便攜式永磁機(jī)構(gòu)控制器的硬件設(shè)計(jì)

王軍安

（西安工程大學(xué)，陜西西安710048）

0 引言

配電網(wǎng)中永磁機(jī)構(gòu)斷路器常安裝于10kV架空配電線路的責(zé)任分界點(diǎn)處，可以實(shí)現(xiàn)單相接地故障、相間短路故障的快速切除，避免同一條饋線上的其他用戶停電，提高非故障用戶的供電可靠性。永磁操作機(jī)構(gòu)斷路器以其卓越的性能、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)及高可靠性獲得了市場(chǎng)的認(rèn)同，隨著農(nóng)網(wǎng)配電系統(tǒng)改造，未來(lái)市場(chǎng)需要更換新設(shè)備的需求很大。大量永磁機(jī)構(gòu)斷路器投入使用后，實(shí)際使用中因?yàn)槟承┰?，有些斷路器?huì)因?yàn)榭刂破鞴收蠠o(wú)法進(jìn)行分合閘操作，為解決現(xiàn)場(chǎng)的這個(gè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的便攜式永磁機(jī)構(gòu)斷路器的控制器，其具有獨(dú)立的蓄電池，并且體積小、重量輕，便于現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)應(yīng)急使用。

1 單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器的控制原理

單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器原理圖如圖1所示。

圖1 單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器原理圖

當(dāng)需要合閘時(shí)，對(duì)分合閘線圈施加正向電流，其產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)帶動(dòng)動(dòng)芯及觸頭完成合閘工作并給分閘彈簧儲(chǔ)能；當(dāng)需要分閘時(shí)，對(duì)分合閘線圈施加反向電流，產(chǎn)生相反的磁場(chǎng)，當(dāng)電磁力和分閘彈簧的合力大于保持力時(shí)，動(dòng)芯就會(huì)向分閘方向運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)觸頭完成分閘操作。

2 單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器控制器設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

控制器的核心功能是控制斷路器的分合，使用時(shí)由蓄電池為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，不需要外接電源。主要包括如下功能模塊：蓄電池充放電管理模塊、電容器充電管理模塊、分合閘控制電路模塊、主控模塊。本文主要介紹分合閘控制電路及儲(chǔ)能模塊設(shè)計(jì)。

2.2 分合閘控制電路設(shè)計(jì)

電容器儲(chǔ)存的電能通過(guò)分合閘控制電路給分合閘線圈供電來(lái)完成分合閘操作，分合閘電路充當(dāng)著開(kāi)關(guān)的角色，完成大電流的開(kāi)通和切斷。斷路器的分合閘時(shí)間一般在50ms以內(nèi)，普通的繼電器已經(jīng)很難精確地去控制，而且體積會(huì)比較大，綜合各方面因素，選用了IGBT作為開(kāi)關(guān)元件，而單穩(wěn)態(tài)單線圈的永磁機(jī)構(gòu)要完成分合閘操作，需要改變加在線圈上的電壓的方向，即合閘時(shí)是正向加電壓，分閘時(shí)反向加電壓，所以使用4個(gè)IGBT組成全橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的過(guò)流保護(hù)功能，驅(qū)動(dòng)示意圖如圖2所示。

圖2 IGBT驅(qū)動(dòng)示意圖

IGBT全橋驅(qū)動(dòng)電路采用快速開(kāi)斷、大功率G160N60型IGBT，當(dāng)需要進(jìn)行分合閘操作時(shí)，MCU發(fā)出脈沖信號(hào)，通過(guò)線圈正、反方向電流，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)IGBT導(dǎo)通或關(guān)斷，控制永磁機(jī)構(gòu)完成分合閘操作。合閘操作時(shí)電流通路為：VOP（電容器）→T1→線圈L→T2→GND。斷電后通過(guò)與IGBT并聯(lián)的二極管形成續(xù)流回路進(jìn)行放電，續(xù)流回路為：線圈L→D3→VOP（電容器）→D4。分閘操作時(shí)電流通路和續(xù)流通路與合閘相對(duì)應(yīng)。

2.3 儲(chǔ)能模塊設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能模塊為分合閘操作提供直接的能源供給，其核心功能為電容器充電管理。因?yàn)殡娙萜鞯奶厥庑裕瑒傞_(kāi)始充電時(shí)阻抗很小，電流很大，如果用普通的電源充電，會(huì)導(dǎo)致電源瞬間進(jìn)入短路保護(hù)狀態(tài)，而當(dāng)電容器電壓達(dá)到規(guī)定時(shí)要停止充電，并能維持這個(gè)電壓，因此采用恒流限壓的方式對(duì)電容器充電，可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。電容充電電路是該部分的核心，其簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

圖3 電容充電電路簡(jiǎn)化模型

考慮到充電時(shí)間及體積功率等因素，充電電流選擇恒流500mA，可以在10s內(nèi)充滿該時(shí)間和彈操機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能時(shí)間相當(dāng)，剛開(kāi)始充電時(shí)，電容電壓為0，電容的內(nèi)阻非常小，此時(shí)采用恒流充電，直到電容電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)停止充電（本裝置設(shè)置停止電壓為DC230V），此時(shí)因?yàn)槁╇娏鞯脑?，電容電壓?huì)緩慢下降，當(dāng)電容電壓下降到設(shè)定值的95%時(shí)，充電模塊重新開(kāi)始新的充電循環(huán)。

3 單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器控制器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并驗(yàn)證了該裝置的基本功能，其分合閘時(shí)間實(shí)驗(yàn)中分/合閘電流波形及位置信號(hào)的波形圖如圖4（a）、（b）所示。其中合閘過(guò)程電流波形呈馬鞍形，分閘過(guò)程電流以“V”形分布。

斷路器動(dòng)作的分/合閘時(shí)間是其機(jī)械特性的重要參數(shù)，若分/合閘時(shí)間過(guò)短，操作失敗的可能性增大；若分/合閘時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電源功耗增加，線圈發(fā)熱嚴(yán)重，斷路器壽命將有所減短。所以，斷路器分/合閘時(shí)間的設(shè)置直接影響斷路器分/合閘操作的可靠性及其機(jī)械壽命。本文經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)后，最終將分合閘時(shí)間分別定為25ms和45ms，既能保證可靠分合閘，又可以節(jié)約能源。

圖4 分/合閘電流波形及位置信號(hào)波形

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種便攜式永磁機(jī)構(gòu)控制器，用在應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)，處理突發(fā)情況。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)驗(yàn)證證明，其具有可靠性高、攜帶方便、操作方便等特點(diǎn)，很好地解決了現(xiàn)場(chǎng)的臨時(shí)應(yīng)急問(wèn)題。