基于SOC的永磁型欠压脱扣器的研究与设计

摘要

在科学技术飞速发展的今天，随着计算机技术的发展以及大量新型高性能的电子元件、控制器件的出现，一些新的控制方法应运而出。这种发展反映在各个领域，使得智能化技术发展十分迅速。目前，在低压电器中采用智能化技术是一种流行趋势。 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。作为断路器中的核心元（配）件，欠压脱扣器的高可靠性设计可以大大地提高断路器的可靠性。 本课题在分析和总结国内外欠压脱扣器智能化研究现状的基础上，提出了采用SOC（片上系统）控制的基于永磁机构的欠压脱扣器。在本课题中，脱扣器仅在需要动作时，电路输出瞬时功率，驱动线圈（吸合或释放）动作，并有永磁磁场保持衔铁工作位置。采用一定技术措施后，大大降低了电路的平均功耗，整个电路处在m W级功耗水平。达到了低温升、高可靠性、高稳定性之目的。这对提高低压断路器的性能，向更高的技术性水平发展有一定的意义，一旦转换成成熟产品，也为我国电力工业的发展起到重要作用。 本文在分析了永磁性脱扣器优点的基础上，首先对永磁机构的工作原理与动作特性做了研究，然后对相关算法，关键硬件电路和软件设计，作了详尽介绍。 在硬件电路设计中，基于产品体积限制的考虑，在满足控制要求的前提条件下，尽可能将相关电路简化。选择AVR单片机，利用其丰富的内部资源为该设计小型化提供了可能性。此外，考虑到脱扣器工作时电磁环境十分恶劣，强调了电路设计的抗干扰性和可靠性。 在软件设计上主要对远控操作，数据采样，通讯过程，欠压脱扣处理等方面作了详细的介绍。还对软件设计中可靠性设计进行了一些有益的探索，并在本系统软件的设计中得到了体现。 综合硬、软件设计，在反复调试和改进的基础上，最终完成了本课题。最后对本课题进行了总结，提出了不足和改进目标。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 概述

1.2 欠压脱扣器简述

1.3 欠压脱扣器的研究现状及发展趋势

1.4 课题背景和研究意义

1.5 论文的主要研究内容

1.6 论文结构安排

第二章 永磁机构原理分析与设计

2.1 永磁机构的结构及工作原理

2.1.1 永磁机构基本结构

2.1.2 双稳态永磁机构动特点

2.2 磁路原理分析

2.3 静态特性研究

2.3.1 永磁机构静态磁场计算模型

2.3.2 电磁吸力的计算

2.4 动态特性研究分析

2.4.1 动态过程数学模型的建立

2.4.2 动态过程数学模型的求解

2.4.3 动态过程分析

2.5 双稳态永磁机构设计

2.5.1 脱扣器结构设计

2.5.2 控制线圈设计

第三章 算法介绍

3.1 采样滤波算法

3.2 电压信号检测算法

3.3 谐波分析算法

3.3.1 谐波的危害分析

3.3.2 谐波的数学模型

3.3.3 谐波的计算方法

3.4 保护算法

第四章 硬件设计与实现

4.1 系统技术指标

4.2 系统硬件结构原理

4.3 核心芯片的选择

4.4 硬件电路设计

4.4.1 整流滤波电路

4.4.2 电压采样电路

4.4.3 电容充电电路

4.4.4 远程输入电路

4.4.5 AVR单片机接口电路与拨码开关电路

4.4.6 485 通讯接口电路

4.4.7 线圈驱动电路

4.4.8 电源电路

4.5 电磁兼容抗干扰技术

第五章 系统软件设计与实现

5.1 概要

5.1.1 软件开发工具介绍

5.1.2 软件的功能和参数

5.1.3 软件总框图

5.2 软件设计

5.2.1 初始化与自诊断

5.2.2 远控处理子程序

5.2.3 通讯子程序

5.2.4 采样子程序

5.2.5 欠压脱扣子程序

5.2.6 FFT子程序

5.2.7 休眠模式

5.3 软件可靠性设计

5.3.1 提高软件可靠性的途径

5.3.2 本系统中的软件可靠性保障手段

第六章 试验参数

第七章 总结

致谢

参考文献

附录

作者在硕士学习期间发表的论文