基于CPLD编解码措施的断路器触发可靠性设计

1、桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第H页真空断路器是电力系统中压开关领域的主流产品， 其操动机构的可靠性已经引起人 们的高度重视。永磁操动机构因体积小、零部件少、结构简单，使操动机构发生故障的 概率大大降低。它的出现为提高断路器的可靠性，进而实现操作控制提供了条件。本文着重研究了真空断路器的可靠性控制。 首先，分析了真空断路器对操动机构的 要求，从永磁操动机构的特性出发， 讨论了典型的永磁操动机构的结构和工作原理，为 实现控制奠定了理论基础。其次，在分析理论的基础上，提出了真空断路器硬件控制系 统的设计，并详细介绍了利用 EPM7064的编解码措施来提高永磁操动机构分合闸操作 的可靠性。

2、最后，文章根据永磁操动机构的工作特点与系统性能要求，综合硬件与软件 两个方面，进行了控制系统抗干扰的改进工作，寻求更加稳定、可靠的软硬件实现技术。本文从硬件系统和软件系统两个方面对永磁操动机构整个控制系统进行了介绍。硬件部分主要有电源模块、手动控制单元、通信模块、数据处理模块、分合闸线圈驱动模 块等五个单元模块；软件部分则将程序分成主模块、CPLD编解码模块、数据处理模块和 通信模块四个模块进行模块化的程序设计。 通过实验本文研制的智能控制器可以实现手 动控制、PC机远程控制等功能，并总结了在研究和实现控制装置可靠性过程中得到的 一些设计经验和设计方法，并对研制的控制软硬件存在的不足进行了分析

3、，本文设计对真空断路器控制具有一定的实用价值。可靠性关键词：断路器；永磁操动机构；分合闸控制；编解码;AbstractAs a popu lar component of middle-voltagecircuit-breakers, the reliability of its actuator is very imp orta nt. As a new kind of actuator of circuit breaker, p erma nent magn etic actuator (PMA) has many adva ntages, such as, less p arts, hi

4、gher reliability, no maintenance and so on. It provides hardware basementfor enhancing stability of breakersand also can be used to realize in tellectual con trol.Focuses is p laced on the reliability of the vacuum circuit breaker con trol in this paper. First of all the requireme nts for the the ac

5、tuator of vacuum circuit breaker were an alysised. Typ ical p erma nent magn etic actuator of the structure and principle are discussesed, accord ing to the characteristics of p erma nent mag net actuator,which p rovided a theoretical foun dati on for con trol. The n based on the theory an alysis on

6、 the vacuum circuit breaker, the hardware control system design, coding and decoding using EPM7064 measures are adopted to improve the permanent magnetic actuator operation reliability.At last, considering the work characteristics and system performanee requirements for permanent magnetic actuator,

7、in tegrated hardware and software asp ects,a nd the con trol system in an ti-i nterfere nee were improved, thus one way to seek more stable and reliable hardware and software impi eme ntati on tech niq ues can be achieved.Both hardware and software systems in terms of permanent magnetic actuator of

8、the control system was introduced detailedly in this reserach. The hardware contains power supply modules, manual con trol un it, com muni cati on module, data p rocess ing module and sub-clos ing coil driver module. And the sofeware contains main module, code and decode module of CP LD, data p roce

9、ss ing module and com muni cati on module,The functions of manual con trol, PC con trol are p rese nted also. Some desig n exp erie nee and desig n methods in the research and realizati on of the reliability of the p rocess con trol device are summarized, and the control hardware deficiencies were a

10、nalyzed.The design of this work has some practical value in vacuum circuit-breakers control.Key words :circuit breaker;permanent magnetic actuator;intellectual control;code and decode; reliability桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第III页232424弓I言1 绪论1.1中压断路器的现状1.1.1传统中压断路器的操动机构 1.1.2真空断路器对操动机构的要求 1.1.3永磁操动机构的发展及其优势

11、 国内外对永磁操动机构的研究现状 本课题的研究内容与意义 本文的主要工作永磁操动机构的原理与分类 .永磁操动机构的分类 1.21.31.422.12.1.1双稳态永磁操动机构 2.1.2单稳态永磁操动机构 2.1.3单稳态与双稳态永磁操动机构的比较 3永磁操动机构智能控制装置硬件设计3.1系统设计总体方案3.2电源设计3.2.1单片机系统供电电源设计 3.2.2电容器的充电电路3.3分合闸驱动模块3.3.1驱动电路原理3.3.2光电隔离3.3.3控制电路与主电路的总体原理图 3.4手动控制单元3.5通讯单元3.6CPLD编解码单元3.6.1Altera器件简介与选型.3.6.3CPLD/FPG

12、A的内部结构3.6.4CPLD核心部分3.7数据接收单元4控制系统软件设计4.1主程序模块设计4.2通讯程序模块设计.56.9910101112121415151617181821.22桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第IV页 共页252526272828292931313131.错误!未定义书签。 错误!未定义书签。333435404.3编解码程序设计4.3.1VHDL的描述风格4.3.2数据流描述4.3.3用max pl usU进行CP LD开发的简单流程 4.4本章小结5控制系统抗干扰设计及系统调试5.1控制系统硬件抗干扰设计5.2控制系统软件抗干扰设计5.3控制系统调试5.3.

13、1准备条件5.3.2CPLD的编解码输出测试5.3.3永磁操动机构控制系统性能测试5.4本章小结6 结论谢辞参考文献： 附录1 附录2V桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第25页共43页引言断路器是电力系统中十分重要的电气设备，它起着开断和关合正常与故障线路的作 用，其操作性能对电网的安全、稳定及经济运行至关重要。通常，电压配电系统主要有 四类断路器，空气断路器、油断断路器、SF6断路器和真空断路器。空气断路器和油断断路器近年来已经被SF6断路器所取代，而真空断路器主要应用于中压短路装置中。 在 6-35KV的中压配电系统中，真空断路器因其高可靠性、免维护和安全性等特点，多年 来在中压开

14、关领域得到了极其广泛的应用。 传统操动机构零部件数量多，传动关系复杂， 可靠性不高，经常发生故障，不仅导致电路不能正常供电，甚至会危及电路及用电设备的安全。而现在主要是永磁操动机构（PMA,由于它显著的优点，永磁机构受到人们的 广泛关注，它有较少零部件、高可靠性、免维修和更可控的电参数的优势。具有很广阔 的发展前景。本文主要讨论研究带永磁机构真空断路器的可靠性控制。1绪论IEEE开关设备委员会断路器可靠性工作小组在全球范围内对高压断路器可靠性的 研究中指出，在高压断路器的各种故障中机械故障方面的原因占了70%，辅助电路和控制电路的故障占了 19%。为进一步提高断路器的可靠性，满足当今社会对高质

15、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，研制新型断路器操动机构。永磁操动机构是近几年正在发展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动机构。它利用永久磁铁产生的磁力将真空断 路器保持在分/合闸位置，而无需任何传统的机械脱扣/锁扣装置。按机构在分闸操作的 不同将永磁机构分为电磁操动（也即俗称的双稳态）和弹簧操动（也即俗称的单稳态） 两种形式，从线圈数目上又可分为双线圈式与单线圈式。永磁操动机构二次控制回路采用电子控制模块，动作迅速并可实现精确的时间控 制，输入输出用光电隔离，功耗低，极大提高了断路器的可靠性。储能元件一般选用电 容器

16、或是蓄电池，瞬时释放高能量的脉冲电能，以此提供分合闸所需要能量。配永磁操动机构的真空断路器具有体积小、 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中压断路器的现状断路器属于保护类电器，归根结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好坏直接影响断路器的工作性能和可靠性。在中压领域，目前使用的断路器主要有三种类型：少油断路器、SF6断路器、真空断路器。少油断路器采用变压器

17、油作为灭弧介质，10KV级的行程为150mm左右，由于开端时油会被碳化，且燃弧时间稍长、动静触头烧损严重，所以不能频繁开端，而且 需要经常检修；SF6断路器采用具有特殊灭弧性能的 SF6气体作为灭弧介质，加上灭弧 方式的独特设计，具有电寿命长、开断性能好的优点；真空断路器是利用真空作为灭弧 介质和绝缘保护的一种断路器，绝缘强度高，灭弧性能强，10KV的开距可控制在10mm 左右，消耗功率小，开断可靠性高。1.1.1传统中压断路器的操动机构最早的油断路器的操动机构绝大多数是利用直流电磁能量进行操作，通过直流线圈或电动机将电能转换为机械能。五十年代压缩空气断路器在电压等级和开断容量方面居 领先地位

18、，到了六十年代少油断路器有了很大发展，采用了较为成熟的液压技术。和其他操动机构相比，液压机构具有操作出力大，操动特性好的优点。目前用于中压断路器的操动机构主要有弹簧式和电磁式两种。弹簧操动机构的关键部件为合闸弹簧和分闸弹簧。它将电动机的机械功在短时间内储存于合闸弹簧中，然后将合闸弹簧能量释放进行合闸。在合闸过程中，合闸弹簧储能， 用作分闸动力。这种操动机构工作特性受外界影响的因素较少， 维修的要点也容易明确， 在中压断路器中已经普遍采用。但是其传动机构复杂，故障率较高，运动部件多，制造 工艺要求也较高。电磁操动机构在真空断路器发展的初期得到了广泛的应用，这是由于电磁操动机构 较好的迎合了真空灭

19、弧室的要求：一是行程短（8-12mm）,二是合闸位置需要很大的保 持力（2000-4000N/相）。但是电磁机构本身的缺点限制了合闸速度的提高而且合闸时间 较长，电压波动对合闸速度影响较大。因此一般用于对分合闸速度要求较低的 10KV等 级及分合闸速度要求不太高的35KV等级的真空断路器中。1.1.2真空断路器对操动机构的要求在断路器发展的不同阶段，占主导地位的操动机构形式有所不同。 作为中压断路器 的主流产品，真空断路器相较其他断路器例如空气断路器、油断路器和和SF6断路器的 动作特性有很大差异。真空断路器的行程很小，而由于对接式触头合闸保持力大，机构 必须保证在开关合闸到位时有足够大的力来

20、克服触头压力，且不允许发生断路器合不上 或出现严重的触头弹跳。因此真空断路器对其操动机构有着很高的要求，主要包括：操作的可靠性。真空断路器由于采用真空灭弧，灭弧时间短，电弧电压低，电弧 能量小，触头磨损少，因而分断次数多，使用寿命长，且适用于频繁操作，其机械寿命 从传统的两千次跃增为几万次。因此，与其配合的操动机构的机械寿命及可靠性就成了 较为突出的问题。无论是电磁操动机构还是弹簧操动机构都有各自的局限性，使得操动 1桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第25页共43页机构的可靠性得不到很大提高。为了满足电力系统对高可靠性供电的要求，在致力提高 传统操动机构性能、质量和可靠性的同时，有必要

21、突破传统意义上的机构动作原理， 研 制和发展新的断路器操动机构，并进一步发展实现断路器的智能化控制。与真空断路器的反力特性的配合。真空断路器的反力特性与少油断路器和SF6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太大， 因为合闸速度太高容易引起触头合闸 弹跳。合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。1.1.3永磁操动机构的发展及其优势永磁操动机构是近年来发展起来的一种新型操动机构，它将电磁机构和永久磁铁特 殊地结

22、合在一起，利用永久磁铁产生的磁力将真空断路器保持在分/合闸位置，而无需任何传统的机械脱扣和锁扣装置，主要用于中压真空断路器。是一种永磁保持、电子控 制的高可靠性的操动机构。该机构的输力特性可以设计到很接近真空断路器的负载特 性，因此可以直接和灭弧室相连，使零部件减到最少，较弹簧机构减少了80%以上，提高了产品的机构刚性，有助于减少触头弹跳、提高刚分速度。简单的结构和零部件的大 幅减少使开关机械系统可靠性大大提高，从而实现免维护运行。在中压断路器领域，国外永磁操动机构技术的研究开始于八十年代末。欧洲以英国和德国为代表。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，使得断 路器的控制不仅

23、实现简单的合闸与分闸功能，还具备了电网的检测、保护、控制和通讯等功能。对于断路器的这种智能化趋势，国际上提出了 “智能断路器”(Intelligent Circuit Breaker)的概念。永磁操动机构和液压式、电磁式、弹簧式等传统的断路器相比具有以下优点：永磁操动机构结构简单，运动部件只有一个动铁心，零部件也很少。和传统的弹 簧机构相比，永磁操动机构的零部件减少了大约百分之四十，这就使它的可靠性大大提 高。同时由于它没有容易出现机械故障的锁扣装置，所以其机械可靠性非常高，发生机械故障的概率几乎为零。永磁操动机构采用永磁来产生保持力， 由于永磁材料的良好工作性能，不会产生 传统操动机构的漏油

24、、失效等故障，易实现免维护运行。永磁操动机构输出特性和真空断路器的开关机械负载特性吻合， 从而能够达到良 好的速度特性。永磁操动机构传动机构非常简单，由分合闸线圈的励磁电流产生的磁场直接驱动 动铁心，动铁心又直接和断路器的主轴相连。 由于运动部件少和中间传动部件少，使其 具有更好的可控性，为断路器实现智能控制打下基础。1.2国内外对永磁操动机构的研究现状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。1989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。1995年英国的 WhiPP&

25、Bourne公司进一步改进了结构。1997年ABB Calor Emag开关设备公司在德刊 上介绍了它们最新研制的VM1型配永磁操动机构的真空断路器，接着于1998年在汉诺 威博览会上展出了样品，引起了各制造公司的极大重视。ABB公司的VM1所配的永磁 机构是一种双稳态双线圈结构。采用电容器作为充放电元件，可以实现重合闸操作。VM1型配永磁机构的真空断路器其机械寿命达到 10万次，我国研制生产的 VSm型配 永磁机构的真空断路器机械寿命为 6万次，其永磁机构的机械寿命为10万次.而采用传 统的操动机构很难达到这一指标。VM1型真空断路器的外形及操动机构系统简图如下所示：1图1-1 VM1型真空

26、断路器机构外形图1-2断路器永磁操动机构与触头剖面图由英国IPEC公司开发制造的用于中压开关装置的电磁驱动器 （MAGACT）也于几年 前推向市场，其工作原理大致相同。该产品为系列化产品，保持力的范围为1000N10000N。与ABB公司产品不同之处在于，该公司将永久磁铁由静铁心移到动铁心上， 且操作时所需的电能大为降低。继 ABB公司之后，国外其他一些开关制造企业也纷纷 向市场推出了类似的产品。例如法国 Alsthon T&D EIB S.A.公司推出的中压断路器用的 非对称磁力操动机构，以及ABB公司又开发出的基于永磁机构的同步中压断路器。还 有日立公司研制的 7.2KV低维修率的永磁操动

27、机构真空断路器，采用输出功低于 DC100V，7A的小电源控制。由于永磁操动技术的显著特点，以及在国外已经形成的开发热点，国内一些断路器 生产厂家和科研院所也把目光投向永磁机构的研制上。永磁操动机构以零部件数量少、 可靠性等优点吸引了越来越多目光的关注。国内很快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（机械寿 命高达10万次）、免维护等特点。并成功地解决了真空断路器的环境耐受问题。目前国 内永磁操动机构的研制主要集中在 12KV 40.5KV的真空断路器上，并已有多种型号 的开关通过了型式试验。较高电压等级 72.5KV的产品正处于研究

28、和设计中。针对目前 的现状，努力发展国产真空断路器，并尽快拿出与国外先进产品媲美的真空断路器来提 高竞争力具有重要意义。我国稀土资源蕴藏丰富，同时稀土永磁材料特性水平达到世界的先进水平，热稳定 性和耐腐蚀性得到改善，价格也正逐步降低，电力电子器件的进一步发展，永磁机构必 将获得越来越广泛的应用。1.3本课题的研究内容与意义随着配电自动化功能的不断完善以及遵循功能下放的原则，配电自动化开关设备 仅仅实现简单的合闸和分闸功能是不够的， 而要从配电网系统功能优化的角度综合实现 在线监测与保护等新功能。目前智能断路器实现的主要功能为：围绕断路器外围的有关 保护、控制、测量、开关量监测、通信等功能，实现

29、智能控制装置根据电网或控制室的 信息判断决定是否动作和动作的时刻，使电力设备对自身和系统的冲击达到最小。 此外, 永磁机构技术是电工学、力学、计算方法、电力电子技术、微机技术、控制理论及新兴 材料科学在断路器上的综合应用。 这一领域的理论还远未成熟，因此有必要结合永磁机 构智能控制技术的研究，深入分析其电磁机理和控制理论， 并在理论与实验研究想结合 的基础上为这一领域形成较完善的理论奠定基础，并为下一步实现同步操作、抑制合闸 过电压和提高断路器的开断能力奠定基础。1.4本文的主要工作在实验室前期研究的基础上，本文主要进行了中压真空断路器永磁操动机构控制技 术的研究，对于永磁操动机构的本体与磁路

30、设计不做研究。期望通过把永磁机构技术原 理与控制技术相结合，实现对真空断路器的智能控制，为深入研究断路器控制的前沿课 题一同步操作技术做准备。按照永磁机构在分闸操作时的不同， 永磁机构可以分为电磁 操动（即俗称的双稳态）和弹簧操动（即俗称的单稳态）两种形式。本文在原有永磁操 动机构的基础上研究配永磁机构的真空断路器的智能控制技术。论文整体分为六章，其结构安排如下：第一章绪论指出了课题的来源、研究背景和研究的意义，介绍了国内外高压真空断 路器智能控制技术的研究现状，阐述了本课题的主要研究内容与论文结构安排。第二章永磁操动机构的原理与分类， 详细介绍了双稳态永磁机构的工作原理， 分析 了双稳态永磁

31、机构的结构特性，比较了单双稳态永磁机构的优缺点，并简要阐述了控制 系统的设计原则与总体设计思想。第三章单线圈永磁操动机构控制装置硬件设计，详细阐述了真空开关断路器控制系 统的硬件设计整体框架结构，给出了真空断路器控制系统的分模块设计方案， 详细说明 了控制系统各硬件模块的作用及功能实现。第四章控制系统软件设计，控制系统软件部分将程序分成主程序模块、CPLD编解码模块、状态处理模块和通信模块，并对每一模块完成的功能和程序流程进行了合理的 设计。第五章提出了控制系统的抗干扰性设计， 分析了干扰的来源，从硬件和软件方面改 进了相关的抑制措施。并进行相关的试验准备，验证了控制系统的可靠性。第六章得出结

32、论，总结了本文所做的工作，并得出一些有用的经验、技巧。2永磁操动机构的原理与分类永磁操动机构是将电磁机构和永久磁铁特殊地结合在一起，利用永久磁铁产生的磁 力将真空断路器保持在分/合闸位置。传动机构简单，动铁心直接和断路器的主轴相连， 由分合闸线圈的励磁电流产生的磁场直接驱动动铁心。由于工作原理的改变，整个机构的零部件总数大幅减少，使机构的整体可靠性得到大幅提高。2.1永磁操动机构的分类永磁机构按照外形可分为圆柱形和方形两种，按照机构在终端位置的保持方式大体 可以分为单稳态和双稳态两大类。 所谓双稳态是指动铁心在行程终止的两个位置， 不需 要除永磁体以外的任何外界能量或锁扣即可保持， 而单稳态永

33、磁机构中永久磁铁只用于 保持合闸位置，分闸过程中利用弹簧的储能。目前永磁机构形式主要有双线圈式永磁机 构、单线圈式永磁机构和分磁路式永磁机构等几种，以前两种最为常用。2.1.1双稳态永磁操动机构双稳态永磁操动机构，它的特点为：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，使用激磁线圈将机构的铁心从分闸位置推动到合闸位置，同样使用激磁线圈将机构的铁心从合闸位置推动到分闸位置。ABB Calor Emag开关设备公司研制的VM1型真空断路器其所配的永磁操动机构即是一种双稳态双线圈结构，采用电容器 作为放电元件并可以实现重合闸操作。双稳态永磁操动机构的典型结构如图 2-1所示：动铁心理论

34、上有三个平衡状态（即稳态）：一是动铁心位于机构的最上方，与上磁 极接触，见图中左上的分闸状态图。 另一个是动铁心的下端接触机构的下磁极，位于最 底部。见图中左下方的合闸状态图。 在分闸状态，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加大。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。在合闸状态时，与分闸状态相反，永磁体通过下部 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。第三种平衡状态是 对于上下结构对称的机构，动铁心位于机构的中部，永磁体通过上部和下部空气隙的磁阻完全相等，动铁心上下受到的吸力完全相等， 动铁心处于平衡状态

35、。但是这不是一种 稳定状态，只要上下气隙有微小变化， 就会破坏这种平衡，过度到第一种或是第二种平 衡。分闸状态39 -11I * %、* =7t；L合闸过程ZJt合闸状态1111分闸过程图2-1双稳态永磁机构操作过程原理图1-永磁体磁场2-动铁心3-分闸线圈4、5-永磁体6-合闸线圈7-下磁极8-上磁极9-驱动杆I-永磁体磁场II-合闸励磁磁场HI-分闸励磁磁场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。正是如此，上图 所示的双线圈永磁机构称作双稳态永磁机构。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中合闸状态图 中I所示。要使其分闸，只要在分闸线圈中通以直流

36、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，如图中的回线III。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（如作用在动铁心上的触头压力，其方向与永磁体的吸力相反）， 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。动铁心向上的合力增大，使动铁心加速向上运动。这一过 程一直持续到动铁心上端与静铁心的上磁极接触，直到完成分闸动作为止。这时，动铁 心重新被永磁体吸合

37、，处于稳定状态，即使切断分闸的电流，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，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， 最后到达合闸位置，动铁心重新被永磁体吸合。切断合闸线圈电流后，动铁心仍然保持 7桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第25页共43页在合闸位置，合闸过程结束。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的磁场方向相同，因此双稳态永磁机构磁系统在工作中无去磁效 应，永磁体没有退磁的危险。2.1.2单稳态永磁操动机构单稳态永磁机

38、构的原理如图2-2所示：与上图比较可以发现，单线圈永磁机构和双线圈永磁机构的结构和磁路都非常相 似，他们的动作也很相近，但是单线圈永磁机构在分闸操作时需要用弹簧操动。i If(a)合闸状态B(b)分闸过程(d)合闸状态(c)分闸状态图2-2单稳态永磁机构操作过程原理图当永磁机构处于合闸位置时如图2-2中(a)所示，线圈中无电流通过，由于永久磁铁 的作用，动铁心保持在上端。分闸时，在操作线圈中通以特定方向的电流，该电流在动 铁心上端产生与永磁体磁场相反方向的磁场， 使动铁心受到的磁吸力减少，当动铁心受 到的向上的合力小于弹簧的拉力时， 动铁心向下运动，实现永磁机构的分闸。当处于分 闸位置时，在操

39、作线圈中通以与分闸操作时相反方向的电流。该电流在静铁心上部产生的与永磁体磁场方向相同的磁场， 在动铁心下部产生与永磁体磁场方向相反的磁场， 使 动铁心下端所受的磁吸力减小，当操作电流增大到一定值时，向上的电磁合力大于下端 的吸力与弹簧的反力，动铁心变向上运动，实现合闸，并给分闸弹簧储能。由于分闸弹 簧可以提供分闸位置时的保持力，在单稳态永磁机构的设计中，在分闸位置可以不需要 永磁保持，这就成为永磁机构真正意义上的单稳态。单稳态永磁机构在分闸过程中线圈磁场在永磁体上与永磁体自身磁场的方向是 相反的，只有在合闸过程中两者的方向才是一致的。因此，在理论上说，单稳态永磁 机构存在着退磁的危险。但是根据

40、文献的研究，单稳态永磁机构中，线圈反向磁场对永磁体的影响仅仅是改变了永久磁铁的工作点，因此，永久磁铁不会发生退磁现象。2.1.3单稳态与双稳态永磁操动机构的比较而不同双稳态永磁机构和单稳态永磁机构的共同之处是合闸操作和保持是相同的， 之处是分闸时，对于双稳态永磁机构是电磁操动永磁保持， 对于单稳态永磁机构则是电 磁去磁弹簧操动，保持可以是永磁也可以是弹簧。因而对于单稳态永磁机构，在合闸保持位置时，不仅要克服触头弹簧的反力， 而且还要给分闸弹簧储能，因而所需的合闸保 持力较大。单稳态永磁机构在分、合闸过程中公用一个操作线圈，结构较简单，体积较 小，更利于开关及开关设备的小型化。双稳态永磁机构的分

41、、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）方法，来控制机构的动态特性。 单稳态永磁机构的分闸过程主要由分闸弹簧驱动， 线圈磁场吸力仅仅起到克服分闸保持 力的作用，所以机构的分闸特性不易由线圈电参数来控制，其动作分散性大。双线圈式永磁机构的不足之处表现在：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， 且分闸过程中，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，造成行程终止时运动速度过高，对静

42、铁心有很大冲击，不仅影响 开关寿命，还会造成较大的分闸反弹， 使断路器在分断后发生重击穿，最终可能导致开 断失败。因此必须采取相应措施来解决此问题。分闸特性不易调整，只能靠改变分闸线圈的电流来实现，而对某一种机构，一旦 其线圈已加工好，其参数一定，若供电电压一定，那么线圈的电流不会改变，分闸特性 也不能改变。单稳态永磁机构的缺点是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，线圈线径粗，要求电源提供电流较大。同时在合闸位置时， 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，永久磁铁所需提供的力 应较大，永久磁铁的体积较大。3永磁操动机构智能控制装置硬件设

43、计3.1系统设计总体方案随着微机应用的日益广泛，CPU技术已渗透到了各个领域。电器智能化在国内外 的各个行业应用越来越广，而永磁机构的特点就是可控性强，因此永磁机构的分合闸特 性可以通过电子或微机系统来控制，从而实现速度的可控性、实现放电电容器组的智能 充电、微机控制等功能。本文采用 AT89S51单片机设计了针对配有单线圈永磁操动机 构的真空断路器智能控制系统，实现了判断、动作、通讯、显示等功能，提高了断路器 的性能，便于维护和现场调整。系统设计总体方案如下所示：图3-1控制系统总体设计方案各部分电路模块的功能如下：电源模块：提供系统所需的工作电源；对电容器组充电，储存能量，为永磁操动机 构

44、分合闸线圈提供激磁电流。分合闸线圈驱动模块：由接收控制信息的部件与驱动执行器组成， 驱动分合闸线圈， 执行分合闸操作。手动控制信号发送单元：设置手动分合闸按钮，根据事先对断路器的分析决定对执 行机构发出手动的分合闸信息，使断路器做出相应的动作。通讯模块：通过RS-232来控制永磁机构的分合闸操作，传送分合闸参数，实现动 作的可靠性控制。CPLD编解码模块：通过CPLD的编解码措施对分合闸信号进行编码和解码，提高 系统的抗干扰性和可靠性，确保永磁机构可靠动作。数据接收模块：接收CPLD发送的信号，并进行识别处理，从而控制触发电路晶闸 管的通断，控制永磁机构的分合闸操作。归纳起来，控制装置的工作过

45、程如下：由微控制器为核心的控制单元根据电网的状 态数据，手动发送分合闸信号，通过CPLD编解码，再由单片机处理信号后发送控制信 号来操作永磁机构装置动作。同时由通讯模块将主机的分合闸信息传送至微控制器，实现断路器操动机构的在线控制。3.2电源设计智能控制装置电源模块主要提供系统所需的 +5V工作电源。还包括对电容器组充 电，为永磁操动机构分合闸线圈提供激磁电流。3.2.1单片机系统供电电源设计开关电源在设计电源方案时均考虑了电源行业标准，除体积小、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兼容性两方面更具特色和优 势。因此，装置工作电源最经济、最安全、最可靠的方法是采

46、用开关电源。本设计所用的5V电源其原理图如图3-2所示：如图所示电路为输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源。它由电源变压器 TF1, 桥式整流电路D1D4，滤波电容E1、E2 只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便地 搭成的。LMiHLPST7L+1 i【aoxhzLiJ亠Cl q h心Of4077图3-2 电源的原理图220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1D4和滤波电容E2的整流和滤波，在固定式三端稳压器 LM7805的Vin和GND两端形成一 个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而 发生变化）。此直流电压经过LM

47、7805的稳压和E1的滤波便在稳压电源的输出端产生了 精度高、稳定度好的直流输出电压。当输出电较大时，7805应配上散热板。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线 性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等 特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。3.2.2电容器的充电电路给永磁机构中的分闸或合闸线圈通电， 产生满足条件的电磁吸力即可驱动动铁心运 动，而且必须达到一定的励磁安匝数， 才能满足真空断路器的分闸或合闸速度要求。而 在短时间内产生较大的脉动电流，不能只依靠设计电源，而且电源线路复杂，

48、体积庞大, 因此必须从提高经济性与电源效率上来综合考虑。要想在较短的时间内获得较大的脉动电流， 目前有两种方案可供选择。一是采用电 容器组，二是采用蓄电池。然而蓄电池作为电源需要考虑诸如过充电、过放电等问题， 充电线路及保护电路较为复杂。用电容器组作为电源与蓄电池电源相比，具有很多优点。 例如电容器的充电时间较短，可用具有滤波或非滤波、稳压或非稳压的直流输出的任何 一种常规电源装置对其充电。因不必考虑充电过量的危险，所以不要求对精确的充电时 间和充电电流进行监测。不存在化学污染或电极氧化问题， 并可放电至任意电平而不会 损坏。而且电容器还可以很容易的并联使用， 而不会产生并联电池之间的偏置电流

49、那样的侧流效应问题。因此，户内永磁机构中的电源设计最经济的方法是采用电容器放电的 方式。而户外柱上真空断路器，由于现场电源不易解决，一般采用蓄电池等其他方式。R1SCSR2血nU-El p尼电曳许图3-2电容器充电主回路作为给电容器充电的电源，必须考虑电容器的耐压，考虑实际的分闸和合闸操作时 所需的电源电压。设计中采用桥式整流由电容稳压滤波， 由单片机控制充电与否，同时 还设计了对充电电压监测电路，以保证在放电时电容器有足够的储能，为操动机构的分 闸与合闸线圈励磁提供所需的脉冲电能。电容器充电电路如图3-2所示，图中220V交流市电通过电源变压器变换成交流低 压，再通过D1半波整流，由R1限流

50、后对电容器E1充电。右部R2、L1是分合闸线圈 的等效电路，由晶闸管SCR的通断来控制线圈的通电与否，从而道道控制永磁机构分 合闸的目的。3.3分合闸驱动模块 3.3.1驱动电路原理分合闸线圈驱动模块的主要功能是：接收控制芯片的动作信号，驱动晶闸管的通断, 将分/合闸线圈与充满电的电容器组相连接，电容器组放电，操作线圈中通过特定方向 的电流改变磁场，执行分合闸操作，其原理如图3-3所示：仆间控制Cl图3-3分合闸控制电路示意图图中C1为合闸放电电容，C2为分闸放电电容。L为线圈电感，R为线圈电阻。图 中合闸控制与分闸控制通过由TLP250组成的驱动回路驱动IGBT来完成对线圈放电， 从而实现断

51、路器的分合闸操作。由于实验选用的电容器组容量较小，所以在达到相同驱动目的的前提下，其充电电 压就很高，在220V-300V之间。放电回路电流的峰值可达100A以上。根据激磁线圈所 需要的电流和电压，选择IGBT的型号参数为100A/600V。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有 MOSFET易驱动的特点，又 具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十 kHz频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主 导地位。IGBT是电压控制型器件，在它的栅极与发射极间施加十几 V的直流电压，只有uA 级的漏电流流过，基本上不消耗

52、功率。但IGBT的栅极与发射极间存在着较大的寄生电 容（几千至上万PF）,在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数安的充放电电流，才 能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。IGBT 作为一种大功率的复合器件，存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。在过 流时如采用一般的速度封锁栅极电压， 过高的电流变化率会引起过电压，为此需要采用 软关断技术，因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是十分必要的。分合闸线圈驱动的首要目标是正常驱动 IGBT，否则智能控制的目标就无法实现。 在理想情况下IGBT驱动电路的基本性能如下：能为IGBT提供一定幅值的正反向栅极电压 Ug

53、e，一般情况下，正向UGEV+20V, 可取9、12、15、18V ;反向Uge为-5V-15V之间，一般取-10V。合适的反向偏压能 减少开关损耗，提高IGBT工作的可靠性。可以尽快的抽取IGBT器件内部的存储电荷。 缩短关断时间，提高IGBT的耐压和抗干扰能力。要求驱动电路具有隔离的输入、 输出信号功能，同时要求在驱动电路内部信号传 输无时延或延时很短。在栅极回路中必须串联合适的栅极电阻 Rg，用以控制Uge的前后陡度，进而控 制IGBT的开关损耗。当Rg增加时，Uge前后沿度变缓，IGBT开关过程延长，开关损 耗增加。相反，IGBT开关过程变缓，开关损耗减少。而较小的 Rg使IGBT开通时的 di/dt变大，导致较高的du/dt，增加了续流二极管