電力機車用永磁機構斷路器控制器的研制

甄旭峰，蘇安社，王俊峰，吳榮平，楊建明

（北京賽德高科鐵道電氣科技有限責任公司，北京100176）

隨著我國鐵路的發(fā)展，電力機車數(shù)量在急劇上升，因而電力機車用真空主斷路器的可靠性要求也越來越高。永磁機構以其結構簡單、運行可靠、經(jīng)久耐用等優(yōu)點被廣泛應用于真空斷路器的驅(qū)動。它克服了傳統(tǒng)機構的缺點，充分發(fā)揮了真空斷路器的優(yōu)點［1］，為研制新一代免維護斷路器奠定了基礎。

1 永磁機構斷路器構成及原理

電力機車用永磁機構真空斷路器，包括真空泡、上絕緣子、下絕緣子、連接桿、儲能電容、永磁操動機構和控制器，如圖1所示。真空泡內(nèi)裝有靜觸頭及動觸頭，動觸頭與永磁操動機構的電磁鐵構成直動式結構，不僅結構簡單、零部件少，而且可靠性高、易于安裝。永磁機構中動磁體帶動連接桿的上下運動，進而使真空泡動靜觸頭閉合或斷開。

圖1 永磁機構真空斷路器結構圖

單穩(wěn)態(tài)永磁機構采用單個線圈，與雙穩(wěn)態(tài)永磁機構相比體積更小、所需操作功率也小。當永磁機構處于分閘位置時，線圈中無電流，動鐵芯與靜鐵芯分離，且具有一定的距離，動鐵芯受到永磁體的吸力很小，分閘彈簧使動鐵芯保持在分閘位置。當永磁機構處于合閘位置時，動鐵芯和靜鐵芯接觸在一起，線圈中無電流，永磁體產(chǎn)生的吸力使機構保持在合閘位置，分閘彈簧處壓縮狀態(tài)。

當永磁機構斷路器分閘時，控制器控制儲能電容快速放電，使線圈流過大電流，線圈在動鐵芯處產(chǎn)生的磁場與永磁體在此處產(chǎn)生的磁場方向相反，減小動鐵芯受到的向上吸力，隨著線圈電流的增大，動鐵芯受到的電磁吸力逐漸減小，當電磁吸力小于彈簧的壓力時，動鐵芯就會在彈簧壓力的作用下，帶動拉桿完成分閘動作。當機構需要合閘時，控制器控制線圈通過與分閘時相反方向的電流，使動鐵芯處產(chǎn)生較強的磁場，由此而產(chǎn)生的電磁吸力帶動動鐵芯及動觸頭完成合閘動作，并使分閘彈簧儲能。

2 控制器的硬件及程序設計

永磁機構控制器主要由電源模塊、CPU控制模塊、信號處理模塊、電容電壓檢測模塊、分合閘驅(qū)動模塊和顯示模塊等組成，其原理框圖見圖2。

圖2 永磁機構控制器的原理框圖

單片機PIC18F25K24在接到合閘命令后，首先通過輔助開關判斷斷路器的分合狀態(tài)，若斷路器處于分閘狀態(tài)，且儲能電容的電壓大于設定值，則使其中一組IGBT導通，儲能電容正、負極分別與永磁機構的正、負極接通，儲能電容瞬間放電，使得永磁機構動作，斷路器閉合；反之，單片機PIC18F25K24在接到分閘命令時，使另一組IGBT導通，儲能電容正、負極分別與永磁機構的負、正極接通，儲能電容瞬間放電，使得永磁機構向相反的方向動作，斷路器斷開。

永磁機構動作需要在較短的時間內(nèi)獲得較大的直流脈沖電流［2］。本裝置采用直流開關電源，穩(wěn)定儲能電容電壓，同時給控制模塊供電，這樣就避免了因儲能電容電壓不穩(wěn)定給永磁機構斷路器造成性能降低的問題。同時，精確地設置合閘及分閘時間，控制斷路器的合閘速度，消除了合閘時動觸頭的彈跳時間，提高了斷路器的機械及電氣壽命［3］。

為了保證斷路器在電源發(fā)生故障時仍能正常工作，在電路設計上利用儲能電容的剩余電量給控制模塊供電，滿足短時間內(nèi)控制單元繼續(xù)工作的要求。圖3為儲能電容及分、合閘主電路。

圖3 儲能電容充電及分、合閘主電路

通過設定控制器導通其中一組IGBT的時間［4］，來控制流過線圈繞組電流及電磁力，進而控制動鐵芯的運動速度，動鐵芯與動觸頭通過連接桿直動式連接，最終達到控制真空泡中動觸頭運動速度的目的。在調(diào)試現(xiàn)場，可以根據(jù)測試的波形及顯示模塊的數(shù)據(jù)，方便地調(diào)節(jié)分、合閘時間。圖4和圖5為用示波器及位移傳感器測得的斷路器合閘及分閘時觸頭的動作曲線及永磁機構的位移曲線。

圖4 斷路器的合閘曲線

圖5 斷路器的分閘曲線

3 結束語

以單片機PIC18F25K24為核心構成的永磁機構控制器實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過外部命令及信息的反饋，避免了斷路器誤動作，提高了安全性及可靠性。永磁機構真空斷路器經(jīng)過25萬次的機械動作測試，動作可靠，可以滿足工作要求。

［1］林 莘．永磁機構與真空斷路器［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2002．

［2］鄒洪超，婁建勇，榮命哲．單線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機構接觸器三維磁場分析和電磁吸力的計算［J］．低壓電器，2004（3）：12－15．

［3］游一民，鄭 軍，羅文科．永磁機構及其發(fā)展動態(tài)［J］．高壓電器，2001，37（1）：44－48．

［4］顏世剛，張承慧．電力電子技術問答［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2007．