基于单片机的永磁机构智能控制系统设计

0 引言

随着我国经济的快速发展 ,各行各业对电力系 统的供电质量和供电可靠性要求越来越高 。现代智能电网要求实现安全稳定运行 ,这就对电力系统提 出了高度自动化和智能化要求 。断路器是输配电系统中的重要电器之一 , 随着用电系统的发展 ,控制器作为断路器的大脑向智能化发展成为必然趋势。

电力传输系统中的断路器触头打开和关闭时 , 触头两侧的电压和电流及其相角是随机的 , 断路器出线两侧带电或是容性负载、感性负载时 , 即断路器带电分断或闭合 ,将引起过电压波动和涌流 ,从而影 响电力系统的正常运行 [1-2]。同步(或相控)操作技术是电气智能化的前沿课题 ,该技术能有效削弱断路器分合闸时所产生的涌流、过电压等暂态冲击 , 已被 广泛使用并取得了较好的效果[3]。本文提出了基于单片机的智能控制技术 ,可配合永磁机构在电网电压或电流的指定相位和电压或电流相同幅值处完成电 路的闭合或断开 ,减小对电气设备和电力系统的冲击 ,提高断路器投入或切出系统的成功率。

1   硬件结构与设计

1.1    永磁机构概述

永磁机构采用一种永磁体操纵机构加真空断路 器(简称“断路器 ”)的结构 。如图1所示 ,它由永久磁铁、合分闸线圈、储能电容、真空断路器组成 ,储能电容器用于储存能量 ,合分闸时 ,它向合闸线圈或分闸 线圈提供高达2 600 W的脉冲电能。控制电路通过改变永磁机构外电磁线圈的电流方向使断路器完成合分闸操作 , 因为线圈中的电流方向决定了电磁铁磁场方向 ,这样配合永磁体的磁场方向就可以完成永 磁机构的开合动作。

这种机械结构工作时主要运动部件很少 , 无须机械脱扣/锁扣结构 ,减少了故障诱因 ,且增加了动作次数 ,使合闸动作更加可靠、有效。

1.2    电子驱动电路设计

永磁机构的电子驱动装置如图2所示 ,驱动电路  主要由AC-DC电源模块 (110~220 V的交流电输  入)、可调直流输出 (可以达到400 V)、储能电容器  (20 000 F/450 V)、大功率MOSFET(1 200 V/75 A)、 大功率开关二极管和输入信号光电隔离器(起到抗  干扰和强弱电隔离保护作用)组成。

动作原理如下:

1)接通电源 ,控制系统开始开关状态检查并进 入正常工作 ,储能电容在7 s内完成首次储能 ,之后将 在4 s内完成操作后的补充储能 , 并将电容电压稳定 在出厂设置值。

2)如果合闸指令发出 , 则检查断路器是否在分闸状态 ,控制器寻找断路器两侧电压相同、相角相同 的同步点 ,提前发出控制信号(适当提前量), 控制 MOSFET对电磁线圈L正向放电 ,完成合闸操作。

3)如果分闸指令发出 , 则首先检查断路器是否 在合闸状态 ,确定在合闸状态则分闸命令被认为有 效 ,控制MOSFET对电磁线圈L进行反向放电 ,完成 分闸操作。

1.3    控制器设计

通过分析各种单片机的优缺点和特点 ,决定采用 高灵活性和低成本的高速微处理器AVR单片机作为 控制器的主控制芯片 [4] , 由控制器系统的框图(图3) 可知控制系统主要由主控部分(MCU最小系统、RS485 通信电路、开关量输入电路、键盘、显示屏)、信号处 理和采集部分(PT、信号调理、AD、过零点采集)和电 子驱动部分(控制命令输出、电子驱动电路)三部分组成。

需要特别注意的是 ,主芯片和周边电路逻辑芯片的电平匹配问题、电磁兼容问题、抗干扰问题、驱动模块的发热器件布局散热问题等。

1)控制系统的主控制电路由MCU最小系统、键 盘、显示屏、开关量输入电路、RS485通信电路组成 ,一 旦接收到远方或本地的投切指令 , 即按照预定算法发 出触发信号 ,控制断路器完成合闸或分闸动作; 同时 , 系统参数也可通过总线上传至控制中心。采用RS485 差分总线可提高通信抗干扰能力 ,增加传输距离。

2)信号处理电路由相线线电压信号采集电路 、 信号调理电路 、A/D转换模块 、过零点采集电路组  成 ,利用MCU的捕获功能 ,捕获引脚上过零点 , 同时  获取相线的电压值。

3)辅助位置开关信号经开关量输入电路送入MCU, 经过程序控制 ,发出控制信号到输出电路(该电路具 有光电隔离放大功能),控制电子驱动电路。

4)远程命令控制中心可通过RS485通信接口传 递命令至系统MCU并返回系统状态信息 ,这方便控 制系统集成到云控制系统中 ,使得系统具有实现远 程智能控制的可能性。

1.4    系统的抗干扰设计

在结构设计方面简化永磁机构的机械结构有利 于减少系统故障发生。在硬件电路和软件设计方面 , 都需要采取相应的抗干扰措施 ,具体如下:

1)对系统的电源输入端采用差分电感和共模电 感并采用隔离变压器。

2)电路板电路设计中 ,在芯片电源管脚接去耦 电容。

3)输入通道采取低通滤波 ,强弱信号分开布线。

4)数字信号的输入、输出采用光电隔离措施。

5)印刷电路板设计为多层板结构 ,提高电磁兼 容性 , 以减少干扰的影响。

6)软件设计用看门狗芯片监视MCU程序 , 以防 止进入死循环。

7)软件设计方面对数据采用数字滤波算法 , 防 止由于信号干扰造成的数据波动现象。

2    软件设计

2.1    软件架构

架构总体由主程序模块、中断控制模块、显示子 程序功能模块、键盘指令处理子功能模块、故障处理 子程序模块等部分组成 ,模块之间相互配合实现动作 的准确执行 ,达到预期设定的功能 ,框图如图4所示。

先进行系统的 自检与初始化 ,确定系统正常后 再检查系统输入开关量情况 ,然后检测系统外部输 入故障标志 ,如发现标志位已置位即进入相应的处 理子程序 。在键盘处理程序中对菜单设置以及本地 分闸、合闸快捷按键事件进行处理。远程合闸命令软 件是通过中断处理的 ,通信也在相应中断中处理。远 程合分闸命令中断子程序流程如图5所示。

首先判断控制命令是合闸命令还是分闸命令 , 如果是合闸命令 ,再判断合闸标志是否有效 ,如有效 再计算合闸时间 , 下发合闸指令 , 完成合闸动作输 出。分闸判断过程与合闸类似。远程合闸命令在中断 服务程序中执行 ,有利于快速响应远程命令。

2.2    控制算法

分合闸时机要根据断路器结构动作时间具体判 断 ,然而永磁机构动作时间具有分散性[5] ,每台设备 都有不同 ,所以每台永磁机构都需要定期测试分合闸动作时间值 ,这些测试可单独开发一个子程序方 便测试人员调用 。分合闸命令要根据选相分合闸菜 单中的相角要求 ,通过对同步信号(过零点)以及断 路器分合闸动作固有延迟时间等参数进行计算 ,得 出分合闸动作输出延迟时间 ,然后在合适的时间发 出分合闸命令 。选相分合闸时序如图6所示。

3    结束语

本项目组开发的断路器智能控制器实际产品如图7所示。

该产品具有结构简单 、性能可靠 、成本低 、机构 动作准确和响应快速等优点 , 同时也为未来智能控 制集群控制创造了条件 ,适合在智能电网和电气化 铁路等中发挥作用。

[参考文献]

[1]  林莘 .永磁机构与真空断路器[M]. 北京:机械工业出版 社 ,2002.

[2]  王季梅 .真空开关技术与应用[M]. 北京:机械工业出版 社 ,2008.

[3]  钱家骊.相位控制高压断路器的动向[J].高压电器 ,2001(1):38—40.

[4]  张军 ,宋涛 .AVR单片机C语言程序设计实例精粹[M]. 北 京 : 电子工业出版社 ,2009.

[5]  林莘 ,张浩 ,那娜.真空断路器永磁机构计算与分析[J]. 沈阳工业大学学报 ,2005 ,27(3):266—269.

2025年第3期第2篇