1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目： 永磁型欠压脱扣器的设计 二级学院（直属学部）： 延陵 专业： 自动化 班级： 07 自 Y 学生姓名： 顾文斌 学号： 07121208 指导教师姓名： 高敏 职称： 讲师 评阅教师姓名： 职称： 2011 年 6 月KC021-1常州工学院毕业设计论文I摘 要随着电力事业的发展以及大量的新型高性能的电子元件、控制器件的出现，一些新的控制方法也随之而产生。这种发展反应在各个领域，使得智能化技术发展十分迅速。断路器是电力系统中一种非常重要的电气设备。其操作性能对电网的安全、稳定和经济运行起着十分重
2、要的作用。作为断路器中的最重要的元件，欠压脱扣器的高可靠性可以极大的提高断路器的可靠性。本文在对永磁型脱扣器的优点做了分析的基础上，首先对永磁型机构的工作原理做了研究，然后对关键电路和软件设计做了详细的介绍。综合软硬件的设计，在 2 个月来反复的调试和改进的基础上，最终完成了对本课题的研究。最后对本课题提出总结，提出不足和改进的目标。关键词：永磁结构；脱扣器；单片机常州工学院毕业设计论文IIAbstractAccompany with electric power industry and massive new highperformance electronic components，co
3、ntrol devices being inventedTherefore，it brings control method and control performance to reality which was extremely difficult to achieve beforeThis development is reflected in various fieldsThat makes intellectuallization technological growing dramaticallyThe circuit breaker is the most importante
4、lectrical equipment in electrical power systemIts serviceability ensures electrical networks security，stability and economic movementAs a corn element in circuit breakerundervoltages highreliability design cangreatly improve thereliability ofcircuit breakersBasedon the analysis of permanentmagnet re
5、leasers advantagesfirstly research on the principle of work，then to the essential hardware and software circuit design,made a detailed introductionIntegrated the design of hardware and softwaredebug and ireprove in repeated basis in two months，and ultimately complete the setFinally，a summary of the
6、design and bring up with the disadvantages and improvement goals.Keywords: permanent magnetic structure; Tripping device; microcontroller常州工学院毕业设计论文III目录摘要 Abstract 目录 第一章 绪论 11.1 概述 11.2 脱扣器的国内外发展现状 11.3 课题研究的目的和意义 21.4 论文的主要研究内容31.5 论文结构安排3第二章 永磁机构的原理与分析42.1 永磁机构的基本结构42.2 永磁机构的特点52.3 永磁结构的设计52.3.1
7、 脱扣器的结构52.3.2 控制线圈的设计7第三章 总体方案论证与设计93.1 系统方案常州工学院毕业设计论文IV93.2 设计处理器的选择93.2.1 单片机 AT89S52 的简介93.3 系统硬件结构图143.4 硬件电路设计153.4.1A/D 转换电路的设计153.4.2 信号采集电路的设计163.4.3 电源电路的设计183.4.4 整流电路的设计183.4.5 显示电路的设计203.4.6 电容充电电路的设计213.4.7 通信口模块设计213.4.8 电磁阀电路设计23第四章系统软件的设计与实现254.1 概要254.1.1 软件开发工具的介绍254.2 软件的总体框图274.
8、3 电网参数的测量方法274.4 电压的测量284.5 设计功能指标常州工学院毕业设计论文V294.5.1 电流保护功能294.5.2 电压保护功能304.6 软件设计的总体方案304.6.1 远程处理子程序314.6.2 通讯子程序314.6.3 脱扣子程序324.7 软件可靠性设计334.7.1 提高软件可靠性设计344.7.2 软件可靠性的保护手段35结束语36参考文献37致谢39附录A40附录 B 49常州工学院毕业设计论文1第一章 绪论1.1 概述近年来，随着社会的发展、科学技术的进步，电力在工农业的生产中发挥着越来越重要的作用，并且与人民的生活息息相关。如何确保电力系统能够高效、稳
9、定的运行，能够提高供电质量，保护用电设备的稳定及人身财产的安全，一直是电力系统设计所面临的最重要问题。为了满足实际生产的需要，出现了用于电力线路接通和分断控制的器件-断路器。 断路器是指一类能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件(包括短路条件)下的电流的开关装置。断路器作为电力系统中一种非常重要的开关器件，广泛的应用于各类电网的供配电系统的生产中，其核心的器件即为脱扣器。脱扣器在断路器中负责采集信号与控制执行元件来完成线路接通和断开的操作，所以脱扣器的性能关系着断路器是否能够以准确、高效的动作来实现对线路的控制和保护作用。早期的断路器是在一般的
10、刀开关结构的基础上加装过电流的保护装置-脱扣器而来的。那时的脱扣器是电磁式过电流脱扣器，其具有断电自复位功能，该脱扣器还只能实现对电路的瞬时保护功能。由于电磁型脱扣器的线圈始终处于通电状态，控制电路始终输出功率，且复位弹簧始终处于受力状态，线圈发热、电子元件易于老化和弹簧早期疲软失效是电磁型脱扣器的致命弱点。在这种情况下，永磁机构的出现改变了这些，本课题就是围绕这些来展开研究的。1.2 脱扣器的国内外发展现状脱扣器的发展基本上经历了以下几代：第一代脱扣器是电磁式过电流脱扣器，这种脱扣器功能非常的简单，精度比较低，动作单元为热继电器，靠双金属片由于温度升高弯曲变形来发出脱扣信号，但在通过过大电流
11、或机械碰撞时容易使双金属片易产生永久不可逆转的变形，这样让脱扣器工作非常的不稳定，在生产中容易出现事故。第二代脱扣器即为电子式脱扣器，其出现在 70 年代，它是通过阻容回路的充放电来调整动作时间，通过调整电位器来设定动作电流的整定值在很大程度上提高了断路器的保护性能，但其动作时间的整定精度不高而且也不具备显示、常州工学院毕业设计论文2联网通信和监控等功能，所以它很快就被市场所淘汰了。第三代脱扣器出现在 80 年代后期到 90 年代初期，它不仅具有第二代脱扣器（电子式脱扣器）的保护功能，还增加了显示和网络通信和监控等功能，用户可以借助网络通信的功能来实现对脱扣器进行远程的控制(第三代脱口器中的网
12、络通信功能只能完成单一主机和单一脱扣器之间的通信，无法实现单一主机与多个脱扣器之间的通信)。同时由于微处理器在脱扣器中的应用，使得脱扣器能够更加智能化，脱扣器的功能也越来越强大，它可以实时显示电路中的各种参数：可以监视、设定和修改各种保护功能的动作参数；也可以保存电路动作时的故障值。具有代表性的第三代产品包括国外梅兰日兰的 M 系列、ABB 的F2 系列、三菱的 AE 系列和西门子的 3WN 系列等，我国上海电气科学研究所与其他厂商联合研制并自行设计的 DW45 和 S 系列产品也属于第三代脱扣器。第四代脱扣器还处于发展的初期阶段。第四代脱扣器的一个显著特点就是网络化，可实现单一主机与多个脱扣
13、器的联网通信功能。国外对第四代脱扣器的研究起步较早，已有第四代脱扣器产品应用于电力、石油和化工工业等行业中。例如，ABB 公司的 SACE Emax 系列和 SIMENS 公司的 3WL 系列。国内也在致力于第四代脱扣器的研发，部分厂商已经推出自己的第四代脱扣器产品。但是与国外产品相比，国内脱扣器的质量不高，运行的可靠性较差。但我们相信，只要我们认真学习和研究前人所留下的知识，再通过我们自己不断的实践，我们一定会开发出更完美的产品的。 1.3 课题研究的目的和意义传统的装有电磁式欠压脱扣器的断路器在电力系统领域发挥着巨大的作用，但电磁型脱扣器的线圈始终处于通电状态，体积庞大，控制电路始终输出功
14、率，且复位弹簧始终处于受力状态，线圈发热、电子元件易于老化和弹簧早期疲软实效，是致命缺点。抗谐波能力差，不能实现通讯功能。本课题是在对国内外同类技术进行分析和对比的基础上提出的与电磁型脱扣器大不相同的“永磁型”脱扣器，其主要技术优势是仅在需要动作时，电路输出瞬时功率，驱动线圈（吸合或释放）动作，并有永磁磁场保持衔铁工作位置。采用一定技术措施后，整个电路处在 mW 级功耗水平。实现了无发热、高可靠之目的。这对提高低压断路器的高可靠性水平和发展我国电力工业有重要的实际意义。此类功能的产常州工学院毕业设计论文3品前景非常的大，对其的研究非常符合目前低压电器的发展方向。此类产品在我国存在的巨大的潜力市
15、场，尤其是在石油，化工等产业上。因此，开发和研究新一代的永磁型欠压脱扣器具有重要的现实意义。1.4 论文的主要研究内容控制系统的设计：包括硬件设计与软件设计，另外对永磁机构结构及其优越性等。硬件设计的主要研究内容包括整个系统的硬件组成，混合电路的设计技术等。其中每一个技术的实施都直接关系到整个系统抗强干扰与高可靠性。软件设计主要通过 AD 转换采集电压进行有效计算判断是否控制输出等。永磁机构的优越性：主要研究其比前面几代脱扣器的优点。1.5 论文结构安排论文整体共分为六部分，其结构具体安排如下： 第一章为绪论，简述了脱扣器的国内外发展现状、课题的研究目的和意义、课题的主要研究内容，论文的结构安
16、排。第二章为永磁机构的原理与分析，详细的介绍了永磁机构的基本结构 ，永磁机构与弹簧机构之间的优点第三章为总体方案的论证与设计，处理器的选择 AT89S52，课题的设计的功能是对用电的电源模块、信息显示模块和 RS232 通信电模块设计以及其他一些电路的分析设计第四章为系统软件的设计与实现，介绍了开发软件、电网参数的测量、电流和电压的保护、软件可靠性以及重要模块的软件流程图的内容。最后是结束语，附录和致谢等内容 常州工学院毕业设计论文4第二章 永磁机构的原理与分析永磁机构就是利用永磁体实现线圈的吸合和释放的一种新型的电磁操动机构。与传统的机构相比较，永磁机构动作时运动部件通常只有 1 个，安全可
17、靠性很高。其分类只要有单线圈式永磁机构，双线圈式永磁机构和分磁路式永磁机构其中最常见的就是前面两种永磁机构。永磁机构作为一个新生的事物，还有一些不足与缺陷，最显著的缺陷是储能电容器的质量问题。但是随着科学技术的不断发展，永磁机构也必将从新生走向成熟，最终在中压领域占有一席之地，就如同真空断路器取代少油断路器一样，它的出现必将推动现代工业飞速发展。2.1 永磁机构的基本结构下面以双稳态永磁机构为例 ，其结构原理图如图 2-1 所示7213 456图 2-1 双稳态永磁机构结构原理图1-静铁芯 2-动铁芯 3 4-永磁体5-吸合线圈 6-释放线圈 7-驱动杆从图中我们可以看出，永磁机构的基本结构可
18、以分为以下六大类：1 是静铁芯，为永磁机构提供磁路通道，圆形结构一般采用电工纯铁或者低碳钢，方形结构我们一般采用硅钢片叠形结构。2 是动铁芯，其实整个永磁机构最主要的运动部件，一般采用电工纯铁或者低碳钢结构。常州工学院毕业设计论文53,4 是永久磁体，能够长期保持其磁性的磁体。如天然的磁石(磁铁矿)和人造磁钢（铁镍钴磁钢)等。永磁体是硬磁体，不易失磁，也不易被磁化。而作为导磁体和电磁铁的材料大都是软磁体。永磁体极性不会变化，而软磁体极性是随所加磁场极性而变的。5 是吸合线圈，当断路器处于分闸位置时，动铁芯处于上部，动铁芯与上部的静铁芯之间间隙较小，相对应的磁阻也较小，而动铁芯与下部的静铁芯之间
19、间隙较大，相对应的磁阻也较大，故永久磁铁所形成的磁力线大部分集中在上部，从而产生很大的向上吸引力，将动铁芯紧紧地吸附在上面。6 是释放线圈，当动铁芯到达下部时，永久磁铁和合闸线圈两者产生的磁场将动铁芯牢牢地吸附在下部。几秒钟以后，合闸电流消失，此时永久磁铁产生的磁场将动铁芯保持在下部位置。至此，断路器完成合闸操作。7 是驱动杆，是永磁机构和脱扣器之间连接的通道。2.2 永磁机构的特点永磁机构的特点主要从结构和使用情况来分析，其与弹簧机构相比有以下优点：1永磁机构结构比较简单，体积较小；弹簧机构结构复杂，体积较大。2其运动部件较少，传动简单，安全可靠性较高，噪音较小。3永磁机构磁性材料性能非常稳
20、定，几乎不会出现机械磨损现象，机构动作次数较高，寿命长，免维护，非常适合生产的需求。4其能够稳定的保持分合闸状态，不会发生开关偷跳现象。5可以与现代化的电子控制软件相结合，适应了时代的发展。2.3 永磁机构的设计2.3.1 脱扣器的结构永磁型脱扣器主要有正向绕组、反向绕组、永磁体和动铁芯组成。当正反向线圈通电时，电流会激发动铁芯产生运动，再依靠永磁体产生磁场来保证动铁芯的动作，从而达到我们需要的效果。这种结构非常的简单而且实用，且适合大规模的生产。永磁型脱扣器的结构如图 2-2 所示：永磁结构的设计最主要的工作是动铁芯截面积的确定，下面我们就对此做常州工学院毕业设计论文6些研究。图 2-2 永
21、磁型脱扣器的结构磁系统的结构一般可采用两种材料：用硅钢片作导磁材料的磁系统，可以降低涡流的影响，但会使外部磁轭变厚，外形变大；用整块铁磁材料作导磁材料，可以大幅度减小磁轭的厚度，对涡流的影响不是很大。在本课题中我们一般采用的是整块导磁材料的结构。在图 2-2 中，动铁芯被磁通发出的吸力吸在了后端位置，这就是脱扣器处于吸合的的位置。动铁芯与静铁芯之间必须产生 20N 的吸力根据 ,F=20N(2.04kgf)2250SBF由公式可知，B 值取高了，会使动铁芯的截面积变小，导致整个电磁系统的尺寸减小。反之亦然，提高参考产品经验数据，我们选取了 B=8000G，则动铁芯表面导磁面积 222 80.4
22、.805cmFBS驱动杆取直径为 4mm故动铁芯面积 22193.0.8.0cS常州工学院毕业设计论文7动铁芯我们一般采用的是圆柱体，其直径为 1.08cm,我们近似的取其直径为11mm，则动铁芯磁极表面积2228.0)4.1(cmS动铁芯的直径 ，动铁芯截面积22954c吸气时气隙磁通WbBSp 4-41065.106.8.0马则设计要求的吸力).2(55082kgfNF2.3.2 控制线圈的设计在动铁芯吸合和释放的过程中，我们要求向 15mm 气隙中提供磁密B=7000G，让其产生反向的吸力)6.1(852.0570222 kgfNSBF那么要求控制线圈向气隙提供磁势ATIN56012.7
23、0根据此公式设计控制线圈线圈的实际内径 11+1 0.5=12mm外径取 22mm线圈的绕线平均直径 mD172线圈的电压 U=220V线圈的直径（ 为电阻系数）mINUd 187.0562017.9.4 常州工学院毕业设计论文8我们按线规取 d=0.19mm，漆包线外径为 0.228mm,瞬时操作电流 I=2A线圈匝数匝28056IN线圈的厚度= 可绕的层数=m1-2 28.05每层可绕匝数= 7线圈长度=127 +2 2=33mm.28.0常州工学院毕业设计论文9第三章 总体方案论证与设计3.1 系统方案本课题的设计的功能是对用电的电源模块、信息显示模块和 RS232 通信电模块设计。电源
24、设计：直流电源是电子设备中供给能量的部分。本次设计中的电源为PROTEUS 提供的模拟电源；RS232 通信电：RS232 通信口用于与掌上电脑相连，使掌上电脑可以设置采集器的地址，各个标的脉冲当量、底数，按掌上电脑的要求将采集的电能数据发送给掌上电脑。本设计采用 MAX232 芯片为主体完成 RS232 串口电路；3.2 设计处理器的选择随着计算机技术的发展，单片机技术已成为计算机技术中的一个独立的分支，单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着极其重要的角色。从应用领域看，单片机主要用于控制，所以也称它为微控制器。单片机是这样一种芯片，它把微机的三大组成部分（C
25、PU+存储器+I/O 接口）和一些实时控制所需要的功能器件集成在该芯片上。实时控制器件包括 A/D 转换器、D/A 转换器、脉冲调制器等。实时控制器件配置的多少也是衡量单片机性能的重要方面。不同系列或型号的单片机，其实时控制器件的配置可能不同。大多数单片机芯片上都集成有定时器/计数器。由于知识水平有限，我选择了比较熟悉的单片机 AT89S52。3.2.1 单片机 AT89S52 的简介AT89S52 是美国 ATMEL 公司生产的高性能 COMS 八位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采用
26、ATME 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，常州工学院毕业设计论文10功能强大的 AT89S52 单片机适用于高性价比的场合，可灵活应用于各种控制领域。1.AT89S52 的主要性能参数和功能特性AT89S52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能的 CMOS 8 位单片机，与标准 MCS-51 指令系统及 8052 产品引脚兼容，芯片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，并且具有逻辑加密的功能。AT89S
27、52 单片机适合用于较为复杂的控制应用场合。AT89S52 提供以下标准功能：8k 字节 Flash 闪速存储器，256 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，三个 16 位定时/计数器，一个 6 向量两极中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S52 降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89S52 与 AT89C51 相比增加了一个 16 位定时/计数
28、器 T2，与 T0、T1 一样，既可用于定时，也可作为计数使用。T2 具有 3 种操作方式：捕获方式、16位自动装载方式和串行口波特率发生器方式。通过 T2CON 寄存器为 T2 的方式控制寄存器，通过对它进行编程，设置定时/计数器 T2 的工作方式 。2. AT89S52 的引脚及引脚图的描述AT89S52 的引脚图如图 3-1 所示：常州工学院毕业设计论文11图 3-1 AT89S52 的引脚图AT89S52 的各个引脚的功能如下：VCC：电源电压GND：接地P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个
29、 TTL 逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收
30、低 8 位地址。P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器时，P2 口送出高 8位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器时，P2 口线上的内容，在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和其它控制信号。P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并作为输入端时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流。P3 口除了作为一般 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表 3-1所示：端口引脚 第二功能常州工学院毕业设计论文12P3.0/ RXD 串行数据输入端P3.1/
