【《永磁机构的控制系统设计案例》7900字】

永磁机构的控制系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u4459永磁机构的控制系统设计案例 1297811.1永磁机构控制系统设计原则 1255571.2控制器总体设计 221871.3控制系统的硬件结构 5197061.4硬件模块设计 68771.4.1电源设计 6170271.4.2断路器分、合闸状态的检测 7217261.4.3CPU模块 726001.4.4信号输入单元 8214221.4.5信号输出单元 9285711.4.6硬件监控电路 10215731.5电磁兼容抗干扰技术 11永磁机构智能控制方法是微机技术与断路器控制的有效结合，具有更强大灵活的逻辑判断分析能力。由于装有永磁机构的断路器的分合闸特性仅与线圈参数有关，因此对电气参数的控制也是可能和容易的，因此永磁机构的分合闸特性如下。由微电脑系统控制，可实现真空断路器的智能控制，检测动铁芯的动作位置和线圈电流、瞬时通电时间等参数，并实现自感应功能。同时可通过拨码开关输入进行功能设置和参数设置。1.1永磁机构控制系统设计原则永磁机构真空断路器智能控制系统是电源的基本控制和保护装置，它必须保证被控制和被保护对象在所有工作条件下的稳定运行，并能够监测和控制工作状态。总机本身。为了提高断路器的分断能力和使用寿命，断路器必须实施同步操作技术。根据现场环境、设备条件和工作要求，永磁机构真空中断驱动控制器的设计应遵循以下原则：1)实时性在设计数据采集和处理系统时，充分考虑数据采集和处理所采用的方法，保证数据采集和处理的实时性，同时在设计控制算法时考虑敏捷性和收敛性原则。实时控制，确保实时打开和关闭操作的算法。2)准确性高压真空断路器的工作环境具有特殊的强干扰性，对数据采集传输的准确性和开关控制的准确性提出了严格的要求。在设计数据采集系统时需要考虑使用合适的硬件组件和软件处理方法，以保证采样数据的准确性和确定设备运行状态的准确性。3)安全性高压设备实时控制系统必须保证生产安全、人身安全和设备安全，必须采取应急控制策略应对控制故障。1.2控制器总体设计由于永磁机构独特的操作和保持原理，其控制系统与传统的弹簧操作机构有很大不同。智能控制断路器与普通断路器的主要区别在于，它可以通过智能执行装置采集和处理电网参数，监测和判断自身状态，然后按预定程序动作。断路器动作机构的运行参数可根据需要进行调整，以达到合适的分合闸速度和最佳分合闸时间。永磁机构控制系统接收光电信号，最后通过逻辑判断发出指令控制执行机构的动作，其性能的好坏直接关系到整个断路器的性能。实现真空断路器的所有功能，可电控，同时具备智能化功能，可集成在线传感技术，最大限度发挥永磁机构的卓越性能。目前，我国已经发展出用于控制永磁作动机构的电子技术，电子开关取代了原来的接触开关。图1.1断路器智能控制工作原理图1.1是断路器智能控制的工作原理图。图中的智能控制单元由三个基本模块组成：数据采集、智能识别和执行机制（协调单元）。1）智能识别控制模块：是智能控制单元的核心。微机控制系统由单片机组成，可根据运行前采集的电网信息自动识别当前运行过程中的开路。主控室运行信号电网运行状态。显示断路器是否处于可操作状态，断路器的闭合和断开状态，断路器动作的执行情况，系统电压和操作电压信息，以及故障报警信号。断路器动作机构装置的运行状态，使操作者能够了解断路器。并根据预先编程的决定向执行器发出调整信息，断路器发出相应的动作。2）数据采集模块：由小型电压电流转换装置和高速多路模数转换器组成，可接收合闸指令、分闸指令、失压跳闸信号、过压信号。不定时提供电流跳闸信号和断路器传感器提供断路器分合闸状态信号、断路器位置信号、接收系统电压、断路器操作电源信号和复位信号。这些信号经过重构处理，数据由模拟转数字，由智能识别模块进行处理和分析，满足智能控制模块的要求。3）执行器（调节装置）:由能接收定量控制信息的部分和驱动执行器组成，具有控制开关线圈励磁的功能。永磁机构智能控制执行器由电源模块、CPU模块、开/关位置采样模块、开/关信号采样模块、驱动模块、电容模块等组成。结构原理示意图如下。图1.2。图1.2智能化操作单元结构原理示意图永磁机构的分合闸线圈必须被电激励以产生电磁吸引力来驱动动铁芯。永磁机构中的电容器可充电至恒定的DC10V0工作电压，以提供激励执行机构的开关线圈所需的脉冲功率。但是，每当我们为开关线圈提供励磁所需的脉冲功率时，如果不及时切断开关线圈中的脉动电流，电容器模块的功耗就会非常大。模块打开或关闭。电压下降到无法再提供下一次关闭或打开所需的脉冲功率的点。-0.3S-CO(min-0.3sec-closemin)操作。因此，根据开关位置采样模块、CPU模块和驱动模块的不同，需要随着时间的推移切断开关线圈的脉动电流。此外，为了确保智能断路器在各种环境中可靠工作，首先需要解决的问题是电容器的使用寿命。电容器的寿命与环境温度有关，通常在105下为2000小时，但如果工作温度低于50，寿命可达10年以上。因此，在设计控制单元时，必须采取有效措施降低电容器的工作温度，延长其寿命。采样模块将电子接近开关检测到的开/关位置信息输入智能控制器。当检测到真空断路器的合闸或分闸位置时，立即发出高电平，将高电平和低电平送至CPU模块，经逻辑处理后送至分合闸逻辑驱动电路。计数，开闭会及时关闭。线圈中的脉动电流。图1.3断路器控制电路原理示意图真空断路器手动和自动控制电路结构示意图如图1.3所示。当真空断路器的手动或自动控制电路接收到分闸或合闸指令时，逻辑驱动控制器根据RS锁存器发送的高低电平自动检测此时真空断路器的位置。位置或关闭位置决定是否执行打开或关闭命令。综上所述，智能断路器的工作过程如下：以：微控制器为核心的智能控制单元时刻采集电网状态数据。智能识别模块快速识别电网状态。根据采集到的数据确定电网和断路器的位置，并根据识别结果随时控制调节装置的运行。采用同步动作技术时，必须通过调节装置改变动作机构的参数，使断路器获得与当前系统运行条件相适应的动作特性。另外，断路器的分合闸时间应尽可能短，以防分闸故障，不能人为延长断路器的分合闸时间。智能操作。这可以从硬件架构和软件编程开始，因此由于添加控制和协调设备而导致的时间延长仅限于可接受和可以忽略的水平。与传统的断路器控制系统相比，永磁机构的智能控制有很大的不同。首先，永磁机构控制装置的电源通常由电容器组成，控制部分有额外的电容器充电控制环节，以稳定电容器的电压值，保证整个系统性能的稳定性。其次，永磁机构没有跳闸装置。给开关线圈供电，完成断路器的开关操作。电容器作为开关线圈的电源，充放电过程由逻辑部分控制。变压器主要包括电流互感器和电压互感器。逻辑分析判断部分是实现断路器控制的关键，通过断路器的智能测控装置对输入电压和电流进行分析判断，识别线路过流、短路、欠压等错误。发出由执行器动作完成的指令。控制系统的另一个特点是采用了全新的供电系统，解决了供电问题，可以设计光纤接口，通过发送光纤信号发送开/关指令。参数也可以通过光纤传输到次级。1.3控制系统的硬件结构随着计算机技术的飞速发展，微机控制技术得到了广泛的应用。微机控制技术以模拟和数字技术为基础，利用CPU通过编程来获取和处理外部信号。永磁机构控制系统硬件结构框图如图1.4所示。系统主控单元与外围电路相结合，实现对机构的控制。充电装置：当电容器组上的电压低于规定值时，对电容器进行整流、稳压，限流。由于开关操作时励磁电流可达几十安培，因此必须选用大容量的电容来实现瞬时放电。电容器中储存的能量必须能够完成开关操作。电容电压检测可采用A/D转换或V/F转换等数据采集方式。执行装置：实现开关线圈放电，产生励磁电流，带动工作机构运动，完成断路器的开关操作。单片机主控单元、传感单元、键盘、显示器、人机界面单元和通讯单元共同构成了控制器的测控系统。图1.4控制系统的硬件结构框图1.4硬件模块设计在电力行业，永磁机构智能控制系统的可靠性必须是重中之重。否则，产品的质量会增加分销链的故障率，这与分销应用的初衷背道而驰。自动化。在硬件方面，配电自动化产品通常与高压设备在相同的环境中使用。如果硬件处理不当，例如柜体漏电、高压或低压侧导体的强电磁场干扰，可能会导致测量和控制、故障或仪器永久性损坏。因此，在设计硬件时应充分考虑系统可靠性，提高测量精度、系统响应速度等性能指标。硬件采用模块化设计思想，提高产品设计多样性，降低开发风险。1.4.1电源设计可对永磁机构的开关线圈通电产生电磁吸引力驱动动铁芯运动，满足一定的励磁安匝数，满足真空断路器的开关速度要求。为了在更短的时间内获得更大的脉动电流，目前有两种选择可供选择。一个使用电容器，另一个使用电池。这两种方法都能给出比较满意的结果。但电池作为电源，必须考虑过充过放等问题，充电电路和保护电路较为复杂。与可充电电池相比，使用电容器作为电源具有许多优点。例如，电容器的充电时间相对较短，可以使用任何具有滤波或未滤波、稳压或未稳压DC输出的传统电源进行充电。无需监控确切的充电电流和充电时间，因为无需考虑过度充电的风险。没有化学污染或电极氧化问题，它可以承受多次短路，并且可以放电到任何级别而不会损坏。它还可以很容易地并联使用电容器，而不会引起诸如并联电池之间的偏置电流之类的副作用。因此，在室内永磁机构中设计电源最经济的方式是采用电容放电法。对于超精细户外真空断路器，通常使用其他方法，例如电池，因为现场电源不那么容易解决。作为给电容器充电的电源，要考虑电容器的耐压，还要考虑控制器在实际开关操作时所需的电源电压。室内永磁机构的电源实际使用的电压大多在DC100V左右，所以需要确保给电容器充电的电源的输出电压为DC100V。开关电源在设计电源解决方案时考虑了电源行业标准。除了具有体积小、效率高、稳压范围宽、稳压精度高、纹波小等优点外，在动态负载特性和电磁方面更有优势。兼容性、功能和优势。因此，室内永磁机构供电最经济、最安全、最可靠的方式是采用开关电源对电容器进行充电，然后对电容器放电。电容器可充电至恒定的DC100V工作电压，以提供激励执行机构的开关线圈所需的脉冲功率。可储存小于250J的电能，完成一个完整的O-CO操作循环。在这些操作周期结束时，电容器组在不到20秒的时间内以A2的峰值电流重新充电。因此，在辅助电源发生故障的情况下，预储能铝电解电容器的电能可以保证关断操作能够进行一个完整的O-CO操作循环。1.4.2断路器分、合闸状态的检测 永磁机构断路器必须稳定在分合闸位置，中间状态和其他故障位置是绝对不允许的。当发生错误位置时，必须及时上报告警。同时，必须及时关闭永磁机构，防止铁芯移动到开合位置后的热量损失和功率损失。为此，需要检测断路器的断开/闭合状态。传统的带有触点的辅助开关经常由于接触不良或污染和触点氧化而失效。因此，应采用电子开关和非接触式传感器来代替传统的辅助开关。收到手动和自动控制模块的分闸和合闸命令后，将其发送给CPU，逻辑控制器根据分闸和自动控制模块发送的高压和地电平自动检测断路器的位置。关闭位置。决定是否执行开仓和平仓订单。当同时接收到分闸和合闸命令时，CPU通过逻辑控制器及时截获合闸命令来响应分闸命令。当电网一次侧电力监控电路检测到过流、过压、欠压信号时，CPU模块也会由逻辑控制器发出分闸指令，及时关闭合闸指令。1.4.3CPU模块Microchip推出的PIC16F87X系列8位微控制器是采用精简指令集（RISC）架构和FLASH存储技术的高性能嵌入式微控制器。与其他类型的微控制器相比，它具有以下特点：1）运行速度快。PIC16F87X系列单片机在架构上采用两级流水线哈佛总线结构，指令读取和执行采用流水线方式，使得单条指令（GOTO和CALL指令除外）的执行基本可以在一个周期内完成。另一方面，将数据总线和指令总线分开，采用不同的宽度，有利于所有指令的单字节实现，有助于提高CPU的处理速度。该单片机系列是世界上同类产品中速度最快的系列之一。2）功能广泛，丰富而强大。PIC16F87X系列单片机内部集成了各种外围功能模块，如A/D模块、EEPROM、捕获\比较\脉宽调制器、I2C和SPI串行总线端口等，以减少外围设备的使用。简化电路板并提高系统可靠性。3）逻辑结构清晰。PIC16F87X系列单片机采用精简指令集（RSC）技术，指令系统只有35条指令，寻址方式也简化，简单易学。该单片机系列的最大特点是大量使用了可位寻址的特殊功能寄存器。只要对这些特殊功能寄存器写入命令，就可以方便灵活地控制各个功能模块程序。此外，PIC16F87X系列单片机可在线编程，具有强大的上电、掉电延时复位保护和监控功能，I/O引脚驱动功能和抗干扰功能。该系列单片机的功能基本相似，只是内存大小、引脚数量、A/D转换器数量不同，用户可以轻松选择最适合自己的型号。本设计中的微处理器使用8kB的高性能PIC16F877。14个片上闪存程序存储器，368kB8个片上数据存储器(RAM)，256kB8个EEPROM数据存储器和10位多通道A/D转换器。由于PIC16F877无需任何其他外围元件即可使用，简化了控制器的硬件电路，降低了成本，大大提高了可靠性。1.4.4信号输入单元控制器的输入信号包括反映开关状态和手动操作的开关量信号、CT和PT的模拟量信号、拨码开关的设置参数等。前者可以很容易地通过光耦实现分离和转换，并送到MCU进行处理。模拟量必须通过A/D转换器转换为数字量才能进行分析。交流电源信号输入回路通常包括隔离转换器、滤波、过值保护和量化处理。在电力系统中，电压和电流信号取自电压互感器和电流互感器的次级，额定值分别为100V/5A。当电力系统出现故障时，电量变化很大（几十倍），所以必须转换成微机系统能接收到的信号类型和范围，不得超过这个范围。如果发生错误。光电耦合器件利用光传输信息，由输入端的发光元件和输出端的受光元件组成，输入端和输出端电绝缘。体积小，使用方便，可根据现场不同的干扰情况，组成各种线路，抑制共模和差模干扰。在输入输出隔离的情况下使用光耦，电路非常简单。这种隔离不仅可用于数字电路，还可用于线性（模拟）电路。用于去除噪声的光电耦合器是从两个方面实现的，一方面，输入级的噪声不传输到输出级，而是将有用的信号传输到输出级。另一方面，由于从输入级到输出级的信号传输是通过光来实现的，电极间电容小，绝缘电阻大，所以输出级的信号和噪声没有反馈。到输入结束。如果使用光电耦合器，频率不能太高，因为光电耦合器本身具有10至30pF的分布电容。此外，应通过在触点输入处添加RC滤波器链接来抑制抖动。联系人的。另外，用于低电压时，传输距离应在100m以内，传输速度应小于10Kbps。图1.5电压模拟量输入示意图系统采集8个模拟信号，包括三相电压、三相电流、零序电压和零序电流。从互感器和电流互感器得到的电压信号（100V）和电流信号（5A），进入控制器后必须进一步调整，转换成CPU需要的0~2.5V电压信号。然后将信号发送到CPU进行处理。电压模拟输入电路原理图如图1.5所示，电流模拟输入类似。由于本系统使用的16F87X自带10位A/D转换器模块，所以不用另外设计采样电路。内核用到两个参考电平，即和，作为转换范围的上下限和读数的满量程值和“0”值。转换数值在输入信号大于时为满量程值，小于等于时为“0”。1.4.5信号输出单元信号输出装置用于指示断路器的运行状态。输出信号包括断路器的闭合和断开状态、断路器操作执行情况（常闭或断开、过流断开和闭合、失压断开、过压和欠压断开）。操作电压是否满足合闸或分闸要求，开关电源的输入电压是否正常，断路器操作机构的故障报警信号等。当开关处于合闸位置时，指示灯指示关闭位置亮起。当开关处于打开位置时，指示打开位置的指示灯亮起。当开路电容上的电压大于固定值时，开路电容上的电压指示灯亮。闭合时，如果开关电容两端的电压大于一个固定值，则指示闭合电容的灯亮。当开关处于闭合位置时，测得的电压为：如果过流时间大于设定的延时值且开路电容灯亮，则开关跳闸，溢流率关闭。当开关处于闭合位置时，被测电压大于设定的过压值，开路电容指示灯亮，开关动作，指示灯闪烁。当失压保护动作且辅助线上的电压低于一定值时，失压指示灯亮。如果重合闸保护处于活动状态并且计算机确定此时重合闸条件已满足，则重合闸正在进行或重合闸正在进行。当完成但未进行重合闸操作时，重合闸灯亮。该机构执行合闸操作，但若因故合闸不到位，微机立即发出分闸指令断开开关，并点亮错误报警灯。控制器输出的示意图如图1.6所示。图1.6输出单元示意图1.4.6硬件监控电路电源监控电路是具有电压监控功能的复位电路。监控电路必须具有以下特点：1）上电复位：系统上电时提供复位信号，系统电源稳定后取消复位信号。为了可靠性，在电源稳定后一定延迟后取消复位信号，以防止电源开关或电源插头打开/关闭引起的抖动或影响复位。2）掉电复位：当电源被切断或电压下降到某一电压值以下时，系统复位。软件设计具有软件监控功能。但是，如果软件出现问题，例如死循环，则硬件监控和保护更加可靠和可靠。因为在现实生活中，仅仅依靠软件看门狗来阻止程序“运行”是不安全的。需要硬件监控电路来防止系统出现问题并确保系统的正常运行。硬件监控电路如图1.7所示。图1.7电源监控电路示意图图中MAXS809是PHLIPS半导体生产的单功能复位微处理器，体积小，功耗低，用于微处理器和其他逻辑系统中的电压监控。当电源开关和电压不足（低于阈值电压）时，阈值电压可选时向微处理器发送复位信号。图中R2和S1组成的电路可以实现手动复位。1.5电磁兼容抗干扰技术电磁兼容性是测试智能控制器对衰减冲击波、电快速瞬态脉冲群和浪涌（冲击）干扰信号的抗干扰现象。向线路注入冲击电压时是否发生永久性损坏。在电快速瞬变或短脉冲或振荡波免疫实验中，只允许指定的瞬变功能障碍。电磁干扰是一种外部发生的电磁现象，它来自对有用信号有害的干扰源。过去，机电设备和系统一般对电磁干扰（如：静电、传导电干扰、辐射电磁场干扰）不敏感。大多数这些敏感问题是由谐波和电压等“低频”现象引起的。停止。当前电子元件和设备的使用使它们对这些干扰更加敏感，尤其是“高频”和“瞬态”现象。随着电子元器件和设备的普及和使用，由于电气和电磁干扰而导致故障和损坏的风险大大增加，使得电磁兼容性的研究