高压断路器永磁操动机构优化设计的研究

论文摘要

智能电网已经成为当今世界电力系统发展变革的最新方向,同时智能配电网又是研究的重点。永磁机构真空断路器作为配电网中系统控制、保护的重要设备,其智能化一直是关注的热点。其要求断路器能更快速动作,分散性更小,可靠性更高,最终达到同步关合的要求。同时操动机构是决定断路器操控性能的重要部件之一,本文以现有永磁操动机构的结构为基础,优化设计一种新型分相单稳态永磁机构,适应了断路器未来发展的需要。文中首先介绍了真空断路器及永磁操动机构特点与发展现状,并详细阐述目前国内外关于永磁操动机构优化研究现状,同时提出采用遗传算法优化设计永磁机构的思想。二至五章为论文主体部分,确定了配真空断路器单稳态永磁操动机构理论研究方法。以现有柱上开关为研究对象,通过搭建的试验平台,验证了理论研究方法的准确性。依据新的工作原理初步设计了一台新型分相单稳态永磁机构,并定性分析初步设计的新型永磁机构结构对性能参数的影响。分析结果表明通过调整新型机构的部件结构,性能有较大的提高。同时为适应智能电网对断路器的更高要求,对初步设计的新型永磁操动机构进行优化设计研究,包括机构与断路器本体传动环节的优化;机构与真空灭弧室采用完全对称设计,采用直动连接,省去过多传动部件,机构的可靠性大大提高。应用遗传算法对新型分相永磁机构本体进行优化,建立了以机构总体积为目标函数的目标数学优化模型,选择了合适的优化变量和约束条件,所得优化结果表明,机构总体积有较大减小。本文最终对优化设计结果进行了动态仿真,并研制样机将其配在户外真空断路器本体上进行试验、分析及适当的调试,使其达到规定的试验指标。并依据实验数据对新型分相永磁机构控制系统进行了初步研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 永磁操动机构的特点及其发展现状
• 1.2.1 永磁操动机构的特点
• 1.2.2 永磁操动机构的发展现状
• 1.3 永磁操动机构优化设计的研究
• 1.4 本课题的研究对象及主要工作
• 第二章 单稳态永磁机构基础理论及计算方法
• 2.1 单稳态永磁机构静态特性的研究
• 2.1.1 永磁机构静态特性计算的重要性及计算方法
• 2.1.2 单稳态永磁机构静态特性计算模型及电磁场方程
• 2.1.3 单稳态永磁机构电磁吸力的理论推导
• 2.1.4 单稳态永磁机构永磁保持力的计算
• 2.2 单稳态永磁机构动态特性的研究
• 2.2.1 重要性及研究内容
• 2.2.2 动态数学模型的建立
• 2.2.3 动态数学模型的求解
• 2.2.4 动态特性的计算方法
• 2.2.5 等效质量计算
• 2.3 户外真空断路器的试验研究
• 2.4 计算结果分析
• 2.5 小结
• 第三章 新型单稳态永磁操动机构优化设计
• 3.1 设计原则
• 3.2 结构形式
• 3.2.1 机构与本体连接的结构形式
• 3.2.2 机构的结构形式及原理
• 3.3 新型永磁机构反力特性
• 3.4 新型机构的理论设计
• 3.4.1 技术要求
• 3.4.2 设计方法
• 3.5 新型永磁机构的设计特点
• 3.5.1 结构和材料的选用
• 3.5.2 分闸弹簧技术要求
• 3.6 新型单稳态永磁机构仿真
• 3.6.1 机构磁路的调整
• 3.6.2 动铁心结构改变
• 3.6.3 动态仿真结果对比分析
• 3.7 新型机构的优化
• 3.7.1 遗传算法的优化过程
• 3.7.2 建立数学模型
• 3.7.3 优化函数的约束条件
• 3.8 优化后样机的动态仿真
• 第四章 样机的试制、实验研究
• 4.1 新型永磁机构样机模型及组成
• 4.1.1 整体设计原则及主要零件
• 4.1.2 新型永磁机构的运动特性实验测试
• 4.2 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢