1、前言智能選相工作原理智能選相的工作原理以斷路器選擇在 0°合閘為例。圖 1描述了選擇系統電壓初相角為 0°時進行選相合閘的動作過程。其中, Tt 為目標合閘時間; Td 為延遲時間; Tc 為斷路器的合閘時間。斷路器在接到合閘指令后, 計算出距離指定合閘相角的合閘時間 Tc和延遲時間 Td, 在經過 Td 的延遲時間后啟動斷路器的操動機構進行合閘操作, 使觸頭在指定相位合閘。電壓合閘指令觸點閉合合閘信號,T-c. 圖1永磁機構永磁操作機構技術是本世紀初的最新技術。1992 年前后英國開始將永磁操動技術在工業上應用。1998 年在德國漢諾威博覽會上配備永磁操作機構的真空斷路器

2、樣品首次亮相, 引起了電器行業各制造公司的極大重視。它所配備的永磁操作機構是一種雙穩態雙線圈結構, 采用電容器作為放電元件, 可用在 10kV 系統的產品上。永磁操作機構的工作原理和結構設計, 是通過將電磁鐵和永磁鐵相結合, 實現傳統斷路器操作機構的全部功能, 無需機械脫、鎖扣裝置, 即可實現機構終端位置的保持功能, 因此它是一種全新的技術。永磁機構實現了應用控制器來控制斷路器的分合閘相位, 完成同步關合的控制, 減少過電壓和涌流對系統的沖擊, 實現了智能化。永磁機構故障源少, 具有較高的可靠性和一般長達十萬次的使用壽命,并可實現免維護運行, 提高了系統的整體長壽命。因此永磁操作機構成為智能選

3、相真空斷路器的必然選擇。單穩態永磁機構的原理是當機構處于合閘位時, 線圈中無電流通過, 由永磁作用使動鐵心保持在上端, 分閘彈簧受壓為分閘儲能。分閘時, 在操作線圈中通以特定方向的電流, 該電流在動鐵心上產生與永磁體磁場相反的磁場, 使動鐵心受到的磁吸力減小, 當動鐵心受到的向下力和彈簧壓力大于靜態保持力時, 動鐵心向下運動, 實現分閘。當處于分閘位置( 如圖 3B 所示), 在操作線圈中通以與分閘操作相反的電流, 由此產生的電磁吸力帶動動鐵心及動觸頭完成合閘動作, 并使彈簧儲能。由此可以看出單穩態永磁機構僅在合閘位置由永磁保持, 分閘位置由彈簧保持。單穩態永磁機構的工作特點：(1) 單穩態永

4、磁操作機構的結構。在機構中設置有分閘彈簧, 合閘狀態靠磁力保持, 分閘狀態靠分閘彈簧。分合閘采用同一個單線圈, 通過給線圈不同方向電流來實現分合閘操作。單穩態永磁機構在分閘中, 是靠釋放分閘彈簧和觸頭彈簧的能量來完成的, 可通過調整分閘彈簧, 來調整分閘特性; 又因為分閘彈簧的輸出特性與斷路器所要求的速度特性相一致, 即具有較高的剛分速度。(2) 單穩態永磁操作機構的分合閘速度特性。單穩態永磁機構與彈簧機構較為相似, 剛分點前加速, 剛分點后減速, 通過合理設計彈簧參數, 既可以做到提高剛分速度, 又可以減小分閘末速度, 得到較為理想的分閘速度特性。同時合閘時通過調整電參數使合閘彈跳減到最小。

5、采用的永磁保持、電磁合閘和彈簧分閘的單穩態永磁操作機構, 與斷路器操動技術是較為完美的組合。(3) 單穩態永磁操作機構具有良好的可控性。由分合閘線圈的勵磁電流產生的磁場直接驅動動鐵心, 動鐵心垂直, 與斷路器的主軸直接相連, 中間傳遞部件很少, 具有良好的可控性, 為斷路器實現智能化控制創造了條件。(4) 單穩態永磁操作機構的低能耗。單穩態永磁操作機構的一個分合閘循環的能耗明顯低于雙穩態的永磁機構。單穩態在分閘時利用彈簧力幾乎不耗電, 雙穩態在分閘時則需要較大的電流。另外在有重合閘的情況下, 單穩態機構可以保證重合閘時的選相精度, 雙穩態機構卻難以保證實現。(5) 單穩態永磁操作機構的可靠性高

6、。機構零件數量僅二十一個, 運動部件只有一個動鐵心, 機械故障的概率大為降低, 機械壽命和可靠性大大提高。 (6) 單穩態永磁機構的小型化和免維護。單穩態永磁機構的分、合閘過程共用一個操作線圈, 結構簡單、體積小, 更有利于操動機構和真空斷路器設備的小型化和免維護。關于永磁機構的優缺點：優點：(l)永磁機構結構簡單，零部件數量少，比彈簧操動機構和電磁操動機構結構都要簡單，永磁機構的零部件只有彈簧操動機構的40%左右。若采用永磁機構可大大減少操動機構的維護量。(2)永磁機構分合閘時間短，而且穩定，合分閘時間的分散性可以控制在土1ms內，為同步開關的研發，從而實現消除電容器和變壓器的合閘涌流，提高

7、斷路器的開斷能力具有重大的意義。(3)永磁機構不需要大的直流電源，它可以通過儲能電容或用小功率交流電源即可操作，而電磁操動機構合閘操作需要22OV、looA以上，甚至更大的直流電流，從而降低了操作電源的投人費用和維護費用。缺點：(l)永磁體的吸力在分閘過程中起著阻礙分閘的作用，對提高分閘速度不利，在這方面永磁機構較彈簧操動機構或電磁操動機構差。(2)價格較高。在經濟不發達地區，使用真空斷路器配彈簧操動機構或電磁操動機構無疑更經濟。總體方案設計開關輸入量信號調理互感器A/D轉換電壓跟隨器DSP(TMS320F28120)光電隔離驅動電路永磁機構永磁機構智能控制裝置包括4 個部分：直流電源控制，信

8、號輸入輸出處理，智能控制，通斷線圈驅動與控制單元。該裝置全部由新型電子元器件組成，其系統結構原理如圖2 所示，同步控制系統主要由主控模塊、信號處理采集模塊和電子驅動模塊三部分組成。(1) 主控模塊。由DSP最小系統（包含TMS320F2812、存放重要數據的電可擦除的可編程序只讀存儲器以及調試程序用的隨機存取存儲器RAM 等）、人機接口與通信單元組成，它實時判斷輸入信息，接到遠方或就地投切指令時按照預定算法給出觸發信號，控制斷路器在所期望的相位動作。(2)信號處理采集模塊。由互感器和模擬信號調理單元組成。因為DSP 自帶的12 bit A/D 模塊，精度已經可以滿足系統對零點檢測精度和三相電壓

9、進行交流同步采樣的要求，并能正確反映信號之間的相位關系，就不需要外擴高精度的A/D 模塊，同時簡化了系統的結構，降低了成本。(3)電子驅動模塊。由開關量輸入輸出組成，主要通過電子驅動裝置操動永磁機構，同時用接近開關檢測斷路器觸頭狀態，實現失壓過流閉鎖保護。用于捕獲引腳上電平的變化，并記錄該變化發生的時刻，不占用CPU 的資源。將其設置為下降沿觸發方式以捕獲斷路器分閉合時的電平跳變，在主程序中查詢標志位可讀取捕獲到的動作時間。各單元模塊功能介紹及電源設計信號處理采集模塊信號處理采集單元主要通過電壓互感器將高壓回路或低壓回路的高電壓轉變為低電壓，再通過2階RC低通濾波器進行濾波，然后經過電壓跟隨器

10、處理，由于電壓跟隨器的輸入阻抗很大，輸出阻抗很小，可以看成是一個阻抗轉換的電路（低頻），這樣可以提高原來電路帶負載的能力。驅動模塊合閘，分閘，閉鎖裝置由開關量輸入輸出組成，主要通過電子驅動裝置操動永磁機構，同時用接近開關檢測斷路器觸頭狀態，實現失壓過流閉鎖保護。用于捕獲引腳上電平的變化，并記錄該變化發生的時刻，不占用CPU 的資源。將其設置為下降沿觸發方式以捕獲斷路器分閉合時的電平跳變，在主程序中查詢標志位可讀取捕獲到的動作時間。總體設計特殊元器件介紹TMS320F2812: 芯片特點(1)TMS320F2812采用哈佛總線結構的高效32位定點DSP內核。內含16X16、32X32、和雙16X

11、16乘累加（MAC）操作；快速的中斷響應處理機制；統一的內存規劃模式4M子的程序和數據尋址空間：在C/C+和匯編語言方式下都具有很高的代碼效率，且代碼與C2000系列的其他處理器兼容。（2）128位的加密位，對Flash、OPT及部分SARAM進行加密保護。（3）對CPU和外設控制器具有寫保護功能。（4）采用高性能CMOS技術，I/O供電電壓及Flash編程電壓為3.3伏，內核供電電壓降為1.8伏，降低了控制器的功耗。150MIPS的執行速度使指令周期減少到6.67ns，從而提高了控制器的實時控制能力。（5）支持JATG邊界掃描。（6）高性能的32位CPU，采用哈佛總線結構，具有16X16雙通

12、道MAC，可以進行16X16和32X32MAC操作。CPU可以自動運行，具有統一的儲存模式，可以快速響應中斷及中斷處理。包括4M字線性可尋址的程序空間和4M字線性可尋址的數據空間。在C/C+和匯編語言中代碼效率高。（7）片上存儲Flash高達128X16,，包括4個8KX16和6個16KX16的程序儲存段、2KX16的OPT ROM，M0和M1兩個1KX16的SARAM、LO和LI兩個4KX16的SARAM塊、H0一個8KX16的SARAM。（8）4KX16的BOOT ROM具有軟件引導模式和標準的數學庫。（9）F2812的外部接口高達1M字的儲存容量，根據需要可分別定義為程序空間、數據空間、

13、和I/O空間，有編程等待狀態，可編程的讀寫選擇及3個獨立的片選信號。（10）靈活的時鐘和控制系統，片內晶振，具有動態調整倍頻的鎖相環技術及可以獨立的外設時鐘方式；系統具有低功耗運行模式，基于自動鎖相技術的時鐘發生器及監視系統的看門狗定時器模塊。（11）3個外部中斷及包含45個外設中斷源的外設中斷擴展（PIE）模塊。（12）用于電腦控制的兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括兩個16位的通用定時器；8路帶死區的脈寬調制（PWM）脈沖輸出；3路捕獲單元（CAP）或一路正交編碼器接口（QEP）的脈沖輸入電路。（13）3個32位的CPU定時器，其中定時器1可以讓用戶使用，定時器2、3應用與實時操作

14、系統（如DPS/BIOS）。（14）128位安全密碼保護Flash/OPT以及L0/L1 SARAM ,防止軟硬件方法反向獲取代碼。（15）包含串行外圍接口（SPI）、2個串行通信口（SCIs）、標準的UART、增強的局部控制器網（eCAN）及SPI模式的多通道緩沖串口（McBSP）。（16）16通道的12位ADC（即2個8通道的多路輸入）、2個采樣保持器，1次轉換時間為200ns，連續轉換時間為60ns。（17）多達56個獨立可編程復用的通用I/O引腳（GPIO）。（18）先進的仿真性能，分析和斷點功能可以通過硬件實時調試。（19）開發工具包括ANSIC/C+編譯器/匯編器/連接器，支持TM

15、S320C240/240X系列指令、CCS IDE、DSP/BIOS系列、JTAG掃描控制器（TI或者第三方的產品）、評估板及第三方的數字電視機控制板。（20低壓省電模式，支持IDLE（空閑）、STANDBY（標準）及LALT（停止）模式 ，不能使用獨立的外圍時鐘。（21）采用小型封裝技術。其中，F2812采用179引腳的BGA封裝和176引腳的LQFP封裝；F2810采用128引腳的LQFP。 IR2112IR2112是高電壓、高放大率MOSFET和帶獨立的推挽放大器，為自舉工作方式，門驅動器供電范圍從10V到20V。IR2112采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，雙列直插14腳封裝，

16、具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500V，15V下靜態功率損耗僅116mW，輸出的電源端（腳3，即功率器件的柵極驅動電壓）電壓范圍10V到20V，邏輯電源電壓范圍（腳9）5到15V，可方便的與TTL與CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有5的偏移量；工作頻率高，可達500KHz；開通關斷延遲小，分別為120ns和94ns圖騰柱輸出峰值電流為2A。IR2112有三個部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護。光電耦合器 光電隔離器（optoelectronic isolator，英文縮寫為OC）、又稱光耦合器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。 光耦合器一般由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（LED），使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件