《DW50永磁欠压脱扣器研究与设计》开题报告.docx

1、 SJ003-12017 届 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 开 题 报 告二 级 学 院 ： 电 气 与 光 电 工 程 学 院学 生 ： 蒋 贵 嘉指 导 教 师 ： 吴 志 祥班学职级： 13 电二号： 13021212称： 副 教 授课 题 名 称课 题 类 型起 止 时 间基于比较器的低成本双线圈欠压脱扣器设计 毕 业 设 计 毕 业 论 文2014.2.246.3开 题 报 告（ 毕 业 设 计 ： 含 课 题 来 源 及 现 状 、 设 计 要 求 、 工 作 内 容 、 设 计 方 案 、 技 术 路 线 、 预期 目 标 、 时 间 安 排 及 参 考 文 献 等 。 字 数

2、 为 3000以 上 。 ）1 课 题 简 介本 次 设 计 课 题 为 DW50永 磁 型 欠 压 脱 扣 器 研 究 与 设 计 ， 它 将 应 用 于 各 类 电 网 的 供配 电 系 统 的 生 产 中 。 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 。 促 进 脱 扣 器 的 发 展 与 推 广 有 助 于 我 国 低 压 电 器 设 备 总 体 水 平 的提 高 。2 课 题 的 来 源 及 现 状2.1课 题 的 来 源脱 扣 器 应 保 护 电 路 的 需 要 而 产

3、生 并 随 着 断 路 器 的 发 展 而 发 展 。 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 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 ， 被 广 泛 的 应 用 于 各 类 电 网 的 供 配 电 系 统 的 生 产 中 ， 起 核 心 的 器 件 即 为 脱 扣 器 。脱 扣 器 在 断 路 器 中 负 责 采 集 信 号

4、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 。2.2课 题 的 国 内 外 现 状世 界 上 最 早 的 断 路 器 产 生 于 1885年 ， 它 是 一 种 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 动 复 位 功能 ， 那 时 的 脱 扣

5、 器 还 只 能 实 现 对 电 路 的 瞬 时 保 护 功 能 。 1905年 ， 具 有 自 由 脱 扣 装 置 的 空气 断 路 器 诞 生 。 1930年 以 来 ， 随 着 科 技 的 进 步 ， 电 弧 原 理 的 发 现 和 各 种 灭 弧 装 置 的 发 明 ，逐 渐 形 成 了 目 前 的 机 构 。 50年 代 末 ， 由 于 电 子 元 件 的 兴 起 ， 又 产 生 了 电 子 脱 扣 器 ， 到 了今 天 ， 由 于 单 片 机 的 普 及 又 有 了 智 能 型 断 路 器 的 问 世 。根 据 脱 扣 器 发 展 历 史 大 致 可 分 为 三 代 ： 第 一 代

6、 的 电 磁 式 过 电 流 脱 扣 器 ， 这 种 脱 扣 器功 能 非 常 的 简 单 ， 精 度 较 低 ， 动 作 单 元 为 热 继 电 器 ， 靠 双 金 属 片 随 着 温 度 的 升 高 来 产 生弯 曲 变 形 ， 来 实 现 脱 扣 信 号 的 发 出 ， 但 在 通 过 过 大 的 电 流 或 机 械 碰 撞 时 ， 容 易 使 双 金 属片 产 生 永 久 性 变 形 ， 这 让 脱 扣 器 的 工 作 非 常 的 不 稳 定 ， 在 生 产 生 活 中 容 易 出 现 事 故 。 第二 代 的 电 子 式 脱 扣 器 ， 它 是 通 过 阻 容 回 路 的 充 放 电

7、 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 是 其 动 作 时 间 的 整定 精 度 不 高 而 且 也 不 具 备 显 示 、 联 网 通 信 和 监 控 等 功 能 ， 所 以 很 快 被 市 场 淘 汰 。 第 三 代的 智 能 脱 扣 器 ， 它 不 仅 具 有 第 二 代 脱 扣 器 的 保 护 功 能 ， 还 增 加 了 显 示 、 网 络 通 信 和 监 视等 功 能 ， 用 户 可 以 借 助 网 络 通 信 的 功 能 来 实 现 对 脱

8、 扣 器 的 远 程 控 制 。 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 的 智 能 化 ， 脱 扣 器 的 功 能 也 变 得 越 发 的 强 大 ，它 可 以 显 示 电 路 中 的 各 种 参 数 ， 可 监 视 、 设 定 和 修 改 各 种 保 护 功 能 的 动 作 参 数 ； 也 可 保存 电 路 动 作 时 的 故 障 值 。 欠 压 脱 扣 器 从 根 本 上 来 说 应 该 属 于 第 二 代 电 子 脱 扣 器 。 90年 代中 国 国 内 出 现 了 电 子 式 脱 扣 器 ， 90年 代 后 期 开 发 出

9、 基 于 单 片 机 的 多 功 能 脱 扣 器 ， 可 实 现过 电 流 、 短 路 等 故 障 的 保 护 ， 做 到 了 运 行 、 故 障 集 中 监 视 处 理 ， 大 大 提 高 了 供 电 系 统 运行 的 可 靠 性 和 安 全 性 。 但 是 和 当 今 国 际 领 先 水 平 还 是 有 一 定 的 差 距 ， 有 待 进 一 步 的 研 究与 设 计 。经 过 50年 的 发 展 我 国 低 压 电 器 已 经 形 成 了 比 较 完 善 的 体 系 ， 在 低 压 电 器 的 种 类 、 规格 、 性 能 来 看 ， 基 本 上 满 足 了 我 国 国 民 经 济 发

10、展 的 需 求 。 目 前 ， 市 场 上 销 售 的 低 压 电 器产 品 可 大 致 分 为 三 代 产 品 。 第 一 代 产 品 主 要 包 括 DW10、 DZ10， 现 已 列 入 行 业 淘 汰 产 品 ，技 术 特 征 是 性 能 指 标 低 ， 体 积 大 ， 耗 材 耗 能 ； 第 二 代 是 70年 代 至 80年 代 开 发 的 产 品 ， 产品 包 括 自 行 开 发 和 技 术 引 进 的 ， 其 特 征 是 技 术 指 标 明 显 提 高 ， 保 护 特 性 较 完 善 ， 体 积 缩小 ， 结 构 上 适 应 成 套 设 备 的 要 求 ； 90年 代 开 发

11、的 产 品 为 第 三 代 产 品 ， 开 发 方 针 为 抓 住 主要 系 列 ， 跟 踪 国 外 先 进 技 术 ， 系 列 产 品 DW45等 ， 其 特 征 是 高 性 能 、 小 型 化 、 电 子 化 、 智能 化 、 组 合 化 、 多 功 能 化 ， 但 此 类 产 品 市 场 占 有 率 仅 为 5% 10%。 因 此 ， 促 进 此 代 产 品的 推 广 ， 从 而 促 进 我 国 低 压 电 器 设 备 总 体 水 平 的 提 高 已 刻 不 容 缓 。3 设 计 任 务 及 要 求3.1设 计 任 务本 次 设 计 为 DW50永磁欠压脱扣器研究与设计。主要完成断路器功

12、能特性、使用场合、内 部 结 构 等 知 识 的 学 习 ， 开 展 DW50永 磁 欠 压 脱 扣 器 研 究 与 设 计 ， 包 括 电 路 设 计 与 仿 真 、软 件 设 计 与 仿 真 ， 最 终 设 计 出 PCB及 全 部 软 件 。3.2设 计 任 务 和 要 求目 标 （ 指 标 ） 要 求 通 过 研 究 与 设 计 ， 基 本 达 到 如 下 要 求 。（ 1） 额 定 电 压 Ue： 220V20%。（ 2） 吸 合 点 电 压 0.8Ue， 动 作 准 确 度 2V。（ 3） 脱 扣 点 电 压 0.5Ue， 动 作 准 确 度 2V。（ 4)额 定 电 压 脱 扣

13、力 20N。（ 5)最 小 可 动 作 间 隔 时 间 ： 0.3s。3.3工 作 内 容（ 1） 掌 握 断 路 器 内 部 “附 件 ”-欠 压 脱 扣 器 原 理 、 国 标 等 内 容 。（ 2） 学 习 永 磁 电 磁 铁 相 关 知 识 ， 基 本 掌 握 永 磁 电 磁 铁 参 数 计 算 。（ 3） 学 习 UPD78F9202单 片 机 原 理 ， 掌 握 IDE工 作 环 境 ， 掌 握 C语 言 编 程 。（ 4） 学 习 电 子 CAD软 件 、 Visio软 件 、 multisim软 件 ， 并 能 熟 练 运 用 。4 设 计 方 案4.1总 体 思 路鉴 于 电

14、 磁 脱 扣 器 只 能 提 供 短 路 保 护 ， 抗 谐 波 能 力 差 ， 并 且 它 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 。 热 磁 脱 扣 器 只 能 提 供 二 段 保 护 ；动 作 误 差 比 较 大 ， 不 可 调 节 ， 而 且 受 环 境 影 响 较 大 。 而 基 于 单 片 机 的 永 磁 型 欠 压 式 脱 扣器 克 服 了 这

15、 些 缺 点 。 它 以 永 磁 体 为 主 的 永 磁 型 电 磁 铁 ， 仅 在 需 要 动 作 时 ， 控 制 电 路 输 出瞬 时 功 率 ， 驱 动 线 圈 动 作 (吸 合 或 释 放 )， 由 永 磁 体 磁 场 力 保 持 衔 铁 工 作 位 置 ;在 非 动 作 期间 ， 永 磁 型 电 磁 铁 具 有 线 圈 不 通 电 等 优 点 。 因 为 永 磁 型 电 磁 铁 内 部 无 复 位 弹 簧 ， 处 在 吸合 位 置 的 永 磁 型 电 磁 铁 在 控 制 电 路 发 生 故 障 后 ， 不 能 自 动 复 位 直 至 脱 扣 位 置 ， 因 此 存 在不 能 脱 扣

16、的 潜 在 危 险 。 它 灵 敏 度 高 ， 动 作 精 确 ， 而 且 可 以 调 节 ； 通 过 加 装 通 讯 模 块 可 以与 上 位 机 相 连 ， 从 而 实 现 远 程 控 制 ； 基 本 不 受 环 境 温 度 等 因 素 的 影 响 。 所 以 本 次 设 计 采用 基 于 单 片 机 的 永 磁 型 欠 压 脱 扣 器 实 现 对 电 路 的 保 护 。4.2具 体 方 案本 次 设 计 主 要 由 单 片 机 、 EMC抗 干 扰 、 全 波 整 流 、 信 号 采 样 电 阻 R1 和 R2、 电 源 电路 、 延 时 时 间 拨 码 开 关 组 ( T )、 动 作

17、 线 圈 驱 动 电 路 七 大 部 分 组 成 。4.2.1硬 件 设 计本 设 计 的 电 网 输 入 电 压 为 (220V)从 L、 N 端输入，经E MC电 路 抗 干 扰 抑 制 ， 形 成 “二次 电 源 ”( L1、 N1)。 全 桥 BG1 整 流 形 成 脉 动 电 压 ， 由 1、 2组 成 的 采 样 电 路 分 压 ， 获得 采 样 信 号 SA 送 单 片 机 。 脉 动 电 压 经 D1 隔 离 后 向 电 容 器 C1充 电 ， 构 成 电 磁 铁 的 工 作 电压 VH。 二 极 管 D0 接 L1 半 波 整 流 ， 向 电 源 电 路 供 电 ， 降 低

18、电 源 电 路 功 耗 。 电 源 电 路 同 时经 B向 后 备 储 能 电 容 器 CB充 电 。 当 电 网 电 压 失 电 时 ， CB经 DB 向 电 源 电 路 供 电 ， 维 持单 片 机 电 路 、 线 圈 L1、 L2正 常 工 作 一 段 时 间 。 单 片 机 电 路 上 电 完 成 复 位 后 控 制 线 圈 L1得电 吸 合 ， L2不 得 电 。 电 网 电 压 下 跌 到 脱 扣 电 压 ， 使 得 单 片 机 电 路 控 制 线 圈 L1失 电 ， L2得电 ， 实 现 脱 扣 。具 体 电 路 如 图 1 所 示 。VHD1 正 向 绕 组 反 向 绕 组C1

19、 L1 L2L L1N1D3 D4BG1R1R2SA 动 作 线 圈 驱 动EMC电路220VN单 片 机N15V电 源 电 路DBRBCBD0 T图 1永 磁 欠 压 脱 扣 器 电 路 图4.2.2软 件 设 计软 件 设 计 主 要 包 括 软 件 结 构 的 设 计 和 软 件 程 序 的 设 计 。 综 合 硬 件 电 路 的 设 计 特 点 ，为 了 实 现 上 述 预 期 的 功 能 ， 绘 制 出 主 流 程 如 图 2所 示 。开 始系 统 初 始 化比 较 器 “激 活 ”标 志自 诊 断N有 远 控 信 号 ？Y建 立 远 控 标 志 撤 除 远 控 标 志N在 “吸 合

20、 状 态 ”？Y反 向 绕 组 脉 冲 得 电 释 放A/D采样子程序滤 波 子 程 序比 较 子 程 序读 拨 码 开 关 产 生 延 时进 入 “休 眠 ”模 式图 2 主 流 程在 主 程 序 中 ， 首 先 进 行 系 统 初 始 化 与 开 机 自 诊 断 ， 然 后 进 入 一 个 循 环 ， 在 循 环 中 分别 调 远 控 处 理 子 程 序 ， A/D采 样 子 程 序 ， 滤 波 子 程 序 ， 比 较 子 程 序 ， 读 拨 码 器 开 关 产 生 延时 子 程 序 。 与 常 见 的 单 片 机 循 环 主 程 序 结 构 不 同 的 是 ， 本 设 计 在 执 行 完

21、 毕 后 将 进 入 “休眠 ”模 式 ， 当 看 门 狗 定 时 时 间 定 时 完 成 时 再 由 看 门 狗 唤 醒 主 程 序 ， 以 此 来 实 现 循 环 。5进度序号 内 容 周 时 备 注查 阅 资 料 ， 学 习 相 关 知 识 。 下 载 安 装并 实 践 相 关 软 件 第 二 周 ： 完 成 开 题 报告 （ 方 案 确 定 ）1 1周 （ 第 1周 ）总 体 设 计 、 硬 件 电 路 分 析 计 算 、 软 件编程2 6周 （ 第 3-8周 ）345硬 件 电 路 PCB、 组 装 、 仿 真 与 调 试数 据 分 析 及 撰 写 论 文3周 （ 第 9-11周 ）

22、3周 (第 12-14周 ）1周 （ 第 15周 ）答 辩 准 备 及 答 辩6 参 考 文 献1吴 志 祥 .基 于 ATtiny单 片 机 的 永 磁 型 欠 压 脱 扣 器 的 设 计 J.工 矿 自 动 化 ， 2008：1 19-121；2本 健 .永 磁 操 动 机 构 磁 路 及 控 制 系 统 设 计 学 位 论 文 .华 中 科 技 大 学 ， 2003；3童 诗 白 .模 拟 电 子 技 术 基 础 M.高 等 教 育 出 版 社 ， 2006；4周 志 敏 .我 国 智 能 电 器 的 现 状 与 发 展 趋 势 J.2002:1-4；5游 一 民 .关 于 永 磁 机

23、构 中 永 磁 工 作 点 的 讨 论 J.高 压 电 器 ， 2002： 39-41；6钱 家 骊 .中 压 断 路 器 用 永 磁 机 构 中 线 圈 不 同 布 置 的 分 析 J.高 压 电 器 ， 2000： 22-28；7GB 14048.12006/IEC 60947-1:2001低 压 开 关 设 备 和 控 制 设 备 第 1部 分 :总 则 S；8GB 14048.22008/IEC 60947-2:2006低 压 开 关 设 备 和 控 制 设 备 第 2部 分 :断 路 器 S；9李 文 卓 .一 种 新 型 永 磁 电 动 操 作 机 构 J.上 海 交 通 大 学

24、学 报 ， 2007:492-496；10邹 积 岩 .王 毅 ， 开 关 智 能 化 的 概 念 与 相 关 的 理 论 问 题 J.高 压 电 器 ， 2000；11陈 德 桂 .电 磁 机 构 的 计 算 机 辅 助 设 计 M.西 安 交 通 大 学 教 材 供 应 科 ， 1987；12尹 勇 ， 李 林 清 .Multisim电 路 仿 真 入 门 与 进 阶 M.科 学 出 版 社 ， 2005；13毛 灵 通 .浅 谈 PIC单 片 机 及 其 数 据 存 储 器 J.华 章 ， 2007；14杨 益 伟 .低 压 断 路 器 及 其 电 流 参 数 的 选 择 J.安 徽 电

25、 气 工 程 职 业 技 术 学 院 学 报 ， 2011；15王 兆 安 ， 黄 俊 .电 力 电 子 技 术 M.机 械 工 业 出 版 社 ， 2000；16吕 晨 旭 .浅 谈 智 能 电 网 及 发 展 趋 势 J.数 字 技 术 与 运 用 ， 2011；17高 敏 .基 于 SOC永 磁 型 欠 压 脱 扣 器 的 设 计 学 位 论 文 硕 士 ， 2009；18王 仁 祥 .常 用 低 压 电 器 原 理 及 其 控 制 技 术 .机 械 工 业 出 版 社 ， 2002；19张 静 ， 孙 建 军 .一 种 单 稳 态 永 磁 操 动 机 构 智 能 装 置 的 研 制 J

26、.上 海 电 器 技 术 ， 2007：53-56；20吴 志 祥 .高 可 靠 永 磁 型 欠 压 脱 扣 器 的 研 究 与 设 计 J.低 压 电 气 ， 2013；21范 通 让 .低 压 断 路 器 网 络 化 关 键 技 术 的 研 究 学 位 论 文 .河 北 工 业 大 学 ， 2001；22许 蓉 .我 国 智 能 电 网 的 发 展 及 其 关 键 技 术 浅 析 J.科 技 致 富 向 导 ， 2012；23 卓 惠 荣 .新 一 代 经 济 型 智 能 型 万 能 式 断 路 器 -1SW15HHJ. 机 床 电 器 ， 2002；24 左 全 璋 ， 胡 双 .双 稳

27、 态 永 磁 操 动 机 构 的 结 构 设 计 和 性 能 计 算 J.华 通 科 技 ， 2002:13-17；指 导 教 师 意 见 （ 对 课 题 的 深 度 、 广 度 及 工 作 量 的 意 见 ， 设 计 的 结 果 预 测 或 论 文 的 可 行 性 评 价 ） ：本 课 题 涉 及 电 力 电 子 技 术 、 单 片 机 技 术 、 软 件 技 术 等 几 个 方 面 。 工 作 量 大 ， 难 度 系 数 高 。 虽可 参 考 部 分 文 献 资 料 ， 但 综 合 性 强 。 现 有 设 计 总 体 方 案 合 理 。 望 该 生 刻 苦 努 力 ， 完 成 好 设 计 任 务 。指导教师： 2014 年 3 月 12 日系部意见：同 意系 主 任 ： 2014 年 3 月 12 日注 ： 开 题 报 告 作 为 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 答 辩 委 员 会 对 学 生 答 辩 资 格 审 查 的 依 据 材 料 之 一 ， 应 在 导师 的 指 导 下 ， 由 学 生 填 写 ， 经 导 师 签 署 意 见 及 系 部 审 核 后 生 效 。