永磁机构范文（精选7篇）
永磁机构 第1篇
经常使用搅拌机, 永磁搅拌机是其中一种。
1 永磁搅拌机及其升降机构的工作原理
永磁搅拌机是利用永磁铁磁场磁力对金属液体进行非接触搅拌。永磁搅拌机可以看成一个使用永磁体的磁场的电机。永磁铁看成是电机的定子, 铝水则相当于电机的转子。磁场和铝熔炉中的金属液体相互作用产生感应电动势和感应电流, 而感应电流又和磁场作用产生电磁力, 从而推动金属液体做旋转运动起到搅拌作用。
我单位的永磁搅拌机采用链条链轮带动四根丝杆的铜螺母同步旋转从而达到同步升降的目的.下图为铜螺母机器配套机构。铜螺母外侧套在螺母套内, 螺母套上下两侧装轴承, 中间用圆键固定链轮并用顶丝紧固, 外部链条带动链轮和螺母一起旋转, 从而达到带动外部机架升降的目的。
2 升降机构在使用中存在的问题
2.1 升降机构在实际使用中存在以下一些问题
1) 上方轴承压盖内的台阶只能防止轴承往上窜动, 而不能防止轴承往下窜动。使用一段时间后经常出现轴承脱离轴承压盖的情况。
2) 上方轴承套在螺母套上, 也没有防止错动的装置, 使用一段时间后, 也会出现螺母套与轴承脱离的现象。
根据以上两种情况的观察与分析, 为了防止上面两种情况的发生需要对压盖和螺母套进行改造, 使压盖与轴承及螺母套轴向固定在一致防止窜动。
2.2 改进措施
1) 针对上方轴承与轴承压盖脱离的问题, 我们对轴承压盖进行了改造, 将原先压盖的台阶改到下方, 在原先压盖上方再配一个压盖。原先压盖的固定螺杆改用长螺杆。这样就能防止轴承窜动, 如下图:
2) 针对螺母套与轴承内圈脱离的问题, 我们对螺母套进行了改造, 将原先的螺母套上方加一段螺纹, 轴承装配上去后使用两个螺母备住, 这样就能防止轴承内圈与螺母套的错动, 改造后的螺母套如下图:
改造过后的装配图如下:
3 改进后的使用效果
经过上面两个位置的改造后, 现在该机构运行平稳, 极少出现故障。
4 结论
搅拌机在带有熔铝炉的工厂是经常使用的设备。由于其能加速熔化, 减少能耗, 并能使铝水成分搅拌均匀, 提高铸锭质量。升降机构的稳定非常重要, 尤其在多台熔铝炉一起使用的时候, 需要频繁进行升降, 非常考验机构的稳定性。实践证明, 经过修改的轴承压盖与螺母套能够使机构运行稳定, 杜绝轴承与压盖, 轴承与螺母套的错动现象, 大大减少永磁搅拌的故障次数, 减少维护工作量与维护成本, 有显著地经济效益与社会效益。
摘要：在带有铝熔炉的工厂中, 铝水的精炼尤为重要。精炼过程需使用搅拌机使配料与铝水混合均匀, 保证铸锭质量。本文结合我单位永磁搅拌机的使用情况, 针对其升降机构使用中出现的问题, 进行了改进。
关键词：永磁搅拌机,铝水,精炼,铸锭
参考文献
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[2]胡俊欣, 严顺治, 赵党立.永磁搅拌技术在熔铝炉上的应用[J].有色金属加工, 2007.
[3]卢平.永磁搅拌技术为铝加工辟节能新径[N].中国有色金属报, 2007.
基于永磁机构的真空断路器 第2篇
随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高,人们对供电质量和供电可靠性的要求越来越高[1]。断路器的分、合动作可靠性对供电可靠性有较大的影响,影响断路器可靠性的因素主要有以下几个方面[2]:(1)断路器的绝缘性能。(2)断路器的开断性能。(3)断路器机械性能的可靠性,一是开关本体的机械性能,二是操动机构的可靠性,而且实现操动机构的可靠性难度较大。从上面几个方面看,保证断路器在电力系统中可靠运行,操动机构在断路器中占有重要的地位。它不但要保证断路器长期运行中动作的可靠性,即机械可靠性,而且断路器分合闸所需时间和分合闸速度的主要决定因素是操动机构[3],机构还影响着断路器开断性能的可靠性。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70%,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,有必要研制新的断路器操动机构。
1 真空断路器的操动机构
真空断路器与其它型式的断路器例如空气断路器、油断路器和SF6断路器的动作特性有很大差别[4]。由于真空灭弧室优越的绝缘性能,使得真空断路器的行程很小,又由于真空灭弧室是对接式触头,所需的触头弹簧的压力较大,机构必须保证在开关合闸到位时,提供足够大的力来克服触头压力,而不允许发生断路器合不上或出现严重的触头弹跳。真空断路器对所配机构的要求是要提供较大的力以克服触头弹簧的反力,但行程较小,即操作功小[5]。
1.1 电磁机构早期设计的适合真空开关的机构为电磁机构[6],
开关合闸时,螺管式电磁铁逐渐接近端面,产生的吸力会增加,这样就与真空断路器的机械特性相匹配。然而传统的电磁机构也存在不容忽视的缺点。由于传统的电磁机构最早是为少油断路器设计的,而少油断路器的行程较长,CD10机构的行程为60mm,就是后来设计的专门用于真空断路器的电磁机构CD17,其动铁心的行程为55mm左右。根据磁路的特点,行程越长,同样安匝数的线圈的力越小。要提供足够的电磁力,就必须增加线圈的安匝数,一般电磁机构的稳态电流为100-140A,匝数为600-800匝。由于匝数较多,又使得磁路电感L在机构的合闸过程中变化较大,产生反电动势较大,从而抑制了合闸线圈动态电流的增长,而且这种抑制作用随着合闸速度的增加而增加。若想要进一步抵消这种抑制作用,就要提高线圈稳态电流,增加合闸电源的容量。并且,由于磁路电感L较大,线圈带电后电流上升的较慢,上升时间较长,合闸时间较长,又使合闸能量增加。另外,由于以前的标准要求电磁机构应能够实现自由脱扣,传统的电磁机构有一套复杂的自由脱扣装置和机械锁扣装置,零部件也较多,体积也大。零部件的增加会降低机构的可靠性。综上所述,电磁机构的最大缺点是操作电流大,机构体积大,机械锁扣装置较复杂。
1.2 弹簧操动机构弹簧操动机构以交流小功率储能,小功率
电能供给脱扣线圈进行分、合闸操作,已广泛应用于少油、SF6开关。通过凸轮曲线及连杆传动变换,缓冲结构的改进,以满足真空灭弧室的特殊要求,并且可做到少维护的要求。它的操作功可以从数十焦耳到数千焦耳,机械寿命可从数千次到数万次。但是弹簧机构零件数较多,传动机构较为复杂,运动部件多,制造工艺要求高,弹簧机构的结构复杂,轴销与拐臂之间的摩擦面多,在长期运行过程中,这些零部件的磨损、锈蚀以及滑剂的流失、固化等都会导致操作失误,特别是锁扣部分的复位和闭锁,仍存在不可靠因素。
1.3 永磁机构随着真空断路器在中压领域的发展,永磁材料
性能的提高,先进的二次技术在开关设备中的应用,近年来,一种用于中压真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操动机构(简称永磁机构)在户内、户外中压真空断路器领域对传统的弹簧机构提出了挑战,引起了开关行业的关注[7]。它的原理、结构特点、性能以及与其相配的免维护真空断路器的开发研制已成为电器制造企业和运行部门的热点。和传统内的断路器操动机构相比,永磁机构采用了一种新的工作原理,将电磁机构与永久磁铁有机地结合起来,避免了合闸位置机械脱扣、锁扣系统所造成的不利因素,无需任何机械能而通过永久磁铁产生的保持力就可使真空断路器保持在合、分闸位置上,引起故障的环节少,具有较高的可靠性,配以控制系统实现真空断路器的高可靠、免维护、智能化。
2 真空断路器操动机构的原理
断路器的机构就是实现断路器进行分合闸操作,克服断路器的反力特性,保证断路器的动触头的分、合闸速度。于是,就存在一个机构的出力特性与断路器的反力特性的匹配问题,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很小的驱动力,一旦触头闭合,就需要很大的驱动力来压缩触头弹簧以获得足够的触头压力。因此,真空断路器合闸接近终了时的触头反力特性在触头接触瞬间有一大幅度的正向突变。
弹簧机构是依靠事先储存的弹簧能量的释放使断路器实现合闸操作的,弹簧释放时总是一开始出力大,以后逐渐减小。这与真空断路器的反力特性正好相反。为了使其与真空断路器的反力特性匹配,通常要通过凸轮和连杆的转换。这种力的转换伴随着连接机构的高速运动,这不仅降低机构的效率和可靠性,还减小了产品结构的刚性。例如,连杆与轴销之间的配合不当,易引起开关的弹跳、过冲等。
永磁机构的出力特性非常接近真空断路器的要求,正因为此,它可以与真空灭弧室直接相连,使零部件数降到最少,也能提高产品的结构刚性,有助于减小触头弹跳及刚分速度的提高[8]。永磁机构较其它机构的最大优势是可靠性高,例如由于只有一个运动部件,且又可以与灭弧室直接连接,零部件较弹簧机构减少了60%。它结构简单,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。
3 永磁材料
现在所用的永磁材料[9]主要有铝镍钴磁铁,氧化物磁铁(铁氧体磁铁),以及当前最引人注意的稀土永磁材料。表1列出了上述三种永磁材料性能。
可见,稀土永磁材料既有高的剩磁,又有强的矫顽力。例如钕铁硼(Nd2Fe14B)稀土永磁材料其剩磁Br约为1.2T,矫顽力Hc约为939k A/m,即有最大的磁能积。与传统的磁铁相比,有如下特点[10]:
3.1 当稀土钕铁硼磁铁与铁氧体磁铁的体积相同时,前者产生的磁场比后者要强的多,Nd2Fe14B的剩磁Br为1.
22-1.25,铁氧体的剩磁Br为0.39-0.42,为此,当要求磁场强度一定时,Nd2Fe14B磁铁的体积可以缩小,可为使用磁铁的设备的小型化和轻量化提供条件。
3.2 由于有强的矫顽力,不容易受到外界磁场的影响,其稳定性好。
例如Nd2Fe14B的矫顽力Hc=876-939,而铝镍钴磁铁的矫顽力Hc=54-60,只要反向激磁线圈的磁场小于矫顽力,就不会发生退磁现象。
3.3 充磁后的铝镍钴磁铁与铁磁物质接触时,会导致整齐排列的磁畴变乱,从而引起显著退磁。
钕铁硼磁铁与铁磁物质接触时,基本上无此种退磁现象,所以可不考虑。
3.4 磁铁材料在受到机械冲击后,会引起退磁现象。
多方面的研究和实践经验已证明这种材料的机械性能和磁性性能都较传统的永磁材料稳定。
4 结语
永磁材料的独特性在低压、中压开关上已有研究和探索该断路器具有零件少、结构简单、可靠性高、寿命长(机械寿命高达10万次)、免维护等特点外绝缘采用固体绝缘,利用环氧树脂固封技术将真空灭弧室、主导电回路、绝缘支撑等有机地组合成为一个集成固封极柱,成功地解决了真空断路器的环境耐受问题。二次控制回路采用集成化电子控制模块,电源输入范围宽,传感器检测开关位置,输入输出光隔离,功耗低,可靠性高。由于全面采用上述高可靠技术,使永磁机械真空断路器成为真正意义上的免维护智能化断路器。
摘要：本文介绍了一种基于永磁机构的真空断路器。通过对影响真空断路器因素的分析,指出了真空断路器的核心元件是操动机构,通过对三种操动机构的分析,提出具有永磁机构的真空断路器满足新型要求,特别是永磁材料的使用,使永磁机构真空断路器成为真正意义上的免维护智能化断路器。
关键词：真空断路器,操动机构,永磁机构,永磁材料
参考文献
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单稳态柱上永磁机构断路器电源设计 第3篇
关键词：断路器,永磁机构,装置电源,电流波形,脉冲时间
0引言
配电网中永磁机构断路器常安装于10 k V架空配电线路的责任分界点处,可以实现单相接地故障相间短路故障的快速切除,避免同一条馈线上的其他用户停电,提高了非故障用户的供电可靠性。 永磁操作机构与传统的电磁机构和弹簧机构相比,主要通过动铁芯与主轴传动拐臂直接相连,驱动动触头动作,无需机械脱、锁扣装置,简化了传动链,减少了故障率,并且机械寿命可高达10万次以上,机械寿命提高了3倍之多[1,2,3,4,5]。 目前市场上永磁操作机构的使用相对较少,但随着农网配电系统改造,未来市场需要更换新设备的需求量很大,为满足用户对智能控制的需求,研制配套的单稳态永磁机构断路器控制器显得尤为重要[6,7]。
永磁机构断路器及其控制器稳定运行的前提是有可靠的电源系统。 电源系统一方面给永磁机构分合闸线圈提供瞬时大电流,驱动永磁机构断路器实现分合闸操作;另一方面给控制器提供工作电源,实现断路器状态监测、人机界面显示、保护以及通信等功能[8]。 其中分合闸驱动电路对永磁机构断路器的分合闸成功率有重大影响,分合闸电流在线圈中的持续时间直接影响到断路器分合闸操作的可靠性及其机械寿命。 选择最优分合闸脉冲时间,可以有效地缩短IGBT导通时间,解决储能电容器对分合闸线圈放电时间不准确、分散性大等问题。 微控制器(MCU可以通过监测断路器分合闸次数与浴盆曲线的关系,改变IGBT导通的脉冲时间来调整分合闸操作时间,从而起到延长永磁机构断路器的机械寿命的作用。
1永磁机构控制器电源系统的构成
控制器电源系统框图如图1所示。 供电电源部分采用10 k V架空配电线路电压互感器(TV)及蓄电池组互补供电方式,通过电源管理模块实现电源的智能控制。 装置电源部分采用多个独立的DC / DC电源模块,满足装置不同电压需求。 分合闸驱动电源部分是控制器电源系统的核心,驱动永磁机构断路器实现分合闸操作,对断路器的性能起重要作用[9]。
2电源系统的3个主要部分
2.1供电电源
柱上断路器及其控制器安装在户外,没有现成的工作电源,所以本装置采用配电线路TV及蓄电池组互补的供电方式[10]。 配电线路正常供电时,TV输出的交流信号经过开关电源转换为直流24 V,在为装置供电的同时也为蓄电池组、大容量电解电容器充电。 当配电线路停电或电压跌落严重而不能提供稳定电源时,24 V蓄电池组作为后备电源给整个装置供电,保证控制器及断路器可靠工作,从而实现不间断供电的目的。 其主要切换电路原理图见图2。
正常情况下由配电线路TV输出交流220 V,经开关电源转换成直流24 V为装置电源供电,同时装置电源采用DC / DC模块供电方式,以满足MCU (STM32F103)及其外设的供电需求 。 当配电线路出现短暂故障或者失压时,因开关电源内有电感,故电压是缓慢下降的,当检测到直流电压小于18 V时, MCU的相应管脚发出一个高电平,使三极管9013、功率场效应管IRF4905导通,实现蓄电池组给装置电源供电,从而达到硬件上电源的无间断切换的目的。 当控制器在生产、运输、安装、检修时,整机处于断电状态,必须通过电池激活按键,给MCU一个激活信号后,才能启动控制器工作。
2.2装置电源
装置电源中DC / DC电源模块采用密闭式电源转换模块,不仅可以适应户外恶劣的环境条件,同时具备较高的电源转换效率,保证整个控制器可以稳定运行。 其中多处用到隔离稳压电源模块,其具有体积小、重量轻、稳压范围宽、稳压精度高、效率高等优点,为各种设备提供不受干扰的稳定电压。
2.3分合闸驱动电源
分合闸驱动电源是驱动电源系统的核心环节,主要由瞬时大功率电源、电容器电压监测电路和IGBT全桥驱动电路三部分组成。
2.3.1瞬时大功率电源
分合闸瞬时电流很大 ,TV及蓄电池组都难以提供所需的瞬时功率 , 本控制器采用容量为22000 μF、 耐压250 V的大容量电解电容器作为断路器的储能元件 , 给分合闸提供瞬时大电流[11]。 当输电线路因故障断电时 , 储能电容器容量可满足至少一组 “ 分合分 ” 操作 , 以便及时 、 彻底地切除永久性故障[12]。 本设计采用直流220 V专用电容充电模块 , 可以以500 m A恒流实现在内完成对储能电容器充电 , 同时对电容器起过压保护等作用 。
2.3.2电容器电压监测电路
电容器电压监测电路采用LM2903构成2路比较器电路,储能电容器上220 V电压通过电阻分压后与基准电压进行比较,输出的开关信号通过光耦隔离后送给MCU,从而实现对电容器电压的实时监测。 本装置中通过电阻匹配后,设定闭锁电压范围为170~180 V,当电容器两端的电压低于170 V时,MCU对断路器分合闸操作进行低电压闭锁,防止因为电容器储能不足导致分合闸失败;当电容电压高于180 V时,MCU对电容器解除低电压闭锁,可以进行分合闸或自动重合闸等操作。 电容器电压监测电路如图3所示,图中UOP为电容器操作电压。
2.3.3IGBT全桥驱动电路
IGBT全桥驱动 电路采用 快速开断 的大功率G160N60型IGBT,当需要进行分合闸操作时 ,MCU发出脉冲信号,驱动对应IGBT导通或关断,控制永磁机构完成分合闸操作[13]。 合闸操作时电流通路为UOP(电容器 )→VT1线圈→L→VT2→GND2。 断电后通过与IGBT并联的二极管形成续流 回路进行 放电 。 续流回路 为 :线圈L→VD3→UOP(电容器 )→VD4。 分闸操作时电流通路和续流通路与合闸相对应。 IGBT全桥驱动电路[14]见图4。
3分合闸实验分析
单稳态永磁机构断路器主要由动触头、静触头永久磁铁、分合闸线圈、驱动杆等部分组成。 当断路器处于分闸状态时,由分闸弹簧提供保持力使动触头保持在分闸位置;当断路器处于合闸状态时,由永磁铁提供保持力,使动触头保持在合闸位置。 单稳态永磁机构断路器分合闸时间对保证断路器操作可靠性和运行寿命具有重要意义。 分合闸脉冲时间过短,操作失败的可能性增大;分合闸脉冲时间过长, 电源功耗增加,线圈发热严重,设备寿命将受到影响。
3.1实验平台的搭建
实验中通过一个四通道示波器,同时对合闸位置、分闸位置、分合闸线圈电流进行录波。 通过分合闸位置信号的跳变,分析动触头动作时间和完成动作的时间;合闸过程中电流呈马鞍形状分布,分闸过程中电流以“近V”形状分布[15,16],分合闸过程电流波形均可分4个阶段进行分析,以此可判断出断路器分合闸操作过程是否有故障,并可监测出故障出现在哪个阶段。 实验系统接线原理图如图5所示。
3.2分合闸电流波形分析
断路器分合闸回路简化后等效电路模型[17]如图6所示。 图6中,C为储能电容器,K为IGBT分合闸开关,L为断路器分合闸线圈,R为回路等效电阻。
分合闸操作实验测得的合闸电流波形见图7。
a. t0时刻,MCU发出合闸脉冲信号,IGBT导通 (开关K闭合),回路电流从0开始逐渐上升。
b. t0~ t1阶段,电容器C相当于电压源,即t =0时,等效电路相当于一阶零状态响应电路,此时电流从线圈L的正极流向负极。 由基尔霍夫定律可得:
其中,UC为电容器两端电压;I0为分合闸时的电流。 此时I0= 0为初始条件 ,可解出一阶微分方程式 （1）的特解为:
所以,在此阶段电流成指数形式上升,永磁铁和线圈所产生向上的合力Fs小于弹簧对动铁芯向下的保持力Fx,动触头保持静止状态[18]。
c. t1时刻,Fs= Fx,动铁芯达到动态平衡状态 ,此时动铁芯开始驱动动触头动作。
d. t1~ t2阶段,Fs> Fx,动铁芯驱动动触头向上运动,同时给分闸弹簧和触头弹簧储能,为分闸做好准备,所以电流呈一定程度的衰减。
e. t2时刻,动静触头接触到位,完成合闸操作。
f. t2~ t3阶段,电容器C继续给线圈通电,所以其电流波形与t0~ t1阶段类似,仍以指数形式上升。
g. t3时刻,MCU翻转脉冲信号,IGBT截止,电容器C停止给线圈通电。
h. t3~ t4阶段,IGBT关断,线圈L是储能元件,电路中有续流电流Ixl流过,其等效电路相当于图6中电容器C短路,只有LR组成的一阶电路零输入响应。 此时电流可表示为:I=I0e-t R / L。
此时的续流电流I以指数形式下降,直到续流电流为零结束。
分合闸操作实验测得的分闸电流波形见图8。
由于本装置断路器为单稳态,分闸操作时线圈所通电流方向与合闸操作时线圈所通电流方向相反[19], 所以图8电流方向与图7方向相反,只是受力方向不同,且各阶段电流波形分析相似,在此不再复述。
3.3分合闸时间分析
断路器操作时的分合闸时间是其机械特性的重要参数,其值的大小直接影响断路器分合闸操作的可靠性及主要机械寿命。 本断路器分合闸操作时,线圈的通电时间由IGBT导通时间决定,IGBT导通时间又由MCU I / O口发出的脉冲时间最终决定。 如果分合闸时间过长,一方面断路器线圈的通电时间相应增长,致使线圈发热严重,甚至会出现线圈烧毁的情况,缩短了断路器的寿命;另一方面则会使动静触头之间燃弧时间增长,动静触头接触面遭受电弧侵蚀后产生的粗糙颗粒和熔化坑道越多,出现的变形也越严重,甚至会使触头发热烧损,发生爆炸的危险。 如果分合闸时间过短,动铁芯受到线圈与弹簧的合力不足以克服永磁铁的保持力,致使断路器分合闸操作失败,使电网的事故范围扩大。 所以,断路器稳定工作后选择适当的分合闸时间显得尤为重要。
基于此,本文通过断路器分合闸操作各100次的情况下,改变脉冲时间来统计其可靠工作次数及其故障次数,以此来判断断路器分合闸操作是否满足其机械特性及机械寿命指标。 不同脉冲时间下的分闸和合闸数据分别如表1、2所示,不同脉冲时间下分闸和合闸电流波形图如图9、10所示。
分析表1和图9可知,15~40 ms的分闸脉冲均可以完成分闸操作,当分闸脉冲时间超过20 ms时随着分闸脉冲时间的增长,t0~ t2阶段的波形无变化只有t2~ t4阶段的波形会随分闸脉冲时间的增长有所变化,并且此时间的延长对断路器分闸操作无影响从图8中波形分析可知,分闸脉冲时间只需大于t2即可完成分闸操作。 因此本控制器选定柱上永磁机构真空断路器的分闸脉冲时间为20 ms。 且根据断路器机械特性参数中触头开距为(9±1) mm,实验中测得分闸操作中动触头动作时间(即t1~t2时间)为8 ms计算出其平均分闸速度为1.2 m / s,此数据满足断路器机械特性参数要求及其机械寿命的条件,从而验证了此脉冲时间可以可靠地进行分闸操作。
分析表2和图10可知,30 ms的脉冲不能可靠完成合闸操作,35~55 ms的合闸脉冲均能可靠地完成分闸操作。 随着合闸脉冲时间的增长,t1~t2阶段波形无变化,只有t2~t4阶段的波形会随合闸脉冲时间的增长有所变化,并且此时间的延长对断路器合闸操作无影响。 从图7中波形分析可知,合闸脉冲时间只需大于t2即可完成合闸操作。 因此本控制器选定柱上永磁机构真空断路器的合闸脉冲时间为40 ms。 且根据断路器机械特性参数中触头开距为 (9 ± 1) mm,实验中测得合闸操作中动触头动作时间 (即t1~ t2时间)为14 ms,计算出其平均合闸速度为0.67 m / s, 该数据满足断路器机械特性参数要求及其机械寿命的条件,从而验证了此脉冲时间可以可靠地进行合闸操作。
根据断路器故障率随时间变化的浴盆曲线关系可知,随着断路器分合闸操作次数的不断增加以及现场工况的不断变化,电磨损和机械磨损越来越严重,促使触头动作速度变慢,分合闸操作的时间相应加长,因此断路器机械寿命将逐渐缩短。 基于此,分合闸时间存在一定的分散性问题,MCU可通过监测断路器分合闸次数与其机械寿命的关系,控制IGBT导通时间来调整分合闸操作时间,从而延长断路器的机械寿命。 针对永磁机构可靠分合闸等指标对断路器机械寿命的影响,将在今后的工作中对其相关问题进行研究与分析。
4结论
本文通过对单稳态永磁机构断路器的特点分析,设计了一种控制器专用驱动电源,可以实现控制器电源切换、电容器电压监测、断路器分合闸驱动等功能。
a. 控制器电源采用配电线路TV及蓄电池组互补供电方式,正常时采用TV电源,故障时自动切换到蓄电池组供电。
b. 针对单稳态永磁机构的特点 ,设计了由IGBT构成的全桥驱动电路,实现了对单稳态永磁机构断路器的分合闸控制。
永磁机构 第4篇
目前, 国内一些厂家生产的永磁操动机构真空断路器控制电路仍采用2个直流接触器切换储能电容对分、合闸线圈供电[1], 由此带来了如下问题: (1) 控制时间不准确、分散性大; (2) 难以与高压综合保护器联动; (3) 接触器的寿命和可靠性不理想; (4) 功耗多、成本高、重量和体积大。很多工矿企业要求采用电力电子器件设计功能全、成本低、可靠性高的永磁操动机构电子控制器。笔者结合一些实际情况以及用户的具体要求, 设计了一种交流高压真空断路器永磁机构控制器[2]。该控制器具有完整的永磁机构控制单元, 实现了合闸、分闸、闭锁以及欠压延时、欠压保护等功能, 并为远程通信提供技术基础。
1 控制器硬件组成
为了实现对永磁操动机构断路器的控制, 笔者将微处理器技术和断路器控制有效地结合起来。该控制器主要由[3]电源模块、信号输入模块、信号输出模块、主控器模块、电力电子器件及驱动模块等组成。核心CPU与外围接口光电隔离, 可靠性好, 控制回路拟采用大容量开关管 (MOSFET) , 并且设计阻容吸收装置, 面板带有LED指示, 方便现场调试。控制器与永磁操动机构的连接如图1所示。控制器通过控制MOSFET实现储能电容器对操动机构分、合闸线圈放电的控制, 以完成断路器的分、合闸, 通过对电压、电流的检测实现过压、欠压、短路及断相等故障保护功能。采用DC 160 V开关电源作为储能电容器的充电电源。储能电容器上储存的电能可为操动机构的分闸或合闸线圈励磁提供所需的脉冲电能。
2 控制器电路设计
该控制器集控制、检测、保护、故障报警等功能于一体[4], 配有核心处理器、电容电压检测电路、相电压检测及变送电路、分/合闸线圈驱动电路等。该控制器选用2个12 000 μF、160 V的超级电容器作为分、合闸储能电容, 对电容器充电可以通过电阻限流。控制器电路如图2所示。
电容电压检测电路[5]:控制器应用三端稳压基准芯片TL431、光电耦合器TLP521等器件对电容电压的隔离检测。其原理是利用电阻分压的形式采样电容电压, 通过调整滑动电阻使电容电压值大于等于设定值 (152 V) 时, TLP521输出由高电平变为低电平, 单片机ATMEGA-16L通过采集这个信号达到对电容电压的隔离检测, 如果电容电压没有达到设定值, 将禁止分、合闸操作。
相电压检测及变送电路:控制器主电路电压经过10 kV (6 kV) /100 V互感器降压, 作为信号采集变压器 (115 V/15 V) 输入, 变压器二次侧电压信号经整流桥转换得到脉动的直流信号送单片机进行处理, 为避免输出过电压损坏单片机, 在输出侧加了5.1 V稳压管。
分、合闸线圈驱动电路:控制器选用专用驱动芯片TLP250, 它内部带有光耦隔离电路, 简化了电路设计, 非常适合于作为功率MOSFET的驱动电路。另外, 由TLP250构成的驱动器体积小、价格便宜、性能优越。
3 控制器软件设计
3.1 主程序流程
该控制器的软件既要实现对永磁操动机构的控制功能, 又要实现对控制器电压、电流数据的检测和处理功能, 以达到保护目的。软件设计采用模块化多任务的设计思想, 将控制器要完成的任务模块化, 作为各个彼此独立的子程序, 以便在实现功能时进行统一调度。控制器启动后, 开始运行初始化程序, 初始化程序包括单片机内部硬件功能设定, 正常运行期间外部按键分合闸指令和参数调整。主程序流程如图3所示。
3.2 软件功能
(1) 实时数据采集功能。
要求能够获得实时电压数据, 由于要测量的是高压, 所以一般先经过变压器后降到100 V, 再经电压转换电路转换到可测量的范围, 经AD转换后送到CPU进行数据采集。
(2) 实时计算功能。
在控制器对实时数据采集完成后, 要对数据进行实时处理, 包括电压值的计算和与整定值的比较等。
(3) 实时控制功能。
根据各种数据汇总发出控制命令, 实现实时控制, 包括对开关的分闸、合闸以及保护动作等。
(4) 故障处理功能。
控制器能够对可能出现的故障作出相应的处理。
4 结语
该控制器研制成功后已应用在交流高压真空断路器上, 解决了下列关键问题:
(1) 配合永磁操动机构完成开关的合、分闸操作;合闸和分闸相互闭锁, 当同时发出合闸和分闸信号时只响应分闸指令;分闸、合闸状态有指示信号。
(2) 电容充电电压未达到允许值时, 有指示信号并禁止分、合闸操作。
(3) 监测交流输入回路电压:当交流输入电压小于75%时, 不能合闸操作 (即闭锁合闸按钮) 同时有指示信号;在合闸状态时, 交流输入电压小于等于75%时, 能手动分闸 (可以正常分闸操作) ;若合闸状态发生欠压, 可实现欠压分闸延时功能, 欠压点、延时时间可以选择, 当电压出现瞬时性波动及延时时间内电压又恢复正常时控制器不动作;当交流输入断电或发生失压故障 (失压点程序内可调) 时, 控制器将发出分闸脉冲, 同时为大电容提供放电回路。
(4) 分、合闸脉冲宽度 (程序内可调) 时间为80 ms。
(5) 可以扩展通信功能。
摘要：针对现有的永磁操动机构真空断路器控制电路采用2个直流接触器切换储能电容对分、合闸线圈供电存在控制时间不准确、分散性大、难以与高压综合保护器联动、功耗多、成本高等问题, 提出了一种交流高压真空断路器双稳态永磁机构控制器的设计方案, 详细介绍了该控制器的硬件电路和软件设计。该控制器具有完整的永磁机构控制单元, 可实现合闸、分闸、闭锁以及欠压延时、欠压保护等功能, 并为远程通信提供技术基础, 在断路器技术参数范围内可保证安全、可靠运行, 并可在额定参数范围内进行频繁操作。
关键词：高压真空断路器,永磁操动机构,控制器,远程通信
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, 2002.
[2]张俊民, 徐国政, 钱家骊, 等.一种永磁操动机构的智能控制与电子驱动装置的研制[J].高压电器, 2003, 39 (1) :27-29, 33.
[3]张雅娜.基于断路器操动机构的控制及其结构优化设计分析[D].大连:大连理工大学, 2008.
[4]张跃飞.基于DSP的智能断路器主控制器的研究[D].天津:河北工业大学, 2007.
永磁机构 第5篇
对于断路器而言,触头的运动速度、动作的可靠性、电气和机械寿命是衡量一台断路器性能好坏的重要标志。永磁机构的动态特性反映了机构在实际动作过程中的真实情况,它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的配合过程决定的,研究永磁机构的动态特性对合理设计机构、优化机构以及机构结构的改进都具有重要的理论和现实意义[1]。本文在进行单稳态永磁机构的动态特性研究时,主要研究机构在分、合闸过程中动铁心的位移、速度以及动触头的位移、速度等机械参数与时间的关系,线圈电流等电磁参数与时间的关系[2]。
1 永磁机构动态特性的数学模型
采用充电电容放电的励磁方式为分、合闸操作提供电流的电路简图如图1所示。
图中C为充电电容,R和L分别为线圈的等效电阻和等效电感。
单稳态永磁机构中的磁场、位移等都处于变化之中,它求解的是一个电、磁和机械的耦合场问题[3]。本文在建立永磁机构动态特性求解数学模型的基础上,同时求解电路方程、电磁场方程和运动方程来研究单稳态永磁机构的动态特性。对于本文所研究的单稳态永磁机构来说,其动态特性满足如式(1)所示的微分方程组。
其中,uc为充电电容初始电压(V);i为线圈中分闸或合闸电流(A);R为线圈的等效电阻(Ω);ψ为电磁系统的总磁链(Wb);C为充电电容容量(F);v为动铁心的运动速度;m为系统运动部件归算到动铁心处的等效质量(kg);Fx为动铁心受到的电磁吸力(N);Ff为动铁心的运动反力(N);x为动铁心的位移(m)。各变量的初始条件为:ψt=0=ψ0,uct=0=uc0,vt=0=v0=0,xt=0=x0=0,求解方程组,即可得到永磁机构的动态特性。
2 质量与反力归算
2.1 质量归算
在进行永磁操动机构动态特性分析时,需将系统运动部件的质量归算到计算点处[4]。如图2为单稳态永磁机构真空断路器动态计算简化模型,其中M1代表三相灭弧室侧运动部件的总质量,M2代表机构侧运动部件的总质量,AB和CD分别为断路器处于分闸位置和合闸位置时连接拉板的位置,α和β分别为分闸和合闸位置连接拉板与水平方向的角度。
三相灭弧室侧质量M1由动触头、导电夹、软连接、绝缘拉杆、触头弹簧等构成,大小为6.55 kg,由于三相灭弧室侧各运动部件做平移运动,因此可将其替代质量集中在B点。机构侧质量M2由动铁心、主轴、分闸弹簧等构成,大小为7.5 kg,由于机构侧各运动部件做平移运动,因此可将其替代质量集中在A点。连接拉板质量M3总质量为0.3 kg,连接拉板一端做水平运动,一端做垂直运动,因此本文在计算过程中,将其替代质量M3/2集中于A点,M3/2集中于B点。因此节点A和B上的节点质量分别为MA=M2+M3/2=7.65 kg,MB=M1+M3/2=6.7 kg。本文以动铁心(A点)作为计算点,根据能量平衡原理,求出整个系统的等效质量M。
故有:
式中,vA为节点A的运动速度(m/s);vB为节点B的运动速度(m/s)。
从式(3)中可以看出,求等效质量M需先求出节点A和B的速度比vA/vB,由于本文的传动机构比较简单,因此在计算速度比vA/vB时,采用图解法[5]进行求解,如图3所示。
计算点A在水平方向上做平移运动,水平线段oa代表vA,B点对A点的相对速度vBA的方向与连接拉板AB垂直,从a点做直线aa'与连接拉板AB的方向垂直,直线aa'与ob'交与b点,由于vA+vBA=vB,因此线段ob即代表运动速度vB。经过计算可得:
可见,该速度比并非一个定值,与连接拉板和水平方向的角度α的大小有关,将式(4)代入式(3)中可得:
由式(5)可知,等效质量M在整个运动过程中不是常数,随角度α的改变而改变。
2.2 反力归算
真空断路器的动作过程中运动部件的运动方向既有竖直方向又有水平方向,而且力的作用点也不同,如触头反力、触头弹簧力都作用在动触头上,而分闸弹簧力作用于动铁心上,因此在进行动态特性计算时需要进行力的归算[6],将所有的反力归算到计算点——动铁心上。灭弧室侧与机构侧的反力特性分别如图4和图5所示,该反力特性为真空断路器处于分闸状态时的反力特性,其中,横坐标分别代表灭弧室动触头和机构动铁心从分闸位置到何种位置的位移,纵坐标分别表示在此运动过程中的反力大小,机构侧的反力以水平向右为正方向,灭弧室侧的反力以竖直向上为正方向。
3 永磁机构有限元模型
使用有限元仿真软件对永磁机构进行动态特性仿真时,需要对其模型进行网格划分。本文采用三面体剖分单元,剖分网格是采用手动剖分,计算模型剖分图如图6所示。由于永磁机构为轴对称结构,图中采取实体剖分与表面剖分相结合的方法进行网格划分。由图中可以看出,导磁部分与气隙的网格划分很密集,非导磁部分与边界网格密度相对较小。
4 结果及分析
图7为Ansoft有限元软件得到的合闸电流仿真曲线,图8和图9分别为合闸行程仿真及实测曲线。
从图中可以看出,仿真计算的线圈合闸电流峰值为42.53 A,机构合闸时间为51.42 ms,通过速度定义触头闭合前6 mm内的平均速度为刚合速度可以算出其刚合速度为1.071 m/s,全程平均速度为0.780 m/s。可以看出机构的合闸特性优异,且实际试验值与理论计算误差符合设计要求,充分验证该动态计算方法的正确性。
图10为分闸电流仿真曲线,图11和图12分别为分闸行程仿真及实测曲线。
从图中可以看出,仿真计算的线圈分闸电流峰值为4.62 A,机构分闸时间为38.72 ms,通过速度定义触头分开后6 mm内的平均速度为刚分速度可以算出其刚分速度为1.154 m/s,全程平均速度为1.224 m/s。此外,在其分闸行程曲线中还测得机构的开距为9.25 mm,超程为3.27 mm,过冲为1.86 mm,分闸弹跳为0.214 mm。可以看出机构的分闸特性非常优异,完全满足断路器分闸特性的要求,且实测值与理论值也符合设计误差要求。
表1为断路器触头运动速度和线圈电流的仿真值与试验值的比较,其中刚合速度是合闸时动触头闭合前6 mm内的平均速度,刚分速度是分闸时动触头分开后6 mm内的平均速度。验证结果表明仿真结果与试验结果具有很好的一致性,证明使用有限元法分析机构动态特性的正确性和可行性,利用该方法可真实地反映出本文所研究的户外真空断路器配用的单稳态永磁机构的动态特性。
5 结语
通过求解电、磁、机械耦合场可获得永磁操动机构的动态特性,结果表明仿真值和实测值具有较好的一致性,说明本文所建立的永磁操动机构动态特性计算模型能够较准确计算实际系统的动态特性。同时,机构的动态特性非常优异,完全满足断路器分合闸特性的要求,可以为以后真空断路器配永磁机构的合理设计和优化提供参考。
摘要：研究了单稳态永磁机构动态特性的数学模型,并进行了质量和反力的归算。使用有限元法计算单稳态永磁机构动态特性,得到了电流、位移随时间变化的仿真曲线,并进行了试验。在试验中实测了断路器触头的分、合闸行程曲线和分、合闸线圈的电流参数。结果表明仿真计算准确可靠,机构动态特性优异。
关键词：永磁机构,有限元法,动态特性
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,2002.
[2]卢云,林莘.双稳态及单稳态永磁操动机构的研究[J].沈阳工业大学学报,2002,24(4):103-106.
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[5]高会军,林莘,蔡志远.永磁操动机构磁场计算及动特性分析[J].沈阳工业大学学报,2000,22(4):490-493.
永磁机构 第6篇
在上海梅山钢铁股份有限公司运输部的具有双起升机构的起重机中,双钩同步联接时采用了链条、鼓形联轴器、电磁离合器等,起重机的主钩99.9%的时间工作在双钩同步模式。采用链条、鼓形联轴器实现同步比较简单,但在需要单钩使用(检修、或货物吨位比较小)时,必须拆卸这种同步装置,这样势必耽误了生产时间。而采用电磁离合器,当设备需要从双钩同步模式切换到单钩工作模式时,司机只要操作驾驶室的旋钮,就可以脱开同步装置。这种离合器的工作原理是在操作台选择双钩同步模式,电磁离合器中的线圈得电产生吸力,安装在两个减速箱输出轴上的两片摩擦片粘接,从而实现双钩同步。由于起重机的绝大部分时间工作在双钩同步模式,所以这种离合器在双钩同步状态时必须长时间处于带电状态,它的电磁线圈回路经常烧坏,起重机在双钩同步模式时,会出现不同步、起升溜钩的问题,已经对安全生产构成威胁,必须从技术上解决。2008年下半年,梅钢公司自行对起重机起升机构进行了改造,并于2009年上半年投入生产,起重机运行效果良好。
1 改造思路
作者以反向思路设计,对原来的传统电磁离合器的线圈改造,用两个永磁体代替主动摩擦盘中的线圈,设计成一种操作和控制既方便又节能、安全的新型电磁离合器,使双钩同步时,电磁离合器99.9%的工作时间不通电,需要单钩使用时,仅需短暂的脉冲电流解除同步,不需要维持电流。
这种电磁离合器以高性能钕铁硼电控永磁体为核心元件,电控永磁核心部分由两种不同的永磁体组成:极性恒定永磁体和极性可逆永磁体。在非工作状态下,两块永磁体极性方向相同,磁力叠加施加于离合器衔铁上从而实现离合器的啮合;在工作状态下,两块永磁体磁极方向相反,磁力相互抵消,对离合器衔铁施加的磁力为零,从而完成与离合器的脱离。
电控永磁离合器的控制电路和PLC控制联锁;极性可逆永磁体的极性转换是通过PLC输出控制的晶闸管移相触发电路,实现高矫顽力类永磁材料的极性改变,电控永磁在离合器啮合后不需要任何电力的维持。
2 电控永磁离合器的结构图及工作过程
图1是电控永磁离合器结构示意图[1]。
1—法兰;2—滑环;3—滚动轴承;4—磁轭;5—U形键;6—螺母;7—永磁体;8—主动摩擦盘;9—电控永磁体; 10—从动摩擦盘;11—衔铁;12—套筒
永磁体和电控永磁体紧密固定在离合器的磁轭中,和左摩擦盘、滑环等构成离合器的主传动离合部件,并通过滚动轴承固定在主传动轴上;衔铁安装在从动摩擦盘上,通过可滑动的套筒用键固定在从传动轴上。主、从机构的离合通过主动摩擦盘和从动摩擦盘的啮合实现。
这种电磁离合器的工作要求是,机械设备工作在主、从同步状态时,离合器在非工作状态;机械设备工作在单步状态时,离合器在工作状态。
电控永磁离合器非工作状态的磁路如图2所示。[2,3]
此时主动摩擦盘中的电控永磁体9没有通过任何工作电流,它的磁力线和永磁体7磁力线叠加后透过从动摩擦盘的衔铁11,克服弹簧的弹力,使主动摩擦盘8和从动摩擦盘10啮合,从而使起重机的双钩自然同步。
当操作司机将操作台上的旋钮打到“单钩”位置时,起重机PLC检测所有安全信号后使能脉冲输出电路,图1的滑环2上接入短暂的脉冲电流。如图3所示,KA1继电器延时3 s断开,接通单相半波触发电路,晶闸管VT导通,电控永磁极性变换线圈EMC13充电,使电控永磁体N极和S极发生变换。
此时离合器处于短时的工作状态,永磁体7和电控永磁体9的磁力线方向相反,在离合器衔铁11中没有磁力线通过,3 s后脉冲电路自动被切除,如图4所示[2,3]。离合器从动摩擦盘10在弹簧力的作用下复位,从而实现起重机双钩独立运行。当需要再次双钩同步时,脉冲电路再在滑环2上接入3 s的脉冲电流,磁场分布又恢复到图2所示的状态,3 s后脉冲又自动切除。显而易见,极性变换脉冲仅仅在变换起重机起升机构单钩和双钩同步时维持了3 s,变换完成后不需要维持。
3 电控永磁离合器的安全保障
在起重机驾驶室的操作台配备有意大利SGM磁通量检测装置FMD (Flux Measuring Device)的操作面板,FMD是一套电子安全装置,它通过检测每次切换时主动和从动摩擦盘磁回路中的磁通量进而得出起升机构同步磁力来实现安全控制机能。当FMD检测到的实际工况比用户给定的还要恶劣时,例如气隙超标、导磁率偏低、温度过高等,会适时阻止任何危险操作。此时它又是隐患检测装置,它能提示起重机操作者此时的起升安全状态,帮助操作者采取必要的措施,保证精确、无安全隐患的起升作业。SGM 磁通检测装置会使操作者的每一次作业都能达到相关标准规定的安全系数以实现全面安全理念。
防溜钩装置:当起重机双钩同步后,该装置切断控制系统,防止任何可能的误操作引起的起升溜钩,即脉冲电路3 s后自动切除。
工作状态记忆装置:该装置能为操作者提供当前电控永磁铁所处的工作状态。
温度传感器:当磁铁内部温度超过警戒线时,第1个传感器为操作者提供警报信号;温度进一步升高时,第2个传感器发出危险报警信号,同时PLC系统会锁定操作,阻止进一步的操作。
4 结束语
本设计方案以电控永磁体代替传统的电磁线圈,使机械设备在双钩同步、单钩操作过程中,电磁线圈仅需通过3 s左右的磁场极性变换脉冲电流,就可以完成离合器的开闭动作。模式切换后也不需要维持电流的存在,避免了传统电磁离合器工作时需要通电而导致的缺陷以及线圈烧坏引起的设备事故,实现了安全、节能的目标。此技术可以推广到所有需要主、从和同步、单步切换的机械设备,特别是起重机械的双起升机构。
摘要：起重机起升同步机构的电磁离合器在工作状态时需要长时间通电,导致设备能耗高而且线圈容易发热烧坏、失磁,最终使同步工作的设备失去传递力矩而发生事故。为了克服电磁离合器的缺陷,对此进行了技术改造,改进后的方案将传统电磁线圈改为电控永磁体。由于当起重机起升机构双钩同步运行时,电控永磁离合器处于非工作状态;起升机构单钩运行时处于短时工作,所以具有安全、节能的特点,克服了电磁离合器的缺点,避免了起升机构相关事故的发生,特别适合机械设备主、从传动的同步、单步模式切换。
关键词：起重机,永磁体,离合器,同步
参考文献
[1]邓星种.机电传动控制[M].武汉:华中科技大学出版社,2001.
[2]孔昭润,孔昭琛.电控永磁阀:中国,CN93212026.1[P].1995-05-31.
永磁机构 第7篇
断路器作为电力系统中重要的电气设备之一,其可靠性和智能化水平对电力系统的稳定和自动化程度将产生深远的影响。真空断路器作为技术性能先进的一种断路器,具有可靠性高、稳定性好、少维护、寿命长等特点,得到了广泛的应用。操动机构作为断路器的核心部件之一,其可靠性是断路器性能优劣的关键。因此操动机构的工作性能和质量的优劣,对高压真空断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。
操作机构的发展经历了几个重要的阶段:电磁机构、弹簧机构、永磁机构。最早的电磁机构,由于对电源的要求较苛刻,需要专用的大容量直流屏提供分合闸电源,并且操作时冲击大,分合闸动作时间长,而逐渐被市场所淘汰,取而代之的是弹簧操动机构[1]。其利用交直流两用电动机对弹簧进行预储能,利用弹簧能进行分合闸操作,从而对电源要求低,交直流均可操作,因此在近几年得到广泛应用。但弹簧机构也有其自身不可克服的缺点:结构比较复杂,零件数量多,加工精度要求高,动作分散性较大。永磁机构是一种电磁操动、永磁保持、电子控制的操动机构,性能先进,受到了广泛关注。永磁操动机构由于取消了脱扣、锁扣装置,而采用永久磁铁进行终端位置的保持,动作元件和零部件数目明显减少,永磁机构具有简单可控等优点,因而可靠性大大提高。
单线圈式永磁机构是永磁机构的一种,它的特点是:采用永久磁铁使真空断路器保持在合闸极限位置,使用激磁线圈将机构的铁心从分闸位置推动到合闸位置,同时,给分闸弹簧储能。分闸时,给线圈通以反向电流,使铁心工作气隙处永磁材料与激磁线圈产生的合成磁场接近于零,靠触头弹簧和分闸弹簧所储存的能量进行分闸[2]。
本文讨论了单稳态永磁机构控制器设计思路。该控制器不仅实现了对断路器分合闸控制,而且能够实现过流、过压等保护功能,使本控制器的综合成本更低,可有效降低用户的采购费用。
1 硬件结构
如图1所示,永磁机构控制系统主要由CPU主控制模块、信号处理采集模块、在线电容电压检测模块、分合闸驱动模块、通信模块和电源模块等组成。
采集的电网信号经信号处理采集模块调整后送入CPU主控制模块计算电压、电流进行自动保护。在检测到分合闸命令时判断分合闸条件是否满足,满足就计算分合闸所需的延迟时间,到达延迟时间之后,发出触发命令,驱动绝缘栅双极晶体管(IGBT)导通,使放电回路导通,储能电容器对断路器线圈快速放电,使断路器动作。当断路器动作完成之后关断IGBT,切断电容器的放电回路,电源给电容器继续补电,等待下次操作的到来。
1.1 CPU主控制模块
CPU主控制模块是整个控制系统的核心部分,所用的核心处理器要完成电压、电流的数据采集和计算,分合闸延迟时间的计算以及控制,外部输入、输出接口和通信等功能。CPU主控制模块选用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149,执行时间达125 ns。内核结构按照精简指令集和高透明的宗旨而设计,可以提高执行速度和效率,增强了实时处理能力[3]。直接嵌入仿真处理,具有JTAG接口。16位数据宽度,数据处理更为有效。包含外围模块时钟模块,看门狗,定时器A、B,比较器,串口0、1,硬件乘法器(一个周期的运算时间),12位高精度模数转换等。
1.2 信号处理采集模块
信号处理采集模块主要完成电压、电流信号的采集和调理。A/D转换采用MSP430F149内置8通道12位A/D转换器,由于内置A/D转换速度快,精度高,速度高达200 kbit/s,完全能满足需要,并且电路简单,控制方便,提高了控制器的可靠性。电压、电流二次信号经过控制器的高精度互感器后转换为一定范围的信号,经过前置运放后通过线性光耦隔离,最后信号送入MSP430F149的A/D转换端口。由于控制器的工作环境恶劣,本控制器采用高精度线性光耦实现电气隔离,每周波采样32点保证精度;通过相关算法后实现过电压、过流速断及定时限和反时限保护等功能,从而控制断路器的分合闸并告警,实现继电保护功能。信号处理电路图如图2所示。
1.3 在线电容电压检测模块
本控制器对储能分合闸电容电压进行检测,若电压不足,则进行电容器充电;若收到分合闸命令,判断断路器的运行状态和位置都正确时,则进行相应的分合闸操作。在分合闸完毕或动作时间已经超过设定分合闸时间时,立即停止分合闸操作;在不具备操作条件或机构故障的情况下,报警且禁止断路器动作。
1.4 分合闸驱动模块
分合闸驱动模块的主要功能是当CPU主控制模块发出控制命令后,控制储能电容放电驱动永磁机构动作,达到分合闸的目的。永磁机构的驱动控制是分合闸驱动模块的最主要功能,驱动控制主要由储能电容器、放电线圈和IGBT功率模块组成。通过IGBT模块的可控关断,使储能电容器的储能能够完成一次标准的O-0.3 s-CO-180 s-CO操作循环。所以,IGBT功率模块的可靠导通和关断是本控制器设计成败的关键因素之一。
首先在IGBT功率模块的驱动信号抗干扰和可靠性上的设计,驱动信号采用3 000 V光电隔离,驱动电源和主电源之间采用3 000 V的隔离电压进行隔离,不仅如此,IGBT的门极驱动条件与它的静态和动态特性密切相关。门极电路的正偏压UGE、负偏压-UGE和门极电阻的大小,对IGBT的通态电压、开关损耗、承受短路能力等参数有不同程度的影响。在门极电路的设计中采用如下原则:
(1)正向驱动电压UGE,一般IGBT的正向驱动电压UGE应在12~18 V之间,可选用UGE=15 V,允许波动率小于10%,在这点通态电压接近饱和值,通态损耗小,是IGBT工作的最佳点;(2)负驱动电压-UGE,使IGBT关断的门极负驱动电压-UGE应不小于5 V,这是因为集电极电压变化率du/dt的作用会使管子误导通或不能关断;(3)门极电阻RG,应该在门极和驱动信号之间加一个门极电阻RG。当管子导通时,RG可以减小集电极电流上升率dic/dt,防止门极电流震荡;当管子关断时,RG可以减小集电极电压上升率du/dt,避免动态擎住效应的发生。但RG会增大IGBT的开通、关断时间,增加IGBT开关损耗,因此应当根据IGBT的电压、电流,定额选择合适的RG阻值。
其次单稳态永磁机构的线圈为感性负载,在关断线圈的放电回路时,由于线圈的自感效应,在IGBT上会产生几倍于放电电容器的反向电压,当反向电压大到一定程度时,很可能会击穿IGBT,所以必须增加IGBT的缓冲吸收电路。我们采用了RCD吸收电路,RC吸收电路因电容的充电电流在电阻上产生压降,还会造成过冲电压,所以采用了二极管旁路电阻上的充电电流,从而克服了过冲电压。对缓冲吸收电路的要求是:尽量减小主电路的布线电感;吸收电容应采用低感吸收电容,它的引线应尽量短,最好直接接在IGBT的端子上;吸收二极管应选用快恢复二极管和快软恢复二极管[4]。缓冲吸收电路如图3所示。
1.5 通信模块
该模块采用高速光耦6N137进行电气隔离,保障各个子系统与监控主机之间的信息可靠传输。MSP430F149自带2个串口通信接口,RS-485总线连接方便,而且具有优良的抗干扰性及可靠的数据传输性能,能很好的满足断路器智能控制的要求。串口通信电路如图4所示。
1.6 电源模块
电源模块采用大功率开关电源,输入交流电源在60%~120%的宽范围波动,当电容电压从0~90 V充电小于10 s,能满足断路器在短时间多次动作而及时给电容补电,保证控制器连续动作可靠性。
2 控制器主程序
单稳态永磁机构控制器的主程序流程图如图5所示。
控制器实时采集各电压、电流量,通过真有效值计算,判断是否有故障或断路器有操作发生,并作出相应的处理。控制器采集电压、电流量通过RMS算法计算,此方法不受波形变化影响。同时为保证采样精度,防止产生混迭效应而使用同步采样来解决。
3 结语
本控制器是采用以MSP430F149为核心的工业控制系统,采集电网的电压、电流信号,开关状态,电容器电压等信息,通过大功率IGBT的可控关断,控制大容量电容器对单稳态永磁机构的分合闸线圈放电实现断路器动作,并且采用RS-485通信实现了与上位监控系统的数据交互,实现了永磁机构真空断路器的智能控制。
参考文献
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