（控制科学与工程专业论文）真空断路器永磁操动机构同步控制器的研究.pdf

1 s t u d yo nt h es y n c h r o n o u sc o n t r o l l e r o fp e r m 渔n e n tm a g n e t i ca c t u a t o ru s e di n c u u mc i r c u i tb r e a k e r s p e c i a l t y g q 煎墅q s 鱼i 星塾坌曼i 也鱼曼照g i n 曼星 i 塾g m a s t e r d e g r e ec a n d i d a t e h q 垒g 旦i 望g s u p e r v i s o r 里盟 也h 丛垦l i 垒g s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c e e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h ah u n a np r c m 8 2m 3 9 哪wim 7册1胂y 原创性声明 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 尽我所知 除了论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过的研究成果 也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名 兰 日期 j 阜年兰月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 作者签名 j 竺 导师签名么 警 日期 二生年旦月上日 摘要 永磁操动机构是一种用于真空断路器的新型操动机构 它的出现 为提高断路器的可靠性 进而实现智能化操作提供了条件 永磁操动 机构的同步控制技术是断路器智能化领域的前沿课题 对于减小合闸 涌流和过电压 提高断路器的分断能力 实现配电终端的智能化 以 及改善电网电能质量 具有重大的现实意义 论文分析了真空断路器永磁机构的工作机理 建立了真空断路器 永磁操动机构的动态过程数学模型 并对其静动态特性进行分析 阐述了永磁机构同步关合的动作过程 并进行了仿真 探讨了预 击穿特性 环境温度 控制电压等外界因索对同步关合技术的影响 并针对这些因素提出基于快速f f t 算法的选相分合闸技术以及同步 关合的模糊控制算法 通过对模糊控制器的仿真验证了其可行性 根据系统性能要求与工作特点 以m s p 4 3 0 f 1 4 9 微控制器为核心 设计了同步控制器的驱动控制电路 研究了同步控制器的软硬件实现 技术 可以实现保护 控制 测量 开关量监测等功能 最后 按照型式实验标准 对所研发的真空断路器永磁操动机构 同步控制器进行了电气与机械特性实验以及电磁兼容实验 试验结果 表明系统性能可靠 技术参数优良 部分参数和功能优于进口产品 完全可以替代进口产品 关键词永磁机构 同步开合 真空断路器 模糊控制 a bs t r a c t t h ep e r m a n e n tm a g n e t i ci san e w s t y l ea c t u a t o ru s e di nv a c u u m c i r c u i tb r e a k e ra n dt h ea p p e a r a n c eo fp e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r p r o v i d e sh a r d w a r eb a s e m e n tf o re n h a n c i n gs t a b i l i t y o fb r e a k e r sa n d r e a l i z i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o lo fi t t h es y n c h r o n i z e d c o n t r o lt e c h n o l o g y b a s e do ni tc a ns i g n i f i c a n t l yd e c r e a s eo v e r c u r r e n ta n do v e r v o l t a g ew h i l e b r e a k e r s c l o s i n g g r e a t l ye n h a n c eo p e na b i l i t y o fb r e a k e r s m a k e e l e c t r i c i t yq u a l i t y w h i c hi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e a tf i r s t t h ep a p e ra n a l y s et h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h ev a c u u m c 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 ca c t u a t o r b u i l dt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fd y n a m i cp r o c e s sf o rt h ev a c u u mc i r c u i tb r e a k e r a n da n a l y s e 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 s t h es y n c h r o n o u sc l o s i n gm o v e m e n tp r o c e s so ft h ep e r m a n e n t m a g n e t i ci sa n a l y s e da n d e m u l a t e d i na l l u s i o nt ot h ei m p a c to f p r e s t r i k e c h a r a c t e r i s t i c e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e a n dc o n t r o l v o l t a g e o n s y n c h r o n o u sc l o s i n g p h a s es e l e c t i o nt e c h n o l o g yb a s e df f ta l g o r i t h m a n df u z z yc o n t r o la l g o r i t h ma r ea d v a n c e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h ef u z z y c o n t r o l l e ri sv e r i f i e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do f t h em a r k e tt h a tt h ec o n t r o lu n i tb a s e do n s i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o r m s p 4 30 f14 9f o r i n t e l l i g e n t b r e a k e ri s f o c u s e da n dm 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 ta r e c o v e r e d a tl a s t s o m er e s u l t sa n dt e s td a t af r o me x p e r i m e n t so nt h ev a c u u m c i r c u i tb r e a k e rw i t hi n t e l l e c t u a lc o n t r o lu n i ta r ep r e s e n t e d t h et e s tr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ef u n c t i o n so ft 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 e p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o ra r er e l i a b l e i tc a ns a t i s f yt h ea p p l i c a t i o n s o ft h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yi n s t e a do fi m p o r t e dp r o d u c t k e yw o r d sp e r m a n e n t m a g n e t i ca c t u a t o r s y n c h r o n o u s o n o f f v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r f u z z yc o n t r o l 目录 第一章绪论 1 1 1 真空断路器操动机构概述 1 1 1 1 真空断路器对操动机构的要求 1 1 1 2 传统操动机构简介 2 1 1 3 永磁操动机构及其优势 3 1 2 同步控制技术研究现状 3 1 2 1 国外研究现状 3 1 2 2 国内研究现状 一5 1 3 课题来源及研究意义 6 1 4 本文研究内容和章节安排 6 第二章双稳态永磁操动机构的原理及建模 7 2 1 永磁机构的基本原理 7 2 2 双稳态永磁机构的操作原理 8 2 3 永磁机构真空断路器动态过程分析 9 2 4 永磁机构的建模 1 4 2 4 1 永磁机构静态磁场模型 1 4 2 4 2 系统动态过程建模 1 6 2 5 本章小结 2 0 第三章永磁机构同步关合技术仿真和影响因素分析 2 1 3 1 同步关合的动作过程 2 1 3 2 永磁机构同步关合技术仿真 2 2 3 2 1 电容器的同步关合技术 2 2 3 2 2 空载变压器的同步关合技术 2 4 3 2 3 空载线路的同步关合技术 2 6 3 3 永磁机构同步关合的影响因素 2 6 3 3 1 预击穿的影响 2 7 3 3 2 合闸时间的稳定性的影响因素 2 7 3 4 本章小结 2 9 第四章永磁机构同步控制算法研究 3 0 i i i 4 1 基于快速f f t 算法的选相分合闸技术 3 0 4 2 永磁机构同步关合的模糊控制算法 31 4 2 1 模糊控制的工作原理 3 2 4 2 2 模糊控制器的设计 3 2 4 2 3 永磁机构同步关合模糊控制器的设计 3 2 4 2 4 永磁机构同步关合模糊控制器的仿真 3 6 4 3 本章小结 3 9 第五章永磁机构同步控制器设计 4 0 5 1 总体设计方案 4 0 5 2 控制器硬件设计 4 2 5 2 1 硬件结构原理 4 3 5 2 2 检测单元 4 3 5 2 3 主控单元 4 5 5 2 4 执行单元 4 9 5 2 5 充电单元 5 0 5 2 6 电磁兼容抗干扰设计 51 5 3 软件设计 5 1 5 3 1i a r 嵌入式开发平台 5 2 5 3 2 软件的具体实现 一5 3 5 3 3 软件抗干扰设计 5 7 5 4 本章小结 5 9 第六章试验结果与结论 6 0 6 1 试验内容和结果 6 0 6 2 本章小结 6 3 总结与展望 6 4 参考文献 6 5 致谢 7 0 攻读学位期间主要的研究成果 7 l i v 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高使得人们对供电质量 和供电可靠性的要求越来越高 而电力法的公布和执行 更要求电力供电部门 提供安全 经济 可靠和高质量的电力 l 在配电和供电系统中 断路器是十 分重要的电气设各 断路器的分 合动作可靠性对供电可靠性有较大的影响 而影响断路器可靠性的因素主要有以下三个方面 1 断路器的绝缘性能 断路 器的绝缘性能应能承受在长期运行时工作电压和承受线路中由于各种因素产生 的过电压 2 断路器的开断性能 其中包括灭弧室的开断特性以及为火弧室动 触头提供一定分合闸速度的机构的性能 3 断路器机械性能的可靠性 它包括 两方面的内容 一是开关本体的机械性能 一是操动机构的可靠性 而实现操 动机构的可靠性难度较大 从上面几个方面看 要保证断路器在电力系统中可靠运行 不但要保证断 路器的机械可靠性 而且操动机构在断路器中也占有重要的地位 因为操动机 构是断路器分合闸所需时间和分合闸速度的主要决定因素 影响着断路器开断 性能的可靠性 因此从国际 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 满足当今社会对高 质量 高可靠性产品的需求 有必要突破传统意义上的机构动作原理 研制和 发展新型断路器操动机构 永磁操动机构是近年来发展起来的一种新型操动机构 它是一种用于中压 真空断路器的永磁保持 电子控制的高可靠性的操作机构 永磁操动机构具有 体积小 重量轻 结构简单 操作可靠 免维护 使用寿命长等显著优点 展 现了很好的应用前景 因此 研究真空断路器永磁操动机构对于保证供电的可 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 1 1 真空断路器操动机构概述 1 1 1 真空断路器对操动机构的要求 随着电力相关技术的发展 作为中压断路器主流产品 真空断路器也对其 操动机构提出了更高的要求 这主要包括以下两个方面 1 操作的高可靠性 真空断路器采用真空灭弧 灭弧时间短 电弧电压 低 电弧能量小和触头磨损少 因而分断次数多 使用寿命长 且适合于频繁 硕士学位论文第一章绪论 操作 其机械寿命从传统的两千次跃增为几万次 因此 对与其配合的操动机 构的机械寿命及可靠性提出了较高的要求 2 与真空断路器反力特性的配合 真空断路器的反力特性与少油断路器 和s f 6 断路器有很大差异 真空断路器的触头行程很小 合闸过程中在触头接 触前只需要很小的驱动力 一旦触头闭合 就需要很大的永磁保持力来压缩弹 簧以获得足够的触头压力 而且真空断路器所要求的平均合闸速度并不大 因 为合闸速度太高容易引起触头合闸弹跳 分闸时要求操动机构不给运动系统附 加过多的运动惯量 以提高分闸初始加速度 1 1 2 传统操动机构简介 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 需要较 多的机械零件配合组成 这不仅成本高 而且可靠性不足 因为故障率上升的 可能性是和零件的数量成正比的 传统操动机构可分为电动弹簧式和电磁式两 种 电磁操动机构是靠电磁力合闸的操动机构 电磁操动机构较好地迎合了真 空灭弧室开距小 8 2 5 m m 和在合闸位置需要大的操作力 2 0 0 0 4 0 0 0 n 相 的 要求 2 且其零件数量约为1 2 0 个 工作可靠 成本低 因此 在真空断路器 发展初期 电磁操动机构得到了广泛应用 然而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 从而抑制合闸线 圈动态电流的增长 且这种抑制作用随合闸速度的增加而增强 这样 当线圈 的稳态电流已经较大时 用提高线圈稳态电流的方法来抵消这种抑制作用常受 合闸电源容量的限制 因此 采用电磁操动机构来提高真空断路器的合闸速度 是有限的 另外合闸线圈消耗的功率太大 要求用户配备价格昂贵的蓄电池组 加上电磁机构的结构笨重 动作时间较长 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 簧储能通常是由电动机通过减速装置来完成 整个操动机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储能 不需要大功率直流电源 其合闸力不受电源 电压影响 相当恒定 既能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不足 完全依靠机械传动 结构比较复杂 零部件数量多 约2 0 0 个 故障率较高 运动部件多 制造工艺要求较高 产品可靠性不易保证 传统电磁操动机构一般用于对分合闸速度要求较低的1 2 k v 和4 0 5 k v 等级 2 硕十学位论文第一章绪论 的真空断路器中 从控制的角度看 这两种操动机构的运动时间分散性大 运 动可控性差 响应速度慢 因此很难实现对机械运动的精确控制 1 1 3 永磁操动机构及其优势 永磁机构是1 9 9 7 年诞生的一种新型操动机构 它将永久磁铁应用于操动机 构中 利用永久磁铁产生的磁力实现真空断路器分合闸位置的保持 取代传统 的脱扣和锁扣装置 3 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 因此可以直接与灭弧室相连 使零部件数减到最少 较弹簧机构减少了 8 0 以上 提高了产品的结构刚性 有助于减小触头弹跳 提高刚分速度 结 构的简单和零部件的大幅减少大大提高了开关机械系统可靠性 实现免维护运 行 例如 英国a b b 公司研制生产的v m l 型配永磁机构的真空断路器机械寿 命达到1 0 万次 其永磁机构的机械寿命为l o 万次 而采用传统的操动机构很 难达到这一指标 同时 它的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 目前 永磁操动机构在提高性能 获得更高的可靠性和降低成本等方面展 现了很好的应用前景 尤其是高质量 高稳定性 长寿命的钦铁硼永磁材料的 应用 对永磁机构的发展起到了很大的促进作用 由于我国钕资源蕴藏量占世界的8 0 以上 在开发高磁场永磁材料 特别是 钕铁硼永磁材料 方面具有得天独厚的条件 4 j 且目前我国的钕铁硼永磁材料特 性水平已达世界先进水平 同时 在许多领域稀土永磁材料已有很广泛的应用 已有较先进的加工制造能力和成熟的应用经验 将稀土永磁材料应用于断路器 操动机构是永磁操动机构区别于其它操动机构的显著特点 随着永磁材料性能 的不断提高和完善 特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价 格的逐步降低 以及电力电子器件以及相应智能控制技术的进一步发展 永磁 操动机构必将获得越来越广泛的应用 1 2 同步控制技术研究现状 同步控制技术是指断路器动 静触头在控制系统的作用下 能在电网电压 或电流的指定相位完成电路的断开或闭合的一种智能控制技术 它能使得空载 变压器 电容器和空载线路等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 1 2 1 国外研究现状 硕士学位论文 第一章绪论 同步开关技术的提出已近三十年 限于当时的技术水平 这种方法主要停 留在理论研究水平上 上世纪9 0 年代末 瑞典的a b b 公司提出了基于永磁操 动机构和电子控制的中压同步断路器的解决方案 5 l 这种断路器具有独立操动 的三极 能进行复杂的同步操作并能适应各种负载和电网结构 永磁操动机构 的操作是由具有连锁 信号检测 脱扣和自诊断功能的电子装置来控制的 线 圈电流的通断操作 连锁和自诊断由一个专门设计的控制单元完成 控制系统 通过对机构运动部分的闭环控制 使其在不同的环境温度 控制电压以及所有 其它参数下保持所规定的允差 并且能自动补偿触头磨损以便保证正确的合闸 和分间时刻 该方案的主要特征是在高可靠的预先确定的时间完成操作 a b b 所描述的同步动作时间允差具有以下最大值 合闸操作为 l m s 分闸操作为 a 2 m s 随着断路器及其操动机构制造水平的不断提高和微电子自动控制技术的 进步 同步开关技术逐渐得到广泛应用 在空载线路应用方面 1 9 9 5 年加拿大 电力部门在魁北克州装有并联补偿电抗器的5 0 0 k v 等级输电线路上 应用同步 开关技术减少快速重合闸时产生的操作过电压 6 7 在我国的大朝山5 0 0 k v 输电 线路 使用a b b 公司的同步开关c a t 将合闸和快速重合闸过电压抑制到1 3 p u 以下i s 在电抗器应用方面 加拿大的魁北克水电公司在7 3 5 k v 系统 实现对 并联电抗器的同步操作减少合闸涌流和消除重燃过电压 9 日本电力部门成功 地将同步操作应用于2 7 5 k v 和5 0 0 k v 系统的电抗器开断 防止分闸重燃 实现 过电压抑制和降低电抗器绝缘水平要求 1 0 1 1 在空载变压器应用方面 2 0 0 2 年 匈牙利将同步开关技术应用于1 3 2 k v 1 5 k v 1 5 5 m v a 的空载变压器的同步关合 和切除 减少合闸涌流和过电压 1 2 1 法国图卢兹变电站对3 2 0 k v 1 3 8 k v 3 1 5 m v a 的空载变压器实现同步关合 减少合闸涌流 1 3 在电容器组应用方面 位于加拿大蒙特尔的n o t r e d a m e 电站将同步开关应用于1 2 0 k v 9 6 m v a r 的背 靠背电容器组同步投切 用以减少合闸涌流和过电压 提高电能质量 1 4 而日 本三菱公司对1 2 1 k v 电压等级的并联电容器组实现同步关合和同步切除 用以 减少合闸涌流和消除分闸重燃过电压 从而提高系统可靠性和电能质量 1 5 1 6 在电力电子领域中流行的一种软开关技术 使半导体开关器件在零电压下 关合 在零电流下分断 与真空断路器的同步分断和选相合闸的工况完全一致 1 7 j 电子控制正是实现断路器的软开关技术的关键 目前比较迫切的应用是在 并联电容器组投切中使用同步关合技术 能从根本上解决过电压问题 进一步 的工作将使用同步控制技术直接实现选相合闸 现代传感器技术使交流零点信 号的拾取变得可靠和方便 使得断路器可根据合分闸时的电网信息和开关负荷 4 硕十学位论文第一章绪论 类型 控制开关触头在最佳相位关合或分离 以减少开关合闸操作的涌流和过 电消除分闸重燃过电压 提高开关的开断能力和系统可靠性 1 2 2 国内研究现状 自2 0 世纪9 0 年代末永磁机构出现以来 国内很多单位在永磁机构方面做 了大量的工作 许多厂家已完成了永磁机构及其断路器的开发与试验 并且通 过了样机鉴定 近几年 国内的一些研究机构和电器公司正在致力于电器智能 化的研究 18 其中 在永磁机构的开发和控制技术的研究方面取得了一定的成 果 永磁机构同步控制技术理论的深入研究将涉及分合闸时间自适应控制原理 研究 控制系统工作状态的信号处理与自动识别 同步投切控制策略等内容 国内一些知名的大学和研究机构对上述相关内容进行了卓有成效的研究 极大 地推动了同步控制技术理论的发展和智能断路器在国内的应用 文献 4 对于智 能同步控制中的几个关键问题 比如电参数的计算 信号零点的提取及合闸时 间的计算进行了深入的研究 提出了基于人工神经网络的合闸时间自适应控制 的算法 文献 1 9 讨论了利用s i m u l i n k 对电力电子电路进行建模仿真的方法 通 过对仿真结果分析可以将控制系统进行改进或将有关参数进行修改使系统达到 要求的结果和性能 为同步关合技术奠定了理论基础 文献 2 0 设计了i g b t 开 关模块 通过控制合分闸线圈的接入时间和电流方向 改善了断路器的分闸运 动特性 文献 2 1 介绍了微机控制的分合闸选相装置 它通过检测两次电压过零 的时间间隔来估算电网电压的实际频率 增加了估算移相时间的准确性 文献 2 2 采用d s p f p g a 技术实现了对永磁机构断路器的同步关合控制 实现了系统的 智能化 控制单元采用嵌入式实时多仟务操作系统p c o s i i 作为系统软件平台 以d s p 作为主控制单元 满足系统对实时性要求 采用f p g a 作断路器的执行部 件 与传统的真空开关相比无论在可靠性 快速性 稳定性以及机械寿命等方 面都有着巨大的优越性 文献 2 3 以d s p 为核心设计了一种基于智能功率模块 i p m 的永磁机构同步控制系统 采用f i r 滤波算法提取信号的相位信息 采 用大容量电容器对断路器线圈放电的方式来驱动断路器动作 通过i g b t 的可控 关断控制电容器导通 设计简单且可靠性高 特瑞德公司开发了具有实时监控功能的永磁机构控制模块 实现了状态检 修 而非定期检修 大大降低了设备的维护费用 该控制模块内包含了所有用 于控制和自监视的元件 基于微处理器技术 大大减小了操作功 特别是当电 容器充电时 限制了充电电流 和传统开关相比 它不受电机启动电流和跳闸 硕士学位论文第一章绪论 电流对电源的影响 1 3 课题来源及研究意义 本课题来源于国家技术创新计划项目 编号0 2 c j 0 6 0 1 1 1 子项一真空开 关永磁机构微机驱动智能控制器的研究 永磁操动机构是开关行业的革命性产物 因而受到电力运行部门生产设备 制造厂家的密切关注 同时 为了适应开关智能化的需要 为永磁机构开发配 套的智能控制器也势在必行 其开发研制己成为开关制造业的研究热点 本文研究的真空断路器永磁机构同步控制技术旨在提高操动机构寿命和可 靠性 实现免维护断路器的基础上 显著地缩短电力系统在分合闸瞬间的暂态 过程 限制合闸涌流和过电压 大大提高断路器的分段能力 这对于实现配电 终端的智能化 保证供电的可靠性 稳定性 改善供电质量 切实提高企业的 经济效益和社会效益具有重要意义 1 4 本文研究内容和章节安排 本文的主要研究工作是进行高压真空断路器永磁机构同步控制器的研究 论文的章节安排如下 第一章简要介绍真空断路器操动机构的发展 永磁操动机构的特点及其同 步控制技术的发展现状 阐述课题的来源及其研究的内容和意义 第二章介绍永磁操动机构的基本原理 并对双稳态永磁机构的操作原理进 行了分析 同时 建立了永磁操动机构的静态磁场耦合模型和动态分析数学模 型 并对永磁机构的运动规律和真空断路器的动态特性进行研究 为同步控制 技术提供理论上的指导和依据 第三章介绍断路器的同步关合操作 分析了同步关合技术的动作过程 同 时对电容器 空载变压器 空载线路等同步关合技术进行了仿真与分析 并深 入研究了永磁机构的同步关合影响因素等 第四章介绍基于f f t 算法的选相分合闸技术 模糊控制算法等 设计了 永磁机构同步关合的二维模糊控制器 并进行了仿真与结果分析 第五章研究同步控制器的硬件设计与实现 详细阐述真空开关断路器控制 系统的硬件设计整体框架结构 论述真空断路器同步控制系统的模块设计方案 并详细说明各模块的作用及功能实现 然后讨论同步控制系统的整体软件设计 第六章详细介绍同步控制器的型式实验内容 分析实验结果 并进行课题 设计结论总结 6 硕上学位论文第二章双稳态永磁操动机构的原理及建模 第二章双稳态永磁操动机构的原理及建模 永磁操动机构就其实质而言 是利用永磁体实现分合闸保持 有时只用永磁 体作合闸保持而不作分闸保持 的一种新型的电磁操动机构 永磁机构按其外 形 动作特点等可以划分为几种类型 不同形式永磁机构的工作原理大体相似 2 4 j 本章以双稳态永磁操动机构为例介绍其工作原理 对永磁机构从一个稳态 到另一个稳态的过渡过程即动态过程进行数学建模 并对其动态特性进行详细 的分析 2 1 永磁机构的基本原理 以双稳态永磁操动机构为例 其结构原理简图如图2 1 所示口卯 6 图2 1 双稳态永磁机构原理简图 1 驱动杆2 动铁心3 静铁心 4 永磁体5 分闸线圈6 合闸线圈 从图2 1 可以看到 永磁机构共由以下几个部分组成 l 为驱动杆 为操 动机构与断路器传动机构之间的连接纽带 2 为动铁心 是整个机构中最主要 的运动部件 3 为静铁心 为机构提供磁路通道 4 为永久磁体 为机构提供保 持时所需要的动力 5 6 为分闸线圈和合闸线圈 当断路器处于合闸或分闸位置时 线圈中无电流通过 永久磁铁利用动 静铁心提供低磁阻抗通道将动铁心保持在上 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动势 动 静铁心中 的磁场由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场叠加合成 动铁心连同固定在上 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 7 硕上学位论文 第一二章双稳态水磁操动机构的原理及建模 本体完成分合任务 由于动铁心在行程终止的两个位置 不需要消耗任何能量 即可保持 所以此机构被称为两位式双稳态原理结构 由上述可知 永磁机构 是通过将电磁铁与永久磁铁特殊结合 来实现传统断路器操动机构的全部功能 2 2 双稳态永磁机构的操作原理 双稳态永磁机构的原理如图2 2 所示 i 5 7 0 i1 2 譬 j 7 孽 n 订 分闸状态 3 4 6 合闸过程 合闸状态 分闸过程 i i i h i i 图2 2 双稳态永硝 机构操作过程原理图 1 静铁心2 动铁心3 分闸线圈4 5 永磁体6 名 闸线圈 7 下磁极8 上磁极9 驱动杆 i 永磁体磁场 合闸励磁磁场 分闸励磁磁场 动铁心理论上有三个平衡状态 即稳态 静铁心最上方 静铁心最下方 静铁心的中部 动铁心位于最上方时 动铁心的上端与静铁心的上磁极接触 见图2 2 中的分闸状态图 永磁体通过上部磁路的磁阻很小而通过下部磁路的 磁阻因空气隙很大而很大 永磁体的磁通绝大部分通过上部磁路 将动铁心牢 固地吸在静铁心的上磁极8 上 动铁心位于最下方时 动铁心的下端与静铁心 的下磁极7 接触 见图2 2 中的合闸状态图 在合闸状态时 永磁体通过下部 8 硕士学位论文第二章双稳态永磁操动机构的原理及建模 磁路的磁阻很小 磁通集中在下部磁路 动铁心被吸在下磁极7 上 动铁心位 于静铁心的中部 要求永磁体通过上部和下部空气隙的磁阻完全相等 静铁心 的上端和下端受静铁心的吸力完全相等 动铁心处于平衡状态 但这种平衡状 态是不稳定的 只要上下气隙有微小变化 就会破坏这种平衡 过渡到静铁心 的最上方或最下方 所以动铁心实际上只存在两种平衡状态 即分闸状态和合 闸状态 当双稳态永磁机构处于合闸位置时 永磁体产生的磁力线的分布如图2 2 合闸状态图中i 所示 要使其分闸 只要在分闸线圈中通以直流电流 该电流 产生的磁力线方向与永磁体在静铁心下端的磁力线方向相反 见图2 2 分闸过程 图中的回线 i 分闸线圈中的电流所产生的磁场使动铁心所受的吸力减小 当 此电流增大到一定值时 动铁心所受的吸力之和小于动铁心上的机械负载 这 时动铁心就将向上运动 一旦动铁心向上运动 动铁心下端与静铁心下磁极之 间就出现了空气间隙 下端的磁阻增大 上端的磁阻减小 静铁心下磁极对动 铁心的吸力减小 上磁极对动铁心的吸力增大 从而使动铁心加速向上运动 直到动铁心上端与静铁心的上磁极接触 完成分闸动作 这时 动铁心重新被 永磁体吸合 处于稳定状态 即使切断分闸线圈的电流 动铁心也不会恢复到 合闸状态了 合闸过程和分闸过程正好相反 在合闸线圈中通电 见图2 2 合闸过程图 线圈电流在上部间隙中产生反磁场 动铁心上受到的总吸力减小 当吸力小于 动铁心的机械负荷时动铁心向下运动 最后达到合闸位置 动铁心重新为永磁 体吸合 切断合闸线圈电流后 动铁心仍然保持在合闸位置 合闸过程结束 永磁体的退磁现象是指永磁体在受到强烈的反向磁场作用时 其磁性能会 降低 双稳态永磁机构无论是在合闸还是在分闸过程中 线圈电流产生的外磁 场在永磁体上总是与永磁体自身磁场的方向相同 因此双稳态永磁机构磁系统 没有退磁的危险 双稳态永磁机构的分 合闸过程 均由分合闸线圈与永磁体的耦合磁场驱 动 比较容易通过改变激磁回路参数 如匝数 电流 电压等 的办法 来控制 机构的动态特性 2 3 永磁机构真空断路器动态过程分析 前面分析了永磁机构的操动原理 在此基础上 对与双稳态永磁机构相配 合的真空断路器进行计算和相关的研究 以获得反映断路器动态特性的参数变 化规律 对于配永磁机构的断路器 机构的出力特性并不是位移的简单函数 9 硕士学位论文第二章双稳态永磁操动机构的原理及建模 在求解断路器动特性时除了要考虑传动机构的形式外 还必须考虑永磁机构中 磁场的变化及对出力特性的影响 也就是说 需在求解耦合场的基础上进行动 力学分析才能获得触头的运动特性 对图2 3 给出的配永磁机构真空断路器示意图 点划线的左侧为灭弧系统 采用v s l 型1 2 k v 真空断路器 额定工作电流1 2 5 0 a 额定短路开断电流3 1 5 k a 右侧为永磁机构 操动机构的右侧为实验用控制电路原理简图 图中c 为充放 电电容 为机构提供激磁能量 啊 呢 嘿为三个晶闸管开关 控制电路 的导通和电流的流向 m v d 2 为续流二极管 为线圈电感提供续流通路 u 为直流电压 灭弧室侧机构侧 u 图2 3 配双稳态永磁机构真空断路器动特性计算示意图 l 一静铁心2 一动铁心3 一分闸缓冲器4 一永磁体5 一分闸线圈 6 一合闸线圈7 一出力杆8 一拐臂9 一固定铰链1 0 一绝缘筒 带灭弧室 1 1 一静触头1 2 一动触头1 3 一触头弹簧 图示断路器处于分闸位置 此时晶闸管啊处于导通状态 嘎 喝均处 于截止状态 直流电压u 经过隅向电容充电 当给晶闸管喝的基极施加触发 信号使之导通时 放电回路导通 电容c 经嘎向合闸线圈6 放电 机构动铁 心2 经由出力杆7 拐臂8 和触头弹簧1 3 带动灭弧室动触头1 2 运动完成合闸 动作 此时去掉嘎的触发信号使之截止 续流二极管v d 为线圈中电感储存的 1 0 硕士学位论文 第二章双稳态永磁操动机构的原理及建模 能量提供续流通路 同理 当嘎导通时 电容c 对分闸线圈5 放电 使断路 器完成分闸动作 l 动态特性分析 针对课题中配永磁机构的真空断路器各方面的分析与计算 获得了进行动 态特性分析所必须的一些相关数据 并将这些数据和励磁回路各元件的参数代 入求解动态特性的程序中 求得系统在励磁回路闭合后系统的动态变化过程 其结果如图2 4 至图2 7 所示 图2 4 电容励磁下线圈电流随时间变化曲线 图2 4 为分闸和合闸过程中线圈电流的变化曲线 比较分闸和合闸过程的 电流曲线可以看出 由于选取了不同的线圈参数 使得线圈电阻及电感值存在 差别 导致分闸过程的电流峰值比合闸过程大 且分闸过程的动作时间明显小 于合闸过程 s 皿s i il t v 铸同 弋 眦 m s l o 3 04 05 0 图2 5 电容励磁下动铁心位移随时问变化曲线 图2 5 为机构动铁心位移随时间的变化曲线 图2 6 为动铁心运动速度随 时间的变化曲线 硕上学位论文第二章双稳态永磁操动机构的原理及建模 图2 6 电容励磁下动铁心运动速度随时间变化曲线 图2 7 为机构线圈电感值在动作过程中的变化曲线 从图中可以看出 由 于合闸线圈匝数较多 线圈的静态电感值大于分闸线圈 所以合闸过程线圈电 流的上升过程明显慢于分闸过程 此外 合闸线圈的动态电感也明显大于分闸 线圈 i 苜唧 闸 i t l o2 03 04 05 0 垂s 图2 7 电容励磁下线圈电感随时间变化曲线 2 吸力特性分析 永磁操动系统有两个磁路 操作时 储能电容器向合闸线圈或分闸线圈放 电 使其受电励磁 从而产生电磁吸力驱动动铁心运动 线圈受控接通后 储能电容器c 和线圈自感l 及线圈电阻r 一起构成一个 r l c 放电回路 图2 8 所示为线圈放电回路的等效电路 2 4 1 1 3 8 如不考虑晶闸管 的正向导通压降 电路方程满足 1 2 硕士学位论文第 二章双稳态永磁操动机构的原理及建模 睁肌虬 f d i w i d 矿l 1 肌 协 l j c 盟 f 0 i 0 一 0 在吸力还未达到足以使动铁心移动之前 式 2 1 中的d l d t o 根据初 砸 习u o 2 e 口 厢i t 一 o t 厢 2 2 式中 口 瓦r 击 c 图2 8 线圈放电回路的等效电路 在动铁心的上端 激磁线圈产生的磁通应与永久磁铁产生的磁通相抵消 这就要求线圈中的电流始终保持在一个固定方向 图2 9 的o a 段为这一阶段电 流的增长波形 a 点的电流为厶 这个触动电流在动铁心中产生了刚好能驱动 其运动的电磁力 假如动铁心继续保持不动 线圈中的电流将按式 2 2 的关系 变化 即从a 点继续上升 在t 时刻达到峰值 随后再衰减至零 如图2 9 的 曲线l 所示 而实际上 在 时刻后 动铁心就开始移动了 由此会产生一个运动反电 动势i d l d t 在 后 这个反电动势阻碍电流减小 实际的电流变化波形如图 2 9 的曲线2 所示 曲线的峰值和上升及衰减速率是由电路参数r l c 和电 容器的充电电压决定的 在动铁心运动过程中 l 是一个变化量 对一个 给定的电磁系统 需通过对磁路和电路进行复杂的数值计算方能精确求出 r 线圈电流按照先扬后抑的趋势为磁系统提供一个脉冲电量 磁路中产生磁通 硕上学位论文第二章双稳态永磁操动机构的原理及建模 动铁心受到电磁吸力作用而运动 其输出吸力特性除与磁路构造有关外 还与 线圈回路的参数及控制过程有关 o 图2 9 线圈电流的变化曲线 2 4 永磁机构的建模 2 4 1 永磁机构静态磁场模型 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 因此需 要对机构中电磁场变化进行研究 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b 的函数 2 7 即 b a 2 3 1 由麦克斯韦方程组可推得非线形磁场的偏微分方程为 v 2 a 一二 2 4 式中 为源电流密度 y 为磁阻率 彳为磁场磁矢位 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 2 4 可展开为 昙 y 警 刳咄 江5 边界条件为 一类边界上4 4 类边界 l z y 娑 一只 式中 脯一磁场强度的切向分量 广边界法向方向的单位向量 1 4 硕士学位论文第二章双稳态永磁操动机构的原理及建模 采用二维场域计算时 彳和 均只有一个方向的分量 2 永磁体模型的建立 由于机构中存在永磁体 磁场计算首先要建立永磁体的数学模型 经预先 磁化的永磁体 不但具有剩余磁化强度j j l 磊 而且还能被外磁场磁化 其特性满 足 b 风 t m m m 2 6 式中 日是永磁体工作点的磁场强度 b 是永磁体工作点的磁感应强度 风是真空的磁导率 m 是永磁体的感应磁化强度 是永磁体工作点磁场强度 的函数 即 m k z h 2 7 式中 z 为永磁体的磁化系数 它与相对回复磁导率所之间存在固定的关系 1 z 将式 2 7 代入式 2 6 得 b t o h t t o m 2 8 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 永磁体有两种电流模拟方法 一种是在永磁体区内充满电流的模拟 即体电流 模拟 另一种是仅在永磁体边界上存在电流的模拟 即面电流的模拟 用体电 流模拟永磁体可以考虑永磁体各向异性的磁特性 可全面考虑整个磁场对永磁 体状态的影响和永磁体本身的磁特性 这与实际情况比较接近 但是 这种方 法的求解过程比较复杂 而且收敛的稳定性较差 对于永磁机构采用面电流模 拟更加合适 这是由于永磁机构中永磁体被均匀磁化 永磁体内部点上的m 及 方向都相同 永磁体内的等效体电流密度为零 而在平行于m 的永磁体侧面上 存在一层等效面电流 这是由于在永磁体与其以外区域的交界面上 m 出现不 连续 等效面电流可用面电流密度 来表示 m r x n 2 9 4 胁 式中疗为永磁体侧面外法向单位向量 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 陆争 1 1 a 锄a j 以 协 1 5 硕士学位论文第二章双稳态永磁操动机构的原理及建模 3 永磁机构电磁吸力的数值计算 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 2 引 即 f 搬 一蠢 2 1 1 图2 1 0 为计算动铁心在磁场中受力f 的示意图 在动铁心周围存在一层 气隙单元e 在得出矢量磁位彳的离散值后 计算电磁吸力f 如下 先确定包围动铁心的积分表面s 在选择积分表面时 为提高计算准确度 积分途径应通过单元 这里以三角形元素为例 的中心 计算积分表面s 穿过 的元素e 中的磁感应强度如 对于任一三角形单元e 三个顶点d p q 处 的矢量磁位已求出 则三角形单元上任一点的磁位么g j f 4 如 三 角形元素的磁感应强度为 计算在元素e 中的表面应力p p 扣b 归一上2 u o 如 o 式中 疗为沿积分表面s 法线方向的单位向量 总的电磁吸力 f p f a s 占 式中 蝇为元素e 中沿积分表面途径的表面积 图2 1 0 动铁心受力计算示意图 2 1 2 2 1 3 2 1 4 方形永磁机构关于图 2 l o 所示y 轴对称 作用在动铁心y 轴左右两部分 的电磁力c 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e 数值很小 对机构动作不会产生不良影响 2 4 2 系统动态过程建模 1 6 硕士学位论文第二章双稳态永磁操动机构的原理及建模 永磁机构动态特性是由电磁和机械综合的过渡过程决定的 或者说是由电 磁吸力和负载反力配合过程决定的 2 1 研究永磁机构的动态过程主要有以下几 个目的 一是可以计算机构的动作时间 进而计算开关触头的动作时间及触头 的运动速度 二是确定动作过程中吸力与反力的合理配合 使得在保证动作可 靠性的同时又能改善机械碰撞 提高电气和机械寿命 对于断路器而言 为了 保证有效熄弧及不引起重燃 触头的动作速度应适当快些 这就要求在规定的 行程下 机构动铁心要有较高的运动速度 但是这将引起碰撞能量的增加 对 电气和机械寿命的提高不利 由此可见 加快动作与减轻碰撞两个技术要求是 有矛盾的 必须在研究动态过程中统筹考虑 同时由于永磁机构行程较大 动 静铁心之间的气隙较大 在线圈通电时漏磁在总磁通中占有很大比例 忽略漏 磁的影响将会造成较大的计算误差 所以更精确地计算与分析永磁机构动特性 对合理设计机构并进行机构与开关本体间特性配合具有重要的理论和现实意 义 1 永磁机构动态特性计算的数学模型 永磁机构两种不同的励磁方式如图2 1 1 所示 3 1 l 图2 1 la 为直流电压励磁 下的电路简图 2 1 1b 为用充电电容放电时的励磁