量少、可靠性高、免维护等传统断路器操动机构所无法比拟的优点，受到了世界各国的普遍关注。近年来，人们对电力的需求不断提高，电网的电压等级和传输规模也在不断的提高。断路器由于其特殊的性能在电力系统中也发挥着非常重要的作用。在配电和供电系统中，由于断路器的使用量大面广，操作频繁，对于断路器的可靠性和免维护性有着很高的要求。因此,断路器扮演一个极其重要的角色。主要参考文献1徐建源,孙建军,林莘等. 单稳态永磁操动机构的智能、能控制装置J电气时代， 2006，5:51-532李鹏真空永磁断路器智能控制器的设计与实现(D).北京：北京交通大学,2010.3 Dullni, E. A vacuum circuit-breaker with permanent magnetic actuator for frequent operations. Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Proceedings ISDEIV.XVIIIth International Symposium on,1998,2:688-691. 4张静,孙建军. 一种单稳态永磁操动机构的智能控制装置的研制J. 华通技 术,2007,3:19-23.5钱家骊,徐国政,窦晓峰. 中压断路器用永磁机构中线圈不同布置的分析J.高压电器,2000,02:25-28.6孙逸.基于永磁机构的10KV智能器控制设计(D).南京：南京理工大学，2014.7刘大鹏.永磁操动机构智能控制系统研制(D).武汉：华中科技大学，2007.8杨亭.真空开关永磁机构微机驱动智能控制系统(D).长沙：中南大学，2005.9薛玉善.永磁操动机构控制器的研制(D).沈阳：沈阳工业大学，2004.10高丽.真空断路器永磁机构设计和中压开关智能化(D).北京：华北电力大学，2004.11方雨菡永磁真空断路器的智能控制(D).成都：西南交通大学,2013.现有设备和实验条件计算机一台 ，示波器，单片机开发系统等。3、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料实施方案：本课题分模块设计，控制器主要由单片机控制模块，由电源模块，电容充电回路模块，电容器组模块，电容器电压检测模块，分合闸线圈模块，分合闸位移检测模块，显示模块，手动模块，远动控制信息模块，线圈驱动模块等组成。强弱电模块间要进行光电隔离。通过单片机逻辑模块输出正确的操作指令，从而控制分合闸操作。此次系统控制采用MOSFET和可控硅，控制器通过控制可控硅实现控制储能电容器对操动机构分合闸线圈放电的控制，以完成对断路器的分合闸操作。系统结构框图如图1： 图1 系统结构框图进度实施计划：第一阶段（2015-12-30至2016-01-13）：分析毕业设计题目，阅读理解任务书内容，确定实施计划方案。第二阶段（2016-01-14至2016-03-05）：查阅相关文献和资料，了解真空开关永磁机构原理并画出原理结构框图，提交毕业设计开题报告，并翻译4万字外文文献。第三阶段（2016-03-06至2016-04-15）：确定可实行方案。设计电路，画PCB图，做出样机电路板。提交PCB图源文件一份。第四阶段（2016-04-16至2016-05-01）：调试硬件，设计程序。软件编程并与硬件进行调试，完成制作的模拟样机。第五阶段（2016-05-02至2016-05-19）：撰写并完善毕业设计论文。预期提交的毕业设计资料1、撰写两万字以上的毕业设计说明书（兼附15篇以上的参考文献）；在毕业设计说明书中应包括300500个单词的英文摘要及关键词；2、完成与课题相关英文资料的翻译（约四万英文字符，附英文全文）；3、完成35kV真空断路器永磁操动机构控制器的设计方案；4、设计出系统的硬件和完成相应软件程序设计，给出必需的硬件实现原理图；5、根据课题任务与要求，完成可供演示的功能样机。指导教师意见指导教师（签字）： 年 月 日开题小组意见开题小组组长（签字）： 年 月 日 院（系、部）意见 主管院长（系、部主任）签字： 年 月 日- 6 -桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第I页 编号： 毕业设计说明书题 目：35kV真空开关永磁机构操作 控制器的设计与实现 学院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 李 平 学 号： 1200120302 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 范 兴 明 职 称： 教 授 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2016年 06月0 3 日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第II页 摘 要随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的提高，人们对电力需求量越来越大，用户对供电质量和供电可靠性也越来越高。智能电网在生活中扮演着重要的角色。高压真空断路器作为配电网中系统控制、保护的重要设备，其智能化一直是关注的热点问题。操动机构是决定断路器操控性能的重要部件之一，永磁机构取代了传统的操动机构作为断路器新的操动机构，因为它机构零部件少、装置的可靠性高、可实现免维护，因而受到了当今世界各国的普遍关注，目前在我国乃至世界上许多发达国家的中高压开关领域都得到了广泛的应用。本论文介绍了永磁机构的结构、特点、工作原理和操动过程。永磁机构主要分为双稳态和单稳态两种形式。两种形式的合闸都是电磁操动即给合闸线圈充电。不同之处是分闸操作，双稳态的分闸是直接给分闸线圈通电，属于电磁操动永磁保持，但单稳态的分闸操作需要弹簧操动，属于电磁去磁弹簧操动，保持可以是永磁也可以是弹簧。本论文的研究对象为双稳态永磁机构。查阅相关资料，对比三种控制方式，最终采用电子控制方式制定35kV真空开关永磁操动机构控制器的设计方案的技术路线。本论文采用分模块设计，主要由单片机控制模块，电源模块，电容充电回路模块，电容器电压检测模块，分合闸线圈模块，显示模块，手动模块，远动控制信息模块，线圈驱动模块组成。采用晶闸管控制储能电容器对操动机构分合闸线圈放电的控制，以完成对断路器的分合闸操作。做出可供演示的模拟样机。本文最后对模拟样机进行试验和必要的仿真，试验结果表明此方案实现了永磁机构分合闸的控制功能，方案的可行性得到了证实。关键词：真空开关；永磁机构；控制器；双稳态；电容储能； AbstractWith the development of national economy and improvement of peoples material and cultural life, people s demand for the quality of power supply have more and more power demand and the reliability of its supply become higher and higher. Smart grid is playing a important role in life. High voltage vacuum circuit breaker is a kind of control and protection equipment used in the distribution system. Its intelligence has become a hot issue of research. PMA is a key component of circuit breaker, which has lots of advantages such as fewer parts, higher reliability, free maintenance. Recently, PMA has been extensively focused all over the world. It will be widely used in MV or HV circuit breakers in many countries include China.The permanent magnetic mechanism is mainly divided into two forms, monostable and bistable structure. The closing operation in two forms are electromagnetically actuated to closing coil charging. The difference lies in tripping operation ,the bistable switch is to directly power the tripping coil, belong the maintenance of the electromagnetic actuator permanent magnet , while monostable switch operation involves the employment of spring actuator , which belong to the electromagnetic to magnetic spring operation, maintain the permanent magnet can also be spring. The research object of this thesis is a bistable permanent magnetic actuator. Access to relevant information, compared to the three control methods, the final adoption of electronic control methods to develop 35kV vacuum switch permanent magnetic actuator controller design technical route. This design has been adopted by module design, including the MCU control module, power supply module, capacitor charging circuit module, the capacitor voltage detection module, closing coil module, display module, the manual module, remote control information module, coil drive module. Thyristor control of the storage capacitor operating mechanism closing coil discharge control, to complete the circuit breaker open and close operations. Make a simulation prototype for presentation. Analog prototype testing and the necessary simulation, test results show that this scheme to achieve a permanent magnetic actuator control sub-closing function, feasibility of the program has been confirmed.Keywords: vacuum switch; Vacuum switch permanent magnetic; Controller; Bistable-state structure; Capacitor energy storage桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题研究背景11.2 课题研究目的和意义11.3 国内外发展现况11.4 论文的主要工作21.5 本章小结22 真空开关永磁机构的研究32.1 永磁机构的结构32.2 永磁机构的基本工作原理52.3 永磁机构常用的控制方法62.3.1继电器控制方式62.3.2电子控制方式62.3.3微机控制方式72.4 本章小结73 永磁操动机构分合闸控制器硬件设计83.1 永磁机构分合闸硬件设计总体概述83.2 电容充电设计模块83.3 电容电压放电模块93.3.1励磁线圈电路设计93.3.2晶闸管驱动电路103.4 电容电压检测回路模块123.5 数据采集模块133.6 单片机模块133.6.1晶振电路143.6.2复位电路143.6.3程序下载接口153.7 液晶显示模块153.8 控制模块163.8.1手动控制163.8.2远动控制163.9 电源供电模块173.10 本章小结184 软件设计194.1 软件设计总体思路194.2 显示设计204.3 远程通信MAX485软件设计204.4 本章小结215 系统仿真和样机调试225.1 必要硬件模块系统仿真225.2 系统硬件调试235.2.1供电电源模块调试235.2.2单片机模块和显示模块235.3 系统软件调试235.4 本章小结246 总结25谢 辞26参考文献27附录一 电路原理图28附录二 电路PCB图31附录三 电气主接线图33附录四 软件主程序34桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 42 页 共42页1 绪论1.1 课题研究背景真空断路器，即利用真空的高介质强度来达到灭弧效果的一种电气设备。世界上第一台真空断路由美国人1961年研发成功，此后的真空断路器便在此基础上有了飞跃的发展。为了实现小康生活，人民的生活水平越来越高，人们对美好生活有了更好的憧憬，而这就对电力系统的供电质量提出了更高的要求。其中，断路器作为供电系统的一个电力系统的保护和控制的终端设备，其可靠性和智能化水平对电力系统的稳定性和自动化程度具有很大的影响。1.2 课题研究目的和意义实际上断路器在电网中主要起着两个方面的作用：一个是控制作用，另一个就是保护作用。断路器可以按照电网运行要求将一些电力设备或线路投入或者退出运行，并在电力线路或设备在发生故障的时侯将故障部分从电网讯速切除，以保证电网中没有故障部分正常运行。真空断路器主要由真空灭弧室、操动机构、底座等组成。真空灭弧室根据开关构造又分多种形式，而操动机构的主要动作是完成断路器触头分合闸的开合。其中，操动机构的可靠性对整个断路器具有重要的意义。为了达到更高的可靠性，人们加快了研究操作机构的步伐。有一种用于中压真空断路器永磁保持的新型电磁操作机构即永磁机构便孕育而生了。它是一种全新的智能选相真空开关，它的优点是其主要运动部件只有一个，可靠性较高，且使用寿命长而运用广泛。操动机构的主要作用就是为断路器提供动力并使其动作。由前面的叙述可以知道操动机构在断路器中起着很重要的作用，它质量的好坏会直接影响到断路器。所以，要求操动机构具有良好的性能，当其能在允许变化的范围内时应当迅速可靠的动作。1.3 国内外发展现况在国外很早就有人研究过永磁机构，因为当时条件的限制，永磁材料的缺乏，导致最终以失败的结果告终。在20世界80年代发现了一种具有优异磁性能的磁铁，其中含有大量的钕、铁和硼，被称为钕铁硼稀土永磁材料。钕铁硼永磁材料相对于传统的铝镍钻和铁氧体材料而言，稳定性更高，退磁现象不明显，性价比高，引起了人们的高度重视，它特有的性能为永磁机构的发展研究提供了条件。以英国和德国为代表的国外研究中压开关永磁机构始于1980年。最早的永磁机构样机在英国产生，三年之后就被应用在英国的工业领域。英国Whipp&Bourne公司经过一段时间的技术改进，制造出比较完善的永磁机构并投入市场。在同一时期，德国的ABB公司也紧跟其后，将操作能耗作为目标进行技术改进，1997年，德国的ABB Calor Emag公司将研制出的双稳态双线圈结构的VM 1型永磁机构真空断路器样机展示出来，引起了各制造公司的极大重视。采用同样工作原理，其他公司也紧跟其后将类似的产品推向市场。在ABB公司研发出永磁机构真空断路器之后，国内很快就相继研发VSm型永磁机构真空和断路器。我国资源众多，地大物博，钕资源占世界的80%以上，所以在研发永磁机构真空断路器的过程中，材料方面有很大的优势。我国钕铁硼产业早期在1984年就开始发展，永磁材料的产量越来越多，从2001年到2012年这期间的11年，产量就大约增加了10倍左右。企业规模也越来越大，现在的钕铁硼稀土永磁材料的工业体系也逐渐完善，各地区的钕铁硼产业随着技术的增进，好多都发展成为规模较大的、高技术水平的大公司。这类用稀土永磁原料的产品研发及应用也越来越成熟。1.4 论文的主要工作本论文是针对35kV真空断路器永磁机构控制器的设计方案的研究，主要内容是掌握真空断路器的特点、作用和使用条件的理论知识，以双稳态永磁操动机构为研究对象，深入分析永磁操动机构的结构构成、驱动过程中相关部件的工作和动作行为，研究并制定真空断路器双稳态永磁操动机构控制装置的技术路线，研制开发试验样机，实现真空断路器的本地和远程分合闸控制操作，进行必要的样机功能验证和实验。本论文的第一章介绍了真空断路器永磁操动机构的研究背景、目的和意义还有国内外发展状况。第二章叙述了永磁机构的几种结构，基本工作原理和常用的三种控制方法，对比选取其中一种控制方法。第三章分模块详细叙述了此课题的硬件设计。第四章叙述了此课题的软件设计。第五章介绍了电路硬件模块的部分仿真和软硬件调试。第六章总结。1.5 本章小结本章主要介绍了真空断路器的作用及其发展，永磁机构的重要性及其国内外发展现状和本课题的主要研究内容。2 真空开关永磁机构的研究真空断路器在电力系统中有着极其重要的作用，真空断路器的实质就是动静触头相互接触产生电弧，电弧过零就熄灭，而触头的相互接触是靠操动系统实现的。可见其操动机构的重要性，永磁机构是利用永磁体实现分合闸保持的一种新型电磁操作机构，具有免维护、可靠性高、装置少等优点被广泛应用于现在的中压领域中。永磁机构的两种形式分别为双稳态形式和单稳态形式1。2.1 永磁机构的结构在电网应用中，永磁机构有很多不同的结构形式，它们的工作原理却是大致一样的。归根到底就是一种利用永磁体来保持铁心分合闸的新型电磁操动机构。永磁机构的合闸是依靠电磁操动实现的，但永磁机构的分闸却不是，根据永磁机构的分闸可将永磁机构分为两种形式，第一种为电磁操动即我们常说的双稳态，第二种是弹簧操动即我们常说的单稳态。还可以从线圈数目分类，一种为双线圈，另一种为单线圈。从外形结构上分类，也可以分为两种结构，一种为方形结构，另一种为圆形结构。永磁机构的方形和圆形结构这两种结构有相同点也有不同点，相同之处是它们的工作原理相同，除了外形不同外，它们的铁心材料和加工工艺是不相同的。方形结构的永磁机构中的静铁心的组成材料是硅钢片，具有良好的导磁性，制作过程中需要开模具；圆形结构的永磁机构的静铁心为保证具有良好的导磁性采用的材料是电工纯铁，这种静铁心材料不仅导磁性好，加工工艺也很简单，所以现在一般应用的是圆形结构的永磁机构。图2-1为双稳态永磁机构方形结构外形简图，图2-2为双稳态永磁机构圆形形结构外形简图。 图2-1 永磁机构方形外形简图 图2-2 永磁机构的圆形外形简图永磁机构的双稳态和单稳态工作原理极其相似，合闸都是一样的，两种状态的合闸都是依靠永磁体，分闸则不同，单稳态还需要弹簧才能分闸。本课题着重研究双稳态的永磁操动机构。双稳态永磁操动机构按照永磁体安装方式的不同可分为两种，如图2-3 a 、b所示。因为永磁体的位置不同会导致永磁机构的动铁心产生不同的保持力。所以针对不同永磁体的位置会有相应的分析方法，本论文研究的对象是2-3 a图。a 永磁体在静铁心左边位置图 b 永磁体在静铁心右边位置图图2-3 永磁体在永磁机构中安装位置图双稳态双线圈的永磁机构剖面图如图2-4所示。1-静铁心 2-动铁心 3、4-永磁体 5-分闸线圈 6-合闸线圈 7-驱动杆图2-4 双稳态永磁机构剖面图从双稳态永磁机构剖面图中可以看出，永磁操动机构有7个主要的零件构成：其中1是静铁心，其目的是为操动机构提供磁路通道，不同的外形的永磁机构其静铁心结构也是不同的，现在的方形结构大多数应用的是硅钢片叠型结构，圆形结构则应用电工纯铁或低碳钢；2是动铁心，是最重要的部件，一般应用电工纯铁和低碳钢结构；3、4是永久磁铁，永磁操动会有不同的状态，如分合闸状态，为了保持当前的状态，需要永久磁铁提供保持力；5、6分别是分闸线圈和合闸线圈，对分合闸线圈充电可以使永磁机构处于分合闸状态；7是驱动杆，是将操动机构和断路器的另一个机械操动即传动机构相连的重要纽带2。当线圈中没有电流通过的时候，即断路器保持在分闸状态或者合闸状态，动铁心因为永久磁铁带动动铁心和静铁心产生的低磁通道被固定在上端或者下端，这个过程中不需要其他任何的机械器件发挥作用。当需要执行分合闸操作时，给其相应的分合闸线圈通电，电流会产生相应的磁动势，线圈也会产生相应的磁场，永磁机构中动铁心和静铁心产生的磁场和永磁机构中永磁体产生的磁场一起作用，会促使动铁心和其连着的驱动杆在新的磁场作用下，朝着相应的分合闸状态运动以完成分合闸指令操作。当完成相应的任务时，直到接到下一个指令前，动铁心始终保持相应指令下的状态即始终停留在两个位置，最上端或者最下端，因此永磁操动机构也被称为两位式双稳态原理结构。传统的电磁机构动铁心的保持相对而言就比较繁琐，其一端是由弹簧产生的弹簧力进行保持，另一端则需要机械锁扣或者电磁能量来实现保持作用。从上面的介绍可以了解到，这种新型的永磁操动机构中永磁体的应用，让传统的动铁心保持过程被优化了。永磁机构不但能够实现传统操作机构的全部功能，而且整个操动机构所需要的零件数减少了很多，从而使永磁机构具有较高的可靠性和稳定性3。2.2 永磁机构的基本工作原理双稳态永磁操动机构的状态取决于动铁心在静铁心中的位置，从理论上说有三种平衡状态：第一种是动铁心在静铁心的最上端位置即为合闸。第二种是动铁心在静铁心的最下端位置即为分闸。第三种是动铁心在静铁心的中部即属于一种上下结构对称的状态。当永磁机构处于合闸状态时，驱动杆跟随动铁心向上移动，永磁体通过上面部分的磁路的磁阻非常小，而下部分磁路因驱动杆的移动使得空气气隙增大，从而导致通过下面部分的磁阻也相继增大。此时，永磁体的大量磁通都集中在上部分磁路上，这样就可以将动铁心固定在静铁心的最上端。当永磁机构处于分闸状态时，驱动杆的向下移动导致上面部分空气气隙增大，此时，永磁体的大量磁通都集中在下部分磁路上，这样就可以将动铁心固定在静铁心的最下端。当永磁机构处于一种中间状态即上下两部分的磁路对称，空气气隙相等，通过两部分的磁通也相等。这时候的动铁心处于一种上下平衡状态，但这只是一种暂时的过程，只要上下两部分的空气气隙稍有变化，就会破坏这种平衡，变成前面两种状态的其中一种。所以，我们通常只研究永磁操动机构的两种状态，即分合闸状态，所以双线圈永磁机构的另一个名称为双稳态永磁机构。双线圈的永磁操动机构处于合闸状态时，要想其过渡到分闸状态，只需要给分闸线圈通电流，新的磁场改变了动铁心所受的吸引力，随着分闸线圈电流的增加，动铁心所受的吸引力将会越来越小，直到此吸引力小于与它方向相反的其他作用力，此时动铁心将会朝下运动。只要动铁心朝下运动就会增大上部分空间的空气气隙，从而使得上端部分的磁阻值变大，下面部分的磁阻变小。此时，上端吸力变小，而下端吸力变大，便会导致向下的合力变大，动铁心的运动方向将会改变朝下运动，这个过程直到过渡成分闸状态才停止。只要没有下一个合闸指令，永磁机构将会一直处在分闸的稳定状态。从分闸过程过渡为合闸过程恰恰相反：需要在合闸线圈中通直流电流，让合闸线圈电流产生的新磁场将动铁心受到的吸力减小，促使动铁心向上运动，过渡到合闸状态，即使不再有电流通过合闸线圈，只要没有下一个分闸指令，永磁操动机构将会一直保持在合闸的状态。双稳态的永磁机构不会出现退磁的现象，因为不管是分闸线圈电流还是合闸线圈电流它们所产生的新磁场与永磁体本身的磁场方向是一致的，也因此永磁机构具有极好的可靠性4。2.3 永磁机构常用的控制方法永磁机构正如前面所言，有多种优点，可以增加断路器的可靠性，很大程度的降低事故的发生概率，可以广泛的应用在当前的电力系统中。永磁机构需要控制系统，接受电信号，并将此电信号通过逻辑判断传给控制操动机构发生动作的装置，然后与断路器传动系统配合完成分合闸操作，可见其控制方案是非常重要的，它的好坏会是直接决定断路器性能优劣的一个重要因素。目前，永磁机构控制的方式根据实现逻辑部分的元件的不同分为三种：第一种是继电控制方式；第二种是电子控制方式；第三种是微机控制方式。2.3.1继电器控制方式这种在传统的断路器操动机构控制中应用颇为广泛，主要就是由继电器控制操作机构来实现一系列的逻辑功能，使其控制触点的开闭来达到断路器的分合闸状态。控制继电器大多数的作用是控制和保护，它一般用来控制开断交直流小容量电路。控制继电器的输入端一般是电流、电压等量，也能输入一些非电量，比如温度、速度等。控制继电器发生动作需要输入量达到一个界定值，然后引起输出量发生相应的变化从而去控制电路。控制继电器有很多种类，应用范围广泛，可以组合不同种类的继电器来实现断开断路器故障，切断线路，实现自动重合闸等功能。继电器控制虽然操作比较简单，但它反而隐藏了永磁机构的优点，使其优点得不到体现。继电器的电气寿命不高，当控制永磁机构的继电器频繁替换时势必会影响到断路器的使用时间。继电器还有别的不足，比如，精确度不高，触点闭合时间长和灵活性不高。所以，这种方式现在都基本被淘汰了。2.3.2电子控制方式在后期电子控制方式便出现了，传统的控制方式被电子方式所替代。国内已经广泛应用这用控制方式，用晶闸管取代了传统的触点开关方式。晶闸管相对于继电器来说有很多优点：一是晶闸管的关断时间比继电器的反应所需时间要少很多，二是晶闸管不存在触点问题，因此它的电气寿命长、动作迅速。三是晶闸管本身是一种电力电子开关，其体积很小，使用起来简单轻巧。这用控制方式不仅可以实现传统的继电器控制的功能，而且还可以实现一些其功能，如声光报警等。这种方式是通过脉冲触发晶闸管导通给分合闸线圈放电，从而达到相应的分合闸状态。这用控制方式简单，但也存在和继电器一样的缺点，也会因为其整定值不好调整而使灵活性降低。还有一个缺点就是因为采用了微电子技术会导致电子电路受到更多的外界干扰，尤其是当有比较大的电流通过永磁机构分合闸线圈时，产生的电磁干扰比较大，从而会使控制电路的正常工作受到影响。因此，必须要考虑抗干扰技术，增加电子电路的可靠性，不然会导致断路器控制电路发生异常状况，比如延时动作或者误动作等情况。抗干扰电路的设计比较方便而且效果明显，所以电子控制方式在控制永磁机构中仍有着广泛的应用。2.3.3微机控制方式在这个科技日益发达的时代，智能电器在我们生活中随处可见，微机亦如此，在各个领域都能看到CPU的影子。微机控制方式是从国外引进的，我国是从20世纪90年代才兴起的。它是由单片机程序指令控制，进行需要的逻辑判断，然后发出相应指令并执行来完成各项目的，是一种智能化系统。使用微机控制方式控制永磁机构，可以提高断路器的灵活性。永磁机构的分合闸只需要通过线圈电流来控制，控制电参数又是一种比较容易的方式，所以可以使用微机系统去控制永磁操动机构的分合闸状态，还可以实现很多智能化功能，比如，检测充电电容电压是否达到我们所需要的电压值和检测动铁心的运动位置等功能。微机控制方式包含多个模块，但其中重要的是单片机模块，它是必不可少的一部分，可以分为软件部分和硬件部分。它的特点明显，使得人们喜欢，应用也很广泛。比较分析上述的三种控制方式，同时考虑到当前真空断路器永磁机构的发展情况，对现有设备和条件的考虑，本次的设计方案主要应用的是第二种电子控制方式，通过脉冲触发晶闸管导通给分合闸线圈放电，完成永磁机构的分合闸操作。2.4 本章小结本章主要介绍了真空断路器永磁机构的结构分类，主要由哪些部件组成。着重介绍了双稳态永磁机构的工作原理，分合闸状态转换过程。描述了永磁机构常用的三种控制方式，继电器控制方式，电子控制方式和微机控制方式，确定了本课题所采用的控制方式即电子控制方式。3 永磁操动机构分合闸控制器硬件设计3.1 永磁机构分合闸硬件设计总体概述由永磁机构的工作原理可知，要使永磁机构达到分合闸状态，则需要给永磁机构的分合闸线圈通过电流，然后产生电磁吸力来驱动动铁心运动，从而使永磁机构实现分合闸。供电的电源可以通过变压器经过二极管半波整流来提供，给相应储能电容器充电来实现，此电路的电力电子开关选择晶闸管，通过开断晶闸管即可流过电流实现分合闸控制5。本课题分模块设计，控制器主要由单片机控制模块，电源模块，电容充电回路模块，电容器组模块，电容器电压检测模块，分合闸线圈模块，显示模块，手动模块，远动控制信息模块，线圈驱动模块组成。强弱电模块间要进行光电隔离。通过单片机逻辑模块输出正确的操作指令，去控制分合闸操作。本次设计的控制器是通过控制晶闸管控制电容对永磁机构的分合闸线圈放电，以完成永磁机构的分合闸操作。系统结构框图如图3-1所示6。图3-1 系统结构框图3.2 电容充电设计模块目前，经常用来作为永磁机构的操作电源的方法主要有三种：第一种就是目前被人们广泛采用电容器组即容量比较大的储能电解电容；第二种就是采用变电站的直流屏，这种方式有一个限定条件即它的工作范围必须在真空断路器站内；第三种就是比较少用的高能量锂电池，因其成本高，未能被广泛应用。此次设计采用的是上述的第一种方法。影响大容量的电解电容的电气寿命的一个重要因素就是温度，当温度到达105时，它的电气寿命会由于温度的增加而大大减少，但我们现在工作环境的以及电路都做好了散热等措施，避免温度升高的情况发生，所以大多数的电解电容的电气寿命还是很长的，大多数都可以使用10多年。但电容器除了使用时间长以外还有很多优点，如下：一是给电容器充电时间不长，应用常规的电源装置即可实现对电容的充电，所以不必担心充电过量，也不用监测充电电流和其时间的精准性，大量的减少了人工的工作量；二是对电容器充电储能大大减少了对环境的污染；三是电容器可以并联使用，而不会产生传统电池测流效应的缺点。其电路如图3-2所示7。图3-2 电容充电电路此电容电路将电压经变压器降压再接入电路中。我们接入的电流是交流电，需要经过二极管整流。电容曲充电过程如图3-3所示。图3-3 电容电压充电过程曲线电容起初充电的时侯,上升速率大,但随着时间的增大，电容电压缓慢上升，趋近于一条直线。当充电达到程序设定的规定值，才可以给分合闸线圈充放电，完成分合闸操作。电容充电时间由时间常决定，。所以当电阻为固定值时,电容值越大,充电时间就会变成长。一般都认为电容充电时间在3到5之间比较合适。在此电路中由R和C的参数取值可计算出充电时间大约为0.1s，充电时间是比较合适的8。3.3 电容电压放电模块3.3.1励磁线圈电路设计双稳态永磁机构分合闸可靠性是依靠电力电子开关器件实现的。本课题应用的是当前应用比较广泛的一种电力电子开关器件即晶闸管，型号为40TPS12A，其最大峰值为500A、峰值电压为800V至1200V，适用于本次电路，它具有灵敏度高、响应速度快各种优点。储能电解电容器通过变压器，二极管和限流电阻充电的能量就会通过晶闸管的开通和关断，给分合闸线圈通电，从而让永磁机构的动铁心做出相应的运动，动铁心便会移动到永磁机构的最上端或最下端并保持当前的状态，等待下一次动作才会改变当前的状态，最终来实现真空断路器的分合闸状态9。晶闸管是一种有着诸多优点被广泛应用的电力电子开关器件，但它自身存在的缺点不能忽视，晶闸管的缺点是它所能承受过电流，过电压能力比不上一般的电磁器件，要低很多。在较短的时间里，出现过电压、过电流的情况或者电压、电流的上升率升高都会使晶闸管不能正常工作。在实际的电路中，过电压、过电流等情况都会出现，为了使电路可以正常工作，都要采取必要的保护电路。目前，普遍应用的晶闸管保护电路主要有两种：第一种是将保护元器件安装到适当的地方；第二种就是当检测出电流或者电压超过我们所设定的界定值时，使用整流触发控制系统去降低其过电流或者过电压的数值。本课题采用的是第一种保护电路，并联RC电路，不仅操作简单，而且保护效果显著。通过查阅晶闸管保护有关资料，确定RC参数的选择如下式3-1、3-2。C=(2 4)10-3IT（AV） （3-1） R=10 30 （3-2）上式中：C为保护电容，F；R为保护电阻，。在本次电路设计中，根据上式子计算得出电容C的取值，联系实际电路，将电容参数值取值为0.02F，R的取值为30。此次设计的线圈电路图中，续流电路采用了一种常用续流二极管，其型号为1N4007。它价格便宜，使用范围很广。半导体二极管内部是由一个P型半导体和一个N型半导体组成的PN节构成，类似于这种电子器件，都具有单向导电的特性，电流只能从二极管的正极流到负极。当晶闸管关断时，由于线圈电感是一种储能元器件，不能很快释放电流，因此必须加续流回路，用来保护线圈，提高电路的可靠性10。3.3.2晶闸管驱动电路电力电子开关器件的驱动电路是主电路和控制电路的连接的接口，在整个电路中尤为重要，影响着整个电路。选择好的驱动电路，可以让晶闸管在理想的工作状态，使其能够减少开断时间，提高电路可靠性，还可以减少开关器件的损耗和提高整个电路的安全性。确切的说，晶闸管驱动电路就是对照我们设定的控制要求将单片机传递过来的电平信号转换成加在晶闸管控制端和公共端之间，可以让晶闸管开通或者关断。本模块采用的是普通晶闸管，属于半控型器件，因此只需要设计开通控制信号，不必提供关断控制信号就可以实现晶闸管的驱动。此次设计的主电路模块属于强电，单片机控制电路属于弱电，强弱电之间必须要实现电气隔离。这次采用的驱动电路有两个重要的作用：第一个是驱动晶闸管，控制其开断和导通，让电流通过相应的分合闸线圈使其达到分合闸状态；第二个重要的作用是实现单片机控制电路和主电路两者间的电气隔离。目前被广泛采用的隔离方法有两种：第一种是光隔离；另一种为磁隔离。本课题的驱动电路应用光隔离即采用光耦合器，其型号为TLP25011。晶闸管导通必须同时满足两个前提：第一个是施加正向电压；第二个是门极有触发电流。光耦驱动晶闸管电路图如图3-4所示。 图3-4 光耦驱动晶闸管电路图此次驱动的晶闸管是40TPS12A，采用的光耦器件是TLP250驱动，其输出电流为1.5A，晶闸管门极有触发电流，再通过单片机控制光耦引脚使其工作，有了正向电压便可以驱动晶闸管，控制其开断和导通。光耦TLP250引脚排列图如图3-5所示。图3-5 TLP250引脚排列图引脚功能如下表3-1：表3-1 TLP250引脚功能表引脚12345678功能空置正极负极控制地电压输出电压输出电源由引脚功能图可知，光耦TLP250的8引脚接+5V电源，正负极之间应在2引脚接一个限流电阻，其电阻值参数可由式3-3计算。R=(5-VF)/IF （3-3）上式中：VF为二极管管压降电压，V；IF为TLP250正向电流，mA。根据公式计算出结果取R值为1K。光耦芯片的供电电源电路需要同时给其他模块供电，为了避免出现电流突然增大，电压不改变的情况，外部负载会变得很小，而稳压芯片的内部阻抗将会分到更多的电压，也至于不能给光耦提供正常供电，需要在光耦电源引脚与地之间接入一个为100F的电容，其作用是储能，保证光耦在电源供电回路电流突然增加的情况下也可以由储能电容供电，正常工作，提高电路的可靠性。3.4 电容电压检测回路模块断路器是否具有较高的可靠性的一个重要原因是电容的充电电压是否达所设定的界定值，电解电容器的能量不够时会导致产生的吸力不能满足可靠性较高的分合闸，还可能发生误动作。所以当电容电压达不到界定值的时候不允许分合闸，必须要检测电容电压的数值。电容电压值需要单片机检测，主电路的电容检测除了需要AD转换之外，还需要电气隔离，因此需要在电容电压检测电路中要加入隔离电路。常用的隔离方法有三种：第一种是变压器隔离；第二种是电容耦合隔离；第三种是光耦隔离。光耦由于其优点现在被广泛应用，比如，光耦的体积很小，电路简单容易操作，抗干扰能力强。光耦隔离分为两种：第一种为非线性；第二种为线性光耦。为了避免非线性光耦的电流受到温度的影响而使其精确度不高，此模块选择HCNR201线性光耦隔离12。电容电压检测电路如图3-5所示。图3-5 电容电压检测回路电路原理图HCNR201线性光耦的内部是由一个发光二极管和两个光敏二极管组成。当电路有电流的时候，发光二极管就会发光从而使两个光敏二极管产生光电流。线性光耦HCNR201模拟电压隔离电路如图3-6所示13。图3-6 线性光耦HCNR201模拟电压隔离电路线性光耦HCNR201模拟电压隔离电路是先通过A1运算放大器将输入的电压变成电流，再通过A2将电流重新变回电压。此电路的模拟输入电压与输出电压的关系为：Vout/Vin=KR2/R1，所以模拟输出电压与R1、R2相关，改变R1、R2的值将会输改变出电压，R1、R2的取值是相等的。R1的作用是限流，R2的作用是将电流变成电压，R3的作用是控制LED的发光程度，C1、C2的作用是提高电路的稳定性。此次设计的电路由芯片两个芯片的LM358P和线性光耦HCNR201组成，在线性光耦HCNR201模拟电压隔离电路前面还加了阻抗变换，其目的是增大输入阻抗，减小输出阻抗，可以使后面的线性光耦HCNR201模拟电压隔离电路更好的工作，而且根据电压跟随器的虚短虚断，不会改变其模拟输入数值的大小。单片机要检测数据需要AD转换芯片，线性光耦隔离的输入输出比例为1:1，下个模块应用的AD芯片是的输入电压是05V，而且LM358P存在摆幅，因此在电容电压隔离前需要分压，根据AD芯片和LM358P摆幅确定分压倍数，计算出AD转换倍数Kv，以便程序能跟好的检测出电容电压的准确值，还需要使用一个稳压管，其作用是限幅，为了使电路更具有可靠性，通过电源和地之间接入了电容，其作用是去耦。3.5 数据采集模块主电路的信号是模拟量，控制电路单片机只能接受数字信号，本设计采用的芯片为AT89S52，自身不具有AD转换功能，因此必须加一个模数转换器即AD芯片14。此模块采用的是8位AD芯片PCF8591。AD芯片电路图如图3-7所示。图3-7 PCF8591电路图PCF8591芯片的14引脚都可以实现模拟信号输入，任选其中一个即可，此模块采用1引脚与前面的主电路连接，因此芯片的28脚都接地即可。为了防止外界干扰，使电路具有更高可靠性，需要在16引脚加一个抗干扰电阻。芯片的9、10引脚是与总线连接的引脚，都采用漏极开路，属于高阻抗，要使AD芯片与单片机之间能够传递所转换的数字信号，必须在时钟线、数据线的9、10引脚接上上拉电阻才能实现这个功能。3.6 单片机模块单片机是具有一些特有功能的集成芯片，可将编辑好的程序通过引脚输出信号执行相应的命令，达到相所设定的状态，现在被普遍应用在各种电路中。目前被广泛应用的是51系列的单片机，本论文设计的单片机模块也应用51系列芯片，其型号为AT89S52。它的工作电压为4.55V，具有诸多优点：比如所需要的功能低；使用方便等。芯片的3239引脚即P00P07口与液晶显示器的D0D7数据口连接，作为显示信号输入端口。14引脚即P10P13口与LED灯连接，作为LED灯信号输入端。69引脚即P15P17口和RST复位引脚与主电路连接，作为下载接口。1317引脚即P33P37口与远动控制MAX485电平转换芯片连接，作为远程通信输入端口。2225引脚即P21P24口与手动按键连接，作为手动控制信号输入端口。其他引脚则根据引脚功能接晶振、接地、接电源或者悬空即可15。3.6.1晶振电路单片机电路是由门电路构成的，需要时钟脉冲才能使电路工作。而且单片机完成执行命令的整个过程需要三个步骤，这三个过程必须要在统一的时钟脉冲下才能被正确的执行，因此必须要给单片机提供一个时钟脉冲。51系列单片机有两种提供时钟的方法：第一种为内部时钟，另一种为外部时钟。目前被广泛应用的是第一种内部时钟方式即时钟振荡器，此次设计也采用内部时钟方式，即用时钟振荡器为单片机提供时钟脉冲。时钟振荡器由一个晶体振荡器和两个电容组成，接到此次采用的AT89S52芯片的1819引脚，即XTAL2和XTAL1引脚。这两个端口外接晶振时，会产生自激振荡。内部振荡器会按照晶振频率振荡，产生脉冲。XTAL1是内部振荡器的输入口，XTAL2内部振荡器输出口。51系列的单片机为了不产生通信积累误差和波特率误差，让串行通信具有很好的同步性能，一般采用频率为11.0592MHz的晶振，为了使谐振平衡，两个负载电容一般选取相同的值。3.6.2复位电路复位是单片机应用程序的一个前提条件，在启动运行时需要复位操作，使单片机和别的使用部件处于一个初始状态，并以此作为单片机的开始工作状态。如果在单片机运行过程中出现意外情况，比如死机，这时就必须对单片机进行复位操作，使程序回到原点，重头开始执行程序。51系列单片机复位电路一种是上电复位电路，另一种是按键复位电路。复位电路的本质就是通过复位电路产生高电平复位。按键复位电路有两种复位方式：按键脉冲复位和按键电平复位。此模块设计采用按键复位电路的电平复位方式。按下复位键时，电路接通，给电容C充电，有单片机的复位引脚将电平传送到单片机的内部复位电路，使其变成高电平，完成电路的复位操作。刚开始复位的瞬间，复位电压与单片机电压相等都为5V。当松开复位键的时候，电容经过内部下拉电阻放电，实现低电平恢复。实现复位的时候，RAM中的数据没有改变。此次设计的按键复位电路很简单，只需要一个10K的电阻和一个10F电容。这样组成的电路只需要考虑复位信号大于两个机器周期即可。电路简单又可靠，对参数要求也不高，因而被广泛应用。3.6.3程序下载接口程序下载口分为两种：第一种为ISP；另一种为IAP。本模块为了免去调试时操作方便，准确度更高，采用ISP方式。本课题使用的程序下载方式是ISP方式。ISP一般是通过串口对单片机内部的flash存储器进行编程，不需要辅助电路。ISP是10芯的插头。51系列单片机的ISP下载是主电路通过P15、P16、P17、RST引脚来下载程序的，操作简单可靠。3.7 液晶显示模块显示模块在此次电路设计中用来显示电容的充电电压和永磁操动机构的分合闸状态。液晶显示器LCD显示器接收到信号后，会一直保持初始的亮度和颜色，不会出现闪烁等现象，造成显示不稳定。它还具有别的优点，比如，显示操作简单、产生的损耗低、体积小等，因为这些特有的优点使它成为现在被广泛应用的轻薄型显示器。但它有个不可忽视的缺点，它的的性能会受到温度的影响。每个液晶显示器都有其特有的工作环境温度。所以在选择产品型号时，应充分考虑温度的影响，从而去选择合适的液晶显示器，使其功能得到更好的展现。本设计模块选择的液晶显示器的型号是LCD1602，为了使显示更清楚，选择带背光的LCD，它是一种常用性的液晶显示器，其正常的工作环境为055。它可以显示两行数据，在本次设计中第一行会显示当前永磁机构的状态是分闸状态还是合闸状态，第二行会显示当前状态的电容电压值。其引脚图如下表3-2所示。表3-2 LCD160引脚表序号符号引脚说明序号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据32VDD电源正极10D3数据43VO液晶显示偏压11D4数据54RS数据/命令选择12D5数据65R/W-读/写选择13D6数据76E使能信号14D7数据87D0数据115BLA背光源正极8D1数据216BLK背光源负极VSS是接地电源，在地与电源之间接入一个0.1F的去耦电容，去除高频信号等干扰。VO是对比度调节端口，接一个为5K的滑动变阻R2在电源与地之间，用来调节显示屏的清晰度。BLA接5V电源，BLK接地，组成了背光源的正负极。调节R2可以调节背光源的亮度。可以使显示器变得更清晰。D0D7口与上拉电阻共同接在单片机的3239脚即P00P07口。P0口需要上拉电阻才能工作，因此选择10K的排阻连接单片机与LCD显示器，从而使LCD显示屏显示相应状态和电容电压值。3.8 控制模块根据前面的永磁机构工作原理可知，永磁机构的状态给分合闸线圈通电即可，永磁机构的当前状态会一直保持，识别到下一个指令才会改变，我们可通过手动控制和远动控制来输入相应指令，改变其状态。3.8.1手动控制此模块设计的手动控制采用独立式键盘检测，即应用一组贴片式小按键。当按键按下时，电路导通，当按键松开时，线路就会断开。将按键的一端与单片机的I/O口相连接，另一端便接地。检测按键的时候单片机的I/O口的作用为输入作用。检测按键是否按下即检测单片机I/O口的电平高低，当检测到为低电平时即按键按下，执行按键按下的相应指令。程序刚开始设计时，先将I/O赋高电平，然后需要单片机频繁的检测这个I/O口是否变为低电平，当检测到这个I/O口变为低电平时即表示此按键与地连接，然后执行相应程序。按键键盘存在一个缺点即会发生抖动，我们可以使用延时方法去解决这个问题。3.8.2远动控制远动控制即数据通信方式，通信有串行和并行两种方式。并行通信传送数据一位数据就需要一条数据线，另外还需要一条信号线和若干控制信号线，使用起来比较麻烦。这种方式也只适用于短距离的传输。串行通信价格便宜，使用简单方便，解决了并行通信的缺点。串行方式也有两种方式即异步和同步。异步通信的发送端和接受端不需要时钟一致就可以控制数据的发送和接受，字符帧的长度没有规定，可以增加其他位，对硬件要求低，两个单片机之间可采用这种通信方式。同步通信要求发送端和接受端时钟必须严格同步才可以控制数据的发送和接受。本模块设计采用串行异步通信方式。此模块应用EIA推出的RS-485串行通信接口。随着自动化水平的提高，需要远距离的数据传递，早期被广泛的应用的是RS-232串行通信接口与单片机的输入、输出电平不兼容，不能满足要求。随后，就出现了许多新的串行通信接口，RS485就是其中之一。RS485的使用设备少，可以驱动多个负载，而且负载类型可以是不同的设备。可以使用极少的信号线实现多站点网络连接。传输速度快且能传输的距离很远。采用差分方式输出可以有效的抑制共模干扰，增加其抗干扰性能。RS485的工作模式为半双工即一个端口用于发送数据，另一个端口用于接收数据。单片机是TTL电平，与RS485串行通信接口两者的电气规范不相同，为了能完成数据传输必须使用MAX485转换芯片。MAX485芯片引脚图如图3-8所示。图3-8 MAX485转换芯片引脚图MAX485需要的供电电源为+5V，其芯片的内部有一个驱动器和一个接受器。芯片的8引脚接5V电源再接一个为0.1F去耦电容即可，5引脚接地。引脚1、4直接与AT89S12的10、11引脚即RXD、TXD连接在一起。引脚2为接受端，当给引脚置0时可接受数据。引脚3为输出端，当给引脚置1时可发送数据。引脚2、3连接在一起，平时不用发送数据时，给它们的逻辑为0使芯片为接受状态，需要发送数据在将引脚3置1即可，发送数据之后要再讲其置0，变为接受状态。引脚6、7即为A、B引脚，差分输入为A-B，其值大于0.2时即发送的数据是1，小于0时即发送的数据是0。为了增加芯片的抗干扰性，在A、B之间加入一个120的电阻16。3.9 电源供电模块为了跟很好的实现电气隔离，不仅需要在主电路与主电路之间、主电路与单片机之间隔离，隔离电路模块的电源也需要隔离，因此本设计使用两路电源，一路给主电路的的器件隔离前需要12V电源供电，另一路给隔离后需要5V的器件和单片机供电。为了使电路输出电压不受其他外界因素的干扰的影响可采用直流稳压芯片。本模快采用全波整流滤波电路与稳压芯片一起组成电源供电模块，电路需要的电源为12V、5V，采用的稳压芯片是常用的L7812CT和L7805CT芯片。L7812CT的电压为12V，电流最大为1.5A。经全波整流后的电压数值为1.2U，根据芯片L7812CT的使用规则可知，变压器全波整流后的电压数值需要大于12+（23）V，此电路选择22V，满足条件。电路的输出容易受到输入的影响，为了使输出纹波更小，在稳压芯片的输入端和接地端接入取值为0.33F一个电容，它的作用是减少输出纹波。整流桥选择KBL608，电流为6A，反向电压为800V，满足电路条件可使用。R16为放电电阻，取值太大放电太慢，取值太小负载太大，都会对电路产生负面影响，因此结合电路其他参数，R16选择3.9K。全波整流滤波电路的电容计算公式如下： RLC=(35)T/2 （3-4） RL=U/I （3-5）上式中，U为稳压芯片的电压，I取稳压芯片的最大电流，T为电网频率的倒数即0.02秒，计算出结果，联系实际取电容型号为4700F/50V，为了显示电压是否达到稳压芯片的电压，此电路还增加了一个LED灯，当到达12V时，灯就会亮。12V的电源电路电路图如3-9所示。图3-9 12V电压电源供电电路图第二路电路的参数选取方法跟第一步是完全一样的，只是数值不同，这里就不重复叙述了。5V的电源电路电路图如3-10所示。图3-10 5V电压电源供电电路图3.10 本章小结本章分模块介绍了永磁机构分合闸控制的硬件设计。首先介绍的是电容充电模块，这个模块将220V电经变压器降压为32V，用二极管整流对电解电容充电储能。电容电压放电模块由晶闸管和续流二极管组成，介绍了晶闸管RC电路的取值和驱动晶闸管的光耦电路。电容电压检测模块应用到了电压跟随器的虚短虚断和线性光耦隔离。数据采集模块就采用了常用的8位AD转换芯片PCF8591。介绍了单片机模块的晶振电路、复位电路、程序下载。LCD显示采用LCD1602，介绍其引脚和工作原理。控制模块分别从手动控制和远动控制介绍。最后是两路电源供电设计模块，都采用全波整流滤波电路和稳压芯片，使电源电路可以不受其他因素的干扰从而更好的工作。4 软件设计单片机归根结底是通过程序去控制芯片的引脚功能，才能实现相应的状态。所以，要使永磁机构能够分合闸，除了需要硬件电路，还需要相应的软件程序去控制各个元器件才能完成永磁机构的分合闸操作，才可以让控制系统正常工作。4.1 软件设计总体思路本设计需要实现的控制是永磁机构的手动分合闸控制和远动分合闸控制。当检测到手动或者远动的分合闸指令时，单片会立即处理发出相应指令，通过光耦TLP250驱动晶闸管开断，才能给分合闸线圈放电，实现相应状态。不管是手动还是远动的分合闸都需要在电容电压达到规定的临界值才能允许分合闸，并且分合闸需要互锁，不能存在同时执行的情况。此次软件设计使用C语言编程，采用Keil软件进行编译、调试。使用multisim 软件进行必要的硬件仿真。程序开始时需要进行初始化。在程序开始时还需将MAX485置为接受状态，确认晶闸管为关闭状态。本次设计的整体思路是开始初始化之后，程序首先会判断有没有串口中断指令，程序都有优先级的，当识别到有串口中断的指令时，要执行中断指令，然后读取远端的分合闸信息。如果没有中断指令，接下来就会检测充电电容是否达到我们所设定的允许值，若达到了，将会检测分闸按键是否被按下，若按下则分闸，则实现分闸状态。若没有按下但远端的控制要求主机分闸则还是执行分闸。如果检测到分闸按键未按下而且远端也没有要求主机分闸则需要检测合闸按键是否按下。如果合闸按键按下则合闸，若未按下合闸按键但远端要求主机合闸，则还执行合闸指令，实现合闸状态。不管是分闸还是合闸，都用到显示屏显示此时的电容电压值和分合闸状态。总体的流程图如图4-1所示。图4-1 软件设计总体流程图4.2 显示设计液晶显示的主要操作是对于显示器的读写操作，本次设计需要显示两行数据即需要给显示器写入要显示的两行内容。我们需要显示器显示内容则需要将内容的相应字符代码送入专门寄存显示字符代码的DDRAM(Display Data RAM)即显示数据RAM，这样我们需要显示的内容就可以得到显示。此次采用的LED1602的显示范围为前16个地址，当我们向LED1602的000F、404F这两行地址范围之内写入内容时都可以马上显示出来，当超过这个范围时，就需要移屏指令将其移动到LED1602的000F、404F便能正常显示。此设计采用的LCD1602内部RAM地址映射图如图4-2所示。图4-2 LCD1602内部RAM地址映射图单片机具有较高的运行速度，LCD1602相对于单片机而言，属于慢速设备。所以当执行指令时，必须严格执行先后顺序的指令。若前一条指令还未执行完毕，显示器无法接受执行新命令，新命令就不起作用。因此向显示器发送指令或者数据的时候，都需要检测LCD1602当前是否忙碌，只有检测到显示器处于不忙碌的工作状态，才能向显示器写入指令或者数据，不然单片机会一直检测，直到检测到不忙碌为止。当需要显示器执行相应功能时，控制相应的引脚即可。4.3 远程通信MAX485软件设计此设计的远动模块采用MAX458通信，将两个使能端连在一起接在单片机的P20口。两个485的A、B分别连接，实现数据通信。平时两个使能端都要置0，处于接受状态，发送数据置1即可。远端程序开始时也需要LCD，AD芯片初始化。远端程序也设计到串口中断，当单片机接收到中断信号时将会去执行中断程序，便会读取寄存器里的值。此时为了防止其他信号的干扰，将程序帧头设为0Xaa，若接收到的帧头为0Xaa则读取主机发送过来的信息。当主机电容电压达到所设置的临界值时便给主机发送数据，并检测主机与远端的状态是否一致，然后判断主机当前的状态。当没有发现中断时，则需要检测电容电压是否达到所设置的临界值，若达到了则检测分合闸按键是否按下来识别当前的分合闸状态。分合闸状态的改变涉及三个变量：电容电压的允许值；当前的分合闸状态，当前状态下的按键动作。必须要电容电压达到允许值才能改变，改变过程为，若当前为分闸状态且是合闸指令则会将当前的分闸状态改变为合闸状态。当若当前为合闸状态且是分闸指令则会将当前的合闸状态改变为分闸状态。改变后的状态将会发送给LCD显示。4.4 本章小结本章叙述了本课题的总体软件设计思路，怎样用程序去实现永磁机构的分合闸。LCD显示器的显示范围，还有LCD需要注意检测当前会否为忙碌状态。远程通信通过MAX485来实现。5 系统仿真和样机调试5.1 必要硬件模块系统仿真在制作电路板之前，用multisim软件对系统的必要模块进行仿真，比较仿真情况和理论情况，验证电路的可行性。本设计对必要的两个硬件模块进行仿真，一个是电容充电模块，另一个是线性光耦隔离电容电压模块。本设计的电容充电模块采用变压器降压，二极管整流组成，变压器变比是220比32即约为7比1，理论上计算电容的充电电压将会为其峰值232V即为45.25V，为了进一步验证其准确性，对其进行了仿真。模块仿真电路图及结果图如图5-1a、b所示。a 模块仿真电路图 b模块仿真结果图图5-1 电容充电仿真电路图和结果图仿真结果的电容电压也约为45V左右，此模块仿真结果与理论计算值一样，证实了模块的准确性。仿真的另一个模块是电容电压线性隔离模块，理论上隔离之后的电压值不会被改变即为1：1，此模块的仿真结果图5-3所示。图5-3 电容电压隔离仿真结果图根据硬件部分可知电容电压需要分压，计算分压后的电容电压为2.2V，仿真结果显示，隔离后的电压值与隔离前的电压值一样，让此电路的准确性、可行性得到了验证。5.2 系统硬件调试5.2.1供电电源模块调试此次供电模块采用的是全波整流滤波和稳压芯片L7812CT和L7805CT两路电路。电路比较简单，需要给变压器通电才可进行调试。在给变压器通电之前必须检查电解电容是否正确接在电路板上，如果极性接反，可能会导致电容损坏，影响电路。还需要检查稳压管的三个引脚是否连接正确，若全部元器件都检查正确接入之后，即可上电检查。本供电模块最终目的就是为电路提供12V、5V的电源，所以上电之后可以直接用万用表调到相应的档去测量稳压芯片输出引脚的电压值，万用表显示为12V、5V，调试便结束了。5.2.2单片机模块和显示模块给单片机通电前，也需要检查各引脚连接情况，若正确，便可通电。要测量必须为高电平或者低电平的相应引脚，还要确保电路不存在虚焊和短路等情况，才能确保电路的正常工作。使用示波器测量晶振两端，观察波形和频率，若正常便可结束调试。显示模块需要给LCD写一段小程序，若能正常显示便代表可以正常工作。5.3 系统软件调试软件调试主要是程序的调试，所以我们在起初写程序时就需要详细检查我们所写的程序，这样便会大大减少我们调试的工作。使用keil软件编辑程序之后便可调试，若调试之后出页面显示出现错误指标便必须返回修改，直到编译全部正确为止。样机经软硬件调试后，首先会呈现分闸状态，板子上的分闸指示灯变亮，显示屏显示分闸。当按下合闸按键时，便会转变为合闸状态，显示屏便显示合闸，实物图如图5-4a、b所示.。 a 分闸状态图b 合闸状态图图5-4 样机调试后实物图5.4 本章小结本章介绍了本次设计必要模块的仿真，证实了电路的正确性。为了使永磁操作机构能够很好地工作，必须要注重系统的调试，本章也大概介绍相应的硬件调试和软件调试。将模拟样机经调试后的实物图附在本章中。6 总结本次课题主要是针对35kV真空开关永磁机构分合闸控制器的设计。本论文首先对真空断路器研究背景、目的和意义还有国内外发展状况进行阐述。介绍永磁操动结构的工作特点及操动过程，然后对比分析永磁机构智能控制的三种控制方案并且进行进行比较分析。在此基础上对真空开关永磁操动机构的控制功能进行深入研究设计，对操动机构所需实现的基本的各项功能，包括分合闸手动控制，远动控制进行设计。对MCU模块、显示模块、电容充电回路模块、电容放电模块、电容电压检测、MAX485通信模块、电源模块进行必要的光耦隔离、电磁兼容以实现真空开关永磁操动机构的各项基本功能。在此次设计中，首先查阅了相关资料对永磁机构的分合闸操作所涉及到的控制电路进行深入了解。然后通过分析确定了操动机构控制器的设计的方案，在此基础上制定技术路，最后做出了此设计的模拟样机，可实现手动控制和远动控制。谢 辞本毕业设计课题是35kV真空开关永磁机构操作控制器的设计与实现。由于条件的限制，本课题需要完成一个模拟机来演示，在设计模拟机时有很多疑问，以至于不能继续后面的相关设计。在解答疑问的过程中，特别感谢我的指导老师范老师，他给了我很大的帮助，解答了我很多的疑问，才能完成我的毕设。在此次毕业设计中，用到了以前学过的很多专业知识，很感谢专业老师当初的细心讲解，让我能正确的选择元器件参数，画原理图和设计单片机程序。我也很感谢我的父母，没有他们的辛苦付出，就没有我现在这么好的学习环境。这个过程中也要感谢帮助我的同学，制作PCB图和编写单片机程序这两个方面我感到很困难，没有他们的帮助我的毕设不会顺利完成。完成此次设计对我来说比较困难，但是努力学习达到了好的效果，我相信在我以后的工作也会向现在这样努力，争取取得好的成绩。参考文献1 林莘.永磁机构与真空断路器M .北京：机械工业出版社,2003.1-142.2 Dullni, E. A vacuum circuit-breaker with permanent magnetic actuator for frequent operations. Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Proceedings ISDEIV.XVIIIth International Symposium on,1998,2:688-691. 3 张静,孙建军. 一种单稳态永磁操动机构的智能控制装置的研制J. 华通技术,2007,3:19-23.4 Jong-Ho Kang, Chae-Yoon Bae, and Hyun-kyo Jung. Dynamic Behavior Analysis of Permanent Magnetic Actuatorin Vacuum Circuit Breaker. Electrical Machines and Systems, ICEMS 2003 Sixth International Conference on,2003,(1):9-11.5 钱家骊,徐国政,窦晓峰. 中压断路器用永磁机构中线圈不同布置的分析J.高压电器,2000,02:25-28.6 徐建源,孙建军,林莘等.单稳态永磁操动机构的智能、能控制装置J电气时代,2006,5:51-537 黄新波,遵明伟,肖渊等. 10kV永磁机构真空断路器智能控制器设计J. 电力建设,2015,02:54-60.8 谢超,吴细秀,吴士普等.永磁操动机构储能电容大小的确定方法研究J. 高压电器,2015,03:41-46.9 雷聚超,张蔚宁. 两种晶闸管触发电路J. 西安工业大学学报,1993,01:30-34.10 王鲁杨,王禾兴,张群耀等.电力电子实验装置中的晶闸管保护J.上海电力学报,2009,04:309-312+320.11 陈永军 ,翁惠辉 ,李俊杰.TLP250功率驱动模块在IRF840 MOSFET中的应用J. 今日电子,2005,01:61-63.12 赵红强,徐建源,秦祖荫. 单线圈永磁操动机构中驱动器的研制J. 华通技术,2005,01:11-15.13 张甜甜,王文军,陈辉. 线性光耦HCNR201在模拟电压测量中的应用J.可编程控制器与工厂自动化,2009,09:94-97.14 李斌,郭凤仪,王智勇等.双稳态永磁机构优化设计及智能控制器J. 电工技术学报,2013,10:83-89.15 郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略M.北京：电子工业出版社,2009.1-500.16 张继华,邓研,郭凤仪等.永磁操作机构真空断路器的智能控制器的设计J. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2011,05:751-756.附录一 电路原理图电容充电模块 AD模块光耦驱动模块电容电压检测-线性光耦隔离模块两路电源电路原理图控制和远端部分电路图LCD和按键模块（两部分相同）MAX485模块（两部分相同） 程序下载、LED、晶振模块（控制部分）程序下载、LED、晶振模块（远端部分）附录二 电路PCB图主板PCB图控制部分PCB图远端模块PCB图附录三 电气主接线图附录四 软件主程序主板程序#include #include LCD1602.h#include I2C.h#include delay.h#include intrins.h/#define Kv 3.87/sbit max485_RT=P20;/sbit OFF_KEY=P21;sbit ON_KEY=P24;/sbit RE_cr=P37; sbit scr_cr_on=P35; sbit scr_cr_off=P36;sbit switch_on_led=P11;sbit switch_off_