真空特性（共4篇）
真空特性 篇1
0 引言
真空断路器是中压配电网中不可或缺的开关设备。目前,一种电磁驱动、永磁保持、电子操控的永磁机构真空断路器已广泛应用于中压配电网。永磁机构相比传统操作机构,结构简单、可靠性高,使真空断路器产品向长寿命、免维护等更高要求发展成为可能[1]。然而,永磁机构动态特性较为复杂,永磁真空断路器分合闸过程中不仅有机械运动部分的动态特性参数,还存在线圈电流、电磁力等参数的相互耦合[2]。因此,研究永磁机构真空断路器动态特性,对于优化产品设计,提高产品性能,保证产品在电网中稳定运行就具有重要的意义。本文以某12kV户外永磁真空断路器为研究对象,进行合分闸过程的动态仿真分析,并进行实际样机试验,以保证仿真结果的准确性。
1 永磁真空断路器模型建立与运动分析
1.1 永磁真空断路器建模
12kV户外永磁真空断路器结构如图1所示。该断路器为柱式结构,配有单稳态永磁操作机构(合闸保持由永磁吸合力提供,分闸保持由分闸弹簧力提供),分闸弹簧置于单稳态永磁操作机构内部;传动部分采用驱动轴旋转、三相联动方式。该断路器所要求的机械特性见表1。在三维实体造型软件Solidworks中建立永磁真空断路器实体模型。
1.2 永磁真空断路器的运动分析
永磁真空断路器的永磁机构中装有合分闸线圈,由充电电容放电励磁。单稳态永磁机构结构如图2所示。合闸时,线圈通电,永磁机构的动铁芯在电磁力、永磁体吸力共同作用下驱动主轴旋转,完成永磁真空断路器合闸操作,同时为分闸弹簧储能。合闸到位后,永磁体产生永磁保持力将永磁真空断路器保持在合闸状态。分闸时,线圈通过反向电流,产生的磁场与永磁体磁场反向抵消,动铁芯受分闸弹簧力和触头压力驱动,完成永磁真空断路器分闸操作。
永磁机构的动态过程在电路上遵循电压平衡方程,在运动上遵循达朗贝尔运动方程,在磁场上遵循麦克斯韦方程[3,4]。这些方程间相互关联,可构成描述动态特性的微分方程组。
1.3 运动反力和传动比的归算
铁芯受到的运动反力Ff,在开距阶段为触头自闭力、运动部分(含动触头)的重力、分闸弹簧力,在超程阶段为触头自闭力、运动部分(不含动触头)的重力、分闸弹簧力、触头弹簧力,因此运动反力Ff和运动部分质量m的关系在计算时分为2个阶段来表达。驱动轴上设计有永磁机构输入拐臂与三相驱动输出拐臂,两者力臂长度比为1.69∶1,即铁芯运动速度除以1.69就等于三相触头的运动速度。
2 永磁真空断路器模型动态特性仿真与分析
2.1 合闸过程动态仿真
针对永磁真空断路器合闸过程,采用数值计算软件MATLAB求解机械运动方程和电压平衡方程的仿真方法。首先建立MATLAB仿真模型,该模型需包含分别根据电压平衡方程和机械运动方程建立的电压平衡和机械运动2个子模型。电磁力FX、线圈自感L、动铁芯位移x、电流i间的非线性关系先由有限元软件Maxwell求得。在MATLAB求解时,将得到的FX(x,i)、L(x,i)二维数表导入查表计算,可大幅提高仿真速度。
2.1.1 电磁力和自感的计算
Maxwell可实现在静态磁场中通过参数化扫描的有限元分析计算方式,得到电磁力FX、线圈自感L与动铁芯位移x、电流i的非线性关系。
在Maxwell环境中导入SolidWorks建模或直接在Maxwell环境中建模,可得到永磁机构的2D模型,如图3所示。在模型材料特性中输入永久磁铁的矫顽力、铁磁材料非线性化曲线等参数,并加载磁场边界条件,定义位移变量x(0≤x≤铁芯总行程)、电流变量i(0≤i≤线圈最大电流),得到不同x和i条件下,对应的电磁吸力FX(如图4所示)和线圈自感L(如图5所示)。此时,FX(x,i)、L(x,i)为离散二维数表,将该二维数表导入MATLAB中,可以使用查表插值方式得到某时刻t,it、Xt所对应的L和FX。
2.1.2 MATLAB仿真模型
MATLAB仿真模型(如图6所示)由机械运动方程和电压平衡方程2个子模型(如图7、图8所示)组成。将永磁机构动铁芯最大位移24mm设定为仿真过程结束标志。仿真模型建立后,给定初始值———电容电压为UC、线圈电流为0、动铁芯速度位移为0,即可开始合闸过程的仿真计算。时间步长设为0.1ms,仿真速度很快。由于在有限元计算中已经考虑了铁磁材料的非线性,因此计算精度较高。仿真模型从工作区间中调用数据文件,得到t时刻的线圈自感L、电磁力FX,并由此求解出t+Δt时刻新的电流i、位移x;然后通过查表模块得到动铁芯上新的线圈自感L、电磁力FX,并且将t+Δt时刻的线圈自感L、电磁力FX、电流i、位移x等传回仿真模型,以备下一步计算调用。随着仿真的进行,仿真模型反复调用子模型,实现了整个动态过程的计算。仿真得到的线圈电流、电磁力、动铁芯位移和速度曲线如图9所示。
2.2 分闸过程动态仿真
在分闸过程中,永磁机构线圈电流磁场仅用来抵消永磁体的磁场,永磁真空断路器在触头弹簧和分闸弹簧的作用下完成分闸操作,因此采用多体动力学软件ADAMS仿真方法来仿真分闸过程。
将Solidworks建立的永磁真空断路器模型导入AD-AMS环境中(如图10所示),并为每个零件设置质量属性,同时根据永磁真空断路器实际运动情况添加约束关系和载荷(载荷见表2)。对模型进行动力学分析时,AD-AMS根据机械系统模型,自动建立机械系统的拉格朗日运动方程及对应的约束方程[5]。ADAMS通过求解这些方程,可得到模型中触头、绝缘拉杆等部件的位移、速度等。仿真得到的分闸过程中的触头、绝缘拉杆位移、速度曲线如图11所示。
3 动态仿真与试验结果分析
为验证仿真结果,对12kV户外永磁真空断路器实际样机进行测试。采用示波器检测合闸过程中的线圈电流;采用SWTIII型机械特性测试仪(带高精度位移传感器)检测合分闸位移并得到速度。由测试结果(见表3)可知,实际样机合分闸特性与仿真结果较为一致,从而验证了仿真结果的正确性。
4 结束语
本文结合有限元软件Maxwell和数值分析软件MAT-LAB对永磁真空断路器合闸过程进行仿真,使用多体动力学软件ADAMS对永磁真空断路器分闸过程进行仿真,获得了单稳态永磁真空断路器的动态特性。实际样机测试结果验证了仿真的正确性。运用仿真分析,得到了永磁真空断路器在分合闸过程中的机械特性,可为改进优化产品性能参数提供参考,从而有效提高产品性能和缩短设计周期。
参考文献
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真空特性 篇2
采用等离子体云对目标进行电磁遮蔽是一种比较新颖的反雷达探测手段;目前美、苏、中等强国均在开展战略导弹重返大气层阶段的等离子体隐身技术和喷洒金属箔条的隐身技术研究。国内陆、海军武器装备在等离子隐身技术方面也已经起步,但都未到实用阶段[1,2]。
在地面模拟近似真空条件下的等离子体隐身特性研究一般在真空罐内进行,目前国内采用的真空罐都是圆柱形全金属结构,生产工艺比较成熟。但在金属罐内的有限空间内开展关于目标的雷达波隐身技术研究却是一项困难重重的工作。首先,金属罐壁的反射波一般远大于被测目标的回波,测试系统在有效动态范围被严重压缩[3],即使涂敷目前国内最好的吸波材料也只能减低-40 dB的背景电平,而且罐壁与目标距离很近,不易区分出目标的反射。其次,测试系统一般采用收、发天线分开的双天线方案,在外场测量或紧缩场条件下进行测量不会有明显问题,即使收、发天线之间有耦合泄漏,用距离门或软件处理很容易清除目标区外的干扰[4],但在罐内天线口面离目标很近,天线间的耦合对目标的干扰很难消除。尤其在低频段更加严重,这一方面是因为低频段波长较长,两天线间距的电长度相对较短,另一方面是因为天线口径受真空罐安装窗口的尺寸限制不可能很大,天线波束在低频段相对较宽。因此,要保证测量系统的动态范围和目标测量数据的可靠性,必须解决罐体内背景的散射干扰问题和天线的耦合问题。
1 测试系统介绍
根据对国内一些真空罐散射测量系统所存在问题的研究分析,本文提出了一种比较合理的近距离快速扫频测量方案,该方案中收、发公用一个天线,克服了双天线系统存在的天线耦合泄漏问题;通过对金属罐采用双透波门,减缩了目标区前、后的散射干扰;对不同的测量波段,采用同样波束角的天线,并根据罐体直径和目标尺寸选择合适的波束角,使罐壁反射尽量小,也保证了不同波段测量结果的可比性[5]。测量系统的结构图如图1所示。
微波系统工作原理可简述如下:在计算机控制下,扫频源在T时刻内发射带宽为B的线性调频波,发射信号经定向耦合器支路(-20 dB耦合)、功率放大器、波段开关、环行器、收发天线射向目标。发射信号经由耦合器的主路输出作为下变频器的本振信号。目标回波信号由天线接收后,经环行器、反射/透射选择开关、低噪放大器,送给混频器的信号口。回波信号与本振信号混频后输出中频信号[6]。计算机在发出扫频触发指令时,同时对目标回波中频信号进行采集、存储。信号处理工作在测量完成后进行。
测量系统的工作参数可通过计算机工作界面设置。也可通过设备前面板键组设置,工作参数包括工作频段、扫频时间、发射功率、测试通道(反射/透射)、极化状态(垂直/水平)、中频信号增益、滤波器工作带宽等。计算机通过与控制单元通信,由计算机本身或通过控制单元发出各种系统的控制命令。这些命令包括:
(1) 计算机通过IEEE 488接口(也可使用其他形式接口)设置信号源的工作参数,如扫频频率、功率、扫频时间等。
(2) 计算机通过控制单元向信号源发射采集命令,在扫频周期T期间,信号源向计算机发出采样脉冲信号,计算机采集卡对该期间的中频信号进行采集。
(3) 计算机通过控制单元向三个六选一波段转换开关发控制信号,实现波段自动切换控制。
(4) 计算机通过控制单元控制三个极化转换开关组的工作状态,实现极化自动转换功能。
(5) 计算机通过控制单元控制反射/透射开关,实现测量用途的半自动转换。
(6) 计算机通过控制单元控制中频信号单元的增益、滤波带宽,以获得低干扰的目标信号[5]。
系统进行等离子体反射(或后向RCS)测量方法如下: 收发天线安装在罐体中轴向位置,先放好被测目标(用金属或聚四氟乙烯低散射支架支撑),选择某一波段进行真空条件下、无等离子体发射状态下的扫频测量,然后向目标发射等离子体云,进行相同条件下的扫频测量,对两组结果进行比对,确定相对隐身效果[7]。
2 信号处理方法
线性调频系统的工作原理如图2所示,信号源在T时刻内发射中心频率为f0、带宽为B的线性调频波:
式中K=B/T是扫频斜率。接收天线收到径向距离为R处的点目标回波信号为:
式中τ=2R/c代表双程距离延迟,c是光速。该信号与相关本振混频产生中频(差频)信号:
其幅度Ec正比于目标反射强度,其频率fI正比于发射带宽B及延迟时间τ,反比于扫频时间T,即fI=Bτ/T。一个理想点目标的中频回波信号是一段持续时间为T的正弦波。一般目标区有多个散射源,则总回波信号是目标区所有散射信号的矢量和:
对目标回波信号做谱分析(FFT)就可获得关于目标反射率沿纵向距离的分辨(一维成像);距离R处的点目标的一维像如图3所示。
获取目标后向RCS的信号处理过程简述如下:基于频率与目标的距离R呈fI=2BR/(cT)的正比关系,对频率的分辨也是对距离的分辨。回波信号幅度(或信号包络)Ec(t)反映了目标在t时刻对雷达波的反射强度;由扫频测量体制中微波扫频频率fi∈[f0-B/2,f0+B/2]与信号持续时间t∈[0,T]的相关性可知,信号幅度随时间的变化规律Ec(t)也是其随发射频率的关系曲线Ec(fi)。根据定义:若对回波信号进行检波取出包络Ec(fi),再对包络取模平方,即是反射率与发射频率的关系曲线。获取目标反射率随扫频频率变化的曲线图步骤如下[8,9]:
(1) 首先对采样数据做背景对消处理,然后做N点FFT处理,实现距离向(或称频率)分辨;这里N为序列字长。然后采用硬件或软件门将一维成像非目标区内的杂散噪声信号频率进一步滤除,从而只保留目标区频带内的数据。
(2) 对保留数据作傅里叶反变换(IFFF),得到目标区相应的时域波形(记为St(t))。由于线性扫频体制中时域回波信号亦是扫频发射频率的函数,所以St(t)可以用St(fi)表示。
(3) 对电压信号St(fi)取平方,得到回波信号的瞬时功率P(t)或P(fi)的波形,其包络就是目标RCS随频率的幅度分布。
(4) 为获得P(fi)包络,再一次FFT得到P(fi)的功率谱分布,该谱中低频区的谱线代表包络,高频谱是载波fc。
(5) 用数字滤波将低频区的包络谱滤出,再对包络谱做IFFF,便可恢复反射功率的包络波形,也即RCS和扫频发射频率的关系曲线。
(6) 对该数据取对数及定标处理。
3 测试方案技术特点
本文介绍的测试系统方案有如下技术特点:
(1) 同矢网测量方案相比,快速扫频方案测量速度快,矢网测量采用阶跃变频连续波体制,一次扫频测量需要几十秒;快速扫频测量(线性调频体制)一次扫频测量时间只要几十毫秒,是真正意义上的实时测量[10]。
(2) 以往快速扫频系统收、发采用双天线,对于距离很近的目标只能实现准单站测量(实际存在一定的双站角),测量结果存在由于角度误差而引起的精度误差。本方案收、发采用同一个天线,是实际意义的单站测量,有效提高了测量精度。
(3) 本方案中波段转换、极化转换、天线转换都实现了程控操作,自动化程度高,既节省了测量准备工作的时间,也避免了由于频繁拆卸或更换微波电缆所造成的机械损害,提高了可靠性。
(4) 罐体前、后盖用透波材料(如聚四氟乙烯)制成,相比全金属罐体有两个优点, 其一可有效减小罐体后向散射。即使罐外存在强反射,也可用距离门滤除。其二天线位置不受罐体窗口的限制,可与罐体保持一定距离,并可以根据目标大小对距离进行优化选择。
本文的测试系统方案也存在一些关键技术问题:目标区中金属罐壁是一个强干扰散射源,必须设法减缩罐壁的散射,使其不对目标测量的精度造成明显影响。因此,一方面必须寻购一种吸波性能好,耐高温,能在真空罐内工作的吸波材料或涂料安装在罐内壁上。另一方面根据罐尺寸优化选择天线波束角,在天线发射波主要能量覆盖目标的前提下,尽量降低对罐壁的照射。此外,本方案中收、发共用一个天线。收、发信号之间的隔离完全取决于环行器的隔离特性。要使系统达到40 dB的测量动态范围,必须采用隔离度大于45 dB以上的宽带高隔离度环行器。
4 结 语
同以往双天线金属罐线性调频测量系统方案比较,本文介绍的单天线方案结构简化,天线远离目标区使目标的反射信号易于截取,不存在天线口面场泄漏问题,不存在双站近距离测量误差,在保持快速扫频测量特性的基础上,有效提高了测量精度。但该测量方案也存在其他类似测量系统的共同问题:金属罐内测试场不满足远场条件,只能进行目标散射特性的定性测量。要想达到目标RCS定量测量的目的,散射测量必须在紧缩场的静区中进行。
摘要：为了在真空条件下对等离子体云团的雷达波散射特性进行快速测量和分析,系统采用了真空罐模拟目标飞行时的高空大气环境,使用传统的线性调频测量体制和单天线方案,在近距离实现了关于等离子体云团的单站RCS测量,测量精度较以往的双天线方案有所提高。
关键词：线性调频波,等离子体,雷达横截面,散射特性
参考文献
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真空特性 篇3
关键词：真空断路器,开断特性,高频电流,暂态恢复电压
0 引言
在许多情况下, 真空断路器断开工频电流 (在电流过零点瞬间断开电流) 时, 在断路器的触头间就会出现暂态恢复电压 (Transient Recovery Voltage, TRV) 。这个恢复电压一旦超过电流断开后触头间的介质绝缘电压时就会发生重燃, 导致断路器中流过一个过渡的高频电流。在这个高频电流的过零点, 电路会被断开并在触头间瞬间再次出现恢复电压, 然后又发生重燃, 这种现象会反复重复。在这个重燃的反复过程中, 恢复电压逐渐增大, 特别是当重燃时的电压急剧变化, 一旦变为很高的过电压后就可能发生窜入到负载设备中去的危险。研究表明, 真空断路器所具有的较高的高频电流开断能力是造成这一现象的根本原因, 所以有必要研究真空断路器的高频电流开断特性, 为设计和生产性能良好的真空断路器提供有益的参考数据。
1 真空断路器的灭弧原理及特点
1.1 灭弧原理
真空电弧的熄灭是利用真空度介质 (一种压强低于10-2Pa的稀薄气体) 的高绝缘强度和在这种稀薄气体中电弧的生成物 (带电粒子和金属蒸汽) 所具有的很高的扩散速度, 使在电流过零后触头间隙的介质强度很快恢复起来的原理来实现的。
1.2 特点
(1) 由于真空灭弧室的熄弧能力强且触头行程短, 因而缩短了开断时间, 且与开断电流大小无关; (2) 触头断口开距小, 一般为9～12 mm, 分合闸所需能量小, 明显降低了机械冲击, 使元件磨损程度降低, 因而使用寿命长, 一般可达20年左右; (3) 真空灭弧室与触头结构简单, 维护工作量小; (4) 体积小、重量轻; (5) 开断电流在密封容器内进行, 操作时声音小, 没有易燃易爆介质和火灾危险, 对环境污染小; (6) 主回路接触电阻小, 触头电磨损小, 具有频繁操作和快速切断能力, 因而适宜于切断容性负载电路。
2 影响真空断路器高频电流开断特性的因素
导致弧后高频重燃的主要原因有: (1) 电流断开之前阳极触头表面己经形成了高度熔化的阳极斑点。 (2) 电流在零点被断开之后间隙中较长时间存在着高密度中性金属蒸汽粒子。 (3) 上升速率较快的TRV。这些中性粒子在TRV快速上升的短时间内不会很快消散, 它们相撞维持较高的游离密度, 在TRV的作用下于原先的阳极触头表面形成新的阴极斑点, 导致重燃。
2.1 di/dt的影晌
电流在零值附近的变化率 (di/dt) 对真空断路器高频电流开断特性的影响可以从2方面加以说明: (1) di/dt很大时, 触头分开后电流很快过零, 此时触头间隙的剩余等离子体来不及消散, 因而在TRV作用下容易发生重燃; (2) 根据Childs等人的观测, 电流零值时刻到TRV产生时刻之间有一个时间间隔, 在该时间间隔内弧后电流与di/dt成正比, 当di/dt增大时, 弧后电流也增大, 电流开断就可能趋于失败。只有di/dt为低值时, 开断才能成功。根据测试结果, 图1中标出了上述时间间隔 (约40 ns) 。
2.2 高频电流频率的影响
图2是Zalucki的测试结果, 图中Im1是高频电流头半波的幅值, Ur1是电流头半波后的重燃电压, P是发生重燃的累积分布概率, 频率范围为5.9～60 k Hz。该图说明, 当电流幅值一定时, 在小于某一个电压值的范围内发生重燃的概率随电流频率增大而增大;换句话说, 真空断路器的高频电流开断能力随着电流频率的增大而减小。
2.3 高频电流幅的影响
图3是Zalucki在相同条件下测得的电流频率相同、幅值不同时的结果, 图中电流幅值Im1介于临界值Im1l和Im1h之间。对最小值Im1l来讲, 由于电弧形态属于扩散型, 此时阴极是间隙中电弧等离子体的唯一来源, 而阳极表面很少出现局部高热, 难以形成阳极斑点。因此, 低电压值重燃发生的概率很低, 可以说只是偶尔。对于最大值Im1h来讲, 几乎所有的重燃电压都很低, 这主要归因于热效应。当Im1较大时, 电弧形态由扩散型变为聚集型, 从而出现阳极斑点, 此时2个触头表面都喷出金属蒸汽:一个来自衰减着的阴极斑点, 另一个来自对阳极表面的离子轰击。
2.4 TRV的影响
研究表明, 电流被断开之后, 在TRV快速上升的初期 (约几十ns) , 间隙中的电场并非均匀, 而在阳极前有一局部的电场强度峰值。这个峰值电场会大大提高弧后电流的位移电流成分, 进而阻止间隙中弧后初期的绝缘恢复过程。很明显, 如果说重燃是因原先的阳极表面形成新的阴极斑点使间隙被击穿所致, 则由高频率TRV引起的这个峰值电场的增大是电流被开断后某段时间内重燃概率增大的一个重要原因。
3 分析及讨论
除了上述因素之外, 电路参数、触头材料、燃弧时间、弧后电流以及触头断开速率等也起着一定的作用。实际上, 所有这些因素并非各自单独地对真空断路器高频电流开断性发生影响, 它们之间是有一定联系的, 彼此之间相互制约。因此, 真空断路器开断高频电流性能的优劣取决于所有这些因素的综合效应。
以往的观点认为, 在研究真空断路器电流开断特性时, 电流在零值附近的变化率 (di/dt) 是关键参数。但是, 如前所述, di/dt并不是唯一的决定性参数。这是由于开断电流的频率、触头开距以及TRV的极性和大小等因素会直接影响电流断开后触头间隙中绝缘的恢复速率 (dv/dt) , 而dv/dt的大小对电流最终能否被开断成功也是极为重要的。因此, di/dt和dv/dt这2个参数都很重要, 一般可以用二者的乘积来表征真空断路器高频电流开断能力。
4 结语
(1) 真空断路器开断高频电流能力的强弱, 取决于所有各种因素的综合效应; (2) 电流在零值附近的变化率和触头间隙在电流开断后的绝缘恢复速率是影响真空断路器高频电流开断性能的2个决定性参数。
参考文献
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真空特性 篇4
真空断路器是一种利用真空在触状间的绝缘与灭弧介质的断路器,由于其具有分断能力强、体积小、质量轻、噪声小、结构简单,使用寿命长,灭弧能力强、现场维护方便、技术含量高等优点,在电力系统基本建设及无油化改造中被广泛应用。随着真空断路器的推广应用,市场上迫切需要有相应的测试设备来对真空断路器的机械特性进行检测,方便工作人员对其进行维护。
真空断路器的可靠性,主要依赖于其内部机械操作系统的特性。目前的测试仪器普遍存在适用范围小、测试数据不准确、抗干扰能力差等缺点,而且测试仪在对不同型号的断路器测速时,需要更换不同芯片,芯片容易损坏;测试的数据只能现场打印,不能长期大量存储;无数据传输功能或速度较慢;测试仪器多数以单片机为核心,不具备操作系统,无法完成复杂的软件功能实现及数据处理,或者采用以X86为核心的工控板,功耗较高,可扩展性较低,成本较高,较难达到高性能,低功耗等要求。设计出一种精度高、智能化、网络化的真空断路器机械特性测试仪有着十分重要的现实意义。
真空断路器的主要机械特性参数可以从真空断路器的行程-时间曲线来定义和计算,主要包括触头开距、合闸时间、合闸速度、分闸时间、分闸速度等,在合闸时,动触头迅速移动接触静触头,使真空断路器导通,控制负载。但由于动触头存在的惯性,会形成一个振荡过程。真空断路器行程-时间曲线如图1所示。
1 测试仪的硬件设计
整个测试系统主要由传感器、信号调理、数据采集和微机控制模块组成。
测试仪整体硬件框图2所示。
1.1 传感器
传感器负责测试真空断路器的状态和参数,为系统提供处理所需的原始信息,针对真空断路器合分闸时,开关触头的机械特性,可选用直线位移传感器作为信号测量部件。
1.2 信号调理
信号调理负责对传感器信号放大、隔离、滤波,本系统的信号调理分为断路器状态输入信号调理,检测断路器的开合闸状态,将返回的电压调理成采集卡可以采集的开关量;继电输出信号调理,由采集卡输出的开关量须经过继电输出以供给断路器控制电路DC110V信号输出信号;输出模拟信号调理将+5V的电压模拟信号供给传感器(图3)。
1.3 数据采集
数据采集负责信号的采集,由于在断路器的特性测试中,需要在几十毫秒的时间范围内准确测出断路器动作的时间和触头的位置,因此对数据采集的速率要求比较高,采用北京中泰研创公司型号为PM515的多功能数据采集卡,最大采样频率可达100kHz。
1.4 微机控制
微机控制模块负责数据的处理、显示打印、联网等功能,是整个控制系统的核心。
2 系统整体软件架构设计
测试仪整个系统分为4层:硬件层、嵌入式Linux操作系统、Qt/E图形用户界面支持系统和MySQL数据库系统。整个系统软件架构图如图4所示。
2.1 测试仪嵌入式Linux系统的构建
真空断路器机械特性测试仪在精度高、智能化、网络化的趋势下,需要设计一种界面友好、操作方便、品质可靠、应用广泛、易开发、多任务、价格便宜的操作系统做为其应用软件操作平台。Linux操作系统具有内核稳定、功能强大、支持多种硬件平台、应用软件多、兼容性好、使用成本低、开源、内核可以根据需要裁减等优良特性,成为嵌入式领域的首选操作系统。
对于普通的Linux所需占用空间较大,无法适应嵌入式系统平台通常只有几十MB存储空间的要求,而构建嵌入式Linux系统通常是通过裁剪标准Linux系统内核,将一些不需要的功能裁剪掉来满足嵌入式系统的要求。设计一个嵌入式Linux系统,包括根据需要裁减编译内核、设计根文件系统和设置引导装载程序。
测试仪软件平台:1) 系统引导程序,负责在整个系统的启动初期,引导和装载系统内核。2) 进程管理、内存管理和事务处理的Linux微内核,负责管理磁盘上的文件、内存,负责启动并运行程序,负责从网络上接收和发送数据包等。3) 初始化进程,负责完成操作系统的存储管理、设备管理、进程管理等任务的初始化。4) 文件系统,为了提供一个在硬件设备上的统一的数据接口,Linux中所有的设备都是通过通用的设备驱动程序接口来表示的。5) 设备驱动程序,每种硬件设备都具有不同的驱动程序,在Linux中管理硬件设备控制器的代码并没有放在每个应用程序中,而是由内核统一管理,这些处理和管理硬件控制器的软件就是设备驱动程序。6) 网络协议栈,需要加入TCP/IP以及其他相应的网络协议栈。
内核是嵌入式Linux系统的核心软件,内核移植一般包括内核配置、内核编译和内核下载三大部分。
配置内核有很多内核的配置选项,按执行的步骤内核配置过程如下:
建立了一个64MB的NAND Flash分区表,将其分为bootloader(引导启动程序),kernel(内核),rootfs(根文件系统)和user(用户空间)4个分区。建立内核对NAND Flash芯片的支持,加入对NAND Flash芯片的支持代码到NAND Flash的驱动程序。具体的实现代码在arch/arm/mach-s3c2410/devs.c中,在该文件中建立NAND Flash的芯片支持数据结构,修改s3c_device_nand结构体增加。之后修改/arch/arm/mach-s3c2410/mach-smdk2410.c源文件,增加对NAND Flash设备的支持,最后要修改文件是drivers/mtd/nand/s3c2410.c,选择禁止内核ECC校验。
具体设置NAND Flash分区如下:
2.2 设备驱动程序的编写
在Linux系统中,设备驱动程序实现对设备的抽象处理。每一个设备都用设备文件来代表。下面以采集卡驱动程序的编写为例:
采集卡驱动程序主要包括文件操作结构模块、初始化及卸载模块、读写采集卡模块、中断子程序模块。其中采集卡工作流程如图5所示。
2.3 测试仪应用程序的编写
a) 图形用户界面程序,采用基于Qt/E图形用户界面程序实现
测试系统有良好的人机交互界面,能完成真空断路器的合闸时间、分闸时间、合闸速度、分闸速度、合闸行程、触头开距、弹跳时间等参数的测试,并自动判断测试结果是否合格。能管理登陆的账户和密码,能对真空断路器的一些参数进行设定,能存储、传输及打印测试的结果,方便地查看数据库中的历史记录。因此,程序设计分为以下几个模块:登陆管理模块、用户管理模块、图形显示模块、保存结果模块、数据上传模块、打印结果模块、历史记录模块、动作测试模块、低压测试模块、电阻测试模块、面板清零模块、参数输入模块、系统关机模块。真空断路器测试仪操作主界面如图6所示。
测试仪器的数据显示界面如图7。
b) 数据处理基于MySQL的数据库系统设计
MySQL是一个真正的多用户、多线程SQL数据库服务器,是以一个客户机/服务器结构的实现,它由一个服务器守护程序mysqld和很多不同的客户程序和库组成。测试仪系统通过Qt/E访问MySQL 数据库可通过查询,检索得到符合条件的记录,在“打开历史记录”窗口中显示出来,并对检索出来的记录进行操作,还可利用备份数据库功能将系统整个数据库备份到USB设备上,恢复数据库将损坏的数据库恢复到系统上一次备份的状态,方便对MySQL数据库的管理。
3 结论
采用嵌入式Linux作为系统软件平台,基于Qt/E图形用户界面程序,MySQL建立测试仪数据库系统,实现了一个智能化、网络化、精度高的真空断路器机械特性测试仪设计,该仪器能很好的适应不同真空断路器机械特性的测试,是真空断路器检测和维护的有效工具。
参考文献
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