智能脱扣器课程设计资料.docx

1、智能脱扣器课程设计资料智能电器微处理机和计算机技术引入电器设备，一方面使电器设备具有智能化的功能，另一方面使开关电器，包括智能化断路器和智能化电动机控制器实现与中央控制计算机双向通讯。进入20世纪90年代，随着计算机信息网络的发展，配电系统和电动机控制中心已形成了智能化监控、保护与信息网络系统。 智能化断路器与电动机控制器是开关柜和电动机控制中心实现智能化的主要电器元件。微处理器引入断路器，首先使断路器的保护功能大大增强。诸如：它的三段保护特性中的短延时可设置成I2t特性，以使与后一级保护更好地匹配；接地保护可实现选择性，对断续的电弧接地故障可带记忆功能。 目前自动化控制中使用大量的软起动器、

2、电力电子调速装置和不间断电源等，这些装置都会使配电系统产生高次谐波，而模拟式电子脱扣器一般反映故障电流的峰值，因而电源的高次谐波会造成断路器的误动作。而带微处理器的智能化断路器的中央处理单元能准确反映负载电流真实的有效值(RMS值)，它的采样和保持电路能消除输入信号中的高次谐波，因而能避免高次谐波造成的误动作。 智能化过载继电器与传统的双金属热继电器相比，具有一系列的优点，它能保护多种起动条件的电动机，具有很高的动作可靠性。它不但可保护电动机过载与断相，并可保护接地、三相不平衡、反相或低电流等。在智能化电动机保护继电器基础上进一步开发的智能电动机控制器，兼有监控、保护和通讯的功能。 由智能电器

3、单元与中央控制计算机组成的网络系统与传统的配电系统与电动机控制中心相比有以下优点：实现中央计算机集中控制，提高了配电系统自动化程度；使配电、控制系统的调度和维护达到新的水平。由于采用数字化的新型监控元件，使配电系统和控制中心向上提供信息量大幅度增加；监控元件和传统的指示和指令电器相比较，接线简单、便于安装，提高了工作的可靠性；可以实现数据共享，减少信息重复和信息通道。智能化脱扣器脱扣电路的设计摘 要：介绍了智能化脱扣器脱扣电路的设计，设计结合了模拟脱扣电路，增加了抗干扰的脉宽检测电路。关键词：脱扣电路，智能化脱扣器，脉宽检测 1 引言智能化脱扣器是以现代的微处理器为核心，通过信号采集，数据处理

4、，故障诊断来实现对断路器的智能控制。脱扣电路是智能脱扣器的执行电路，接收单片机发出的脱扣命令，输出驱动磁通变换器动作，使断路器断开。脱扣电路的稳定性和可靠性，关系整个脱扣器的性能。脱扣电路应具有抗干扰、工作可靠的特性。 2 电路设计智能化脱扣器脱扣电路的结构如图1所示，在微处理器脱扣控制电路的基础上，加入了模拟脱扣电路，作为后备保护。模拟脱扣电路用于系统上电初期的短路电流保护和系统运行期间特大短路电流的保护。微处理器在上电初期要进行上电初始化，无法实现保护。模拟脱扣电路采用硬件比较器电路可以快速判断出断路器接通时出现短路的情况，并做出相应的动作进行保护。在微处理器运行期间，模拟脱扣电路实现特大

5、短路电流的判断，如果出现特大短路电流，微处理器没有来得及反应，则模拟脱扣电路可作出相应的判断和动作。因此数字脱扣和模拟脱扣相结合，两者互补，增加了脱扣器的可靠性。模拟脱扣电路采用比较器鉴幅电路来实现，每一相使用两个比较器来完成。电流信号 Ia、Ib、Ic的幅值同参考电平VRE+和VRE进行比较。比较器采用LM393，其输出是集电极开路的，因此图1中所有电压比较器输出并联起来，通过一个上拉电阻接Vcc实现线与功能。在正常情况下，微处理器没有发出脱扣信号且电流信号的幅值在基准电压范围内，则比较器的并联输出UTRIP被上拉电阻拉高，否则只要任一电压比较器输出为低，则UTRIP被拉低。UTRIP信号接

6、脉宽检测电路，进行抗干扰处理，如果UTRIP的低脉冲维持一定的宽度，则单稳态触发器被触发，UOUT输出一定宽度的脉冲通过驱动电路使磁通变换器打开，从而分断断路器。 2.1 脉宽检测电路采用上述比较器鉴幅电路，在实际系统运行中由于干扰的存在，比较器的输出会出现一些不必要的窄脉冲，如果直接接单稳态触发电路，会产生误动作。为了消除干扰，在比较器的输出端加了脉宽检测电路，该电路由一个555器件组成，输出接由另一个555器件构成的单稳态触发电路，电路及其工作波形如图2所示。脉宽检测电路的工作原理如下：UTRIP、UTH、UQ、UOUT表示图中各个结点。UTRIP来自电压比较器并联的输出端。在正常情况下，

7、比较器输出高阻，此时图中NPN三极管导通，UTH被三极管嵌位在其饱和电压0.3V以下，UQ输出高电平。当电流越限或单片机发出脱扣指令，比较器输出将把UTRIP拉低，则NPN三极管截止，此时接UTH的电容通过电阻R5、R6开始充电，UTH电压升高。如果UTRIP低脉冲保持一定的宽度，UTH随着电容充电上升并达到2/3Vcc，则UQ输出低电平，触发其后由个555器件构成的单稳态电路，UOUT输出一个一定宽度的脉冲。由电路的工作波形可知，由于电容充电需要一定的时间，因此该脉宽检测电路只有在UTRIP输出低脉冲宽度保持一定的时间才能使UOUT触发。如果UTRIP的脉冲过窄，UTH电压达不到2/3VCC

8、，则UOUT不会触发，因此通过该电路可以消除前级比较器出现的干扰问题。上述电容充电使UTH电压上升到2/3VCC的时间为T0，设充电电阻为R，电容为C，则T0ln3RC1.1RC (1) 图2中的充电电阻由R5和R6串联而成。即R(R5+R6)。单稳态触发电路的输出Uout的宽度T1。 T11.1RC (2) R、C为相应的充电电阻值和电容值。上述电路中的电容电阻值根据实际比较器输出脉冲的情况适当的取值。 2.2 可切换的参考电平设计模拟脱扣电路实现在上电初期的短路电流判断和系统运行期间的特大短路电流的判断，在实际的应用中，上电初期的短路电流判断只在100ms内起作用，其后即在当微处理器初始化

9、完毕开始正常运行，模拟脱扣电路则进行特大短路电流的判断，两种不同短路情况，其电流定值不同。如40/50kA，即上电瞬间短路判断电流定值为40kA，运行期间特大短路电流判断定值为50kA，因此要实现不同短路电流判断，图1中比较器的参考电压要能进行切换。本文设计的可切换参考电平电路如图3所示，电平的切换通过图中所示的微处理器的P1.1引脚来控制，设计采用两个3.3V的稳压管D2和D4，通过反相加法电路得到VRE，在系统上电初期，微处理器I/O引脚为高阻或输入状态，此时稳压管D4不起作用，此时的VRE为： 该参考电压为实现上电短路判断的参考电平，在微处理器初始化完毕后，P1.1输出低电平，此时稳压管

10、D4的3.3V电压加入VRE，有 该参考电平作为运行期间特大短路电流的参考电平。VRE经过一级反相电路得VRE+。因此图3的电路可实现两个不同参考电平的切换。 (3)和(4)式中电阻的取值根据实际的短路电流定值来确定。 3 结论本文设计的智能化脱扣器脱扣电路，结合了数字脱扣和模拟脱扣电路，使系统更为可靠，电路中采用了脉宽检测电路实现了抗干扰的设计。通过在实际的智能脱扣器系统中的应用验证了本文设计的正确，经过测试，该电路可以可靠稳定地工作。 参考文献 1 张克农数字电子技术基础M北京：高等教育出版社，2003 2 梁锦第三代电子脱扣器的脱扣电路J现代电子技术，2002(3) 3 欧阳森，王克星等

11、基于实时多任务操作系统的新型智能脱扣器智能电器中电磁操作机构与执行元件的技术进展西安交通大学 陈德桂（710049） Chen Degui (Xian Jiaotong University, 710049) 摘要 智能电器中应用各种类型的电磁机构，如交流接触器的智能控制操作电磁铁，中压真空开关的永磁机构，智能脱扣器的磁通变换器和各种智能电器的执行继电器。随着智能电器的发展，对这些电磁元件要求也越来越高，本文介绍这些电磁元件的技术进展。 1 概述 智能电器中作为操作机构和出口与执行元件，采用各种类型的电磁机构，如交流接触器的智能控制电磁铁，利用带微处理器反馈控制系统，使电磁铁的吸力和反力特性良

12、好配合，以提高接触器的电气和机械寿命；中压真空开关的永磁操作机构，工作可靠，寿命长，动作速度快，是当前中压领域的一项热门技术；低压断路器智能脱扣器采用带永磁的磁通变换器，让低功率的脉冲信号就能使之动作；各种类型的智能电器如数字保护继电器应用各种小型继电器作为出口执行元件。随着智能电器发展，对上述各种类型电磁机构提出更高要求，本文从交流接触器智能控制电磁机构，中压真空断路器永磁操作机构，低压断路器智能脱扣器的磁通变换器以及作为各种智能电器设备执行的小型继电器等方面来介绍这些电磁元件的技术进展。 2 交流接触器带智能控制的操作电磁铁 进入新世纪后，国外100A以上规格的接触器普遍采用智能控制线路，

13、以提高AC3工作条件下的电寿命，2004年cutler-Hammer公司推出智能IT系列的接触器和起动器，为电动机控制提供全新的产品，额定电流从6A到400A，它的特点是小尺寸，多功能，高性能，节能和可通信。全系列包括智能接触器，起动器和模块化的保护和通信单元。它的尺寸是目前世界上最小的，400V，12A用来控制5.5Kw电机的接触器，宽度仅为27mm，额定电流32A，用于控制15Kw电机的宽度仅为45mm。 由于接触器的操作电磁铁采用智能控制、无叠片铁心和分磁环，它的电寿命大于1.8*106次，机械寿命大于20*106次，并且无分磁环，运行时无噪音，全系列控制电压取24V直流，比用交流220

14、，380V电压安全可靠，由于当前控制回路中的各种PLC的传感器和执行器的额定电压都趋向于24V直流，这也和发展一致，额定电压为24V也为接触器智能模块的设计小型化提供了条件。由于线圈采用脉冲调宽供电，线圈功耗非常小，12A接触器功率为1.5w，200A也仅为5.6w，全系列都采用模块化结构，除了智能保护单元外，还可以提供各种辅助触头，机械联锁，插拔式端子等模块，智能保护单元包括过载，断相，三相不平衡，具有脱扣参数等级多（10，20，30），额定值调节范围宽3.2:1，允分反应有效值等优点，通信模块SNAP通过现场总线与电动机控制中心实现双向通信。 IT系列的小尺寸，模块化，采用插拔式端子模块以

15、及提供多种保护单元使安装和维护大为方便，通信模块便于电机控制中心实现监控和管理。消耗功率低不但有利于节能，而且有利于开关柜的冷却和缩小体积。把软起动器作为系列的一个部分，不但通用了所有公共模块，而且使用户在电动机控制产品上有更大选择余地。 为什么电磁机构的智能控制带来接触器小型化，高性能，多功能和节约能量等多方面的优点，以下从原理上进行分析1 。交流接触器大多工作在AC3工作任务，即电动机直接启动接通和正常运转下分断，因而接通额定电压下6倍启动电流时，触头的弹跳是决定电寿命的关键，因为触头的弹跳会产生断续电弧而造成大量的触头侵蚀，触头的弹跳是决定于动、静触头和动、静铁心碰撞时的速度，前者造成触

16、头第一次弹跳，后者则造成触头的二次弹跳，接触器可动部分的速度v可以由下式计算： (1) 式中： F电磁吸力； Ff负载反作用力； m可动部分质量。 由式（1）可以知道，电磁铁的吸力特性F=f 与负载反力特性的配合是决定接触器电寿命的关键因素，一般按国家标准交流接触器要求85%额定电压与线圈热态时，保证能使接触器可靠吸合，但一般为了保证可靠性，设计成线圈冷态时电磁铁吸合电压在68%左右，这样当正常工作时，线圈电压为额定电压，吸力特性就比反力特性高好多，如图1所示，因而可动部分具有较大的动能而造成触头间明显的弹跳现象。智能接触器的操作电磁铁采用带反馈的智能控制，如图2所示，它采用交流电整流后供电给

17、操作线圈，通过线路电压U 、线圈电流I或铁心磁通 的反馈，使电磁铁线圈供电电压在接触器工作过程如图3所示的形式，当电源电压波动时，保持恒定。它在吸合过程，线圈电压一直维持在稍高于吸上电压的数值，而在电磁铁吸合后，考虑到吸力裕度大，而使保持电压处于低电压状态。在电磁铁吸合过程，智能接触器的吸力与反力特性配合如图1所示，其吸力特性仅稍高于吸上电压下的吸力特性，因而电磁铁可动部分动能较额定电压时，大幅度下降，这就减弱了触头的振动。在电磁铁吸合阶段，由于保持电压远低于线路额定电压，根据线圈功率损耗w： 可见w随保持电压的降低而减小，另一方面由于智能接触器总是由直流供电，没有传统交流接触器中占比例很大的

18、分磁环功率损耗，这也减小了电磁铁的发热。由于电磁铁的功耗大幅度减小，因而电磁铁的体积也可以设计得很小，我校研制成功的带反馈智能接触器，是在CJ20-160A上开发的，当有无智能控制时触头振动时间对比见图4，线圈功率损耗的对比见表1，可见带智能控制后接触器性能有了显著提高。 3.中压真空断路器的永磁操作机构 中压真空断路器的永磁操作机构，由于它结构简单、可靠、动作速度快，近年来一直是中压领域国内外研究工作的热点。永磁机构有单线圈、双线圈、圆筒形、平板型等多种结构型式，以双线圈为例，当它的分闸线圈通电时，流过线圈的电流波形如图5所示，永磁机构线圈的分、合闸采用功率开关元件（如IGBT）进行操作，为

19、了不使开关元件受到过大冲击电流，当电磁铁的铁心运动到位后，在tB时刻，即让开关元件切断线圈电路，此时线圈电流并没有到达稳定，合闸过程也相同。 对永磁机构的要求是： 在分合闸位置，永磁机构对动铁心应产生足够的保持力，特别是在合闸位置，由于合闸反作用力比较大，它包括触头压力所产生的反作用力，因而对合闸位置的保持力要求更高。 为了减轻功率开关元件负担，分合闸过程中，在保证速度要求前提下，如图5所示的线圈的电流峰值i峰值应尽可能低。 分合闸时间要短，速度要快，特别是为了保证真空断路器开断性能，对分闸速度的要求更高。 为了满足以上要求，首先可通过选择合适的永磁机构结构来达到，以圆筒形和平板形两种结构作对

20、比，若保持力、线圈窗口面积、动铁心行程等都相同，则由动态特性计算求得的分闸线圈峰值电流与平均分闸速度的关系曲线见图6，由图可见在同一峰值电流下，圆筒形结构能获得高的分断速度。我科研小组提出一种新型的不对称双线圈永磁机构，它与传统的对称线圈相比，不但能获得高的合闸保持力，并且在相同的合闸线圈峰值电流下，能获得更高的分闸速度。 由以上提出的对永磁机构性能的要求来看，要实现永磁机构的优化设计，进行永磁机构动态特性仿真十分重要，永磁机构的动态数学模型是电磁场、电路瞬态和机械动态多种物理方程的耦合。永磁机构与真空灭弧空间传动方式有直接、单连杆和多连杆等多种方式，特别是多连杆传动，则机械运动是多体动力学问

21、题，这可依靠多体动力学软件ADAMS、耦合电磁场和电路方程来求解，图7为带多连杆传动的永磁机构在ADAMS软件上的三维造型及计算求得的特性曲线。 4 磁通变换器的优化设计 低压断路器智能脱扣器的执行元件采用特殊的磁通变化器，因为它由电流互感器通过电容器来供电，因而要求磁通变换器动作灵敏，功耗低。磁通变换器（Flux transfer trip）是一种小型储能式脱扣装置，由于利用了永磁存储的能量，所以仅需很小的功率脉冲即可以使其动作，图8为它的工作原理图，永久磁铁产生的磁通 及对应的吸力使动铁心处于吸持位置，而当电流i通过线圈而产生磁通 抵消了 ，就可使动铁心在弹簧力Fs的作用下而动作，因而可写

22、出如下动态方程： 式中U和U0分别为供电电容器电压和未放电前电容器的初始电压；Fm是线圈和永久磁铁共同作用下产生的电磁力，其中永磁产生的是动铁心保持力，而线圈激磁产生的是与保持力相反的力，R为线圈回路电阻， 是磁通变换器线圈磁链；X为动铁心行程；m为动铁心质量；c为供电电容器的电容；t为时间。 对磁通变换器的要求是： 1.体积小，价格低； 2.动作灵敏，动作功率低； 3.动作快； 4.工作可靠。 按照以上要求，优化设计磁通变换器受到国际上大公司的重视，早在80年代中期，Merlin Gerin的L.Bompa2就从动态要求出发提出了磁通变换器的优化设计方法。他们用二维磁场、电路方程和机械瞬态耦

23、合来求解上述方程（3），在给定弹簧力Fs=16N的条件下，以线圈匝数、电容器初始电压U0、电容器c和永久磁铁剩磁Br为变量，找出这些变量与动作时间top的关系，从中优选这些变量，图9为计算求得的动作时间与电压U0以及线圈匝数的关系，从图中可以看出，电压U0对动作时间top影响较大，由图中取U0=15V较为合适，线圈匝数太小，一是会使得变换器不动作，二会使线圈电流过大，增加电子线路负担，top随N的增加而逐步增加，从图中U0=15V的曲线上，取N=900匝比较合适。进入新世纪，法国施奈德公司M.Perranlt等人3，从静态和动态二方面对磁通变换器进行优化设计，前者使价格降低35%，后者使动作时

24、间降低40%。西安交通大学与某开关厂合作用三维有限元方法为基础，通过电磁场与电路、机械瞬态方程相耦合，从静态和动态二方面进行优化，优化设计后，使动作电流降低3倍，功耗降低5倍，工作可靠性提高，从15cm高度下落作可靠性试验，和国外一种样机相比较，后者10次跌落，9次误动作，而优化设计的样机无一次误动作。 5 MEMS（micro-electromechanical systems）继电器的应用 用于电力系统的电子智能化产品中需要大量的标准继电器作为输入和输出装置，但是传统的继电器尺寸大，几乎占印刷电路板体积的80%，而且需要较大的操作功率，因而要求专门电源供电，这造成了电子智能电器产品的耗能问

25、题。为了解决这二个问题，ABB近期和美国麻省理工学院（MIT）合作，研制MEMS继电器来代替传统的电气-机械继电器4。它的优点是：尺寸小，动作快。由于采用静电原理工作，所以动作所需功率非常小，与固态继电器相比，它和传统继电器相同有断口，保证开断时有高电阻，而且绝缘性能好，目前研制的MEMS继电器开断负载可达240V，2A。 集成电路出现至今已有40年的历史，微机电元件MEMS使它的发展上了新的台阶，由于MEMS继电器可直接与电子线路集成，这样使电子产品没有笨重的电气-机械元件，并且有利于大量生产和降低成本。 MEMS继电器可由多种动作原理，静电操作是其中常用的结构，它的工作原理如图10所示5，

26、它有一个动触头和两个静触头，静电执行器有一个动电极和一个静电极，静电极上沉积着一块电介体，电介体表面平时带正电符，因而即使没有外施电压，静电极与动电极之间也会产生静电吸力，动触头在动电极下，中间有一绝缘层作隔离，静触头则设在动触头的对方，两片静触头分别与两个出线端电气连接，当动触头在静电力作用下，使两片静触头短接，则接通外界电路。 静电式MEMS继电器的工作原理可用图11的原理图说明，下部静电极覆盖着带正电荷的电介体，介电系数为 ，电极面积为s，带正电荷的电介体与动电极形成了一个平板电容器，具有等效电压为Ueq，若上下电极间距离为d1；电介体的厚度为e，如外施电压U加到二个电极上，则作用在动电

27、极上的力可表示为： 图10中反作用力Fr由动电极在动作过程中弯曲而产生，由式可见，电介体产生的力帮助作用力使执行器动作，这一方面有利于提高执行器的灵敏度，另一方面可以使执行器工作于单稳态和双稳态二种工作状态，由日本和法国联合研制的一种双稳态静电式MEMS继电器样机，芯片尺寸为6mm*28mm，电介体用2mm厚的SIO2，动触头和静触头分别用金（Au）和金的合金制作，触头压力为1mN，它的动作电压为20V，复位电压为-7V，动作时间为1.5ms，释放时间为1ms。 MEMS继电器的芯片制造采用功率电子器件专用工艺，在硅基片上通过腐蚀、沉积等工艺过程完成。 6 结论 6.1 小型化、高性能、多功能

28、、智能化、节能和环保是开关电器发展方向，其中智能化更是起了带动其他几个方向的关键作用，智能接触器和永磁机构的技术进展是这方面的很好的例子。 6.2 为了实现智能化电器的小型化，低压智能脱扣器中的磁通变换器充分利用了永磁的储能作用，磁通变换器的优化设计，对提高低压智能断路器的经济技术指标起重要作用。 6.3 为了进一步降低智能电器执行元件的尺寸和动作功率，以MEMS继电器代替传统继电器是今后发展方向。 参 考 文 献 【1】陈德桂。交流接触器通断过程的智能操作。低压电器，2000，No.4：35 【2】E.Atienza, M.Perrauet, F.Wurtz, V.Mazauric and

29、J.Bigeon. A Methodology for the Sizing and the Optimization of an Electromagnetic Release. IEEE Transactions on Magnetics, Vol.36,No.4, July 2000: 1659-1663 【3】L.Bompa, P.Schueller, J.C.Sabonnadiere. Analysis and Synthesis of electromagnet used for circuit Breaker operation, IEEE Transactions on Mag

30、netics, Vol.36, No.6, November 1985: 2464-2467 【4】R.Strumpler, J.Lang, et al. Micro-structured Silicon for Micro-electromechanical Relay. ABB Review, No.3, 2003: p44-46 【5】M.Ichiya, H.Nishimura, et al. Micromachined Wlectret Relay with Electroplated Thick Contacts. Proceedings of the International C

31、onference on Electrical contacts, Electromechanical components and their Applications. 1999, Japan: 365-369 作者简介：陈德桂，生于1933年。1955年毕业于上海交通大学。1983年到1984年在英国利物浦大学进修。现为西安交通大学教授，博士生导师；中国电工技术学会理事；低压电器专业委员会主任；中国低压电器工业协会专家组组长。研究方向有开关电弧模型，电磁现象，开断过程仿真。已发表学术论文150余篇。已获国家科技进步二等奖及省部级奖励多项。 Chen Degui was born in S

32、hanghai, China, in 1933. He graduated from Shanghai Jiaotong University, China in 1955. He was honorary research fellow at University of Liverpool, UK from 1983 to 1984. Now he is council member of China Electro-technical Society (CES), Chairman of Low Voltage Apparatus Committee of China, Director of expert group of Chinese Low-voltage Apparatus industry association, Professor of Xian Jiaotong University. His research interests are in Low-voltage apparatus including switching arc model, arc movement, visual simulation of interrupting process and Electromag