一種新型礦用真空永磁控制器設(shè)計

黨 威

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

永磁控制器是永磁真空斷路器的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能優(yōu)劣對斷路器的性能影響較大。隨著工業(yè)發(fā)展對用電安全要求的不斷提高，永磁真空斷路器的可靠性越來越得到重視，因此安全可靠的控制器具有很大的發(fā)展空間。永磁控制器的主要目的是為永磁真空斷路器提供可靠的動作，并有較強的抗干擾能力。在傳統(tǒng)操動機構(gòu)中，電氣控制與驅(qū)動部分采用繼電器式的控制方式，其控制線路簡單，但控制單元體積較大，零部件壽命較短，維護工作量大。隨著電子技術(shù)的進步，電力電子器件性能和參數(shù)的提高，可用電子元器件代替機電式繼電器和有觸點的輔助開關(guān)等部件實現(xiàn)對斷路器的控制與驅(qū)動。在永磁操動機構(gòu)中，由于其結(jié)構(gòu)特點，用電子式控制方式比傳統(tǒng)的控制方式更加可靠。設(shè)計采用CPLD控制指令的輸出來實現(xiàn)合/分閘操作、合/分互鎖功能，欠壓保護、過壓保護、延時保護等功能，提高控制系統(tǒng)的智能化，避免了操作的誤動作，提高了永磁斷路器的可靠性，從而保證了礦井下的用電安全。

1 永磁控制器的原理

永磁操動機構(gòu)是近年發(fā)展起來的一種新型操動機構(gòu)。這種機構(gòu)將電磁鐵與永久磁鐵有機地結(jié)合在一起，利用永久磁鐵產(chǎn)生的磁力將真空斷路器保持在合閘位置或分閘位置，而無需任何傳統(tǒng)的機械脫扣、鎖扣裝置。該機構(gòu)體積較小、零部件少、結(jié)構(gòu)簡單，使斷路器動作可靠性大大提高。目前，在結(jié)構(gòu)上有雙線圈式、單線圈式和分磁路式3種形式，前兩種形式稱為雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)［1］。

設(shè)計的永磁機構(gòu)采用雙線圈結(jié)構(gòu)，永磁控制器主要是根據(jù)合閘和分閘所要求的不同電磁力而設(shè)計。設(shè)計采用自適應(yīng)的放電方式和原始時間相結(jié)合，在用CPLD控制電容給線圈的放電時間。輸出驅(qū)動采用三極管和IGBT組成的無觸點電路完成。并且有獨立的放電電路，在斷電后迅速釋放電容上的能量［2］。

2 永磁控制器的設(shè)計

整個永磁控制系統(tǒng)主要由5部分組成:電源部分、時鐘產(chǎn)生模塊、識別判斷處理控制部分、輸入隔離模塊和輸出驅(qū)動模塊。整個系統(tǒng)的框圖如圖1所示［1］。

圖1 控制器系統(tǒng)框圖

輸入信號隔離包括合/分指令輸入、斷路器狀態(tài)位輸入、欠壓保護輸入和斷電信號輸入等信號調(diào)理隔離處理電路。CPLD芯片主要完成信號的判斷比較、判斷和輸出時間控制等功能;信號輸出驅(qū)動模塊主要是合/分閘指令的輸出和信號隔離處理驅(qū)動;時鐘產(chǎn)生模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)處理時鐘，使得系統(tǒng)能夠精確地控制能量的輸出，保證永磁機構(gòu)工作的可靠性;電源主要是用來給系統(tǒng)供電和電容充電。

2.1 電源模塊設(shè)計

電源是整個控制系統(tǒng)的心臟，電源的可靠性和抗干擾能力決定了整個系統(tǒng)的可靠性，所以設(shè)計采用寬范圍輸入的開關(guān)電源設(shè)計，增加了系統(tǒng)的可靠性和安全性。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。由于礦用斷路器合/分閘操作采用儲能電容給永磁機構(gòu)的線圈供電，所以本系統(tǒng)所采用的是空載時恒壓和帶載時恒流的電源設(shè)計方案，實現(xiàn)了過充保護防止過充損壞元件，提高了系統(tǒng)的可靠性。電壓和電流連續(xù)可調(diào)滿足不同的上電時間要求［4］。開關(guān)電源的模塊如圖2所示。

圖2 開關(guān)電源的組成模塊

保護電路一般由壓敏電阻與保險管組成，主要是防止當(dāng)外界有雷擊等突發(fā)情況時，產(chǎn)生的高壓通過電網(wǎng)傳入電源，對電源造成損害。當(dāng)加在壓敏電阻上的電壓超過其工作電壓時，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過大，保險管會燒毀，從而保護后級電路。

輸入濾波電路主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。

整流濾波電路對輸入的交流電經(jīng)整流電路及電容濾波后得到直流電，方便后級電路處理和應(yīng)用。

尖峰吸收電路:變壓器的原邊易產(chǎn)生尖峰電壓與尖峰電流，容易損壞芯片及一些元件，因此需要加上尖峰吸收電路，對電路進行保護。

反饋電路:為了有穩(wěn)定的輸出，需要將輸出再反饋給PWM控制器，通過調(diào)整占空比，從而達到穩(wěn)定輸出的目的。

芯片供電電路:由于現(xiàn)在很多的芯片生產(chǎn)商開關(guān)電源芯片將PWM控制器及各種保護集成在芯片中，這在一定程度上減少了開關(guān)電源的設(shè)計難度。只要設(shè)計相應(yīng)的芯片的外圍電路即可。

變壓器:開關(guān)電源中的變壓器是整個電源的核心，它是DC/DC變換的關(guān)鍵。

2.2 時鐘設(shè)計

采用專用芯片的典型電路，通過調(diào)整電阻和電容的大小，可以產(chǎn)生控制器所需的時序，電路圖如圖3所示。

圖3 時鐘電路

產(chǎn)生的高電平的時間計算如式(1)

產(chǎn)生的低電平的時間計算如式(2)

所以，時鐘頻率為

占空比如式(4)

通過這個電路可以產(chǎn)生芯片所需的控制脈沖信號，控制整個系統(tǒng)的正常工作。

2.3 輸入隔離模塊設(shè)計

輸入隔離模塊包括合/分閘信號輸入、斷電信號輸入、欠壓信號輸入和狀態(tài)位信號輸入。其中合/分閘輸入和狀態(tài)位輸入采用同一種電路結(jié)構(gòu)，簡化了設(shè)計的難度。具體如圖4所示。

圖4 合/分閘輸入和狀態(tài)位輸入模塊

濾波保護模塊主要是由電容和二極管組成，防止合分閘按鈕有毛刺，電容吸收毛刺，二極管鉗位保護CPLD。光耦隔離用來隔離模擬地和數(shù)字地，有效地防止干擾信號進入，保證斷路器工作的可靠性。分流濾波電路由電容和電阻組成，保護CPLD的管腳。斷電信號、欠壓信號和過壓信號輸入采用如圖5所示的電路模型。采樣電路主要是對交流信號進行分壓處理，方便后級電路處理。整流濾波電路是由整流橋和電容組成，作用是將交流信號變換成直流并減少紋波。

圖5 斷電輸入和欠壓輸入模塊

2.4 識別判斷處理控制部分

控制部分采用CPLD軟件編程控制，通過編程實現(xiàn)控制器的各種功能，軟件的流程和控制方案如圖6所示。

圖6 軟件流程

軟件中對合/分閘信號進行了防抖動處理，確保控制器的操作可靠。

2.5 輸出驅(qū)動模塊

輸出驅(qū)動模塊包括合閘驅(qū)動輸出和分閘驅(qū)動輸出。驅(qū)動輸出電路如圖7所示。

圖7 輸出驅(qū)動電路

三極管驅(qū)動電路由兩個三極管和電阻組成，主要是給IGBT提供驅(qū)動電壓信號。鉗位電路保護IGBT柵極電壓的穩(wěn)定，吸尖峰電路主要是吸收IGBT導(dǎo)通與閉合瞬間產(chǎn)生的高壓毛刺，使IGBT可靠工作。

3 結(jié)束語

通過軟件仿真和驗證，驗證了控制系統(tǒng)的邏輯正確性，并接在高壓斷路器上用脈沖群干擾源對控制器的電源和信號線進行干擾試驗，控制器功能正常，斷路器沒有誤動作。

研制的基于CPLD的永磁控制器不僅實現(xiàn)了合/分閘操作，而且實現(xiàn)了欠壓保護、欠壓閉鎖、合/分互鎖等功能。在控制器中用開關(guān)穩(wěn)流電源對儲能電容充電，用CPLD實現(xiàn)智能邏輯控制，用三極管和IGBT為主組成的電子開關(guān)的通斷來控制合/分閘的能量，使輸出能量可控、可調(diào)。輸入輸出處理單元和CPLD之間采用了光電耦合。設(shè)計中考慮了干擾，所以不同電源之間的地線都進行了隔離，又在電源和地之間加入了濾波電容，有效地防止了干擾。由于系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和開關(guān)電源的可控、可調(diào)，并且軟件可以控制合/分閘的準(zhǔn)確時間，使得線圈能量和電流可控、可調(diào)，可以適用于不同的永磁真空斷路器。

［1］張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［2］高吉祥.模擬電子技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［3］姚遠(yuǎn)，李辰.FPGA應(yīng)用開發(fā)入門與典型實例［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

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［5］李超杰.頻率計算法設(shè)計RCC開關(guān)電源［J］.電子科技，2010，23(8):31 －34.

［6］馮艷斌，張勛，張麗.開關(guān)電源EMI濾波器設(shè)計［J］.電子科技，2010，23(6):71 －75.