双稳态永磁操动机构电磁缓冲技术

息。同时也可以接受远程控制指令。正常运行期间外部按键分合闸指令和参数调整功能由外部中断实时控制。

4.10 电容充电程序设计

电容充电程序嵌入在主循环程序之中，每次程序运行到此处通过比较电容电压值确定是否需要充电，若检测值低于额定范围，通过调整PWM输出值从而调整电容充电电压值，使充电电流稳定在一定泛围，由于该值没有必要过于精确，所以只需要采用比例调节方式，无需复杂的控制程序，程序流程图见图4.18。

电容电压检测N是否低于额定电压Y关闭PWM充电启动PWM充电N充电电流是否低于恒定值YPWM值按比例增加PWM值按比例减小充电一次循环结束

图4.18 电容充电流程图

Figure 4.18 Flowchart of capacitor charging

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4.11 缓冲控制程序设计

因为分闸与合闸的过程基本相同，所以主要描述合闸过程，由于分合闸过程很快，而且要在这段时间实时监测铁芯的运动位置用以确定反力的施加时间，所以要求该过程进行时的A/D转换频率要高于系统保护功能运行时的频率，设计为10KHZ。另外在控制过程中若出现故障导致线圈电流超过设计动作的范围，本设计通过调节PWM控制IGBT减小操作电流，避免严重故障的发生。程序流程图如图4.19所示。

合闸指令电容电压是否高于最低值Y动铁芯是否处于分闸位置Y启动合闸线圈N启动充电模块A/D 中断N读取霍尔电流值合闸电流是否超过额定范围YN动铁芯是否处于减速位置Y调节 PWM 输出值N启动分闸线圈进行电磁缓冲YN动铁芯是否处于合闸位置中断返回合闸结束

图4.19 合闸程序流程 Figure 4.19 Sub-gate process flow

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5 操动机构缓冲控制ANSYS仿真分析

5.1 ANSYS软件简介

ANSYS提供了一整套用于静态交流瞬态低频电磁场分析的完整模块EmagLF可以用于静电场、静磁场、电磁场、电路、电流传导等各种分析领域，可以计算各种电磁结构的电磁力、力矩、电感、电阻、电容和焦耳热、场泄漏、饱和、电场强度、磁场强度等各种关心的参数。ANSYS采用H单元和P单元计算静电场。ANSYS具备先进的静电结构耦合功能，从而可直接耦合计算电场力-结构变形。ANSYS可以根据永磁体、静态、交流等不同加载分析电机的力矩特性、材料饱和、极齿形状等对电机性能的影响。

·可以精确快速的分析各种复杂电机的电磁问题，以及电机的电磁/热耦合问题; ·可以对变压器、电动机、高压开关等电力设备的电场分布、磁场分布进行分析，并设计电力设备组件。

·可以分析基于电磁原理的视频显示设备、磁成像系统等，并进行设计。 ·可以分析和设计用于医药、地质探测等领域的电磁开关等电磁设备。

有限元法计算磁场的基础是变分原理，即将磁场微分方程的3种边值条件转化为等价的能量泛函数的极值问题，然后再离散化求解的。其中，对于稳态磁场区域，能量泛函数工即总的位能W为：

I?W?BAA?(?H?dB)d??0??(?J?dA)d??0??(????A?n?dA)d?0??Wm?WJ?W? ···················· （5.1）

式中，?为磁场区域Q的边界，H为磁场强度矢量，B为磁感应强度矢量，n为边界的法线方向，J为电流密度矢量，A为矢量磁位。Wm为磁场能量，WJ为电流的位能，

W?为边界上的位能(实际上代表。区域外的磁场能量)

[41]。

5.2 操动机构建模

下面针对本文分析的双稳态永磁机构，对其各部分的建模和材料模型进行一一说明。因为该双稳态永磁机构为圆柱形，其磁场分布具有轴对称性，所以用ANSYS建立模型时，只需要建立2D的1/2模型即可，图5.1即为用ANSYS的命令流建立的永磁机构模型，其模型是按触头压力为1600N设计，约相当于操动12KV,短路开断电流12.5KA的真空断路器设计。触头开距8mm,触头超行程2mm,直接操动断路器，动铁心行程10mm。这样不仅可以节约计算时计算机的存储资源，而且可以加快计算速度[42,43]。

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图5.1 ANSYS建立的PMA的2D的1/2模型 Figure 5.1 Half of 2-D model of PMA created by ANSYS

1)、永磁体

稀土钦铁硼(NdFeB)是当代磁体中性能最强的永磁体，它不仅具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积、高性能价格比等特性，而且容易加工成各种尺寸。其退磁曲线为一条线，并且和其恢复曲线基本相重合，可使永磁体的磁性能在永磁机构的运行中保持稳定；回禀曲线大，不易失磁[44]。

在永磁机构动态过程中，由于动态过程历时极短(一般机构动作时间在几十毫秒以内)，热变化很小，励磁系统又存在着热惯性，所以永磁体受到动态温升的影响很小，在周围环境温度下，能够稳定对机构进行静态保持并参与动态过程[45]。

- 46 -

2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.201253004506007509001050120013501500

图5.2 永磁体B-H曲线模型

Figure 5.2 Model of B-H curve of permanent magnetic

在模型中，永磁体用plane53单元建模，其材料模型B-H回复曲线从第二象限平移到第一象限，如图5.2所示，矫顽力Hc为920kA/m，剩磁为1.202T。随着励磁电流以及动铁芯的位置的变化，永磁体的工作点在该曲线上变动[46]。

2)、电工纯铁

电工纯铁是应用光范、价格便宜的软核材料。它具有很高的饱和磁感应，低的磁滞

?2损耗，最大磁导率一般为1.875?10H/m。基本缺点是电阻率低，不能用在交流磁场中，

一般作为稳恒磁场下的磁导体。它是大多数其他磁性材料的重要原料。纯铁塑性好，但在850~1150℃温度范围内有红脆现象。锻造时锻件应均匀烧透，并在1300~1150℃和850~500℃进行锻造[47]。

本文中的永磁机构的动铁心和静铁心均用锻造的电工纯铁。

在ansys建模时，动铁心和静铁心均用plnae53单元，其材料属性为其磁化曲线，图5.3为电工纯铁材料在ansys中的磁化曲线。

2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.201002003004005006007008009001000

图5.3 纯铁的磁化曲线模型

Figure 5.3 Model of magnetization curve of cast-iron

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摘 要

论文针对双稳态永磁操动机构分合闸操作的末速度很大，机械冲击力也很大，对永磁操动机构的机械寿命极为不利，目前的永磁操动机构采用在分闸位置加装缓冲弹簧减小分闸冲击力，而在合闸时则利用真空断路器触头弹簧实现缓冲。这种解决方法面临的问题是缓冲弹簧的强度和分闸功或合闸功存在的矛盾。在深入分析了双稳态永磁机构的静态磁场耦合模型、动态特性的基础上，初步得出了永磁机构电感、通电电流与动铁心运动时间之间的关系以及永磁机构动铁芯位移、速度等参量与时间的关系。根据机构电磁特性，提出通过在合适的分合闸位置施加适当时间的反向激磁的电磁缓冲技术来减少机械冲击，同时，还能够适当避免采用弹簧实现缓冲时由弹簧自身故障带来的问题。通过使用ANSYS软件建立永磁操动机构模型，进行仿真，理论上证明反向激磁确实能够起到了缓解机械冲击的作用，同时通过实验也验证了采用电磁缓冲技术的反向激磁对永磁操动机构分合闸起到缓冲作用的可行性。实验结果表明，在不同的分合闸位置施加反向激磁以及不同的激磁作用时间会产生不同的缓冲效果，该技术能够改善分合闸性能并提高永磁机构寿命。

关键词：双稳态永磁操动机构 ；电磁缓冲 ；反向激磁 ；缓冲弹簧 ；

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目 录

摘 要 ..................................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................... 错误！未定义书签。 1 绪论 ...................................................................................................................................... 1

1.1 课题的研究目的和意义 ........................................................................................... 1 1.2 课题的研究背景 ....................................................................................................... 1

1.2.1 真空断路器的操动机构发展 ........................................................................ 2 1.2.2 永磁操动机构的国内外发展状态 ................................................................ 3 1.2.3 永磁操动机构的控制单元 ............................................................................ 4 1.2.4 永磁操动机构的智能控制 ............................................................................ 4 1.3 本文的主要工作和章节安排 ................................................................................... 5 2 双稳态永磁机构原理 .......................................................................................................... 6

2.1 传统操动机构与永磁机构的比较 ........................................................................... 6 2.2 双稳态永磁机构的结构及工作原理 ....................................................................... 7 2.3 双稳态永磁机构的磁路分析 ................................................................................. 10

2.3.1 磁路分析 ...................................................................................................... 10 2.3.2 永磁机构的始动安匝 .................................................................................. 12

3 永磁机构电磁分析和电磁缓冲技术的提出 .................................................................... 14

3.1 永磁机构的建模 ..................................................................................................... 14

3.1.1 永磁机构静态磁场模型 .............................................................................. 14 3.1.2 永磁机构动态分析的数学模型及求解 ...................................................... 17 3.2 永磁机构真空断路器动态特性分析 ..................................................................... 21

3.2.1 动态特性 ...................................................................................................... 22 3.2.2 吸力特性 ...................................................................................................... 25 3.3 永磁机构电磁缓冲技术的提出 ............................................................................. 26 4 缓冲控制部分设计 ............................................................................................................ 28

4.1 控制部分硬件结构 ................................................................................................. 28 4.2 电容充电电路设计 ................................................................................................. 29 4.3 电容电压检测电路设计 ........................................................................................... 30 4.4 分合闸线圈驱动电路设计 ....................................................................................... 31 4.5 IGBT驱动电路设计............................................................................................... 33

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4.6 位移传感器的选择 ................................................................................................... 34 4.7 微控制器电路设计 ................................................................................................... 35

4.7.1 单片机性能介绍 ............................................................................................ 35 4.7.2 ATmega16单片机最小系统电路 .................................................................. 36 4.8 基准电压源电路设计 ............................................................................................... 39 4.9 软件总体结构设计 ................................................................................................... 41 4.10 电容充电程序设计 ............................................................................................... 43 4.11 缓冲控制程序设计 ............................................................................................... 44 5 操动机构缓冲控制ANSYS仿真分析............................................................................... 45

5.1 ANSYS软件简介...................................................................................................... 45 5.2 操动机构建模 ........................................................................................................... 45 5.3 施加载荷和求解 ....................................................................................................... 50 5.4 操动机构的静态特性分析 ....................................................................................... 50 6 双稳态永磁操动机构电磁缓冲实验 .................................................................................. 55

6.1 实验核心器件说明 ................................................................................................... 55

6.1.1 加速度传感器 ................................................................................................ 55 6.1.2 牵引力电磁铁 ................................................................................................ 56 6.1.3 双稳态永磁操动机构模拟装置 .................................................................... 57 6.2 实验方案 ................................................................................................................... 58 6.3 实验结果分析 ........................................................................................................... 60 6.4 实验结论 ................................................................................................................... 63 结 论 .................................................................................................................................. 64 参 考 文 献 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 作 者 简 历 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 学位论文数据集 ...................................................................................... 错误！未定义书签。

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1 绪论

1.1 课题的研究目的和意义

矿用高压隔爆开关是矿山企业电力系统中十分重要的电气设备。它起着开断和关合正常与故障线路的作用，其操作性能对电网的安全、稳定及经济运行至关重要。经过调查，矿山用6KV隔爆高压真空开关中目前主要使用弹簧操动机构。80%的开关故障来源于操动机构失效。若将永磁操动机构应用于这类开关中就能很好的解决机构失效问题，降低故障率，实现免维护。研究基于永磁操动机构的隔爆开关对于保证供电的可靠性、稳定性，改善供电的质量，切实提高企业的经济效益和工作效率具有重要的意义。

随着配电自动化功能不断的完善以及遵循功能下放的原则，配电自动化开关设备仅仅实现简单的合闸和分闸功能是不够的。本文研究的控制技术还包括对断路器动、静触头在控制系统作用下，使电力设备能够在对自身和系统冲击最小的情况下投入运行的控制技术，这就涉及到断路器动触头运动规律与其操动机构特性的关系。由于传统的真空断路器操动机构(电磁式和电动弹簧式)是由复杂的传动机构组成机械系统，其运动时间分散性大、运动可控性差、响应速度慢，因此很难实现对机械运动精确的控制。永磁机构通过将电磁机构与永久磁铁的特殊结合来实现传统断路器机构的全部功能，其最大的特点在于它无须传统的脱扣和锁扣装置即可实现机构的终端位置保持功能。永磁机构动作部件少，中间转换和连接机构也少，这大大减小了动作时间的分散性和不可控性，并且机构的所有动作都能电控，因此永磁机构为断路器实现本身的智能控制提供了可靠的操动机构，为减小机构繁琐的零件损坏，提供了平台，电磁缓冲技术的的思想也是在永磁操动机构的基础上提出来的，对降低机构的机械冲击和减小触头弹跳引起的触头烧蚀损坏具有一定的意义。

1.2 课题的研究背景

自1961年美国GE公司研制成功第一台真空断路器以来，真空断路器的技术水平迅速提高，其中，随着新触头结构及材料的研制，真空断路器的开断能力不断提高，真空断路器作为控制和分配电能用的开关元件越来越广泛地应用于电力系统，并在中、高压领域保持着主导地位。真空断路器由于其真空电弧无与伦比的特性，使其电寿命大大增加。同时，其机械寿命也从传统的两千次跃增为几万次，因此，与其配合的操动机构的机械寿命及可靠性就成了较为突出的问题[1]。高压开关的一个最基本性能就是机械可靠性，电力运行和试验站的故障统计中表明，我国高压开关最突出的问题就是机械和绝

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缘问题，这与发达国家相比较为落后，在发达国家的先进公司，现在都纷纷提出并推出新一代免维护的电器产品。我国高压开关设备要真正做到产品免维护仍然很困难，实际上，在产品设计上尽可能地简化结构，最简化的产品结构也就是最可靠的产品[2]。

1.2.1 真空断路器的操动机构发展

断路器的全部使命，归根到底是体现在触头的分、合动作上，而分、合动作又是通过操动机构来实现的，因此操动机构的工作性能和质量的优劣，对高压断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。开关设备的操动机构需要较多的机械零件配合组成，这不仅成本高，而且可靠性不足，因为故障率上升的可能性是和零件的数量成正比的。弹簧操动机构是利用己储能的弹簧为动力使断路器动作的操动机构。弹簧储能通常是由电动机通过减速装置来完成。整个操动机构大致可分为弹簧储能、维持储能、合闸与合闸维持和分闸四个部分。弹簧操动机构的优点是不需要大功率的直流电源，电动机功率小，交直流两用，适宜交流操作；其缺点是结构比较复杂，零件数量多(约为200个)，且要求加工精度高，制造工艺复杂，成本高，产品的可靠性不易保证。靠电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构，电磁操动机构的优点是结构简单，零件数量少(约为120个)，工作可靠，制造成本低，但其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，因而要求用户配备价格昂贵的蓄电池组，加上电磁机构的结构笨重，动作时间较长[3]。

真空断路器之所以如此迅速发展的原因，是在于其真空灭弧性能的优异[4]，沿用传统断路器操动机构来驱动真空断路器显然很难体现出其高寿命、高可靠性的优点，因此需要结构高度简化、节能和高可靠性的机构来满足真空断路器的驱动要求。在弹簧机构和传统电磁操作机构优点的基础上，克服其不足，将永久磁铁应用在操动机构中，设计中使真空断路器分合闸的位置保持通过永久磁铁来实现，取代了传统的锁扣装置。这种磁力机构包含永久磁铁和分闸、合闸控制线圈，当合闸控制线圈通电后，它使动铁心向下运动，并通过永久磁铁保持在合闸位置；当分闸控制线圈通电后，动铁心向反方向运动，同样通过永久磁铁将它保待在另一个工作位置即分闸位置，即该机构在控制线圈不通电时它的动铁心有两个稳定工作状态，合闸与分闸，也称双稳态电磁机构[5][6]。这种机构的特点是：

（1）其吸力特性可以较为理想的满足真空灭弧室的工作需要。

（2）永久磁铁与分、合闸控制线圈的结合，解决了合闸时需要大功率能量的问题，因而磁系统结构尺寸比普通电磁机构减小了，分、合闸控制线圈电流也小。

（3）操动机构无需机械锁扣和辅助的电器，机械动作可靠性大大提高，能实现免维护，节省维修的费用。

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Mega16已经内置RC振荡线路，可以产生1M、2M、4M、8M的振荡频率。不过，内置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，比如要与RS232通信需要比较精确的波特率时,就需要采用外部晶振，准确定时，电路图如图4.12所示。

图4.13 AD转换滤波线路 Figure 4.13 AD conversion filter circuit

为减小AD转换的电源干扰，Mega16芯片有独立的AD电源供电。官方文档推荐在VCC串上一只10uH的电感（L1），然后接一只0.1uF的电容到地（C3），电路如图4.13。

图4.14 ISP下载接口电路

Figure 4.14 ISP download interface circuit

ISP下载接口，不需要任何的外围零件。使用双排2?5插座。由于没有外围零件，故PB5（MOSI）、PB6（MISO）、PB7（SCK）、复位脚仍可以正常使用，不受ISP的干扰，电路如图4.14。

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图4.15 电源电路 Figure 4.15 Power supply circuit

AVR单片机最常用的是5V与3.3V两种电压。本线路以开关切换两种电压，并且以双色二极管指示（5V时为绿灯，3.3V时为红灯）,电路如图4.15。

4.8 基准电压源电路设计

电压基准(VREF)的主要目标是设立系统精度。模/数转换器根据基准电压设置其满量程输入电平。下面论述如何在初始精度和温度系数之间进行折中，在保证满足系统精度的前提下拓宽电压基准的选择范围。下面介绍的计算方法可根据给定的初始精度确定温度系数，反之亦然。

任何典型的ADC应用中均会指定模拟电压范围，由ADC进行数字化。为满足标准输入电压范围的要求，这些模拟信号通常必须经过抗混叠滤波、缓冲，可能的话还要将幅度调节到适当的范围。本系统设计具有5V满量程输入的10位ADC，每位对应的值为5/1024=4.88mV。设系统ADC的分辨率误差3LSB，输入有3LSB的变化时即可产生响应。因此，我们规定总的转换误差为1.5LSB。为简化讨论，假设ADC是一个理想器件，误差仅由基准产生。这样，最差工作条件下，允许VREF产生的误差为1.5LSB(10位ADC对应于7.32mV)。

为锁定临界条件，分别考虑各个变量，并临时假设电压基准VREF的温度系数为零，所有误差均来自初始精度。5V基准输出的1.5LSB误差对应于0.146%，因此对于温度系数为零的基准，精度在任意温度下允许的误差为0.146%。

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再来考虑另一个临界条件，假设电压基准VREF在+25℃下的初始误差为零(大多数电压基准经过校准)。因此，所有误差均由基准的温度系数产生，在整个工作温度范围内5V基准的误差不得超过1.5LSB。也就是说，对于10位ADC，其VREF的温度系数在远离+25℃的极端温度(过热或过冷)下，造成的误差必须低于7.32mV。

实际的VREF同时存在初始精度和温度系数误差，因此，采取以下措施： 1）确定VREF的工作温度范围。 2）注意远离+25℃的温度区域。 3）所有计算均基于极限温度。 4）确定输出基准电压(VREF)。

5）将1.5LSB转换成满量程的百分比，零温度系数时为电压基准的总精度。 6）计算最差工作条件下所允许的温度系数，单位为ppm/℃；此时假定理想情况下，+25℃时的初始误差为零。

设工作温度范围为0℃至+50℃且封装内部有5℃的温升，限定VREF的最高温度为+55℃(VREF最低温度为最小工作温度0℃)。VREF的最高温度为+50℃时，比+25℃高出30℃；最低温度为0℃，比+25℃低25℃。因此，考虑其最高温度的情况。对于所允许的最大误差(0.146%)，温度系数(假设在25℃时初始误差为零)为0.146%/30=0.00487%=48.7ppm/℃。

对于给定的VREF，可以通过下式求解温度系数和初始精度：

e = TC(ΔT)+A ······························（4-3） A = e-TC(ΔT) ·································（4-4）

TC = (e-A)/ΔT ······························（4-5） e=误差(%)

TC=温度系数(%/℃) ΔT=与+25℃的温度偏差 A=+25℃下的初始精度

对于本系统中的VREF，定义最大误差点(30℃、0.146%)： 0.146=TC(30)+A 解A得：A=0.146-30TC 解TC得：TC=(0.146-A)/30

现在可以加上温度系数估算VREF的误差(表示为%/℃)，计算其精度。另外，还可以选择其他特定精度，并使用第二个公式计算所允许的最大温度系数。

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U8OUTS15V+C5710uFC540.1uF4INOUTFGND652REF5+C5510uFC560.1uFMAX6403AAUT50

图4.16 基准电压源电路 Figure 4.16 Voltage reference circuit

MAX6043AAUT50基准的初始精度为0.06%，其温度系数是15ppm/℃。为确定该温度系数是否符合要求，用现在的精度值替换第二个公式中精度，以计算出所允许的温度系数：

TC=(0.146-A)/30 =(0.146-0.06)/30

=0.00287%/℃ =28.7ppm/℃

因此，芯片15ppm的温度系数是可以接受的。利用MAX6043AAUT50设计的基准电压源电路如图4.16所示，电源端和输出端分别连接0.1uF独石电容和10uF钽电容滤除噪声[40]。

4.9 软件总体结构设计

本系统软件利用AVR Studio+GCCAVR编译软件并全部采用C语言编制，模块化结构，循环扫描方式。系统软件结构框图如图4.17所示。

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启动外部按键中断Y初始化N是否分合闸永磁操动机构控制模块参量调整模块中断返回Y是否跳闸永磁操动机构控制模块N充电模块信息指示模块

图4.17 主程序流程图

Figure 4.17 The flow chart of main program

系统启动后，开始运行初始化程序，初始化程序包括单片机内部硬件功能设定，EEPROM参数值读取，内部程序算法变量、寄存器初值设定等。初始化程序结束后，系统开始自动循环进行电容电压、相电压、零序电压、零序电流、相电流和监视回路值的AD转换，一次转换完的数据会以数组形式存储，进行下一部数据预处理，主要是进行数值滤波和补偿。而后执行各保护功能判定程序，根据数值判断是否有故障发生，若有故障发生，则立即执行永磁操动机构分闸驱动程序，使真空断路器迅速断开，达到保护外部系统的目的。若没有故障或分闸结束继续执行电容充电控制程序，使电容电压保持恒定值。接着更新显示数据，并处理通信信息，若有故障则报警并向总站发送故障信

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4 缓冲控制部分设计

4.1 控制部分硬件结构

动铁位置检测传感变送电路电容充电电路Atmega16永磁机构驱动电路电容电压检测变送电路电容充电电流检测变送电路

图4.1 硬件系统结构图

Figure 4.1 Hardware system structure diagram

系统结构框图如图4.1，系统以Atmel公司的单片机Atmega16为控制核心，通过对电容电压和充电电流的监测，完成电容的恒流充电。动铁位置检测传感器将铁芯位置反馈给控制器完成分合闸的分段控制。永磁操动机构驱动电路包括分闸与合闸电路，核心功率元件使用IGBT。其整体控制系统电路实图如图4.2所示。

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图4.2 控制系统电路图 Figure 4.2 Control System circuit

4.2 电容充电电路设计

由于电源功率的限制，电容器充电电流不能太大。另一方面为了实现重合闸等操作，要求快速充电。所以要设计合适的充电方法适应电源输出功率和充电快速性的要求。对电容器进行充电可以通过电阻或电感限流实现。采用电阻限流的方法实现比较简单，而且没有电磁千扰等问题但采用RC充电，电容器电压上升为指数形式，到后期电压上升很慢。为了快速充电，则必须减小电阻值，而充电前期的电流将很大。而且采用电阻限流效率很低，电阻发热后可能会从电路板上熔落[32]。

U81JP412Header 2234D19Q3V++C5010uFCTRL1MBG10-060V-L5150uHD21Diode BAT17C-+C5110uFC+TA1421

图4.4 电容充电电路

Figure 4.4 Capacitor charging circuit

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另一种方法是采用开关电源技术，对充电电压实时调整，实现近似恒流充电，从而提高充电效率，缩短充电时间。其工作原理为:根据己经监测到的电容器电压和电流，调节IGBT的开关脉宽。当电压低时，脉冲较窄，由于电感的限流，在充电线路开通期间电流不会上升很高，线路关闭期间，电感中的能量通过续流电路继续对电容器进行充电；当电容器电压升高后，脉宽增加，输出电压相应增大，利用电流反馈调整电压变化量，就可实现恒流充电。其原理如图4.4，U8为小型电流互感器，输出经过电流变送电路就可以产生用于单片机检测的电压信号，其电路如图4.5。这种检测充电电流的方式与一般在线圈回路串联采样电阻的方法相比较为优越，它可以很方便的实现电气隔离，另外消耗功率相对较小无发热问题。

C36103R584302W1%+12V24TA1421U86413D2310VD2510V52U3BLM224AD7CCO11-12V 图4.5 电流-电压转换电路

Figure 4.5 Current-Voltage Conversion Circuit

4.3 电容电压检测电路设计

为消除进行分合闸操作时电容电流产生的干扰，对电容电压的采样就需要采用隔离检测的形式。本设计应用线性光耦HCNR201进行隔离电压检测。其原理是利用HCNR201构成隔离放大器,如图4.6所示，首先用一个运算放大器构成一个负反馈放大器，然后利用PD1检测LED的光输出量,并自动调整通过LED的电流，以补偿LED光输出的变化及任何其它原因引起的非线性，因此该反馈放大器主要用于稳定LED的光输出并使其线性化。另外，还需要一个运算放大器进行电流与电压之间的转换，以将输出光敏二极管PD2输出的稳定的、线性变化的电流转换成电压信号并输出。

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VCCC38VCC100KR3081032311U14ALM358DR311KDS1HCNR2018VCC103C392PD2PD1311U15ALM358DR32100KD155.1VC261034C_VGNDGNDR331KVCCC+8R39200KVin7625U14BLM358DR421KR37100KD1715VC-R4310K44GND

图4.6 电容电压检测电路

Figure 4.6 Capacitance-voltage detection circuit

图4.6中的运算放大器U14A构成负反馈放大电路，运算放大器U15A为电流电压转换电路。PD1接在放大器U14A的输入端，以完成对LED输出光信号的检测。流经PD1的电流为IPD1?Vin/R39,可见，当R39确定后， IPD1只正比于输入电压Vin。当其它因素引起LED的电流IF变化时，PD1的负反馈作用将抑制IF的变化，从而保证了LED输出光强度正比于输入电压Vin。HCNR201在结构设计上可保证照射在两个光敏二极管上光强度的比例为K, 因此，当LED发光时，流经两只光敏二极管的电流之比应当为K,即K?IPD2/IPD1。由于U15A的输出为Vout?Ipd2R30。因此可得到:Vout/Vin?KR30/R39。可见，该隔离放大器电路的输出电压与输入电压之间的关系是线性变化的，而且与LED的输出光强无关。其增益可通过改变R30/R39来调整。R3为LED的限流电阻，C38、C39用滤除电路的高频噪声[33]。

4.4 分合闸线圈驱动电路设计

分合闸线圈驱动电路如图4.7所示[34]，开关元件使用1MBH75D-060S型IGBT，由于其额定电流为75A，所以使用两片并联。回路电流检测使用HONEYWELL公司的霍

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尔电流传感器CSNE173，可以有效隔离大电流回路的脉冲干扰，最大可检测150A电流，输出50mA。由于IGBT工作电流较大，需要使用RCD保护电路[35]。RC参数可由下式确定：

CS?LL?IO22(VCEP?Ed)····································· （4-1）

：主电路寄生电感 ：IGBT关断时集电极电流 ：缓冲电容器电压的最终到达值

IOVCEPEd：直流电源电压

RS?12.3*CS*f ········································ （4-2）

f：交换频率

缓冲电阻值应该在满足上式的条件下尽量取较大值，如果设定值过低，由于缓冲电路的电流振荡，IGBT开通时的集电极电流峰值也将增加，对其工作不利。

C27D21CSNE1731C++C49U620.47uFQ1V+V-1MBH75D-060SC_OC-80543O/P-+COIL1CTRLQ2D20R21500+15-15R221MBH75D-060S

图4.7 分合闸线圈驱动电路

Figure 4.7 Sub-gate closing coil driver circuit

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4.5 IGBT驱动电路设计

IGBT驱动电路选用的是FUJI公司的专用芯片EXB840，它可以驱动600V150AIGBT，最高操作频率达40KHz，内部带有光耦隔离电路简化了电路设计。其引脚功能如下表：

表4.1 EXB840引脚功能 Table 4.1 EXB840 pin functions 引脚 1 2 3 4 功能 连接用于反向偏置电源的滤波电容 电源（+20V） 驱动输出 用于连接外部电容，以防止过流保护电路误动作（绝大部分场合不需要电容。） 过流保护输出 集电极电压监视 不接 电源（0V） 驱动信号输入（-） 驱动信号输入（+） D22MBR340VCCR2650031CON5.1KR28Q59014EXB840U129233uFC36R2510CTRLQ41MBG10-060V+5 6 7、8、10、11 9 14 15 155146V-33uFGNDC37+20VBAKTLP521R294.7K

图4.8 IGBT驱动电路 Figure 4.8 IGBT drive circuit

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由于IGBT能抵抗仅10μs的短路过流，所以必须有极快的保护电路。此混合IC装有一个过流保护电路。按照驱动信号与集电极电压之间的关系检测过流，当结电压过高时自动关断驱动信号，达到保护过流的目的。如图4.8为实际应用电路，光耦TLP521用于隔离输出其过流保护开关量信号，便于处理器进行故障处理[36]。

4.6 位移传感器的选择

对动铁心位置的实时测量，要求传感器精度能够达到0.1mm，反应速度0.5ms以上，同时考虑使用寿命和工作环境的复杂，应该使用非接触测量方式。目前市场上能满足要求的种类有激光传感器、电感传感器和涡流传感器等都能满足要求，考虑性价比问题本系统选用电涡流传感器。

电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。

传感器的基本工作系统由探头、(延伸电缆)、前置器以及被测体构成。如图4.9所示，前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ,ξ,б,D,I,ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ,ξ,б,I,ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。

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探头线圈前置器振荡器涡流被测体磁通量延伸电缆检测电路放大器输出线性补偿

图4.9 涡流传感器工作示意图

Figure 4.9 Schematic diagram of eddy current sensor work

其工作过程是：当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关[37]。

本设计选用Ф22mm传感器，线形量程10mm,线性误差1%，响应频率10KHz。

4.7 微控制器电路设计 4.7.1 单片机性能介绍

ATmega16为Atmel公司的产品，是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

ATmega16有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节 SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装) 的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了

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异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。

本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application Flash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW操作。通过将8位RISC CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。[38]

4.7.2 ATmega16单片机最小系统电路

如图4.10为ATmega16最小系统电路，主要包括。复位线路，晶振线路，AD转换滤波线路，ISP下载接口，JTAG仿真接口，电源[39]。

图4.10 单片机最小系统

Figure 4.10 Minimum system microcontroller

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各部分分解图如下：

图4.11 复位线路 Figure 4.11 Reset circuit

Mega16已经内置了上电复位设计。并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故AVR外部的复位线路在上电时，可以设计得很简单：直接拉一只10K的电阻到VCC即可(R0)。为了可靠，再加上一只0.1uF的电容(C0)以消除干扰、杂波,其电路图为4.11。

图4.12 晶振电路

Figure 4.12 Crystal oscillator circuit

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