永磁操动机构及其的应用.docVIP

摘要:由于采用电子逻辑模块和电力电子元件控制的永磁机构,提供了一个高度灵活的操动机构平台。基于这个平台,通过不同的控制系统,可实现同步、快速开合操作,实现高度的集成化和智能化。并且永磁机构还被成功应用于ABB新一代的真空接触器,提高了接触器的可靠性,降低了能耗。关键词:永磁操动机构、同步开合、快速真空断路器、真空接触器1引言近二三十年来,真空断路器在中压配电领域得到了广泛的发展并逐渐取得支配地位。早期的真空断路器尝试过多种操动机构,其中也包括电磁操动机构的型式:一个电磁线圈驱动器,加上分闸弹簧和必要的机械锁扣系统。但是电磁线圈起动所需求的脉冲电流十分巨大,这对用户的直流电源是一个严峻的考验,并且机械锁扣系统增加了整体的复杂度,这些缺点限制了电磁操动机构在断路器上的发展。但是在操作功需求较小的真空接触器上,电磁操动机构得到了最广泛的应用。目前主流的真空断路器基本上都采用弹簧储能操动机构。在弹操机构中,主弹簧存储合分闸所需的所有能量,并通过传动连接部件推动真空灭弧室动作。一台制造精良的弹操真空断路器,机械寿命可以达到30,000次以上,并仅需很少量的维护。然而,电磁操动机构零件数目少、可靠性高的优点并未被人们忘记。此外,磁力操动机构的出力和行程特性与真空灭弧室的反力特性更具有天然的一致性。2永磁操动机构真空断路器相比起弹簧储能操动机构,磁力操动机构的出力特性与灭弧室的要求更加吻合:在合闸动作过程中,磁力操动机构的出力随着行程的增加,至触头闭合到位时出力将达到最大值。此外,磁力操动机构也具有与灭弧室相近的动作总行程,这一点可以使磁力驱动器和灭弧室用最简单的方式搞合甚至是直接连接。将永久磁铁使用在电磁操动机构的研究实际上从1960年代中期就开始了,最初被选用的是铝镰钻合金及铁氧体一类永磁材料。然而这些材料或磁能密度过低导致驱动机构体积庞大,或矫顽力不够造成永磁体很快退磁,使得这些研究成果仅能保留在实验室之中。ABBCalor-Emag于1997年利用电磁铁和稀土材料合金钦铁棚(NdFeB)永磁铁的创新结合,成功开发出配永磁操动机构的真空断路器VM11。这是世界上第一种利用永磁原理并取得商业成功的断路器。依靠磁力机构中的同一组永久磁铁12，断路器灭弧室可以被保持在正确的合分闸位置上而不需要消耗任何能量,这即是所谓的双稳态机构。这种创新的设计使永磁机构在继承了磁力操动机构与真空灭弧室特性吻合的优势的同时,又避免了上文中提到的传统电磁式操动机构的主要缺陷:巨大起动脉冲电流、不可靠的机械锁扣系统。永磁机构断路器的机械结构极为简洁,零件数目降至不到传统弹簧操动机构零件数目(约160个,不含标准件)的40%,而可活动零件更下降到只有数个!由于断路器故障的可能性随着其可分离零件数量的增加而升高,统计数据也表明,机械故障构成了断路器所有故障的主要部分,所以,一台仅有数个可动零件的VM1永磁断路器具有极高的可靠性,并能轻易地达到100,000次的机械寿命。3永磁机构的电子控制单元为了适应的使用习惯,VM1永磁断路器的电子控制单元具备了所有的传统弹操断路器的控制功能。与弹簧操动机构不同的是,永磁机构的控制单元与操动机构共用一个电源,不需象传统断路器那样,储能电机准备一套电源,二次控制线路准备另外一套电源。一个现场可编程门阵列(FPGA)负责电子控制单元的逻辑处理。只有在所有事先规定的条件都满足时,合分闸命令才可能被执行。例如,当断路器处于分闸位置时(分闸位置的信号由机构中的一个近接传感器发出),储能电容中的能量必须满足执行一次CO操作才允许被合闸。合分闸线圈的励磁回路由大功率MOSFET晶体管和可控硅控制。由于整个控制单元无触点,断路器的使用寿命和可靠性得到了保证。在周围空气温度为40℃时,VM1断路器控制单元(包括电源模块)的MTBF(平均无故障时间)值高达62.5年。电子控制单元采用的是微电子元器件,工作电压和耐压水平低,外界电磁场干扰很容易使其失效或损坏。因此,严格的电磁兼容实验是必要的。按照国际电工委员会1990年发布了IEC10004-×《电气与电子设备的电磁兼容性》的实验方法和标准,VM1断路器通过了各种开断能力测试及严格的耐压测试。此外,对电子控制单元还通过了大量的额外的机械寿命研究性试验。在某些试验中,焊接在电路板上质量较大而引脚较小的部分元件偶尔会对电路板造成机械上的损伤虽然最终结果显示控制单元的电气回路正常。所有的这些元件都得到了修改并固定粘接在了电路板上,最终它们都顺利通过了数次100000次的机械寿命试验。电子控制系统与电力电子元件的应用,为精确控制永磁机构的动作特性提供了前所未有的手段,这一点对下文所介绍的各种扩展用途的断路器极为重要。4永磁机构断路优越性能及其应用(1)可实现同步开合断路器使用在开合电容或电感性负荷的场合时,