单稳态永磁真空断路器电磁力特性与智能控制研究

摘要

城市化和工业化进程的加快，促使电力事业迅速发展，电网规模不断扩大，一些终端用户如高端制造业等对自动化程度要求很高，为此必须提高供电的可靠性和电能质量。断路器是控制和保护电力系统安全可靠稳定运行的重要设备，其智能控制的实现一直是研究的热点。配备永磁操动机构的真空断路器简称永磁真空断路器，具有结构简单、可靠性高和使用寿命长等优点，近年来在电力行业备受关注。本文的研究对象为单稳态永磁真空断路器的操动机构。在永磁机构动作的过程中，铁芯受到的电磁力变化复杂，呈现非线性，使得永磁机构的运动控制变得困难。本文将充分研究永磁机构电磁力的变化特性，在此基础上制定合适的智能控制策略，以实现对永磁机构运动过程的优化控制。　　本文首先介绍了永磁真空断路器的组成和原理，然后在ANSYSMaxwell平台上搭建了单稳态永磁操动机构的二维电磁场模型。利用有限元分析法通过仿真计算得出永磁机构的静态特性和动态特性，对永磁机构在分、合闸过程中动铁芯的速度、位移、线圈电流、电容电压等进行了分析。随后根据两种电磁力计算理论，结合本模型的实际情况，设计出合适的电磁力计算方法，用动态分析所得的数据计算分、合闸过程的动态变化的电磁力，两种方法计算结果相近，验证了计算方法的有效性和可靠性。然后分析电磁力的变化特性以及改变相关参数产生的影响，并求取电磁力关于线圈电流和动铁芯行程的模型。　　在此基础上，结合相关规程的要求，设计出满足实际工况的理想运动特性曲线，接着以永磁机构动态特性的微分方程组为基础，在Simulink上搭建了永磁机构的控制模型，采用基于RBF神经网络的PID控制器，利用PWM调压改变线圈电流的大小来控制电磁力，进而实现对整个运动过程的优化控制。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 永磁真空断路器国内外研究现状

1.2.2 永磁机构电磁力特性及智能控制国内外研究现状

1.3 本文主要的研究内容

第2 章 断路器操动机构的原理及建模仿真

2.1 永磁真空断路器的结构和原理

2.1.1永磁真空断路器的基本结构

2.1.2永磁操动机构的工作原理

2.2 单稳态永磁操动机构的电磁场计算

2.2.1 电磁场计算基本理论

2.2.2 单稳态永磁操动机构计算模型

2.2.3 永磁体的数学模型

2.3 单稳态永磁操动机构静态特性分析

2.4 单稳态永磁操动机构动态特性分析

2.4.1 单稳态永磁操动机构动态过程数学模型

2.4.2 单稳态永磁操动机构励磁电路及反力设置

2.4.3 单稳态永磁操动机构分闸过程动态特性

2.4.4 单稳态永磁操动机构合闸过程动态特性

2.5 本章小结

第3 章单稳态永磁操动机构动态电磁力特性

3.1 动铁芯电磁力的计算方法

3.1.1 麦克斯韦张量法

3.1.2 虚功法

3.2 两种方法的比较和误差分析

3.3 分、合闸过程动态电磁力的变化特性

3.4 不同电参量对分、合闸过程电磁力的影响

3.4.1 电容参数对动铁芯电磁力的影响

3.4.2 线圈参数对动铁芯电磁力的影响

3.5 永磁操动机构电磁力的查表插值模型

3.6 本章小结

第4 章动态特性曲线的选取与控制

4.1 永磁真空断路器的电气和机械特性参数

4.1.1 永磁真空断路器电气性能参数

4.1.2 永磁真空断路器机械特性参数

4.2 理想的动态特性曲线选取

4.2.1 理想动态特性曲线的要求

4.2.2 理想运动特性曲线设计

4.2.3 永磁操动机构的运动控制方法

4.3 本章小结

第5 章 永磁操动机构运动过程的智能控制

5.1 永磁操动机构控制系统模型

5.2 智能 PID控制

5.3 控制效果

5.4 本章小结

结论与展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文