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断路器操作机构的设计与实现

作　者: 王法
导　师: 宋澜
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 断路器操作机构永磁驱动力学测试设计控制方案
分类号: TM561
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

断路器作为控制输电线路通断的一种电气设备,它的性能直接关系到下游电气设备的安全,任何一次断路器故障都有可能带来巨大的经济损失甚至是人员伤亡。因此,开发一种性能优秀的断路器就具有十分重要的意义。理想的断路器要求合闸时间尽量短、合闸的末速度在一定范围内。而要减小合闸时间,就要在合闸开始的瞬间给操作机构的运动部件提供一个很大的吸力让其迅速加速,以减小合闸的用时;要使合闸末速度在一定范围内,就要在合闸的尾段给操作机构的运动部件提供一个很大的斥力来让其适当减速。因此,理想的断路器操作机构在合闸的过程中既要能实现加速又要能实现减速。本文介绍了断路器的发展概况,描述了断路器的操作机构特别是永磁电动操作机构的发展历史,归纳了现有永磁电动操作机构的种类,总结了永磁电动操作机构的性能优势,分析了学者们近年来为提高永磁电动操作机构的操作性能而做出的最新研究。鉴于典型永磁电动操作机构采用电磁驱动,只有吸力没有斥力,在分合闸过程中容易加速、不易减速,分合闸特性不十分理想,而改进的永磁电动操作机构结构较为复杂、可靠性降低,本文从操作机构的工作原理出发,提出了一种永磁驱动、永磁保持的新型永磁驱动操作机构。接着,本文利用MTS809材料试验系统测试出了所选用的10KV真空灭弧室的触头反力。结合所测得的触头反力,利用Maxwell软件对操作机构的磁场及驱动力进行了仿真与优化。在磁路分析的基础上确定操作机构的整体结构并开展详细的机械设计,并最终做出10KV真空断路器原理样机。再利用MTS809材料试验系统对所制作出的原理样机进行驱动力测试。驱动力测试结果表明:10KV真空断路器原理样机达到预期的设计目标。最后,本文分析了断路器继电器控制方式、电子控制方式和微机控制方式的优劣,并最终选择采用微机控制方式来控制所制作的10KV真空断路器原理样机。基于微机控制方式并结合断路器智能化操作的原理,设计并制作了10KV真空断路器原理样机的硬件电路,给出了相应的控制策略,并对整个断路器系统进行了联调。调试结果表明:所制作的原理样机具有良好的操作性能,同时也验证了采用永磁驱动永磁保持方案来设计断路器操作机构的可行性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-22
  1.1 引言  10-11
  1.2 断路器的研究现状  11-17
    1.2.1 断路器的结构及原理  11-12
    1.2.2 断路器的种类  12-15
    1.2.3 断路器的机械特性  15-17
  1.3 操作机构的研究现状  17-20
    1.3.1 操作机构的性能要求  17
    1.3.2 操作机构的种类  17-18
    1.3.3 永磁电动操作机构的研究现状  18-20
  1.4 本文的内容安排  20-22
第2章新型永磁驱动操作机构的结构设计  22-40
  2.1 新型永磁驱动操作机构的原理  22-28
    2.1.1 永磁电动操作机构的最新研究进展  22-25
    2.1.2 新型永磁驱动操作机构的原理  25-27
    2.1.3 新型永磁驱动操作机构的磁路初步分析  27-28
  2.2 新型永磁驱动操作机构的驱动力分析  28-35
    2.2.1 真空室触头反力测量  28-30
    2.2.2 磁场分析软件简介  30-31
    2.2.3 驱动力分析与优化  31-35
  2.3 新型永磁驱动操作机构的机械设计与样机制作  35-36
  2.4 新型永磁驱动操作机构的驱动力测试  36-39
    2.4.1 测试设备及原理  36-37
    2.4.2 驱动力测试  37-39
  2.5 本章小结  39-40
第3章断路器新型永磁驱动操作机构的电路设计  40-56
  3.1 永磁机构控制方式  40-43
    3.1.1 继电器控制方式  40-41
    3.1.2 电子控制方式  41-42
    3.1.3 微机控制方式  42-43
  3.2 电路的整体设计  43-44
    3.2.1 智能化操作的原理  43-44
    3.2.2 电路的整体框图  44
  3.3 各模块的设计  44-55
    3.3.1 DSP 模块的设计  44-49
    3.3.2 驱动模块的设计  49-51
    3.3.3 储能电容模块的设计  51-52
    3.3.4 直流电源模块的设计  52
    3.3.5 反馈信号采样调制模块的设计  52-55
  3.4 本章小结  55-56
第4章断路器新型永磁驱动操作机构的控制与联调  56-64
  4.1 影响永磁机构同步关合的因素  56-58
    4.1.1 控制电压对分、合闸时间的影响  56
    4.1.2 环境温度对分、合闸时间的影响  56-57
    4.1.3 预击穿对分、合闸时间的影响  57-58
    4.1.4 老化对分、合闸时间的影响  58
  4.2 控制律设计  58-60
    4.2.1 开环控制策略  58-59
    4.2.2 闭环控制策略  59-60
  4.3 样机测试  60-63
  4.4 本章小结  63-64
第5章结束语  64-68
  5.1 论文的主要工作与贡献  64-66
  5.2 对今后工作的展望  66-68
参考文献  68-72
致谢  72-74
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  74

断路器操作机构的设计与实现

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