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单极固态断路器的研制

作 者: 娄建国
导 师: 马少华
学 校: 沈阳工业大学
专 业: 电机与电器
关键词: 固态断路器 IGBT PTC热敏电阻 电流变化率
分类号: TM561
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
下 载: 57次
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内容摘要


在电力系统的输配电系统中,断路器是不可或缺的开关保护器件。随着电力电子器件的快速发展,上世纪70年代末断路器家族中诞生了一种新型的产品——固态断路器,固态断路器相较传统机械式断路器因其体积小巧、分断速度快、接通和分断负载不产生电弧等优点在中低压领域得到了快速的发展。但是固态断路器的价格比较昂贵,因此目前在市场应用中还是以传统的机械式断路器为主。鉴于此,设计、研制了一种应用于居民或类似场所对防火、防爆要求高且成本低廉的单极固态断路器。通过对现有各种电力电子开关器件的比较,选择了性价比较高的IGBT作为单极固态断路器的开关器件。与以往研制的固态断路器不同点在于,通过对PTC热敏材料的研究与分析,采用了IGBT串联PTC热敏电阻作为固态断路器的开关。由于PTC热敏电阻材料的阻-流特性,额定电流下PTC热敏电阻相当于电路中的一段导体,阻值很小,基本不会影响到负载的正常用电;而一旦线路发生短路故障,PTC热敏电阻的阻值立刻呈现指数级增长,起到限制短路电流、保护负载的作用。由于固态断路器对不同等级的过载电流有不同的分断策略,以PIC16F876A芯片为核心控制器件,设计了电流信号的实时采集系统。设计了电流变化率的采集电路,multisim10软件仿真结果显示,采用电流变化率来检测短路信号,可以大大提高故障信号的检测速度。根据硬件和软件的设计,制作了单极固态断路器的实验样机并作了相应的实验,实验结果显示,制作的样机可以满足设计的要求,取得了预期的结果。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-14
  1.1 课题研究的背景和意义  10-11
    1.1.1 课题研究的背景  10-11
    1.1.2 课题研究的意义  11
  1.2 课题的国内外研究现状和发展趋势  11-13
    1.2.1 本课题国外研究现状  11-12
    1.2.2 本课题国内研究现状  12-13
    1.2.3 本课题研究内容的发展趋势  13
  1.3 课题研究的主要内容  13-14
第二章 固态断路器的保护原理  14-19
  2.1 信号采集的有效值法分析  14-15
  2.2 过流保护原理  15-18
    2.2.1 过载长延时保护  15-16
    2.2.2 短路短延时保护  16-17
    2.2.3 短路瞬动保护  17-18
  2.3 过热预警保护  18
  2.4 本章小结  18-19
第三章 固态断路器的主电路设计  19-31
  3.1 常见主电路结构对比  19-22
    3.1.1 高分子热敏电阻的工作原理  21-22
  3.2 固态断路器中主开关元器件的选择和设计  22-27
    3.2.1 主开关IMBH60-100 介绍  23
    3.2.2 IGBT 的驱动电路  23-25
    3.2.3 本文所用IGBT 驱动与保护电路  25-27
  3.3 固态断路器的保护电路  27-30
  3.4 本章小结  30-31
第四章 固态断路器控制系统设计  31-51
  4.1 控制系统的硬件设计  31-34
    4.1.1 PIC16F876A 单片机芯片简介  32-33
    4.1.2 控制系统电源电路  33-34
  4.2 控制系统数据采集单元  34-45
    4.2.1 信号采样电路  35-36
    4.2.2 信号滤波电路  36-38
    4.2.3 检测短路信号的微分电路分析  38-41
    4.2.4 微分电路的仿真  41-44
    4.2.5 电压比较电路和参考电压电路  44-45
  4.3 故障显示  45-46
  4.4 控制系统软件的设计  46-50
    4.4.1 A/D 转换程序  46-47
    4.4.2 过流保护功能的实现  47-48
    4.4.3 过热保护预警功能  48
    4.4.4 外部中断R80/INT 程序  48-49
    4.4.5 自动复位程序  49-50
  4.5 本章小结  50-51
第五章 系统实验调试结果与分析  51-57
  5.1 实验的样机装置  51-52
  5.2 实验所用到的设备  52
  5.3 控制系统的调试过程  52-56
    5.3.1 断路器过载长延时实验  53-54
    5.3.2 断路器短路短延时实验  54-55
    5.3.3 断路器短路瞬动实验  55-56
    5.3.4 实验结果分析  56
  5.4 本章小结  56-57
第六章 结论  57-58
参考文献  58-60
在学研究成果  60-61
致谢  61

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电器 > 开关电器、断路器 > 断路器
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