基于單片機的永磁機構(gòu)智能控制系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展 ,各行各業(yè)對電力系 統(tǒng)的供電質(zhì)量和供電可靠性要求越來越高 ?，F(xiàn)代智能電網(wǎng)要求實現(xiàn)安全穩(wěn)定運行 ,這就對電力系統(tǒng)提 出了高度自動化和智能化要求 。斷路器是輸配電系統(tǒng)中的重要電器之一 , 隨著用電系統(tǒng)的發(fā)展 ,控制器作為斷路器的大腦向智能化發(fā)展成為必然趨勢。

電力傳輸系統(tǒng)中的斷路器觸頭打開和關(guān)閉時 , 觸頭兩側(cè)的電壓和電流及其相角是隨機的 , 斷路器出線兩側(cè)帶電或是容性負載、感性負載時 , 即斷路器帶電分斷或閉合 ,將引起過電壓波動和涌流 ,從而影 響電力系統(tǒng)的正常運行 [1-2]。同步(或相控)操作技術(shù)是電氣智能化的前沿課題 ,該技術(shù)能有效削弱斷路器分合閘時所產(chǎn)生的涌流、過電壓等暫態(tài)沖擊 , 已被 廣泛使用并取得了較好的效果[3]。本文提出了基于單片機的智能控制技術(shù) ,可配合永磁機構(gòu)在電網(wǎng)電壓或電流的指定相位和電壓或電流相同幅值處完成電 路的閉合或斷開 ,減小對電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)的沖擊 ,提高斷路器投入或切出系統(tǒng)的成功率。

1   硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計

1.1    永磁機構(gòu)概述

永磁機構(gòu)采用一種永磁體操縱機構(gòu)加真空斷路 器(簡稱“斷路器 ”)的結(jié)構(gòu) 。如圖1所示 ,它由永久磁鐵、合分閘線圈、儲能電容、真空斷路器組成 ,儲能電容器用于儲存能量 ,合分閘時 ,它向合閘線圈或分閘 線圈提供高達2 600 W的脈沖電能。控制電路通過改變永磁機構(gòu)外電磁線圈的電流方向使斷路器完成合分閘操作 , 因為線圈中的電流方向決定了電磁鐵磁場方向 ,這樣配合永磁體的磁場方向就可以完成永 磁機構(gòu)的開合動作。

這種機械結(jié)構(gòu)工作時主要運動部件很少 , 無須機械脫扣/鎖扣結(jié)構(gòu) ,減少了故障誘因 ,且增加了動作次數(shù) ,使合閘動作更加可靠、有效。

1.2    電子驅(qū)動電路設(shè)計

永磁機構(gòu)的電子驅(qū)動裝置如圖2所示 ,驅(qū)動電路  主要由AC-DC電源模塊 (110~220 V的交流電輸  入)、可調(diào)直流輸出 (可以達到400 V)、儲能電容器  (20 000 F/450 V)、大功率MOSFET(1 200 V/75 A)、 大功率開關(guān)二極管和輸入信號光電隔離器(起到抗  干擾和強弱電隔離保護作用)組成。

動作原理如下:

1)接通電源 ,控制系統(tǒng)開始開關(guān)狀態(tài)檢查并進 入正常工作 ,儲能電容在7 s內(nèi)完成首次儲能 ,之后將 在4 s內(nèi)完成操作后的補充儲能 , 并將電容電壓穩(wěn)定 在出廠設(shè)置值。

2)如果合閘指令發(fā)出 , 則檢查斷路器是否在分閘狀態(tài) ,控制器尋找斷路器兩側(cè)電壓相同、相角相同 的同步點 ,提前發(fā)出控制信號(適當提前量), 控制 MOSFET對電磁線圈L正向放電 ,完成合閘操作。

3)如果分閘指令發(fā)出 , 則首先檢查斷路器是否 在合閘狀態(tài) ,確定在合閘狀態(tài)則分閘命令被認為有 效 ,控制MOSFET對電磁線圈L進行反向放電 ,完成 分閘操作。

1.3    控制器設(shè)計

通過分析各種單片機的優(yōu)缺點和特點 ,決定采用 高靈活性和低成本的高速微處理器AVR單片機作為 控制器的主控制芯片 [4] , 由控制器系統(tǒng)的框圖(圖3) 可知控制系統(tǒng)主要由主控部分(MCU最小系統(tǒng)、RS485 通信電路、開關(guān)量輸入電路、鍵盤、顯示屏)、信號處 理和采集部分(PT、信號調(diào)理、AD、過零點采集)和電 子驅(qū)動部分(控制命令輸出、電子驅(qū)動電路)三部分組成。

需要特別注意的是 ,主芯片和周邊電路邏輯芯片的電平匹配問題、電磁兼容問題、抗干擾問題、驅(qū)動模塊的發(fā)熱器件布局散熱問題等。

1)控制系統(tǒng)的主控制電路由MCU最小系統(tǒng)、鍵 盤、顯示屏、開關(guān)量輸入電路、RS485通信電路組成 ,一 旦接收到遠方或本地的投切指令 , 即按照預(yù)定算法發(fā) 出觸發(fā)信號 ,控制斷路器完成合閘或分閘動作; 同時 , 系統(tǒng)參數(shù)也可通過總線上傳至控制中心。采用RS485 差分總線可提高通信抗干擾能力 ,增加傳輸距離。

2)信號處理電路由相線線電壓信號采集電路 、 信號調(diào)理電路 、A/D轉(zhuǎn)換模塊 、過零點采集電路組  成 ,利用MCU的捕獲功能 ,捕獲引腳上過零點 , 同時  獲取相線的電壓值。

3)輔助位置開關(guān)信號經(jīng)開關(guān)量輸入電路送入MCU, 經(jīng)過程序控制 ,發(fā)出控制信號到輸出電路(該電路具 有光電隔離放大功能),控制電子驅(qū)動電路。

4)遠程命令控制中心可通過RS485通信接口傳 遞命令至系統(tǒng)MCU并返回系統(tǒng)狀態(tài)信息 ,這方便控 制系統(tǒng)集成到云控制系統(tǒng)中 ,使得系統(tǒng)具有實現(xiàn)遠 程智能控制的可能性。

1.4    系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面簡化永磁機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)有利 于減少系統(tǒng)故障發(fā)生。在硬件電路和軟件設(shè)計方面 , 都需要采取相應(yīng)的抗干擾措施 ,具體如下:

1)對系統(tǒng)的電源輸入端采用差分電感和共模電 感并采用隔離變壓器。

2)電路板電路設(shè)計中 ,在芯片電源管腳接去耦 電容。

3)輸入通道采取低通濾波 ,強弱信號分開布線。

4)數(shù)字信號的輸入、輸出采用光電隔離措施。

5)印刷電路板設(shè)計為多層板結(jié)構(gòu) ,提高電磁兼 容性 , 以減少干擾的影響。

6)軟件設(shè)計用看門狗芯片監(jiān)視MCU程序 , 以防 止進入死循環(huán)。

7)軟件設(shè)計方面對數(shù)據(jù)采用數(shù)字濾波算法 , 防 止由于信號干擾造成的數(shù)據(jù)波動現(xiàn)象。

2    軟件設(shè)計

2.1    軟件架構(gòu)

架構(gòu)總體由主程序模塊、中斷控制模塊、顯示子 程序功能模塊、鍵盤指令處理子功能模塊、故障處理 子程序模塊等部分組成 ,模塊之間相互配合實現(xiàn)動作 的準確執(zhí)行 ,達到預(yù)期設(shè)定的功能 ,框圖如圖4所示。

先進行系統(tǒng)的 自檢與初始化 ,確定系統(tǒng)正常后 再檢查系統(tǒng)輸入開關(guān)量情況 ,然后檢測系統(tǒng)外部輸 入故障標志 ,如發(fā)現(xiàn)標志位已置位即進入相應(yīng)的處 理子程序 。在鍵盤處理程序中對菜單設(shè)置以及本地 分閘、合閘快捷按鍵事件進行處理。遠程合閘命令軟 件是通過中斷處理的 ,通信也在相應(yīng)中斷中處理。遠 程合分閘命令中斷子程序流程如圖5所示。

首先判斷控制命令是合閘命令還是分閘命令 , 如果是合閘命令 ,再判斷合閘標志是否有效 ,如有效 再計算合閘時間 , 下發(fā)合閘指令 , 完成合閘動作輸 出。分閘判斷過程與合閘類似。遠程合閘命令在中斷 服務(wù)程序中執(zhí)行 ,有利于快速響應(yīng)遠程命令。

2.2    控制算法

分合閘時機要根據(jù)斷路器結(jié)構(gòu)動作時間具體判 斷 ,然而永磁機構(gòu)動作時間具有分散性[5] ,每臺設(shè)備 都有不同 ,所以每臺永磁機構(gòu)都需要定期測試分合閘動作時間值 ,這些測試可單獨開發(fā)一個子程序方 便測試人員調(diào)用 。分合閘命令要根據(jù)選相分合閘菜 單中的相角要求 ,通過對同步信號(過零點)以及斷 路器分合閘動作固有延遲時間等參數(shù)進行計算 ,得 出分合閘動作輸出延遲時間 ,然后在合適的時間發(fā) 出分合閘命令 。選相分合閘時序如圖6所示。

3    結(jié)束語

本項目組開發(fā)的斷路器智能控制器實際產(chǎn)品如圖7所示。

該產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡單 、性能可靠 、成本低 、機構(gòu) 動作準確和響應(yīng)快速等優(yōu)點 , 同時也為未來智能控 制集群控制創(chuàng)造了條件 ,適合在智能電網(wǎng)和電氣化 鐵路等中發(fā)揮作用。

[參考文獻]

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2025年第3期第2篇