基于IPM模塊的智能斷路器電動(dòng)底盤車控制電路設(shè)計(jì)

唐英 陳德凱 楊春孟 楊建榮 周雪燕

【摘 要】在當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展之中，人們對(duì)于供電質(zhì)量也有著越來越高的要求，因此在變電站之中，尤其是變電站的自動(dòng)電力電子系統(tǒng)，更是對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的底層開關(guān)有著更高的技術(shù)要求。基于這一情況，本文研究了一種基于IPM模塊的智能斷路器電動(dòng)底盤車控制電路的設(shè)計(jì)，希望可以對(duì)變電站供電質(zhì)量的提升有所幫助。

【關(guān)鍵詞】變電站;IPM模塊;智能斷路器;電動(dòng)底盤車;控制電路

前言

本次研究主要是為了與當(dāng)今智能化的斷路器發(fā)展相適應(yīng)，對(duì)智能斷路器電動(dòng)底盤車的控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這一裝置之中，主要應(yīng)用的是IPM智能功率模塊，以此對(duì)底盤車的電機(jī)功率起到驅(qū)動(dòng)作用。同時(shí)也引進(jìn)了電機(jī)電流的閉環(huán)控制技術(shù)以及PWM脈寬調(diào)控技術(shù)，讓電機(jī)轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)得到良好的監(jiān)控與保護(hù)。

一、電動(dòng)底盤車控制系統(tǒng)H橋電路的工作原理分析

在電動(dòng)底盤車電機(jī)的工作過程中，主要是通過正反轉(zhuǎn)的形式進(jìn)行，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，將H型雙極性的可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用到了其中。這個(gè)系統(tǒng)之中主要有四個(gè)續(xù)流的二極管和四個(gè)開關(guān)管，通過單電源的形式進(jìn)行供電。在這四個(gè)開關(guān)管之中，V1和V4組成一組，V2和V3組成另一組，在同一組中，開關(guān)管的導(dǎo)通或者是斷開同步進(jìn)行，不同組的通斷則剛好相反。在每一個(gè)PWM的周期之中，如果控制信號(hào)Ui1處于高電平的狀態(tài)，就會(huì)導(dǎo)通V1和V4，這時(shí)候的控制信號(hào)Ui2將處于低電平的狀態(tài)，所以V2和V3也就會(huì)停止，電樞繞組所承受的是正向電壓。如果控制信號(hào)Ui2處于高電平的狀態(tài)，就會(huì)導(dǎo)通V2和V3，這時(shí)候的控制信號(hào)Ui1將處于低電平的狀態(tài)，所以V1和V4也就會(huì)停止，電樞繞組所承受的是反向電壓[1]。也就是說，在每一個(gè)PWM的周期之中，電樞電壓都要經(jīng)歷一次正向的變化和一次反向的變化，這種變化也就是我們所說的“雙極”。而電樞平均電壓可以表示為：

U0=（ - ）US=（2 -1）US=（2α-1）US。

通過以上的公式可以得出，在雙極性可逆PWM的驅(qū)動(dòng)過程中，占空比α對(duì)電樞繞組承受的平均電壓起到?jīng)Q定性作用。在α為0的時(shí)候，U0=-US，此時(shí)的電機(jī)處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，而且轉(zhuǎn)速達(dá)到最大。在α為0.5的時(shí)候，U0為0，此時(shí)的電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，但是此時(shí)依然有交變電流在電樞繞組之中流動(dòng)，這樣就會(huì)讓電機(jī)產(chǎn)生一種高頻振蕩，這種振蕩不僅有助于電機(jī)對(duì)負(fù)載靜摩擦的克服，也可以讓電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能得以有效提升[2]。

二、PWM在L292基礎(chǔ)上的控制電路設(shè)計(jì)

L292屬于意大利SGS公司所研發(fā)的第三代伺服控制專用的集成電路，擁有很多功能的單元電路都集成在了L292的芯片之中，所以，在設(shè)計(jì)過程中，僅僅在外部加上少數(shù)的一些元件，一個(gè)完整的電流環(huán)就可以順利組成。只要電動(dòng)底盤車與其操作的條件相符合，并且能夠接收到相關(guān)的控制指令的情況下，CPU所發(fā)送出來的控制指令就會(huì)讓L292之中產(chǎn)生兩路有著相同頻率的PWM波，這兩路PWM波的波形又可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，在這兩路PWM波的作用下，底盤車的電機(jī)也將開始工作。在這一 過程之中，采樣電阻會(huì)獲得一個(gè)電樞電流的反饋信號(hào)，然后將這個(gè)反饋信號(hào)輸送到L292的2腳以及14腳之中，通過片內(nèi)的差分放大電路，這個(gè)反饋信號(hào)就可以被放大，并將檢測(cè)到的電流輸送到L292之中的6腳，與控制信號(hào)一同被輸送到片內(nèi)的運(yùn)放反相端，這樣就可以得出電機(jī)電流之中的誤差信號(hào)，并將這個(gè)電流誤差信號(hào)輸送到電流環(huán)調(diào)節(jié)器之中，利用PID控制算法來進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)過調(diào)節(jié)之后，就會(huì)生成一個(gè)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的信號(hào)，這個(gè)控制信號(hào)可以對(duì)PWM波的輸出進(jìn)行控制，這樣就可以讓電動(dòng)底盤車得到有效的閉環(huán)控制。

三、IPM模塊驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

相比較IGBT模塊而言，IPM模塊具有內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)電路，可以實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)以及過熱保護(hù)等，也可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)的輸出。這個(gè)系統(tǒng)主要應(yīng)用的是日本富士IPM模塊的芯片來驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率，在IPM模塊的內(nèi)部安裝了六個(gè)IGBT，可以在450伏、30安的條件下工作，其功率保護(hù)器最大的開關(guān)頻率可以達(dá)到60kHz[3]。驅(qū)動(dòng)電路以及保護(hù)電路是IPM本身所具有的功能，所以通過這一模塊的應(yīng)用，可以讓系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)得以進(jìn)一步簡化，設(shè)計(jì)過程中，僅僅需要保障提供出的PWM信號(hào)滿足驅(qū)動(dòng)功率的需求，同時(shí)提供出驅(qū)動(dòng)電路的電源，并提供出相應(yīng)的電氣隔離裝置來防止干擾即可。

（一）IPM驅(qū)動(dòng)電路的電源設(shè)計(jì)

在IPM模塊的應(yīng)用過程中，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓有著十分嚴(yán)格的要求，驅(qū)動(dòng)電路的電壓范圍一定要控制在15V±10%，如果驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓在13.5伏以下，IPM模塊就會(huì)進(jìn)行欠壓保護(hù)，如果驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓在16.5伏以上，IPM模塊內(nèi)部的一些部件就很可能被燒毀。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓也應(yīng)該相互隔離，這樣才可以有效防止地線噪聲的干擾。在驅(qū)動(dòng)電源之中，絕緣電壓應(yīng)該超過IPM模塊極間反向耐壓值的兩倍。所以，在對(duì)IPM驅(qū)動(dòng)電路的電源進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，所制定的方案一定要具有足夠高的質(zhì)量[4]。在這一系統(tǒng)之中，應(yīng)該專門為這個(gè)IPM模塊配置一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的電壓，將這一模塊之中的四路電壓都控制在15伏，并且將這四路電壓相互隔離開來，這樣才可以為IPM模塊的供電提供出更多的便利。

（二）IPM接口隔離電路的設(shè)計(jì)

通過IPM模塊的應(yīng)用，可以對(duì)系統(tǒng)之中輸入的信號(hào)進(jìn)行控制，通過高共模比、高速度的IPM結(jié)構(gòu)專用光耦隔離之后，再將信號(hào)輸送到IPM輸入端，在此過程中，光耦起到了極短寄生延時(shí)的作用，可進(jìn)一步保障IPM開關(guān)的安全性，由于其瞬間的共模比可以達(dá)到10kV/μs以上，所以可以將IPM結(jié)構(gòu)之間的信號(hào)隔離開來。

四、基于IPM模塊的智能斷路器電動(dòng)底盤車控制電路的試驗(yàn)驗(yàn)證

（一）底盤車的電動(dòng)操作

將底盤車與斷路器共同安裝到開關(guān)柜之中，在機(jī)械與電機(jī)閉鎖等條件滿足的情況下，就可以對(duì)電動(dòng)底盤車進(jìn)行電動(dòng)操作的試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)底盤車的電動(dòng)搖進(jìn)以及電動(dòng)搖出都可以正常工作，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在電壓為額定電壓的情況下，底盤車電機(jī)工作過程中，最大的電流可以達(dá)到1.487安，搖進(jìn)的工作時(shí)間可以達(dá)到24.36秒。

（二）底盤車的超時(shí)保護(hù)試驗(yàn)

將底盤車超時(shí)保護(hù)的啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置成18秒，在底盤車啟動(dòng)的同時(shí)，對(duì)其電機(jī)的電流信號(hào)予以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在本次試驗(yàn)過程中，雖然底盤車在電壓為額定電壓的情況下的搖進(jìn)工作時(shí)間以及搖出工作時(shí)間都是26秒左右，但是當(dāng)?shù)妆P車運(yùn)行到18秒的時(shí)間之后，超時(shí)保護(hù)功能就會(huì)啟動(dòng)，底盤車的工作也就會(huì)隨之停止。

（三）底盤車的堵轉(zhuǎn)保護(hù)試驗(yàn)

在底盤車進(jìn)行電動(dòng)搖出的過程中，將一個(gè)金屬塊放置在底盤車的框架之內(nèi)，以此來對(duì)機(jī)械卡滯故障進(jìn)行模擬，在底盤車啟動(dòng)的同時(shí)，對(duì)其電機(jī)之中的電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，在底盤車發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障的時(shí)候，其電機(jī)之中的電流就會(huì)迅速增加，當(dāng)電機(jī)之中的堵轉(zhuǎn)電流增加到2.14安的時(shí)候，堵轉(zhuǎn)保護(hù)這一功能就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，而底盤車的動(dòng)作也會(huì)隨之迅速停止。

結(jié)束語

綜上所述，智能化開關(guān)設(shè)備已經(jīng)在當(dāng)今的變電站之中得以廣泛應(yīng)用，并憑借其自身的優(yōu)勢(shì)，為變電站之中相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行及其安全性提供出有效的保障。將基于IPM模塊的智能斷路器電動(dòng)底盤車控制電路應(yīng)用到變電站之中，可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，并對(duì)電路的運(yùn)行起到良好的保護(hù)作用，讓電動(dòng)底盤車實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)以及軟停止的操作目標(biāo)。這對(duì)于變電站供電質(zhì)量的提升和供電安全性的保障都將起到十分積極的促進(jìn)作用。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，IPM模塊下的智能斷路器電動(dòng)底盤車控制電路將會(huì)在變電站之中發(fā)揮出更加強(qiáng)大的作用與優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于電力行業(yè)的發(fā)展以及人們用電需求的滿足也將帶來更大的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋漢梁，楊天，修連成，等.基于IPM模塊的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].電工電氣，2019（4）：24-29.

[2]吳志軍，談?dòng)⒆?，許映秋.基于IPM的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2017（3）：123-125.

[3]張文彬.基于DSP的IPM高頻環(huán)逆變電源設(shè)計(jì)[J].艦船電子工程，2017（5）：142-145.

[4]尹全杰，楊代民.應(yīng)用IPM模塊的優(yōu)勢(shì)與注意事項(xiàng)[J].魅力中國，2017（5）：214.

（作者單位：云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局）