高压线电流检测器系统总体设计

高压线电流检测器系统总体设计

高压线电流检测器系统总体设计

  • 适用:本科,大专,自考
  • 更新时间2024年
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高压线电流检测器系统总体设计

                  高压线电流检测器系统总体设计
电流检测器的组成
高压线电流检测器系统有三部分组成:机械系统部分,硬件电路部分以及软件控制系统构成。通过三部分的协调来完成工作的。机械系统部分主要由:上下壳体、直线步进电动机、行程放大机构、电流互感器以及定位销等组成;硬件电路部分由:步进电动机驱动模块、键盘与显示模块、电源监控与报警模块、互感器接口电路模块以及无线接收、发模块等组成;软件控制部分由:上位机的开发和下位机的开发,上位机的开发主要是完成接收数据的的显示对话框;下位机的开发包括电机的控制程序、显示电机状态的的LCD显示模块和单片机和无线模块之间的收发程序。
2.1.2电流检测器的特点
(1) 穿孔测量,使用十分方便。
(2) 响应速度快。
(3) 产品成熟,单电源供电,外围线路简单,成本低。
2.2总体分布
机械系统设计主要完成:检测内部能安装电流互感器、电池、控制电路板,且能防水;要采用增距机构,在小空间条件下,使传感器的开合行程足够大;采用节能设计,尽量减少传动链,以提高效率。
硬件系统设计主要完成:驱动步进电动机使电流互感器能顺利开合;传感器接口系统;电源监控与报警系统;键盘与显示;无线收发模块。
软件系统设计主要完成:步进电机驱动模块、传感器数据处理模块、单片机系统工作模块(含电源监测)、上位机数据接收与显示模块等开发。

 

 

 

三.电动机的选型
3.1电动机概述及分类
    电动机是把电能转换成机械能的设备。在机械、水利、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、发电、农业以及其他各种工业中,电动机被广泛地应用着。随着工业自动化程度不断提高,需要采用各种各样的控制电机作为自动化系统的元件,人造卫星的自动控制系统中,电机也是不可缺少的。此外在国防、文教、医疗以及日常生活中电动机也愈来愈广泛地应用起来。电动机已实施出口产品质量许可制度,未取得出口质量许可证的产品不准出口。
电机的分类:
 按其功能可分为驱动电动机和控制电动机;
 按电能种类分为交流电动机和直流电动机;
 从电动机的转速与电网电源频率之间的关系来分类可分为同步电动机与异步电动机;
 按电源相数来分类可分为单相电动机和三相电动机;
 按防护型式可分为开启式、防护式、封闭式、隔爆式、潜水式、防水式;
 按安装结构型式可分为卧式、立式、带底脚、带凸缘等;
 按绝缘等级可分为E级、B级、F级、H级等[2]。
3.2本设计电动机的类型选择
伺服电动机是指能够精确地控制转速与转角的一类电动机,它在伺服系统中一般是执行元件。常用的伺服电动机分为四大类:(1)直流伺服电动机(2)交流伺服电动机(3)步进电动机(4)直接驱动电动机。
直流伺服电动机、交流伺服电动机和直接驱动电动机均采用位置闭环控制,一般要用于要求精度高、速度快的伺服系统;步进电动机主要用于开环控制,一般用于精度、速度要求不高,成本较低的伺服系统中。
由于高压线电流检测器属于开环控制,精度、速度要求不高,并且步进电机结构简单、制造容易、价格低廉。它的转子转动惯量小、动态响应快、易于起停、正反转和无级变速也容易实现,而步进电机的这些优点正是高压线电流检测器所需要的,所以选用步进电机作为动力源。
步进电机按其工作原理可分为反应式、永磁式、混合式步进电动机。
1.反应式步进电机的定子和转子不含永久磁铁,定子上绕有一定数量的绕组线圈,线圈轮流通电时,便产生一个旋转的磁场,吸引转子一步步地转动。绕组线圈一旦断电,磁场立即消失,所以反应式步进电机掉电后不自锁。此类电机结构简单、材料成本低、驱动容易,定子和转子加工方便,步距角可以做得较小,但动态性能差一些,容易出现低频振荡现象,电动机温升较高。
2.永磁式步进电机的转子由永久磁钢制成,定子上的绕组线圈在换相通电时,不需要太大的电流,绕组断电时就有自锁功能。这种电动机的特点是动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电动机不易发热,但制造成本高。由于转子受磁钢加工的限制,因而步距角较大,与之配套的驱动电源一般要求具有细分功能。
3.混合式步进电机的转子上嵌有永久磁钢,可以说是永磁型,但是从定子和转子的导磁体来看,又和反应式相似,所以是永磁式和反应式相结合的一种形式,故称为混合式。该类电机的特点是输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低。
对比以上三种步进电机的优缺点选用混合式步进电机作为电流检测器的驱动源。
3.3混合式步进电机的计算选型
(1)步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq的计算
  折算到电动机转轴上的转动惯量Jeq=Jm+m1v12/wm2+m2v2/wm2      (3-1)
      Jm=1/2*MR2=1/2*0.1*3.252=0.53(kg.mm2)                  (3-2)
      M1v12/wm2=0.5*2.52/1=3.1(kg.mm2)                         (3-3)
      M2v22/wm2=1.5*2.52/1=6.25(kg.mm2)                        (3-4)
      则Jeq=0.53+3.1+6.25=9.88(kg.mm2)
(2)步进电动机转轴上的等效转矩Teq的计算
步进电机转轴所承受的负载转矩在不同工况下是不同的。一般考虑两种情况:一种情况是快速空载起动,另一种情况是承受最大工作载荷。下面分别进行讨论:
(1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1
                      Teq1=Tamax+ Tf                                            (3-5)
公式中Tamax是快速起动时折算到电动机轴上的最大加速转矩
       Tf是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩
具体计算过程如下:
1) 快速空载起动时折算到电动机轴上的最大加速转矩:
                Tamax=Jeqε=                            (3-6)
式中Jeq是步进电机转轴上的总转动惯量
     ε是步进电机转轴的角加速度
     nm是电动机的转速
ta是电动机加速所用的时间
计算所得Tamax=0.206(N.MM)
2) 移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩:
                     Tf=                                 (3-7)
式中F摩是移动部件的摩擦力
Ph是移动部件的行程
 是传动总效率,一般取 =0.7~0.85
计算所得折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf=2.84(N.MM)
(2) 最大工作载荷状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2:
                        Teq2= Tf+Tt                       (3-8)
式中,Tf按式(2-7)进行计算。而折算到电动机转轴上的最大工作载荷转矩Tt由下式计算:
                       Tt=                           (3-9)
式中Ff是移动方向最大的工作载荷
计算可得最大工作载荷状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2=5.68(N.MM)
经过上述计算后,可知加在电动机转轴上的最大等效负载转矩应为:
                     Teq=max{ Teq1,Teq2}               (3-10)
则可得加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩Teq=5.68(N.MM).

  • 关键词 高压线 电流 检测器 总体
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