（控制理论与控制工程专业论文）高压真空断路器双稳态永磁机构智能控制技术的研究.pdf

摘要 论文以电力系统中断路器智能控制技术的实际问题为基点，结合 国家技术创新计划项目“1 0 k v 户内交流金属封闭智能型真空环网开 关设备”子项一永磁机构微机驱动智能控制器的研制，深入研究了高 压真空断路器双稳态永磁机构智能控制技术。 论文首先分析了双稳态永磁机构在真空断路器开断和关合过程中 的静态磁场耦合模型、动态分析数学模型和真空断路器的动态特性； 在此基础上通过数值计算初步得出了永磁机构电感等电磁参数、通电 电流与动铁心运动时间之间的关系以及永磁机构动铁心位移、速度等 参量与时间的关系；然后重点分析了基于永磁机构真空断路器的同步 关合问题，深入研究了同步关合的模糊神经网络控制技术，研究结果 为最终实现真空断路器的同步关合奠定了基础。论文根据市场的需 求，设计了一种基于m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的高压真空断路器双稳态永 磁机构智能控制系统，这种控制系统集保护、控制、测量、开关量监 测等功能于一体。可实现对电压、电流、有功功率、无功功率的实时 监测，具有过电流速断保护、过电压和欠电压保护、闭锁、自诊断以 及报警等功能。 论文最后按照型式实验要求对高压真空断路器双稳态永磁机构 智能控制系统进行了单分单合、分合分、重合闸以及1 0 k v 高压等实 验。实验结果证明了该永磁机构智能控制系统的可靠性，为进一步研 究断路器同步操作的问题提供了重要数据，为深入研究永磁机构的控 制理论奠定了基础。 关键词永磁机构，真空断路器，智能控制，模糊神经网络 a b s t r a c t t h ep 印e ri n t m d u c e sak i i l do fi n t e l l e c t u a l c o n 打o l t e c l u l o l o g yo f t h e v a c u u mc i r c u i tb r ea ：k e rw i t hb i - s t a b l ep e 咖a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r i t b a s e so na p r a c t i c a lp r o j e c ti np o w e rs y s t e m i nt h i sp a p e f ，t h ei n t e l l e c t u a lc o n 扛o lt e c h n o l o g yo fv a c u u mc i r c u i t b r e a k e ri sd i s c u s s e dp a r t i c u l a 订y a sac o n 扛d l o b j e c t ， t h eb i s t a b l e p e m a n e n tm a g n e t i ca c t u a 圭o r i s s e p a r a t e di n t ob a s i cp f i n c i p l e s oa st o d e t e m l i n em en a t u r eo ft h ew h o l e t h e d i r e c t c o u p l e d m o d e l so f m a g n e t i cf i e l d sf o ra n a l y s i sa n df b rc a l c u l a t i o na r ep r e s e n t e d t h es t a t i c a 1 1 dd y i l a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm em o d e l sa n d d ) ，1 l a m i cb e h a “o ra n a l y s i s f o rt h ev a c u u mc 硫u i tb r e a k e rw i t hb i s 也l b l e p e r m a n e n tm a 印e t i c a c t l l a t o ra r ea l s od i s c u s s e d n u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni sa d o p t e dt oc o n c l u d e m ec o n n e c t i o no ft l l ei n d u c t a n c e ， s u p p l y i n g c u r r e m ，m o v e m e n tt i m eo f m e p l 肌g e r a l l dt h ec 0 1 1 1 1 e c t i o no f t h ed i s p l a c e m e n to f t h ep l u n g e r ，s p e e d 狃dm o v e m e n tt i m eo ft h ep l 吼g e r f o ra 如恤e rs t u d y ，f u z z yn e l l r a l n e t w o r kc o n 仃o lt e c h n o l o g yb a s e d0 ns y n c h r o n 协d - c l o s i n g0 p e r a t i o no f v a c u u mc i r c u i tb r e d k e ri sa n a l v z e da n dm er e s e 础c o n c l u s i o ni su s e d f o rr e a l i z i i l gt h es y l l c h r o n i z e d - c l o s i n go fv a c u u i nc i r c u i tb r e a k e ri n 协e f i l t u r e a c c o r d i n gt ot 1 1 ed e m a n do fm a r k e t ，t h ec o n 仃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 3 0 f 1 4 9f b r i n t e u i g e n t b r e a k e ri s f o c u s e da n dm a 玎y 如n c t i o n ss u c ha sp r o t e c t i o n ，c o i l 仃0 1 ，m e a s l l r e m e n ta r e c o v e r e d t h es i g l l a l so fc u r r e m s ，v 0 l t a g e s ，a c v ep o 、v e ra 1 1 dr e a c t i v e p o w e ra r em o n i t o r e di nr e a lt i m e t h ec o n t m l1 l i l i tc a nn o to n l yc o n 缸o l o p e n i n gc l o s i n g0 p e r a t i o n o fc i r c u i tb r e a l ，e r b u ta l s oh a st t l e 劬c t i o n s o fo v e r - c u r r e m u n d e r v o l t a g e t r i p ，c l o s i n g o p e i l i n g i n t e r l o c kf o r m a l o p e r a t i o na n dd i a 萨o s i s 锄dw a r 衄呜f 研m e f 缸l l l r eo fm eo p e 谢o n s y s t e m i nt h ee n d ，s o m er e s u l t sa n dt e s td a t a 行o me x p 谢m e n t so nt h e v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r 、) l r i mi i l t e l l e 咖a lc o n 仃o lu n i ta r ep r e s e r l t e d w “h t l l er e s u ho fe x p e 而m e m a t i o n ，t h er e l i a b i l i t yo f i n t e l l e c t u a lc o i l 仃o lu n i ti s v 盯i f i e d f u r t h e r m o r e ，s o m ei n l p o r t a n t 讹a r eb e n e 丘c i a l t o 如r t h e rs t l l d y o ns y n c h r o n i z e d c l o s i n go fv a c u u mc i r c u i tb r e a k e ra j l dc o n 仃o lm e o 叫o f p e n n a n e n tm a g n e t i c a c t u a t o r k e yw o r d s p e n 】1 a 1 ：l e i l tm a g n e t i ca c t u a t o r ，v a c u u m c i r c u i tb r e a k e r ， i n t e l l i g e mc o n n 0 l ，f 娩z yn e u r a ln e t 、v o r k 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 _ _ i ：= 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在论文中作了明确的说 明。 作者签名：虽盥日期：丛年i 月旦日 关于学位论文使用授权说明 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，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；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：恿鳋导师签名幺e 曼日期：丝年至月盟日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 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，人们对电力的 需求愈来愈大，这促使电力事业迅速发展。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“3 。 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。研究高压 真空断路器双稳态永磁机构智能控制技术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。 本课题来源于2 0 0 2 年国家技术创新计划项目“l o k v 户内交流金属封闭智能 型真空环网开关设备”( 编号0 2 c j _ 0 6 一。卜n ) 子项一真空开关永磁机构微机驱 动智能控制器的研究。 1 1 真空断路器智能控制技术的研究现状 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。1 ，自用于电 力系统以来，便以其重量轻、结构简单、使用寿命长、几乎不需要维护检修、 无爆炸危险，尤其是不会对环境造成污染等优点得到迅速发展。1 ，成为中压开关 领域的主流产品，并不断向高压领域发展。 传统意义上的断路器是一个被动执行开断和关合线路的装置，其操作指令 来自于人工命令或继电保护单元，断路器本身无检测、判断电力系统故障和监 视自身状态的能力。随着现代电子技术的发展，利用微电子技术和计算机技术 不但可以使断路器通过测量某些参数和监测自身的状态来及时发现故障隐患， 而且可以对电力系统参数进行自动采集、处理和故障识别，并根据预先确定的 程序自动切除故障。除此之外，还可实现断路器与中央控制计算机的双向通信， 构成智能化监控、保护、信息网络系统，使断踌器从基本的保护单元发展到能 够实现数据监控、处理、联网和远程控制的智能保护单元。 对于断路器的这种智能化趋势，国际上提出了“智能断路器”( i n t e l l i g e n t c i r c u i tb r e a k e r ) 的概念“1 ，国内也提出了断路器智能化的概念。相关的新 产品中较典型的有适应于中压系统( 1 0 3 5 k v ) 的“智能开关模块”( i n t e l l i g e n t s w i t c h i n gm o d u l e ) “1 ，这无疑是断路器的智能控制方面取得的重大进步。 里兰堂焦堡苎一 蔓二兰箜笙 1 。2 课题的提出及研究的意义 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与分闸功能是不够的。而要从配电系统功能优化的 角度综合实现馈线监测、馈线保护等新功能。目前的智能断路器主要能够实现 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”1 。断路器 可以根据电网或控制室的信息判断是否动作和动作的时刻，但是不能根据电网 信息来对断路嚣本身的开断或关合动作进行智能控制0 1 。而本文所述的智能控制 技术不仅包括对断路器外围的智能控制功能，还研究断路器动、静触头在控制 系统的作用下，使电力设备在对自身和系统冲击最小的情况下投入运行的控制 技术，这就涉及到断路器动触头运动规律与其操动机构特性的关系。 由于传统的真空断路器操动机构( 电磁式和电动弹簧式) 是由复杂的传动 机构组成的机械系统，其运动时间分散性大、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。近年来，一种用于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) 备受关注。永磁机构通过将电磁机构 与永久磁铁特殊结合来实现传统断路器机构的全部功能，其最大特点在于它无 须传统的脱扣和锁扣装置即可实现机构终端位置的保持功能。永磁机构动作部 件少，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。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， 这一领域内的理论还远未成熟，实质性的反映技术关键的理论研究和成果还未 见公开报道。因此有必要结合永磁机构智能控制技术的研究，深入分析永磁机 构技术的电磁机理和控制理论，并在理论与实验研究相结合的基础上，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 3 本文的主要工作和章节安排 本文的研究工作是国家技术创新计划资助项目的子项，主要进行高压真空 断路器双稳态永磁机构智能控制技术的研究，期望通过把永磁机构技术原理与 先进的高压真空断路器智能控制技术相结合，实现对高压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。 2 硕士学位论文 第一章绍论 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( 双稳态) 和弹簧操动( 单稳态) 两种形式。由于断路器分闸和合闸过程中的负载特性是 不同的，要求的速度特性也不同。单稳态永磁机构中只有单独一个线圈，匝数 一定，难以很好地实现分闸和合闸操作，并且励磁电流在分闸和合闸时方向不 同，使得控制回路的设计比较复杂，因此论文主要研究配双稳态永磁机构的高 压真空断路器智能控制技术。 论文的章节安排如下： 本文共分五章。第一章介绍了国内外高压真空断路器智能控制技术的研究现 状，指出了课题的来源和研究的意义，介绍了本文的主要研究内容。第二章介 绍了双稳态永磁机构的工作原理，分析了双稳态永磁机构的结构和磁路。第三 章描述了永磁机构的静态磁场耦合模型、动态分析数学模型和真空断路器的动 态特性，介绍了断路器的同步关合操作，分析了同步关合的模糊神经网络控制 算法。第四章给出了真空断路器智能控制系统的总体设计方案，详细说明了智 能控制系统各硬件模块的作用及功能，并按模块对控制系统软件迸行了说明和 描述。第五章详细记录了智能控制系统型式实验的实验现象和实验数据。结束 语总结了论文的工作和研究成果，并对课题的进一步发展提出了展望。 里生兰堂羔受王一 塑三皇翌垦查查壁垫塑堕里 第二章双稳态永磁机构原理 2 1 传统操动机构与永磁机构的比较 断路器的全部使命，归根到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优劣直接影响高 压断路器的工作性能和可靠性。从国际、国内断路器的故障统计数字来看，断 路器的机械故障占大多数，高达故障的7 0 0 1 。因此，为了提高断路器的可靠 性，有必要研制新的操动机构。 传统的真空断路器操动机构有电磁式和电动弹簧式两种。靠电磁力合闸的 操动机构称为电磁操动机构。电磁操动机构在真空断路器发展初期得到了广泛 应用，这是由于电磁操动机构较好地迎合了真空灭弧室的要求：一是开距小( 8 2 5 咖) ，二是在合闸位置需要大的操作力( 2 0 0 0 4 0 0 0 n 相) 。其零件数量约为1 2 0 个，工作可靠，制造成本低。然而电磁操动机构也有不容忽视的缺点：其磁路 电感三在合闸过程中变化较大，产生反电动势，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面增强。这样，当线圈的稳态电 流已经较大时，若想用提高线圈稳态电流的方法来抵消这种抑制作用，常受合 闸电源容景的限制。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，直流电磁操动机构合闸时间较长，电源电压波动对合闸速度影 响较大。因此传统电磁操动机构一般用于对速度要求较低的1 2 k v 等级以及分合 闸速度要求不太高的如5 k v 等级的真空断路器中。传统的电磁机构的最大缺点 是操作电流大，因而要求用户配备价格昂贵的蓄电池组，使用不方便。 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枫储能，其合闸力不受电源电压影响，相当恒定，既 能够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以下不足之处：完全依靠机 械传动，零部件数量多，一般弹簧操动机构有约2 0 0 个零件，且传动机构较为 复杂，故障率较高，运动部件多，制造工艺要求较高。 永磁机构是近年来发展起来的一种新型操动机构。这种操动机构将电磁机 构与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 4 硕士学位论文 第二章双稳态永磁机构原理 在合闸位置或分闸位置，雨无须任何传统的脱扣和锁扣装置。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1 ，因此可以直接与灭弧室相连。 该机构体积小、零部件数量少、结构简单，大大提高了断路器的机械可靠性。a b b 公司研制生产的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指标m 。 2 2 双稳态永磁机构的结构及工作原理 典型的双稳态永磁机构的结构原理简图如图2 一l 所示“2 ”1 。 图2 1 双稳态永磁机构结构原理图 l 一静铁心2 一动铁心3 、4 一永磁体 5 一合闸线圈6 一分闸线圈7 一驱动杆 从图中可以看出，永磁机构共由七个主要零件组成：1 是静铁心，为机构 提供磁路通道；2 为动铁心，是整个机构中最主要的运动部件：3 、4 是永久磁 体，为机构提供保持时所需要的吸力；5 、6 为合闸线圈和分闸线圈；7 是驱动 杆，为操动机构与断路器传动机构之间的连接纽带。 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、 静铁心提供的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，动铁心在合成磁场 力的作用下上下运动，并通过传动杆及传动机构推动断路器本体的动触头运动， 完成分合任务。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。 而传统的电磁机构，动铁心是通过弹簧的作用被保持在行程的一端，而在行程 的另一端，靠机械锁扣或电磁能量进行保持。由上述可知，永磁机构是通过将 硕士学位论文 第二章双稳态永磁机构原理 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：由永久 磁铁代替传统的脱扣和锁扣机构来实现极限位置的保持功能，由分合闸线圈来 提供操作时所需要的能量。 双稳态永磁机构的原理如图2 2 所示。其静铁心l 的中部镶着永磁体4 和5 ， 两个永磁体的同名磁极向着中心。永磁体的下方和上方分别安装着合闸线圈6 和分闸线圈3 。动铁心2 位于永磁体和静铁心上下磁极之问。动铁心上的驱动杆 9 穿过静铁心。此驱动杆可直接用来驱动断路器作合闸或分闸运动。 合闸状态分闸过程 图2 2 双稳态永磁机构操作过程原理图 l 一静铁心2 一动铁心3 一分闸线圈4 、5 一永磁体6 一合闸线圈 7 一下磁极8 一上磁极9 一驱动杆 i 一永磁体磁场一合闸励磁磁场一分f 前励磁磁场 动铁心理论上有三个平衡状态：其一为动铁心位于静铁心的最上方，动铁 心的上端与静铁心的上磁极接触，见图2 2 中左上角分闸状态图。其二为动铁 心位于静铁心的最下方，动铁心的下端与静铁心的下磁极7 接触，见图2 2 左 下方合闸状态图。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。在合闸状态时，与分闸状态相反，永磁体 6 止闸蚓一一勰坫牲确一罐 硕士学位论文 第= 章双稳态永磁机构原理 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。 第三个平衡状态是对于上下结构对称的机构，动铁心位于静铁心的中部，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。但这是一种不稳定平衡，只要上下气隙有 微小变化，就会破坏这种平衡，过渡到第一种或第二种平衡。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。正因为如此，图2 2 所示的 这种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赢流电流，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 i 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( 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。动铁心下向上的合力增大，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，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。 永磁体在受到强烈的反向磁场作用时，其磁性能会降低，这就是永磁体的 退磁。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。文献 1 4 证明双稳态永磁机 构磁系统在工作中无怯磁效应，永磁体没有退磁的危险。 2 3 双稳态永磁机构的磁路分析 2 3 1 磁路分析 双稳态永磁机构的磁路图如图2 3 所示，这是永磁机构的一种典型磁路。 磁路中的磁动势肼。及磁阻也组成钕铁硼永磁体的等效磁路，由于钕铁硼材料 7 硕士学位论文 第二章双稳态永磁机构原理 的去磁曲线基本上是一直线，因此眠与r 取常数，其中，为线圈电流。卅为 线圈匝数。 f 币， l 咖 图2 3 双稳态永磁机构磁路 磁路中上下两个控制线圈的安匝数分别设为巩和巩， 的磁阻r ，r 均可表示为 尺：旦 风s 式中，风为空气磁导率；s 为磁极面积， 两个极端位置时，空气隙的磁阻为r 和r r = 嘉 上下两个工作气隙 ( 2 1 ) j 为空气隙长度，当动铁心位于 ( 2 2 ) r 。：生 ( 2 3 ) o 社o s 式中，磊为最小气隙长度，吒为最大气隙长度，磊 瓯。 为了便于求解磁路，假设磁路为线性，采用叠加定理可将图2 3 的磁路分 解为图2 4 三个磁路的叠加。 网三国魍二 图2 4 双稳态永磁机构磁路的叠加 在图2 4 的三个磁路中，每个磁路的总磁阻分别为 8 硕士学位论文 第二章双稳态永磁机构原理 如= 盟器产 耻盟半 月一墨! 垦墨垒垦堡 “ r 1 + 民 由巾= 等及分离后得出 中。= 矾r 中。2 = ，r 中。= 巩阮+ r ) m 。：= “b 中2 l = ，2 心 巾。= 由叱化+ 吃) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 式中，= r 。r 十r 风+ r r l 、当动铁心处于上部吸合位置时，即动铁心的上端与静铁心的上磁极接触。 此时要使其合闸，也就是使动铁心向下运动，就要在合闸线圈中通以电流。因 此在通电的瞬间，z 1 = o ，z = z 。相应的由图2 4 可得出上下气隙的磁通 为3 中l = 中。l m 2 1 ； 中2 = 由2 2 + 。2 ( 2 1 3 ) 将式( 2 7 ) 、式( 2 - 8 ) 、式( 2 一) 、式( 2 一1 2 ) 代入得 巾l = a 砜b 一刷巩】 ( 2 1 4 ) 凸 1 中2 = 州乜+ r ) + 矾r ( 2 一1 5 ) 凸 2 、当动铁心处于下部极端位置时，即动铁心的下端与静铁心的下磁极接触， 此时要使其分闸，也就是使动铁心向上运动，就要在分闸线圈中通以电流。因 此在递电的瞬间，z m = ，j = o 。由图2 - 4 可得出上下气隙的磁通为 垂l = 中l l + 中，im 2 = 垂。2 一m 1 2 ( 2 一1 6 ) 将式( 2 7 ) 至式( 2 一l o ) 代入上式得： 面l = ，( b + r ) + 矾r 】 ( 2 一1 7 ) 硕士学位论文 第二章双稳态永磁机构原理 2 = 【肼。一删r ( 2 1 8 ) n 3 、当动铁心仅位于静铁心的中部，永磁体通过上部和下部气隙的磁阻月，、 恐完全相等，动铁心的上端和下端受静铁心的吸力完全相等，但这是一种不稳 定的状态，而且动铁心在合闸和分闸过程中都要经过这种状态，并且只要上下 气隙稍有变化，就会破坏这种状态，过渡到上面两种状态。另外电流也在交化， 因此此处无实际意义上的磁路分析。 23 2 永磁机构的始动安匝 当永磁机构的动铁心处于上部吸合位置时，即处于分闸状态。要使其合闸， 只要在合闸线圈中通以电流，使上部气隙磁通降低，动铁心向上的吸力r 随之 减少：与此同时，下部气隙磁通增加，动铁心向下的吸力凡增加。当电流增大 到一定值时，动铁心所受的吸力之和小于等于动铁心上的机械负载e ，这时动 铁心将向下运动。若设e = o ，则一i b 。因为吸力f 正比于西，所以有 i 西li = l 中2l ( 2 1 9 ) 将式( 2 1 4 ) 、式( 2 一1 5 ) 、式( 2 一1 7 ) 、式( 2 1 8 ) 代入式( 2 一1 9 ) 中，求 解z v 值，此z 值即为动铁心在上部和下部两种极限位置下的始动安匝z m n l 、动铁心位于上端极限位置，给合闸线圈通电，由此可知跳= 0 ，并得出 巩。= 砜箍 2 0 ) 2 、动铁心位于下端极限位置，给分闸线圈通电，由此可知m = 0 ，并得出 蹦s 圳。糕 z 1 ) 2 4 小结 本章首先对传统操动机构与永磁机构进行了比较，列举了传统操动结构存 在的缺点和永磁机构的优点。然后详细介绍了双稳态永磁机构的结构和工作原 理，分析了永磁机构的磁路，给出了控制线圈在分闸和合闸位置的始动安匝， 为对永磁机构的控制和进一步的优化设计提供了原理上的依据。 1 0 硕士学位论文 第三章系统建模和控制算法研究 第三章系统建模和控制算法研究 永磁机构高压真空断路器的智能控制一方面包括断路器外围的有关检测、 保护、控制、通讯等功能，另一方面包括断路器本身运动方式的智能控制。外 围的智能控制的关键在于对电网信号的采集、分析和相应的保护措施，其控制 系统不需要建立复杂的模型。但断路器本身运动方式的智能控制技术( 如同步 关合) 涉及电、磁、机械的相互耦合作用以及温度、老化等各种干扰的影响， 其数学模型的建立比较复杂。本章研究了永磁机构的电、磁、机械运动等数学 模型以及断路器的相关模型，并研究了永磁机构真空断路器同步关合的控制问 题与控制算法。 3 1 永磁机构的建模 3 1 1 永磁机构静态磁场模型 l 、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，因此对 机构中电磁场变化的研究对合理设计永磁机构及其控制系统具有重要意义。由 于机构中存在具有饱和效应的铁磁材料，磁导率耀感应强度值曰的函数“”，即 = ( b ) = 肛( v a ) ( 3 一1 ) l 由麦克斯韦方程组可推得非线形磁场的偏微分方程为 v z 。a ：一 ( 3 2 ) v 2 a = 一二 ( 3 2 ) 式中，为源电流密度，y 为磁阻率，4 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( 3 2 ) 可展开为 昙( y + 参( y 等) 一 浯。， 边界条件为：一类边界上4 = 一柏t 二类边界上l ，警= 一e 式中，届一磁场强度的切向分量；矿一边界法向方向的单位向量。 采用二维场域计算时，爿和j 均只有一个方向的分量。 硕士学位论文 第三章系统建模和控制算法研究 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 砟，而且还能被外磁场磁化，其特性满 足 曰= + m ) = + m ，+ m ) ( 3 4 ) 式中，日是永磁体工作点的磁场强度；占是永磁体工作点的磁感应强度；“ 是真空的磁导率：肼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 _ 艏r ( 3 5 ) 式中，z 为永磁体的磁化系数，它与相对回复磁导率从之间存在固定的关系： ，= 1 + z 将式( 3 5 ) 代入式( 3 4 ) 得 b = p ，；h 口h 七“口m ? 3 6 ) 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，永磁体内部点上的埘及 方向都相同，永磁体内的等效体电流密度为零，而在平行于尬的永磁体侧面上， 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， 4 出现不 连续。等效面电流可用面电流密度以来表示： j ：丝! 翌 ( 3 7 ) 。 地 式中刀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： 陆争陆黔 净s ， 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“”，即 硕士学位论文第三章系统建模和控制算法研究 f = 甄：p d s ( 3 9 ) 图3 一l 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o 、p 、q 处 的矢量磁位己求出，则三角形单元上任一点的磁位4 g ，y ) = ，4 ，如) 。三角 形元素的磁感应强度为 b = 阳蹦 ( 3 一l o ) 计算在元素e 中的表面应力p p 2 去。馏归一去酽竹 - 1 d “n三”o 式中，门为沿积分表面s 法线方向的单位向量。 总的电磁吸力 f = p f 蝇 ( 3 _ 1 2 ) 式中，& 为元素e 中沿积分表面途径的表面积。 图3 1 动铁心受力计算示意圈 方形永磁机构关于图( 3 一1 ) 所示y 轴对称，作用在动铁心y 轴左右两部分 的电磁力晟大小相等、方向相反，在合理设计永磁机构结构的前提下可使x 方 向电磁力凡数值很小，对机构动作不会产生不良影响。 硕士学位论文 第三章系统建模和控制算法研究 3 1 2 永磁机构动态分析的数学模型及求解 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“。研究永磁机构的动态过程的目的在于： 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，使之既保证动作的可靠性， 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 对于永磁机构，可以采用两种不同的励磁方式，如图3 2 所示1 。图3 2 a 为直流电压励磁下的电路简图，3 2 b 为用充电电容放电时的励磁电路。 甜甜 图3 2 a ) 直流励磁电路 励磁电路 b ) 电容放电励磁 永磁机构的动态过程，在电路上必须遵循电压平衡方程，在运动上必须遵 循达朗贝尔运动方程，在磁场上必须遵循麦克斯韦方程，以及在热路上遵循热 平衡方程，这些方程间存在相互的联系，构成了描述动态过程的微分方程组。 对于充电电容放电励磁下的机构，其计算动特性的微分方程组见式( 3 一1 3 ) 所示“。对于直流电压励磁下的机构，计算动特性的微分方程组仅少了方程 i = 一c d u ： d i 。 1 4 里垡! 垄! 堕 苎三兰墨竺塞堡塑笙型兰堡! 窒 2 识p ) + 警 f ：一c 盟 盔 肼窘破。一哆( t 妄) c 。一 = 一( j ，j ) 巴。= 五眈) 警毛岛“，以) 式中，是直流电压，配是电容两端电压；i ，v 分别是线圈电流和电磁系 统全磁链；f 是时间；历是系统运动部件归算到铁心处的质量；x 是动铁心位移； r 。，毋分别为铁心受至的电磁吸力和运动反力，弹簧负载反力是位移x 的函数， 而空气阻力则是速度的函数：彬：是电磁系统的磁能，是f ，妒的函数；占，鼠分 别为线圈工作温度和周围环境温度；p 是永磁机构的功耗；f 是电容的电容量； d 0 ，日。分别为线圈外径和高度。 由上述方程组可以看出，永磁机构动态过程包含着电、磁、热和机械参量 的变化，其中以热的变化最小，主要由于动态过程历时极短( 一般机构的动作时 间为几十毫秒) ，电磁系统又存在热惯性，所以d 善出项极小，可忽略不计。“。 为此动态微分方程组( 3 1 3 ) 可转换为如下描述机构吸合特性的状态方程组 ( 3 1 4 ) ： 塑：玑一小 生：! ：尘型 盘j靠 出 硪 ( 3 1 4 ) d u c i 出一c 纠，。= ，叫，；。= v 。= o ，x 。= 岛= o ，j 。= 。 式中，v 为动铁心的运动速度。求解方程组( 3 一1 4 ) 可以获得永磁机构的动态 1 5 硕士学位论文 第三章系统建模和控制算法研究 特性。 2 、永磁机构动特性微分方程组的求解 忽略铁心中涡流，式( 3 一1 4 ) 及其初值条件可以直接用数值法求解，将时间 变量f 离散化，用四阶r u n g e k u t t a 法求解，对每一时间步长出可以采用如下 的迭代格式 r “：彬+ 譬o ，+ 2 后：+ 2 | 】 ，+ 吒) iv 。：v 。+ 譬( 厶+ 2 三：+ 2 厶+ 厶) ( 3 一1 5 ) 1 = 薯+ 警，+ 2 鸠+ 嘶，+ 心) o 1 - + 警( 。+ 2 ：+ 2 3 + 4 ) 式中，f 一 + 一 ，白、句、m 和m ( 户l ，2 ，3 ，4 ) 分别是f 内四个不同点上 的变化率警、老、砉、警，它们的计算公式为 r 七j 2 u 一琥i 锄屿，p + b 铀，”h 胁猡。：u 。+ 6 m 。 j 与= 警k ，”吣似。泞 1 im ，“h 嘶u l m = 一专b 吨，竹+ ，+ 怛，阽u 。+ 叫。 r 矗l = o 式中， 驴吃= 等 【 九：f 3 、求解电磁场逆问题的算法 求解式( 3 一1 4 ) 的关键在于求解式( 3 1 5 ) 和式( 3 一1 6 ) 问题，而式( 3 一1 4 ) 中的 变量f ，凡。是在以、尺、c 、m 以及毋都是给定的条件下的妒、x 的函数。因此， 其求解实质是在己知磁系统的磁链y 和给定衔铁位移茁的条件下，反求电流j 及 吸力f k 。的闯题。对于这样一个电磁场反求问题可描述为如下一个一维搜索的 数学问题： 设 = ，o ) ( 3 1 7 ) 1 6 硕士学位论文 第三章系统建模和控制算法研究 求“，使 + l = 瓴+ 1 ) ( 3 一1 8 ) 式中，阪+ ，为已知值，函数，g ) 为一非线性函数。 对于这里需要解决的电磁场反求问题，由于与f 之间无明确的数学表达 式，因而无法用解析的方法求解，只能采用数值解法。可以采用收敛速度较快 的牛顿法来求解电磁场逆问题，具体求解算法如下。 对式( 3 一1 8 ) 可变形为“+ ，) 一虬。= o ( 3 一1 9 ) 设函数 妒o ) = ，( f ) 一。 ( 3 2 0 ) 于是所要求解的一维搜索问题变为求k + 。使 伊瓴+ 。) = ，仅+ 。) + 。= o ( 3 2 1 ) 采用牛顿法的迭代格式为 k 寸搿 仔2 2 ) 当步长足够小时，伊纯) 可用下式近似表示 也) ：唾净必：b 警尊蚓 ，、一：卜i k 一7 一1 ( 3 2 3 ) ：亟! 二鱼= ! ! ：坠二丝= ! 、。 t + 。= 一上! 也k 一+ 。】 弘一毕， ( 3 2 4 ) 当f 瓴+ ，) 一帆。f s ( f 为预先给定的小正数即控制误差) 时，迭代终止， 以+ j 作为近似最优解。 3 2 永磁机构真空断路器动态特性分析 前面分析了永磁机构电、磁、运动耦合场的方程及求解方法。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，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。 1 7 硕士学位论文 第三章系统建模和控制算法研究 对图3 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3 1 5 0 a ，额定短路开断电流3 l - 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。v t ；、v k 、v l 为三个晶闸管开关，控制电路的导 通和电流的流向。v d 。、v d 。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3 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l o 一绝缘筒( 带灭弧室) l l 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v t 。处于导通状态，v l 、v t a 均处于 截止状态。直流电压u 经过v t ，向电容充电。当给晶闸管v t 3 的基极施加触发信 号使之导通时，放电回路导通，电容c 经v r 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v